煤矿锈水对饮用水水源地环境风险评价方法及案例研究

李云，谭伟，李娇，李君超，蒋进元∗

1.中国环境科学研究院

2.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心

目前公众对环境问题尤其是突发环境事件的关注度极高,如化学品爆炸、原油泄漏等,这些环境问题对人类健康及生态环境等造成极大的威胁[1-3]。因此,对突发环境事件开展环境风险评价能为预防、控制和减缓环境风险提供技术支撑。饮用水水源地作为高敏感环境受体,易受周边化工企业或其他突发环境事件的影响,其环境风险尤其受到关注[4-7]。

我国煤炭资源丰富,由于早期煤炭开采管控较松,导致目前四川、贵州和陕西省的很多地区存在大量废弃煤矿井口。煤矿企业闭矿前开采等人为活动已对煤系含水层造成了一定的破坏,加之矿井中的煤矸石及煤中含有的Fe、Mn、Cu、Zn、Hg等重金属元素溶出释放,且溶出过程中,硫酸盐、氟化物、总溶解固体(TDS)、锰及总硬度等均有所释放[8],导致雨季呈强酸性的砖红色煤矿锈水从矿井口大量涌出,既影响感官,又可能带来环境风险。笔者建立了废弃矿井涌水对饮用水水水源地的环境风险评价指标体系并进行了评价,同时对煤矿锈水风险管控和治理提出对策建议,以期为保护煤矿周边生态环境以及饮用水安全提供支撑,同时也为地表水水源地周边煤矿企业环境风险评价提供参考。

1 煤矿锈水对饮用水水源地环境风险评价方法

1.1 环境风险评价指标体系

在大量资料查阅及专家咨询的基础上,采用层次分析法[9-12],以矿井涌水对饮用水源地环境风险为目标层,分析影响煤矿企业矿井涌水和饮水水源地环境风险的多种因素,分别确定影响层、准则层和指标层。矿井涌水(风险源)是引起饮用水水源地环境风险的重要因素之一,矿井涌水的水量和迁移情况对饮用水源地产生不同的环境风险,而煤矿企业和当地生态环境部门风险管理与控制能力是降低矿井涌水环境风险的关键因素,因此,将风险源、风险受体、迁移通道、应急管理纳入影响层；考虑到矿井口涌水、水源地敏感性、排污方式、污染物迁移过程、风险防范及应急能力、风险应急设施等多个方面(准则层),最终确定将12项可较全面反映煤矿企业对水源地环境风险水平的影响指标纳入指标层。形成包括风险源、风险受体、迁移通道[13-14]、应急管理4个一级指标、6个二级指标和12个三级指标的风险评价指标体系。

运用层次分析法,对各指标相对于目标的权重(W)进行专家咨询和打分,据此计算评价指标相对于总目标(矿井涌水对饮用水水源地环境风险)的权重,评价指标及各权重计算结果见表1。

表1 矿井涌水对饮用水源地环境风险评价的指标体系及权重Table 1 Risk evaluation index system and weight for rust water from coal mine to drinking water sources

1.2 环境风险评价指标值计算

参照文献[8]和[12],对12项指标在不同条件下的环境风险进行评分,具体评分标准如表2所示。

表2 环境风险评价指标评分标准Table 2 Evaluation standards of environmental risk assessment index

1.3 环境风险指数计算

各评价指标的环境风险水平用环境风险指数表征,具体计算公式见式(1)、式(2)。

式中:TIRm为第m项指标的环境风险指数；Nm为第m项指标的评分；Wm为第m项指标的权重。

矿井涌水对饮用水水源地总的环境风险指数(TIR)定义为表1中12项指标的函数,具体计算公式:

1.4 环境风险分级与评价

按照式(1)、式(2)计算煤矿企业矿井涌水对饮用水源地的TIR,将风险级别划分为4个等间隔区段,按照TIR由高到低划分为重大、较大、一般和较低4类环境风险级别[15](表3)。

表3 环境风险指数分级标准Table 3 Calculated results of environmental risk indexes of three mines

2 案例评价

2.1 煤矿及饮用水水源地概况

以位于四川某区县的3个煤矿作为风险源进行环境风险评价,3个煤矿中2个已废弃,矿井已采取封堵措施,1个由于手续问题暂时停产。雨季废弃矿井中有呈酸性的砖红色矿井锈水从井口涌出(图1),顺山间小溪汇入饮用水水源地所在河流。煤矿锈水酸性强,主要风险污染物是总Zn、总Cd、Fe、Mn、氟化物和硫酸盐等。从风险源分布来看,2处已废弃煤矿矿井距离水源地较近(不超过10 km),且矿井出口顺着小溪沟汇入的河流位于水源地上游；暂时停产的煤矿矿井出口顺着小溪沟的流程较长(大于20 km),且汇入的河流在饮用水源地取水口下游。

图1 废弃矿井口和矿井口下游小溪沟Fig.1 Abandoned mine mouth and small gully downstream the mine mouth

饮用水水源地属于地表饮用水水源地,日取水量为1.5万m3。划定的保护标准是GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质,定期开展水质指标监测。水源地保护区内无居民居住,没有与保护设施无关的建设项目及排污口,近年水质监测结果显示,水质能达到GB 3838—2002中Ⅱ类水质标准。水源地保护区内设立有保护区划标志、隔离防护网、宣传栏,设置有视频监控,接入市生态环境局视频监控终端。水源地的取水服务单位制定有应急管理方案,具备相应的应急管理能力和应急监测能力。

2.2 环境风险评价指标评分与TIR计算

2.2.1 基础数据监测

煤矿锈水从井口涌出,顺着沟道流入山间小溪,顺势而下汇入饮用水水源地所在河流,再通过重力或者扩散到达饮用水水源地取水口,引发环境风险。因此,在3个煤矿矿井出口,小溪沟沿程50 m、1 km,水源地汇入口上游500 m、汇入口下游1 km和距离水源地取水口上游100 m设立监测位点,依据GB 20426—2006《煤炭工业污染物排放标准》、GB 3838—2002分别监测pH、DO浓度、CODMn、BOD及氨氮、总磷、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As、Hg、Se、氟化物、硫化物浓度等指标,连续监测1周,定量分析矿井涌水迁移规律。

通过定点监测数据分析发现,煤矿锈水从矿井口涌出时呈强酸性,部分特征污染物如Fe、Zn、Mn超标。煤矿锈水在迁移过程中,经过山间溪流稀释、土地消纳和微生物降解等综合作用,污染物浓度得到大幅降低,在汇入饮用水水源地所在河流时水质已达GB 3838—2002中Ⅲ类标准。

2.2.2 各指标环境风险指数

按照式(1)分别计算12个指标的环境风险指数,最后计算得到3个矿井的TIR,结果如表4所示。

表4 3个矿井环境风险指数计算结果Table 4 Calculated results environmental risk indexes of three mines

2.2.3 各煤矿TIR

根据各评价指标值及权重的计算结果,3个煤矿TIR分别为0.504 2、0.494 4和0.288 9。对应的环境风险分级分别是一般、一般和较低。

2.3 环境风险评价结果分析

以GB 20426—2006中排放限值作为评价标准,结合监测数据可知,3个案例矿井的煤矿锈水均呈强酸性,pH为2~5,特征污染物为Fe、Zn、Mn、Cd和氟化物；煤矿锈水Fe浓度超标较严重,3个矿井煤矿锈水最大超标倍数分别为437、138和119倍；此外,煤矿锈水Zn、Cd浓度也超标,其中Zn的最大超标倍数高达38倍。单从水质监测结果判断,煤矿锈水呈强酸性,且Fe超标严重,可能存在一定的环境风险。对2013—2019年饮用水水源地取水口断面水质例行监测数据进行统计分析,结果表明,饮用水水源地近7年水质稳定,可稳定达到GB 3838—2002中Ⅱ类水质标准,特征污染物能稳定达到Ⅰ类水质标准,水源地水质达标率为100%。

从风险源来看,废弃煤矿1和废弃煤矿2煤矿锈水呈强酸性,且水质部分指标超标倍数较高,对TIR贡献较高；从迁移通道来看,2个废弃煤矿距离饮用水水源地均较远,煤矿锈水顺河道经过长距离迁移,经过山间溪流稀释、土地消纳、微生物降解等综合作用,污染物浓度大幅降低,在汇入水源地所在河流时水质已达GB 3838—2002中Ⅲ类；从风险受体来看,饮用水水源地水质长期达标,水质较好,环境容量大。可见,2个废弃煤矿TIR评价结果为一般。

相比于废弃煤矿1和废弃煤矿2,暂时停产煤矿水质超标倍数低。从迁移通道来看,暂时停产煤矿距离饮用水水源地较远,从小河沟先汇入B河流,B河流再经过数km汇入水源地入流河流,汇入水源地时水质已达到GB 3838—2002Ⅲ类标准,不影响饮用水水源地水质。此外,煤矿锈水混入的小溪沟与饮用水水源地所在河流的汇入口位于饮用水水源地取水口下游,因此迁移通道几个指标对饮用水水源地的环境风险值非常小。废弃煤矿1和废弃煤矿2无人管理,基本不具备应急管理能力,而暂时停产煤矿具有临时废水储存池,也一直有人值班,具备一定的应急能力。因此,相较2个废弃煤矿,暂时停产煤矿环境风险为较低。

3 风险管理对策建议

根据上述环境风险评价结论,对饮用水水源地周边有多处煤矿矿井的区域提出风险管理对策建议:1)强化管理与煤矿锈水治理。按照《煤矿防治水细则》(煤安监调查〔2018〕14号)[16]要求,对废弃煤矿采取有效封堵措施,封堵填实或在井口浇注坚实的钢筋混凝土盖板；同时,加强对矿井涌水的水质监测,每年不少于2次；从“排、堵、截、治”等方面对煤矿锈水开展治理研究,降低引发环境事故的风险。2)开展煤矿锈水迁移河道生态修复。本研究案例的3个煤矿的煤矿锈水对下游迁移河道有100~2 000 m的影响,但对下游的水源地无影响,因此,建议运用河道生态修复技术加强对受影响河道的污染治理。3)加强饮用水水源地保护。加强环境管理,定期开展现场巡查和执法检查,按要求每季度对饮用水水源地进行水质监测,逐步开展一次综合生物毒性监测,启动持久性有机污染物(POPs)、内分泌干扰物等监测。4)强化风险预警。煤矿企业和饮用水水源地取水服务公司要完善应急管理,建立应急管理信息系统,开展相关应急技能培训和演练,做好应急准备。建设较为完善的污染物防控和饮用水源地的风险监控预警体系。

4 结论

(1)确定了风险源、风险受体、迁移通道、应急管理4个一级指标,矿井口涌水、水源地的敏感性、排污方式、污染物迁移过程、风险防范及应急能力、风险应急设施6个二级指标和12个三级指标形成的指标体系,采用层次分析法,建立了煤矿锈水对饮用水水源地环境风险的评价方法,对煤矿锈水对饮用水水源地的环境风险进行定量评价。

(2)从污染源(煤矿锈水)、污染受体(水源地)水质、煤矿锈水迁移河道水质、综合整体评价4个方面,评价了3个案例煤矿锈水对饮用水水源地的环境风险。结果表明,3个煤矿TIR分别为0.504 2、0.494 4和0.288 9,对应的环境风险分级分别是一般、一般和较低。