重大水利工程隧洞施工廢水處置技術(shù)調(diào)查研究

摘 要：隧洞作為水利工程的重要單位工程，通常會穿越富含地下水的地段。目前針對隧洞涌水、廢水處置的研究取得了一定成果，但仍存在一些問題亟待解決。分析了隧洞施工廢水來源和特征，通過調(diào)查隧洞施工廢水處置工藝以及重大水利工程廢水處置實踐，剖析了隧洞施工廢水處置面臨的主要問題，提出了針對性的對策建議，以期為重大水利工程隧洞施工廢水處置提供參考。

關(guān)鍵詞：廢水處置；水利工程；隧洞施工

中圖分類號：X523 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

中國基本水情一直是夏汛冬枯、北缺南豐，水資源時空分布極不均衡。加快構(gòu)建國家水網(wǎng)、建設(shè)重大引調(diào)水工程，是解決水資源時空分布不均的必然要求。中華人民共和國成立以來，建成了世界上規(guī)模最大、范圍最廣、受益人口最多的水利基礎(chǔ)設(shè)施體系。黨的十八大以來，我國建成了一批跨流域、跨區(qū)域的重大引調(diào)水工程，其中南水北調(diào)東線、中線一期主體工程在我國經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護方面發(fā)揮著重要作用。2021年1月，鄂北地區(qū)水資源配置工程全線通水，2022年7月，作為南水北調(diào)工程后續(xù)首個項目的引江補漢工程正式開工，2022年底，引江濟淮工程試通水、試通航順利完成。2023年5月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《國家水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃綱要》（以下簡稱《規(guī)劃綱要》），提出圍繞國家重大戰(zhàn)略，加快構(gòu)建國家水網(wǎng)主骨架和大動脈。目前，陜西引漢濟渭工程已完工，即將通水運行，云南滇中引水工程等重大引調(diào)水工程加快建設(shè)，甘肅白龍江引水工程前期工作加快推進。

隧洞作為水利工程的重要單位工程，一般會穿越富含地下水的地段，地質(zhì)條件非常復雜。隧道施工不僅面臨很大的安全風險，而且產(chǎn)生的突涌水、廢水處置十分棘手。隧洞施工中的涌水處理通常采用“堵排結(jié)合，以堵為主”的施工策略[1]。涌水量大的施工段主要采取“排水和導水為主，注漿堵水為輔”的策略，涌水量小的施工段主要采取“注漿堵水為主，排水和導水為輔”[2]的策略。隧洞施工廢水除了pH值超標外，懸浮物（SS）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）一般也會超標。此外，廢水中的總磷（TP）和石油類等也是引起水環(huán)境問題的重要因子[3]。目前針對隧洞涌水、廢水處置的研究雖然取得了一定進展，但是尚處在探索階段。因此，有必要進一步開展重大水利工程隧洞施工廢水處置技術(shù)的研究工作。

1 隧洞廢水特征及排放要求

1.1 隧洞施工廢水來源分析

根據(jù)隧道施工的操作工藝和周邊的環(huán)境狀況，隧洞廢水的主要來源有：隧道穿越不良地質(zhì)單元時產(chǎn)生的涌水、施工機械產(chǎn)生的廢水、鉆爆施工中爆破后用于降塵產(chǎn)生的廢水、噴射混凝土和注漿產(chǎn)生的廢水[4-6]（見表1）。其中地下水涌水隨地質(zhì)狀況變化較大，通常是隧洞廢水的最主要來源。隧洞廢水中污染物來源與地質(zhì)構(gòu)造（如穿越含煤夾層時，廢水中會含煤粉顆粒）、隧洞施工方法有密切的聯(lián)系，污染物的濃度與施工所處的階段緊密的相關(guān)[7]。鉆爆施工產(chǎn)生的污染物主要有固體顆粒物、爆炸后殘余物質(zhì)、支護產(chǎn)生的混凝土等；TBM盾構(gòu)各機械部件需要使用大量的潤滑機油，其施工廢水具有水量大且連續(xù)集中、懸浮物與石油類污染物含量高及污染物總量大等特點[8]。隧洞施工廢水若得不到妥善處理，將會污染受納水體，破壞周邊水域的生態(tài)環(huán)境。

1.2 隧洞施工廢水特征分析

隧洞施工廢水的水質(zhì)、水量與所處的地質(zhì)環(huán)境相關(guān)。隧洞涌水排水量小，廢水水質(zhì)相對較差，反之廢水的水質(zhì)狀況一般較好，而待處置的廢水量通常與隧洞排水量正相關(guān)。隧洞圍巖中重金屬含量較高時，廢水中重金屬可能超標，在微生物作用下會轉(zhuǎn)化為金屬有機化合物，進而通過食物鏈的作用影響人體健康[9-10]。圍巖較差的軟巖洞段則會產(chǎn)生大量泥漿，造成廢水中污染物濃度的升高。隧洞施工廢水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表2。

根據(jù)隧洞施工廢水檢測結(jié)果，隧洞施工廢水處置的重點是懸浮物（SS）超標、酸堿度（pH）偏高問題，而氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學需氧量（COD）和石油類污染物相對可控。廢水中污染物濃度與施工階段有關(guān)，隧洞施工初期、中期和末期，廢水中的SS濃度先升高再降低，這是因為巖體爆破、出渣中產(chǎn)生的巖粉、夾雜的泥沙、爆破產(chǎn)生的粉塵以及噴漿中的混凝土等與涌水混合導致SS含量急劇升高，而支護、灌漿或涌水量加大時廢水中的SS濃度逐漸降低。隧洞施工廢水pH較高，呈強堿性，是由灌漿時水泥熟料中的堿性物質(zhì)進入廢水中導致的。隧洞初期廢水中TP、COD、石油類有所超標，但中期和末期廢水中均未超標，隧洞廢水中的有機物含量較低。隧洞廢水中NH3-N濃度略為升高，但低于排放標準。隧洞廢水的水質(zhì)變化與施工方法緊密相關(guān)。在爆破完成后SS及含氮污染物濃度首先升高并達到峰值，此后其他污染物濃度也隨之升高；TBM 掘進開始后，隧洞廢水污染物逐漸升高，一段時間后污染物排放趨于穩(wěn)定[7]。另外，隧洞開挖過程中地下涌水量變化會引起隧洞廢水污染物濃度的變化，隧洞開挖所處的地質(zhì)環(huán)境導致的重金屬等污染問題則存在不確定性。

1.3 隧洞廢水排放要求

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部門要求，隧道廢水需處置后排放或回用。具體來說，一般需要滿足《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）中的相關(guān)標準。鑒于隧道工程廢水的受納水體為河流或湖泊，處置后的廢水排放還需滿足受納水體水質(zhì)管理目標要求。未劃分功能區(qū)劃的水域，按不低于現(xiàn)狀水質(zhì)類別確定水質(zhì)目標；受納水體是飲用水水源地時，排放需滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）中相關(guān)標準。具體排放標準要求見表3、表4。

2 隧洞施工廢水處置調(diào)查

2.1 隧洞廢水處置技術(shù)

常見的隧道施工廢水處置方法有（預(yù)沉）沉砂、（調(diào)酸）混凝、沉淀等，必要時還可以采用隔油、氣浮、過濾和吸附等方法，這些方法大多屬于物理和化學手段。沉砂池主要對廢水中較粗的物質(zhì)、密度大的懸浮物進行分離；混凝池主要通過設(shè)置攪拌裝置，投加pH調(diào)節(jié)劑、絮凝劑或助凝劑，將細微粒子和膠體混凝形成“礬花”后祛除；沉淀池則用于進一步去除混凝后的污染物。

不同處置工序?qū)ξ廴疚锏奶幹眯Ч煌S而言，混凝工藝祛除效果最好，其次是過濾和沉淀工藝，吸附工藝效果最差；對于COD而言，同樣是混凝工藝祛除效果最好，其他方法處理效果差別不大[16]。隧洞廢水處置工藝主要根據(jù)廢水水量、污染物特征等因素，對上述工序進行適當?shù)慕M合，達到廢水處置達標排放或回用的目的。

（1）兩級沉淀處置工藝。主要工序是預(yù)沉和沉淀（見圖1）。隧洞廢水進入預(yù)沉池再進入沉淀池進行自然沉淀，將上清液排放或資源化利用，泥砂外運至附近渣場。其優(yōu)點是工藝流程簡單、運行費用少，缺點是處置廢水量有限，占地面積較大。

（2）三級沉淀處置工藝。與兩級沉淀處置工藝相比，增加了混凝池，用以調(diào)節(jié)pH值，祛除部分SS等污染物[17]（見圖2）。其優(yōu)缺點取決于混凝工藝和沉淀池的沉淀方式，總體處理效果一般優(yōu)于兩級沉淀處置工藝。

（3）隔油沉淀處置工藝。將沉淀池、分離池、水解酸化池和好氧池等替換為反應(yīng)隔油沉淀器（見圖3）。同時，將酸化工序與pH調(diào)節(jié)工序相結(jié)合，加快水解反應(yīng)效率，增加污泥的集中處理設(shè)備，方便運行操作[8]。

（4）磁分離處置工藝。主要依靠提升泵，將廢水運至磁分離系統(tǒng)進行處理，將系統(tǒng)出水引至超磁分離機，進行固液分離凈化，出水最終排入周邊溝渠。分離出的沉積物進入磁分離磁鼓，在其高度分散區(qū)將磁種和非磁性懸浮物進行分散處理，非磁性污泥進入脫水系統(tǒng)，并對磁種進行吸附回收[18]。

（5）高效過濾處置工藝。在工藝流程中增加高效過濾工藝，并把普通沉淀池改為斜板沉淀池。隧洞廢水先在預(yù)沉池進行初步沉淀處置，去除大顆粒等雜質(zhì)，并調(diào)節(jié)水量、減輕后續(xù)處理工序的壓力。經(jīng)處理后廢水依次采用格網(wǎng)強化混凝、斜板增強沉淀等工序處置，絕大部分的懸浮物質(zhì)將被祛除[18]。

2.2 重大水利工程廢水處置案例

以引漢濟渭工程、滇中引水工程等重大水利工程為例，調(diào)研其隧洞廢水處置情況及效果。

2.2.1 引漢濟渭工程

引漢濟渭工程由調(diào)水工程和輸配水工程組成，地跨長江、黃河兩大流域。秦嶺輸水隧洞是引漢濟渭工程的關(guān)鍵控制性工程，總長98.3 km，最大埋深2 012 m，地質(zhì)條件極其復雜。2023年7月，引漢濟渭工程正式通水。學者們圍繞秦嶺隧洞廢水處置開展了大量試驗和研究。

楊曉盟[19]對越嶺段部分支洞進行了研究，得出該段隧洞廢水污染物以SS、Fe、COD、NH3-N、TN為主。隧洞廢水采用三級沉淀+吸附處置工藝，以聚合氯化鋁（PAC）為混凝劑、聚丙烯酰胺（PAM）為絮凝劑，廢水最佳停留時間為120 min，PAC的最佳投藥量為400 mg/L，COD祛除率最高，達到90.26%，NH3-N、TN祛除率分別為44.79%、43.67%，出水濁度為4.91 NTU。

靳李平等[20]針對秦嶺輸水隧洞廢水水量較大、SS含量高、Fe超標等特點，提出了“混凝+沉淀+錳砂過濾+吸附”的處理工藝，并開展了處置試驗。結(jié)果表明，在最佳投藥量400 mg/L情況下，懸浮物祛除率達90%以上，COD、NH3-N的祛除率分別約為85%、60%。處理后水質(zhì)能滿足地表水環(huán)境質(zhì)量中Ⅱ類水體的標準。

房佳亮[21]總結(jié)了秦嶺隧洞出口施工期間污水處理的成功經(jīng)驗，即按照預(yù)沉、混凝、隔油沉淀等工序后最終達到排放標準，淤泥脫水后運至棄渣場填埋，隔油沉淀池中油污及時進行收集后集中處理，處理水質(zhì)能滿足地表Ⅱ類水標準要求。該技術(shù)最大處理能力為15 200 m3/d，是一種高效率、低投入、操作簡便、適應(yīng)性強的隧道施工期污水處理技術(shù)。

任吉濤[22]在秦嶺隧洞6#洞口前期廢水處置試驗基礎(chǔ)上，結(jié)合引漢濟渭工程廢水處理的實際需要，提出采用高效沉淀+快濾+碳濾的自動化廢水處理方法，最大處理能力達到25 000 m3/d，運行綜合單價約為0.5元/m3。處理效果明顯，主要水質(zhì)參數(shù)遠遠高于設(shè)計指標，且維護方便、性能穩(wěn)定，符合水源地環(huán)保要求。

2.2.2 滇中引水工程

滇中引水工程由水源工程和輸水工程組成，于2018年10月開工，干線總長664 km，其中隧洞占比92%，控制性工程為總長62.6 km的香爐山隧洞，埋深1 000 m以上的隧洞長度21.4 km，占總長的34%。目前滇中引水工程仍在施工中，隧洞施工中廢水處置的工作難度較大。

滇中引水工程玉石廠隧洞出口廢水采用三級沉淀處置工藝，投入檸檬酸鈉調(diào)節(jié)pH，投入PAC及PAM處理懸浮物，處理后出水口pH一般為8～9，懸浮物濃度一般為5～50 mg/L，廢水排放滿足一級標準限值。處置后的廢水可用于灑水降塵、綠化和灌溉用水，剩余的部分排入附近的溝渠。隧洞排水處理后，清淤污泥經(jīng)干化后運至附近棄渣場[14]。

昆玉隧洞中后段隧道分多段開挖，在牧羊村倒虹吸起點結(jié)束。昆玉隧洞距滇池平均距離約為6 km，對隧洞廢水排放的環(huán)境保護要求極高。該段隧洞廢水主要采用三級沉淀處置工藝，出水池通往指定地點排放。12#支洞廢水排入施工地附近環(huán)境敏感性較高的梁王河，施工單位還在排水出口鋪設(shè)稻草等凈化物質(zhì)，用于進一步吸附降低懸浮物的含量[23]。

蔡家村隧洞、松林隧洞工程施工期產(chǎn)生的施工廢水pH值大部分時間在10以上，超出允許排放標準。結(jié)合現(xiàn)場使用條件、水質(zhì)特點等因素，考慮處理方法的實用性、可靠性、經(jīng)濟性，提出了一種投加二氧化碳調(diào)節(jié)堿性廢水pH值的方法及裝置。運用二氧化碳氣體中和堿性廢水，使pH值達到排放標準[24]。

2.2.3 其他工程

某輸水工程TBM 開挖洞段長度37.71 km、洞徑為8.5 m，采用開敞式TBM并行作業(yè)。隧洞穿越多個環(huán)境敏感區(qū)，要求廢水處理后循環(huán)利用，禁止外排。針對該工程施工廢水特點，采用隔油沉淀處置工藝，TBM開挖施工用水和施工廢水處理后均滿足Ⅲ類及以上水質(zhì)要求。該處理裝置占地面積較大，約600 m2，總投資費雖不足100萬元，仍然比較昂貴[8]。

3 隧洞廢水處置的主要問題

針對重大水利工程的隧洞廢水處置，雖然研究者們進行了一些有益的探索，但仍然存在一些問題，有待進一步的研究。

3.1 隧洞涌水量的不確定性

隧洞建設(shè)面臨地形地貌復雜、地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化多樣、地層裂隙和巖溶、地下水和地震等問題[25]。鑒于隧洞穿越地段環(huán)境的復雜性，即使設(shè)計單位前期做了大量勘測預(yù)報工作，隧洞涌水量仍存在很大的不確定性，特別是在富水區(qū)域，給隧洞廢水處置帶來困難。實際施工過程中，隧洞涌水量的變化可能很大，通常也會發(fā)生突泥涌水。如果隧洞涌水突然大量增加，超出了隧洞廢水處置設(shè)備的規(guī)模，未經(jīng)處理的隧洞排水直接排入受納水體，將會造成環(huán)境污染事件。

3.2 處置工藝的適用性問題

目前各種廢水處置的工藝層出不窮，但這些處置工藝不一定都適合隧洞廢水處置。我國目前推行工程總承包的模式，廢水處置費用一般由施工單位承擔，在追求利潤的前提下，廢水處置設(shè)備及運行成本是影響工藝選擇的主要因素。隧洞工程一般分布在山區(qū)地段，能用于布設(shè)隧洞廢水處置設(shè)備的場地非常有限，特別是在處置涌水量大的隧洞廢水時，施工占地是設(shè)施設(shè)備選擇的重要因素。由此可見，隧洞廢水處置面臨的兩個挑戰(zhàn)是處置成本和處置設(shè)備的占地問題。

3.3 廢水處置的二次污染

隧洞廢水處置中，試劑的選擇非常重要，直接關(guān)系到廢水處置的費用和效果。針對隧洞施工的高堿廢水問題，采用檸檬酸調(diào)節(jié)pH值的傳統(tǒng)工藝方法，處理效果不穩(wěn)定，出水合格率低，安全性低，投入成本較高，且會產(chǎn)生少量的有機污染物[24]。廢水處置的混凝劑主要是PAC和PAM，實際中如廢水中重金屬Fe超標，使用聚合硫酸鐵（PFS）也無法祛除?；炷齽㏄AM則可能導致二次污染，不利于隧洞周圍生態(tài)環(huán)境的保護。

3.4 廢水資源利用程度不高

目前，隧洞廢水經(jīng)預(yù)沉池+混凝+沉淀池等工序處理后，一般直接排放到受納水體，只有少部分用于施工場地的降塵、綠化或施工用水。對于干旱、半干旱地區(qū)而言，地下水是非常寶貴的資源，不僅可以用于農(nóng)業(yè)灌溉等生產(chǎn)用水，而且還可以用于臨時用地的植被恢復。此外，對隧洞施工地下水下降較大的區(qū)域，隧洞廢水經(jīng)處置達標后回灌可以減輕對周邊環(huán)境的負面影響。即使是排水量較大、采用“清污分流”的施工區(qū)，處置后的隧洞廢水利用程度也不高，隧洞廢水有待“變廢為寶”。

4 建 議

隧洞施工廢水中污染物來源與施工方法有關(guān)，污染物濃度與施工階段、施工方法、涌水排水量和所處的地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)，隧道施工廢水處置工藝要根據(jù)實際情況合理選擇。目前，學者圍繞引漢濟渭工程、滇中引水工程等隧洞廢水處置進行了有益的探索，但仍面臨隧洞涌水量的不確定性、處置工藝的適用性、廢水處置的二次污染、特殊地層重金屬超標、重金屬污染和廢水資源利用程度不高等問題。針對這些問題，提出以下建議。

4.1 優(yōu)化隧洞施工廢水排放工藝

為降低施工單位隧洞廢水處置的成本，建議采用“清污分流”的工藝，即施工中避免干凈的地下涌水與施工廢水混合，從源頭減少廢水的產(chǎn)生。隨著隧道設(shè)計理念變化，有的國家提出“可接受的”隧道地下水排放量標準，該標準既滿足施工后水環(huán)境平衡的恢復，又兼顧了工程投資、質(zhì)量和進度等要求[26]。在遇到突涌水量很大的突發(fā)事件時，現(xiàn)有封堵技術(shù)無法達到預(yù)期，可選擇“清污分流”工藝解決隧洞廢水問題。當然，廢水排放量標準定得過高，可能會損害隧道結(jié)構(gòu)和周圍生態(tài)環(huán)境，需注意廢水排放量的“可接受性”。

4.2 提高廢水處置工藝的適用性

對于重大水利工程隧洞廢水量較大、處置成本較高的問題，非敏感區(qū)域隧洞廢水可采用常規(guī)廢水處置工藝處置后回用或達標排放；敏感區(qū)域隧洞廢水量大時，可采用“清污分流”排水工藝，處置后的廢水回用或引排至敏感區(qū)域以外的非敏感河流；敏感區(qū)域隧洞廢水量小時，可在處置后回用，必要時采用新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備處置。若隧洞廢水量較大，處置設(shè)備占地較大，可充分利用隧洞施工的施工場地，優(yōu)化廢水處置設(shè)備布置，如在施工主洞與支洞交匯區(qū)處設(shè)置集水池，對廢水進行初步的沉淀處理，再利用水泵將廢水抽到洞口進一步處置[23]，減少設(shè)備占地。

4.3 使用環(huán)境友好型廢水處置試劑

采用二氧化碳代替常規(guī)檸檬酸處理廢水高pH值問題，這種方法效果穩(wěn)定、安全高效、成本較低，且具備可控性和穩(wěn)定性，滿足環(huán)保要求及達標排放標準?？衫锰烊粍游锬z等有機高分子絮凝劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的試劑[27]，有機高分子絮凝劑具有來源廣、成本低、易降解的優(yōu)點，是隧洞廢水處置藥劑的新選擇。對水質(zhì)管理要求更高的水體，可采用更加友好的可降解、微生物絮凝劑，用于祛除廢水中的污染物。有學者提出使用“7#聚合鋁—陽離子有機高分子絮凝劑+非離子型聚丙烯酞胺”，這種藥劑的膠粒聚集速度極快且凝聚效果較好[23]。同時，試劑選擇需關(guān)注特殊地層重金屬超標問題。

4.4 加強隧洞廢水的資源化利用

2023年7月，水利部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加強非常規(guī)水源配置利用的指導意見》，要求加強礦坑（井）水等非常規(guī)水源配置利用，因此，應(yīng)考慮對隧洞廢水進行資源化利用。對于實施“清污分流”的隧洞排水應(yīng)提高地下水資源的回用率，考慮將排放的地下水清水用于施工用水、施工場地綠化、棄渣場植被澆灌、灌溉附近農(nóng)田、補充周邊溝渠水源等。在對場地周邊地下水水位影響較大的區(qū)域，處置后的廢水在資源化利用后，多余的水可嘗試回灌補充周邊地下水。此外，要綜合比較隧洞排水用于棄渣場植物澆灌與植物重復種植的成本，分析就近將隧洞排水引入棄渣場灌溉恢復植被、促進植被群落快速構(gòu)建的可行性。

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Investigation on Wastewater Treatment Technology for Tunnel Construction of Major Water Conservancy Engineering

ZHU Zhenya1，2，WANG Jianwen3，YAN Fengling1，2，F(xiàn)ANG Cheng1，2，TIAN Zhifu1，2，GUO Yiwei3

（1.Changjiang Water Resources Protection Institute，Wuhan 430051，China；2.Key Laboratory of Ecological Regulation of Non-point Source Pollution in Lake and Reservoir Water Sources，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430051，China；3.Construction Administration Bureau of Central Yunnan Water Diversion Project，Kunming 650051，China）

Abstract：As important units of water conservancy engineering，tunnels often traverse areas rich in groundwater. Although certain achievements have been made on the treatment of tunnel water inflow and wastewater disposal，several issues remained to be addressed. This paper analyzed the sources and characteristics of tunnel wastewater，expounded the main problems faced in tunnel wastewater treatment through the investigation of tunnel wastewater treatment processes used in tunnel construction and the practices of wastewater disposal in major water conservancy engineering. Targeted countermeasures are proposed to serve as a reference for tunnel wastewater treatment in water conservancy engineering.

Key words：wastewater treatment；water conservancy engineering；tunnel construction