煤矿排水影响下的水体水质特征及灌溉适宜性评价——以贵州织金县贯城河小流域为例

石金芳，吴 攀,，张瑞雪,，李学先，查学芳(.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 55005；.贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室，贵阳 55005)

矿山开发等人为活动产生的污水排放加重了区域水环境的污染，这一问题在贵州尤为突出[1-3]。作为山地农业区，农田周围水体是其灌溉用水主要来源，而很多区域存在矿山开采导致水体受到不同程度污染的状况[4-6]。有研究表明，矿区周围水体用于灌溉已导致农田土壤受到污染，有害物质通过食物链的运输已经严重危害到人类的身体健康[7,8]。因此，清楚地了解煤矿区水体质量，评价其是否适用于灌溉是非常有必要的，可为矿区水体的合理利用和管理提供科学依据。本文将主要从盐碱度和钠吸收比两方面探讨受矿山废水影响的贵州织金县贯城河小流域的农田灌溉适用性。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

织金县位于贵州省毕节地区，地处乌江上游支流六冲河与三岔河交汇处的三角地带，地势西高东低，气候温和，年平均气温14.1 ℃，年降雨量1 436 mm，煤矿资源丰富，占贵州省总储量的20%以上。贯城河小流域上游有多个煤矿开采区，且有大约50 a的开采历史，长期的煤矿开发使周围水体形成大量的酸性煤矿废水。如图1所示，为方便研究讨论，将由织金县城西南方汇集向东北方穿城流过的小流域划分为： C1、C2和C3区域主要为煤矿开采区，部分采样点周围有居民分布；而大量的居民集中分布区靠近县城的C4区域；C5区域主要为小流域中部的农田和林地分布区。地表水是该区域农田土壤的主要灌溉用水，河流两岸岩溶泉点出露较多，也成为研究区农田土壤的主要灌溉用水及居民的主要饮用水源。

1.2 样品采集与分析

2013年7月对研究区周围地表水、地下水进行系统采样，共采集地表水32个，地下水及泉点18个。采样点分布见图1。采样所需容器在实验室用5%HNO3浸泡24 h，之后用自来水冲洗再用去离子水冲洗3遍。采样过程中，用便携式参数仪(Multi340i，Germany)现场测定易变参数(T、pH、EC、TDS等)，现场用0.01 mol/L盐酸滴定HCO-3。水样用0.45 μm 醋酸纤维滤膜过滤后分别储存于50 mL聚乙烯瓶中，测阳离子的样品现场用HNO3(优级纯)酸化至pH<2，阴离子样品直接过滤收集。所有样品均用封口膜封好瓶口，带回实验室冷藏在冰箱中(4 ℃)直至测试。

图1 研究区采样点分布图Fig.1 Map of sampling points in the study area

水样阳离子(Ca2+、Mg2+、K+、Na+)用火焰原子吸收分光光度仪(ICE3500，USA)测定，阴离子(SO2-4、NO-3、Cl-)采用离子色谱仪(ICS-1100，Dionex, USA )测定。数据质量通过空白样、平行样和内标等进行控制。测试数据的准确性通过计算电荷平衡误差百分比(%CBE)来衡量，且%CBE都在±10 %范围内。

1.3 评价方法

评价水质量和判断其是否可用于灌溉的最重要的特征有以下几点[9]：通过EC测定盐度或盐的总浓度；钠与其他阳离子的相对比例即钠吸收比SAR或Na%；碳酸氢盐的浓度与钙镁浓度的关系；硼或其他有毒元素浓度。此外，Kellys指数KI也被用来评价灌溉水的适宜性[10]。

SAR表示钠离子和土壤交换反应的相对活度，用以评价灌溉水的碱化程度。高浓度的Na+水用于灌溉危害较大，因为Na+被吸附到土壤中造成土壤聚合物分散导致渗透率下降[11]。计算公式如下：

(1)

灌溉水中的Na含量包括与土壤黏土颗粒中Ca2+和Mg2+交换导致土壤的渗透率、内部排水和空气循环降低的量。在自然水域中Na含量用百分钠Na%表示。计算公式如下：

(2)

Kellys指数KI亦被用来划分灌溉水的等级，KI值<1表示适合用于灌溉。计算公式如下：

(3)

此外，水质参数的空间分布采用ArcGIS10.0中的反距离加权IDW进行插值分析；地表水灌溉质量功能区分布是对EC、SAR和Na%作IDW插值分析后使用叠加分析得到。

2 结果与讨论

2.1 水体物理化学特征

对研究区各类水体主要物理化学指标作了分析(见表1)。研究区受矿山开采的影响，地表水各物理化学参数变化范围较广，尤其是TDS、EC和SO2-4，TDS是评估水的地球化学特征的基本参数[12]，最高达5 271.03 mg/L；主要的阴阳离子中，SO2-4、Mg2+和Na+变化范围较大，其中SO2-4浓度高达3 595.75 mg/L，主要阳离子含量为Ca2+>Na+>Mg2+>K+，阴离子为SO2-4>HCO-3>NO-3>Cl-。

地下水的化学组成主要受区域地质背景条件制约下的水岩相互作用中地球化学过程控制[13]。其中，TDS、EC、SO2-4和HCO-3含量因为受到煤矿区酸性矿山排水的影响表现出空间差异很大。

表1 研究区地表水和地下水物理化学参数统计Tab.1 Physical and chemical parameters statistics of surface water and groundwater in the study area

注：n为采样点总数。

2.2 水质空间分布特征

研究区地表水水质空间分布如图2所示，受河流上游煤矿开采外排酸性煤矿废水影响，pH在C1、C2和C3区域pH值偏低，EC、TDS、Ca2+、Mg2+和SO2-4离子含量较高。有研究表明[6]，煤矿开采区附近的河流水具有pH值低，EC和SO2-4浓度高的特点；同时因此引发的矿物溶解使水体中SO2-4、Ca2+、Mg2+和TDS等含量成正比增加[14]。Na+、K+和Cl-可能受人类活动排放生活污水影响在C2、C3和C4区域含量偏高，特别是C4区域更为明显。

研究区地下水水质空间分布如图3所示。结果表明C1区域pH值偏碱性；C1和C2区EC值偏高；TDS、Ca2+、Mg2+、Na+和SO2-4均在C1和C4部分区域偏高，可能是因为煤矿开采排放的酸性矿山废水的排入导致地下水受到影响；K+和Cl-在C4区域明显偏高，可能是受周围居民排放生活污水的影响；HCO-3在C1区域偏高，其次在C2区有较高含量。在地表水和地下水水质分布图(图2和图3)，在C5区域NO-3含量都明显偏高，表明农田区域由于施肥过多会导致NO-3含量偏高[15-17]。

2.3 灌溉适宜性评价

通过EC值对水体灌溉适宜性评价的分类等级参照Handa[18]的等级分类方案分为5类(见表2)，结果表明，研究区地表水样点中有43.75%处于中等水平，有34.38%为高等水平，而有18.75%已达到非常高的等级，分别是S4、S6、S16、S19、S26和S27样点；SAR值分类[19]结果表明有71.88%地表水小于10，处于低碱化水平，分别有9.38%处于中等、高和非常高的碱化水平；Na%结果表明，地表水分别有56.25%和18.75%处于低中等水平，分别有12.50%为高、非常高的Na含量；KI值表明有84.38%的地表水适合用于灌溉，有15.63%的不适合。SAR、Na%和KI值处于高和非常高的样点主要为S3、S5、S10、S11、S14、S26、S27和S29。地下水EC值大部分都处于中低等水平，SAR、Na%和KI值基本都处于低等水平。

图2 地表水各参数空间分布Fig.2 The spatial distribution of surface water parameters

图3 地下水各参数空间分布图Fig.3 The spatial distribution of groundwater parameters

表2 地表水和地下水中EC、SAR、Na%和KI等级分类Tab.2 The classification of EC、SAR、Na% and KI in Surface water and Groundwater

注：n为采样点总数；-表示无。

美国盐度实验室(USSL)[20]基于EC和SAR提出灌溉用水分类图，此USSL图是以SAR值为Y坐标和EC的对数为X坐标的散点图，如图4所示，地表水分别有65.63%处于中高盐度中高钠吸收比、9.38%处于非常高盐度低钠吸收比、3.13%处于低盐度高钠吸收比和18.75%为高-非常高盐度超高钠吸收比水平。地下水分别有94.44%和5.56%为低中盐度低钠吸收比和高盐度低钠吸收比。基于EC和Na%的Wilcox图[21]展示了样点能否用于灌溉等级情况(见图5)，分析表明大部分地表水适合用于灌溉，有21.88%不适合。地下水都适用于灌溉。

图4 研究区地表水和地下水水质的USSL图Fig.4 USSL diagram of the surface water and groundwater quality in the study area

图5 研究区地表水和地下水水质的Wilcox图Fig.5 Wilcox diagram of the surface water and groundwater quality in the study area

根据EC、SAR和Na%参数的相似性和密切关系，将地表水各参数划分等级(见表3)作空间分布分析。如图6所示，单从EC值分析，大部分区域地表水不太适合用于灌溉；SAR和Na%空间分布显示只有少部分区域不适合，主要分布在C1和C4的部分区域以及C2和C3区域；综合3个因子使用GIS技术作叠加分析，结果表明只有C5部分区域地表水适合用于灌溉，大部分处于较适合范围，在C1、C2、C3和C4区域不太适合以及有极少部分区域不适合用于灌溉。

表3 地表水EC、SAR和Na%的灌溉适用性分类Tab.3 Irrigation suitability classification of EC, SAR and Na% in Surface water

图6 地表水灌溉质量功能区空间分布图Fig.6 Space distribution of surface water irrigation function Quality

3 结 语

(1)受矿山开采的影响，地表水和地下水中的EC、TDS和SO2-4含量明显较高；受人类活动排放的生活污水影响，在居民聚集分布区Na+、K+和Cl-含量偏高，而农田集中分布区NO-3含量偏高，可能是过度施肥所致。

(2)EC、SAR、Na%和KI指数表明研究区上游地表水受煤矿排水影响不宜直接用于灌溉， 而下游无其他污染源且由于稀释作用处于较适合范围；地下水受人类活动影响较小，适合用于灌溉。

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