西南巖溶區礦山與水污染問題探討及建議

覃政教, 林玉石, 袁道先, 潘勇邦, 王明章

1)中國地質科學院巖溶地質研究所, 廣西桂林 541004;2)國土資源部巖溶動力學重點實驗室, 廣西桂林 541004;3)廣西地質勘查總院, 廣西南寧 530023;4)貴州省地質礦產勘察開發局, 貴州貴陽 550004

西南巖溶區礦山與水污染問題探討及建議

覃政教1,2), 林玉石1,2), 袁道先1,2), 潘勇邦3), 王明章4)

1)中國地質科學院巖溶地質研究所, 廣西桂林 541004;2)國土資源部巖溶動力學重點實驗室, 廣西桂林 541004;3)廣西地質勘查總院, 廣西南寧 530023;4)貴州省地質礦產勘察開發局, 貴州貴陽 550004

我國西南石山連片分布的巖溶區, 總面積約100萬km2, 其中裸露巖溶區面積約62萬km2, 這里雖然年降水量在1000 mm以上, 但由于巖溶強烈發育, 降水很快轉化為地下徑流, 通過眾多巖溶地下河排入位于深切峽谷的大江大河里。該區地形西高東低, 西部為云貴高原, 東部為低山丘陵區, 中部是過渡的斜坡地帶。云貴高原處于生態屏障區, 是長江和珠江的分水嶺。該區礦產資源豐富, 如貴州的煤礦、稀有金屬、磷礦等; 廣西的有色金屬、錳礦、鋁土礦等。采、選礦產生的尾砂及廢水, 如果處理不當, 會污染地表水和地下水, 北面影響長江流域, 南面影響珠江流域。2008—2010年間, “西南巖溶石山地區重大環境地質問題及對策研究”項目專家組先后幾次對巖溶石山區部分礦產開采點引發的水環境污染問題進行考察, 認為由于不規范、不合理的礦產開發帶來的水環境問題依然比較嚴重, 是影響該地區可持續發展的重大環境地質問題之一。

巖溶石山區; 礦山污染; 水環境; 典型實例

西南巖溶區分布面積廣, 其中裸露巖溶區面積約62×104km2(中國地質調查局, 2003)。該區可溶巖中以泥盆系、二疊系及中下三疊系巖溶最為發育。由于氣候濕熱, 降水充沛, 巖溶水循環交替作用強烈, 溶孔、溶隙、溶洞及暗河水系十分發育, 巖溶地下水資源豐富(蔣忠誠等, 2006)。

由于地質構造不同, 巖溶地質環境和水文生態特征具有區域相似性和差異性。新生代大幅度抬升造成巖溶水、土空間格局呈雙層結構即“土在樓上、水在樓下”的基本國土資源格局(袁道先等, 2008),其基本特征是土壤貧瘠、水易漏失, 生態環境脆弱。由于土少地薄, 水土流失, 農業生產多為“廣種薄收”, 為了生存, 或所謂發展, 有些地方就以犧牲環境為代價來謀取生產生活資料。在不具備環保條件、無完善的配套措施情況下, 大量進行礦產資源的開發而導致非常嚴重的環境問題, 部分地方的水環境惡化就是其中之一。

1 礦業廢水對環境的污染特征

過去的二十多年來, 許多學者在不斷地開展由于采礦所帶來的環境污染問題及防治對策的研究,如於方等(2004)“中國礦產業的廢水污染現狀分析與防治對策”; 周永章等(2005)“河流對礦山及礦山開發的水環境地球化學響應——以廣西刁江水系為例”; 類似的文獻還很多, 說明許多年來礦山開采引發的環境污染問題已廣泛受到重視, 在防治方面也取得顯著成效和成功的經驗。但是, 目前我國的礦產資源綜合利用的水平還相對較低, 某些多金屬礦大量采、選、冶粗放, 既造成資源浪費也造成更多的環境污染及嚴重環境地質問題, 加上歷史舊帳, 治理的速度總趕不上治理污染和保護環境的速度。

以廣西為例(潘勇邦等, 2011), 目前總體來說地下水水質以良好級為主, 其次是優良級水, 較好級水較少, 較差、極差級水呈零星點狀分布于少數工業較發達的縣(市)及重點礦山區。地下水主要超標組分為pH值、鐵、錳、氨氮和亞硝酸鹽氮等, 礦業廢水對環境的污染尤為突出。

根據廣西地質勘查總院收集到的資料(潘勇邦等, 2011)礦業廢水主要包括礦坑水、選礦廢水、堆浸廢水和洗煤水等, 2005年統計全區礦山年產出廢水 40471.86萬 m3, 年排放 18704.17萬 m3, 年治理量27739.29萬m3, 年循環利用量27739.29萬m3, 綜合利用率為 68.54%, 礦業廢水排放量占工業廢水排放量的18.04%。每年排放的礦業廢水絕大多數排入地表河流, 少部分排入消水洞或溶洞中, 成為地表水和地下水的重要污染源。

1.1 礦坑水

廣西礦坑廢水年產出 7548.94萬 m3, 年排放6792.8萬 m3, 年治理 4813.21萬 m3, 年循環利用1319.72萬m3, 綜合利用率17.48%。其中以能源礦山(煤礦)和有色金屬礦山年排放量最多, 分別為2942.5萬m3和2445.9萬m3, 占礦坑年排水總量的43.32%和36.01%。能源礦產的礦坑水排放主要是煤礦的礦坑水, 以富含 F-、SO42-、Fe3+和 Mn 為特征, 并含有Cu、Pb、Zn、As、Cr、Hg等有毒離子以及顆粒物, 該類型水由礦坑抽取直接排放地表, 對周圍生態環境造成了嚴重的破壞, 并給周邊群眾生活飲用水帶來極大困難。

1.2 選礦廢水

廣西選礦廢水年產出 32701.84萬 m3, 年排放11874萬 m3, 年治理 22759.35萬 m3, 年循環利用19634.53萬m3, 綜合利用率60.04%。其中以化工原料非金屬礦山洗礦廢水排放最多, 為8068.15萬m3,約占礦坑年排水總量的67.95%; 其次為有色金屬和黑色金屬礦山, 分別為2084.27萬m3、1480.1萬m3,占礦坑年排水總量的17.55%和12.47%。

金屬類礦山產生的選礦廢水主要含As、Pb、Cd、Hg、Zn、Cr、Mn、Cu及氰化物、懸浮物、鐵、錳等有毒有害物質組分。金屬類礦石入選前經粉碎并按一定比例添加化學藥劑, 因此選礦水顆粒濃度一般可達2585～10000 mg/L, 主要的伴生元素嚴重超標。這些廢水直接排入河道, 懸浮物中較粗顆粒便大量沉淀于平緩處, 淤高河床。而細顆粒則呈凝膠體狀隨水遷移, 這種凝膠體吸附力很強, 可將廢水中有毒元素大量吸附, 使水質惡化。

1.3 堆浸廢水、洗煤水

堆浸廢水、洗煤水年產出分別為 211.07萬 m3和 10.01萬 m3, 年排放分別為 27.36萬 m3和10.01萬m3; 堆浸廢水年治理166.73萬m3, 年循環利用192.58萬m3, 綜合利用率91.24%。堆浸廢水、洗煤水年排放量分別占礦山廢水廢液年排放總量的0.15%、0.05%, 其分別是處理金礦和煤礦時產生,前者主要含有氰化物、As、Pb、Zn、Cu、Cd、Cr6+等有毒有害物質, 其危害與上述的金屬類礦山的洗礦廢水相似; 后者主要含有 F-、SO42-、Fe3+、Mn, 其危害與煤礦的礦坑排水一樣。

1.4 礦業尾礦廢渣對環境的影響

廣西礦業廢渣包括采礦廢石(土)、煤矸石、尾礦、選冶廢渣等。礦業廢渣對環境的污染主要表現為淋濾污染(秦燕等, 2008; 王俊桃等, 2006)。據已有資料,全區約有 1299處礦山存在較突出的廢渣排放污染問題, 其中金屬礦山 555處, 能源(煤)礦山 112處,建材及非金屬類礦山 632處。主要分布于百色、梧州、河池、桂林、崇左、來賓等市。礦山廢砂年排放總量占全年礦山年排放總量 82.10%, 廢渣累計積存量占全區廢渣累計積存總量 85.67%, 以梧州飾面用花崗巖區、河池、百色金屬礦區的廢渣對環境污染最突出。

2 典型的礦山與水污染現狀

據收集的有關資料, 上述問題在西南各省區不同程度存在, 以貴州、廣西尤為突出, 其主要根源之一是黔桂兩省巖溶多為裸露型, 地表地下巖溶均發育, 形成雙重的排水系統, 地表土層防滲能力極弱(嚴明疆等, 2007), 地下水與地表水、降水的關系轉換頻繁, 地下水對水環境極為敏感(馬振民等,2000)。礦山開發產生大量的污水, 在未經處理的情況下隨意排放, 極易造成地表和地下水的污染。

以貴州省為例(王明章等, 2011)。目前貴州全省礦山有5265個。按經濟類型分, 國有礦山203個, 集體企業 276個, 個體4287個, 合資113個, 外商獨資 8個, 其它 378個(表 1)。按生產規模分, 大型31個、中型48個, 小型礦山5186個(表2)。

從表 1可以看出: 在經濟成分上, 省內開采礦山以非國有企業礦山為主(97.97%)。在開采的礦種上, 表2反映出省內2394座煤礦山占了礦山總數的45.47%, 并且大型礦山主要為煤礦山。

調查表明, 除國有大型礦山企業在礦山開采、煤電煤化工企業的生產中建有較系統的礦井水處理系統外, 其余企業對礦井水處理、坑口電站和煤化工廢水的處理均處于非常低級的狀態, 相當部分煤礦山和煤化工企業基本上都將礦坑排水和煤化工生產廢水直接排放, 或簡單處理后直接排放。因此, 一座礦山, 實際上也就成為一個“點狀”的污染源。基于此, 貴州省開采礦山的空間分布, 實質上也就代表了礦山污染源的空間分布(圖1、圖2)。

根據煤礦勘探資料統計分析, 由于成煤環境控制, 貴州煤炭中含硫量總體較高, 具有從西向東含硫量逐漸升高的趨勢, 特別是黔北高硫煤在煤炭資源總量中占有較大的比重。石炭統、中二疊統、上二疊統、上三疊統等幾套含煤巖層中與煤伴生的硫鐵礦在省內分布也較為廣泛, 特別是中二疊統和上統含煤層底部的硫鐵礦, 成為貴州省主要的硫鐵礦開采對象。另一方面, 黔西北煤炭中有害元素氟(F)、黔西南煤炭中有害元素砷(As)含量也較高。煤礦山礦坑排水、大氣降水對煤與矸石淋濾, 對水環境造成的影響極大, 氟、砷已成為貴州省煤礦山對水環境的主要污染組分。

貴州磷化工尾渣磷石膏中氟(F)、硫酸根(SO42-)、磷(P)含量均較高, 廢液中pH值1~2, 巖溶地區尾礦庫及渣場的滲漏較為嚴重, 造成周邊和下游地表和地下水體嚴重的污染。如近年來發生的貴州開磷集團息烽磷石膏堆渣庫滲漏, 造成烏江中下游水質嚴重污染, 烏江電站下游至重慶境內河段水中氟(F)、硫酸根(SO42-)、磷(P)含量升高。

表1 貴州省礦山經濟類型及生產現狀統計(單位: 個)Table 1 Economic types and producing situation of mines in Guizhou Province

表2 貴州省主要礦種礦山規模統計表Table 2 Statistics of main ores and mine scales in Guizhou Province

圖1 貴州省礦山污染源分布圖Fig. 1 Distribution of mine pollution sources in Guizhou Province

圖2 貴州省地下水污染程度圖Fig. 2 Degree of underground water pollution in Guizhou Province

其它礦種如金礦和鉛鋅礦中有毒有害元素砷(As)、錳礦中鐵(Fe)和錳(Mn)等成分, 均成為礦山開采對水環境污染的主要污染成分。目前對全省礦山企業的礦坑排水量、礦產化工加工企業的廢水排放量暫無系統的統計資料, 根據貴州省地礦局 114地質大隊收集的資料(王明章等, 2011), 《貴州省礦井水利用規劃》中預測2006—2010年間僅六盤水市境內的礦井總涌水量11853.77萬m3/a, 2011至 2020年間礦井總涌水量18647.77萬m3/a。區內礦井水水質中, 硫酸根離子(SO42-)含量 400~750 mg/L, 最高可達1000 mg/L以上; 氟(F)含量0.2~1.2 mg/L。

除礦坑排水外, 尚有矸石場受大氣降水淋濾排出大量的污染物質。礦渣、煤矸石的淋濾水通過巖石裂隙、塌坑等通道進入含水層, 使附近地下水水體中SO42-、F-、及Pb、Zn、Mn等重金屬元素含量嚴重超標, 地下水污染情況加劇, 被污染范圍擴大。同時工礦區大量廢氣的排放使區內部分地帶的大氣降水pH值可達3.6, 并且雨水中含大量的重金屬元素, 也成為地下水污染源之一。

上述污染物的排放量在貴州省礦山中僅占小部分, 但是卻有較強的代表性, 若有效地統計全省礦山開采礦井水排放以及礦渣等廢棄物的淋濾, 礦山污染物的排放量將是一個巨大的數據。目前貴州的水環境很嚴峻, 污染范圍越來越大, 出現地下河系統的污染(袁道先, 1990)。各種污染來源的疊加使污染更顯嚴重。

3 治理的典型實例——南丹大廠礦區

3.1 礦區概況

南丹大廠礦區位于廣西西北部南丹縣境內, 其中 100#、105#錫鉛鋅銻多金屬礦體為世界最富的大型礦床。目前礦區已探明的錫、銻、鋅等20多種有色金屬儲量達1100多萬噸, 其中錫儲量144多萬噸,居全國首位。錫、銻、鋅、銦在全國具有重要地位,錫鋅產量居全國第一, 銻、錫、銦精礦產量分別約占世界總產量的50%、30%和20%~30%, 產量直接影響國際市場交易價格。南丹縣 70%以上的工業產值、60%以上的財政收入來自礦產資源的開發。20世紀末, 礦區管理混亂, 爭搶資源、亂采濫挖嚴重, 給當地水環境造成較大的破壞。

刁江發源于南丹縣車河鎮、大廠鎮, 于都安縣百旺鄉那浩村匯入紅水河。刁江上游眾多支流中,規模較大的支流有平村河和車河河。大廠、車河錫多金屬礦分別分布于這兩條支流的匯水區內, 是刁江主要污染源頭, 主要污染源是大廠及車河的選礦廠, 主要污染物是砷, 而廢水中的砷主要來源于選礦的尾礦砂。雖然經過了多次整治, 但沒有得到徹底治理。據1996—1998年水質監測結果顯示, 大部分項目超標, 有的項目超標達上百倍甚至上千倍。如1996年10月2日監測豐塘與刁江交匯處, 砷濃度145.822 mg/L, 1998年治理前平村河拉盤斷面砷濃度 26.825 mg/L, 分別超標 3096和 536倍。1998年治理前車河河金洞斷面砷濃度14.51 mg/L、鎘0.095 mg/L、鉛5.02 mg/L、鋅17.34 mg/L, 分別超標 298、18、99、16倍。嚴重污染的 100多 km河段魚蝦絕跡, 人畜不能飲用, 沿岸的上萬畝農田嚴重污染, 逾千畝農田無法耕種而廢異(潘勇邦等,2011)。

1998年8月至 2000年間對刁江水質進行了多次治理, 查封了一些效益低下的采洗礦企業, 清除相關的尾砂庫進行復墾, 加強對刁江上游流域植被種植和保護, 水質有了一定的好轉。水質分析結果顯示, 大部分項目不超標, 但砷、鉛、硫酸鹽仍超標,濃度分別為 0.105、0.18和 764.6 mg/L, 分別超標2.1、3.6和6.06倍, 水質類別為Ⅲ～Ⅳ類, 屬中污染至重污染。

2003—2004年對刁江再次治理后, 上游的平村河拉盤 2#斷面, 砷和硫酸鹽濃度略超標, 濃度分別為0.15 mg/L和600 mg/L, 分別超標3.0和2.4倍, 超標率分別為16.7%和66.7%, 其余項目未超標。平村河與車河河匯合后的 3#斷面總硬度、硫酸鹽、錳濃度超標, 濃度分別為560 mg/L、450 mg/L、0.45 mg/L,分別超標1.2、1.8和 4.5倍, 水質類別為Ⅳ～Ⅴ類,屬重污染-嚴重污染, 與 2000年治理整頓后監測結果基本一致, 說明上游的車河河和平村河河段水質污染仍嚴重。

3.2 礦區地質環境治理

從1998年4月開始對選礦廠(點)進行大規模清理整頓, 其中邊生產邊整改13家, 停產整頓50家,關閉22家, 取締選礦點291處。刁江源頭排污企業由原來376家減為整頓后的114家。取得了較好的結果, 根據河池水電水利局在刁江那浪橋斷面觀測,一些重金屬污染已大為減小(據廣西地質調查研究院資料(莫日生等, 2005), 河池地區環保局對刁江水質污染整治前后的部分監測數據曲線見圖3)。

圖3 刁江那浪斷面觀測砷、鉛、鋅濃度Fig. 3 Concentrations of arsenic, lead and zinc in Nalang section of the Diaojiang River

2001年7月17日礦難事故后, 一些非法業主被懲處或已逃離, 礦山地質環境責任主體已消失。據當時的有關資料, 在采選煉礦產品過程中剩余下大量廢渣、尾砂(含有砷、鉛等有毒有害物質), 堆積于尾砂庫。至 2004年有尾砂庫 48座, 其中已經停用的23座, 還在使用的25座, 存儲著4200萬噸礦砂。這些尾砂庫大部分未經有資質的正規單位設計施工,多數是“病危庫”。一方面, 尾砂亂堆亂放, 占用了大量土地; 另一方面, 由于庫壩、庫底防護簡陋, 發生尾砂庫坍壩或尾砂溢庫, 曾造成人員傷亡和財產損失(2000年10月18日的酸水灣尾砂壩坍塌, 瞬間奪走了28人的寶貴生命), 淹沒、污染了下游的田地。至2005年, 還有一些礦區尾砂庫, 如大灣爛椏(22500 m3)、大福樓(4200 m3)、灰樂(10160 m3)、芭蕉林(3800 m3)、大海(180000 m3)、大宇(5000 m3)等尾砂庫尚未得到有效的治理, 任憑雨水沖刷淋濾后滲出的廢水及尾砂庫溢出的庫水直接進入地表河流或滲入地下進入地下水系統, 造成地表水、地下水嚴重污染。

2006年 11月河池市和南丹縣人民政府重新啟動了刁江水體污染源治理工程。連續三年共投入治理資金3.8億元。按照“堵住污染源、清河道淤泥、恢復生態”的工作思路, 整治的重要措施是一方面強行限制排污量, 另一方面通過工程措施對廢棄的堆積體進行清理, 對尾砂庫壩進行加固。對已回收搬空的尾砂庫, 清除廢棄物, 平整土地, 進行復墾,逐步恢復生態。由于各級政府加強了治理力度, 已經取得了明顯的成效: 礦區企業的環保意識逐漸增強, 投入治污經費逐年增加。近幾年來刁江流域的水質有較大的改善。

3.3 治理結果

鑒于刁江上游支流分布及其與礦區的關系, 選擇刁江上游下考鄉河斷面進行為期一水文年的每月取樣檢測。結果表明, 該斷面水體砷、鉛、鎘等指標含量已低于三類水標準限值(0.05 mg/L), 但鋅含量(0～0.215 mg/L)有時還超標。應該說經過2007年以來的大規模整治, 目前刁江干流的水質是20年來最好的狀況, 當地老百姓去年開始集資購買魚苗投入刁江放養。

4 對策建議

筆者認為, 西南巖溶區礦山與水污染方面目前存在的主要問題是: ①礦產資源開發帶來的污染已由點向面發展; ②工礦業將廢水排入溪溝或將尾礦堆積于巖溶洼地, 通過落水洞、地下河伏流直接灌入地下, 導致地下河流域范圍及下游地帶地表河水嚴重污染。當前地球溫室效應不斷加劇、極端干旱氣候頻發, 礦產業的發展與環境特別是水環境要求之間的矛盾越來越突出, 保護水源環境的戰略思考不可或缺。巖溶區礦山污染造成水環境惡化的問題,需要政府和企業都給予足夠的重視, 事實證明當地政府下決心治理, 就會很快見到成效(如本文所舉實例)。建議:

1)目前的污染事件為何層出不窮, 大部分源于當地政府或者老百姓對造成污染后問題的嚴重性認識不足。如何提高國民對水環境的保護意識是當務之急。建議加大教育與宣傳。作為政府管理部門應像重視地質災害危險性評估及治理那樣, 重視水環境的保護和治理。

2)從國家層面上完善或修訂更加嚴厲的礦產資源開采的政策法規, 如提高“探”、“采”準入的門檻。加大監管力度, 對那些對資源利用率低, 環境污染嚴重的企業要堅決關停、轉業。

3)根據西南巖溶區的資源特色、分布格局、環境地質問題(覃政教等, 2011a, b)的現狀, 分片、分區、分地段(或流域)統籌規劃, 對易造成水源地污染的礦產資源應嚴禁開采, 可制定生態補償機制來對當地經濟予以補償。

4)責成礦產資源開采企業加大技術改造的力度,提高礦產資源的綜合利用率,從源頭遏制污染。對已經造成污染的地方, “誰污染誰治理”, 對于歷史遺留的污染問題, 政府應及時安排資金進行治理。

5)加強水文地質基礎調查研究。據中國地質調查局資料, 至今南方開展過 1:5萬水文地質調查工作的地區約有14萬km2, 只占西南巖溶石山地區和紅層地區的 10%左右。建議進一步加快推進巖溶地區的水文地質基礎調查工作, 針對重點地區、重點流域開展更高精度、更大比例尺的詳細調查, 特別是對表層帶巖溶水系統的調查、評價。對具有開發利用潛力的地下河、大泉、儲水構造利用高分辨率定量示蹤技術查明地下水系網的分布及運動方向,水資源量及調蓄功能, 編制成圖, 建立數據庫或三維地質可視化模型。為在保護巖溶水資源的前提下規劃、調整、審批土地利用方式提供科學依據, 也為在巖溶水受到突發性污染時采取科學的應急措施作好準備。

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A Discussion on Mine and Water Pollution Problems in Karst Areas in Southwest China

QIN Zheng-jiao1,2), LIN Yu-shi1,2), YUAN Dao-xian1,2), PAN Yong-bang3), WANG Ming-zhang4)
1)Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin, Guangxi541004;2)Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of Land and Resources, Guilin, Guangxi541004;3)General Academy of Geological Survey of Guangxi, Nanning, Guangxi530023;4)Guizhou Bureau of Geology & Mineral Prospecting & Exploitation, Guiyang, Guizhou550004

The continuous distribution of karst in southwest China comes to an area of 1000,000 km2, in which 62×104km2is bare karst. Annual precipitation in this area is more than 1000 mm; nevertheless, the rainwater would change into underground water quickly due to intensive development of karst, and would discharge into rivers through numerous karst underground rivers. The topography of this region is high in the west within Yunnan-Guizhou Plateau and low in the east with some low massifs. Yunnan-Guizhou Plateau is located in the ecological barrier, and it is the watershed of the Yangtze River and the Pearl River. This region is rich in mineral resources, such as coal, rare metals and phosphorus in Guizhou Province and non-ferrous metals, manganese and bauxite in Guangxi. The surface water and underground water are liable to be contaminated by the tailings and waste water generated from mining and mineral processing if they are not disposed properly. The Yangtze River and the Pearl River would be polluted consequently. Experts from the project ofthe Major Environmental Geological Problems and Countermeasures in Karst Mountain Areas in Southwestern Chinainvestigated some water pollution cases during 2008 to 2010, and the results show that the water environment problem induced by improper mine exploitation remains a serious problem and would severely affect the sustainable development of this region.

karst mountain area; mine pollution; water environment; typical cases

P931.5; X52

A

10.3975/cagsb.2012.03.08

本文由中國地質調查局地質調查項目“西南巖溶石山地區重大環境地質問題及對策研究”(編號: 1212010813111)資助。

2012-01-10; 改回日期: 2012-03-10。責任編輯: 張改俠。

覃政教, 男, 1955年生。高級工程師。主要從事探測技術方法和水文、工程環境地質研究。E-mail: qinzhj-2002@163.com。