淮南市新集一矿采煤沉陷水域重金属元素污染调查评价

淮南市新集一矿采煤沉陷水域重金属元素污染调查评价潘文明;王德高
【摘要】伴随着煤矿企业供给侧改革日益深入,煤矿企业从单一煤炭开采获得经济效益,逐渐转变为对采煤沉陷水域生态环境治理发展生态旅游产业,因此采煤沉陷水域重金属元素现状调查与评价工作将是未来发展的重要方向.选择淮南市新集一矿采煤沉陷水域为研究对象,结合实地现场踏勘,挑选出具有代表性四个沉陷水域(A、B、C和D)进行水样品系统采集.按照地表水国家检测标准,测定出28个水样品中六种重金属元素(铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、镉(Cd)、铬(Cr)和铅(Pb))丰度值.研究成果表明:(1)A区六种重金属污染程度最严重,其次是B区,D、C区则相对较轻;(2)与周边张集煤矿采煤沉陷水域重金属元素丰度值相比,本次研究区重金属元素显著富集;(3)采用单因子指数法计算表明Cd、Cr和Pb元素属于新集一矿采煤沉陷水域潜在危险重金属元素,应引起高度重视,需着重治理.
【期刊名称】《淮南师范学院学报》
【年(卷),期】2017(019)003
【总页数】5页(P99-103)
【关键词】重金属元素;采煤沉陷水域;调查评价;新集一矿
【作者】潘文明;王德高
【作者单位】安徽工业经济学院地质学院,安徽合肥 230051;安徽工业经济学院地质学院,安徽合肥 230051
【正文语种】中文
【中图分类】O653
淮南市是华东地区重要的煤炭生产加工基地，享有“华东工业粮仓”、“煤都”之誉；“因煤而建，因煤而兴”是淮南市作为煤炭型工业城市典型的特征，也充分表明了与煤炭相伴生的经济产业链是淮南市经济支柱产业。

伴随着近半个多世纪的煤炭开采、运输、加工利用，淮南市基础经济建设得到了飞跃式发展，一度成为了安徽省城市经济增长快速发展之典型；然而，如今的淮南却为曾经的跃进式发展付出了沉重的代价，造成了大面积地下采空区，导致了大大小小面积不等、星罗密布的地表沉陷水域。

已有研究表明①董柳华，刘劲松：《潘集矿区塌陷水域水质评价及其综合利用》，《中国环境监测》2009年第3期，第
76-80页。

计承富，桂和荣，王和平等：《淮南矿区塌陷水体水质的变化》，
《煤田地质与勘探》2008年第1期，第44-48页。

何春桂，刘辉，桂和荣：《淮南市典型采煤塌陷区水域环境现状评价》，《煤炭学报》2005年第6期，第
754-758页。

，采煤沉陷水域不仅造成了巨大的经济损失，包括淹没土地、毁坏
农田、冲击农业生产等，还破坏了区域性生态系统，加重人多地少的社会矛盾，带来了一系列的社会问题，因此针对现有采煤沉陷水域资源环境现状调查与评价，对于正确认识当前沉陷区水域水环境形势，开展沉陷区水资源生态保护，解决地方生产和城乡工业及生活用水日渐需求的突出问题具有重要的现实意义。

近年来，有关淮南地区采煤沉陷水域水环境调查与评价工作被广泛报道②何春桂，刘辉，桂和荣：《淮南市典型采煤塌陷区水域环境现状评价》，《煤炭学报》2005年第6期，第754-758页。

，主要集中在淮南地区北部的潘谢矿区，但对
淮南地区南部的新集矿区采煤沉陷水域水环境研究工作鲜有报道。

此外，以往的研究工作重点调查采煤沉陷水域矿化度、硬度、pH值、水化学类型等常规组分的丰度值③苏桂荣，姚多喜，李守勤等：《基于ARCGIS的塌陷水质特征研究及评价》，《安徽理工大学学报》（自然科学版）2012年第1期，第39-42页。

贾俊，
高良敏，尹伶俐等：《空间差值在地表水质分析与评价中的应用——以淮南矿业
集团潘集矿塌陷水体为例》，《安徽理工大学学报》（自然科学版）2012年第1期，43-47页。

，而针对其中有害重金属元素丰度值仅零星报道，为此，本文选
择凤台县花家湖旁新集一矿为代表，重点调查该矿井地表采煤沉陷水域有害重金属元素丰度水平，评价重金属元素污染程度，提出重金属污染的相关环境问题，为该矿井开展采煤沉陷水域生态建设、水资源循环建设等工程提供技术参考。

新集一矿位于安徽省淮南市凤台县城西约17km处，在凤台县新集镇内。

该井田
地处淮河冲积平原，地势低平，一般海拔22-26米，西高东低。

井田周边水陆交
通方便。

阜淮铁路、潘谢公路从井田中部穿过，西淝河流经井田东端，向东南注入淮河。

井田设计产能90万吨/年，其原始能利用储量6.57亿吨，到2008年底，
已累计动用原始能利用储量0.96亿吨，期末保有资源储量5.27亿吨，累计探明资源储量6.23亿吨。

新集一矿全境原地系统为石炭-二叠系含煤地层，其中二叠系的山西组及上下石盒
子组为主要含煤地层，其中主要可采煤层11层（20、13-1、13-1下、11-2、9、8、7-2、7-1、6-1、3和1煤层），总厚度27.53m，其余均不可采。

原地系统
总体上保持走向近东西、倾向北的单斜构造，伴有一定规模的断裂构造和波状起伏褶皱。

2.1水样品采集
通过对新集一矿采煤沉陷水域实地踏勘，确定对现已形成规模并对周边居民生活具有潜在危险的四个主要塌陷区（依次标定为A、B、C和D）进行沉陷水域表层水
样品采集。

水样品采集、封装和运输严格依照地表水环境质量标准（GB 3838-2002）所规定相应内容执行。

其中，水样品采集过程描述如下：先测定水样采集点水深和温度，再依据所测得的最大水深用采水器采集表层水，并定其点位信息。

将采得的水样均匀混合于洗净的聚氯乙烯瓶中，加入5ml浓硝酸，密封储存，尽
快送至实验室测试。

此外，所有水样品测定准备试剂包括：硝酸（优级纯）、高氯酸（优级纯）、去离子水、标准浓度的所测重金属元素标准储备液以及混合标准储备液（由所测重金属元素混合配制而成）。

本次研究共采集四个采煤沉陷水域水样品28个，其中A区8个、B区6个、C区4个和D区8个。

所有水样品采集位置如图1所示，与其相对应的点位、深度和
水温信息见表1。

2.2水样品测试分析
前人研究表明①王雪峰：《煤矸石淋溶微量元素污染的水动力学规律研究》，华中科技大学硕士学位论文，2006年。

，淮南地区大多数采煤沉陷区毗邻煤矸石堆积场，后者在雨水淋滤、自然风化过程中，会析出或渗出有害重金属元素，其中铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）、镉（Cd）、铬（Cr）和铅（Pb）元素因其对人
体健康具有潜在危险而被广泛关注。

基于此，本次研究重点调查上述六种重金属元素在采煤沉陷水域中的丰度值。

此外，所测六种重金属元素实验方法列于表2中。

所采集到的水样品由安徽省地质矿产实验室测试完成，测试结果见表3。

本次研究中定义单一采煤沉陷区六种重金属元素平均总通量Q=（Cu平均值+Zn平均值
+Ni平均值+ Cd平均值+Cr平均值+Pb平均值），用以反映该水域重金属污染水平。

3.1不同采煤沉陷水域重金属元素现状
现对新集一矿四个采煤沉陷水域六种重金属元素丰度值之现状分述如下：
（1）A区
A区8个水样监测点中：Cu元素丰度最大值为0.382mg/L，最小值为
0.212mg/L，平均值为0.282mg/L；Zn元素丰度最大值为1.023mg/L，最小值
为0.185mg/L，平均值为0.497mg/L；Ni元素丰度最大值为0.076mg/L，最小
值为0.014mg/L平均值为0.042mg/L；Cd元素丰度最大值为0.093mg/L，最小值为0.016mg/L平均值为0.040mg/L；Cr元素丰度最大值为0.456mg/L，最小值为0.032mg/L，平均值为0.285mg/L；Pb元素丰度最大值为0.478mg/L，最小值为0.048mg/L，平均值为0.313mg/L。

该区六种重金属元素平均总通量Q
为1.459mg/L。

（2）B区
B区6个水样监测点中：Cu元素丰度最大值为0.267mg/L，最小值为
0.131mg/L，平均值为0.209mg/L；Zn元素丰度最大值为0.306mg/L，最小值
为0.120mg/L，平均值为0.219mg/L；Ni元素丰度最大值为0.024mg/L，最小
值为0.010mg/L，平均值为0.015mg/L；Cd元素丰度最大值为0.037mg/L、最小值为0.010mg/L，平均值为0.020mg/L；Cr元素丰度最大值为0.684mg/L，
最小值为0.048mg/L，平均值为0.192mg/L；Pb元素丰度最大值为0.356mg/L，最小值为0.076mg/L，平均值为0.182mg/L。

该区六种重金属元素平均总通量Q 为0.837mg/L。

（3）C区
C区4个水样监测点中：Cu元素丰度最大值为0.142mg/L，最小值为
0.078mg/L，平均值为0.110mg/L；Zn元素丰度最大值为0.156mg/L，最小值
为0.070mg/L，平均值为0.102mg/L；Ni元素丰度最大值为0.022mg/L，最小
值为0.013mg/L，平均值为0.017mg/L；Cd元素丰度最大值为0.012mg/L，最小值为0.007mg/L，平均值为0.010mg/L；Cr元素丰度最大值为0.059mg/L，
最小值为0.051mg/L，平均值为0.055mg/L；Pb元素丰度最大值为0.130mg/L，最小值为0.057mg/L，平均值为0.085mg/L。

该区六种重金属元素平均总通量Q 为0.379mg/L。

（4）D区
D区8个水样监测点中：Cu元素丰度最大值为0.185mg/L，最小值为
0.091mg/L，平均值为0.128mg/L；Zn元素丰度最大值为0.469mg/L，最小值
为0.098mg/L，平均值为0.286mg/L；Ni元素丰度最大值为0.035mg/L，最小
值为0.003mg/L，平均值为0.017mg/L；Cd元素丰度最大值为0.033mg/L，最小值为0.008mg/L，平均值为0.015mg/L；Cr元素丰度最大值为0.258mg/L，
最小值为0.008mg/L，平均值为0.127mg/L；Pb元素丰度最大值为0.127mg/L，最小值为0.058mg/L，平均值为0.093mg/L。

该区六种重金属元素平均总通量Q 为0.666mg/L。

上述统计分析可以看出，六种重金属元素平均总通量表现为：A>B>D>C。

已有研究表明，采煤沉陷水域重金属污染类型属于非点源污染，主要污染类型有：采煤活动工业污染，生活废水污染，农田种植活动面源污染，交通运输尾气污染等。

结合四个采煤沉陷水域水样品点位信息（图1），能够看出A、B沉陷区周边村庄分布较多，交通运输网较密集，且在朱岗村附近发现有煤矸石堆放处，因此推断A、B 两处采煤沉陷水域至少叠加3种以上污染源，致使其Q值较高。

D沉陷区位于西
淝河下游，上游村庄（熊郢孜、马前郢孜等）所产生的生活污水对其水域造成一定程度的污染，且D沉陷区周边农田种植活动所产生的残留农业污水对其产生面源
污染，因此推断D处采煤沉陷水域至少叠加2种以上污染途径，致使其Q值有所增加。

C沉陷区周边村庄稀少，公路网疏散，未有河流发育，推断其水域主要污染行径为经风力作用，使得采煤活动所产生的粉尘降落聚集于C沉陷区内，并逐渐
从固体粉尘颗粒中溶解、扩散至水体中，因此推断C处采煤沉陷水域至少叠加1
种以上污染源，致使其Q值较低。

3.2不同采煤沉陷水域重金属元素对比和空间分析
图2表明了不同采煤沉陷水域同一重金属元素平均丰度值之差异性对比。

结合张
集采煤沉陷水域重金属元素研究数据，得出如下主要结论：
（1）Cu元素
A区水域Cu元素丰度值最大，其次是B区，最小丰度值为C区；若以C区Cu元素丰度值为背景值，A区则是其3倍，B区则是其2倍，D区则是其1.2倍，整体性平均值则是其1.7倍，而张集采煤沉陷水域仅是其1.3倍，这反映出新集一矿采煤沉陷水域Cu元素丰度值较周边张集煤矿的富集。

（2）Zn元素
A区水域Zn元素丰度值最大，其次是D区，最小丰度值为C区；若以C区Zn
元素丰度值为背景值，A区则是其5倍，D区则是其2.8倍，B区则是其2倍，整体性平均值则是其2.6倍，而张集采煤沉陷水域仅是其2.2倍，这反映出新集一矿采煤沉陷水域Zn元素丰度值较周边张集煤矿的富集。

（3）Ni元素
A区水域Ni元素丰度值最大，其次是C、D区，最小丰度值为B区；若以B区
Ni元素丰度值为背景值，A区则是其4.2倍，C、D区则是其1.7倍，整体性平均值则是其1.8倍，而张集采煤沉陷水域仅是其1.7倍。

除却A区，B、C、D和张
集采煤沉陷水域Ni元素丰度值相当，这反映出新集一矿采煤沉陷水域Ni元素丰
度值与周边张集煤矿的相接近。

（4）Cd元素
A区水域Cd元素丰度值最大，其次是B区，最小丰度值为C区；若以C区Cd
元素丰度值为背景值，A区则是其4.0倍，B区则是其2.0倍，D区则是其1.7倍，整体性平均值则是其2.2倍，而张集采煤沉陷水域仅是其0.9倍，这反映出新集一矿采煤沉陷水域Cd元素丰度值较周边张集煤矿的明显富集。

（5）Cr元素
A区水域Cr元素丰度值最大，其次是B区，最小丰度值为C区；若以C区Cr元
素丰度值为背景值，A区则是其5.6倍，B区则是其3.8倍，D区则是其2.8倍，
整体性平均值则是其3.2倍，而张集采煤沉陷水域仅是其1.2倍，这反映出新集一矿采煤沉陷水域Cr元素丰度值较周边张集煤矿的明显富集。

（6）Pb元素
A区水域Cr元素丰度值最大，其次是B区，最小丰度值为C区；若以C区Pb元素丰度值为背景值，A区则是其3.6倍，B区则是其2.2倍，D区则是其1.2倍，整体性平均值则是其1.8倍，而张集采煤沉陷水域仅是其1.5倍，这反映出新集一矿采煤沉陷水域Pb元素丰度值较周边张集煤矿的富集。

为了进一步查明不同采煤沉陷水域重金属元素丰度值之空间分布对比，采用Surfer 8.0软件，绘制了A、B、C和D区六种重金属元素丰度值空间分布对比图（见图3）。

上述对比分析表明，新集一矿采煤沉陷水域六种重金属元素平均丰度值较张集煤矿的富集，推断其原因可能来自于：（1）矿井煤炭资源开采年限引起重金属元素累积量增多，新集一矿于1989年12月26日正式开工建设，1993年7月1日正式投产，并实现了当年达产，至今开采已有23年，张集煤矿于2001年11月正式
投产，至今开采已有15年两者相比，新集一矿较张集煤矿多达8年开采年限，引起采煤工业活动污染程度增加；（2）新集一矿地处西淝河流域下游，采煤沉陷水域整体性继承了上游采煤工业活动污染、农田种植面源污染、居民生活污水污染等来源所释放的重金属，造成本区重金属元素普遍较周边井田富集；（3）与B、C
和D沉陷水域重金属元素丰度值相比，A区重金属元素丰度值显著较富集，此外，考虑到A区周边村庄较多，其沉陷水域重金属元素对人体环境污染潜在危险效应
较高，但也需要认识到，重金属元素在水体中复杂的地球化学行为，因此针对采煤沉陷水域水环境治理先后顺序，建议按照A→B→D→C顺序执行。

素未超出标准值。

3.3.2评价结果
参照公式（1）计算，得到六种重金属元素环境污染评价结果（见表4）。

3.3不同沉陷水域重金属元素污染等级评价
采煤沉陷水域重金属元素评价方法主要包括：单因子标准指数法，内梅罗指数法，模糊集理论法，综合水质指数法等①桂和荣，胡友彪，宋晓梅：《矿业城市浅层地下水资源研究》，北京：煤炭工业出版社，2002年。

鉴于本次研究重点评价采煤沉陷水域六种重金属元素环境污染能力，为此，选择快捷、简易的单因子评价法对其进行环境污染等级评价。

根据地表水环境质量标准（GB 3838-2002）规定的水域分类，Ⅲ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源二级保护区，结合采煤沉陷水域环境治理用途，本次研究采用Ⅲ类地表水环境质量标准基本项目标准限值作为采煤沉陷水域重金属元素环境污染评价之依据，即：Cu元素≤1.0mg/L，Zn元素≤1.0mg/L，Ni元素
≤0.02mg/L，Cd元素≤0.005mg/L，Cr元素≤0.05mg/L，Pb元素≤0.05mg/L。

3.3.1评价模型
单项重金属元素i的标准指数Pi为：
Pi=Ci/Cs
（1）式中：Ci为重金属元素i污染物实测浓度，mg/L；Ci为重金属元素i污染物评价标准，mg/ L。

当Pi>1时，表明评价样点重金属元素超出标准值；当Pi=1时，表明评价样点重金属元素基本达到标准值；当Pi<1时，表明评价样点重金属元
由表4可以看出，A、B、C和D采煤沉陷水域Cu、Zn和Ni元素未超标；Cd、Cr和Pb元素达到严重、中度超标。

鉴于人体健康安全，Cd、Cr和Pb元素属于新集一矿采煤沉陷水域潜在危险重金属元素，应引起高度重视，需着重治理。

本次研究主要结论有：
（1）通过对比四个沉陷水域重金属平均总通量及其空间分布，表明了A区重金属
污染程度最严重，其次是B区，D、C区则相对较轻；
（2）与周边张集煤矿采煤沉陷水域重金属元素丰度值相比，本次研究区重金属元素显著富集，并提出了建议按照A→B→D→C顺序执行环境治理方案；
（3）采用单因子指数法评价四个沉陷水域六种重金属环境污染潜力，得出Cd、
Cr和Pb元素属于新集一矿采煤沉陷水域潜在危险重金属元素，应引起高度重视，需着重治理。