贵州鬃岭煤矿区水环境污染特征及成因分析

林德洪,刘汉武,史绪山

(1.贵州省地质矿产勘查开发局114地质队，贵州 遵义 563000，2.贵州省地矿局第二工程勘察院，贵州 遵义 563000，3.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430078)

贵州省是我国南方煤炭资源的主产区之一，煤矿开采引起的环境污染问题不容忽视。贵州织(金)纳(雍)煤田区，煤炭资源丰富，自20世纪五六十年代开采至今，其中在鬃岭煤矿区形成了15 km采空区，还有160余处无记录的小煤窑及老窑，矿坑水污染问题严重。加之，矿区生产生活污水的排放，致使矿区内水环境遭受了严重的污染，严重威胁了周边生态环境，制约了当地的可持续发展。

长期的煤矿开采诱发了一系列的水文及生态环境问题，包括矿井水的抽排、选矿废水的处理、矿区生活污水的不合理排放等，国内诸多学者对其开展了相关研究。如吴耀国等利用土柱试验研究了煤矿矿井水污染的地表水灌溉入渗过程中的水-岩作用；覃政教等通过对西南岩溶石山区部分矿产开采点引发的水环境污染问题进行考察，认为水环境问题是制约西南岩溶地区可持续发展的重大环境地质问题之一。

与北方煤矿区不同，贵州煤矿区内岩溶发育、水循环速度快，受管道、天窗、构造的影响，地下水与地表水转换频繁，小流域特征明显，容易形成多污染源、差异化分区、面线关联的复杂污染特征，当前的研究主要集中在矿床成因、区域地质构造背景，对于流域水污染来源和特征的研究还较少。因此，开展贵州煤矿区水环境污染特征的研究对流域单元生态系统修复具有重要的意义。为此，本文以贵州织纳煤田的鬃岭煤矿区为研究区，在矿区河流小流域划分的基础上，对流域水环境污染开展了详细调查，分析了矿区水环境污染特征，并结合矿区内沉积物特征和用地类型分析了矿区水污染成因。

1 研究区水文地质条件与样品采集

1.1 矿区水文地质条件

贵州鬃岭煤矿地处羌塘-扬子-华南板块扬子陆块上扬子地块黔北隆起区的织金穹盆构造变形区，断层和褶皱发育，断层走向为NE—SW，以走滑断层及正断层为主，褶皱轴向为NE—SW及NW—SE，以宽缓型褶皱为主。

研究区含水岩组分为碳酸盐岩岩溶含水岩组、非碳酸盐岩夹碳酸盐岩岩溶含水岩组、基岩裂隙含水岩组三大类。其中，碳酸盐岩岩溶含水岩组主要地层岩性以灰岩、白云岩、生物碎屑灰岩为主，地下水类型为碳酸盐岩岩溶水；非碳酸盐岩夹碳酸盐岩岩溶含水岩组地层岩性以粉砂岩、黏土质粉砂岩夹灰岩为主，地下水类型为非碳酸盐岩夹碳酸盐岩岩溶水；基岩裂隙含水岩组地层岩性以粉砂质黏土岩、细砂岩、石英砂岩、玄武岩为主，地下水类型为基岩裂隙水。研究区地下水主要接受大气降水和地表水补给，裂隙、溶隙和落水洞是主要入渗通道，且地下水受断层、褶皱等构造控制，岩溶管道以SN、EW向为主，在北高南低、东高西低地势的影响下，地下水主要径流方向为SN、EW向，在沟谷中地势低洼处可见地下水出露露头的地下河出口和岩溶大泉，也可见点多量小的泉点。研究区煤矿开采层位为二叠系乐平统龙潭组，含水岩组为基岩裂隙含水岩组，含水介质以孔隙、裂隙为主，地下水类型为基岩裂隙水，大气降雨或地表水通过节理裂隙、采空区裂缝渗入地下并聚集于采煤巷道中，通过老(小)煤窑井口排出地表形成矿坑排水。

研究区属长江水系乌江流域，以地形地貌为基础按照地面径流分水线所包围的集水区(地表河流补给区范围)划分小流域，区内一共可划分7个河流小流域，见图1。

1.2 样品采集与测试

考虑流域内居住区、工矿用地的分布情况，如图1所示小河流域的上游和下游，以及主河道和支流河道的交叉点分别设置取样断面，分两个时间段(2019、2020年)开展了水样、河流底泥(即河流沉积物)采样，共采集样品84件，其中地表水样品50件，地下水样品18件，底泥样品16件。在现场测定每个取样点的GPS位置和样品的pH值。

图1 研究区河流小流域和取样点分布图Fig.1 Distribution of small river basins and location of the sampling points in the study area

用于阴阳离子分析的水样分别用预先清洗的2.5 L、250 mL的聚乙烯采样瓶收集，避免取样瓶中留有气泡。其中，用于测试阳离子的水样需添加适量优级纯浓HNO，以便使pH值<2。河流底泥样品装入密封袋中带回试验室，待样品干燥后，用20目尼龙筛过筛，剔除大块物质，将过筛的土壤收集于密封袋中，用于测试分析。

采集的样品送贵州黔北建筑实验测试有限公司检测。其中，水样中阴离子采用离子色谱仪(Dionex ICS-1100)测定，水样中阳离子采用原子吸收分光光度计(PinAAcle900Z和GGX-9)测定，水样中COD等借助紫外可分光光度计(TU-1900)采用比色法测定；土样经过消解后转化为水样采用相应方法测定各组分含量，然后转化为土样中相应组分的含量。

2 结果与分析

2.1 研究区地表水和地下水水污染特征与水质评价

图2 研究区水样水化学特征的Piper三线图Fig.2 Piper diagram of hydrochemical characteristics of water samples in the study area

表1 研究区水样水化学参数的统计特征值Table 1 Statistical characteristics of hydrochemical parameters of water samples in the study area

将人类活动强度微弱的研究区河段作为背景区，即以香车河小流域未污染的溪沟断面地表水样SY20作为天然背景值，其断面水体中化学需氧量(COD)含量为10 mg/L、高锰酸盐指数(COD)含量为2.77 mg/L、总氮(TN)含量为0.48 mg/L、硝态氮(NO-N)含量为0.16 mg/L、总磷(TP)含量为0.02 mg/L。

根据研究区测试样品各组分的比较(见表1和图3)，并采用单指标评价和综合评价相结合的方法对研究区水样水质进行综合评价，结果显示：香车河小流域COD在9.00～14.00 mg/L之间，符合地表水质标准中Ⅰ类水域标准限值(<15 mg/L)；苦李河小流域COD在11.00～18.00 mg/L之间，1条溪沟符合地表水质标准Ⅲ类水域标准限值(<20 mg/L)，其余溪沟符合地表水质标准Ⅰ、Ⅱ类水域标准限值；河坝河小流域COD在8.00～110.00 mg/L之间，1条溪沟存在强还原性物质污染，3条溪沟符合地表水质标准Ⅲ类水域标准限值，其余溪沟符合地表水质标准Ⅰ类水域标准限值；后河小流域COD在9.00～13.00 mg/L之间，均小于 15.00 mg/L，符合地表水质标准Ⅰ、Ⅱ类水域标准限值。

图3 研究区各小流域水体中污染物含量箱型图Fig.3 Pollutant content in each small river basins in the study area

COD是地表水受有机物和还原性无机物污染程度的综合评价指标，研究区所有小流域水样的COD在0.15～21.27 mg/L之间，仅有两个水样的COD大于4.00 mg/L，说明研究区地表水中有机物和还原性无机物较少。

TN含量表示了水体中营养物质含量。研究区地表水中TN含量在0.13～39.31 mg/L之间，其中后河小流域大部分采样点水体中TN含量大于2.00 mg/L，水体富营养化严重，其他小流域水体中TN含量均小于2.00 mg/L，符合地表水质标准Ⅴ类水质标准限值要求；研究区地表水中NO-N含量在0.08～11.57 mg/L之间，仅一个采样点水体中NO-N含量大于地表水标准限值10.00 mg/L；研究区地表水中NH-N含量介于0.013～4.94 mg/L之间，部分溪沟水体中NH-N含量严重超过地表水标准限值，对水体生物有危害；研究区地表水中TP含量介于0.005～0.39 mg/L之间，大部分溪沟水体能达到Ⅲ类水标准限值，但小部分溪沟水体存在较为严重的污染现象。

通过对研究区地表水和地下水水质进行综合评价，其结果见表2。

由表2可知，研究区地表水和地下水总体上水环境现状较好，但小流域内溪沟存在水质污染。

表2 研究区地表水和地下水水质评价统计表Table 2 Surface water and groundwater quality evaluation form of the study area

2.2 研究区河流沉积物污染特征与评价

以香车河小流域未污染的溪沟断面底泥样WN11作为天然背景值，该底泥样品的pH值为7.83,底泥样品中重金属As含量为1.62 mg/kg、Cd含量为0.76 mg/kg、Cr含量为19.6 mg/kg、Cu含量为22.1 mg/kg、Pb含量为14.5 mg/kg、Ni含量为17.6 mg/kg、Zn含量为155 mg/kg、Hg含量为0.096 mg/kg、Mn含量为4 252 mg/kg、Fe含量为21 336 mg/kg。

研究区河流(溪沟)底泥中重金属含量测试统计结果，见表3和图4。

由表3和图4可见，研究区河流底泥样品的pH值为7.33～8.14，呈碱性；河流底泥中重金属As含量范围为1.55～27.90 mg/kg，平均值为7.27 mg/kg，Cd含量范围为0.48～1.61 mg/kg，平均值为1.05 mg/kg，Cr含量范围为17.8～67.2 mg/kg，平均值为48.6 mg/kg，Cu含量范围为22.1～52.6 mg/kg，平均值为32.11 mg/kg，Pb含量范围为12.0～38.4 mg/kg，平均值为23.19 mg/kg，Ni含量范围为11.8～34.2 mg/kg，平均值为24.83 mg/kg，Zn含量范围为101～272 mg/kg，平均值为190 mg/kg，Hg含量范围为0.075～0.186 mg/kg，平均值为0.011 4 mg/kg;依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)以下简称沉积物标准，以上重金属含量均低于Ⅰ类沉积物标准限值，评价为河流Ⅰ类沉积物；而河流底泥中Mn含量范围为525～7 236 mg/kg，平均值为2 365.25 mg/kg，Fe含量范围为21 336～143 552 mg/kg，平均值为55 516.94 mg/kg，均远高于Ⅰ类沉积物标准限值[Mn和Fe污染评价依据《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426—2006)]。

表3 研究区河流(溪沟)底泥中重金属含量测试统计表Table 3 Heavy metal content in sediment of streams in the study area

图4 研究区河流底泥中重金属含量箱型图Fig.4 Heavy metal content in sediment of the rivers in the study area

2.3 地表水、地下水和河流沉积物污染指标的来源分析

通过对研究区地表水和地下水水化学成分各指标之间进行相关性分析，其结果见表4。

化学需氧量是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量，一般用COD来反映被氧化的有机物污染。由表4可知，研究区地表水和地下水中COD与pH值、TN、TP之间具有显著的正相关关系(

p

<0.05)，说明地表水受到复合污染的可能性较大。通过对研究区地表水和地下水污染指标进行主成分分析(见表5)，获得2个主成分(Principal Component，PC)因子。主因子

P

的方差贡献率为 66.46%，其中pH值、COD、TP和TN和Fe具有较大的载荷，说明研究区有大量的氮直接排入环境导致COD增加，而TP和TN的富集，使得区域水体的相关参数变大，综合导致研究区水质下降，与调查发现的有较多养殖粪便、生活垃圾直接排入支沟现象吻合，此外Fe元素的超标与区域煤矿的生产活动和研究区本底含量较高密不可分，故综合分析认为

P

来自于人为活动(包括生产、生活垃圾和采矿废水)和少量自然因素共同作用；主因子

P

的方差贡献率为 27.74%，主要为NH-N和Mn，说明

P

也来自于人为活动，包括生活污水的排放和矿业活动。

表4 研究区地表水和地下水水化学成分指标间的相关系数矩阵Table 4 Correlation matrices of surface water and groundwater hydrochemical components in the study area

表5 研究区地表水和地下水水化学成分主成分分析结果Table 5 Results of the principal component analysis of surface water and groundwater hydrochemical components in the study area

地下水中的铁和锰超标主要存在铁超标或铁、锰同时超标两种情况。地下水中Fe含量与沉积环境、含水层岩性、地下水径流条件等密切相关。由图4中河流小流域典型断面水体中铁锰含量变化看，Fe、Mn污染主要来自于矿业排污，区内采煤、洗煤等工业发达，矿业废水直排入溪沟，造成了水体中Fe、Mn严重超标。研究区内岩层内铁、锰多伴生，地下水在运移过程中也会溶滤一部分岩石中的组分，岩石风化天然来源也有一定的贡献。

2.4 流域污染物来源分析

本文采用“溯源法”分析了流域污染物来源，即根据研究区界限小流域主河流或溪沟断面污染情况向上游追溯查找污染源。通过调查统计，研究区潜在污染源涉及农村面源污染源(生活污水、生活垃圾、农户燃煤散堆)、工业矿业污水源、老(小)窑矿坑排水污染源、煤矸石堆场污染源(见表6)，其中以河坝河小流域的污染源分布数量最多，其污染源分布见图5和图6。

图5 河坝河小流域污染物来源溯源法调查示意图Fig.5 Diagram of pollutant source identification method of Heba River small basin

图6 河坝河小流域吊水沟煤矿段横断面污染成因分析示意图Fig.6 Schematic diagram of the cross-section pollution in the section of Diaoshuigou Coal Mine in Heba River small basin

表6 研究区河流小流域水环境污染源调查统计表Table 6 Investigation form of water environment pollution in small river basins of the study area

根据野外调查和室内影像综合分析，研究区内存在农村面源污染源355处，污染面积为1 087.07 hm，面源内有村民36 364人；根据《生活垃圾生产量计算及预测方法》(CJ/T 106—2016)，按照农村人均垃圾产生量0.4 kg/(人·d)计算，得到农村面源区产生垃圾量为14.55 t/d；根据《城市排水工程规划规范》(GB 50318—2017)、《贵州省行业用水定额》(DB52/T 725—2011)，按照农村生活用水量[引用2018年5月香车河一河一策方案中人均生活用水量70 L/(人·d)]和污水排放系数(南方地区取0.9)计算，可计算得到农村面源区生活污水排放量为2 290.9 m/d，表明河坝河小流域农村面源污染的污染程度高。

研究区各小流域农村面源区污染调查统计结果，见表7。

表7 研究区各小流域农村面源污染源调查统计表Table 7 Survey of rural non-point source pollution in small river basins of the study area

经实地调查发现，研究区农村面源污染源在勺窝镇、雍熙街道零星可见，在鬃岭镇分布广泛，这与各镇街道地表容貌相关性较强，勺窝镇、雍熙街道地表清洁干净，鬃岭镇地表脏乱、污水横流、垃圾乱堆。区内生活污水均无处理直接排入溪沟中以及大气降雨淋滤生活垃圾、农户燃煤散堆形成的淋滤液沿地表冲沟或公路边沟流入溪沟中，导致地表水有机污染，水中DO过低，COD、COD、BOD、NH-N、TP、TN、阴离子表面活性剂超标，造成水体呈现缺氧状态，危害水生生物，使水中鱼虾灭绝；当水中DO耗尽时，有机物转入厌氧分解过程，产生甲烷、硫化氢、氨等还原性物质和恶臭，使水质变坏。

研究区内工业矿业污染源有8处，老(小)窑矿坑排水污染源有6处，煤矸石堆场污染源有98处，线状污染河流(溪沟)有12处。其中，区内工矿业污水大多无处理直接排入溪沟中，部分工矿业污水经简单处理沉淀后排放，较少部分工矿业污水严格按照污水处理达标后排放；区内矿坑水中Fe、Mn含量高，这是由于区内的工矿业污水、老(小)窑矿坑排水以及煤矸石堆场、地表天然露头受大气降雨或地表水淋滤形成的淋滤液(酸性废水)，沿地表径流直接排入溪沟或下渗进入地下含水空间，造成地表水和地下水的无机污染，使水中铁、锰、氟化物、硫酸盐、硝酸盐等水质指标超标，水体的pH值发生变化，进而破坏其自然缓冲作用，抑制微生物生长，阻碍水体自净作用，而且水体的无机污染还可以通过物理化学作用进行迁移转化，参与和干扰各种环境化学过程和物质循环，最终以一种或多种形态长期存留在环境中，造成永久性的潜在危害。

3 结论与建议

贵州山地煤矿区水环境污染受小河流域控制明显，水体主要污染指标为TP、NH-N、COD，矿区表层沉积物中存在较为严重的Fe和Mn污染。矿区主要污染源以农村面源污染和煤矿污染为主，污染路径包括生活垃圾不合理处置以及煤矿生产活动过程中排放了大量污染物，随雨水冲刷进入溪沟，最终导致水体及表层沉积物等遭受严重污染。此外，溪沟水量的日趋减少，使地表水pH值呈弱碱性，水环境纳污能力减弱，水体自净能力下降，导致矿区水环境生态服务功能持续下降。因此，在开展矿区水环境污染控制与治理时应注重污染源源头控制和治理，沿受污染河流进行线性生态重构和生态防护治理，并增设保护措施和加强管理等。