西北內(nèi)陸地區(qū)露天礦外排水對水環(huán)境影響評價

周慧平，趙宏燕，李文娟

（內(nèi)蒙古恒源水利工程有限公司，呼和浩特 010018）

我國西北內(nèi)陸地區(qū)蘊含有豐富的煤炭資源［1］，采煤過程中會產(chǎn)生大量疏干水［2-3］，但煤礦自身用水量較小，后續(xù)工業(yè)用水項目又尚未建成，疏干水需要外排［3］。為保證露天采礦的正常運行，需設(shè)置露天礦入河排污口［4］，以解決露天礦的外排水問題。

我國西北內(nèi)陸地區(qū)地表水資源缺乏，河道流量較小，河流水環(huán)境承載能力較弱，勢必會引起河道污染物濃度增加及水環(huán)境污染［5］。在采礦過程中，河道排污口的設(shè)置及污染物排放影響的評價是尤為重要的［6］，本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)西烏珠穆沁旗白音華煤田三號露天礦為例，全面評價河道排污口設(shè)置及疏干水排放對河道水質(zhì)的影響評價。

1 研究區(qū)域概況

白音華煤田三號露天礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗巴彥花鎮(zhèn)，距旗政府所在地巴拉嘎爾高勒鎮(zhèn)東北98km 處。多年平均降水量266.1mm；多年平均蒸發(fā)量1184.6mm，夏季蒸發(fā)量最大，春季和秋季次之，冬季最?。欢嗄昶骄鶜鉁?.9 ℃；屬典型的溫帶大陸性氣候。

該地區(qū)河流眾多，水系發(fā)達，旗內(nèi)河流為內(nèi)陸河，屬烏拉蓋水系。旗內(nèi)有較大河流7條：伊和吉林河、小吉林河、巴拉格爾河、新郭勒、高日罕河、彥吉嘎河、寶日格斯臺河。

根據(jù)區(qū)內(nèi)含水介質(zhì)巖性、貯水條件、含水程度等水文地質(zhì)特征，地下水劃分為基巖裂隙含水巖（層）組、下白堊統(tǒng)孔隙裂隙層間含水巖（層）組、第四系孔隙潛水含水巖（層）組3大類。

下白堊統(tǒng)孔隙裂隙層間含水巖（層）組分布在巴彥花盆地東北、南東邊緣，呈環(huán)帶狀分布。含水層由砂巖和砂礫巖組成，含水透水性良好。沖洪積平原孔隙潛水主要分布于高日罕、彥吉嘎河谷平原之間的廣大平原地區(qū)。西烏珠穆沁旗主要河流特征如表1。

表1 西烏珠穆沁旗主要河流特征

2 研究與方法

研究范圍內(nèi)無實測水文資料，本次選用鄰近流域的白音烏拉水文站作為設(shè)計參證站。收集白音烏拉水文站1959～2014年（缺測1974年）共55a實測長系列徑流資料。模擬初始斷面（高勒罕水庫入庫）控制流域面積1422km2，與參證站白音烏拉水文站集水面積2866km2，相差51.05%。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，應(yīng)考慮設(shè)計參證站以上流域降水等的差異。

高勒罕水庫入庫斷面及白音烏拉水文站多年平均年徑流深系數(shù)1.1194，模擬初始斷面設(shè)計值采用面積比，并考慮徑流深地區(qū)分布規(guī)律，75%保證率下年徑流量1495萬m3。75%保證率高勒罕水庫入庫斷面設(shè)計最枯月徑流量2萬m3（不考慮冬季結(jié)冰期），計算得平均流量值0.0077m3/s。

根據(jù)水功能區(qū)水質(zhì)和水生態(tài)保護要求，選擇COD，NH3-N為評價因子，采用水質(zhì)數(shù)值模型和水文模擬軟件模擬評價河段COD、NH3-N的遷移擴散過程，確定設(shè)計水文條件下入河廢污水的影響范圍及影響程度，并分析入河排污口排污對水功能區(qū)水質(zhì)、水生態(tài)及第三者的影響。

3 水文數(shù)值模型模擬水質(zhì)

3.1 模型選擇

根據(jù)GB/T25173—2010 《水域納污能力計算規(guī)程》，Q≥150m3/s為大型河段15m3/s＜Q＜150m3/s為中型河段、Q≤15m3/s為小型河段。高日罕河高勒罕水庫入庫斷面多年平均流量0.84m3/s，計算河段屬小型河段。

內(nèi)蒙古自治區(qū)河流多為中小河流，污染物在較短的河段內(nèi)，基本能在斷面內(nèi)均勻混合，本次采用適用于污染物均勻混合的一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型對入河排污口排水情況進行模擬。

3.2 模型范圍

本次模型范圍選取高日罕河西烏珠穆沁旗工業(yè)用水區(qū)，初始斷面取在高勒罕水庫入庫，終止斷面選在塔日牙諾爾，全長81.7km。規(guī)劃年模擬范圍內(nèi)有1個排污節(jié)點，即本項目入河排污口，位于高勒罕水庫入庫斷面下游4.4km處，距水庫壩址處3.5km，距水庫管理范圍邊界7.4km。

3.3 模型參數(shù)

3.3.1 污染物降解系數(shù)K

本次污染物降解系數(shù)K直接采用《納污能力核定和限排總量方案》 對內(nèi)陸河流域污染物降解系數(shù)的測算值，COD和NH3-N的天然降解系數(shù)分別為7.639×10-6和4.167×10-6。

3.3.2 初始斷面水質(zhì)和流量

本次采用2016年錫林郭勒盟水利局監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，初始斷面（高勒罕水庫入庫）COD和NH3-N濃度分別為12.85，0.30mg/L。本次按75%保證率最枯月水庫平均流量作為設(shè)計流量進行計算。

3.4 結(jié)果預(yù)測

將各參數(shù)帶入一維水質(zhì)模型，模擬預(yù)測規(guī)劃年內(nèi)COD，NH3-N濃度變化，水質(zhì)模型預(yù)測如圖1，圖2，表2。

圖1 入河排污口排水后COD濃度變化

圖2 入河排污口排水后NH3-N濃度變化

表2 排水后地表水污染物濃度 單位：mg/L

由表2可知：

（1） 排污口排水前高日罕河地表水COD濃度8.31mg/L，與外排水混合后COD濃度18.23mg/L，水庫水質(zhì)下降但仍滿足目標(biāo)水質(zhì)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求；污染物運移到高勒罕水庫壩址處COD濃度10.78mg/L，達到地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L）標(biāo)準(zhǔn)；污染物運移到水質(zhì)代表斷面塔日牙諾爾COD濃度4.84mg/L，優(yōu)于地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L）標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 排污口排水前高日罕河地表水NH3-N濃度0.237mg/L，與外排水混合后NH3-N濃度0.663mg/L，水庫水質(zhì)下降但仍滿足目標(biāo)水質(zhì)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求； 污染物運移到高勒罕水庫壩址處NH3-N濃度0.498mg/L，達到地表水Ⅱ類 （NH3-N≤0.5mg/L）標(biāo)準(zhǔn)； 污染物運移到水質(zhì)代表斷面塔日牙諾爾NH3-N濃度0.322mg/L，優(yōu)于地表水Ⅱ類（NH3-N≤0.5mg/L）標(biāo)準(zhǔn)。

（3） 至高勒罕水庫壩址處時和至高勒罕水庫管理范圍邊界處時，COD和NH3-N濃度均達到地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L，NH3-N≤0.5mg/L）標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)于水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)地表水Ⅲ類 （COD≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L）標(biāo)準(zhǔn)，符合水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求，不會對高勒罕水庫下游河流水質(zhì)產(chǎn)生影響。

4 水質(zhì)模擬軟件模擬水質(zhì)

4.1 模型選擇

本次選用基于荷蘭三角洲研究院（Deltares）的模型算法開發(fā)的國產(chǎn)化水環(huán)境模型軟件3EWATER軟件。3EWATER軟件分5個板塊，分別為RGFGRID網(wǎng)格化工具、GISMODEL建模工具集、GISFLOW水動力模型、GISPLOT模擬結(jié)果分析和3DPLOT三維展示模塊。

結(jié)合論證水功能區(qū)（水域）的實際情況，使用3EWATER軟件水質(zhì)模型系統(tǒng)二維模型對入河排污口排水進入高日罕河河道的運動變化情況進行模擬。以COD和NH3-N作為本次污染因子進行計算分析。

4.2 模擬范圍及參數(shù)的確定

本次驗證范圍初始斷面取在高勒罕水庫入庫，終止斷面選在塔日牙諾爾，全長81.70km。采用GISMODEL和RGFGRID工具建立曲面正交網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)共計431600個。建立的網(wǎng)格模型如圖3。

圖3 模型預(yù)測網(wǎng)格劃分

初始斷面（高勒罕水庫入庫）流量0.0077m3/s，COD和NH3-N濃度分別為12.85，0.30mg/L；COD和NH3-N的天然降解系數(shù)分別為7.639×10-6/s和4.167×10-6/s。

規(guī)劃年本次模擬考慮河段內(nèi)有1個排污節(jié)點，即本項目入河排污口，COD濃度均為20mg/L，NH3-N濃度均為1mg/L，排污流量0.0432m3/s。

規(guī)劃年水庫壩址斷面流量0.1705m3/s。本次模擬時間選擇計算2d，步長設(shè)置5min。

4.3 預(yù)測結(jié)果

將各參數(shù)帶入3EWATER軟件，預(yù)測規(guī)劃年高日罕河西烏珠穆沁旗工業(yè)用水區(qū)初始斷面高勒罕水庫入庫至該水功能區(qū)終止斷面塔日牙諾爾 （水質(zhì)代表斷面）的COD，NH3-N濃度變化，如圖4，圖5和表3。

圖4 預(yù)測入河排污口排水后COD濃度變化

圖5 預(yù)測入河排污口排水后NH3-N濃度變化

表3 排水后地表水污染物濃度 單位：mg/L

由表3可知：

（1）排污口排水前高日罕河地表水COD濃度8.29mg/L，入河排污口排水混合后COD濃度18.59mg/L，水庫水質(zhì)下降但仍滿足目標(biāo)水質(zhì)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求； 污染物運移到高勒罕水庫壩址處COD濃度10.46mg/L，達到地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L）標(biāo)準(zhǔn)；污染物運移到水質(zhì)代表斷面塔日牙諾爾COD 濃度4.70mg/L，優(yōu)于地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L）標(biāo)準(zhǔn)。

（2）排污口排水前高日罕河地表水NH3-N濃度0.235mg/L，入河排污口排水混合后NH3-N 濃度0.696mg/L，水庫水質(zhì)下降但仍滿足目標(biāo)水質(zhì)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求； 污染物運移到高勒罕水庫壩址處NH3-N濃度0.473mg/L，達到地表水Ⅱ類 （NH3-N≤0.5mg/L）標(biāo)準(zhǔn)；污染物運移到水質(zhì)代表斷面塔日牙諾爾NH3-N濃度0.306mg/L，優(yōu)于地表水Ⅱ類（NH3-N≤0.5mg/L）標(biāo)準(zhǔn)。

（3）至高勒罕水庫壩址處時，和至高勒罕水庫管理范圍邊界處時，COD和NH3-N濃度均達到地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L，NH3-N≤0.5mg/L）標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)于水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)地表水Ⅲ類 （COD≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L）標(biāo)準(zhǔn)，符合水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求，不會對高勒罕水庫下游河流水質(zhì)產(chǎn)生影響。

5 結(jié)果對比

本項目采用兩種方法模擬了入河排污口排水后的水質(zhì)變化情況，兩種方法均顯示COD和NH3-N入庫后與庫內(nèi)水混合后水庫水質(zhì)變差，但隨著水流流動污染物逐漸降解，污染物運動至水庫管理范圍邊界處時已優(yōu)于水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)。兩種方法結(jié)果對比如表4。

表4 預(yù)測結(jié)果對比 單位：mg/L

由表4可看出，軟件模擬的污染物濃度比數(shù)值模型的結(jié)果小，偏于安全考慮，本次最終采用數(shù)值模型模擬的結(jié)果。根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)水功能區(qū)劃》，高日罕河西烏珠穆沁旗工業(yè)用水區(qū)目標(biāo)水質(zhì)為Ⅲ類。根據(jù)模擬結(jié)果，COD和NH3-N入庫后與水庫水充分混合后即達到水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)要求，運動至水庫管理范圍邊界斷面時優(yōu)于水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)，不會影響高勒罕水庫下游河流水質(zhì)。

6 排污區(qū)域影響

6.1 對水功能區(qū)水質(zhì)影響

入河排污口排入水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，入河排污口排水水質(zhì)為Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，已滿足水質(zhì)目標(biāo)要求。

根據(jù)模擬結(jié)果，COD和NH3-N在出管理范圍前已全部損耗，不會對水庫管理范圍外的地表水水質(zhì)造成影響。綜上，入河排污口設(shè)置后，不會影響水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的實現(xiàn)。

6.2 對水生態(tài)影響

入河排污口排水水質(zhì)符合規(guī)范中觀賞性景觀環(huán)境用水（河道類）的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對水庫養(yǎng)殖、漁產(chǎn)品產(chǎn)卵和景觀用水不存在排污的不利影響。同時，正常排水情況下本項目入河排污口不會改變水功能區(qū)水質(zhì)類別，對水生生物群落和水生態(tài)環(huán)境影響很小。

6.3 對地下水影響

入河排污口排水為煤礦疏干水，水質(zhì)達到GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，排入高勒罕水庫與水庫水混合后運移到水庫壩址處已滿足GB/T14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較好，因此入河排污口對周邊地下水影響不大。

6.4 對第三者影響

入河排污口論證范圍主要影響的第三方取用水戶是工業(yè)用水、漁業(yè)用水和淺層地下水取水戶。

入河排污口疏干水排水水質(zhì)達到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)于GBT19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》和GB 11607—89《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》。同時入河排污口疏干水排水處理后可用作生活用水。入河排污口的設(shè)置對工業(yè)用水、漁業(yè)用水戶、淺層地下水取水戶不會造成不利影響。

7 結(jié)語

（1）采用水質(zhì)數(shù)值模型和水文模擬軟件對本項目入河排污口排水后的水質(zhì)變化情況進行模擬預(yù)測。設(shè)計保證率枯水年份（75%）最不利結(jié)果（數(shù)值模型模擬結(jié)果）排水量（123.09萬m3/a）情況下，初始濃度COD 12.85mg/L，NH3-N 0.30mg/L； 至高日罕河西烏珠穆沁旗工業(yè)用水區(qū)初始斷面高勒罕水庫入庫下游10.9km處（即水庫管理范圍邊界處）時，COD濃度9.95mg/L，NH3-N濃度0.477mg/L；至高日罕河西烏珠穆沁旗工業(yè)用水區(qū)終止斷面塔日牙諾爾時，COD濃度4.84mg/L，NH3-N濃度0.322mg/L，符合該水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)地表水Ⅲ類（COD≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L）要求。

（2）入河排污口主要影響的第三方取用水戶是工業(yè)用水、漁業(yè)用水和淺層地下水取水戶。排水水質(zhì)較好，不會對第三者產(chǎn)生不利影響。

（3）按照《納污能力核定和限排總量方案》要求排放，2020年和2030年COD，NH3-N限排總量分別為351.55，15.90t/a，不得超過規(guī)劃年限排總量。