评估露天煤矿开采对地表水质量的影响：以奥利凡茨河支流Leeuwfonteinspruit为例

《Water》：Assessing the Effects of Opencast Coal Mining on the Quality of Surface Water: A Case Study in the Leeuwfonteinspruit, a Tributary of the Olifants River

　　

摘要

评估露天煤矿开采对地表水的影响通常较为复杂，需要采用综合方法，将基于指南的评估、水质指数（WQI）、水化学工具和统计分析相结合。本研究评估了南非普马兰加省奥利凡茨河流域Leeuwfonteinspruit支流沿线五个监测点2018–2023年的多年水质数据。研究人员将水质参数与南非水质指南（SAWQGs）中关于生活、农业和水生生态系统用水的标准进行了比对。结果表明，多个关键参数频繁超出SAWQGs限值，包括硫酸盐（SO₄）、电导率（EC）、总溶解固体（TDS）、镁（Mg）、钙（Ca）、铁（Fe）、铝（Al）和锰（Mn），尤其是在下游监测点。加权算术水质指数（WA-WQI）和加拿大环境部长理事会水质指数（CCME-WQI）将水质从部分上游监测点的“良好”分级至下游监测点持续“较差”或“边缘”状态。基于钠吸附比（SAR）、钠百分比（Na%）和美国盐渍土实验室（USSL）图解的灌溉适宜性评估表明，该流域地表水钠危害风险较低，盐度被确定为灌溉适宜性的主要限制因素。使用Gibbs图解的水文地球化学评估表明，上游水化学主要受天然岩石-水相互作用和稀释过程控制，而中游至下游监测点则逐渐呈现出与蒸发-结晶作用和人为影响相一致的特征。主成分分析（PCA）和相关分析进一步表明，水质格局主要与盐度和矿化作用相关，可能受采矿活动影响，农业输入为次要贡献来源。总体而言，研究结果表明，露天煤矿开采是导致Leeuwfonteinspruit地表水质量退化的的重要因素，尽管流域内其他活动和天然地球化学过程亦可能有所贡献。上述发现凸显了加强监测、实施前瞻性矿水管理以及有效监管执法的必要性。

**《Water》论文解读：露天煤矿开采对地表水质量的影响——以奥利凡茨河支流Leeuwfonteinspruit为例**

**1. 研究背景与科学问题**

煤炭在全球能源结构中仍占据主导地位，支撑着基础设施建设和经济发展，然而煤炭开采和加工过程对环境造成了显著负面影响，包括栖息地破坏、水资源污染和土壤侵蚀。尽管已有大量研究探讨了煤矿开采对水资源的影响，但多数研究聚焦于大型河流、水库和区域流域，对直接接受采矿输入的较小支流的关注相对不足。小型支流因稀释能力有限、水文响应迅速且靠近污染源而尤为脆弱，往往是采矿衍生污染物的首要受体，也是污染物向下游传输的重要通道。

南非严重依赖煤炭满足其经济发展和能源安全需求，普马兰加省承载了全国80%的煤矿，位于奥利凡茨河流域的高地（Highveld）和威特班克（Witbank）煤田是全国最大的活跃采煤区。尽管奥利凡茨河煤矿开采影响已有充分记录，但关于露天开采如何影响直接汇入奥利凡茨河的小型支流（如Leeuwfonteinspruit）的研究明显不足。该研究旨在填补这一空白，通过对Leeuwfonteinspruit开展综合评估，揭示露天煤矿开采对地表水质量的影响，为保护下游用水者和生态系统完整性提供科学依据。研究的具体目标包括：（1）确定该溪流当前的水质状况，（2）分析各监测点的时空变化趋势，（3）调查潜在的污染来源和途径，（4）评估下游用水适宜性，（5）制定管理和减缓策略以保护下游用水者。该论文发表于《Water》期刊。

**2. 主要技术方法**

研究人员采用了多方法集成的研究框架。研究区域位于南非普马兰加省，属于奥利凡茨河上游B11B四级流域。数据来源为2018–2023年期间五个地表水监测点的月度历史监测数据，其中Site 1位于采矿区上游，Site 5位于下游，Sites 2–4为汇入Leeuwfonteinspruit的支流监测点。主要技术方法包括：（1）基于南非水质指南（SAWQGs）的参数比对评估；（2）加权算术水质指数（WA-WQI）和加拿大环境部长理事会水质指数（CCME-WQI）；（3）钠吸附比（SAR）、钠百分比（Na%）及美国盐渍土实验室（USSL）图解，用于灌溉适宜性评价；（4）Gibbs图解以识别控制水化学的天然地球化学过程；（5）顺序Mann–Kendall（SMK）检验用于时间趋势和突变点检测；（6）主成分分析（PCA）和相关分析用于识别污染源和参数间关联。

**3. 主要研究结果**

**3.1 水化学特征**

水化学分析表明，总溶解固体（TDS）浓度范围为182.50至690.50 mg/L，下游Site 5从2018年的249.00 mg/L持续上升至2023年的690.50 mg/L，呈现明显的累积趋势。电导率（EC）变化趋势与TDS高度一致，Site 4从2018年的28.18 mS/m上升至2023年的95.21 mS/m。pH值整体保持中性，各监测点均符合生活用水和灌溉用水标准。硫酸盐（SO₄）在下游Site 5于2020、2021和2023年超出生活用水指南限值（200 mg/L）。钙（Ca）、镁（Mg）浓度在多个监测点超过生活用水限值，铁（Fe）、铝（Al）、锰（Mn）等金属在所有监测点普遍超出生活用水及水生生态系统指南限值。

**3.2 水质指数评价**

WA-WQI评估显示，Site 1记录的良好至优质水质样本频率最高，而Site 3出现最高频率的“不宜使用”水质事件，Site 5则具有33个样本处于“较差”和“极差”类别，反映了下游累积污染效应。CCME-WQI结果表明，2018年部分监测点水质为“良好”，2019–2021年间所有监测点水质普遍退化，2022年出现短暂改善，但2023年多数监测点恢复至“边缘”状态，Site 4急剧退化为“较差”（WQI=35.55）。

**3.3 灌溉适宜性**

SAR值在所有监测点均低于10，表明钠危害风险较低。Na%分析显示多数样本处于“良好”类别，Site 3出现最高变异性（22–66%）。USSL图解表明所有水样均属于S1类（低钠危害），以C2–S1和C3–S1类别为主，说明盐度而非钠积累是灌溉适宜性的主要限制因素。

**3.4 时空趋势**

时间趋势分析显示WA-WQI在2019–2022年间出现恶化高峰，2023年趋于稳定。SMK检验表明Site 4自2020年后在WA-WQI、SAR和Na%方面均呈现统计显著的持续上升趋势，表明该监测点水质和灌溉适宜性持续退化。Gibbs图解揭示上游以岩石-水相互作用为主导，中下游逐渐转变为蒸发-结晶和人为影响特征。

**3.5 主成分分析和相关分析**

PCA分析提取了4–6个特征值大于1的主成分，解释80.8%–83.8%的方差。TDS、EC、SO₄、Na、Mg、Ca和硬度参数在第一主成分上高度关联，表明盐度和矿化过程是控制水质的主要因素。相关分析显示TDS与EC（r=0.98）、Mg（r=0.96）、Ca（r=0.96）呈强正相关，而pH与Fe（r=-0.50）和Al（r=-0.56）呈负相关，反映了酸性条件下金属溶解度的增加。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，水质退化的空间格局呈现从上游以地质来源控制为主向下游人为影响增强的过渡特征。Site 3和Site 4位于研究区上游却出现水质退化，表明农业活动、其他采矿活动和天然地球化学过程也共同影响水质格局。2019–2022年间水质明显恶化与采矿活动加强和水文变异性一致，2022–2023年出现部分但不稳定的恢复。

研究结论指出，露天煤矿开采是导致Leeuwfonteinspruit地表水质量恶化的重要因素。下游Site 5的TDS、EC、SO₄、Ca、Mg及多种金属浓度持续升高，结合较差至边缘的水质指数分级，表明存在显著的人为影响和潜在的采矿影响排水贡献。尽管多数参数符合牲畜饮水指南，但频繁超出生活用水、水生生态系统和灌溉指南限值，对下游用水者和生态系统健康构成潜在风险。灌溉评估表明钠危害风险低，但盐度是主要限制因素。研究建议采取针对性关键污染物管理、污染源和途径控制、雨水和矿水分离管理、高风险期适应性监测、保护脆弱下游用水者、加强监管执法、渐进式生态恢复和综合流域管理等策略，以减缓采矿对水资源的负面影响并保护下游用水安全。