煤礦銹水對飲用水水源地環(huán)境風險評價方法及案例研究

李云，譚偉，李嬌，李君超，蔣進元?

1.中國環(huán)境科學研究院

2.生態(tài)環(huán)境部土壤與農業(yè)農村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術中心

目前公眾對環(huán)境問題尤其是突發(fā)環(huán)境事件的關注度極高,如化學品爆炸、原油泄漏等,這些環(huán)境問題對人類健康及生態(tài)環(huán)境等造成極大的威脅[1-3]。因此,對突發(fā)環(huán)境事件開展環(huán)境風險評價能為預防、控制和減緩環(huán)境風險提供技術支撐。飲用水水源地作為高敏感環(huán)境受體,易受周邊化工企業(yè)或其他突發(fā)環(huán)境事件的影響,其環(huán)境風險尤其受到關注[4-7]。

我國煤炭資源豐富,由于早期煤炭開采管控較松,導致目前四川、貴州和陜西省的很多地區(qū)存在大量廢棄煤礦井口。煤礦企業(yè)閉礦前開采等人為活動已對煤系含水層造成了一定的破壞,加之礦井中的煤矸石及煤中含有的Fe、Mn、Cu、Zn、Hg等重金屬元素溶出釋放,且溶出過程中,硫酸鹽、氟化物、總溶解固體(TDS)、錳及總硬度等均有所釋放[8],導致雨季呈強酸性的磚紅色煤礦銹水從礦井口大量涌出,既影響感官,又可能帶來環(huán)境風險。筆者建立了廢棄礦井涌水對飲用水水水源地的環(huán)境風險評價指標體系并進行了評價,同時對煤礦銹水風險管控和治理提出對策建議,以期為保護煤礦周邊生態(tài)環(huán)境以及飲用水安全提供支撐,同時也為地表水水源地周邊煤礦企業(yè)環(huán)境風險評價提供參考。

1 煤礦銹水對飲用水水源地環(huán)境風險評價方法

1.1 環(huán)境風險評價指標體系

在大量資料查閱及專家咨詢的基礎上,采用層次分析法[9-12],以礦井涌水對飲用水源地環(huán)境風險為目標層,分析影響煤礦企業(yè)礦井涌水和飲水水源地環(huán)境風險的多種因素,分別確定影響層、準則層和指標層。礦井涌水(風險源)是引起飲用水水源地環(huán)境風險的重要因素之一,礦井涌水的水量和遷移情況對飲用水源地產生不同的環(huán)境風險,而煤礦企業(yè)和當地生態(tài)環(huán)境部門風險管理與控制能力是降低礦井涌水環(huán)境風險的關鍵因素,因此,將風險源、風險受體、遷移通道、應急管理納入影響層；考慮到礦井口涌水、水源地敏感性、排污方式、污染物遷移過程、風險防范及應急能力、風險應急設施等多個方面(準則層),最終確定將12項可較全面反映煤礦企業(yè)對水源地環(huán)境風險水平的影響指標納入指標層。形成包括風險源、風險受體、遷移通道[13-14]、應急管理4個一級指標、6個二級指標和12個三級指標的風險評價指標體系。

運用層次分析法,對各指標相對于目標的權重(W)進行專家咨詢和打分,據此計算評價指標相對于總目標(礦井涌水對飲用水水源地環(huán)境風險)的權重,評價指標及各權重計算結果見表1。

表1 礦井涌水對飲用水源地環(huán)境風險評價的指標體系及權重Table 1 Risk evaluation index system and weight for rust water from coal mine to drinking water sources

1.2 環(huán)境風險評價指標值計算

參照文獻[8]和[12],對12項指標在不同條件下的環(huán)境風險進行評分,具體評分標準如表2所示。

表2 環(huán)境風險評價指標評分標準Table 2 Evaluation standards of environmental risk assessment index

1.3 環(huán)境風險指數計算

各評價指標的環(huán)境風險水平用環(huán)境風險指數表征,具體計算公式見式(1)、式(2)。

式中:TIRm為第m項指標的環(huán)境風險指數；Nm為第m項指標的評分；Wm為第m項指標的權重。

礦井涌水對飲用水水源地總的環(huán)境風險指數(TIR)定義為表1中12項指標的函數,具體計算公式:

1.4 環(huán)境風險分級與評價

按照式(1)、式(2)計算煤礦企業(yè)礦井涌水對飲用水源地的TIR,將風險級別劃分為4個等間隔區(qū)段,按照TIR由高到低劃分為重大、較大、一般和較低4類環(huán)境風險級別[15](表3)。

表3 環(huán)境風險指數分級標準Table 3 Calculated results of environmental risk indexes of three mines

2 案例評價

2.1 煤礦及飲用水水源地概況

以位于四川某區(qū)縣的3個煤礦作為風險源進行環(huán)境風險評價,3個煤礦中2個已廢棄,礦井已采取封堵措施,1個由于手續(xù)問題暫時停產。雨季廢棄礦井中有呈酸性的磚紅色礦井銹水從井口涌出(圖1),順山間小溪匯入飲用水水源地所在河流。煤礦銹水酸性強,主要風險污染物是總Zn、總Cd、Fe、Mn、氟化物和硫酸鹽等。從風險源分布來看,2處已廢棄煤礦礦井距離水源地較近(不超過10 km),且礦井出口順著小溪溝匯入的河流位于水源地上游；暫時停產的煤礦礦井出口順著小溪溝的流程較長(大于20 km),且匯入的河流在飲用水源地取水口下游。

圖1 廢棄礦井口和礦井口下游小溪溝Fig.1 Abandoned mine mouth and small gully downstream the mine mouth

飲用水水源地屬于地表飲用水水源地,日取水量為1.5萬m3。劃定的保護標準是GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅲ類水質,定期開展水質指標監(jiān)測。水源地保護區(qū)內無居民居住,沒有與保護設施無關的建設項目及排污口,近年水質監(jiān)測結果顯示,水質能達到GB 3838—2002中Ⅱ類水質標準。水源地保護區(qū)內設立有保護區(qū)劃標志、隔離防護網、宣傳欄,設置有視頻監(jiān)控,接入市生態(tài)環(huán)境局視頻監(jiān)控終端。水源地的取水服務單位制定有應急管理方案,具備相應的應急管理能力和應急監(jiān)測能力。

2.2 環(huán)境風險評價指標評分與TIR計算

2.2.1 基礎數據監(jiān)測

煤礦銹水從井口涌出,順著溝道流入山間小溪,順勢而下匯入飲用水水源地所在河流,再通過重力或者擴散到達飲用水水源地取水口,引發(fā)環(huán)境風險。因此,在3個煤礦礦井出口,小溪溝沿程50 m、1 km,水源地匯入口上游500 m、匯入口下游1 km和距離水源地取水口上游100 m設立監(jiān)測位點,依據GB 20426—2006《煤炭工業(yè)污染物排放標準》、GB 3838—2002分別監(jiān)測pH、DO濃度、CODMn、BOD及氨氮、總磷、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As、Hg、Se、氟化物、硫化物濃度等指標,連續(xù)監(jiān)測1周,定量分析礦井涌水遷移規(guī)律。

通過定點監(jiān)測數據分析發(fā)現,煤礦銹水從礦井口涌出時呈強酸性,部分特征污染物如Fe、Zn、Mn超標。煤礦銹水在遷移過程中,經過山間溪流稀釋、土地消納和微生物降解等綜合作用,污染物濃度得到大幅降低,在匯入飲用水水源地所在河流時水質已達GB 3838—2002中Ⅲ類標準。

2.2.2 各指標環(huán)境風險指數

按照式(1)分別計算12個指標的環(huán)境風險指數,最后計算得到3個礦井的TIR,結果如表4所示。

表4 3個礦井環(huán)境風險指數計算結果Table 4 Calculated results environmental risk indexes of three mines

2.2.3 各煤礦TIR

根據各評價指標值及權重的計算結果,3個煤礦TIR分別為0.504 2、0.494 4和0.288 9。對應的環(huán)境風險分級分別是一般、一般和較低。

2.3 環(huán)境風險評價結果分析

以GB 20426—2006中排放限值作為評價標準,結合監(jiān)測數據可知,3個案例礦井的煤礦銹水均呈強酸性,pH為2~5,特征污染物為Fe、Zn、Mn、Cd和氟化物；煤礦銹水Fe濃度超標較嚴重,3個礦井煤礦銹水最大超標倍數分別為437、138和119倍；此外,煤礦銹水Zn、Cd濃度也超標,其中Zn的最大超標倍數高達38倍。單從水質監(jiān)測結果判斷,煤礦銹水呈強酸性,且Fe超標嚴重,可能存在一定的環(huán)境風險。對2013—2019年飲用水水源地取水口斷面水質例行監(jiān)測數據進行統(tǒng)計分析,結果表明,飲用水水源地近7年水質穩(wěn)定,可穩(wěn)定達到GB 3838—2002中Ⅱ類水質標準,特征污染物能穩(wěn)定達到Ⅰ類水質標準,水源地水質達標率為100%。

從風險源來看,廢棄煤礦1和廢棄煤礦2煤礦銹水呈強酸性,且水質部分指標超標倍數較高,對TIR貢獻較高；從遷移通道來看,2個廢棄煤礦距離飲用水水源地均較遠,煤礦銹水順河道經過長距離遷移,經過山間溪流稀釋、土地消納、微生物降解等綜合作用,污染物濃度大幅降低,在匯入水源地所在河流時水質已達GB 3838—2002中Ⅲ類；從風險受體來看,飲用水水源地水質長期達標,水質較好,環(huán)境容量大?？梢?2個廢棄煤礦TIR評價結果為一般。

相比于廢棄煤礦1和廢棄煤礦2,暫時停產煤礦水質超標倍數低。從遷移通道來看,暫時停產煤礦距離飲用水水源地較遠,從小河溝先匯入B河流,B河流再經過數km匯入水源地入流河流,匯入水源地時水質已達到GB 3838—2002Ⅲ類標準,不影響飲用水水源地水質。此外,煤礦銹水混入的小溪溝與飲用水水源地所在河流的匯入口位于飲用水水源地取水口下游,因此遷移通道幾個指標對飲用水水源地的環(huán)境風險值非常小。廢棄煤礦1和廢棄煤礦2無人管理,基本不具備應急管理能力,而暫時停產煤礦具有臨時廢水儲存池,也一直有人值班,具備一定的應急能力。因此,相較2個廢棄煤礦,暫時停產煤礦環(huán)境風險為較低。

3 風險管理對策建議

根據上述環(huán)境風險評價結論,對飲用水水源地周邊有多處煤礦礦井的區(qū)域提出風險管理對策建議:1)強化管理與煤礦銹水治理。按照《煤礦防治水細則》(煤安監(jiān)調查〔2018〕14號)[16]要求,對廢棄煤礦采取有效封堵措施,封堵填實或在井口澆注堅實的鋼筋混凝土蓋板；同時,加強對礦井涌水的水質監(jiān)測,每年不少于2次；從“排、堵、截、治”等方面對煤礦銹水開展治理研究,降低引發(fā)環(huán)境事故的風險。2)開展煤礦銹水遷移河道生態(tài)修復。本研究案例的3個煤礦的煤礦銹水對下游遷移河道有100~2 000 m的影響,但對下游的水源地無影響,因此,建議運用河道生態(tài)修復技術加強對受影響河道的污染治理。3)加強飲用水水源地保護。加強環(huán)境管理,定期開展現場巡查和執(zhí)法檢查,按要求每季度對飲用水水源地進行水質監(jiān)測,逐步開展一次綜合生物毒性監(jiān)測,啟動持久性有機污染物(POPs)、內分泌干擾物等監(jiān)測。4)強化風險預警。煤礦企業(yè)和飲用水水源地取水服務公司要完善應急管理,建立應急管理信息系統(tǒng),開展相關應急技能培訓和演練,做好應急準備。建設較為完善的污染物防控和飲用水源地的風險監(jiān)控預警體系。

4 結論

(1)確定了風險源、風險受體、遷移通道、應急管理4個一級指標,礦井口涌水、水源地的敏感性、排污方式、污染物遷移過程、風險防范及應急能力、風險應急設施6個二級指標和12個三級指標形成的指標體系,采用層次分析法,建立了煤礦銹水對飲用水水源地環(huán)境風險的評價方法,對煤礦銹水對飲用水水源地的環(huán)境風險進行定量評價。

(2)從污染源(煤礦銹水)、污染受體(水源地)水質、煤礦銹水遷移河道水質、綜合整體評價4個方面,評價了3個案例煤礦銹水對飲用水水源地的環(huán)境風險。結果表明,3個煤礦TIR分別為0.504 2、0.494 4和0.288 9,對應的環(huán)境風險分級分別是一般、一般和較低。