極端條件下石墨礦尾礦庫潰壩對水庫型水源地環(huán)境影響預(yù)測研究

高東東 肖杰 陳亞平 王春 辜凌云

（四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)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(tài)植被的破壞［1］。國外歷來重視礦業(yè)開采對環(huán)境造成的影響，經(jīng)過多年的發(fā)展與探索，已有100多個國家建立了礦山環(huán)境影響評價系統(tǒng)。美國聯(lián)邦政府和各州政府對礦井水污染問題極為重視，美國地質(zhì)調(diào)查局和很多高校及科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，英國、加拿大、南非、西班牙、德國、新西蘭等國也根據(jù)本國不同的礦山水環(huán)境污染問題，從不同的角度進(jìn)行了深入研究［2-6］。我國礦山環(huán)境評價及治理工程開始于20世紀(jì)50年代，自20世紀(jì)80年代以來，礦山開采導(dǎo)致的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境問題逐漸凸顯［7］，研究內(nèi)容多集中在礦山開采對土壤、地下水的影響［8-12］。當(dāng)?shù)V山廢水進(jìn)入地表水體中，會使當(dāng)?shù)厮w的理化性質(zhì)發(fā)生改變，水中對環(huán)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(jìn)入水源地，居民的身體健康和社會穩(wěn)定也會受到影響。飲用水水源保護(hù)問題已成為關(guān)系國計民生的重大問題，是國家公共衛(wèi)生安全體系的重要組成部分。石墨及石墨烯等先進(jìn)材料是當(dāng)今世界高端新材料領(lǐng)域的發(fā)展熱點，對于工業(yè)經(jīng)濟(jì)總量較小的四川省巴中市而言，石墨礦產(chǎn)業(yè)具有重要社會經(jīng)濟(jì)地位。巴中市南江縣某石墨礦區(qū)位于南江縣楊壩鎮(zhèn)境內(nèi)，其礦區(qū)范圍約90%位于水庫型水源地的準(zhǔn)保護(hù)區(qū)范圍，《四川省飲用水水源保護(hù)管理條例》（2019年修正）、《巴中市城市飲用水水源保護(hù)條例》（2020年修正）均規(guī)定：在水源準(zhǔn)保區(qū)內(nèi)禁止進(jìn)行可能嚴(yán)重影響飲用水水源水質(zhì)的礦產(chǎn)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(guī)的相符性，本文通過模型對假設(shè)極端條件下發(fā)生潰壩石墨礦選礦可能造成的環(huán)境影響進(jìn)行了預(yù)測分析，并提出對策措施，對于統(tǒng)籌規(guī)劃、加快推進(jìn)南江縣石墨資源的勘探與開發(fā)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(fā)源于南江縣光霧山，向東南流過楊壩鎮(zhèn)、流壩，轉(zhuǎn)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(yīng)急及備用水源為主，兼顧生態(tài)環(huán)境的?。?）型水利工程，日供水規(guī)模達(dá)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(yīng)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(hù)區(qū)范圍及流域水系

水源地取水口位于水庫大壩內(nèi)側(cè)，一級保護(hù)區(qū)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(hù)區(qū)水域兩岸縱深100 m的陸域范圍；二級保護(hù)區(qū)為一級保護(hù)區(qū)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(hù)區(qū)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(zhǔn)保護(hù)區(qū)為楊壩河取水口以上除一、二級保護(hù)區(qū)水域以外的全部水域范圍，取水口以上除一、二級保護(hù)區(qū)外整個集水范圍的陸域范圍（見圖1）。

2.2 石墨礦規(guī)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(chǎn)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(xù)選礦工藝。另外，項目還規(guī)劃建設(shè)有選礦廠、排土場、尾礦庫、生活區(qū)等。其中，選礦場和生活區(qū)位于露天采場東側(cè)鐵廠坪，共設(shè)吳家溝和廖家溝兩處排土場，尾礦庫布置于斯家溝內(nèi)。經(jīng)與水源保護(hù)區(qū)范圍對比，其規(guī)劃的露天采場、選礦廠、排土場、尾礦庫均位于水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)，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(xiàn)狀監(jiān)測斷面位置示意

礦山規(guī)劃的建設(shè)方案中向準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)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(jīng)沉淀處理，排入周家溝和東溪溝，然后進(jìn)入楊壩河；機(jī)修車間含油廢水回收處置不外排，且廢水量較小，發(fā)生事故等對地表水的影響較小。規(guī)劃中的選礦廠生產(chǎn)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(nèi)回水和尾礦庫滲漏水全部回用不外排，對地表水環(huán)境影響小，但尾礦庫距離二級保護(hù)區(qū)水域較近，一旦在極端情況下發(fā)生潰壩等事故，選礦廢水可能影響下游水源水質(zhì)。

2.3 水質(zhì)分析

2.3.1 背景水質(zhì)取樣及收集資料

為確定水質(zhì)背景值，分別在楊壩河上游（a）、吳家溝（b）、楊壩河下游（c）布設(shè)斷面（見圖2），主要監(jiān)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(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，常規(guī)指標(biāo)65項，監(jiān)測頻次為每月1次，全指標(biāo)109項，分析頻次為每年1次。對照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ，Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行評價。

2.3.2 選礦廢水取樣分析

根據(jù)石墨礦選礦試驗報告，采用浮選柱連續(xù)選礦工藝。主要試驗參數(shù)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(guī)劃中，為掌握污染源水質(zhì)情況，對選礦試驗廢水進(jìn)行取樣監(jiān)測。

2.4 模型預(yù)測

為分析石墨礦開采與水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)規(guī)定的相符性，采用水質(zhì)模型預(yù)測石墨礦將來開采發(fā)生極端情況是否會對下游水源水質(zhì)造成影響。

根據(jù)HJ 2.3—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》規(guī)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(dǎo)則推薦的S－P穩(wěn)態(tài)混合衰減模式和完全混合模式進(jìn)行預(yù)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(jìn)行預(yù)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(shù)，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(rèn)為其他指標(biāo)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(jié)果與分析

3.1 背景水質(zhì)及污染源水質(zhì)分析

3.1.1 地表水背景水質(zhì)

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，礦區(qū)周邊監(jiān)測斷面的監(jiān)測因子均符合GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值?？梢姷V區(qū)、尾礦庫、排土場所在的支溝水質(zhì)現(xiàn)狀均良好；楊壩鎮(zhèn)居民生活污水對楊壩河的水質(zhì)影響較小。根據(jù)水庫取水口監(jiān)測斷面分析結(jié)果，水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)中總氮、糞大腸菌群達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求，高錳酸鹽指數(shù)達(dá)到Ⅱ類，其余指標(biāo)均達(dá)到Ⅰ類，水庫取水口水質(zhì)較好，滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對水源一級保護(hù)區(qū)的要求。本次水質(zhì)分析結(jié)果為后續(xù)模擬預(yù)測提供了水質(zhì)背景值。

3.1.2 選礦廢水水質(zhì)

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)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(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 地表水及選礦試驗廢水監(jiān)測結(jié)果（節(jié)選） mg/L

3.2 水質(zhì)影響預(yù)測分析

3.2.1 預(yù)測參數(shù)

（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(yù)測為9 663.3 m3/d。

（2）水文參數(shù)及預(yù)設(shè)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(nèi)最枯月徑流一般出現(xiàn)在2月，多年平均流量為0.373 m3/s。本河段預(yù)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(yù)測因子確定

根據(jù)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(jìn)行預(yù)測。

（4）預(yù)測范圍、水質(zhì)背景值及保護(hù)目標(biāo)

預(yù)測范圍為尾礦庫下游6 800 m范圍內(nèi)楊壩河水體，取水口水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。選取吳家溝匯入楊壩河口上游河段的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為楊壩河水質(zhì)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(shù)

按照企業(yè)滿負(fù)荷生產(chǎn)預(yù)測排水量約9 663.3 m3/d。極端狀況下按照廢水全部排放預(yù)測，根據(jù)對選礦試驗尾水的監(jiān)測結(jié)果確定污染物濃度（見表1）。

（6）降解系數(shù)

《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》推薦的CODCr，NH3－N降解系數(shù)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(shù)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(yù)測結(jié)果

假設(shè)極端情況下9 663.3 m3/d廢水未進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，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(yù)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(zhì)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(yù)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(zhì)隨流程變化 mg/L

不同情形下取水口處的濃度與標(biāo)準(zhǔn)對比見表4。

表4 不同情形下取水口處的濃度與標(biāo)準(zhǔn)對比 mg/L

選礦廢水若在極端狀況下進(jìn)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(dǎo)致取水口總磷、石油類濃度上升，石油類未超Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，總磷由Ⅰ～Ⅲ類變?yōu)棰纛?；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(dǎo)致總磷、石油類濃度上升，總磷由Ⅰ～Ⅲ類變?yōu)棰躅?，石油類由Ⅰ類變?yōu)棰纛?，見?。

多年平均流量情形下，廢水排放對河道石油類的貢獻(xiàn)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(xiàn)率均超過50%，見表5。在極端狀況下，該石墨礦的開發(fā)可能嚴(yán)重影響城市飲用水水源水質(zhì)。

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(xiàn)占比 %

4 對策分析

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

圖3 現(xiàn)狀條件下石墨礦與水源保護(hù)區(qū)位置關(guān)系

從難度系數(shù)方面考慮，B水源地是國家發(fā)改委批復(fù)建設(shè)的大型水庫，A水源地為南江縣發(fā)改局批復(fù)建設(shè)的小型水庫，建議應(yīng)著重從A水源地方面入手解決南江縣石墨資源開發(fā)困境。A水源地上游現(xiàn)有1＃，2＃，3＃石墨礦探礦權(quán)，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(zhèn)上游的方案，取水口上移之后，一方面，2＃石墨礦規(guī)劃的露天采場、選礦廠、排土場、尾礦庫、生活區(qū)等均不位于調(diào)整后的飲用水水源保護(hù)區(qū)內(nèi)，且可供繼續(xù)建設(shè)用地非常充足；另一方面，2＃石墨礦的開發(fā)準(zhǔn)備工作進(jìn)度是該片區(qū)最領(lǐng)先的，可利用這兩方面的優(yōu)勢，在2＃石墨礦規(guī)劃基礎(chǔ)上，擴(kuò)大選礦廠、排土場、尾礦庫等的建設(shè)規(guī)模，將1＃，3＃片區(qū)石墨資源的選礦、尾礦堆放等統(tǒng)一安排在2＃礦區(qū)。上移后，新建的取水口專門用于南江縣的應(yīng)急及備用供水，還可解決楊壩鎮(zhèn)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(qū)的西北側(cè)部分在B水源地的匯水范圍內(nèi)建設(shè)選礦廠、尾礦庫等，并使南江縣石墨資源的開發(fā)與《巴中市城市飲用水水源保護(hù)條例》符合，見圖4。

圖4 取水口上移后石墨礦與水源保護(hù)區(qū)位置關(guān)系

5 結(jié)論與建議

（1）本次研究的2＃石墨礦規(guī)劃的尾礦庫位于水庫飲用水水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)，企業(yè)正常生產(chǎn)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(huán)境影響小。

（2）根據(jù)模型預(yù)測，極端狀況下若選礦廢水排放進(jìn)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(fā)可能嚴(yán)重影響城市飲用水水源水質(zhì)，與水源保護(hù)區(qū)相關(guān)條例不相符。

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

（4）建議將露天開采方式轉(zhuǎn)為全充填式地下開采，減少對地表生態(tài)的破壞。