赵庄坑口电厂南北沟贮灰场对水环境影响及防治措施

韩素丽

(山西省水利水电科学研究院,山西太原 030002)

1 南北沟贮灰场基本情况

山西晋城煤业集团赵庄坑口电厂南北沟贮灰场位于长子县南陈乡团城村西南,地处距赵庄井田西北角约 800 m,地貌上属低山区,冲沟为“U”字型南北两沟,坝址选在两沟交汇部位,总的地形西高东低,最高海拔 1 106m,最低 1 001m左右,相对高差 105m左右。沟内无人居住,没有耕地,无文物古迹和任何矿藏,也不存在压煤问题。南北沟贮灰场 3#煤层埋深大于 600 m,3#煤隔水层厚度大于 130m,岩溶含水层埋深大于 730 m,岩溶水的水位标高 675 m,岩溶水埋深378.6 m。南北沟贮灰场位于辛安泉域范围内,辛安泉位于长治市的潞城、平顺、黎城三县(市)交界处,于长 16 km的浊漳河河谷出露,泉水出露标高 600～640m,泉水多年平均流量 9.64 m3/s。辛安泉位于一个完整的水文地质单元,具有独立的补、迳、排系统,即辛安泉岩溶水系统。辛安泉多年平均天然资源量为 8.58 m3/s,可开采资源量为 7.22m3/s。

2 南北沟贮灰场对水环境影响分析

2.1 贮灰场对地下水环境影响因素

2.1.1 降雨特性

主要包括降雨量、降雨强度、降雨历时、蒸发量、贮灰场附近地形等。

2.1.2 灰渣的渗透性

贮灰场灰渣体的渗透性能是影响入渗水量的一个重要因素,如果灰渣堆体碾压致密,渗透系数小,入渗水量就少,进入地下含水层中的污染物总量就少。如果灰渣堆积松散,渗透系数大,在其它条件相同时,入渗水量就多,相应的进入含水层中的污染物总量就多。

2.1.3 贮灰场区出露地层的渗透性

主要包括贮灰场各类出露地层的渗透性能、地层对灰水中污染物的吸附性能、地层中地下水的径流强度以及灰水随地下水的迁移距离等一系列水文地质和地球化学因素。若不采取任何防渗措施,在降雨条件下,贮灰场灰水下渗会造成辛安泉域岩溶地下水的污染。

2.1.4 贮灰场区地质灾害

主要包括滑坡、地裂缝、泥石流、采空区等,这些灾害一旦发生,就会影响贮灰场的正常运行,甚至会造成溃坝或垮坝。

2.2 贮灰场灰水下渗对地下水环境影响预测与评价

南北沟贮灰场灰水主要来自两方面,一是除灰运灰过程中的喷水加湿水,二是贮灰场区的降雨入渗淋溶水和积水浸溶水。

2.2.1 除灰运灰过程喷水加湿水量

采用灰渣分除方案,厂区除灰系统拟采用正压气力输送系统至厂区干灰库,除部分干灰装罐车运走综合利用外,大部分干灰经喷水调湿搅拌均匀后再用汽车运往南北沟贮灰场贮存。灰渣的含水量一般要求在 15%～30%之间,含水率一般为 14%～18%。

2.2.2 贮灰场灰水产生量预测

1)贮灰场区降雨入渗淋溶水

贮灰场堆灰降水入渗量采用下式计算：

式中：Q降入渗为降水入渗量(万 m3/a);P为贮灰场区多年平均(1956～2006年)降水量,为 524.6mm;α为降水入渗补给系数,按粉煤灰相当于黄土状亚粘土考虑,据山西省第二次水资源评价成果,取值 0.116;F为贮灰场堆灰面积,按设计的最大堆灰面积 0.602 km2计算。

按此计算,贮灰场达到一期设计堆灰规模后,堆灰体内年平均降水入渗水量可达到 3.65万 m3/a,通过灰体表面淋溶和进入灰体长时间的浸溶后形成灰水,可在重力作用下越流下渗补给下层地下水体。

2)降雨积水浸溶水量

南北沟贮灰场所在地区的多年平均径流深为 70mm。坝以上控制的流域面积 2.32 km2,贮灰范围面积 60.2 hm2,换算得该贮灰场多年平均径流量为 16.24万 m3,贮灰场区多年平均径流量为 4.21万 m3。

3)贮灰场灰水产生量

本次评价按遭遇连续性降水、高位截洪沟、贮灰场区排水竖井或排水涵管均出现事故等最不利方案考虑,贮灰场平均产生的降水入渗淋溶灰水和降雨积水浸溶灰水最大产生量为 19.89万 m3/a。

2.2.3 贮灰场灰水下渗量预测

贮灰场可能产生的灰水包括降雨渗入堆灰中所产生的淋溶灰水及降雨积水所形成的浸溶灰水两部分,下渗灰水量计算分不防渗状态和防渗状态两种形式。

1)不防渗状态下

Q渗=F×I×K

式中：Q渗为灰水下渗量(m3/d);F为灰水浸润面积(m2),按终期最大堆灰面积 60万m2考虑。其中二叠系上统上石盒子组(P2sh)出露面积为 19万 m2,新生界第四系出露面积为 41万 m2。

I为水力坡度,按垂直入渗,I=1;

K为渗透系数,参照省内类似地区不同地层岩性渗透性试验资料,取值如下：二叠系上统(P2sh)上石盒子组取值2.08×10-6cm/s(0.0 018 m/d),第四系取值 6.68×10-5cm/s(0.0 578 m/d)。

计算结果表明,天然状态下,贮灰场区所产生的淋、浸溶灰水的日下渗总量为 24 040 m3,其中,砂页岩裸露区为342m3,第四系黄土浅覆盖区为 23 698m3。

贮灰场灰水下渗量为贮灰场降水入渗淋溶灰水与降雨积水浸溶灰水总量减去下渗期的灰水蒸发量。灰水蒸发量采用下式计算：

Q蒸=F×E×R×10-3

式中：Q蒸为积水蒸发量(m3/d);F为贮灰场积水最大浸润面积(m2),取 60万 m2;E为积水期水面蒸发量(mm),取日均蒸发量 5.2 mm;R为 E20蒸发量与 E601蒸发量折算系数 ,取 0.62。

按上述公式计算,南北沟贮灰场所产生浸溶灰水蒸发量为1 934m3/d。

南北沟贮灰场下渗和蒸发消耗的灰水量为 2 5974m3/d,年平均产生的降水入渗淋溶灰水与降雨积水产生的浸溶灰水为 19.89万 m3/a,累计下渗期约为 7.65 d,其下渗的灰水量最大为 18.4万 m3/a,下渗的灰水量占年均产生的降雨入渗淋溶灰水与降雨积水产生的浸溶灰水量的 92.5%。结果表明,若不对库区第四系黄土(Q2)与基岩(P2sh)接触区行防渗处理,则在贮灰场堆灰至一定高程以上时,约有 92.5%的灰水下渗补给到贮灰场区浅层裂隙水,或沿沟底第四系松散层排入下游松散层孔隙水,对贮灰场区下游浅层地下水的水质将会产生一定影响。

2)防渗条件下

对贮灰场拟定坝址以上的所有基岩裸露区进行防渗工程处理,主要包括对沟底、台地采用粘土夹土工膜铺垫碾压,坡面采用喷浆或挂网喷浆等。

Q渗=F×I×K

式中：Q渗为灰水下渗量(m3/d);F为灰水浸润面积(m2),取 60万 m2;I为水力坡度,垂直入渗,取 I=1;K为渗透系数,经综合考虑取值为 1.0×10-7cm/s。

经计算,在防渗工程实施条件下,贮灰场区所产生的淋、浸溶灰水的日下渗总量为 51.8m3,这样,贮灰场日下渗和蒸发的灰水总量约为 1985.8 m3,年平均产生的降水入渗淋溶灰水与降雨积水产生的浸溶灰水量为 19.89万 m3/a计,累计下渗期约为 100.16 d,其下渗的灰水总量约为 5183m3/a,仅占淋浸溶灰水总量的 2.6%。

2.2.4 灰水下渗对贮灰场下游区松散层孔隙水水质影响预测

贮灰场下游区松散层孔隙水补给来源主要为大气降水入渗补给。

(1)降水入渗补给量

Q降补=P×α×F×10-1

式中：Q降补为降水入渗补给量(万 m3/a);P为评价区多年平均(1956～2006年)降水量,为 524.6mm;α为降水入渗补给系数：评价区饱气带及含水层岩性以亚砂土为主,地下水埋深 4.9m左右,参考山西省第二次水资源评价成果,取值 α=0.16;F为评价区面积(km2),为 1.5 km2。

按此计算,评价区松散层孔隙水年平均降水入渗补给量为 12.6万 m3/a。

2)水质影响分析计算

评价区松散层孔隙水水质影响分析计算采用下列预测模式进行。

式中：Cmax为灰水入渗孔隙水中污染物最大浓度(mg/L);Ce为孔隙水中污染物现状浓度(mg/L);ΔQw为可能渗入地下水的最大灰水量,万 m3/a,不防渗条件下,下渗漏量最大为 18.4万 m3/a;防渗条件下,下渗漏量为 5 183 m3/a;Q为灰水渗漏补给区(评价区)松散层地下水资源量,采用上述计算值 12.6万 m3/a;Cw为渗漏补给孔隙水的灰水污染物浓度(mg/L)。

外排灰水渗漏补给松散层地下水后,不防渗与防渗两种不同条件下,地下水主要污染物预测因子浓度变化分析计算结果见表 1。

表1 松散层孔隙水水质变化预测表 mg/L(除 pH外)

由此可见,对该贮灰场采取严格的防渗措施是十分必要的。

2.2.5 灰水外排对灰坝下游区松散层孔隙水影响分析

灰水排出贮灰场后,用浆砌石明渠导出。灰水未经处理直接排放,照样会污染贮灰场下游松散层孔隙水,只不过是渗漏地点发生变化而已,也就是说贮灰场防渗将失去意义。因此,贮灰场建设中必须配套建设坝下外排灰水的回收利用系统。

2.2.6 南北沟贮灰场运行后对团城村用水的影响分析

粉煤灰的堆积会对南北沟浅层地下水产生一定的影响,且会直接影响团城村的人畜饮水水源,因此,团城村的人畜饮水由业主单位负责解决,以保证团城村的人畜饮水安全。

3 贮灰场对水环境污染防治措施

从辛安泉域地下水资源可持续开发利用的角度出发,必须采取科学、严格防渗处理工程措施,才能确保辛安泉域地下水不受污染。

3.1 加强灰渣综合利用

为减小贮灰场对辛安泉域岩溶地下水产生的影响,必须加强对灰渣的综合利用。粉煤灰烧结砖比普通粘土砖轻20%左右,但建筑强度不变,具有较好的市场前景。粉煤灰加气混凝土是一种良好的墙体材料,绝热性能好,质量轻又具有一定强度。近年来山西省内修路较多,灰渣可以作为路基填土利用。粉煤灰还可用于生产粉煤灰陶土,该陶土具有质轻、强度高、热导率低,化学稳定等优点。

3.2 加强贮灰场排水系统与灰水回收利用系统建设

为防止贮灰场内的灰水未经处理直接排入浊漳南源河支流苏里河,对辛安泉域水环境产生影响,必须配套建设坝下外排灰水的回收利用工程,在初期坝下的消力池后修建贮灰场排水沉淀、回收水池和回收管道,收集后的灰水用于贮灰场喷洒。

3.3 加强贮灰场的运行管理

为搞好贮灰场管理,防治环境污染,贮灰场需设置有专职管理站,配备专职人员管理,以加强对贮灰场环境的综合治理。当贮灰场运行到最终堆灰高度时要及时覆土,覆土后,在山间形成人造平原。这样既可以造田还民,发展农业,也可以种草植树,进行绿化,改善生态环境。

3.4 加强区域地下水环境监测工作

贮灰场投入运行后,可能会使区域地下水环境状况发生变化。为了及时掌握贮灰场运行后下游地下水的水质动态变化特征,项目建设单位必须对贮灰场区坝下 500 m处打一地下水观测孔,开展当地水环境的监测工作,为当地水行政主管部门及时提供监测资料,以满足区域环境与社会经济持续协调发展和清洁生产的要求。定期检查、维护贮灰场防渗工程,发现防渗功能下降,应及时采取必要措施。

4 结论及建议

加强贮灰场建设与管理,严格按照要求,做好贮灰场的防渗处理工作,加强施工的管理与监督,严格控制工程质量。贮灰场投入使用后,采用合理的碾压遍数和最优含水量,雨季要重点检查排水设施是否畅通、坝坡是否稳定。同时要加强水环境的监测管理,并应及时将监测成果上报水行政主管部门,建议在南北沟贮灰场区设置拦洪坝,并在四周设置截洪沟。