極端條件下石墨礦尾礦庫潰壩對水庫型水源地環境影響預測研究

高東東 肖杰 陳亞平 王春 辜凌云

（四川省生態環境科學研究院，四川成都 610064）

1 引言

采礦活動可引起地表水、地下水、土壤、空氣、噪聲等多種污染，也可造成生態植被的破壞［1］。國外歷來重視礦業開采對環境造成的影響，經過多年的發展與探索，已有100多個國家建立了礦山環境影響評價系統。美國聯邦政府和各州政府對礦井水污染問題極為重視，美國地質調查局和很多高校及科研機構進行了大量的相關研究，英國、加拿大、南非、西班牙、德國、新西蘭等國也根據本國不同的礦山水環境污染問題，從不同的角度進行了深入研究［2-6］。我國礦山環境評價及治理工程開始于20世紀50年代，自20世紀80年代以來，礦山開采導致的區域地質環境問題逐漸凸顯［7］，研究內容多集中在礦山開采對土壤、地下水的影響［8-12］。當礦山廢水進入地表水體中，會使當地水體的理化性質發生改變，水中對環境變化敏感的生物受到影響，水中生物的豐富性被破壞［13］，若進入水源地，居民的身體健康和社會穩定也會受到影響。飲用水水源保護問題已成為關系國計民生的重大問題，是國家公共衛生安全體系的重要組成部分。石墨及石墨烯等先進材料是當今世界高端新材料領域的發展熱點，對于工業經濟總量較小的四川省巴中市而言，石墨礦產業具有重要社會經濟地位。巴中市南江縣某石墨礦區位于南江縣楊壩鎮境內，其礦區范圍約90%位于水庫型水源地的準保護區范圍，《四川省飲用水水源保護管理條例》（2019年修正）、《巴中市城市飲用水水源保護條例》（2020年修正）均規定：在水源準保區內禁止進行可能嚴重影響飲用水水源水質的礦產勘查、開采等活動，為明確該石墨礦開采中的選礦活動與法律法規的相符性，本文通過模型對假設極端條件下發生潰壩石墨礦選礦可能造成的環境影響進行了預測分析，并提出對策措施，對于統籌規劃、加快推進南江縣石墨資源的勘探與開發具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 水源地概況

楊壩河是渠江上源南江河右岸一級支流，發源于南江縣光霧山，向東南流過楊壩鎮、流壩，轉南匯入南江。楊壩河全流域面積138 km2，河道總長30.9 km，某水庫型水源地位于楊壩河的中下游，是一座以城市抗旱、應急及備用水源為主，兼顧生態環境的小（2）型水利工程，日供水規模達到2萬m3。水庫壩址以上控制流域集雨面積108 km2，干流河長21.9 km，平均比降31.6‰。水庫總庫容60.38萬m3，正常蓄水位對應庫容48.63萬m3。取水口上游有多條支溝匯入楊壩河，上游支溝常年干涸，僅在降雨時有水，見圖1。

圖1 水源保護區范圍及流域水系

水源地取水口位于水庫大壩內側，一級保護區為以取水點為基點，沿楊壩河上溯2 000 m，5年一遇洪水所能淹沒的水域范圍，水庫大壩頂面、大壩兩端水平縱深100 m，以及一級保護區水域兩岸縱深100 m的陸域范圍；二級保護區為一級保護區上游邊界上溯4 000 m的河段，10年一遇洪水所能淹沒的水域范圍，二級保護區水域邊界向兩岸縱深1 000 m，但不超過流域分水嶺的陸域范圍；準保護區為楊壩河取水口以上除一、二級保護區水域以外的全部水域范圍，取水口以上除一、二級保護區外整個集水范圍的陸域范圍（見圖1）。

2.2 石墨礦規劃方案

某石墨礦采礦場位于水庫取水口上游楊壩河支溝吳家溝，與取水口的河道距離9 600 m，礦山采選生產能力為300×104t/a，礦山主要的開采方式為露天開采，采用浮選柱連續選礦工藝。另外，項目還規劃建設有選礦廠、排土場、尾礦庫、生活區等。其中，選礦場和生活區位于露天采場東側鐵廠坪，共設吳家溝和廖家溝兩處排土場，尾礦庫布置于斯家溝內。經與水源保護區范圍對比，其規劃的露天采場、選礦廠、排土場、尾礦庫均位于水源準保護區內，斯家溝尾礦庫距離取水口最近，與取水口河道距離6 800 m，與楊壩河河道距離1 000 m，見圖1、圖2。

圖2 尾礦庫與取水口河道距離及現狀監測斷面位置示意

礦山規劃的建設方案中向準保護區內排放的廢水主要為采場涌水、排土場淋溶水，其主要污染物為SS，經沉淀處理，排入周家溝和東溪溝，然后進入楊壩河；機修車間含油廢水回收處置不外排，且廢水量較小，發生事故等對地表水的影響較小。規劃中的選礦廠生產排出的尾礦漿排水量為9 663.3 m3/d，主要污染物為CODCr、NH3－N、總磷、總氮、石油類、汞等，正常情況下庫內回水和尾礦庫滲漏水全部回用不外排，對地表水環境影響小，但尾礦庫距離二級保護區水域較近，一旦在極端情況下發生潰壩等事故，選礦廢水可能影響下游水源水質。

2.3 水質分析

2.3.1 背景水質取樣及收集資料

為確定水質背景值，分別在楊壩河上游（a）、吳家溝（b）、楊壩河下游（c）布設斷面（見圖2），主要監測因子有pH、SS、CODCr、BOD5、NH3－N、石油類、硫化物、汞、鎘、鉛、砷、六價鉻、銅、鋅，共14項；收集了水庫取水口（d）水質監測數據，常規指標65項，監測頻次為每月1次，全指標109項，分析頻次為每年1次。對照GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ，Ⅲ類標準限值進行評價。

2.3.2 選礦廢水取樣分析

根據石墨礦選礦試驗報告，采用浮選柱連續選礦工藝。主要試驗參數為：磨礦濃度50%，粗磨－325目98%；浮選藥劑總量：柴油670 g/t，2號油710 g/t，水玻璃990 g/t，六偏磷酸鈉990 g/t，碳酸鈉990 g/t。由于選礦廠還在規劃中，為掌握污染源水質情況，對選礦試驗廢水進行取樣監測。

2.4 模型預測

為分析石墨礦開采與水源準保護區規定的相符性，采用水質模型預測石墨礦將來開采發生極端情況是否會對下游水源水質造成影響。

根據HJ 2.3—2018《環境影響評價技術導則 地表水環境》規定“小河可以簡化為矩形平直河流”［14］，本次受納水體楊壩河為小河，可以直接簡化為矩形平直河流。采用導則推薦的S－P穩態混合衰減模式和完全混合模式進行預測。

CODCr，NH3－N均為非持久性污染物，河道為平直河流，采用河流S－P模式進行預測。公式如下：

式中，c為計算斷面的污染物濃度，mg/L；c0為計算初始點污染物濃度，mg/L；K1為河流耗氧系數，d-1；u為河流流速，m/s；x為從計算初始點到下游計算斷面的距離，m。

從保守角度認為其他指標不會衰減，河道為平直河流，采用完全混合模式。公式如下：

c0＝（cpQp＋chQh）/（Qp＋Qh）

式中，cp為污染物排放濃度，mg/L；ch為河流背景污染物濃度，mg/L；Qp為廢水排放量，m3/s；Qh為河流流量，m3/s。

3 結果與分析

3.1 背景水質及污染源水質分析

3.1.1 地表水背景水質

根據水質分析結果，礦區周邊監測斷面的監測因子均符合GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的Ⅲ類標準限值。可見礦區、尾礦庫、排土場所在的支溝水質現狀均良好；楊壩鎮居民生活污水對楊壩河的水質影響較小。根據水庫取水口監測斷面分析結果，水質常規指標中總氮、糞大腸菌群達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準限值要求，高錳酸鹽指數達到Ⅱ類，其余指標均達到Ⅰ類，水庫取水口水質較好，滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》對水源一級保護區的要求。本次水質分析結果為后續模擬預測提供了水質背景值。

3.1.2 選礦廢水水質

根據水質分析結果，CODCr、石油類為Ⅴ類，總磷為劣Ⅴ類。選礦過程中，要添加柴油、2號油、水玻璃、六偏磷酸鈉、碳酸鈉等藥劑，因此廢水CODCr、石油類、總磷含量較高。監測結果見表1。

表1 地表水及選礦試驗廢水監測結果（節選） mg/L

3.2 水質影響預測分析

3.2.1 預測參數

（1）排污口概化

將尾礦庫大壩處概化為排污口，尾礦庫大壩位于取水口上游6 800 m處，其匯入楊壩河溝口距離取水口5 800 m（見圖2），極端狀況下，排入楊壩河選礦廢水排放量預測為9 663.3 m3/d。

（2）水文參數及預設情形

水庫壩址處多年平均流量2.52 m3/s，多年平均年徑流總量7 988萬m3，多年平均年徑流深739.6 mm；年內最枯月徑流一般出現在2月，多年平均流量為0.373 m3/s。本河段預測污染物考慮2種水文條件，即多年平均流量和最枯月平均流量。

（3）預測因子確定

根據選礦廢水的特征污染物，選取CODCr、NH3－N、總磷、總氮、石油類、汞6個因子進行預測。

（4）預測范圍、水質背景值及保護目標

預測范圍為尾礦庫下游6 800 m范圍內楊壩河水體，取水口水質保護目標為GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅱ類水質標準限值。選取吳家溝匯入楊壩河口上游河段的監測數據作為楊壩河水質背景值，總磷、總氮以水庫檢測值的最高值作為背景值（見表1）。

（5）水污染源參數

按照企業滿負荷生產預測排水量約9 663.3 m3/d。極端狀況下按照廢水全部排放預測，根據對選礦試驗尾水的監測結果確定污染物濃度（見表1）。

（6）降解系數

《全國水環境容量核定技術指南》推薦的CODCr，NH3－N降解系數分別為0.20～0.25 d－1，0.10～0.167 d-1［15］。采用保守值計算，降解系數CODCr取0.2 d－1，NH3－N取0.1 d－1。本次分析考慮最不利因素，總磷、總氮、石油類、汞的K1取0。

3.2.2 預測結果

假設極端情況下9 663.3 m3/d廢水未進入循環系統，全部外排，由于斯家溝水量較小，實際計算長度從吳家溝與楊壩河交匯口到取水口的距離5 800 m，即吳家溝與楊壩河交匯口為0，到取水口處為5800m。

（1）情景一：多年平均流量情形

多年平均流量極端情況排放時，預測污染物在水源地取水口處的濃度為：CODCr6.025 9 mg/L、NH3－N 0.039 1 mg/L、總磷0.070 0 mg/L、總氮0.929 4 mg/L、石油類0.020 6 mg/L、汞0.000 02 mg/L，見表2。

表2 多年平均流量情形下楊壩河水質隨流程變化 mg/L

（2）情景二：最枯月平均流量情形

最枯月平均流量極端狀況排放時，預測污染物在水源地取水口處的濃度為：CODCr11.155 4 mg/L、NH3－N 0.103 2 mg/L、總磷0.158 4 mg/L、總氮0.882 3 mg/L、石油類0.067 7 mg/L、汞0.000 05 mg/L，見表3。

表3 最枯月平均流量情形下楊壩河水質隨流程變化 mg/L

不同情形下取水口處的濃度與標準對比見表4。

表4 不同情形下取水口處的濃度與標準對比 mg/L

選礦廢水若在極端狀況下進入楊壩河，多年平均流量情形下，選礦廢水對取水口處CODCr、NH3－N、總氮影響較小，但可導致取水口總磷、石油類濃度上升，石油類未超Ⅰ類水質標準，總磷由Ⅰ～Ⅲ類變為Ⅳ類；最枯月平均流量情形下，選礦廢水對取水口處CODCr、NH3－N、總氮影響較小，但可導致總磷、石油類濃度上升，總磷由Ⅰ～Ⅲ類變為Ⅴ類，石油類由Ⅰ類變為Ⅳ類，見表4。

多年平均流量情形下，廢水排放對河道石油類的貢獻率超過了50%；最枯月平均流量情形下，廢水排放對河道CODCr、NH3－N、總磷、石油類、汞的貢獻率均超過50%，見表5。在極端狀況下，該石墨礦的開發可能嚴重影響城市飲用水水源水質。

表5 不同情形下廢水排放污染物在取水口處完全混合后貢獻占比 %

4 對策分析

南江縣石墨資源主要分布在本次研究區附近，共涉及3個礦區（1＃，2＃，3＃）且處于同一成礦帶，其中，2＃礦區為本次模擬預測對象。本區域涉及2個水庫型水源地，分別位于石墨礦兩側的楊壩河和南江河，石墨礦西側水源地（A）已劃分保護區，石墨礦東側水源地（B）正在修建中。待東側水源地修建好后，1＃，2＃，3＃礦區范圍全部位于取水口上游和已劃定的水源準保護區范圍或者匯水范圍內（見圖3）。在極端狀況下，尾礦庫選礦尾水可能嚴重影響城市飲用水水源水質，不符合《巴中市城市飲用水水源保護條例》的規定，這給區內進行選礦、尾礦庫建設帶來阻礙。

圖3 現狀條件下石墨礦與水源保護區位置關系

從難度系數方面考慮，B水源地是國家發改委批復建設的大型水庫，A水源地為南江縣發改局批復建設的小型水庫，建議應著重從A水源地方面入手解決南江縣石墨資源開發困境。A水源地上游現有1＃，2＃，3＃石墨礦探礦權，為避開上述活動的影響，本研究提出將取水口上移至楊壩鎮上游的方案，取水口上移之后，一方面，2＃石墨礦規劃的露天采場、選礦廠、排土場、尾礦庫、生活區等均不位于調整后的飲用水水源保護區內，且可供繼續建設用地非常充足；另一方面，2＃石墨礦的開發準備工作進度是該片區最領先的，可利用這兩方面的優勢，在2＃石墨礦規劃基礎上，擴大選礦廠、排土場、尾礦庫等的建設規模，將1＃，3＃片區石墨資源的選礦、尾礦堆放等統一安排在2＃礦區。上移后，新建的取水口專門用于南江縣的應急及備用供水，還可解決楊壩鎮的供水問題，原取水口可保留，用于礦山開采用水及其他供水。以上措施還可避免1＃和2＃礦區的西北側部分在B水源地的匯水范圍內建設選礦廠、尾礦庫等，并使南江縣石墨資源的開發與《巴中市城市飲用水水源保護條例》符合，見圖4。

圖4 取水口上移后石墨礦與水源保護區位置關系

5 結論與建議

（1）本次研究的2＃石墨礦規劃的尾礦庫位于水庫飲用水水源準保護區內，企業正常生產情況下，選礦廢水全部回用不外排，采場涌水、排土場淋溶水等對地表水環境影響小。

（2）根據模型預測，極端狀況下若選礦廢水排放進入楊壩河，多年平均流量和最枯月平均流量情形下，石墨礦的開發可能嚴重影響城市飲用水水源水質，與水源保護區相關條例不相符。

（3）從解決難度出發，建議將現有A水庫取水口上移至楊壩鎮上游，盡快開展上游取水口的選址論證工作，長遠解決南江縣石墨礦資源開發面臨的困境。

（4）建議將露天開采方式轉為全充填式地下開采，減少對地表生態的破壞。