贵州省区域性煤矿区闭坑后周边地表水的污染特征.pdf

亚热带资源与环境学报 Jou rnal of Su btropical Re sou rce s and Environme nt Vol . 15 No. 2 Ju ne 2020 第 15 卷 第 2 期 2020年6月岀版 刘伟，刘胜华，秦文，等.贵州省区域性煤矿区闭坑后周边地表水的污染特征[ J].亚热带资源与环境学报,2020, 15 （2） 11-19. LIU W, LIU S H, QIN W, e t al . Su rrou nding su rf ace w ate r pol l u tion af te r mine cl osu re in re gional coal mining are as of Gu izhou [ J]. Jou rnal of Su b tropical Re sou rce s and Environme nt, 2020, 15 （2） 11-19. DOI 10. 19687/j. cnki. 1673-7105. 2020. 02. 002. 贵州省区域性煤矿区闭坑后周边地表水的污染特征 刘伟二刘胜华2 2* *, ,秦文2,2,唐长根2 2 收稿日期收稿日期 2020-04-10 基金项目基金项目麻江县摆沙河区域水环境质量调查（GZKHZB2018-012） 作者简介作者简介刘伟（ 1995）,男，江西上饶人，硕士研究生，主要从事水资源利用、水环境保护方面的研究, 201871298 yangtze u . e du . cn。 *通信作者通信作者刘胜华（ 1995）,男（侗族）,贵州铜仁人，助理工程师，主要从事环境地质方面的研究, 1406751389 qq. com。 （1.长江大学资源与环境学院长江大学资源与环境学院，武汉武汉430100； 2.贵州省煤矿地质工程咨询与地质环境检测中心贵州省煤矿地质工程咨询与地质环境检测中心，贵阳贵阳550081） 摘要摘要为了对贵州省煤矿集中开采区闭坑后的地表水环境质量进行综合评价，掌握水体污染特 征、分析污染成因以及进行合理的污染防治，采用主成分分析法（PCA）、单因子水质标识指 数法和综合水质标识指数法对麻江县摆沙河流域13个监测断面进行水质评价。结果表明摆 沙河流域主要受到金属污染的影响，其中铁、铝、锰、汞为主要的污染指标，检测值远超地表 水环境质量标准，汞、硫化物以及石油类的超标率达到100。除了翁威主矿处（GJ的河流 水质为W类外，其他12个监测断面的水质级别均能达到当地的水功能区类别（皿类），但是 除了楼梯冲（G）以外，其他监测断面均出现了超标的有机污染因子，以总氮影响最大，氨 氮次之。摆沙河金属污染主要来自数量较多、规模庞大的废弃煤矿，有机污染物可能来自沿河 地区的工厂、养殖场以及农业活动，另外居民的生命活动也带来了额外的有机污染负荷。3种 水质评价方法的结合使用得出更加科学、全面、有效的评价结果，在贵州省以及国内外其他煤 矿区闭坑工作中，为减少煤矿中污染物向水体的迁移及改善区域内水环境质量提供科学依据。 关键词关键词煤矿闭坑；地表水；主成分分析；单因子和综合水质标识指数法；污染特征 中图分类号中图分类号X824； X52 文献标志码文献标志码A 文章编号文章编号1673-7105 （2020） 02-0011-09 Surrounding Surface Water Pollution after Mine Closure in Regional Coal Mining Areas of Guizhou LIU Wei1, LIU Shenghua2* , QIN Wen2, TANG Changgen2 （ 1. School of Re sou rce s and Environme nt， Yangtze Unive rsity， Wu han 430100， China； 2. Gu izhou Coal Mine Ge ol ogical Engine e ring Consu l ting and Ge ol ogical Environme nt Te sting Ce nte r， Gu iyang 550081， China） Abstract In orde r to compre he nsive l y e val u ate the su rf ace w ate r e nvironme nt qu al ity af te r the cl ose d pit in the conce ntrate d mining are a of Gu izhou Province, u nde rstand the characte ristics of w ate r pol l u tion ,anal yze the cau se s of pol l u tion and condu ct re asonabl e pol l u tion pre ve ntion and control, this re se arch adopte d principal compone nt anal ysis （ PCA） , singl e f actor w ate r qu al ity inde x me thod and compre he nsive w ate r qu al ity inde x me thod to e val u ate the w ate r qu al ity e val u ation of 13 monitoring se c tions in the Baisha Rive r Basin in Majiang Cou nty. The re su l ts are as f ol l ow s The Baisha Rive r basin is mainl y af f e cte d by me tal pol l u tion， in w hich iron， al u minu m， mangane se and me rcu ry are the main pol l u tion indicators， w ith me asu re d val u e s f ar e xce e ding the su rf ace w ate r e nvironme ntal qu al ity standards, standard rate of me rcu ry, su l f ide s and pe trol e u m to 100. Exce pt f or the rive r w ate r qu al ity of the We ngw e i main mine （G4） is W, in the cross se ction of the othe r 12 monitoring w ate r qu al ity cl as- 12 亚热带资源与环境学报第15卷 sif ication l e ve l can re ach the l ocal w ate r f u nction are as （皿 cl ass）. Exce pt the Lou Ti -chong （G7）, othe r monitoring se ctions show e d e xce ssive organic pol l u tion f actors, w ith the l arge st total nitroge n impact, f ol l ow e d by ammonia nitroge n. The me tal pol l u tion of Baisha Rive r mainl y came f rom the l arge nu mbe r and l arge scal e of abandone d coal mine s, and the organic pol l u tants may come f rom f actorie s, f arms and agricu l tu ral activitie s al ong rive rs. In addition, the l if e activitie s of re side nts al so bring addi tional organic pol l u tion l oad. A more scie ntif ic， compre he nsive and e f f e ctive e val u ation re su l t can be obtaine d by the combination of the thre e w ate r qu al ity e val u ation me thods, in the cl ose d pit w ork in Gu izhou Province and othe r coal mine s at home and abroad. Key words coal mine cl ose d ； su rf ace w ate r ； principal compone nt anal ysis ； singl e f actor and compre he nsive w ate r qu al ity ide ntif ication inde x me thod； pol l u tion characte ristics 0引言 贵州省拥有中国第5位的煤炭资源储量，含煤面积占总面积的40以上，除东部地区外，省内各地均 有典型的煤矿开采区［1］o煤炭开采会造成矿区地下水位下降、含水层疏干、地表水减少、水环境恶化等诸 多水环境问题［2-3］ o开采过程中含煤地层所含硫化物（主要是黄铁矿）的赋存环境改变，因氧化产生酸性 矿坑水（AMD）⑷，AMD具有很强的溶解性和侵蚀性，携带大量的重金属元素和有害化学物质进入水体, 破坏生态环境［5］。煤矿闭坑后，采煤废弃物中含有铁、锰、硫等常量元素以及铅、锡、汞、砷、铬等重金 属元素，大气降水-径流过程中，冲刷和淋溶作用使金属元素随地表径流进入水体，对周边地表水质造成 严重污染［6-7］ o 水环境质量评价可以对矿区地表水进行监测和防护，而水质评价结果的可靠程度既取决于监测数据的 准确性，同时对科学的评价方法和技术具有严格要求⑻。国内外常用的单因子和综合污染指数法计算原理 与过程简单，结果表达简洁，但是目前没有非常完善、统一的环境质量分级系统［9］；内梅罗、霍顿（Hor ton） 和布朗（Brow n）水质指数法是在多种因子的权重分析基础之上结合数学运算得到评价结果，容易受 到自身算法的限制，难以得到科学合理的体现［10］；模糊数学法、层次分析法以及灰色系统评价法是基于 矩阵运算的评价方法，此类方法得出的评价结果较符合实际情况，但在隶属度矩阵、权重选择方面存在不 足［11］o因此单一方法的使用难以得到完善的评价结果。煤矿周边地表水受多方面影响，水体污染源众多、 污染物复杂，选用多重方法进行综合评价成为了国内外学者的研究重点，张昭昱等［12］使用Pe arson相关系 数法和综合污染指数法对四川省某铅锌矿尾矿库周边环境进行重金属污染特征研究,取得了有效的研究成 果；Ede t［13］, Bhu iyan［14］等人均结合数理统计方法和水质评价方法对大型河流或者矿区进行水质评价，得 到全面、 准确的污染分布特征和成因。 主成分分析法（PCA）［15堤一种将数据降维或特征提取的研究方法，将多维因子纳入同一系统中进行 定量化处理，从庞大的变量数据中筛选出最具影响的综合因子，减少人为的主观臆测，目前已被广泛应用 于水质分析、水体富营养化及重金属污染分析等方面［16］；同时单因子水质标识指数法［17］和综合水质标识 指数法［18］可以进行补充评价，二者结合使用能对区域内监测断面或支流的水质类别、水质数据与水环境 功能区类别进行比较分析，且操作科学、简单，评价合理。本研究利用PCA、单因子和综合水质标识指数 法对贵州省摆沙河流域煤矿闭坑后地表水进行水质评价工作，弥补了传统水质评价指数法（WQI）只能预 测水质变化，很难提供污染源证据的缺陷［14］,掌握闭坑过程中的水体污染特征，找出主要污染物和污染 成因，在贵州省以及国内外其他煤矿区闭坑工作中，为减少煤矿中污染物向水体的迁移及改善区域内水环 境质量提供科学依据，实现矿区资源、土地资源以及水资源的可持续发展。 1材料与方法 1.1研究区概况研究区概况 调查区位于贵州省麻江县摆沙河流域（1072643“E1073320“E, 262521“N263119“N）,面积约 65.94 km2。区内地表水系属清水江支流，干流在县境内流程37.5 km,自西南向东北方向分别流经翁威煤 第2期刘伟等贵州省区域性煤矿区闭坑后周边地表水的污染特征 13 矿、湾寨煤矿和摆沙煤矿。区内属于亚热带季风湿润气候，雨量充沛、河网密布，地表水体主要为摆沙 河，由大气候降水及泉水、煤矿疏排水汇集形成，年降水量达到1 200〜1 600 mm,主要集中在410月， 约占全年的82。当地水功能区类别为川类，适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区。土地 资源利用主要以农业为主，林地面积6. 04X108 m2,活立木蓄积量为1.59X106 m3,森林覆盖率（含灌 木林）51.89。 研究区地质背景为碳酸盐岩-碎屑岩中低山溶蚀-侵蚀地貌。由碳酸盐岩形成的山脉相间分布，沟 谷较发育，除煤矿及工矿企业矿山的开采对区内的地形地貌产生破坏作用较强外，一般均保持原有的形 态。出露地层以三叠系及二叠系地层分布最广，其主要含煤岩系为二叠统龙潭组，岩性主要为薄层状粉 砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、中厚层状细砂岩及煤。主要矿产有石灰石、黄铁矿、赤铁矿、铅锌 矿、煤、重晶石、粘土矿等。 流域内主要工矿企业为煤矿, 目前煤矿山均已关停未开采。 1.2采样点布设采样点布设 监测点布设在能反映区域 环境污染特征的位置，主要针 对与煤矿的矿排水相互补给的 地表水系。分别在干、支流上、 下游设置对照断面和消减断面, 控制断面布设在已发现污染区 或有污染源分布区，即区内煤 矿排水井口、出水点或靠近污 染源的沟谷。2018年8月至 2019年1月，在摆沙河平水期 展开水质调查，其结果可以代 表大部分时间段的水质特征, 选取干支流共13个监测断面, 每个待测指标采取3个平行样, 取平均值。采样点布设如图1, 监测断面编号、80坐标及断面 设置类型见表1。 26。 28 107。| 26, 摆沙河流域 107。| 30,107。| 33, 26 31 26。 187 107|26,107 30,107 | 33 图图1研究区地理条件及采样点布设研究区地理条件及采样点布设 Figu re 1 Ge ographical conditions and sampl ing site l ayou t of the stu dy are a 表表1监测断面基本信息监测断面基本信息 Tabl e 1 Basic inf ormation of monitoring se ctions 编号采样点名称 IYZ水深/m水宽/ m流速/ ms-1流量/ L・s-1 断面类型 G1 新寨1 2 932 113. 3036 452 238. 32916.760. 051.550. 340. 87 控制断面 G2 新寨22 932 113.7236 452 372. 94904. 37 0. 351.750. 35211.83 控制断面 G3 翁威1 2 929 905.7236 451 087. 84919. 340.151.050. 5992.45 对照断面 G4 翁威主矿 2 929 903.7936 451 152. 80922.190.211.210. 570.51 控制断面 G5 翁威2 2 929 568. 3536 451 643. 69904.130.121.100. 7497.28 控制断面 G6 两岔河 2 926 771.2436 449 166. 55993.480. 041.300.640. 54 控制断面 G7 楼梯冲 2 926 880. 0936 449 960. 25990. 343.901.690. 550.43 控制断面 G8 毛栗坡 2 925 345.7336 449 265. 221 013.430.101.200.131.64 控制断面 G9 瓦厂河 2 926 299. 9636 450 572.11975.980.141.100.1322.18 消减断面 G10 豆芽井 2 927 404. 7736 448 674.131 014. 370. 361.600. 42238. 56 对照断面 G11 上坝 2 928 561. 2936 451 663. 94938.460. 202. 500. 52358. 96 消减断面 G12 蛋托厂 2 930 486.7836 452 924. 69883. 570. 501.201.18633.42 消减断面 G13 陆家桥 2 929 928. 8636 455 280. 34848.730. 800. 801.30802. 65 消减断面 1・3样品采集与检测样品采集与检测 本次样品检测承担单位为贵州省煤田地质局实验室。主要监测指标有pH、溶解氧、总氮、总磷、 14 亚热带资源与环境学报第15卷 氨氮、BOD5、高锰酸钾盐指数、COD“、氟化物、氰化物、挥发酚类、石油类、硫化物、铁、锰、铝、 铬六价、砷、锌、汞、硒等共21项。水样采集、保存、运输按照地表水和污水监测技术规范 HJ/T91-2002进行；检测方法按照地表水和污水监测技术规程HJ91-2002、地表水质量标 准GB3838-2002进行。总氮、总磷、氨氮使用分光光度法检测，铁、锰、铝、砷、锌、铬六 价、汞使用原子吸收光谱法AAS检测，硒使用原子荧光法检测，氟化物使用氟离子选择电极法检 测,溶解氧和pH分别使用溶解氧仪和pH计测定。 1. 4评价方法评价方法 1.4.1 主成分分析法主成分分析法PCA PCA作为主要的评价方法，利用降维的思想，把多指标转化为少数几个综合指标 即主成分，每 个主成分都能够反映原始变量的大部分信息，且所含信息互不重复，使问题简单化。核心运算步骤参考 文献[ 15-16]o 1.4.2 单因子水质标识指数法单因子水质标识指数法 由PCA分离出因地层因素引起的超标因子，即金属污染物或类金属污染物，然后选出6种常规水 质分析的典型指标，选取CODcr，总磷，氨氮，TN, BOD5以及DO进行单因子水质标识指数法分析, 讨论非金属污染程度以及除地层因素外可能的污染源。单因子水质标识指数Pt由一位整数、小数点后 二位或三位有效数字组成，表示为 P, X2X3 1 式1中，代表第i项水质指标的水质类别；禺代表监测数据在类水质变化区间中所处的位置, 根据公式按四舍五入的原则计算确定；禺代表水质类别与功能区划设定类别的比较结果，视评价指标 的污染程度, ,x3为1位或2位有效数字。、禺和X3的具体计算步骤为[17] 1 X1的确定 当水质介于I类V类时，根据监测数据与地表水标准比较确定，X1 1表示I类水，依次类推。 当水质劣于或等于V类时，X16O 2 X2 的确定 当水质好于V类上限时①一般指标pH值除外，X2 C-C仃/ C吐-C下 ,式中C为 第i项指标的实测质量浓度，C上C下为第i项水质指标在第K类水区间质量浓度的上下限 值，k X1O②溶解氧，X2 CDOk上 - CD0 / C唤-CDOk下 ,式中CD0为溶解氧的实测浓度，Cm上为 第k类水中溶解氧质量浓度高的区间边界值，CDOk下为第K类水中溶解氧质量浓度低的区间边界值, K X1O 当水质劣于或等于V类上限时①一般指标pH值除外，X2 6 Ci- -Cvk上/C/Ck上,式中Ck上 为第k项指标V类水质量浓度上限值。②溶解氧，X2 6 仃-0 /CDon..m ,式中，C”。吓为溶解 氧V类水质量浓度下限值，m为溶解氧计算时的修正系数，为4。 3 X3的确定 X3的意义是判别该单项水质类别是否劣于水环境功能区类别。如果水质类别好于或达到功能区类 别，X3 0；如果水质类别差于功能区类别且X2不为零，X3 Xi-fi；如果水质类别差于功能区类别且X2 为零，X3 Xl-fi-fi-1,式中fi为水环境功能区类别。 1.4.3 综合水质标识指数法综合水质标识指数法 综合水质标识指数法是以单因子水质标识指数法为基础，对河流水质进行综合评价，它可以在后者 的基础上表达区域综合水质类别、污染程度、水环境功能区达标情况等信息[18],其核心是综合水质指 数X1. X2的确定，计算公式为 I”厂X1. X2X3X4 2 Xt. X2 1 E P1P2 P” 3 m 式23中m为水质单项指标的数目；Pl、P2、Pm分别为第1, 2,第m个水质因子的单因子水 质标识指数。X,为综合水质类别，X2为水质在X,类水质变化区间所处位置，X3为水质评价的指标中 第2期刘伟等贵州省区域性煤矿区闭坑后周边地表水的污染特征 15 劣于标准的水质指标个数，乙为综合 水质类别与水体功能区类别的比较结 果。综合水质级别的判断标准见表2。 2结果分析 2.1污染物浓度特征和描述性统计分析污染物浓度特征和描述性统计分析 地表水样品实测值和描述性统计 分析结果见表3,铁、锰、铝以地表 水质量标准（GB3838-2002）中的限 表表2基于综合水质标识指数的水质级别判定基于综合水质标识指数的水质级别判定 Tabl e 2 Wate r qu al ity cl assif ication base d on the compre he nsive w ate r qu al ity inde x 判断依据综合水质级别 判断 X20 斤标准 X2 0 定性评价结果 1.0W X].輕2.0I 类 Le ve l If - X。1f - X1-1M1优 2.0 X].輕3.0H 类 Le ve l IIX] /X]-1 /良好 3.0 X].X 2 W4.0M 类 Le ve l IEX]- f 1X]- f - 1 1轻度污染 4.0 X].X25.0W 类 Le ve l NX]- f 2X]- f -1 1中度污染 5.0 G5、G7和G9地区。 PC3对总方差的贡献率为17.19, Hg、CODcr和挥 发性酚占较高权重， PC2 和 PC3 中高载荷值的污染 指标均体现研究区金属污染与矿区活动密切相关, 而有机污染物来自人类活动。PC4对总方差的贡献 表表4主成分载荷矩阵主成分载荷矩阵 Tabl e 4 Principal compone nt l oad matrix 主成分 12345 Fe0.9400. 1370. 2380.1970. 004 Al0.9670. 0740. 0510.226-0. 049 Mn-0. 2750.783-0. 3020.366-0. 142 Cr6-0. 1340.5890. 3640.332-0. 428 As0.044-0. 824-0.511-0. 007-0. 103 Zn0.0130.