貴州省魚洞河流域桃子沖巖溶泉污染現(xiàn)狀及機(jī)理

于春勇，任虎俊

(1.中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056004； 2.中煤水文局技術(shù)研究院，天津 300121)

0 引言

煤炭作為我國重要的化石能源之一，占總能源消費(fèi)比高達(dá)57%[1-2]。貴州省凱里市魚洞河流域面積267km2，流域兩岸發(fā)育大量煤礦，自20世紀(jì)80年代以來，由于無序的采煤活動(dòng)，魚洞河流域生態(tài)環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞，形成了山青水“銹”的境況，嚴(yán)重影響了區(qū)內(nèi)五鎮(zhèn)9.6萬居民的日常生活，減少了當(dāng)?shù)馗孛娣e約2 330hm2，每年間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.6億元[3-6]。此外，由于魚洞河流域存在無主煤礦分布點(diǎn)多、采空面積廣、開采年份久遠(yuǎn)、資料不詳、巖溶發(fā)育、煤礦含硫成分高、環(huán)境影響大等系列問題[7-10]，目前已引起中央環(huán)保督查組與各級(jí)政府的高度重視，被列為中央環(huán)保督查組重點(diǎn)督查的項(xiàng)目之一。因此，魚洞河流域煤礦礦井水害治理和生態(tài)修復(fù)己刻不容緩。

鑒于上述原因，本文選取貴州省凱里市魚洞河流域桃子沖泉作為典型案例，通過對(duì)其區(qū)域內(nèi)萬利-青杠坳煤礦開采歷史的調(diào)研及現(xiàn)場勘查，結(jié)合水質(zhì)化驗(yàn)、鉆探、物探等資料的綜合分析，深入探討了桃子沖泉污染現(xiàn)狀及機(jī)理，進(jìn)而為后期魚洞河流域煤礦酸性廢水的治理技術(shù)和方案選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

桃子沖泉位于貴州省凱里市黔東地區(qū)魚洞河流域萬利-青杠坳煤礦區(qū)域內(nèi)，東南部毗鄰平路河，其周圍植被生長茂密，覆蓋率達(dá)53%，植物類型以闊葉林、針葉林、灌木林、灌叢和草坡為主，且常見溶洞、漏斗、落水洞等侵蝕、溶蝕為主的地貌。桃子沖泉整體處于魚洞向斜東南部的單斜構(gòu)造中，地層發(fā)育齊全，主要含煤地層為二疊系上統(tǒng)梁山組(P1l)，可采煤共1層，厚0.7～0.9m，煤層傾角小于10°，煤層下部以鋁土巖、黏土為主，且含鐵質(zhì)結(jié)核，煤層頂板為炭質(zhì)頁巖，厚約0.5m，具有極強(qiáng)的不穩(wěn)定性，煤炭開采過程中局部易形成垮塌，底板為鋁土質(zhì)頁巖、泥巖、粉砂巖及白云巖，具有不穩(wěn)定性。區(qū)域內(nèi)共發(fā)育新生界第四系砂礫石孔隙水、二疊系茅口組-棲霞組碎屑灰?guī)r巖溶裂隙水、石炭系下統(tǒng)擺佐組白云巖巖溶裂隙水、泥盆系上統(tǒng)堯梭組生物屑灰?guī)r巖溶裂隙水4套含水層，其中新生界第四系砂礫石孔隙水和二疊系茅口組-棲霞組碎屑灰?guī)r巖溶裂隙水為桃子沖泉水源的主要補(bǔ)給源，且二疊系茅口組-棲霞組巖溶裂隙水位于煤層頂板上部，可為后期采空區(qū)形成積水提供水源。

2 水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查

中煤水文局技術(shù)研究院于2020年9月份對(duì)桃子沖泉及周邊水質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場取樣分析。根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果(表1、圖1)，可知桃子沖泉水的pH值、SO42-、Fe2+和Mn2+均已超標(biāo)，總鐵含量超過《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB20426—2006)相應(yīng)限值的145倍。受此影響，位于桃子沖泉排泄點(diǎn)下游1km處的平路河河水總鐵含量高達(dá)7.5mg/L，超過標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)限值7.5倍，而桃子沖泉點(diǎn)附近巖溶泉水及上游河水水質(zhì)相應(yīng)指標(biāo)均未超標(biāo)，平路河河水清澈見底，無色無味。通過對(duì)現(xiàn)場流量長期的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)桃子沖泉豐水期流量為190m3/h，枯水期流量為90m3/h。若按照140m3/h平均流量計(jì)算，桃子沖泉全年總體排泄量可達(dá)122.64萬m3，總鐵累計(jì)排放量為1 057.16t，總錳累計(jì)排放量為2.01t。

表1 桃子沖泉及周邊水質(zhì)情況

圖1 桃子沖泉及周邊水質(zhì)取樣點(diǎn)分布Figure 1 Water quality sampling point distributionsin Taozichong spring area and periphery

由圖2、圖3可知，桃子沖泉水排泄至平路河后，最直接的污染現(xiàn)象體現(xiàn)在感官上，即河水開始渾濁，呈黃、褐黃、褐紅色，一直延伸到重安江匯合口。根據(jù)水質(zhì)檢測結(jié)果、取樣分布特征及遙感影像圖資料，發(fā)現(xiàn)自萬利-青杠坳井田巖溶排泄泉為起點(diǎn)，整條平路河河水總鐵、色度、濁度嚴(yán)重超標(biāo)，為劣V類水質(zhì)。

圖2 萬利-青杠坳煤礦酸性廢水污染現(xiàn)狀Figure 2 Wanli-Qinggang’ao coalmine acidic waste water pollution statuses

圖3 平路河河水影像Figure 3 Pingluhe River water images

3 污染機(jī)理分析

3.1 桃子沖泉補(bǔ)徑排條件

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查和勘查成果，區(qū)內(nèi)地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，多年平均降水量在1 264.7mm，雨量豐富，大氣降水通過第四系孔隙、基巖構(gòu)造和風(fēng)化裂隙及巖溶裂隙滲入地下，沿巖溶裂隙、構(gòu)造裂隙和風(fēng)化溶蝕裂隙賦存和運(yùn)移，向地勢低洼的溝谷以泉的形式排泄。自然條件下，研究區(qū)地層沉積呈連續(xù)完整狀態(tài)，梁山組中發(fā)育鋁土、黏土巖相對(duì)隔水層，梁山組底部煤系之上的棲露-茅口組(P2m-P2q)巖溶含水巖組與下部泥盆系堯梭組(D3y)巖溶含水巖組之間不存在水力聯(lián)系。萬利-青杠坳煤礦未開采之前，桃子沖泉接受大氣降水補(bǔ)給后，順層排泄至區(qū)內(nèi)標(biāo)高750m的侵蝕基準(zhǔn)面平路河，即上覆含水層與桃子沖泉不發(fā)生水力聯(lián)系(圖4)；后期煤層的開采破壞了煤層上部相對(duì)隔水地層，形成塌陷、裂隙、落水洞等系列地質(zhì)構(gòu)造，進(jìn)而導(dǎo)通了上部的棲霞組、茅口組巖溶含水層，同時(shí)大氣降水亦通過上述地質(zhì)構(gòu)造滲入補(bǔ)給地下含水層，后經(jīng)過層間裂隙、巖溶管道等通道徑流補(bǔ)給煤礦采空區(qū)。

圖4 自然條件下補(bǔ)徑排模式Figure 4 Recharge-runoff-discharge modesunder natural condition

此外，煤層的開采還將致使其底板破壞，形成大量導(dǎo)通下部桃子沖泉巖溶通道的裂隙(圖5)，最終巖溶水?dāng)y帶采空區(qū)內(nèi)被梁山組煤層及圍巖富含黃鐵礦團(tuán)塊和結(jié)核污染的酸性廢水，通過斷裂體系或人為通道進(jìn)入泥盆系堯梭組(D3y)巖溶含水層，經(jīng)巖溶管道混入桃子沖泉，排泄至平路河。

圖5 煤礦開采后補(bǔ)徑排模式Figure 5 Recharge-runoff-discharge modes after coal mining

3.2 桃子沖泉污染成因機(jī)理

3.2.1 污染源

據(jù)調(diào)查資料，萬利-青杠坳煤礦于2000年左右正式投產(chǎn)，采用斜井開拓走向長壁和放炮落煤房柱式采煤法，頂板全垮落[8]。煤層絕大部分位于平路河侵蝕基準(zhǔn)面以上，僅中西部部分區(qū)域煤層標(biāo)高低于侵蝕基準(zhǔn)面。桃子沖泉水源主要來源于棲霞-茅口組灰?guī)r巖溶含水層；構(gòu)造破碎帶導(dǎo)水性強(qiáng)且溝通區(qū)內(nèi)含水層及地表水系。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，位于萬利-青杠坳煤礦東部的巖溶泉水排泄點(diǎn)在煤礦開采之前即存在，但由于巖溶水未與梁山組富含黃鐵礦的煤層底板充分接觸，因此在煤礦開采之前，巖溶水未受污染(圖4)。

煤礦開采后形成采空區(qū)，巖溶水進(jìn)入采空區(qū)與采空區(qū)內(nèi)豐富的黃鐵礦接觸，形成酸性礦井水，酸性礦井水匯入到巖溶管道中，污染巖溶水(圖5)。實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)桃子沖泉豐水期最大涌水量達(dá)到190m3/h，總Fe為145mg/L，較毗鄰區(qū)半坡、黃壩煤礦井口廢水Fe含量(800mg/L)、江口鄉(xiāng)企煤礦井口廢水Fe含量(500mg/L)顯著偏低，表明直接從井口排放礦井廢水的Fe濃度大于萬利-青杠坳煤礦經(jīng)過巖溶通道排放廢水的Fe濃度，這也間接說明原來未受污染的巖溶泉水稀釋了高Fe濃度的礦井廢水，即煤礦采空區(qū)酸性廢水對(duì)桃子沖泉水具有一定的補(bǔ)給作用。

3.2.2 污染通道

3.2.2.1 巖溶

研究區(qū)位于喀斯特地貌景觀中，且正處于巖溶壯年時(shí)期，巖溶層位主要發(fā)育于棲霞—茅口組灰?guī)r和堯梭組灰?guī)r中。地表溶溝、溶槽、洼地、落水洞、溶洞及地下巖溶管道、地下暗河廣泛發(fā)育，巖溶水量大。根據(jù)現(xiàn)場勘查資料，可知平面上不同的地貌單元內(nèi)巖溶發(fā)育程度、形態(tài)、規(guī)模存在較大差異，但主要發(fā)育于分水嶺邊緣、槽谷和河谷地形中，其中分水嶺邊緣主要以小型洼地、落水洞和溶蝕溝槽為主，槽谷、河谷谷地主要發(fā)育較大規(guī)模呈串珠狀分布的巖溶洼地和漏斗，雨季豐水時(shí)期，地下水位快速上升，往往由于排泄不暢通，形成地表水、地下水明暗交替的現(xiàn)象，如研究區(qū)內(nèi)老董街-桃子沖巖溶暗河。除此之外，河谷區(qū)受構(gòu)造應(yīng)力作用，地殼呈上升狀態(tài)，加劇了河流下切作用，從而致使溶蝕作用不斷向縱向發(fā)展，形成多層溶洞、溶洞群、巖溶管道和地下暗河出口為主的兩岸巖溶景觀。

由圖6可知，巖溶洼地W01-W02-W03-W04-W06由西部向東依次為白巖橋、長沖村、桃子沖村，平面上整體呈東西向串珠條帶展布，故推測該地區(qū)下部棲霞-茅口組發(fā)育有巖溶暗河或巖溶管道。另外，西部白巖橋泥盆系堯梭組白云質(zhì)灰?guī)r中有較大溶洞(R20)，東部桃子沖泉口出露層位也為泥盆系堯梭組白云質(zhì)灰?guī)r，表明該區(qū)域東西一線泥盆系堯梭組白云質(zhì)灰?guī)r中同樣發(fā)育有巖溶暗河、巖溶管道，從而為煤礦采空區(qū)酸性廢水與桃子沖泉發(fā)生水力聯(lián)動(dòng)奠定了地質(zhì)基礎(chǔ)。

通過實(shí)地調(diào)查、化驗(yàn)測試、鉆探、物探等資料綜合分析，研究區(qū)巖溶較發(fā)育，主要發(fā)育老董街-桃子沖巖溶管道、白巖橋-桃子沖巖溶管道兩條巖溶通道(圖6)：

圖6 巖溶管道示意Figure 6 Schematic diagram of karst channels

1)老董街-桃子沖巖溶管道。位于平路河上游，進(jìn)口為落水洞，進(jìn)口高程843m，出口位于桃子沖泉，出口高程750m，管道長約2.45km，落差達(dá)93m，出口管道直徑比進(jìn)口管道下降3.7%。巖溶管道發(fā)育于D3白云巖層位中，走向呈東西向，徑流方向與魚洞向斜展布特征一致，徑流路線為老董街 (高程843m)→桃子沖→平路河泉水(高程750m)，徑流量約26L/s。

2)白巖橋-桃子沖巖溶管道。位于平路河上游，進(jìn)口為3個(gè)落水洞，進(jìn)口高程883m，出口位于平路桃子沖泉，出口高程750m，管道長約2.8km，落差達(dá)133m，出口管道直徑比進(jìn)口管道下降4.6%。巖溶管道穿過魚洞向斜，發(fā)育于D3灰?guī)r層位中，走向呈近東西向，徑流路線為白巖橋(883m)→長沖→桃子沖→平路河泉水(750m)，徑流量約25L/s。

3.2.2.2 構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育受構(gòu)造影響作用明顯，北東向展布的斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷層規(guī)模較大，延伸長、破碎帶影響范圍廣，派生多個(gè)較小斷層、小褶皺和裂隙，導(dǎo)致巖層被嚴(yán)重切割破碎，為地下水的儲(chǔ)存、運(yùn)移、溶蝕提供了有利空間。此外，地表水、地下水的頻繁交換促進(jìn)了巖溶作用，加之裂隙、斷層的延展方向與溶蝕主方向一致，進(jìn)而增強(qiáng)了桃子沖泉水源的補(bǔ)給動(dòng)力,為地下水的儲(chǔ)存、運(yùn)移、溶蝕提供了有利空間。此外，地表水、地下水的頻繁交換促進(jìn)了巖溶作用，加之桃子沖泉東南部F1斷裂體系與巖溶地下水流向一致，不僅可為桃子沖泉水源的補(bǔ)給提供良好的通道，亦可增強(qiáng)巖溶作用的發(fā)育程度，進(jìn)而增強(qiáng)桃子沖泉水源的補(bǔ)給動(dòng)力(圖6)。

4 結(jié)論

1)桃子沖泉水質(zhì)pH值、SO42-、Fe2+、Mn2+值均超出地表水源地相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以Fe2+超標(biāo)最為嚴(yán)重。桃子沖泉排泄口呈黃、褐黃、褐紅色，為劣V類水質(zhì)。

2)桃子沖泉污染物主要來源于萬利-青杠坳煤礦的采空區(qū)酸性廢水，梁山組煤層及圍巖富含黃鐵礦團(tuán)塊和結(jié)核是煤礦酸性廢水的污染源，煤層開采導(dǎo)致其底板破壞，巖溶管道、斷層及裂隙導(dǎo)通了下部桃子沖泉巖溶通道，致使礦井廢水混入桃子沖泉，造成泉水污染。