Water quality analysis and pollution evaluation of the main rivers in the Tongling mining area

doi:10.13745/j.esf.sf.2020.10.1

Abstract

Abstract:

The Tongling mining area is an important copper and iron resource base in the lower reaches of the Yangtze River and also a typical sulphur-containing polymetallic mining area, where acid mine drainage is an unavoidable environmental problem affecting especially surface water. Here, we studied the main rivers in the Tongling mining area. Through field investigation and laboratory analysis, the water quality status, in terms physical and chemical properties, acid mine drainage, and heavy metal elements, was evaluated; and the pollution status was assessed using the Nemerow water quality index method. The results show: (1) Organic waste and mine acid drainage were the primary source of river pollution, followed by heavy metals. (2) According to the comprehensive pollution index, 93.48% of the 46 river sections were polluted with the following water quality grades: 4.35% seriously polluted, 13.04% heavily polluted, 65.22% polluted, and 10.87% lightly polluted. Only 6.52% of the river sections had good quality clean water. (3) The three most polluted rivers, ranked by pollution index, were Xinqiao River, Shun’an River, and Red Star River, all, except the Shun’an River, were polluted by acid mine dranage. Hence, we should pay more attention to the pollution mechanism and risk assessment of acid mine drainage and strengthen water environmental protection and restoration in the mining area.

Key words: sulfur-containing polymetallic mining area, river water quality, acid mine drainage, Tongling, the Yangtze River downstream

CLC Number:

X824
X131.2

WANG Chunguang, LIU Junxing, GENG Hao, JIA Han, YIN Xianyang, CHI Haoxuan. Water quality analysis and pollution evaluation of the main rivers in the Tongling mining area[J]. Earth Science Frontiers, 2021, 28(4): 175-183.

Figures/Tables 8

Fig.1 River map and distribution of sampling sites

Table 1 Methods for water analysis. Adapted from [10].

分析指标	分析方法
pH	玻璃电极法
COD	酸性高锰酸盐氧化法
TP	氯化亚锡还原分光光度法
NH₃-N	纳氏试剂比色法
$SO 4 2 -$	重量法
Fe²⁺	二氮杂菲分光光度法
Cu、Pb、Zn	电感耦合等离子体原子发射光谱法
As	原子荧光光度法
Hg	冷原子吸收分光光度法

Table 1 Methods for water analysis. Adapted from [10].

分析指标	分析方法
pH	玻璃电极法
COD	酸性高锰酸盐氧化法
TP	氯化亚锡还原分光光度法
NH₃-N	纳氏试剂比色法
$SO 4 2 -$	重量法
Fe²⁺	二氮杂菲分光光度法
Cu、Pb、Zn	电感耦合等离子体原子发射光谱法
As	原子荧光光度法
Hg	冷原子吸收分光光度法

Table 2 Results of water quality analysis of the three most polluted rivers

河流名称		组分相关参数	pH	各组分质量浓度ρ_B/(mg·L^-1)
河流名称		组分相关参数	pH	COD	TP	NH₃-N	$SO 4 2 -$	Fe²⁺	Cu	Pb	Zn	As	Hg
红星河	最大值		8.06	4.34	0.84	0.18	1 140.00	0.49	0.02	0.002	0.02	0.01	0.000 4
	最小值		7.31	1.22	0.17		165.70	0.05	0.000 1	0.000 2	0.000 5	0.001 1	0.000 1
	平均值		7.82	2.38	0.39	0.10	306.34	0.15	0.00	0.000 8	0.005 8	0.003 5	0.000 3
	中值		7.84	2.02	0.27	0.11	250.90	0.09	0.00	0.000 7	0.003 9	0.003 4	0.000 3
	标准差SD		0.23	0.95	0.22	0.04	246.05	0.13	0.00	0.000 4	0.005 7	0.001 9	0.000 1
	变异系数CV		3.1%	41.4%	58.8%	55.3%	83.6%	92.8%	94.9%	54.3%	101.5%	58.2%	27.3%
新桥河	最大值		8.20	5.42	0.81	2.06	754.20	0.28	0.05	0.001	0.03	0.001	0.001
	最小值		7.53	0.37	0.12	0.03	67.66	0.03	0.002	0.000 5	0.001 9	0.000 3	0.000 2
	平均值		7.90	2.01	0.37	0.27	204.92	0.11	0.01	0.000 9	0.008 9	0.000 8	0.000 4
	中值		8.00	1.59	0.22	0.11	103.90	0.07	0.01	0.000 8	0.006 8	0.000 8	0.000 3
	标准差SD		0.21	1.54	0.23	0.50	192.42	0.07	0.01	0.000 3	0.006 7	0.000 3	0.000 2
	变异系数CV		2.7%	79.2%	64.8%	191.9%	97.2%	66.2%	139.0%	35.0%	78.4%	40.4%	61.7%
顺安河	最大值		8.02	3.66	1.10	0.73	159.00	0.16	0.01	0.001	0.02	0.004	0.001
	最小值		6.16	0.67	0.03	0.02	31.40	0.004 2	0.000 004		0.000 003	0.000 6
	平均值		7.64	2.07	0.32	0.18	106.89	0.09	0.01	0.001	0.004	0.002	0.000 3
	中值		7.81	2.02	0.20	0.09	108.40	0.09	0.01	0.001	0.003	0.001	0.000 3
	标准差SD		0.48	0.73	0.31	0.19	38.86	0.05	0.003	0.000 3	0.005	0.001	0.000 1
	变异系数CV		6.4%	36.2%	100.8%	108.0%	37.4%	54.5%	69.8%	50.5%	114.1%	61.1%	51.8%
地表水Ⅲ类标准值			6~9	20	0.2	1.0	250	0.3	1.0	0.05	1.0	0.05	0.000 1

Table 2 Results of water quality analysis of the three most polluted rivers

河流名称		组分相关参数	pH	各组分质量浓度ρ_B/(mg·L^-1)
河流名称		组分相关参数	pH	COD	TP	NH₃-N	$SO 4 2 -$	Fe²⁺	Cu	Pb	Zn	As	Hg
红星河	最大值		8.06	4.34	0.84	0.18	1 140.00	0.49	0.02	0.002	0.02	0.01	0.000 4
	最小值		7.31	1.22	0.17		165.70	0.05	0.000 1	0.000 2	0.000 5	0.001 1	0.000 1
	平均值		7.82	2.38	0.39	0.10	306.34	0.15	0.00	0.000 8	0.005 8	0.003 5	0.000 3
	中值		7.84	2.02	0.27	0.11	250.90	0.09	0.00	0.000 7	0.003 9	0.003 4	0.000 3
	标准差SD		0.23	0.95	0.22	0.04	246.05	0.13	0.00	0.000 4	0.005 7	0.001 9	0.000 1
	变异系数CV		3.1%	41.4%	58.8%	55.3%	83.6%	92.8%	94.9%	54.3%	101.5%	58.2%	27.3%
新桥河	最大值		8.20	5.42	0.81	2.06	754.20	0.28	0.05	0.001	0.03	0.001	0.001
	最小值		7.53	0.37	0.12	0.03	67.66	0.03	0.002	0.000 5	0.001 9	0.000 3	0.000 2
	平均值		7.90	2.01	0.37	0.27	204.92	0.11	0.01	0.000 9	0.008 9	0.000 8	0.000 4
	中值		8.00	1.59	0.22	0.11	103.90	0.07	0.01	0.000 8	0.006 8	0.000 8	0.000 3
	标准差SD		0.21	1.54	0.23	0.50	192.42	0.07	0.01	0.000 3	0.006 7	0.000 3	0.000 2
	变异系数CV		2.7%	79.2%	64.8%	191.9%	97.2%	66.2%	139.0%	35.0%	78.4%	40.4%	61.7%
顺安河	最大值		8.02	3.66	1.10	0.73	159.00	0.16	0.01	0.001	0.02	0.004	0.001
	最小值		6.16	0.67	0.03	0.02	31.40	0.004 2	0.000 004		0.000 003	0.000 6
	平均值		7.64	2.07	0.32	0.18	106.89	0.09	0.01	0.001	0.004	0.002	0.000 3
	中值		7.81	2.02	0.20	0.09	108.40	0.09	0.01	0.001	0.003	0.001	0.000 3
	标准差SD		0.48	0.73	0.31	0.19	38.86	0.05	0.003	0.000 3	0.005	0.001	0.000 1
	变异系数CV		6.4%	36.2%	100.8%	108.0%	37.4%	54.5%	69.8%	50.5%	114.1%	61.1%	51.8%
地表水Ⅲ类标准值			6~9	20	0.2	1.0	250	0.3	1.0	0.05	1.0	0.05	0.000 1

Table 3 Single factor assessment of each river section

河流名称	采样点	P(COD)	P(TP)	P(NH₃-N)	P( $SO 4 2 -$ )	P(Fe²⁺)	P(Cu)	P(Pb)	P(Zn)	P(As)	P(Hg)
红星河	H01	0.11	1.16	0.12	1.19	0.39	0.006	0.014	0.004	0.03	3.30
	H02	0.10	1.06	0.13	1.00	0.68	0.003	0.012	0.002	0.03	3.56
	H03	0.17	0.86	0.11	1.15	0.29	0.004	0.019	0.006	0.11	3.38
	H04	0.19	1.23	0.07	1.09	0.55	0.004	0.028	0.004	0.12	3.26
	H05	0.13	1.46	0.06	0.84	1.35	0.004	0.019	0.005	0.12	3.22
	H06	0.10	1.03	0.06	0.77	0.27	0.002	0.011	0.002	0.11	3.42
	H07	0.09	1.34	0.11	0.76	0.15	0.007	0.017	0.013	0.08	2.80
	H08	0.08	3.48	0.14	0.73	0.19	0.003	0.011	0.004	0.09	2.30
	H09	0.07	3.14	0.05	0.66	0.30	0.002	0.014	0.004	0.07	1.88
	H10	0.09	2.28	0.17	0.73	0.20	0.001	0.041	0.004	0.03	3.54
	H11	0.06	2.96	0.18	1.13	0.16	0.018	0.012	0.023	0.02	2.22
	H12	0.22	4.20	0.05	1.32	0.39	0.006	0.015	0.005	0.06	2.12
	H13	0.15	0.95	0.00	4.56	1.63	0.000	0.005	0.000	0.02	1.20
新桥河	X01	0.27	0.74	0.18	0.46	0.50	0.006	0.029	0.003	0.02	2.48
	X02	0.22	0.83	0.07	0.27	0.18	0.006	0.013	0.002	0.01	3.82
	X03	0.09	1.12	0.07	0.37	0.73	0.006	0.014	0.006	0.02	3.86
	X04	0.19	0.70	0.07	0.35	0.39	0.008	0.009	0.006	0.01	3.28
	X05	0.16	0.62	0.08	0.31	0.57	0.008	0.022	0.008	0.01	3.58
	X06	0.06	0.86	0.11	0.41	0.10	0.006	0.016	0.016	0.01	3.54
	X07	0.14	0.87	0.12	0.34	0.23	0.005	0.011	0.011	0.01	3.34
	X08	0.06	1.01	0.03	0.29	0.24	0.005	0.015	0.015	0.02	3.30
	X09	0.10	3.25	0.58	0.42	0.16	0.002	0.019	0.004	0.02	1.88
	X10	0.02	2.51	0.16	0.42	0.25	0.003	0.021	0.007	0.03	3.26
	X11	0.04	1.99	2.06	3.02	0.92	0.048	0.026	0.029	0.02	11.65
	X12	0.03	2.85	0.23	0.80	0.17	0.004	0.016	0.008	0.01	5.90
	X13	0.03	3.43	0.05	1.75	0.21	0.005	0.010	0.010	0.02	2.18
	X14	0.02	4.07	0.12	1.65	0.30	0.004	0.015	0.004	0.01	2.52
	X15	0.08	2.63	0.10	1.44	0.33	0.007	0.025	0.004	0.02	8.06
顺安河	S01	0.14	0.17	0.08	0.13	0.31	0.000	0.000	0.000	0.04	0.87
	S02	0.12	0.15	0.02	0.31	0.01	0.000	0.000	0.000	0.08	0.58
	S03	0.12	0.35	0.05	0.27	0.05	0.000	0.000	0.000	0.04	0.00
	S04	0.09	0.71	0.73	0.24	0.54	0.001	0.016	0.001	0.02	2.74
	S05	0.05	0.95	0.55	0.22	0.16	0.001	0.017	0.001	0.01	2.63
	S06	0.03	1.22	0.19	0.46	0.47	0.004	0.012	0.019	0.01	2.36
	S07	0.11	0.69	0.07	0.38	0.49	0.008	0.011	0.010	0.03	2.15
	S08	0.08	3.25	0.28	0.37	0.26	0.002	0.014	0.008	0.04	2.66
	S09	0.09	5.38	0.07	0.29	0.30	0.008	0.012	0.004	0.03	2.08
	S10	0.06	2.59	0.20	0.61	0.33	0.005	0.010	0.003	0.09	2.86
	S11	0.12	5.49	0.08	0.55	0.16	0.010	0.011	0.005	0.02	3.60
	S12	0.09	1.14	0.07	0.64	0.49	0.007	0.009	0.002	0.02	3.46
	S13	0.16	0.99	0.04	0.61	0.15	0.007	0.016	0.003	0.02	6.50
	S14	0.09	1.30	0.13	0.59	0.25	0.010	0.013	0.002	0.03	3.04
	S15	0.08	1.01	0.10	0.59	0.26	0.007	0.012	0.003	0.02	3.54
	S16	0.13	0.97	0.15	0.41	0.34	0.009	0.012	0.003	0.02	3.60
	S17	0.18	1.06	0.33	0.57	0.15	0.008	0.014	0.007	0.04	3.18
	S18	0.11	1.02	0.04	0.47	0.44	0.004	0.009	0.002	0.03	3.22

Table 3 Single factor assessment of each river section

河流名称	采样点	P(COD)	P(TP)	P(NH₃-N)	P( $SO 4 2 -$ )	P(Fe²⁺)	P(Cu)	P(Pb)	P(Zn)	P(As)	P(Hg)
红星河	H01	0.11	1.16	0.12	1.19	0.39	0.006	0.014	0.004	0.03	3.30
	H02	0.10	1.06	0.13	1.00	0.68	0.003	0.012	0.002	0.03	3.56
	H03	0.17	0.86	0.11	1.15	0.29	0.004	0.019	0.006	0.11	3.38
	H04	0.19	1.23	0.07	1.09	0.55	0.004	0.028	0.004	0.12	3.26
	H05	0.13	1.46	0.06	0.84	1.35	0.004	0.019	0.005	0.12	3.22
	H06	0.10	1.03	0.06	0.77	0.27	0.002	0.011	0.002	0.11	3.42
	H07	0.09	1.34	0.11	0.76	0.15	0.007	0.017	0.013	0.08	2.80
	H08	0.08	3.48	0.14	0.73	0.19	0.003	0.011	0.004	0.09	2.30
	H09	0.07	3.14	0.05	0.66	0.30	0.002	0.014	0.004	0.07	1.88
	H10	0.09	2.28	0.17	0.73	0.20	0.001	0.041	0.004	0.03	3.54
	H11	0.06	2.96	0.18	1.13	0.16	0.018	0.012	0.023	0.02	2.22
	H12	0.22	4.20	0.05	1.32	0.39	0.006	0.015	0.005	0.06	2.12
	H13	0.15	0.95	0.00	4.56	1.63	0.000	0.005	0.000	0.02	1.20
新桥河	X01	0.27	0.74	0.18	0.46	0.50	0.006	0.029	0.003	0.02	2.48
	X02	0.22	0.83	0.07	0.27	0.18	0.006	0.013	0.002	0.01	3.82
	X03	0.09	1.12	0.07	0.37	0.73	0.006	0.014	0.006	0.02	3.86
	X04	0.19	0.70	0.07	0.35	0.39	0.008	0.009	0.006	0.01	3.28
	X05	0.16	0.62	0.08	0.31	0.57	0.008	0.022	0.008	0.01	3.58
	X06	0.06	0.86	0.11	0.41	0.10	0.006	0.016	0.016	0.01	3.54
	X07	0.14	0.87	0.12	0.34	0.23	0.005	0.011	0.011	0.01	3.34
	X08	0.06	1.01	0.03	0.29	0.24	0.005	0.015	0.015	0.02	3.30
	X09	0.10	3.25	0.58	0.42	0.16	0.002	0.019	0.004	0.02	1.88
	X10	0.02	2.51	0.16	0.42	0.25	0.003	0.021	0.007	0.03	3.26
	X11	0.04	1.99	2.06	3.02	0.92	0.048	0.026	0.029	0.02	11.65
	X12	0.03	2.85	0.23	0.80	0.17	0.004	0.016	0.008	0.01	5.90
	X13	0.03	3.43	0.05	1.75	0.21	0.005	0.010	0.010	0.02	2.18
	X14	0.02	4.07	0.12	1.65	0.30	0.004	0.015	0.004	0.01	2.52
	X15	0.08	2.63	0.10	1.44	0.33	0.007	0.025	0.004	0.02	8.06
顺安河	S01	0.14	0.17	0.08	0.13	0.31	0.000	0.000	0.000	0.04	0.87
	S02	0.12	0.15	0.02	0.31	0.01	0.000	0.000	0.000	0.08	0.58
	S03	0.12	0.35	0.05	0.27	0.05	0.000	0.000	0.000	0.04	0.00
	S04	0.09	0.71	0.73	0.24	0.54	0.001	0.016	0.001	0.02	2.74
	S05	0.05	0.95	0.55	0.22	0.16	0.001	0.017	0.001	0.01	2.63
	S06	0.03	1.22	0.19	0.46	0.47	0.004	0.012	0.019	0.01	2.36
	S07	0.11	0.69	0.07	0.38	0.49	0.008	0.011	0.010	0.03	2.15
	S08	0.08	3.25	0.28	0.37	0.26	0.002	0.014	0.008	0.04	2.66
	S09	0.09	5.38	0.07	0.29	0.30	0.008	0.012	0.004	0.03	2.08
	S10	0.06	2.59	0.20	0.61	0.33	0.005	0.010	0.003	0.09	2.86
	S11	0.12	5.49	0.08	0.55	0.16	0.010	0.011	0.005	0.02	3.60
	S12	0.09	1.14	0.07	0.64	0.49	0.007	0.009	0.002	0.02	3.46
	S13	0.16	0.99	0.04	0.61	0.15	0.007	0.016	0.003	0.02	6.50
	S14	0.09	1.30	0.13	0.59	0.25	0.010	0.013	0.002	0.03	3.04
	S15	0.08	1.01	0.10	0.59	0.26	0.007	0.012	0.003	0.02	3.54
	S16	0.13	0.97	0.15	0.41	0.34	0.009	0.012	0.003	0.02	3.60
	S17	0.18	1.06	0.33	0.57	0.15	0.008	0.014	0.007	0.04	3.18
	S18	0.11	1.02	0.04	0.47	0.44	0.004	0.009	0.002	0.03	3.22

Table 4 Grading standard for water quality classification. Adapted from [31].

综合污染指数	水质等级
<1	清洁
1~<2	轻污染
2~<3	污染
3~5	重污染
>5	严重污染

Fig.2 Nemerow pollution indexes for selected sections of the three most polluted rivers

Fig.3 Water quality grades for rivers in the Tongling mining area

Fig.4 Distribution of sampling sites and water quality conditions in rivers of the study area

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