煤區(qū)巖溶地下水污染模式及特征研究
——以黔西盤關(guān)向斜區(qū)域為例

袁 偉，羅本全，王 川

(四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

煤區(qū)巖溶地下水污染模式及特征研究
——以黔西盤關(guān)向斜區(qū)域為例

袁 偉，羅本全，王 川

(四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

煤企生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水是造成地下水污染的主要因素。通過環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查，對盤關(guān)向斜區(qū)域煤企生產(chǎn)活動造成地下水污染的主要方式進行分析，查明區(qū)內(nèi)主要污染源—煤礦污水、洗煤水及堆場淋濾水通過地表水體、溶隙、落水洞等途徑進入巖溶含水層污染地下水，又經(jīng)巖溶管道長途運移排泄至地表，造成暗河出口地表河流污染的污染模式。其污染的三種基本模式為地表水體污染、包氣帶污染以及地下水污染。針對煤區(qū)巖溶地下水污染表現(xiàn)的滯后性和周期性，提出煤區(qū)巖溶地下水污染防治對策，對區(qū)內(nèi)環(huán)境保護工作具有一定參考價值。

煤區(qū)；巖溶地下水；污染模式

盤關(guān)向斜位于貴州省西部邊境，為黔西盤縣煤田的一個主要構(gòu)造單元。由于煤質(zhì)好、煤種齊全、儲量大、交通方便等得天獨厚條件，是貴州省主要煉焦用煤生產(chǎn)基地之一[1]。區(qū)內(nèi)煤企眾多，礦井廢水和洗煤水不當排放，是造成區(qū)內(nèi)地下水環(huán)境污染的主要因素。因此，分析并研究其污染途徑及特征，對于區(qū)內(nèi)地下水污染防治及環(huán)境保護具有其實際意義。

1 盤關(guān)向斜區(qū)域地質(zhì)概況

盤關(guān)向斜，又稱亦資孔向斜，南北長約85 km，東西寬約13 km，軸部出露地層為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2g)，向斜兩翼依次為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)、飛仙關(guān)組(T1f)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)、峨 眉山玄武巖組(P2β)和二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)。向 斜東翼較緩，傾角15°～20°；西翼較陡，除局部直立、倒轉(zhuǎn)外，一般巖層傾角25°～45°，為一軸面向西傾斜的短軸開闊不對稱斜歪向斜，而向斜南、北兩端軸面均向東傾斜。向斜中部主體軸向呈N45°E左右，其南、北兩端軸向分別往北西、南東偏轉(zhuǎn)90°和40°，即向斜北端軸向為N315°W；而向斜南端軸向為S170° E，呈一反S型褶曲。向斜樞紐線向北東傾伏，其南端轉(zhuǎn)折部位向上抬高蹺起，向斜總體外形呈一“箕”狀褶皺[1]。

圖1 煤系地層與碳酸鹽巖地層出露位置關(guān)系剖面圖

研究區(qū)內(nèi)長興組合大隆組為一套海陸交互相的含煤建造，厚度介于72～136 m間。由東向西，灰?guī)r夾層逐漸減少或被富含動物化石的鈣質(zhì)砂巖替代，且含煤性亦有逐漸變好的趨勢，盤縣、樂民一帶，含煤10～20層，可采2～5層，研究區(qū)內(nèi)煤系地層與碳酸鹽巖地層出露位置關(guān)系見圖1所示。

研究區(qū)內(nèi)煤企眾多，以煤礦和洗煤廠為主，附屬的堆場更是遍布全區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計，盤縣境內(nèi)綜采、綜掘的煤礦數(shù)分別達30個、34個，洗煤廠12個。煤企生產(chǎn)行為對地下水環(huán)境影響較大。

2 煤企生產(chǎn)對地下水的污染模式

研究區(qū)內(nèi)煤企生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水是造成區(qū)內(nèi)地下水污染的主要因素。根據(jù)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)除煤礦企業(yè)外并無其它的采礦活動，煤炭及其附屬產(chǎn)物成為主要污染物。根據(jù)納污空間的不同，將區(qū)內(nèi)污染按地表水體污染、包氣帶污染以及地下水污染三種基本模式進行分類。各污染模式有其獨有特征，又相互聯(lián)系，密不可分(見圖2)。

圖2 污染模式關(guān)系示意圖

2.1 地表水體污染

研究區(qū)位于北盤江與南盤江的分水嶺地帶，區(qū)內(nèi)地表水系縱橫交錯，多為受納水體，接納沿岸煤企的排污水。煤礦位于碎屑巖區(qū)，在豐水期或持續(xù)多日降雨后，礦井涌水量明顯增大，污水處理設(shè)施能力有限，礦井水多未經(jīng)處理便排向了就近的地表河流或溪溝，加之沉淀池盈溢，導致了地表水體的污染；洗煤廠在碎屑巖區(qū)及碳酸鹽巖區(qū)均有分布，多臨近地表水體。據(jù)調(diào)查，區(qū)內(nèi)洗煤廠均建有污水處理配套設(shè)施，但污水處理能力普遍較小，未經(jīng)處理的洗煤水排入就近地表水體，造成地表水污染。煤企均有配套堆場，調(diào)查也發(fā)現(xiàn)有多個私人堆煤賣場以及用煤企業(yè)的粉煤灰堆場。這些堆場多位于溝谷兩岸等地勢相對低洼地帶，煤渣受降雨淋濾后流入下游溪溝，造成地表水體的污染。堆場的污染受降雨作用影響，呈現(xiàn)間歇發(fā)生的特點，一般6-9月份相對集中，接近于持續(xù)污染。

地表水也是地下水的補給來源。某些發(fā)源于碎屑巖地區(qū)的地表河流，在進入碳酸鹽巖區(qū)后，河水緩慢下滲或流進落水洞。

2.2 包氣帶污染

包氣帶是貯存和傳輸?shù)乇砣霛B水的地質(zhì)空間。對于污染而言，它是污染物遷移的載體，同時也是地下水的天然保護屏障。包氣帶巖性及其內(nèi)部空間(通道)形態(tài)決定了地下水污染化速度和程度。

重點工作區(qū)內(nèi)包氣帶巖性以粉質(zhì)粘土、碳酸鹽巖為主，第四系松散堆積物厚度較薄且分布不連續(xù)，除洼地等地勢低洼地帶外，絕大部分區(qū)域碳酸鹽巖裸露，故區(qū)內(nèi)包氣帶防污性能較差，長期的污染物滲入將導致地下水污染。

按污染物運移模式，區(qū)內(nèi)包氣帶污染可分為“注入”和“滲入”兩種形式。納污水體通過落水洞、寬大溶蝕裂隙等經(jīng)包氣帶迅速進入含水層，可視為注入型，其造成包氣帶污染表現(xiàn)出污染范圍小、深度大、污染迅速的特征；污染物在接受大氣降雨淋濾后緩慢入滲的過程，可稱為滲入型。相較注入型而言，滲入造成的包氣帶污染呈現(xiàn)出污染范圍大、深度小，并表現(xiàn)出間歇累積污染的特點。

2.3 地下水污染

地下水污染是區(qū)內(nèi)最為重要的污染形式，具有遲滯性、隱蔽性和難以逆轉(zhuǎn)性的特點。根據(jù)污染物運移形式、入滲途徑等，將區(qū)內(nèi)地下水污染分為點狀污染、線狀污染和面狀污染三種模式。

2.3.1 點狀污染

點狀污染主要是指污染物通過落水洞、豎井等似點狀地表巖溶通道到達地下河或含水層的污染形式。污染源一般分布于巖溶通道附近。

由于污染通道多直接溝通下部巖溶管道，點狀污染表現(xiàn)得更為迅速、直接。污染通道主要分布于地勢低洼地帶，匯水條件好，污染物隨水流進入地下，呈現(xiàn)出量大、連續(xù)的特點。因此，點狀污染對巖溶地下水污染貢獻較大。

如區(qū)內(nèi)某洗煤廠便為點狀污染模式，該洗煤廠位于溝口交匯處，地表多裸露二疊系茅口組中厚層塊狀灰?guī)r，溶蝕裂隙、溶溝以及落水洞等地表巖溶形態(tài)異常發(fā)育，洗煤廠修建有污水處理設(shè)施，但處理能力不足，大量洗煤水未經(jīng)處理便，洗煤水分別經(jīng)南側(cè)溪溝和北側(cè)泥煤堆場沉淀池直接排入三個落水洞(見圖3)。

圖3 某洗煤廠排污情況三維示意圖

筆者在2015年10月31日在其中一有持續(xù)水流匯入的落水洞進行連通試驗，歷時14 d17 h34 min(353.57 h)后于樂民河三股水段監(jiān)測出示蹤劑，證明該洗煤廠是造成此巖溶大泉污染的主要污染源。

2.3.2 線狀污染

線狀污染主要是指受納水體徑流途中由溶隙、落水洞等滲漏進入巖溶管道或含水層的污染形式(見圖4)。

圖4 巖溶地下水線狀(點狀)污染示意圖

污染程度主要受受納水體中污染物濃度、徑流長度、徑流速度、濾床結(jié)構(gòu)及巖溶發(fā)育程度等條件的控制。徑流長度決定了污染廣度，污染物濃度、徑流速度及濾床結(jié)構(gòu)控制了污染物沉積時間、滲入濃度，而巖溶發(fā)育程度則影響著污染物運移的速度和深度。

線狀污染模式，如小果榔河上游某煤礦，該煤礦自建有污水處理池，但規(guī)模較小，大量未處理的礦井水與地表沖洗水直接排入小果榔河，其排污已近12 a，排污量約2 L/s。小果榔河底部可見明顯的煤渣沉淀。小果榔河自礦區(qū)東側(cè)穿過，流經(jīng)碳酸鹽巖區(qū)，碳酸鹽巖區(qū)內(nèi)河段縱長1 267.30 m，上游斷面寬1.72 m，下游斷面寬0.85 m，進入碳酸鹽巖區(qū)后，邊流邊滲，據(jù)2015年11月9日流量測定，上、下游流量差為171.11 m3/d，這也是造成巖溶地下水污染的主要模式。

2.3.3 面狀污染

面狀污染主要是指呈面狀分布的污染源受大氣降水或地表積水淋濾，污染物通過溶蝕裂隙等滲漏進入巖溶管道或含水層，導致地下水污染的污染形式(見圖5)。面狀污染源主要為堆場(堆煤場、粉煤灰堆場等)，污染程度主要受堆場下伏巖溶發(fā)育程度、大氣降雨及堆場區(qū)匯水條件等的影響。

圖5 巖溶地下水面狀(點狀)污染示意圖

通過調(diào)查研究區(qū)及其周邊堆煤場，主涉及盤縣平關(guān)鎮(zhèn)、富源縣中安鎮(zhèn)以及沾益縣白水鎮(zhèn)三個區(qū)域。堆煤場規(guī)模不等，占地面積在5 000～50 000 m2的有35個，小于5 000 m2的有11個，大于50 000 m2的有9個。其中，位于碳酸鹽巖區(qū)的有43個，以盤縣平關(guān)鎮(zhèn)小街村一帶的方家廟和硝硐哨堆場污染貢獻最大。筆者在2015年10月31日以人工注水方式投入熒光增白劑，歷時14 d21 h40 min(357.67 h)，于樂民河三股水段檢出示蹤劑，證明其與三股水污染的直接聯(lián)系。

綜上所述，研究區(qū)內(nèi)巖溶地下水環(huán)境較為脆弱，受煤企生產(chǎn)排污行為的影響較大，煤礦、洗煤廠、堆煤場為主要污染源，以點狀、線狀、面狀及其組合形式通過包氣帶滲入或由溶隙、落水洞等途徑直接進入巖溶含水層污染地下水，最終以管道流、巖溶大泉等形式排出地表。其污染形式具有較為明顯的特征。

3 巖溶地下水污染特征

由于巖溶介質(zhì)的非均勻性，地下水賦存、運移也極不均勻。包氣帶中落水洞、漏斗、溶縫等發(fā)育，使地下水直接與地面和大氣相通，因此巖溶含水系統(tǒng)抗污染能力差，巖溶水資源環(huán)境十分脆弱，極易遭受污染。區(qū)內(nèi)巖溶管道發(fā)育，巖溶水動力條件和邊界條件復雜，滲漏途徑長而復雜，受管道形態(tài)及地下水補給、徑流作用影響，呈現(xiàn)出較為明顯的滯后性和周期性。

3.1 污染的滯后性

盤關(guān)向斜兩翼管道延伸較長，西翼管道長約15.5 km，污水由地表進入管道后流速驟降，加之巖溶管道曲折、坑洼，相當于分布多級天然沉淀池，污水極易沉積于管道底部。因此，排污初期污水排泄至樂民河時，水中懸浮物含量低、濁度小，與未污染河水感官差異不大。但經(jīng)數(shù)年排污，污染沉積物已基本填平巖溶管道底部并延伸至出口，此時管道底部平坦，污染物沉積條件不足，在降雨作用下，含有大量污染物的水體集中排出地表，表現(xiàn)出較為明顯的水體發(fā)黑、濁度升高的現(xiàn)象。

3.2 污染的周期性

據(jù)調(diào)查及監(jiān)測，樂民河水體濁度呈現(xiàn)周期性的變化，長時間未降雨，河流水體濁度會逐漸降低直到恢復至本底值，在持續(xù)降雨后的2～5 d，又出現(xiàn)濁度升高的現(xiàn)象，一般情況下，降雨量越大，其濁度變化峰值就越大。表明降雨入滲使地下水徑流擾動作用加強，對污染的影響作用較大，管道中沉積的煤顆粒受地下水徑流強度影響，經(jīng)歷了沉降與再懸浮，導致了樂民河水體發(fā)黑呈周期性出現(xiàn)。

4 結(jié)語

研究區(qū)地下水污染以巖溶管道為載體，巖溶水動力條件和邊界條件復雜，滲漏途徑長而復雜，受管道形態(tài)及地下水補給、徑流作用影響，呈現(xiàn)出較為明顯的滯后性和周期性。區(qū)內(nèi)煤企排污行為已久，但河流水質(zhì)明顯變黑則始于2015年5月，主要是由于巖溶管道內(nèi)部的沉淀使得排污初期水質(zhì)與本底無明顯感官差異所致；根據(jù)監(jiān)測分析，區(qū)內(nèi)污染一般集中于每年的6—9月發(fā)生，其后隨降雨間斷發(fā)生。降雨轉(zhuǎn)為地下徑流后引起的擾動，因帶入地表徑流產(chǎn)生的泥土，致使出口水體最初感官表現(xiàn)為褐黃色，數(shù)小時后呈灰黑色。

對于區(qū)內(nèi)地下水污染防治工作，建議在截斷已查明污染源，污染通道處禁止繼續(xù)傾倒污染物，嚴禁向落水洞、洼地等地排放污水；加強環(huán)保監(jiān)管，污染企業(yè)加強污水處理設(shè)施配置，提高污水處理能力，污水達標排放；碳酸鹽巖區(qū)嚴禁堆煤或傾倒粉煤灰等其他工業(yè)廢棄物。對于停排堆場，可采用覆土造田的臨時性措施，以達到減少淋濾的目的；流經(jīng)碳酸鹽巖區(qū)的受納水體上游污染企業(yè)嚴禁排放不達標污水。

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Study on the model and characteristics of karst groundwater pollution in coal area ——A case study of the Qianxi Panguan syncline region

YUAN Wei，LUO Ben-quan，WANG Chuan

(Sichuan Geological Engineering Investigation Institute,Sichuan Chengdu 610072)

The waste water produced in the process of coal production is the main factor causing groundwater pollution. Through the environmental hydrogeology survey, analyses the main cause of groundwater pollution in the Panguan Syncline area of coal enterprise production activities, find out the main pollution source of coal mine sewage, coal washing water and yard leaching water and by surface water leaching water, karst sinkholes and other ways to enter the karst aquifer of groundwater pollution, but also by the long-distance migration of karst conduit the excretion of pollution to the surface, caused the pollution of the underground river outlet surface. The three basic modes of pollution are surface water pollution, vadose zone pollution and groundwater pollution. In view of the hysteresis and periodicity of karst groundwater pollution in coal area, the countermeasures for prevention and control of karst groundwater pollution in coal area are put forward, which has certain reference value for environmental protection work in the district.

coal area；karst groundwater；pollution pattern

2017-03-14

袁偉(1983- )，男，甘肅寧縣人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及環(huán)境保護等工作。

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1004-1184(2017)04-0081-03