山西省阳泉山底河流域煤矿“老窑水”动态特征、演化机理及对娘子关泉域的环境效应

【研究目的】煤矿“老窑水”以分布范围广、隐蔽性强、污染程度重、自然净化慢、持续时间长等特点,成为后采煤时代严重威胁中国生态文明建设的重要制约因素。【研究方法】本文以山西省阳泉市山底河流域煤矿“老窑水”为研究对象,通过长系列水质和水量系统性监测,运用统计学方法系统分析了山底河流域老窑水的水量和水质动态特征及其演化机理,评估了“老窑水”对娘子关泉域岩溶水的环境效应。【研究结果】研究表明,山底河“老窑水”总出口pH值平均为3.58,TDS平均为4744 mg/L,SO_(4)^(2-)平均为3327 mg/L;雨季地下水位上升后与采空区接触面积或体积增大和降雨量的影响滞后等是造成煤矿“老窑水”的流量与水化学特征指标电导率、SO_(4)^(2-)浓度非线性相关的主要原因;煤系地层中黄铁矿的强氧化反应主要发生在地下水位季节变动带、包气带和地表;煤矿采空积水区的一定深度为还原环境,具备开展微生物法治理的条件;山底河煤矿“老窑水”出流后进入下游碳酸盐岩河段渗漏,对娘子关泉域岩溶水的渗漏补给量达7247.08 m^(3)/d,水质差,是娘子关泉域岩溶地下水的重要污染源。【结论】山底河流域“老窑水”流量对降雨量的调蓄周期为半年;水化学特征指标与流量呈非线性相关,“老窑水”黄铁矿的强氧化反应主要发生在地下水位季节变动带、包气带和地表;“老窑水”出流后渗漏补给娘子关泉域达7247.08 m^(3)/d,SO_(4)^(2-)、Fe和Mn超标严重,对泉域岩溶水污染严重,急需开展煤矿“老窑水”的治理和废弃煤矿生态修复。

山底河流域煤矿酸性矿井水野外监测

酸性矿井水在我国鲁西南、山西、内蒙、云南和贵州等煤矿区普遍存在,酸性矿井水其pH往往在2~5之间,高SO_(4)^(2−)、HB、TDS、Fe、Mn。这些物质进入地下水、地表水或土壤后,会对其造成严重危害。文章选择山西阳泉市典型废弃煤矿区山底河流域为研究区,通过水文地质调查,水文地质钻探,水文地质剖面等方法阐述山底流域地层岩性,水文地质条件概况,得出受煤矿开采影响,与天然条件下相比山底河流域的地表水和地下水的补给、径流、排泄条件均发生了根本变化。补给通过破坏产生的导水裂隙带运移,以垂向运动为主;径流通过坑道,导水裂隙带运移,以横向运动为主;排泄以矿坑排水和泉水溢出方式为主。并简述山底河流域煤矿酸性矿井水试验站观测站分布情况与水化学特征。

煤矿酸性“老窑水”低Ca/Mg成因机制

山西省阳泉市山底河煤矿“老窑水”循环系统多年水质监测数据计算结果显示,煤矿酸性“老窑水”的Ca/Mg值普遍偏低,且存在Ca/Mg值随酸化程度的增强(SO_(4)^(2−)含量增加或pH减小)而减小的规律。针对这一问题,结合研究区的地球化学物源条件,通过室内试验以及野外监测水样的石膏、方解石、白云石矿物饱和指数与pH变化关系,分析煤矿酸性“老窑水”低Ca/Mg值的成因机制。研究表明:区内石炭系-二叠系的煤系地层中碳酸盐岩夹层、分散状态分布的菱镁矿、黄铁矿是“老窑水”中Ca^(2+)、Mg^(2+)、SO_(4)^(2−)的物质来源;在黄铁矿氧化水解形成的以硫酸根为主导的酸性溶液中(pH为2.0~4.5),代表硫酸对石膏、方解石、白云石可溶解性的饱和指数排序为石膏>方解石>白云石,受石膏在高浓度硫酸活性降低并发生沉淀、方解石溶解受Ca^(2+)同离子效应抑制和饱和状态的平衡调节的综合影响,使Ca^(2+)相对含量减少,由于MgSO_(4)溶度积大于CaSO_(4),故Mg^(2+)含量未受上述约束(或较低),脱白云岩化反应可因Ca^(2+)含量随石膏沉淀而继续进行,加之区内有菱镁矿的溶解,使得Mg^(2+)相对含量增加,最终出现了镁矿酸性“老窑水”Ca/Mg值低的结果。Ca/Mg值可作为煤矿酸性“老窑水”的污染特征指标,应用于环境影响评价。

山底河流域重金属污染特征分析

山底河流域地表水体下游存在多处污染源,导致山底河水质变差,水体中多种重金属离子严重超标。为此,以山底河流域地表水体为例,布置了11个点位,自上游至下游分别编号为S1-S2、S3-S4、S5-S11,采用单项污染指数评价法和内梅罗综合污染指数法评价了重金属污染现状,同时采用相关性分析法分析酸性老窑水中重金属特征因子情况。结果表明,地表水重金属含量浓度空间差异性较明显,低等变异(CV≤50%)、中等变异(50%<CV≤100%)、高等变异(CV>100%)分别占42.9%、14.3%、42.9%,其中Hg、Cd、Mn的超标率超过50%,Mn的超标倍数达千倍,Cd的超标倍数亦近百倍;流域仅2个取样点水环境质量综合污染指数WWQI≤1,水质优良,有4个取样点WWQI在1~10之间,水质较好,其余5个取样点水质差,其中3处水质极差,分别为S6、S7、S9,WWQI分别为388、456、137,数值极高;Zn、Cd、Mn之间具有极强相关性,其污染源为酸性老窑水。