闭坑矿井水影响下喀斯特河流污染特征演化及水质评价

关键词：闭坑矿井水；水质评价；多元统计分析；喀斯特河流

中图分类号：ＴＶ２１１．１＋ １；ＴＤ１２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０１５

引用格式：路豪，刘埔，王靖怡，等．闭坑矿井水影响下喀斯特河流污染特征演化及水质评价［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（６）：９０－９５，１０２．

煤矿闭坑后产生的大量矿井排水，一般呈酸性、重金属含量较高，称为酸性矿山废水（ＡＭＤ）［１－２］ 。闭坑矿井水具有较高的重金属含量、较低的ｐＨ 值，当矿井水汇入河流后会对河流的水生态环境产生较为严重的影响，甚至影响人类健康［３－４］ 。发源于地下水出露点的喀斯特地貌河流具有水质较好的特点［５］ ，世界上有２５％的人口依赖喀斯特地貌的地表水生活［６］ ，临近闭坑矿区以及人类生活区的喀斯特地貌河流容易受到闭坑矿井水以及农业、生活用水等的污染。闭坑矿井水流入地表河流后将导致河流水体ｐＨ 值减小、电导率增大，以及铁、锰、锌、铝、铜等重金属含量增大［７－８］ ，其中硫酸盐变为水体中的优势阴离子是矿井水污染地表河流的特征之一。喀斯特地貌河流生态系统较为脆弱，受到污染后较难修复，而闭坑矿井水对地表水的污染具有持续时间长、污染面积广等特点。

重金属污染是河流面临的环境问题之一，受重金属毒性和不可降解性以及喀斯特地貌水生态系统脆弱性影响，闭坑矿井水会对喀斯特地貌河流水体造成不可逆的破坏［９］ 。在采矿和农业活动区域监测被闭坑矿井水污染的地表河流时，重金属的污染评价是极其必要的。本文根据２０２２年３月至２０２３年２月贵阳市花溪区燕楼镇思惹村受闭坑矿井水污染的河流监测数据，采用多元统计分析、水质评价等方法对河流水体的物理化学性质进行评价，以期为受闭坑矿井水污染的喀斯特地貌河流的水质评价提供参考、为矿井水的污染扩散研究提供理论依据。

１材料与方法

１．１研究区概况

研究区位于贵阳市花溪区燕楼镇思惹村，夏秋两季炎热，春冬两季寒冷，多年平均降水量为１２２５．３ｍｍ，年平均气温为１６ ℃，雨季一般集中在５—８ 月。地形起伏较小，地处云贵高原东斜坡和苗岭山脉中段，以山地和丘陵为主，为典型的喀斯特地貌，整体地势东高西低。研究区河流发源于老白洞，流经思惹村受地表小溪流以及泉水补给后汇入红水河；河流流量受季节变化影响较大，雨季流量最高可达５ ０７６ ｍ^３／ ｈ。研究区闭坑矿井水受降水影响涌水量波动较大，丰水期涌水量可达３６０ ｍ^３／ ｈ，枯水期闭坑矿井水出露点涌水量较小，甚至无水。研究区出露地层主要有下三叠统夜郎组（Ｔ_１ｙ）、上二叠统长兴－大隆组（Ｐ_３ ｃ_ｈ－ｄ）、中二叠统茅口组（Ｐ_２ｍ）、中二叠统栖霞组（Ｐ_２ｑ）、上二叠统龙潭组（Ｐ_３ｌ），地层岩性以灰岩、白云岩为主，矿物以方解石、白云石、石膏为主。研究区位于杨子准地台黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区党武背斜北翼，党武背斜轴部较宽缓，两翼不对称，背斜轴呈北西向展布。北东翼地层走向北西，倾向北东，地层倾角较缓，一般为１０°～１４°；南西翼地层走向北西，倾向南西，地层倾角１５°～１８°，为不对称的宽缓背斜。

２．３水质综合评价

采用常用的水质评价指标水质指数（ＷＱＩ）、重金属污染指数（ ＨＰＩ）、重金属污染评价指数（ＨＥＩ）等［１９－２０］ 对研究区水体进行水质评价，结果见图３。

ＷＱＩ 为２３．９５ ～ ７０２．４２，平均值为９２．７３。其中最大值在５ 月闭坑矿井水汇入的采样点Ｙ４ 处取得，５—８ 月Ｙ４ 处ＷＱＩ＞３００，表明闭坑矿井水汇入处水质最差，为不适宜饮用水源。值得注意的是，在监测的１ 个水文年中，Ｙ１ 处ＷＱＩ 均值小于５０，说明源头处的水质较好，水质级别为优。Ｙ２ 处为汇入地表河流的支流，在流经农田时可能受到灌溉排水污染，但与Ｙ４、Ｙ６ 相比，Ｙ２ 处水质整体较好。闭坑矿井水汇入后，采样点Ｙ４、Ｙ６ 处ＷＱＩ 值较Ｙ１ 处均明显增大。

ＨＰＩ 为１５．６６ ～１ ８２０．３３，最大值在７ 月Ｙ４ 处取得，平均值为１０１． １２， 大于ＨＰＩ 的临界污染值１００［１３，２１］ ，说明研究区地表河流重金属污染严重，特别是７ 月各采样点ＨＰＩ 均大于其他月份的。７ 月研究区降水丰沛，推测降水量的增大促进了废弃矿区以及堆积的废弃矿渣的淋滤，进而导致闭坑矿井水的涌出量大于其他月份的。

ＨＥＩ 为０．０１～ ２３９．２２，最大值在５ 月Ｙ４ 处取得，ＨＥＩ 整体变化趋势与ＷＱＩ 的相似，即在闭坑矿井水汇入后，ＨＥＩ 整体大于源头Ｙ１ 处的，也就是说地表河流在闭坑矿井水汇入后，整体水质变差，重金属污染程度远高于源头处的。由于地表河流的自净作用以及其他地表水、地下水对河流的补给，因此被污染河流在流过一段距离后，河流污染状况得到一定缓解，水体水质较刚被闭坑矿井水污染时有所提升，但仍劣于源头处的。

ＷＱＩ、ＨＰＩ、ＨＥＩ 整体呈现相同的变化趋势。以ＷＱＩ 为例，在源头处水质为优，生活污水或灌溉排水汇入后，水质由优逐渐变为好，河流下游在受闭坑矿井水汇入污染后，水质由好转变差，其中闭坑矿井水汇入的污染源处水质最差（ＷＱＩ＞３００），河流经泉水补给以及在自净作用下，水质逐渐由差转变为较差，最终恢复至好。

根据不同月份研究区河流重金属污染指数和水质指数，结合河流Ｚｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ａｓ、Ｓｅ 等重金属含量以及ｐＨ 值对研究区河流重金属总含量与酸碱性进行分区［２２］ ，结果见图４。研究区水样大部分落在近中性－高重金属、近中性－低重金属２ 个区域，少部分水样落在酸性－极高重金属、酸性－高重金属与酸性－低重金属３ 个区域。落在酸性－极高重金属与酸性－高重金属２个区域的为采样点Ｙ４、Ｙ６。离矿井水汇入处较近的水样虽然为近中性，但重金属含量依旧较高，经河流自净作用以及地表水、地下水补给后，水样物理化学性质逐渐演变为近中性－低重金属。此外，图４ 中箭头表示酸性闭坑矿井水的衰减过程，即酸性闭坑矿井水汇入喀斯特地貌地表河流的过程，矿井水汇入处水体ｐＨ 值较低，重金属含量较高，汇入地表河流后，经河流稀释，水体ｐＨ 值明显上升的同时，重金属含量降低。原因是部分重金属发生水化学反应生成不溶于水的沉淀，如酸性闭坑矿井水内Ｆｅ^２＋ 与空气和水接触后氧化为Ｆｅ^３＋， 之后Ｆｅ^３＋ 进一步水解为不溶于水的沉淀（Ｆｅ（ＯＨ）_３），附着于河道两旁以及悬浮于水体表面。

对研究区地表河流进行水质分析发现，Ｙ１ 处ＷＱＩ小于其他采样点的，平均值３１．１１＜５０，说明该河流源头处水质较好，受闭坑矿井水污染后，各采样点ＷＱＩ均有所增大，在监测的１ 个水文年中Ｙ４、Ｙ６ 的ＷＱＩ值大于其他采样点的。ＨＰＩ 与ＨＥＩ 在１ 个水文年中的变化趋势与ＷＱＩ 相似，在河流源头Ｙ１ 处各月的ＷＱＩ、ＨＰＩ、ＨＥＩ 都较小，受闭坑矿井水污染后呈明显增大趋势，受泉水（采样点Ｙ９）补给后，ＷＱＩ、ＨＰＩ、ＨＥＩ 整体呈下降趋势，但都大于源头Ｙ１处的。

总而言之，研究区河流源头处水质较好，闭坑矿井水汇入后，水体水质级别由优变为差，受地表水、地下水补给，以及在河流自净作用下，河流水质级别回升到好，但水质仍劣于源头处的。结合多元统计分析，除矿井水汇入与离矿井水汇入较近的采样点外，其他采样点的水质满足农业及工业用水标准。

４结论

为避免废弃煤矿闭坑后持续产生闭坑矿井废水污染矿区，煤矿闭坑后，应结合矿区水文地质条件对闭坑矿井水的补给、径流、排泄情况进行排查，并加强对闭坑矿井水的监测，以便于评估环境风险，做好应急响应和科学处置工作。