魚洞河流域污水綜合治理規劃和實施措施

蔣典成

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000）

煤巖層原生礦物組分多含硫化物。在露天開采的過程中，煤礦床（如黃鐵礦FeS2）含有的硫化物會暴露于空氣中，經過一系列氧化、水解等反應會形成pH值為4～6（小于6）的酸性物質，其中含有大量的可溶性鐵離子（Fe2+）與錳離子（Mn2+）等金屬離子，以及高濃度的硫酸鹽（SO42-）。受酸性物質污染的煤礦礦井水學名為煤礦酸性廢水（acid mine drainage，AMD），受污染的礦井水排入地表后會嚴重污染周邊的生態環境。有研究表明，即使將礦井關閉并停止排水，也會因地下水涌入采空區與殘留污染物發生化學反應而形成AMD[1]。此外，就近露天堆放于礦井口與河道沿岸的廢渣，經過降雨淋濾，也會不斷氧化分解，而形成AMD。此類酸性廢水成分復雜，容易降低水體的自凈功能并造成水中動植物死亡；其污染范圍廣、危害大，污染地表水、破壞土壤結構、阻礙農作物生長，并嚴重威脅居民生命健康。因此，廢棄礦井水污染問題亟須受到高度重視，且需要及時解決。

魚洞河作為流經貴州省凱里市的主要河流之一，該流域及其支流長期存在煤礦廢水污染問題。在2017年，中央環保督查組對貴州省開展環境保護督查，發現魚洞河流域的煤礦廢水不僅影響了魚洞河流域水環境質量和生態景觀，還影響了長江經濟帶生態環境保護工作的落實。因此，為保護魚洞河流域水環境，保障人們的身體健康，在堅持生態優先、綠色發展的基礎上，凱里市政府下決心解決好魚洞河流域煤礦礦井污水治理和生態修復問題。

1 研究區概況

魚洞河流域起源于貴州省凱里市西北的爐山鎮大坡，流域范圍地理坐標為：東經107°43′56″～107°58′56″，北緯 26°35′30″～26°44′29″。魚洞河流域總面積為267 km2，全流域處于凱里市境內，處于云貴高原與中部丘陵之間的過渡地帶中，總體上西南部的地勢較高，為海拔近1 230 m的山區，而東北部的地勢較低，主要為低矮山地地貌。該流域屬亞熱帶濕潤季風氣候，全年濕潤多雨，多年平均降水量在1 264.7 mm。但該流域的降水存在顯著的季節特征，5～10月降水量占全年降水量的2/3，多年平均降雨量約為835.7 mm，且多為暴雨。該區域內喀斯特地貌特征顯著，巖溶化程度強烈，巖溶形態多樣化。

魚洞河流域是凱里市一處煤礦資源富集區域，自20世紀80年代以來，先后有百余家大小煤礦公司在此進行大規模露天開采，但為了響應國家及貴州省能源政策相關政策以及受煤炭資源枯竭的現實條件影響，至今，大部分煤礦已廢棄或關閉，成為了責任主體滅失的無主煤礦，而小部分煤礦待兼并重組，目前已全部處于停工狀態。由于長期對煤層進行無序開采，導致地下形成了大面積的采空區；且煤礦閉坑后長期無人管理，廢棄煤矸石混合煤泥被隨意露天堆放，所以，經大氣降水淋濾所產生的煤礦酸性廢水以及受污染的礦井污水未經處理就通過井口、暗河、溶隙直接排入就近河道，造成河水重金屬污染非常嚴重。除魚洞河受沿河兩岸煤礦嚴重污染外，其主要支流白水河的上游位于煤礦開采區，受重金屬污染的河水自西向東流經白水河中下游與平路河中下游，最后匯入重安江[2]。由于大氣降水自然下滲進入地表下采空區、巖溶水—礦坑煤層交互作用，以及高硫含量的煤渣長期暴露于空氣中自發進行的氧化還原反應，這對魚洞河流域水體及底泥、沿岸土壤和流域下游的農田灌溉用水和居民生活飲用水，均造成了不同程度的重金屬污染。

2 魚洞河流域水污染問題現狀與危害

2.1 水污染問題現狀

魚洞河流域為鐵（F e）、錳（M n）、鉛（P b）、銅（Cu）、鋅（Zn）、砷（As）等多金屬含硫礦床，因此，采礦所產生的煤矸石煤泥廢渣含有大量的Fe、Mn及相當數量的Pb、Zn、Cu、As等離子，其重金屬含量較高且成分較為復雜。且該區域煤層中黃鐵礦含量較高，煤的全硫質量分數高達4.32%～6.66%，含硫量較高。梁浩乾等[3]對河流水體、礦井排水以及河流底泥和礦井排水口底泥的pH值與重金屬含量進行了采樣測定。

（1）礦井水樣品的檢測結果表明，魚洞河流域廢棄煤礦礦井水pH值低于《國家地下水質量標準》（GB/T 14848-1993）限值，超標率78.6%，為典型的酸性礦井水；Fe、Mn、Zn的含量均高于《煤炭固廢排放標準》（GB 20426-2006）限值，其中Fe、Mn、Zn的超標率分別為85.7%，7.1%和14.3%。

（2）河流水體樣品的檢測結果表明，各河段上游及重安江水質較好，為無污染水體，但受礦井水排入的影響，白水河、平路河的中下游河段以及重安江入江口段的水質明顯惡化，為重度污染水體。其中pH值低于國家《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）限值，超標率為36.8%，SO42-、Fe、Mn、Cd的含量均高于《煤炭工業污染物排放標準》（GB 20426-2006）限值，其中SO42-、Fe、Mn、Cd的超標率分別為42.1%，57.9%、68.4%和36.8%。

（3）河流底泥和礦井排水口底泥樣品的地累積指數結果表明，魚洞河流域河流底泥的Cd、Pb、Fe的含量輕微超出貴州省土壤背景值；而礦井排水口底泥中，這三種重金屬的含量超標較為嚴重。地累積指數也表明橫石河沿岸的Fe污染最為嚴重，其次為輕中度的Cd、Pb污染。同時，距離河道礦井排水口近處底泥的Fe污染相對較遠處更為嚴重。

上述研究表明，魚洞河流域水污染的主要污染源為受污染的礦井水排入河道（包含受污染的地下水），以及露天堆放的煤矸石淋溶液。在一定程度上，這兩類污染源受季節變化和大氣降雨的影響較大，礦井水與煤矸石淋溶液排放的污水量在豐水期的貢獻率顯著高于枯水期，具體內容詳見表1。

2.2 水污染危害

魚洞河為常年性河流，且流域內的煤炭礦井大多數連片分布于沿河兩岸，因而在降雨的沖刷下能夠持續產生重金屬含量超標的酸性廢水，并會沿礦井口直接排入河流。因此，導致該地區的重金屬污染和水、土酸化，這對當地的自然環境破壞極大，更嚴重威脅了沿河兩岸居民的生命健康。段江飛等[4]研究結果表明，魚洞河流域的污染物總量大、濃度高，限制了河流的重金屬污染自凈功能。而流域長度短、面積小、水流湍急的特點，更是將上游的污染物大量匯流至下游，致使流域內上游至下游以及入江口的水污染超標水平，呈明顯上升趨勢。李文波等[5]研究結果顯示，魚洞河流域的水污染嚴重影響到了沿河的爐山鎮、萬潮鎮、龍場鎮、大風洞鎮、灣水鎮，共計5個鄉鎮9.6萬居民的飲水健康與灌溉生產問題。

3 魚洞河流域水污染問題成因分析

3.1 煤礦礦井口直接排放廢水

魚洞河流域的煤炭民采風潮歷史久遠，這對流域的生態環境造成了長期且廣泛的影響。由于小煤窯多為沿河分布，且缺乏配套的環保處理設施，產生的廢水自礦井口直接排入魚洞河流域內。同時，長期的無序、掠奪式的非法開采方式造成地下形成大面積的煤礦采空區。尤其在雨季時，大氣降水下滲至采空區，礦井內廢水水位上升，溢出礦井口，排入魚洞河流域內。根據相關資料統計，僅魚洞河、白水河兩岸就有24處廢水排放點，豐水期最高的總排放量約為8 000 m3／h。而酸性廢水直接排入魚洞河流域會造成河水酸化和重金屬污染。

3.2 通過受污染的溶洞、暗河間接排放廢水

由于魚洞河流域的巖性以碳酸鹽巖為主，地形多為斷層褶皺構造，以及常年氣候濕潤多雨，致使地下水溶蝕作用強，煤礦采空區巖溶化程度高，發育大量溶洞與地下暗河。巖溶水進入煤礦采空區，與礦渣中的硫、鐵產生化學反應，會產生大量的酸，導致流域內溶洞與暗河遭受煤礦酸性廢水的污染。

3.3 煤矸石淋濾污染

該區域內有大量的煤矸石、煤泥露天堆積。根據《環境現狀調查專項報告》中實地調查結果可知，魚洞河流域內工業固廢以煤矸石為主，有28處煤矸石煤泥集中堆放點，共計376.2 萬 m3（平路河343.8萬m3、白水河32.4萬m3），其中，煤矸石373.46萬m3占煤礦固體廢物總量99.3%，煤泥2.74萬m3占煤礦固體廢物總量0.7%；煤泥主要分布在大貓山煤礦、銳達洗煤廠、平路河洗煤廠附近，并與洗選矸石混堆。煤矸石煤泥堆場全部未采取任何水土保持和污染治理措施。上述煤矸石、煤泥中部分臨河堆放，方量約為81.28萬m3，這不僅對河道行洪安全有一定隱患；其經歷風化淋濾后產生的酸性礦山廢水在雨季時直接涌入魚洞河流域，更進一步加劇了地表水體的水質惡化和土壤污染。魚洞河流域煤矸石堆放場地的具體情況詳見表2。

表2 魚洞河流域煤矸石堆放場地的具體情況統計表

4 魚洞河流域煤礦廢水污染綜合治理應用實例

4.1 總體規劃

通過調查矸石山的空間分布、污染特性、污染機理，結合水文地質、工程地質、環境地質調查成果，本次的專項治理方案遵循“源頭控制、標本兼治、一山一策、先行示范”的原則。為確保實現顯著的治理效果，達到污染物減排、礦區生態環境快速恢復的目的，此次專項治理的減排指標為①全面完成煤矸石煤泥治理與攔擋工程，確保生態安全；②基本消除污染物的毒性；③煤矸石煤泥淋溶水減排Fe 1 033.26 t/a、Mn 49.29 t/a；④林草植被恢復率97%。根據此目標，本方案從污染源、污染過程和污染末端對魚洞河流域水污染問題進行綜合治理。

首先，采取清污分流的方法從源頭上減少污水產生量；其次，采用原位污染控制及無土生態修復措施初步恢復土壤肥力；最后因地制宜結合傳統鋪膜覆土撒草生態修復工藝，進行多種類植物的定植，進而實現魚洞河的“水清、岸綠、景美、河暢”的目標。

4.2 清污分流工程措施

清污分流工程共分為三個階段，主要包括以下內容：

（1）搬遷轉移矸石堆，聚集統一治理。在此次專項治理過程中，煤矸石搬遷轉移共計92.90萬m3，其中，臨河型矸石場搬遷轉移90.07萬m3；非臨河型矸石場搬遷轉移2.83萬m3。

（2）修建擋渣墻，并鋪設擋渣墻排水管與框格梁護坡；必要時對矸石堆削坡減荷。在此次專項治理過程中，修建漿砌石擋渣墻共計4.19 km，砂卵石格賓石籠擋墻0.11 km，修復擋墻0.28 km。其中：臨河型矸石場共計11處，其中3處（PG03、PG04、PG05）因搬遷后需重建新矸石場的漿砌石擋墻共計0.45 km，1處（PG09）因部分搬遷煤矸石留下煤矸石修建格賓石籠擋墻0.11 km，1處（PG06）因已有擋墻只需修復原擋墻0.28 km，其余7處因搬遷至其他非臨河矸石場不計入此項；非臨河型矸石場修建漿砌石擋墻共計3.74 km。鋪設擋渣墻排水管共計10.33 km，其中：臨河型矸石場擋渣墻排水管1.90 km；非臨河型矸石場擋渣墻排水管8.43 km。非臨河型矸石場擋渣墻共鋪設框格梁護坡共計59.66萬m2。臨河型矸石場無原位削坡處理；非臨河型煤矸石及煤泥堆場原位削坡處理共計63.28萬m3。

（3）修建截水溝、馬道排水溝以及淋溶液收集、應急池。在此次專項治理過程中，修建截水溝共計10.02 km，其中：臨河型矸石場修建截水溝1.69 km；非臨河型矸石場共修建8.33 km。非臨河型矸石場每隔10 m高程設馬道，馬道內側設排水溝，共修建0.9 km。修建淋溶液收集、應急池共計33座，其中：臨河型矸石場修建淋溶液收集、應急池共計6座；非臨河型矸石場共修建27座。魚洞河流域清污分流工程措施規劃布局詳見表3。

表3 魚洞河流域清污分流工程措施規劃布局表

4.3 生態修復措施

（1）原位污染控制及無土生態修復。在采取上述清污分流工程措施后，采用原位污染控制及無土生態修復措施治理非臨河煤矸石量（含臨河型挖、移）328萬m3，需鐵錳固定劑2 577 551.76 kg，活性硫還原劑2 577 551.76 kg，鈍化劑2 577 551.76 kg等處理劑，需先鋒草本植物喬木、灌木、草本植物各371 002.80株。

（2）傳統鋪膜覆土撒草生態修復。在土壤情況初步得到改善后，鋪膜覆土撒草進行生態修復，其中納基防滲膜共計122 603 m2，撒播草籽122 603 m2，耕植土（厚300 mm）共計36 781 m3，黏土（厚500 mm）共計61 302 m3。

5 結論

以往的非法采選礦活動對魚洞河流域造成了極為嚴重的生態破壞，而造成魚洞河酸性煤礦廢水嚴重污染的主要有礦井涌水、受污染的巖溶泉眼、煤矸石煤泥淋溶水。相關部門自2017年5月接受凱里市水務局的委托，開展了魚洞河流域污水治理可行性研究項目，針對研究區的水污染問題，從污染源、污染過程和污染末端，提出了對魚洞河流域水污染綜合治理及流域生態修復方案，具體措施為：以煤矸石煤泥淋溶水Fe、Mn污染物削減分攤指標為方案制定依據，先后采取清污分流、污染源原位控制與無土快速生態修復，以及防滲覆土植被隔離等綜合治理措施。該方案實現了傳統工程治理措施與新興生態修復措施有機結合，不僅有助于解決魚洞河流域的水污染問題，還對其他地區的礦山生態治理工作具有重大的參考借鑒意義。