陈蜜蜜，任加国，程琛，陈光旭

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266510；2.宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000；3.东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330000)



环境地质

朱仙庄煤矿塌陷水域水文地球化学特征及污染评价

陈蜜蜜1，任加国1，程琛2，陈光旭3

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266510；2.宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000；3.东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330000)

水文地球化学；内梅罗指数；塌陷塘；朱仙庄煤矿；淮北煤田

0 引言

煤矿采掘所导致的地表沉降是矿区最为重要的地质灾害之一[1]，塌陷给周边环境土壤[2]、生态系统[3]以及环境水体[4]带来一系列影响。煤矿塌陷导致的环境问题日益显现，尤其是塌陷水域的水环境问题直接影响到矿区水资源利用。对煤矿塌陷区水域的开发利用已经成为矿区水资源综合利用管理的重要部分，近年来受到政府部门和诸多学者的广泛关注。

但是对于塌陷水域的研究多集中于土地复垦、生态系统恢复、水质综合评价[5-7]等，对水文地球化学特征及重金属污染评价[8-10]不是很多。如李君浒[11]等介绍华东地区煤矿塌陷区生态环境的治理时，简述了两淮矿区塌陷区现状及取得的一些成效，提出建立新功能生态矿区。桂和荣[12]等选择淮南矿区3个不同年限的塌陷塘为对象，研究水体对塌陷塘浮游动植物的影响，利用生物监测评价塌陷塘水质。黄平华[13]等通过地球化学定量模拟技术对焦作矿区地下水水化学特征进行了研究。薛喜成[14]等研究了秦岭安河矿区地表水重金属的形态，实现了重金属污染程度评价工作。该文以朱仙庄塌陷区为研究对象，通过对塌陷水体内常规离子水化学特征及重金属离子污染进行分析，了解水质特征及污染现状，分析成因并提出综合治理意见，趋利避害地开发利用塌陷水域，为矿区生态环境保护、塌陷区污染防治以及合理开发利用提供依据。

1 研究区概况

朱仙庄煤矿是淮北煤田的重要组成部分，位于宿东向斜北翼，轴部为二叠系，两翼由石炭系和二叠系组成，总体呈SN向。区内地层有奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、新近系和第四系。朱仙庄煤矿含水层由新生界松散含水层、侏罗系含水层、二叠纪砂岩含水层、太灰含水层以及奥灰含水层组成，由于第四纪含水层的特殊位置，造成其是矿井水的主要来源，也是塌陷区域水来源。该地气候温和，属温带半湿润气候。

2 材料与方法

2.1 样品采集

结合研究区具体地理位置，共布设水域采样点24个(I塘6个，II塘9个，III塘3个，IV塘6个采样点)，采样时需记录采样点的经纬度，绘制采样点分布图(图1)。由于测试需要，现场采集的水样必须24h进行预处理，所选研究区域距离安徽省煤矿勘探工程技术研究中心很近以保证所采水样能够及时被处理保存。

2.2 样品测试

图1 采样点分布图

3 水文地球化学特征

piper三线图显示(图2)，阳离子分布比较集中，而阴离子分布分散。塌陷区域I,II,III塘水均属于HCO3-Na型；IV塘水与其他塘存在明显差异属HCO3-Ca型。由于Ca2+受外界环境影响导致变异系数较大，通过对采样区周围调查，可知IV塘周边有一水泥厂，由此推测研究区Ca2+受水泥厂影响，IV塘最为明显。

表1 常规离子测试数据(mg/L)

图2 塌陷水域piper三线图

4 重金属污染评价

所测5种重金属浓度含量见表2，从表中可以看出，重金属离子含量Mn>Pb>Cr>Cd。所测水样中4种重金属含量均符合《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)II类水质标准;Cd相对Cr,Mn,Pb而言污染较严重。标准偏差和方差均可表明重金属离子浓度的平均值分散程度的一种度量，并且两者呈正相关。各金属质量浓度离散程度依次为：Mn>Pb>Cd>Cr ，且Mn和Pb离散程度排前两位，从下文水质评价中也可看出不同塌陷区Mn和Pb污染程度也有一定差异。

表2 重金属离子测试数据(mg/L)

4.1 评价方法4.1.1 单因子评价法

单因子评价法是我国国标规定的水质评价方法，在《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中规定，地表水环境质量评价应根据实现的水域功能类别，选取相应类别标准进行单因子评价，评价结果应说明水质达标情况，由于单因子污染指数法能够较直观地反应环境中各项污染指标的情况。

单因子评价法计算公式：

式中:Pi为地表水中i元素的污染指数；Ci为重金属元素的实测浓度；Si为水样重金属元素环境背景值。

4.1.2 内梅罗指数法

内梅罗综合污染指数法建立在单因子指数法的基础上，污染指数平均值和最大值的利用更能全面、客观地反映重金属环境污染状况，是重金属污染评价的重要方法之一。内梅罗指数计算公式：

式中：Ci为水质指标的实测值；COi为水质指标i的评价标准值；n为水质指标的个数；F为内梅罗指数；Fi为各项污染指数的平均值；(Fi)max2为各项污染指数中的最大值。

4.2 评价结果

4.2.1 单因子评价结果

测定的重金属数据采用单因子指数法进行水体污染评价，由于单因子计算中Si重金属环境背景值获取困难，采用《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中III类标准限值作为标准。

根据各塌陷水域重金属质量浓度均值以及重金属环境背景值，利用单因子污染评价法得出各个含水层的P值，其计算结果与单因子评价法标准(表3)进行对比得出评价结果(表4)。根据表4可以看出，I塘污染指数值Cd>Pb>Mn>Cr，清洁；II塘污染指数值Cd>Pb>Cr>Mn，清洁；III塘污染指数值Cd>Mn>Pb>Cr，Cd污染指数大于0.7，达到轻污染程度;IV塘污染指数值Cd>Pb>Mn>Cr,清洁。Cd,Pb相对于其他2种元素在4个塘中单因子指数值均较大，污染较严重，且III塘Cd单因子指数值达到1.02，属轻度污染状态。总体而言塌陷水域4个部分各重金属元素的污染程度差异较小，污染指数值均小于1，属于非污染。利用单因子评价法可以得出：朱仙庄塌陷塘水体重金属基本无污染，已达到较清洁水平。

表3 单因子水体重金属污染指数等级划分标准

表4 单因子评价结果

4.2.2 内梅罗指数法评价结果

采用内梅罗指数法评价，内梅罗污染指数评价法等级划分标准如表5所示。

表5 内梅罗水体重金属污染指数等级划分标准

利用以上计算出的单因子值，根据塌陷水域重金属质量浓度计算出内梅罗指数，通过与内梅罗水体重金属污染指数等级划分标准对比，得出内梅罗指数法评价结果(表6)。根据表6可以看出I塘内梅罗污染指数值Mn>Cd>Pb>Cr；II塘内梅罗污染指数值Cd>Pb>Cr>Mn；III塘内梅罗污染指数值Cd>Pb>Cr>Mn；IV塘内梅罗污染指数值Cd>Mn>Pb>Cr。Cd在II,III,IV塘中内梅罗指数值均大于1，达到轻污染状态。Cr,Mn,Pb三种重金属在整个区域内梅罗指数值均小于1，属清洁状态。

表6 内梅罗计算及分析结果

4.3 研究区重金属污染对比分析

单因子评价法和内梅罗指数法比较：由表4、表6可以看出，利用单因子评价法对塌陷水域4个塘中Cd,Cr,Mn,Pb分别计算出了单因子污染指数值，而内梅罗指数法则在单因子计算结果的基础上计算内梅罗指数值。由计算结果可以看出，利用内梅罗指数法Cd的评价与单因子指数法稍有不同，内梅罗指数法标明Cd在II,III,IV塘以达到轻污染水平，单因子指数法则显示Cd仅在III塘达到轻污染水平。

5 结论

(1)朱仙庄煤矿塌陷水域虽形成后期被认为分割，水文化学特征变化不大。主要属于HCO3-Na型；IV塘HCO3-Ca型。

(2)重金属含量均符合《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)II类水质标准，Cd相对Cr,Mn,Pb污染较严重，达到轻污染状态。总体而言塌陷水域重金属污染小，水质良好。

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Hydrochemistry Characteristics and Pollution Evolution In Zhuxianzhuang Subsidence Ponds

CHEN Mimi1, REN Jiaguo1,CHENG Chen2, CHEN Guangxu3

(1. College of Earth Science and Engineering of Shandong University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266510, China; 2. School of Resources and Civil Engineering of Suzhou University，Anhui Suzhou 234000，China; 3. College of Earth Science of East China University of Technology, Jiangxi Nanchang 330013, China)

Hydro-geochemistry; heavy metal; Nemerow comprehensive pollution index; subsidence pool; Zhuxianzhuang coal mine

2016-05-09；

2016-06-12；编辑：陶卫卫

国家级大学生创新创业训练计划项目(201310379004)

陈蜜蜜(1992—)，女，安徽宿州人，硕士研究生，主要研究方向：水文地质与环境地质;E-mail:ahcmm28@163.com

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陈蜜蜜，任加国，程琛，等.朱仙庄煤矿塌陷水域水文地球化学特征及污染评价[J].山东国土资源，2016,32(11)：44-48.CHEN Mimi, REN Jiaguo,CHENG Chen,etc.Hydrochemistry Characteristics and Pollution Evolution In Zhuxianzhuang Subsidence Ponds[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(11)：44-48.