任军,刘方

(1.贵州师范学院 地理与资源学院,贵州 贵阳 550018;2.贵州大学 资源与环境工程学院,贵州 贵阳 550025)

贵州省作为我国南方岩溶发育的核心区,岩溶分布面积占全省国土面积的73.6%,是世界上岩溶地貌发育最典型的地区之一[1]。在强烈的岩溶作用下,形成的岩溶水为当地居民生活、生产提供了丰富的水资源。随着社会经济的不断发展,矿业活动、农业生产和城镇化进程已成为影响岩溶水资源质量及开发的重要因素[2-3],岩溶地区水体已受到不同程度的污染,刘长礼(2017)对贵阳市岩溶水进行了污染评判,提出污染风险较高区主要分布在碳酸盐岩区域,该区域特点为采矿井密度大,开采强度较大,且地下水防污能力较差[4]。

贵阳市花溪区具有典型的喀斯特地貌特征,属于岩溶丘陵谷地地貌区,岩溶水丰富。麦坪乡是贵阳市花溪区重要产煤区,经过多年的煤矿开采,废弃的煤矸石堆积成山,不仅占用了大量的土地,破坏局部地区的生态环境。同时,煤矿区植被覆盖率低,水土流失较严重,煤矸石堆场的排水及地表径流对周边水环境产生了严重的污染[5]。麦坪乡煤矸石堆场地表径流水汇入河流最终流入阿哈水库,阿哈水库位于贵阳市城区小车河上游,其功能主要是城市供水和防洪,是贵阳市南明区的重要饮用水源,关系到 60 万居民的饮水状况,责任巨大[6-7]。杨绍章等提出阿哈水库中铁、锰的来源与外来补水中铁、锰浓度及河流底泥中铁、锰释放有很大关系,尤其是库上游酸性矿山废水中铁、锰对水库水体的外源贡献不可忽略[8];潘祖光、孔志红等指出阿哈水库水体的主要污染因子为总氮[7]。水体重金属污染问题同样不可忽略,本研究以贵阳市花溪区麦坪乡煤矸石浸出液、地表径流水、周边水体为研究对象,研究重金属元素的迁移特征及其对周边水体的影响情况,为减少煤矸石中重金属向水体的迁移及改善煤矸石周边水环境质量提供科学依据。

1 试验区概况与研究方法

1.1 试验区概况

研究区位于贵阳市花溪区,属低中山地貌及亚热带季风性湿润气候,年平均气温在14.0～15.0 ℃,年降雨量达1 200～1 300 mm,降雨集中在5～8月。该区地貌为岩溶丘陵谷地,以碳酸盐岩石为主。本次研究的煤矸石堆场所在地为贵阳市花溪区麦坪乡,麦坪乡废弃矿井及煤矸石堆众多;研究水体主要包括煤矸石堆场地表径流水及周边溪流水体,水体监测点主要沿煤矸石堆场周边溪流-河流-阿哈水库方向进行设置,具体采样点见图1。

图1 采样点分布图

1.2 不同类型煤矸石样品采集及重金属浸出实验

对煤矸石堆场中上部坡面风化残积的表层(0～20 cm)煤矸石(残积型煤矸石),以及煤矸石堆场下部经季节性流水搬运沉积在侵蚀冲沟旁的表层煤矸石(坡积型煤矸石)进行混合样品采集。在麦坪乡采集了3个煤矸石堆场的残积型煤矸石样品、3个煤矸石堆场的坡积型煤矸石样品。煤矸石样品带回实验室后进行自然风干、破碎并研磨过100目(孔径0.15 mm)筛。然后分别按照1∶5,1∶10,1∶20(g∶mL)的固液比,加入去离子水,搅拌混合均匀后分别静置48 h,取上清液用0.45 μm的滤膜过滤,Fe、Mn采用火焰原子吸收光谱仪测定,Cr、Cu、Zn、Cd、Pb等金属元素采用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定[9]。

1.3 地表径流水样的采集及重金属测定

对麦坪乡4个典型煤矸石堆场(2个残积型煤矸石堆场、2个坡积型煤矸石堆场)设置水体观察点,采用无界径流小区法设置径流收集槽[10],在自然降雨下对4个典型煤矸石堆场进行地表径流样品收集,采样时间分别为2019年5月、6月、7月、8月。

同年8月对煤矸石堆场上游、周边溪沟、河流上游、河流下游、金田冲支流、阿哈水库入库口上游、阿哈水库入库口7个点进行水体采样。

量取50 mL径流液离心后通过0.45 μm滤膜,测定过滤后水样重金属浓度。采用玻璃电极法测定pH值,Fe、Mn采用火焰原子吸收光谱仪测定,Cr、Cu、Zn、Cd、Pb等金属元素采用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定。

1.4 数据分析

运用软件Microsoft Excel 2016进行数据整理,运用Origin Pro 2015作图,运用SPSS 23做相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同类型煤矸石中重金属含量及重金属淋溶迁移特点

表1为不同类型煤矸石中重金属全量,煤矸石中各种重金属的含量从大到小依次是Fe>Mn>Cr>Zn>Cu>Pb>Cd,且坡积型煤矸石重金属含量明显高于残积型煤矸石,两种煤矸石类型中重金属含量均较高,其中Fe、Mn含量最高,对周边水体及土壤存在污染风险。

表1 不同类型煤矸石中重金属含量 单位:mg/kg

从表2看出,麦坪乡残积型煤矸石和坡积型煤矸石水浸液的pH值范围为2.16～2.85,7种重金属元素含量的大小顺序为Fe>Mn>Zn>Cu>Cr>Pb>Cd,其中,铁的含量范围达1.65～6.71 mg/L,锰的含量范围达0.82～3.09 mg/L。坡积型煤矸石水浸液重金属浓度明显高于残积型煤矸石水浸液重金属浓度。以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值(Fe为0.3 mg/L,Mn为0.1 mg/L)来进行评价,发现Fe、Mn含量均超过该标准限值;此外,参照《污水综合排放标准》(GB 3838—2019)中Mn含量≤2.0 mg/L的限值,其中坡积型煤矸石中Mn含量超过此限值。说明煤矸石堆场对水环境影响的主要因素还是Fe、Mn的淋溶迁移,坡积型煤矸石对水环境影响较大。

表2 煤矸石不同固液比例溶液中重金属含量的变化

不同的固液比处理淋溶液重金属浓度差异较大。随着固液比值的减小,重金属浓度呈降低趋势;说明煤矸石淋溶液中重金属浓度受降雨量大小的影响,降雨量越大,重金属浓度越低。

2.2 煤矸石堆场地表径流中重金属浓度的特点

在降雨量较大的季节,对麦平乡4个典型煤矸石堆场地表径流中重金属浓度进行4个月的监测,结果显示,4个煤矸石堆场地表径流pH值变化范围分别是4.14～4.65,4.34～4.88,4.15～4.99,4.52～4.72;Fe和Mn浓度的变化范围分别达0.26～4.02,0.06～0.39 mg·L-1,其它5种重金属浓度均较小(表3)。坡积型煤矸石地表径流中Fe、Mn浓度明显高于残积型煤矸石。不同类型堆场地表径流中Fe浓度随月份变化趋势大体相同,不管是坡积型煤矸石还是残积型煤矸石,其地表径流中Fe、Mn浓度均在6月份呈现最低的特点,在8月份浓度达最高;其他重金属浓度变化未表现出规律性。贵阳强降雨季节主要集中在6～7月份,由于降雨量大造成地表径流中重金属浓度降低,而在降雨量小且相对迟缓的5月和8月,重金属浓度反而出现较高的现象,说明Fe、Mn浓度变化受降雨强度的影响较大。

表3 煤矸石堆场地表径流中重金属浓度特点

2.3 煤矸石堆场重金属迁移对周边地表水体质量的影响

煤矸石堆场周围的溪流来水主要是地表径流,其水质与径流水质量密切相关。地表径流汇入河流后最终流入阿哈水库。对麦坪煤矸石堆场上游、周边溪沟、下游河流直至阿哈水库的水体进行重金属监测,探讨煤矸石堆场地表径流水对阿哈水库水体质量的影响。由表4可见,随着离煤矸石堆场距离的增加,水体的pH值逐渐增加,由堆场附近的4.36升高到7.20;Fe、Mn浓度也不断下降,Fe浓度下降幅度比较大。

表4 煤矸石堆场周边及下游地表水体重金属含量的变化

以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值来进行评价。阿哈水库入水口重金属中只有Fe、Mn浓度较高,分别为是0.320～0.35,0.19～0.23 mg/L,已超过标准限值。说明煤矸石堆场重金属随着地表径流迁移到阿哈水库,对附近水体会产生轻微的污染。

3 讨论

3.1 煤矸石堆场重金属淋溶迁移特征

不同类型煤矸石淋溶液中重金属浓度差异较大,坡积型煤矸石淋溶液7种重金属浓度明显高于残积型煤矸石,坡积型煤矸石是经降雨径流搬运后堆积形成的,具有颗粒较小,较少杂质的特点,是重金属浓度较高的主要原因。两种类型煤矸石淋溶液pH值都比较低,变化范围为2.16～2.85。通过室内不同固液比淋溶研究发现,淋溶液中各重金属浓度受水量大小的控制,加水量越多,重金属浓度越低,说明煤矸石堆场重金属林溶液中重金属浓度受降雨量的影响较大,降雨量越大,重金属浓度越低。

4个典型煤矸石堆场地表径流中重金属浓度有明显差异,坡积型煤矸石地表径流中Fe、Mn浓度明显高于残积型煤矸石。不同类型堆场地表径流中Fe浓度随月份变化趋势大体相同,不管是坡积型煤矸石还是残积型煤矸石,其地表径流中Fe、Mn浓度均在6月份呈现最低的特点,在8月份浓度达最高;其他重金属浓度变化未表现出规律性。煤矸石堆场都经过10年以上的自然风化,渗透性降低,持水能力增强[11],贵阳强降雨季节主要集中在6、7月份,较大强度降雨造成地表径流中重金属浓度降低,而在降雨量小且相对迟缓的5月和8月,重金属浓度反而出现较高的现象,说明Fe、Mn浓度变化受降雨强度的影响较大。

3.2 煤矸石堆场Fe、Mn迁移对岩溶地区水质的影响

煤矿酸性废水中铁、锰及硫酸根浓度较高,贵阳市政府为治理废水中污染物对“两湖一库”的污染,采取修建石灰投加站,人工投加石灰进行治理[12]。10年前一些学者对阿哈水库水质及污染情况研究中提出,阿哈水库补给水系铁、锰最高值分别达25.7,3.36 mg/L[13],阿哈水库水质受到严重污染;孔志红等通过对近10年阿哈水库环境质量研究中提出,水库水质变化趋势总体呈下降趋势,2015 年之后水质有所好转,均为轻微污染[7];本研究对麦坪煤矸石堆场下游河流直至阿哈水库的水体进行重金属定点监测,结果显示随着离煤矸石堆场距离的增加,水体的pH值逐渐增加,由酸性转变为弱碱性,在石灰投放点直至入库口pH值升高幅度最大;水体中Fe、Mn浓度呈现不断下降的趋势,其中Fe浓度下降幅度比较大。叶慧君指出岩溶区地表水大多为 Ca-HCO3、Ca-SO4型,水体中 Ca2+和 HCO3-主要由碳酸盐岩溶解控制[15]。煤矸石堆场自然降雨后形成的地表径流汇入河流,同岩溶地表水汇合后,由于岩溶地表水中含有较高浓度的Ca2+、SO42-及HCO3-,水体具有一定的缓冲性能。加之石灰投放后水体中OH-浓度增加,与Fe3+形成氢氧化铁沉淀,因此在入库口水体中Fe浓度的降低幅度较大[8]。总体来看,随着政府的人为治理,麦坪乡煤矸石堆场下游Fe、Mn浓度逐年降低,阿哈水库入库口水体质量得到了改善,但对水库中水体依然有轻微的污染。

4 结论

(1)不同类型煤矸石中重金属淋溶特点不同,坡积型煤矸石淋溶液中重金属浓度明显高于残积型煤矸石,重金属浸出浓度大小顺序为Fe>Mn>Zn>Cu>Cr>Pb>Cd,其中Fe、Mn浓度均超标。两种类型煤矸石淋溶液中重金属浓度受降雨量的影响较大,降雨量越大,重金属浓度越低。

(2)不同类型煤矸石堆场地表径流中重金属浓度存在明显差异,坡积型煤矸石地表径流中重金属浓度明显高于残积型煤矸石,Fe、Mn浓度在6月份最低,8月份较高,浓度变化受降雨强度的影响。

(3)岩溶地区水质受煤矸石堆场重金属迁移的影响逐渐变小,阿哈湖水库入库口水体依然有轻微的Fe、Mn污染。