趙莊坑口電廠南北溝貯灰場對水環境影響及防治措施

韓素麗

(山西省水利水電科學研究院,山西太原 030002)

1 南北溝貯灰場基本情況

山西晉城煤業集團趙莊坑口電廠南北溝貯灰場位于長子縣南陳鄉團城村西南,地處距趙莊井田西北角約 800 m,地貌上屬低山區,沖溝為“U”字型南北兩溝,壩址選在兩溝交匯部位,總的地形西高東低,最高海拔 1 106m,最低 1 001m左右,相對高差 105m左右。溝內無人居住,沒有耕地,無文物古跡和任何礦藏,也不存在壓煤問題。南北溝貯灰場 3#煤層埋深大于 600 m,3#煤隔水層厚度大于 130m,巖溶含水層埋深大于 730 m,巖溶水的水位標高 675 m,巖溶水埋深378.6 m。南北溝貯灰場位于辛安泉域范圍內,辛安泉位于長治市的潞城、平順、黎城三縣(市)交界處,于長 16 km的濁漳河河谷出露,泉水出露標高 600～640m,泉水多年平均流量 9.64 m3/s。辛安泉位于一個完整的水文地質單元,具有獨立的補、逕、排系統,即辛安泉巖溶水系統。辛安泉多年平均天然資源量為 8.58 m3/s,可開采資源量為 7.22m3/s。

2 南北溝貯灰場對水環境影響分析

2.1 貯灰場對地下水環境影響因素

2.1.1 降雨特性

主要包括降雨量、降雨強度、降雨歷時、蒸發量、貯灰場附近地形等。

2.1.2 灰渣的滲透性

貯灰場灰渣體的滲透性能是影響入滲水量的一個重要因素,如果灰渣堆體碾壓致密,滲透系數小,入滲水量就少,進入地下含水層中的污染物總量就少。如果灰渣堆積松散,滲透系數大,在其它條件相同時,入滲水量就多,相應的進入含水層中的污染物總量就多。

2.1.3 貯灰場區出露地層的滲透性

主要包括貯灰場各類出露地層的滲透性能、地層對灰水中污染物的吸附性能、地層中地下水的徑流強度以及灰水隨地下水的遷移距離等一系列水文地質和地球化學因素。若不采取任何防滲措施,在降雨條件下,貯灰場灰水下滲會造成辛安泉域巖溶地下水的污染。

2.1.4 貯灰場區地質災害

主要包括滑坡、地裂縫、泥石流、采空區等,這些災害一旦發生,就會影響貯灰場的正常運行,甚至會造成潰壩或垮壩。

2.2 貯灰場灰水下滲對地下水環境影響預測與評價

南北溝貯灰場灰水主要來自兩方面,一是除灰運灰過程中的噴水加濕水,二是貯灰場區的降雨入滲淋溶水和積水浸溶水。

2.2.1 除灰運灰過程噴水加濕水量

采用灰渣分除方案,廠區除灰系統擬采用正壓氣力輸送系統至廠區干灰庫,除部分干灰裝罐車運走綜合利用外,大部分干灰經噴水調濕攪拌均勻后再用汽車運往南北溝貯灰場貯存?；以暮恳话阋笤?15%～30%之間,含水率一般為 14%～18%。

2.2.2 貯灰場灰水產生量預測

1)貯灰場區降雨入滲淋溶水

貯灰場堆灰降水入滲量采用下式計算：

式中：Q降入滲為降水入滲量(萬 m3/a);P為貯灰場區多年平均(1956～2006年)降水量,為 524.6mm;α為降水入滲補給系數,按粉煤灰相當于黃土狀亞粘土考慮,據山西省第二次水資源評價成果,取值 0.116;F為貯灰場堆灰面積,按設計的最大堆灰面積 0.602 km2計算。

按此計算,貯灰場達到一期設計堆灰規模后,堆灰體內年平均降水入滲水量可達到 3.65萬 m3/a,通過灰體表面淋溶和進入灰體長時間的浸溶后形成灰水,可在重力作用下越流下滲補給下層地下水體。

2)降雨積水浸溶水量

南北溝貯灰場所在地區的多年平均徑流深為 70mm。壩以上控制的流域面積 2.32 km2,貯灰范圍面積 60.2 hm2,換算得該貯灰場多年平均徑流量為 16.24萬 m3,貯灰場區多年平均徑流量為 4.21萬 m3。

3)貯灰場灰水產生量

本次評價按遭遇連續性降水、高位截洪溝、貯灰場區排水豎井或排水涵管均出現事故等最不利方案考慮,貯灰場平均產生的降水入滲淋溶灰水和降雨積水浸溶灰水最大產生量為 19.89萬 m3/a。

2.2.3 貯灰場灰水下滲量預測

貯灰場可能產生的灰水包括降雨滲入堆灰中所產生的淋溶灰水及降雨積水所形成的浸溶灰水兩部分,下滲灰水量計算分不防滲狀態和防滲狀態兩種形式。

1)不防滲狀態下

Q滲=F×I×K

式中：Q滲為灰水下滲量(m3/d);F為灰水浸潤面積(m2),按終期最大堆灰面積 60萬m2考慮。其中二疊系上統上石盒子組(P2sh)出露面積為 19萬 m2,新生界第四系出露面積為 41萬 m2。

I為水力坡度,按垂直入滲,I=1;

K為滲透系數,參照省內類似地區不同地層巖性滲透性試驗資料,取值如下：二疊系上統(P2sh)上石盒子組取值2.08×10-6cm/s(0.0 018 m/d),第四系取值 6.68×10-5cm/s(0.0 578 m/d)。

計算結果表明,天然狀態下,貯灰場區所產生的淋、浸溶灰水的日下滲總量為 24 040 m3,其中,砂頁巖裸露區為342m3,第四系黃土淺覆蓋區為 23 698m3。

貯灰場灰水下滲量為貯灰場降水入滲淋溶灰水與降雨積水浸溶灰水總量減去下滲期的灰水蒸發量?；宜舭l量采用下式計算：

Q蒸=F×E×R×10-3

式中：Q蒸為積水蒸發量(m3/d);F為貯灰場積水最大浸潤面積(m2),取 60萬 m2;E為積水期水面蒸發量(mm),取日均蒸發量 5.2 mm;R為 E20蒸發量與 E601蒸發量折算系數 ,取 0.62。

按上述公式計算,南北溝貯灰場所產生浸溶灰水蒸發量為1 934m3/d。

南北溝貯灰場下滲和蒸發消耗的灰水量為 2 5974m3/d,年平均產生的降水入滲淋溶灰水與降雨積水產生的浸溶灰水為 19.89萬 m3/a,累計下滲期約為 7.65 d,其下滲的灰水量最大為 18.4萬 m3/a,下滲的灰水量占年均產生的降雨入滲淋溶灰水與降雨積水產生的浸溶灰水量的 92.5%。結果表明,若不對庫區第四系黃土(Q2)與基巖(P2sh)接觸區行防滲處理,則在貯灰場堆灰至一定高程以上時,約有 92.5%的灰水下滲補給到貯灰場區淺層裂隙水,或沿溝底第四系松散層排入下游松散層孔隙水,對貯灰場區下游淺層地下水的水質將會產生一定影響。

2)防滲條件下

對貯灰場擬定壩址以上的所有基巖裸露區進行防滲工程處理,主要包括對溝底、臺地采用粘土夾土工膜鋪墊碾壓,坡面采用噴漿或掛網噴漿等。

Q滲=F×I×K

式中：Q滲為灰水下滲量(m3/d);F為灰水浸潤面積(m2),取 60萬 m2;I為水力坡度,垂直入滲,取 I=1;K為滲透系數,經綜合考慮取值為 1.0×10-7cm/s。

經計算,在防滲工程實施條件下,貯灰場區所產生的淋、浸溶灰水的日下滲總量為 51.8m3,這樣,貯灰場日下滲和蒸發的灰水總量約為 1985.8 m3,年平均產生的降水入滲淋溶灰水與降雨積水產生的浸溶灰水量為 19.89萬 m3/a計,累計下滲期約為 100.16 d,其下滲的灰水總量約為 5183m3/a,僅占淋浸溶灰水總量的 2.6%。

2.2.4 灰水下滲對貯灰場下游區松散層孔隙水水質影響預測

貯灰場下游區松散層孔隙水補給來源主要為大氣降水入滲補給。

(1)降水入滲補給量

Q降補=P×α×F×10-1

式中：Q降補為降水入滲補給量(萬 m3/a);P為評價區多年平均(1956～2006年)降水量,為 524.6mm;α為降水入滲補給系數：評價區飽氣帶及含水層巖性以亞砂土為主,地下水埋深 4.9m左右,參考山西省第二次水資源評價成果,取值 α=0.16;F為評價區面積(km2),為 1.5 km2。

按此計算,評價區松散層孔隙水年平均降水入滲補給量為 12.6萬 m3/a。

2)水質影響分析計算

評價區松散層孔隙水水質影響分析計算采用下列預測模式進行。

式中：Cmax為灰水入滲孔隙水中污染物最大濃度(mg/L);Ce為孔隙水中污染物現狀濃度(mg/L);ΔQw為可能滲入地下水的最大灰水量,萬 m3/a,不防滲條件下,下滲漏量最大為 18.4萬 m3/a;防滲條件下,下滲漏量為 5 183 m3/a;Q為灰水滲漏補給區(評價區)松散層地下水資源量,采用上述計算值 12.6萬 m3/a;Cw為滲漏補給孔隙水的灰水污染物濃度(mg/L)。

外排灰水滲漏補給松散層地下水后,不防滲與防滲兩種不同條件下,地下水主要污染物預測因子濃度變化分析計算結果見表 1。

表1 松散層孔隙水水質變化預測表 mg/L(除 pH外)

由此可見,對該貯灰場采取嚴格的防滲措施是十分必要的。

2.2.5 灰水外排對灰壩下游區松散層孔隙水影響分析

灰水排出貯灰場后,用漿砌石明渠導出。灰水未經處理直接排放,照樣會污染貯灰場下游松散層孔隙水,只不過是滲漏地點發生變化而已,也就是說貯灰場防滲將失去意義。因此,貯灰場建設中必須配套建設壩下外排灰水的回收利用系統。

2.2.6 南北溝貯灰場運行后對團城村用水的影響分析

粉煤灰的堆積會對南北溝淺層地下水產生一定的影響,且會直接影響團城村的人畜飲水水源,因此,團城村的人畜飲水由業主單位負責解決,以保證團城村的人畜飲水安全。

3 貯灰場對水環境污染防治措施

從辛安泉域地下水資源可持續開發利用的角度出發,必須采取科學、嚴格防滲處理工程措施,才能確保辛安泉域地下水不受污染。

3.1 加強灰渣綜合利用

為減小貯灰場對辛安泉域巖溶地下水產生的影響,必須加強對灰渣的綜合利用。粉煤灰燒結磚比普通粘土磚輕20%左右,但建筑強度不變,具有較好的市場前景。粉煤灰加氣混凝土是一種良好的墻體材料,絕熱性能好,質量輕又具有一定強度。近年來山西省內修路較多,灰渣可以作為路基填土利用。粉煤灰還可用于生產粉煤灰陶土,該陶土具有質輕、強度高、熱導率低,化學穩定等優點。

3.2 加強貯灰場排水系統與灰水回收利用系統建設

為防止貯灰場內的灰水未經處理直接排入濁漳南源河支流蘇里河,對辛安泉域水環境產生影響,必須配套建設壩下外排灰水的回收利用工程,在初期壩下的消力池后修建貯灰場排水沉淀、回收水池和回收管道,收集后的灰水用于貯灰場噴灑。

3.3 加強貯灰場的運行管理

為搞好貯灰場管理,防治環境污染,貯灰場需設置有專職管理站,配備專職人員管理,以加強對貯灰場環境的綜合治理。當貯灰場運行到最終堆灰高度時要及時覆土,覆土后,在山間形成人造平原。這樣既可以造田還民,發展農業,也可以種草植樹,進行綠化,改善生態環境。

3.4 加強區域地下水環境監測工作

貯灰場投入運行后,可能會使區域地下水環境狀況發生變化。為了及時掌握貯灰場運行后下游地下水的水質動態變化特征,項目建設單位必須對貯灰場區壩下 500 m處打一地下水觀測孔,開展當地水環境的監測工作,為當地水行政主管部門及時提供監測資料,以滿足區域環境與社會經濟持續協調發展和清潔生產的要求。定期檢查、維護貯灰場防滲工程,發現防滲功能下降,應及時采取必要措施。

4 結論及建議

加強貯灰場建設與管理,嚴格按照要求,做好貯灰場的防滲處理工作,加強施工的管理與監督,嚴格控制工程質量。貯灰場投入使用后,采用合理的碾壓遍數和最優含水量,雨季要重點檢查排水設施是否暢通、壩坡是否穩定。同時要加強水環境的監測管理,并應及時將監測成果上報水行政主管部門,建議在南北溝貯灰場區設置攔洪壩,并在四周設置截洪溝。