《Environmental Research》：Impact of coal mining activities on the water quality: A case study of Jharia Coalfield, Dhanbad, India
编辑推荐：
Jharia煤矿区地下水及地表水质量受煤开采影响严重，采集15个点位水样分析发现TDS、硬度、BOD均超WHO标准，铝、镉重金属全面超标，铬、镍接近临界值。污染源主因煤洗选厂排放、岩石风化及酸性矿井水。需加强监测与修复以平衡能源安全与环境健康。
阿洛克·库马尔（Alok Kumar）| 苏拉布·罗伊·乔杜里（Sourabh Roy Chowdhury）| 希瓦纳什·斯里瓦斯塔瓦（Shivansh Srivastava）| 舒比·阿格拉哈里（Shubhi Agrahari）| 卡利亚尼·库马里（Kalyani Kumari）| 安舒拉·亚达夫（Anshula Yadav）| 阿莎·拉塔·辛格（Asha Lata Singh）| 阿米特·卡尔马卡尔（Amit Karmakar）
印度瓦拉纳西班纳拉斯印度教大学（Banaras Hindu University）科学研究所地质系，邮编221005
摘要
煤炭开采是印度经济增长的重要产业活动，尤其是在贾坎德邦（Jharkhand）的贾里亚煤田（Jharia Coalfield）地区。然而，这种活动对环境的影响，尤其是对地下水和地表水质量的影响，仍然是一个严重的问题。在这项研究中，我们对从15个地点采集的水样进行了水文地球化学分析，这些地点包括活跃的煤矿、洗煤厂、废石堆以及达莫达尔河（Damodar River）。我们评估了各种物理化学参数、主要阳离子、阴离子以及重金属/有毒金属的含量。结果显示，除了达莫达尔河的水样外，所有样本中的总溶解固体（TDS）含量均有所增加，13个样本的硬度超标，10个样本的生化需氧量（BOD）也超过了世界卫生组织（WHO）规定的允许限值。这使得这些水不适合直接饮用。检测到铝和镉的污染（所有样本均超过了WHO的允许限值），而铬和镍的含量略微超过了安全限值。吉布斯图（Gibbs diagrams）和相关矩阵分析表明，岩石风化、洗煤厂排放物以及酸性矿井排水是影响水质的主要因素。上述结果强调了持续监测和治理技术的必要性，同时也凸显了采矿区水质显著下降的问题。这一全面评估进一步强调了在煤炭开采区域监测水质的紧迫性，突出了能源安全与环境健康之间的平衡。
引言
地下水是地球淡水储备的重要组成部分，对社会经济发展和日常生活起着重要作用（Hiscock, 2011）。全球约三分之一的人口依赖地下水作为饮用水来源（Boretti and Rosa, 2019）。然而，自工业化以来，这一自然资源受到了农业、灌溉、采矿活动以及城市化等多种因素的影响（Lu et al., 2022; Gopinathan et al., 2022）。采矿作业严重破坏了水质，导致了酸性矿井排水、重金属渗漏、侵蚀、沉积物堆积以及工业活动产生的化学物质流失等问题（Radhapyari et al., 2022）。以往商业运营商对煤炭资源的无节制开采导致了煤田的大规模退化，引发了基础设施的混乱发展、绿地的减少以及广泛的生态和环境不稳定（Gao et al., 2019; Saini et al., 2015）。采矿活动会释放黄铁矿（pyrite），黄铁矿与水和空气反应会产生硫酸，从而导致酸性矿井排水（Masindi et al., 2022; Dutta et al., 2020; Ojonimi et al., 2019; Gopinathan, et al., 2022a）。酸性矿井排水会显著降低水体的pH值，使其变得不适合饮用和农业用途（Mosai et al., 2024; Anekwe and Isa, 2023）。大规模采矿通常需要排水，这会导致地下水位下降，使当地井水枯竭，从而影响农业和家庭用水。采矿还会增加水中的盐分含量，因为煤炭和岩石中的矿物质会溶解在水中（Rao et al., 2022; Chen et al., 2021; Wang et al., 2021; Rinder et al., 2020; Nath et al., 2023）。盐分升高会影响作物产量、土壤健康以及水的适饮性。采矿活动还会增加水中的悬浮固体和颗粒物含量，使地下水变得浑浊，从而影响其饮用、家庭和工业用途（Gopinathan, et al., 2022b）。受污染的水进入河流和溪流后还会危害水生生态系统（Bashir et al., 2020）。重金属和酸性水会影响鱼类种群和水生植物，导致生态失衡（Briffa et al., 2020; Gopinathan et al., 2024）。地下水污染还直接威胁当地社区的健康（Briffa et al., 2020）。饮用受污染的水可能导致霍乱、伤寒、甲型肝炎、痢疾、癌症、皮肤问题以及各种慢性健康问题（Mitra et al., 2022）。
位于印度贾坎德邦的贾里亚煤田已经开采了一个多世纪，该地区自那时起经历了严重的资源开发。贾里亚煤田的土地、空气和土壤受到了严重破坏，早在1916年就发生了煤矿火灾（Singh, 2013; Gopinathan et al., 2023）。大规模的采矿活动对地下水质量造成了显著影响。采矿活动破坏了地质结构，导致金属渗入地下水，其浓度常常超过安全饮用限值（Prasad et al., 2014; Singh et al., 2012）。由于采矿作业，镉、砷、铅和汞等重金属经常渗入地下水（Haghighizadeh et al., 2024）。这些有毒金属在高浓度下会对当地居民的健康构成严重威胁。贾里亚煤田地区常见的煤层内火灾会释放热量，改变地下水的热状态，造成热污染（Saini et al., 2016）。尽管贾里亚煤田有着悠久的采矿历史，但对主要离子、重金属和健康风险的综合水文地球化学评估仍然有限。此外，洗煤厂废水与酸性矿井排水对地下水污染的具体贡献也尚未得到充分研究。因此，本研究旨在：（1）描述采矿区和洗煤厂所在地地下水污染的空间变化；（2）利用地球化学特征和多变量统计方法识别主要污染源；（3）评估接触有毒金属对人类健康的危害。我们的发现为印度污染最严重的煤田之一提供了科学依据，有助于有针对性的治理和水资源管理。
研究区域
水样采集自贾坎德邦（Jharkhand）巴哈拉焦煤有限公司（Bharat Coking Coal Limited）旗下的多个煤矿，包括Bhowra煤矿、Lodhna煤矿、Bagdigi煤矿、Jairampur煤矿、Barari煤矿、Sudamdih煤矿、Bhojudih煤矿、Bastacolla煤矿、Jamadoba洗煤厂、Digwadih煤矿、Digwadih煤矿-1、Bhelatand洗煤厂、6号和7号矿井、Jamadoba煤矿以及达莫达尔河。共采集了15个水样（图1）。
采样
水样采集过程
水文地球化学特征
为了评估水质是否适合饮用，测量了多种物理化学参数，如pH值、电导率（EC）、总溶解固体（TDS）和硬度。分析样本的pH值在7.20到8.44之间，平均值为7.82（表1；图2），表明所有地点的水质大多呈中性或微碱性（WHO, 2011）。Jairampur煤矿的pH值最高（8.44），这可能是由于矿井排水中的碱性物质所致。所有地点的温度保持一致。结论
贾里亚煤田的地下水和地表水质量受到严重污染，存在明显的空间异质性。主要的自然因素包括碳酸盐和硅酸盐矿物的化学风化以及黄铁矿的氧化，导致酸性矿井排水并伴随金属迁移。蒸发浓缩作用进一步加剧了溶质浓度。人为因素方面，洗煤厂排放的碱性废水是造成污染的主要来源。
作者贡献声明
希瓦纳什·斯里瓦斯塔瓦（Shivansh Srivastava）：撰写 – 审稿与编辑。舒比·阿格拉哈里（Shubhi Agrahari）：撰写 – 审稿与编辑。阿洛克·库马尔（Alok Kumar）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、概念构思。苏拉布·罗伊·乔杜里（Sourabh Roy Chowdhury）：撰写 – 审稿与编辑。阿米特·卡尔马卡尔（AMIT KARMAKAR）：撰写 – 审稿与编辑。阿莎·拉塔·辛格（Asha Lata Singh）：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计、数据分析、正式分析、概念构思。卡利亚尼·库马里（Kalyani Kumari）：正式分析、数据整理。安舒拉·亚达夫（Anshula Yadav）：数据收集、正式分析未引用参考文献
Bahar and Reza, 2010; Bai et al., 2024; Bulbul Ali and Mishra, 2022; Guo et al., 2019; Kozisek, 2020; Rambabu et al., 2020; Santana et al., 2020; Worlanyo and Jiangfeng, 2021.声明与披露
所有作者均已审阅了手稿，手稿中的内容尚未在其他地方发表或正在审稿中。
利益冲突声明
所有作者声明没有利益冲突，也没有需要披露的财务或非财务利益。
资助情况
作者声明在撰写本手稿过程中未收到任何资金或资助。
致谢
作者感谢瓦拉纳西班纳拉斯印度教大学（BHU）植物学系提供的实验设施。
