草原区露天煤矿开发地下水水质影响评价∗

郭二果蔡 煜马 静王海英马 晴

(1.呼和浩特市环境科学研究所,内蒙古自治区呼和浩特市,010030; 2.呼和浩特市环境监测中心站,内蒙古自治区呼和浩特市,010030; 3.呼和浩特市环境保护局,内蒙古自治区呼和浩特市,010011)

★节能与环保★

草原区露天煤矿开发地下水水质影响评价∗

郭二果1,2蔡 煜1,3马 静1王海英1马 晴1

(1.呼和浩特市环境科学研究所,内蒙古自治区呼和浩特市,010030; 2.呼和浩特市环境监测中心站,内蒙古自治区呼和浩特市,010030; 3.呼和浩特市环境保护局,内蒙古自治区呼和浩特市,010011)

为研究露天煤矿对地下水水质的影响,于2010－2011年开展了后评估调研和水质监测,并结合搜集环评时现状(2005年)、后续竣工验收资料(2012年),对胜利一号露天煤矿周边地下水水质进行回顾性评价。与胜利一号露天煤矿环评时现状相比,地下水总硬度、硫酸盐、氟化物浓度明显升高,氯化物变化幅度不大,个别监测井氯化物浓度呈下降趋势;浊度、色度、大肠菌群数量大幅下降;锰的浓度比环评时有所下降,但绝对浓度相对较高(超标);铁的浓度在不同监测点处变化规律不一样。

草原区 露天煤矿 地下水水质 回顾性评价

在我国内蒙古、新疆、青海、贵州等草原地区分布着大量露天煤矿,这些地区煤炭基础储量占全国煤炭储量的80%以上。由于矿坑水排放、含水层疏干、排土场淋溶以及采动破坏等因素,打破了地下水原有的平衡状态和循环关系,目前有关煤矿开发对地下水水质的影响研究多集中在煤矿不同含水层水质类型、水质现状评价方法和模式上。本文以地处内蒙古锡林浩特草原地区的胜利一号露天煤矿为研究对象,对煤矿开发后的地下水水质影响进行回顾性评价,为煤炭资源开发项目的环境影响后评价提供参考性思路,同时也为煤炭建设项目地下水水质影响评价提供实例性依据。

1 研究地区概况

1.1 矿区周边环境

胜利一号露天煤矿位于内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市西北部胜利苏木境内,煤田属新华夏系第三沉降带巴音和硕凹陷南部的断陷型含煤盆地,整个煤田为宽缓的向斜构造,向斜两翼倾角为5°～12°。含煤地层为巴彦花群的锡林组和胜利组,可采煤层自上而下有5、5下、6上、6－1、6、6下。矿区地势为低缓丘陵及河谷冲积平原,属锡林浩特盆地水文地质单元的一部分,地面标高为980～1093 m。区域水文地质分4个区,有3条断层(F25、F29、F1),全部为正断层,走向为NNE～NE,倾角均大于50°,以压扭性为主,断层带以泥岩及泥岩胶结的塑性岩石为主,裂隙稀少,破碎带不发育,可视为阻水断层。对露天开采有影响的含水层为第四系孔隙潜水含水层、煤系顶砾岩段裂隙、孔隙承压含水岩组、5煤层裂隙承压含水岩组和6煤层裂隙承压含水岩组。含水岩组的补给主要由大气降水通过含水层隐伏露头下渗补给及隔水层的局部薄弱地段越流渗透补给,锡林河谷冲积平原以地下水径流、蒸发排泄为主,同时锡林河与第四系孔隙潜水也有水力联系。经过近20年(包括原乌兰图嘎煤矿)的开采,F25断层北的水位已经疏干下降了逾100 m。

1.2 工程概况

胜利一号露天煤矿是神华北电胜利能源有限公司在原乌兰图噶露天煤矿的基础上扩建的,总建设规模为20 Mt/a,一期工程为10 Mt/a,2005年开始扩建并于2009年通过验收,二期扩建工程于2010年开始,2012年通过竣工环保验收。目前总占地面积为1235.06 hm2。该矿采用单斗—卡车开采工艺,采掘场分3个采区,目前在首采区,开采境界南北2.2 km,东西2.0 km,深度160 m;全煤田可采储量为1851.58 Mt,其中首采区为445.92 Mt,生产剥采比为2.77 m3/t;设3个外排土场,南北两个排土场已经复垦完毕,剥离物排放沿帮排土场,排土场总占地面积750 hm2。煤矿设置29个疏干水井储存抽取的疏干水,疏水量为20000 t/d,其中外排到锡林河的疏水量为8097 t/d。矿坑水产生量为6935 t/d,经悬浮沉淀后排入锡林河。

2 研究方法

2.1 调查方法

(1)资料收集。收集了煤矿环评时现状监测资料、煤矿例行监测统计资料(如每年疏干水量、各水井的水位)、区域地质条件和地下水水文地质资料。

(2)后评估时现场调查。后评估过程中分别在2010年6月、8月、2011年7月等多次去现场调查,调查内容包括矿区周边环境和工程矿坑水排放情况实地勘察、地表水分布及水文情况调查、牧区居民用水情况变化走访问询。

(3)后续资料调查。2012年煤矿通过二期竣工环保验收后,又补充收集了二期竣工环保验收监测报告中关于地下水的监测资料。

2.2 地下水水质监测方法

(1)监测时间:2010年11月4－5日连续2天监测,监测时间为每日8:00。

(2)监测项目:p H、大肠杆菌、细菌总数、氯化物、氟化物、色度、浊度、总硬度、溶解性总固体、挥发酚、硫酸盐、六价铬、铁、镉、锰、铅、砷、汞等18个因子。

(3)监测点位。选择原环评时的4个地下水监测点,即众星冷库、原乌兰图嘎露天煤矿行政机关机井、锗矿机井、旅游局旅游点西南2000 m处压水井,另外,为了更好地了解煤矿周边地下水实况,本次研究又增加一个疏干水井和附近村庄敖包苏嘎查生活用水井,共设置6个地下水监测点。同时,为分析企业污水排放情况,对企业矿坑水处理设施、排污口及下游500 m水质进行监测。监测点位详见表1。

2.3 地下水水质评价方法

水质评价采用单项标准指数法,评价标准执行《地下水质量标准》III类标准。回顾性评价采用趋势分析法和前后对比法。

3 结果与分析

3.1 煤矿开采前环评时地下水质量

对7个监测井的地下水水质进行回顾性评价,数据见表2和表3。环评时对4个地下水井的15个水质因子进行了监测,其中p H、细菌总数、铅、挥发酚、六价铬、镉、汞、总硬度等均满足地下水Ⅲ类标准要求,除了个别点位水质因子稍有超标外(标准指数为1.02),硫酸盐浓度也能满足标准要求。铁和锰严重超标,且这两种元素在4个监测点均超标,铁和锰分别以众星冷库和锗矿机井超标最为严重,这2个监测点的铁浓度分别是标准值的4.57、5.13倍,锰浓度分别是标准值的8.4倍和23.4倍。浊度超标率100%,其中锗矿机井超标最严重,超标倍数为15.67倍。氟化物浓度除锗矿机井外全部超标,是标准值的1.16～1.35倍。4个监测点色度的浓度分别是标准值的1.0～2.67倍。此外,大肠菌群在众星冷库和乌兰图嘎露天煤矿行政机关机井超标,最高浓度是标准值的6.67倍,氯化物等指标也均出现了不同程度的超标现象。

由此可见,胜利一号露天煤矿建设前的锡林浩特地区地下水属铁、锰高含量地区,同时,氟化物的含量也较高,大肠菌群超标的主要原因是因为该地区放牧牛羊粪便或有机物进入等原因导致。

表1 地下水环境现状监测点

3.2 后评估时地下水水质

2010年后评估研究中,p H、大肠菌群、细菌总数、色度、氯化物、挥发酚、六价铬、铅、镉、汞、砷等均满足地下水Ⅲ类标准要求。

6个监测点中,溶解性总固体浓度、浊度超标率100%,最高浓度分别是标准值的2.622倍和1.67倍;硫酸盐浓度、总硬度除众星冷库和矿区疏干井之外均超过了标准限值,最高浓度均出现在旅游局旅游点西南2000 m处的压水井,标准指数分别为3.27和2.34;在众星冷库、旅游局旅游点西南2000 m处的压水井锰和铁的浓度也超过标准限值,这两个监测点锰和铁的标准指数分别为1.7～5.4和4.4～26.63,此外,矿区疏干井锰的浓度也超标2.8倍。氟化物除旅游点西南2000 m处外,其他5个监测点均超标,超标浓度为标准值的1.27～3.85倍。

3.3 二期验收时地下水水质

煤矿一期验收时未对地下水水质进行监测,自2010年后评估课题主要研究结束后,2012年进行二期竣工环境保护验收时监测了露天矿坑下游200 m处、乌兰图嘎露天煤行政机关机井、锗矿机井等3处的地下水水质,共监测了17个水质因子。结果显示,原乌煤机关井硫酸盐、大肠菌群超标,标准指数分别为1.072和7.667;锗矿机井总硬度和氟化物超标,标准指数分别为1.483和1.090;露天矿坑下游200 m处地下水中锰、大肠菌群标准指数分别为2.100和7.667,其他水质指标均能达标。

3.4 地下水水质变化分析

3.4.1 重金属及挥发酚等变化

对比不同时期地下水水质,与环评时相比,胜利一号露天煤矿开发7年后,周边地下水中铅、六价铬、汞、镉、砷、挥发酚等浓度仍然不高,无论是2010年后评估还是2012年的二期竣工验收监测值均在仪器检出限值以下;p H和细菌总数的变化幅度也不大,环评前、后评估和验收时均在Ⅲ类水体标准要求范围内,数据见表2。

3.4.2 总硬度、硫酸盐、氟化物、氯化物

经过近7年的开采时间,露天煤矿周边地下水总硬度、硫酸盐、氟化物浓度比环评时有所升高。其中4个监测点的总硬度、硫酸盐在2010年后评估时的监测值均高于环评时现状,4个点平均值分别是原环评现状的1.54倍和2.47倍,以至于原本符合标准要求的这2个因子在2010年多数监测点超标;除旅游区旅游点西南2000 m处外,氟化物浓度在其他3个监测点均比环评前有所升高,2010年3个监测点氟化物浓度是2005年的1.28～2.5倍,这使得原本超过标准限值的氟化物在胜利一号露天煤矿周边地下水的污染更为严重。根据后续收集资料,2012年二期竣工验收时这3个水质因子虽有所减缓,但浓度仍高于环评前现状;胜利一号露天矿周边地下水氯化物含量总体不高,变化幅度也不是太大,其中原乌兰图嘎露天煤矿行政机关机井和锗矿机井中氯化物呈下降趋势。

总硬度、硫酸盐、氟化物升高的原因可能与区域水文地质条件有关,随着开采深度的变化,疏干水不同含水层水质不同。同时也可能与煤矿矿坑排水水质有关,根据收集和监测资料,2010年后评估时煤矿矿坑水氟化物浓度是2008年的1.64倍。

3.4.3 大肠菌群、浊度、色度

大肠菌群数量在不同监测点位差异较大,不论环评前现状还是后期监测,均表现出锗矿机井处大肠菌群数量少、原乌兰图嘎露天煤矿行政机关机井处大肠菌群数量多。从时间变化趋势来看,大肠菌群数量比环评前现状有所降低,原本超标严重的众星冷库和原乌兰图嘎露天煤矿行政机关机井,2010年后评估时大肠菌群数量也能达到Ⅲ类水体标准要求。

与环评前现状相比,胜利一号露天煤矿开采以来,周边地下水浊度、色度下降明显,2010年后评估时4个监测点浊度、色度均较环评时相应监测点浓度低,补充收集的2012年二期竣工验收数据也显示浊度、色度低于环评时现状,3个时期均进行过水质监测的原乌兰图嘎露天煤矿行政机关机井和锗矿机井,后续监测值色度仅为原现状值的0.12～0.38倍,浊度为原现状值的0.06～0.2倍。

大肠菌群数量、浊度、色度下降的原因可能是随开采深度增加,地下水受生活污染影响越来越不显著的缘故。另外,浊度也可能与煤矿排水水质有关,胜利一号露天煤矿矿坑水处理设施出口悬浮物在2010年后评估、2012年二期竣工验收时远低于一期竣工验收监测值(仅为环评前现状值的0.23～0.4倍),这也可能是地下水浊度降低的原因之一。

3.4.4 铁、锰

胜利一号露天煤矿开发以来,4个监测点锰浓度均比2005年环评前有所降低,但其绝对浓度仍然较高,无论是2010年后评估时监测值还是2012年后续收集监测资料,锰浓度均有超标现象。不同监测点,铁浓度的变化规律不一样,在众星冷库和旅游区旅游点西南2000 m处超标且比2005年高,而原乌兰图嘎露天煤矿行政机关和锗矿机井,铁的浓度远低于2005年本底值。各个监测点地下水浓度取平均值后,2010年铁浓度是5年前本底值的1.58倍,而锰浓度降低到原本底值的0.18倍。不同时期地下水水质评价指数对比如图1所示。

3.4.5 居民用水井水质情况分析

此次后评估研究中除监测了与原环评时相同的4个监测点外,另外还增加附近敖包苏嘎查居民用水井,监测结果表明敖包苏嘎查居民用水井内浊度、溶解性总固体、氟化物、总硬度、硫酸盐超标。胜利一号露天煤矿在环评时没有对居民用水井进行过监测,与原环评时4个地下水监测点水质平均值相对比,敖包苏嘎查居民用水井水质中氟化物、硫酸盐、总硬度较原环评时高,而原本本底水质含量高的铁、锰和大肠菌群等却大幅度下降,敖包苏嘎查居民用水井水质目前仍然超标的浊度,也比原环评时有所降低。

表2 胜利一号露天煤矿建设前后地下水水质变化

编号分析项目标准值监测值众星冷库后评估原环评原乌煤机关井后评估原环评竣工验收7铅/mg·L－1≤0.05浓度0.001L∗0.005L∗0.001L∗0.005L∗0.001L∗标准指数0.010 0.050 0.010 0.050 0.010 8锰/mg·L－1≤0.1浓度0.54 0.84 0.01L∗0.54 0.01L∗标准指数5.400 8.400 0.050 5.400 0.050 9氯化物/mg·L－1≤250浓度144.81 65.94 205.96 301.94 63.82标准指数0.580 0.260 0.820 1.210 0.255 10六价铬/mg·L－1≤0.05浓度0.004L∗0.002L∗0.004L∗0.002L∗0.004L∗标准指数0.040 0.020 0.040 0.020 0.040 11硫酸盐/mg·L－1≤250浓度157.2 68.43 423.4 255.41 268标准指数0.630 0.270 1.690 1.020 1.072 12挥发酚/mg·L－1≤0.002浓度0.002L∗0.001L∗0.002L∗0.001L∗0.002L∗标准指数0.500 0.250 0.500 0.250 0.500 13汞/μg·L－1≤0.001浓度0.001L∗0.0005L∗0.001L∗0.0005L∗0.00005L∗标准指数0.500 0.250 0.500 0.250 0.025 14镉/mg·L－1≤0.01浓度0.0001L∗0.0005L∗0.0004 0.0005L∗0.0001L∗标准指数0.050 0.025 0.040 0.025 0.005 15氟化物/mg·L－1≤1浓度1.48 1.16 2.9 1.16 0.99标准指数1.480 1.160 2.900 1.160 0.990 16大肠菌群/个·L－1≤3.0数量1 20未检出20 23标准指数0.330 6.670 0.000 6.670 7.667 17砷/mg·L－1≤0.05浓度0.007L∗无监测0.007L∗无监测0.0002L∗标准指数0.070无监测0.070无监测0.002 18溶解性总固体/mg·L－1≤1000浓度1092无监测1267无监测无监测标准指数1.092无监测1.267无监测无监测编号分析项目标准值监测值旅游点西南2000 m处后评估原环评锗矿机井后评估原环评竣工验收1 p H 6.5～8.5 p H 7.41 7.48 7.38 6.72 6.41标准指数0.210 0.240 0.190 0.280 0.590 2总硬度/mg·L－1≤450浓度1054.65 359.82 644.01 624.18 667.32标准指数2.340 0.800 1.430 1.390 1.483 3浊度/mg·L－1≤3浓度5 7 5 50 3标准指数1.670 2.330 1.670 16.670 1.000 4细菌总数/个·L－1≤100数量5 43 4 3 1标准指数0.050 0.430 0.040 0.030 0.010 5铁/mg·L－1≤0.3浓度1.32 0.32 0.03L∗1.54 0.03L∗标准指数4.400 1.070 0.050 5.130 0.050 6色度/mg·L－1≤15浓度5 15 7.5 40 5标准指数0.330 1.000 0.500 2.670 0.333 7铅/mg·L－1≤0.05浓度0.001L∗0.005L∗0.001L∗0.005L∗0.001L∗标准指数0.010 0.050 0.010 0.050 0.010 8锰/mg·L－1≤0.1浓度0.17 0.28 0.01L∗2.34 0.08标准指数1.700 2.800 0.050 23.400 0.800 9氯化物/mg·L－1≤250浓度227.98 89.14 86.11 101.16 94.59标准指数0.910 0.360 0.340 0.400 0.378 10六价铬/mg·L－1≤0.05浓度0.004L∗0.002L∗0.004L∗0.002L∗0.004L∗标准指数0.040 0.020 0.040 0.020 0.040

注:∗为当前测量环境下,监测仪器可测量低限值

表3 胜利一号露天煤矿建设前后地下水水质变化

注:∗当前测量环境下,监测仪器可测量低限值

图1 不同时期地下水水质评价指数对比

4 结论

4.1 环评时现状、后评估和竣工验收数据对比分析

(1)胜利一号露天煤矿周边地下水背景值中, p H、细菌总数、铅、挥发酚、六价铬、镉、汞、总硬度、硫酸盐背景浓度低,均能满足地下水Ⅲ类标准要求;铁和锰背景浓度高,超标率100%,铁最高浓度是标准值的5.13倍,锰最高浓度是标准值的23.4倍;浊度、氟化物浓度也较高,二者与大肠菌群色度、氯化物等均出现了不同程度的超标现象。

(2)煤矿开发至少5年后(包括原乌兰图嘎煤矿则20年),胜利一号露天煤矿周边地下水中p H、大肠菌群、细菌总数、色度、氯化物、挥发酚、六价铬、铅、镉、汞、砷浓度依然很低,均满足地下水Ⅲ类标准要求。溶解性总固体、浊度、硫酸盐、总硬度、锰和铁浓度出现超标,最高浓度分别是标准值的2.622倍、1.67倍、3.27倍、2.34倍、5.4倍和26.63倍。后续收集资料说明2012年煤矿周边地下水硫酸盐、大肠菌群、总硬度、氟化物、锰依然超标。

(3)与环评前相比,胜利一号露天煤矿开发后,周边地下水中重金属铅、六价铬、汞、镉、砷以及挥发酚等浓度始终保持检出限以下,p H和细菌总数的变化幅度也不大,均在Ⅲ类水体标准要求范围内。

总硬度、硫酸盐、氟化物较环评时明显升高,其中总硬度、硫酸盐在4个监测点2010年后评估监测值均高于环评时现状,4个点平均值分别是原环评现状的1.54和2.47倍;4个监测点中有3个监测点氟化物浓度较环评前有所升高,2010年3个监测点氟化物浓度是2005年的1.28～2.5倍;氯化物变化幅度不是太大,个别监测井氯化物浓度呈下降趋势。

煤矿周边地下水浊度、色度、大肠菌群数量大幅下降,2012年色度仅为2005年的0.12～0.38倍,浊度为2005年的0.06～0.2倍。

锰浓度在2010年比环评时有所下降,但绝对浓度还是相对较高(超标)。铁的浓度在不同监测点处变化规律不一样,不同时期各个监测点浓度取平均值后,在2010年进行观测后,地下水铁浓度是5年前本底值的1.58倍,而锰浓度则降低到原本底值的0.18倍。

(4)居民用水井氟化物、硫酸盐、总硬度较原环评时高,而原本本底水质含量高的铁、锰和大肠菌群等却大幅度下降,居民用水井水质目前浊度仍然超标,但比原环评时的浊度有所降低。

4.2 与其他研究成果的对比分析

造成煤矿周边地下水其他水质因子变化的原因与区域地质结构和矿坑排水水质有关,后评估课题中另一研究案例——位于内蒙古自治区的伊敏露天矿也发现,煤矿开发十多年后,疏干水总排口SO42－浓度有所升高,Fe、Mn、Cl－浓度有所降低,但铁锰浓度仍超标。其他一些学者研究也发现,伊犁伊北矿区矿化度背景浓度值高,地下水水质较差,阜新新邱露天煤矿排土场淋溶水对附近地下水主要污染因子为总硬度、硫酸盐、氯化物、溶解性总固体等,阜新地区煤矿开采一百多年后总硬度超Ⅲ类标准的20.25倍,淄川区煤矿开发进入衰老期后第四系孔隙水水质呈重污染状态,主要污染物为SO42－、总硬度、TDS,这些研究结果与本文煤矿开发后总硬度、硫酸盐、溶解性总固体等浓度升高的结论相一致。

4.3 地下水污染防治改进建议

(1)增加疏干水、居民用水观测井,加强对地下水水质的动态监测,随时掌握地下水水质状况;同时要注意监测井设置的可对比性,将历史观测井原乌兰图嘎露天煤矿行政机关和锗矿机井以及众星冷库、旅游区旅游点西南2000 m处机井作为长期观测井。

(2)合理设计疏干排水方案,通过修建防渗帷幕代替疏干地下水、留设隔水煤柱等技术减少疏干排水影响范围;在采掘场外围布设降水孔截流地下水,在采掘场内部采用超前坑、沟等疏排剩余水;采掘场内帮有组织地进行隔水层回填,在边帮底部进行砾石反滤回填;加强矿坑水储存设施及污水处理系统的防渗补救措施。

(3)煤矿开采对地下水的影响是一个动态且持续的过程,建议今后进一步开展跟踪研究,详细掌握F25、F29、F1断层的位置、走向和断层导水性,结合煤矿开采地下水疏干量、地下水水质变化,深入研究煤矿开采对地下水水质的影响原因及影响方式。

(4)鉴于煤矿周边居民用水井浊度、溶解性总固体、氟化物、总硬度、硫酸盐超标以及矿区地下水铁、锰背景含量高,人体长期摄入不利于健康,建议煤矿业主如实向政府和居民反映这种情况,居民饮水采用沙缸过滤的方法进行净化后饮用。

[1] 赵春虎.蒙陕矿区采煤对松散含水层地下水资源影响的定量评价[J].中国煤炭,2014(3)

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[4] 孙冬瑶,朱建雯,黄韶华等.基于模糊综合评价法的煤矿矿井水水质现状评价[J].环境保护科学, 2012(6)

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Assessment of the impact on groundwater quality of the open-pit coal mine in prairie region

Guo Erguo1,2,Cai Yu1,3,Ma Jing1,Wang Haiying1,Ma Qing1
(1．Huhhot Research Institute of Environment,Huhhot,Inner Mongolia 010030,China; 2．Huhhot Environment Monitoring Center,Huhhot,Inner Mongolia 010030,China; 3．Huhhot Environmental Protection Bureau,Huhhot,Inner Mongolia 010011,China)

In order to study the impact of the open-pit coal mine on groundwater quality,the authors carried out post-evaluated investigation and water quality monitoring from 2010 to 2011, and retrospective assessment of groundwater quality around Shengli No．1 open-pit coal mine with combining present conditions of environment impact assessment(EIA)(2005)and data of following completion inspection(2012)．Comparing with the EIA of groundwater quality around Shengli No．1 open-pit coal mine,concentrations of total hardness,sulfate and fluoride significantly increased after exploitation,chloride changed little,and it decreased slightly rarely in monitoring wells,however,turbidity,chromaticity and coliform group decreased sharply,Mn concentration decreased that still higher than standard limitation,and the concentration of Fe changed differently in different monitoring points．

prairieregion,the open-pit coal mine,groundwater quality,retrospective assessment

TD99

A

郭二果(1978－),女,内蒙古凉城人,博士,毕业于中国林业科学研究院,高级工程师,主要从事城市生态及环境保护方面的研究工作。

(责任编辑 孙英浩)

国家环保部2009年公益性专项研究课题“干旱半干旱地区草原煤田开发环境影响后评估与生态修复示范技术研究”(200909063)