魚洞河流域礦井水綜合治理思路探究

劉征宇 張忠俊

摘 要：【目的】解決礦山開采引發(fā)的魚洞河流域含水層破壞問題?！痉椒ā炕诂F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、取樣試驗(yàn)、室內(nèi)分析，總結(jié)分析含水層破壞現(xiàn)象及原因?！窘Y(jié)果】提出三種治理思路，分別是源介分離、清污分流及多級(jí)沉淀?！窘Y(jié)論】該思路的提出可為該流域礦山及類似礦山含水層治理提供參考。

關(guān)鍵詞：魚洞河流域；礦山開采；取樣試驗(yàn)；含水層破壞；治理思路

中圖分類號(hào)：TD167 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）14-0109-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.022

Research on Comprehensive Treatment of Mine Water in Yudong River Basin

LIU Zhengyu1 ZHANG Zhongjun2

（1. Qiannan Geology Mining Corporation Limited， Duyun 558000， China；2.104 Geological Brigade，

Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province， Duyun 558000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims solve the problem of aquifer destruction in Yudong River basin caused by mining. [Methods] Based on field investigation， sampling test and laboratory analysis. This paper summarizes and analyzes the phenomenon and causes of aquifer failure. [Findings] Based on this， three treatment ideas are proposed， which are source separation， decontamination diversion and multistage precipitation. [Conclusions] The proposed ideas can provide reference for the management of mine and similar mine aquifers in this basin.

Keywords： yudong river basin; mining; sampling test; mine water pollution; treatment ideas

0 引言

礦山地質(zhì)環(huán)境一直以來都是人們普遍關(guān)注的問題。魚洞河流域是凱里市礦產(chǎn)資源尤其是煤礦富集區(qū)，長(zhǎng)期大量無序采礦活動(dòng)使得該流域地下水嚴(yán)重污染，影響范圍廣泛［1］。魚洞河流域面積約240 km2，主要由平木河、泡木河兩大支流組成。流域內(nèi)有煤礦、菱鐵礦、鋁土礦等十余種礦產(chǎn)資源，礦區(qū)內(nèi)共有礦山70余家，其中煤礦35家、非煤18家、砂石礦17家，流域內(nèi)涌水礦井41處，總涌水量占魚洞河流量三分之一還多［2］。礦山開采活動(dòng)破壞了原有的含水層，致使地下水嚴(yán)重污染，影響人們的正常生活。

1 區(qū)域水文地質(zhì)特征

研究區(qū)總體西高東低，地表水受地形控制，泡木河、平路河為重安江一級(jí)支流自西向東流，首先匯入魚洞河，然后進(jìn)入重安江。區(qū)內(nèi)地下水流向受地形地貌控制整體自西向東徑流，魚洞河與重安江的交匯處為該區(qū)地下水最低排泄基準(zhǔn)面，高程563 m。

魚洞河流域上游大風(fēng)洞鎮(zhèn)—爐山鎮(zhèn)—萬潮鎮(zhèn)一帶地形相對(duì)較緩，第四系覆土較厚，且分布較為連續(xù)，水田、旱地大面積分布；下游平路河、泡木河兩側(cè)地形切割較強(qiáng)烈，坡度相對(duì)較陡，第四系覆土相對(duì)較薄，且分布不連續(xù)，多分布于緩坡、洼地、河谷地帶。區(qū)內(nèi)以碳酸鹽巖分布為主，碎屑巖分布為輔，碎屑巖主要分布于中部官莊—黃家沖—狗場(chǎng)壩—老關(guān)田—拗土一帶，南北走向，還分布于萬潮鎮(zhèn)—高埂—大沖—新寨—黃臘一帶，南西—北東走向，碎屑巖區(qū)將魚洞河流域劃分為東、西兩個(gè)巖溶含水系統(tǒng)。中部碎屑巖為相對(duì)隔水巖組，富水性弱，碳酸鹽巖富水性中等—強(qiáng)。東部巖溶含水系統(tǒng)主要為二疊系棲霞組、茅口組灰?guī)r，西部巖溶含水系統(tǒng)地層巖性主要為含武系婁山關(guān)組白云巖、奧陶系桐梓組、紅花園組、二疊系棲霞組、茅口組灰?guī)r、白云巖等。東部巖溶含水系統(tǒng)范圍內(nèi)分布大量的煤礦山，地下水主要以礦井、暗河、巖溶大泉等方式排泄，礦井排泄的地下水多被污染，呈酸性。西部巖溶含水系統(tǒng)范圍內(nèi)主要分布重晶石、砂石礦、灰?guī)r礦等，地下水主要以暗河、巖溶泉點(diǎn)等方式排泄，多數(shù)無色、無味、清澈透明，呈中性。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造以北東—南西、南北走向?yàn)橹?，均展布于碳酸鹽巖中。其中爐山鎮(zhèn)斷層、平路河斷層在該區(qū)延伸較長(zhǎng)。大風(fēng)洞斷層為逆斷層，SE傾向，NE走向，下盤地層巖性主要為二疊系棲霞組、茅口組灰?guī)r，發(fā)育有巖溶大泉S52、S53（圖1、圖2）、暗河出口S41、S82（圖3、圖4），含水介質(zhì)為碳酸鹽巖溶洞—管道，巖溶極發(fā)育；上盤主要為寒武系白云巖，發(fā)育巖溶泉點(diǎn)，巖溶含水介質(zhì)為溶孔—溶隙，巖溶發(fā)育。平面上，巖溶大泉、暗河均發(fā)育于該斷層下盤灰?guī)r中，上盤寒武系白云巖中不僅泉點(diǎn)少，流量也小，推測(cè)為相對(duì)阻水盤。平路河斷層為正斷層，傾向SE，走向NE，上盤巖性主要為二疊系棲霞組、茅口組、吳家坪組灰?guī)r，發(fā)育巖溶大泉3處，S23、S62、S90（圖5至圖7）、暗河入口S14（圖8），含水介質(zhì)為碳酸鹽巖溶洞—管道，巖溶極發(fā)育，下盤主要為奧陶系白云巖、泥盆系白云巖、二疊系棲霞組、茅口組灰?guī)r，白云巖分布區(qū)域僅發(fā)育巖溶泉點(diǎn)，且流量較小，含水介質(zhì)為碳酸鹽巖溶孔—溶隙，巖溶發(fā)育?；?guī)r分布區(qū)發(fā)育巖溶大泉、暗河，巖溶含水介質(zhì)為溶洞—管道，巖溶極發(fā)育。北東走向的魚洞河向斜控制了東部巖溶系統(tǒng)的地層分布，垂向地層展布形態(tài)呈開口向上的半月形，縱向上頂部為二疊系茅口組、棲霞組灰?guī)r，上部梁山組含煤地層，中部橈梭組白云巖，中下部望城坡白云巖，下部志留系翁項(xiàng)組砂質(zhì)頁巖、石英砂巖，該層巖組為東部巖溶系統(tǒng)的隔水底板。

根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水賦存的巖性、含水介質(zhì)類型及其組合，將調(diào)查區(qū)內(nèi)地下水劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶水三大類型。

2 含水層破壞現(xiàn)象分析

含水層破壞是礦山地質(zhì)環(huán)境三大類問題之一，表現(xiàn)為礦區(qū)或區(qū)域地下水位下降、井泉流量減小甚至干枯、地表水體漏失、水質(zhì)惡化等單體問題。根據(jù)含水層巖性及其組合特征、與煤系地層位置關(guān)系，礦井充水主要含水層一是頂板二疊系中統(tǒng)棲霞（P2q）、茅口組（P2m）灰?guī)r巖溶水和底板下含水層（泥盆系上統(tǒng)堯梭、望城坡組白云巖巖溶水）。野外調(diào)查資料表明，魚洞河流域礦山含水層破壞主要表現(xiàn)為水質(zhì)惡化。同時(shí)地下水位下降、井泉流量減小甚至干枯、地表水體漏失在本區(qū)內(nèi)也均有表現(xiàn)。

2.1 地下水位下降及井泉流量減小甚至干枯

井泉流量減少甚至干枯往往伴隨著地下水位下降同時(shí)出現(xiàn)，通過野外調(diào)查了解，部分泉點(diǎn)以前出水正常，但是隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)，礦井疏干地下水使得地下水位下降，導(dǎo)致后來該泉點(diǎn)的流量減少甚至干枯，如S80、RY41、RY42調(diào)查點(diǎn)，原來有水流出，但是現(xiàn)在已經(jīng)干枯，說明了該區(qū)域內(nèi)地下水位的下降影響了泉點(diǎn)的排泄（圖9至圖11）。

2.2 地表水體漏失

當(dāng)?shù)V層采深采厚比較小時(shí)，導(dǎo)水帶容易貫通地表，進(jìn)而造成地表水的漏失。經(jīng)野外調(diào)查，采空區(qū)的形成致使部分地表水體直接進(jìn)入了地下水系統(tǒng)中，并且經(jīng)過采空區(qū)從排泄口流出，造成水體的污染。如S22（圖12）、S29（圖13）調(diào)查點(diǎn)，地表水體在S22處由溶洞進(jìn)入地下水體中，從S29流出，導(dǎo)致原地表河流干涸。部分漏失的地表水體在經(jīng)過采空區(qū)進(jìn)行了一系列的物理化學(xué)作用流出后具有鐵銹味，并且有黃褐色沉淀將周圍巖石染色。

2.3 水質(zhì)惡化

水質(zhì)惡化為本區(qū)內(nèi)含水層破壞產(chǎn)生的最嚴(yán)重問題，其表現(xiàn)特征有：影響面積大、影響程度高、影響情況復(fù)雜多樣。具體表現(xiàn)為礦井水污染地表地下水、淋濾水污染地表地下水及地表地下水的河流含沙量。通過取樣分析，礦井水、淋濾水陰離子以SO42－為主，含量20～2 500 mg/L，平均623.83 mg/L；陽離子則比較復(fù)雜，Ca2＋、Mg2＋居多，相當(dāng)一部分樣品中的Fe2＋＋Fe3＋和Al3＋參與命名，其含量Fe2＋＋Fe3＋最高者高達(dá)490.8 mg/L，Al3＋100 mg/L。被礦井水、淋濾水污染后的泉、河流、水庫，其水化學(xué)類型為HCO3·SO4、SO4·HCO3－Ca或Ca·Mg型水，鐵、鋁、錳、硫酸鹽普遍超標(biāo)。

3 含水層破壞原因分析

本區(qū)煤礦、鋁土礦、菱鐵礦賦存于二疊系中統(tǒng)梁山組（P2l）中，這是本區(qū)主要含礦層位，總厚2～66.30 ｍ。也是礦井水污染主要巖礦來源。巖性為：上部含煤層（線），褐黑色、灰黑色炭質(zhì)頁巖夾泥灰?guī)r及煤線。含結(jié)核狀、粒狀、線狀黃鐵礦和高灰分、高硫低發(fā)熱量煙煤，煤層厚0.6～1.2 m。黃褐、灰黃色粉砂質(zhì)頁巖夾黃褐色薄層細(xì)粒石英砂巖，含粒狀黃鐵礦，厚1.2～12.7 m。

中部含鋁土礦層：灰白、灰黃色中厚層致密塊狀鋁土巖、豆鮞狀鋁土巖或鋁土頁巖夾灰白、淺灰色碎屑狀、豆鮞狀、半土狀、土狀、塊狀鋁土礦。厚0.8～37.6 m。含鐵層與含鋁土礦層厚度變化大，互為消長(zhǎng)關(guān)系。

下部含鐵礦層：褐紅色、紫紅色、淺紅色、鐵質(zhì)浸染色黏土質(zhì)頁巖或淺灰色鋁土質(zhì)頁巖夾黃褐色、棕紅色含結(jié)核狀菱鐵礦，厚0～16 m。地表以氧化后褐鐵礦為特征，為皮殼狀、致密狀、網(wǎng)格狀、腎狀、葡萄狀等結(jié)核礦石。底板和白云質(zhì)灰?guī)r接觸，有時(shí)中間有厚0.5～1 m的淺綠色鋁土質(zhì)頁巖，底界清楚。頂板由鋁土質(zhì)頁巖逐漸過渡到鋁土巖。

巖礦化學(xué)分析結(jié)果表明了水中Fe2＋、Fe3＋、Al3＋、SO42－、Mn2＋等含量高，與巖石礦物的化學(xué)成分關(guān)系十分密切，見表1。從表可以看出，總鐵在各種巖石礦物中含量都高，Al2O3主要存在于鋁土礦和煤矸石中，Mn的含量較少，但溶解能力強(qiáng)，故水中含量高。水質(zhì)分析結(jié)果再次證明上述結(jié)論，見表1。

礦井水、淋濾水陰離子以SO42－為主，含量20～2 500 mg/L，平均623.83 mg/L；陽離子則比較復(fù)雜，Ca2＋、Mg2＋居多，相當(dāng)一部分樣品中的

Fe2＋＋Fe3＋和Al3＋參與命名，其含量Fe2＋＋Fe3＋最高者高達(dá)490.8 mg/L，Al3＋100 mg/L。被礦井水、淋濾水污染后的泉、河流、水庫，其水化學(xué)類型為HCO3·SO4、SO4·HCO3－Ca或Ca·Mg型水，含量見表2。

如黃鐵礦（FeS2）與水的作用，首先溶解、水解成Fe2＋，F(xiàn)e2＋極不穩(wěn)定，遇空氣隨即被氧化，形成Fe3＋，進(jìn)而沉淀，形成常見的褐黃色“鐵銹水”。

這些化學(xué)元素都是賦存于梁山組（P2l）中的巖石與礦物中，梁山組（P2l）含水極弱，屬相對(duì)隔水層，但是這些化學(xué)元素又是怎樣溶解于大量的地下水中呢？通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，在梁山組（P2l）中的采礦活動(dòng)揭露并破壞了其頂板茅口組（P2m）、棲霞組（P2q）和底板堯梭組（D3y）、望城坡組（D3w）這兩套強(qiáng)巖溶含水巖組，致使其中的巖溶地下水大量涌入坑道，溶解、水解巖石礦物中的化學(xué)元素，最終導(dǎo)致水質(zhì)惡化，造成地表水、地下水遭受污染，如圖14所示。

淋濾水與巖石礦物的相互作用、污染原理與此相同，不過水是大氣降水，化學(xué)元素是賦存于煤矸石、廢棄礦石中而已。大氣降雨后，或是直接淋濾煤矸石、廢棄礦石，或是形成地表徑流，滲入其中。兩者都是水溶解、水解煤矸石、廢棄礦石中的化學(xué)元素且被遷移至地表水、地下水中，導(dǎo)致水污染。

通過分析水化學(xué)成分的形成、化學(xué)元素在水中的溶解、水解、遷移、沉淀和水質(zhì)惡化與水污染的原因，為下一步的治理提供了科學(xué)依據(jù)。

4 綜合治理措施探究

針對(duì)本區(qū)水質(zhì)惡化與水污染，土地植被資源的占?jí)骸⑵茐呐c損毀兩大礦山地質(zhì)環(huán)境問題的類型、規(guī)模、分布、成分組分及形成原因，結(jié)合相關(guān)治理經(jīng)驗(yàn)，提出以下治理思路。

4.1 源介隔離

源介隔離適用于礦井水的治理。源，指的是污染源，就是上面所說的各種超標(biāo)的化學(xué)元素；介質(zhì)，即污染介質(zhì)，就是地下水，礦井充水主要含水層中的地下水。就是要把污染源與污染介質(zhì)隔離開來。按清理老硐、尋找源頭、測(cè)量勘查、工程設(shè)計(jì)、組織治理等步驟開展工作。一是全程隔離（見圖15），在最后一個(gè)涌水點(diǎn)后方修筑擋水隔離墻，前方將原來采煤殘留煤及矸石物清除，頂?shù)诐仓炷粒尭饔克c(diǎn)自流出地表。二是對(duì)源頭進(jìn)行封堵（見圖16），巷道將梁山組（P2l）清理干凈，最好至上覆棲霞組（P2q）下覆至堯梭組（D3y）。三是絕不能封堵礦井井口，一方面是根本堵不住，另一方面即便能夠堵住，污染水可能倒流，進(jìn)入上覆棲霞組（P2q）下覆至堯梭組（D3y）含水層中，造成其中的地下水污染，造成更大更廣的影響。

4.2 清污分流

清即清水，污即污水，就是把清水和污水分開。野外調(diào)查資料表明，平路河于桃子沖附近以上、泡木河于消水洞附近以上河水清亮、未受污染。兩支流分別于桃子沖、消水洞筑壩、分流清水，實(shí)現(xiàn)“清污分流”。向下修筑“清水渠”或“上層河”，形成“左清右污或左污右清”或“上藍(lán)下黃”的魚洞河支流新格局。沿途“收清棄污”，就是“清水渠”或“上層河”收納清水、干凈水，污水繼續(xù)排入原來河道，直至兩支流交匯處或魚洞河出口。

4.3 多級(jí)沉淀

魚洞河流域的污染，一方面是礦井水、淋濾水的化學(xué)污染，主要特征是SO42－、Fe2＋、Fe3＋、Al3＋、Mn2＋等嚴(yán)重超標(biāo)。另一方面是降雨攜帶各種堆積體、采場(chǎng)采坑、工業(yè)場(chǎng)地大量泥沙進(jìn)入河流，主要特征是河流含沙量、輸沙量增多。

無論是物理污染還是化學(xué)污染，在河流的自凈、沉淀作用下都能夠得到極大的緩解。根據(jù)魚洞河流域物理和化學(xué)污染這些特點(diǎn)，提出“多級(jí)沉淀”的治理對(duì)策。流域內(nèi)平路河、泡木河，長(zhǎng)度均為20 km左右，有足夠的空間修建多級(jí)沉淀壩，以達(dá)到降低流速、減小流量、增大空間、延長(zhǎng)時(shí)間的目的，發(fā)揮河流自凈作用。同時(shí)，選擇核實(shí)的沉淀壩，加入錳砂、石英砂等材料以達(dá)到吸附、過濾、交換的作用。

降低流速就是降低流水的速度，壩的級(jí)數(shù)越多，水流的速度就慢，讓水中的化學(xué)成分氧化更加徹底。如果“清污分流”的思路能夠?qū)崿F(xiàn)，清水部分自會(huì)分流至清水渠，留下的只有遭污染部分，量就小得多。流量小，相對(duì)來說，壩作用就大。通過修壩加大儲(chǔ)水空間，讓水充分與空氣接觸，充分曝氣、氧化、沉淀，減少水中污染物含量。此外盡可能地讓支流的水以最慢的速度匯入主干河，讓水中的污染源在河水進(jìn)入主干河前于途中沉淀。

5 結(jié)論

魚洞河流域含水層破壞主要表現(xiàn)在地下水位下降及井泉流量減小甚至干枯、地表水體漏失以及水質(zhì)惡化三個(gè)方面，其中水質(zhì)惡化表現(xiàn)最為明顯。通過對(duì)含水層破壞原因分析發(fā)現(xiàn)：魚洞河流域含水層破壞主要由化學(xué)污染與物理污染共同作用，表現(xiàn)為化學(xué)元素的遷移、淋濾水與巖石礦物的相互作用。本研究基于含水層破壞原因分析，提出三種治理思路，分別是源介分離、清污分流、多級(jí)沉淀，該思路可為類似工程提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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