西南岩溶区矿山与水污染问题探讨及建议

覃政教, 林玉石, 袁道先, 潘勇邦, 王明章

1)中国地质科学院岩溶地质研究所, 广西桂林 541004;2)国土资源部岩溶动力学重点实验室, 广西桂林 541004;3)广西地质勘查总院, 广西南宁 530023;4)贵州省地质矿产勘察开发局, 贵州贵阳 550004

西南岩溶区矿山与水污染问题探讨及建议

覃政教1,2), 林玉石1,2), 袁道先1,2), 潘勇邦3), 王明章4)

1)中国地质科学院岩溶地质研究所, 广西桂林 541004;2)国土资源部岩溶动力学重点实验室, 广西桂林 541004;3)广西地质勘查总院, 广西南宁 530023;4)贵州省地质矿产勘察开发局, 贵州贵阳 550004

我国西南石山连片分布的岩溶区, 总面积约100万km2, 其中裸露岩溶区面积约62万km2, 这里虽然年降水量在1000 mm以上, 但由于岩溶强烈发育, 降水很快转化为地下径流, 通过众多岩溶地下河排入位于深切峡谷的大江大河里。该区地形西高东低, 西部为云贵高原, 东部为低山丘陵区, 中部是过渡的斜坡地带。云贵高原处于生态屏障区, 是长江和珠江的分水岭。该区矿产资源丰富, 如贵州的煤矿、稀有金属、磷矿等; 广西的有色金属、锰矿、铝土矿等。采、选矿产生的尾砂及废水, 如果处理不当, 会污染地表水和地下水, 北面影响长江流域, 南面影响珠江流域。2008—2010年间, “西南岩溶石山地区重大环境地质问题及对策研究”项目专家组先后几次对岩溶石山区部分矿产开采点引发的水环境污染问题进行考察, 认为由于不规范、不合理的矿产开发带来的水环境问题依然比较严重, 是影响该地区可持续发展的重大环境地质问题之一。

岩溶石山区; 矿山污染; 水环境; 典型实例

西南岩溶区分布面积广, 其中裸露岩溶区面积约62×104km2(中国地质调查局, 2003)。该区可溶岩中以泥盆系、二叠系及中下三叠系岩溶最为发育。由于气候湿热, 降水充沛, 岩溶水循环交替作用强烈, 溶孔、溶隙、溶洞及暗河水系十分发育, 岩溶地下水资源丰富(蒋忠诚等, 2006)。

由于地质构造不同, 岩溶地质环境和水文生态特征具有区域相似性和差异性。新生代大幅度抬升造成岩溶水、土空间格局呈双层结构即“土在楼上、水在楼下”的基本国土资源格局(袁道先等, 2008),其基本特征是土壤贫瘠、水易漏失, 生态环境脆弱。由于土少地薄, 水土流失, 农业生产多为“广种薄收”, 为了生存, 或所谓发展, 有些地方就以牺牲环境为代价来谋取生产生活资料。在不具备环保条件、无完善的配套措施情况下, 大量进行矿产资源的开发而导致非常严重的环境问题, 部分地方的水环境恶化就是其中之一。

1 矿业废水对环境的污染特征

过去的二十多年来, 许多学者在不断地开展由于采矿所带来的环境污染问题及防治对策的研究,如於方等(2004)“中国矿产业的废水污染现状分析与防治对策”; 周永章等(2005)“河流对矿山及矿山开发的水环境地球化学响应——以广西刁江水系为例”; 类似的文献还很多, 说明许多年来矿山开采引发的环境污染问题已广泛受到重视, 在防治方面也取得显著成效和成功的经验。但是, 目前我国的矿产资源综合利用的水平还相对较低, 某些多金属矿大量采、选、冶粗放, 既造成资源浪费也造成更多的环境污染及严重环境地质问题, 加上历史旧帐, 治理的速度总赶不上治理污染和保护环境的速度。

以广西为例(潘勇邦等, 2011), 目前总体来说地下水水质以良好级为主, 其次是优良级水, 较好级水较少, 较差、极差级水呈零星点状分布于少数工业较发达的县(市)及重点矿山区。地下水主要超标组分为pH值、铁、锰、氨氮和亚硝酸盐氮等, 矿业废水对环境的污染尤为突出。

根据广西地质勘查总院收集到的资料(潘勇邦等, 2011)矿业废水主要包括矿坑水、选矿废水、堆浸废水和洗煤水等, 2005年统计全区矿山年产出废水 40471.86万 m3, 年排放 18704.17万 m3, 年治理量27739.29万m3, 年循环利用量27739.29万m3, 综合利用率为 68.54%, 矿业废水排放量占工业废水排放量的18.04%。每年排放的矿业废水绝大多数排入地表河流, 少部分排入消水洞或溶洞中, 成为地表水和地下水的重要污染源。

1.1 矿坑水

广西矿坑废水年产出 7548.94万 m3, 年排放6792.8万 m3, 年治理 4813.21万 m3, 年循环利用1319.72万m3, 综合利用率17.48%。其中以能源矿山(煤矿)和有色金属矿山年排放量最多, 分别为2942.5万m3和2445.9万m3, 占矿坑年排水总量的43.32%和36.01%。能源矿产的矿坑水排放主要是煤矿的矿坑水, 以富含 F-、SO42-、Fe3+和 Mn 为特征, 并含有Cu、Pb、Zn、As、Cr、Hg等有毒离子以及颗粒物, 该类型水由矿坑抽取直接排放地表, 对周围生态环境造成了严重的破坏, 并给周边群众生活饮用水带来极大困难。

1.2 选矿废水

广西选矿废水年产出 32701.84万 m3, 年排放11874万 m3, 年治理 22759.35万 m3, 年循环利用19634.53万m3, 综合利用率60.04%。其中以化工原料非金属矿山洗矿废水排放最多, 为8068.15万m3,约占矿坑年排水总量的67.95%; 其次为有色金属和黑色金属矿山, 分别为2084.27万m3、1480.1万m3,占矿坑年排水总量的17.55%和12.47%。

金属类矿山产生的选矿废水主要含As、Pb、Cd、Hg、Zn、Cr、Mn、Cu及氰化物、悬浮物、铁、锰等有毒有害物质组分。金属类矿石入选前经粉碎并按一定比例添加化学药剂, 因此选矿水颗粒浓度一般可达2585～10000 mg/L, 主要的伴生元素严重超标。这些废水直接排入河道, 悬浮物中较粗颗粒便大量沉淀于平缓处, 淤高河床。而细颗粒则呈凝胶体状随水迁移, 这种凝胶体吸附力很强, 可将废水中有毒元素大量吸附, 使水质恶化。

1.3 堆浸废水、洗煤水

堆浸废水、洗煤水年产出分别为 211.07万 m3和 10.01万 m3, 年排放分别为 27.36万 m3和10.01万m3; 堆浸废水年治理166.73万m3, 年循环利用192.58万m3, 综合利用率91.24%。堆浸废水、洗煤水年排放量分别占矿山废水废液年排放总量的0.15%、0.05%, 其分别是处理金矿和煤矿时产生,前者主要含有氰化物、As、Pb、Zn、Cu、Cd、Cr6+等有毒有害物质, 其危害与上述的金属类矿山的洗矿废水相似; 后者主要含有 F-、SO42-、Fe3+、Mn, 其危害与煤矿的矿坑排水一样。

1.4 矿业尾矿废渣对环境的影响

广西矿业废渣包括采矿废石(土)、煤矸石、尾矿、选冶废渣等。矿业废渣对环境的污染主要表现为淋滤污染(秦燕等, 2008; 王俊桃等, 2006)。据已有资料,全区约有 1299处矿山存在较突出的废渣排放污染问题, 其中金属矿山 555处, 能源(煤)矿山 112处,建材及非金属类矿山 632处。主要分布于百色、梧州、河池、桂林、崇左、来宾等市。矿山废砂年排放总量占全年矿山年排放总量 82.10%, 废渣累计积存量占全区废渣累计积存总量 85.67%, 以梧州饰面用花岗岩区、河池、百色金属矿区的废渣对环境污染最突出。

2 典型的矿山与水污染现状

据收集的有关资料, 上述问题在西南各省区不同程度存在, 以贵州、广西尤为突出, 其主要根源之一是黔桂两省岩溶多为裸露型, 地表地下岩溶均发育, 形成双重的排水系统, 地表土层防渗能力极弱(严明疆等, 2007), 地下水与地表水、降水的关系转换频繁, 地下水对水环境极为敏感(马振民等,2000)。矿山开发产生大量的污水, 在未经处理的情况下随意排放, 极易造成地表和地下水的污染。

以贵州省为例(王明章等, 2011)。目前贵州全省矿山有5265个。按经济类型分, 国有矿山203个, 集体企业 276个, 个体4287个, 合资113个, 外商独资 8个, 其它 378个(表 1)。按生产规模分, 大型31个、中型48个, 小型矿山5186个(表2)。

从表 1可以看出: 在经济成分上, 省内开采矿山以非国有企业矿山为主(97.97%)。在开采的矿种上, 表2反映出省内2394座煤矿山占了矿山总数的45.47%, 并且大型矿山主要为煤矿山。

调查表明, 除国有大型矿山企业在矿山开采、煤电煤化工企业的生产中建有较系统的矿井水处理系统外, 其余企业对矿井水处理、坑口电站和煤化工废水的处理均处于非常低级的状态, 相当部分煤矿山和煤化工企业基本上都将矿坑排水和煤化工生产废水直接排放, 或简单处理后直接排放。因此, 一座矿山, 实际上也就成为一个“点状”的污染源。基于此, 贵州省开采矿山的空间分布, 实质上也就代表了矿山污染源的空间分布(图1、图2)。

根据煤矿勘探资料统计分析, 由于成煤环境控制, 贵州煤炭中含硫量总体较高, 具有从西向东含硫量逐渐升高的趋势, 特别是黔北高硫煤在煤炭资源总量中占有较大的比重。石炭统、中二叠统、上二叠统、上三叠统等几套含煤岩层中与煤伴生的硫铁矿在省内分布也较为广泛, 特别是中二叠统和上统含煤层底部的硫铁矿, 成为贵州省主要的硫铁矿开采对象。另一方面, 黔西北煤炭中有害元素氟(F)、黔西南煤炭中有害元素砷(As)含量也较高。煤矿山矿坑排水、大气降水对煤与矸石淋滤, 对水环境造成的影响极大, 氟、砷已成为贵州省煤矿山对水环境的主要污染组分。

贵州磷化工尾渣磷石膏中氟(F)、硫酸根(SO42-)、磷(P)含量均较高, 废液中pH值1~2, 岩溶地区尾矿库及渣场的渗漏较为严重, 造成周边和下游地表和地下水体严重的污染。如近年来发生的贵州开磷集团息烽磷石膏堆渣库渗漏, 造成乌江中下游水质严重污染, 乌江电站下游至重庆境内河段水中氟(F)、硫酸根(SO42-)、磷(P)含量升高。

表1 贵州省矿山经济类型及生产现状统计(单位: 个)Table 1 Economic types and producing situation of mines in Guizhou Province

表2 贵州省主要矿种矿山规模统计表Table 2 Statistics of main ores and mine scales in Guizhou Province

图1 贵州省矿山污染源分布图Fig. 1 Distribution of mine pollution sources in Guizhou Province

图2 贵州省地下水污染程度图Fig. 2 Degree of underground water pollution in Guizhou Province

其它矿种如金矿和铅锌矿中有毒有害元素砷(As)、锰矿中铁(Fe)和锰(Mn)等成分, 均成为矿山开采对水环境污染的主要污染成分。目前对全省矿山企业的矿坑排水量、矿产化工加工企业的废水排放量暂无系统的统计资料, 根据贵州省地矿局 114地质大队收集的资料(王明章等, 2011), 《贵州省矿井水利用规划》中预测2006—2010年间仅六盘水市境内的矿井总涌水量11853.77万m3/a, 2011至 2020年间矿井总涌水量18647.77万m3/a。区内矿井水水质中, 硫酸根离子(SO42-)含量 400~750 mg/L, 最高可达1000 mg/L以上; 氟(F)含量0.2~1.2 mg/L。

除矿坑排水外, 尚有矸石场受大气降水淋滤排出大量的污染物质。矿渣、煤矸石的淋滤水通过岩石裂隙、塌坑等通道进入含水层, 使附近地下水水体中SO42-、F-、及Pb、Zn、Mn等重金属元素含量严重超标, 地下水污染情况加剧, 被污染范围扩大。同时工矿区大量废气的排放使区内部分地带的大气降水pH值可达3.6, 并且雨水中含大量的重金属元素, 也成为地下水污染源之一。

上述污染物的排放量在贵州省矿山中仅占小部分, 但是却有较强的代表性, 若有效地统计全省矿山开采矿井水排放以及矿渣等废弃物的淋滤, 矿山污染物的排放量将是一个巨大的数据。目前贵州的水环境很严峻, 污染范围越来越大, 出现地下河系统的污染(袁道先, 1990)。各种污染来源的叠加使污染更显严重。

3 治理的典型实例——南丹大厂矿区

3.1 矿区概况

南丹大厂矿区位于广西西北部南丹县境内, 其中 100#、105#锡铅锌锑多金属矿体为世界最富的大型矿床。目前矿区已探明的锡、锑、锌等20多种有色金属储量达1100多万吨, 其中锡储量144多万吨,居全国首位。锡、锑、锌、铟在全国具有重要地位,锡锌产量居全国第一, 锑、锡、铟精矿产量分别约占世界总产量的50%、30%和20%~30%, 产量直接影响国际市场交易价格。南丹县 70%以上的工业产值、60%以上的财政收入来自矿产资源的开发。20世纪末, 矿区管理混乱, 争抢资源、乱采滥挖严重, 给当地水环境造成较大的破坏。

刁江发源于南丹县车河镇、大厂镇, 于都安县百旺乡那浩村汇入红水河。刁江上游众多支流中,规模较大的支流有平村河和车河河。大厂、车河锡多金属矿分别分布于这两条支流的汇水区内, 是刁江主要污染源头, 主要污染源是大厂及车河的选矿厂, 主要污染物是砷, 而废水中的砷主要来源于选矿的尾矿砂。虽然经过了多次整治, 但没有得到彻底治理。据1996—1998年水质监测结果显示, 大部分项目超标, 有的项目超标达上百倍甚至上千倍。如1996年10月2日监测丰塘与刁江交汇处, 砷浓度145.822 mg/L, 1998年治理前平村河拉盘断面砷浓度 26.825 mg/L, 分别超标 3096和 536倍。1998年治理前车河河金洞断面砷浓度14.51 mg/L、镉0.095 mg/L、铅5.02 mg/L、锌17.34 mg/L, 分别超标 298、18、99、16倍。严重污染的 100多 km河段鱼虾绝迹, 人畜不能饮用, 沿岸的上万亩农田严重污染, 逾千亩农田无法耕种而废异(潘勇邦等,2011)。

1998年8月至 2000年间对刁江水质进行了多次治理, 查封了一些效益低下的采洗矿企业, 清除相关的尾砂库进行复垦, 加强对刁江上游流域植被种植和保护, 水质有了一定的好转。水质分析结果显示, 大部分项目不超标, 但砷、铅、硫酸盐仍超标,浓度分别为 0.105、0.18和 764.6 mg/L, 分别超标2.1、3.6和6.06倍, 水质类别为Ⅲ～Ⅳ类, 属中污染至重污染。

2003—2004年对刁江再次治理后, 上游的平村河拉盘 2#断面, 砷和硫酸盐浓度略超标, 浓度分别为0.15 mg/L和600 mg/L, 分别超标3.0和2.4倍, 超标率分别为16.7%和66.7%, 其余项目未超标。平村河与车河河汇合后的 3#断面总硬度、硫酸盐、锰浓度超标, 浓度分别为560 mg/L、450 mg/L、0.45 mg/L,分别超标1.2、1.8和 4.5倍, 水质类别为Ⅳ～Ⅴ类,属重污染-严重污染, 与 2000年治理整顿后监测结果基本一致, 说明上游的车河河和平村河河段水质污染仍严重。

3.2 矿区地质环境治理

从1998年4月开始对选矿厂(点)进行大规模清理整顿, 其中边生产边整改13家, 停产整顿50家,关闭22家, 取缔选矿点291处。刁江源头排污企业由原来376家减为整顿后的114家。取得了较好的结果, 根据河池水电水利局在刁江那浪桥断面观测,一些重金属污染已大为减小(据广西地质调查研究院资料(莫日生等, 2005), 河池地区环保局对刁江水质污染整治前后的部分监测数据曲线见图3)。

图3 刁江那浪断面观测砷、铅、锌浓度Fig. 3 Concentrations of arsenic, lead and zinc in Nalang section of the Diaojiang River

2001年7月17日矿难事故后, 一些非法业主被惩处或已逃离, 矿山地质环境责任主体已消失。据当时的有关资料, 在采选炼矿产品过程中剩余下大量废渣、尾砂(含有砷、铅等有毒有害物质), 堆积于尾砂库。至 2004年有尾砂库 48座, 其中已经停用的23座, 还在使用的25座, 存储着4200万吨矿砂。这些尾砂库大部分未经有资质的正规单位设计施工,多数是“病危库”。一方面, 尾砂乱堆乱放, 占用了大量土地; 另一方面, 由于库坝、库底防护简陋, 发生尾砂库坍坝或尾砂溢库, 曾造成人员伤亡和财产损失(2000年10月18日的酸水湾尾砂坝坍塌, 瞬间夺走了28人的宝贵生命), 淹没、污染了下游的田地。至2005年, 还有一些矿区尾砂库, 如大湾烂桠(22500 m3)、大福楼(4200 m3)、灰乐(10160 m3)、芭蕉林(3800 m3)、大海(180000 m3)、大宇(5000 m3)等尾砂库尚未得到有效的治理, 任凭雨水冲刷淋滤后渗出的废水及尾砂库溢出的库水直接进入地表河流或渗入地下进入地下水系统, 造成地表水、地下水严重污染。

2006年 11月河池市和南丹县人民政府重新启动了刁江水体污染源治理工程。连续三年共投入治理资金3.8亿元。按照“堵住污染源、清河道淤泥、恢复生态”的工作思路, 整治的重要措施是一方面强行限制排污量, 另一方面通过工程措施对废弃的堆积体进行清理, 对尾砂库坝进行加固。对已回收搬空的尾砂库, 清除废弃物, 平整土地, 进行复垦,逐步恢复生态。由于各级政府加强了治理力度, 已经取得了明显的成效: 矿区企业的环保意识逐渐增强, 投入治污经费逐年增加。近几年来刁江流域的水质有较大的改善。

3.3 治理结果

鉴于刁江上游支流分布及其与矿区的关系, 选择刁江上游下考乡河断面进行为期一水文年的每月取样检测。结果表明, 该断面水体砷、铅、镉等指标含量已低于三类水标准限值(0.05 mg/L), 但锌含量(0～0.215 mg/L)有时还超标。应该说经过2007年以来的大规模整治, 目前刁江干流的水质是20年来最好的状况, 当地老百姓去年开始集资购买鱼苗投入刁江放养。

4 对策建议

笔者认为, 西南岩溶区矿山与水污染方面目前存在的主要问题是: ①矿产资源开发带来的污染已由点向面发展; ②工矿业将废水排入溪沟或将尾矿堆积于岩溶洼地, 通过落水洞、地下河伏流直接灌入地下, 导致地下河流域范围及下游地带地表河水严重污染。当前地球温室效应不断加剧、极端干旱气候频发, 矿产业的发展与环境特别是水环境要求之间的矛盾越来越突出, 保护水源环境的战略思考不可或缺。岩溶区矿山污染造成水环境恶化的问题,需要政府和企业都给予足够的重视, 事实证明当地政府下决心治理, 就会很快见到成效(如本文所举实例)。建议:

1)目前的污染事件为何层出不穷, 大部分源于当地政府或者老百姓对造成污染后问题的严重性认识不足。如何提高国民对水环境的保护意识是当务之急。建议加大教育与宣传。作为政府管理部门应像重视地质灾害危险性评估及治理那样, 重视水环境的保护和治理。

2)从国家层面上完善或修订更加严厉的矿产资源开采的政策法规, 如提高“探”、“采”准入的门槛。加大监管力度, 对那些对资源利用率低, 环境污染严重的企业要坚决关停、转业。

3)根据西南岩溶区的资源特色、分布格局、环境地质问题(覃政教等, 2011a, b)的现状, 分片、分区、分地段(或流域)统筹规划, 对易造成水源地污染的矿产资源应严禁开采, 可制定生态补偿机制来对当地经济予以补偿。

4)责成矿产资源开采企业加大技术改造的力度,提高矿产资源的综合利用率,从源头遏制污染。对已经造成污染的地方, “谁污染谁治理”, 对于历史遗留的污染问题, 政府应及时安排资金进行治理。

5)加强水文地质基础调查研究。据中国地质调查局资料, 至今南方开展过 1:5万水文地质调查工作的地区约有14万km2, 只占西南岩溶石山地区和红层地区的 10%左右。建议进一步加快推进岩溶地区的水文地质基础调查工作, 针对重点地区、重点流域开展更高精度、更大比例尺的详细调查, 特别是对表层带岩溶水系统的调查、评价。对具有开发利用潜力的地下河、大泉、储水构造利用高分辨率定量示踪技术查明地下水系网的分布及运动方向,水资源量及调蓄功能, 编制成图, 建立数据库或三维地质可视化模型。为在保护岩溶水资源的前提下规划、调整、审批土地利用方式提供科学依据, 也为在岩溶水受到突发性污染时采取科学的应急措施作好准备。

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A Discussion on Mine and Water Pollution Problems in Karst Areas in Southwest China

QIN Zheng-jiao1,2), LIN Yu-shi1,2), YUAN Dao-xian1,2), PAN Yong-bang3), WANG Ming-zhang4)
1)Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin, Guangxi541004;2)Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of Land and Resources, Guilin, Guangxi541004;3)General Academy of Geological Survey of Guangxi, Nanning, Guangxi530023;4)Guizhou Bureau of Geology & Mineral Prospecting & Exploitation, Guiyang, Guizhou550004

The continuous distribution of karst in southwest China comes to an area of 1000,000 km2, in which 62×104km2is bare karst. Annual precipitation in this area is more than 1000 mm; nevertheless, the rainwater would change into underground water quickly due to intensive development of karst, and would discharge into rivers through numerous karst underground rivers. The topography of this region is high in the west within Yunnan-Guizhou Plateau and low in the east with some low massifs. Yunnan-Guizhou Plateau is located in the ecological barrier, and it is the watershed of the Yangtze River and the Pearl River. This region is rich in mineral resources, such as coal, rare metals and phosphorus in Guizhou Province and non-ferrous metals, manganese and bauxite in Guangxi. The surface water and underground water are liable to be contaminated by the tailings and waste water generated from mining and mineral processing if they are not disposed properly. The Yangtze River and the Pearl River would be polluted consequently. Experts from the project ofthe Major Environmental Geological Problems and Countermeasures in Karst Mountain Areas in Southwestern Chinainvestigated some water pollution cases during 2008 to 2010, and the results show that the water environment problem induced by improper mine exploitation remains a serious problem and would severely affect the sustainable development of this region.

karst mountain area; mine pollution; water environment; typical cases

P931.5; X52

A

10.3975/cagsb.2012.03.08

本文由中国地质调查局地质调查项目“西南岩溶石山地区重大环境地质问题及对策研究”(编号: 1212010813111)资助。

2012-01-10; 改回日期: 2012-03-10。责任编辑: 张改侠。

覃政教, 男, 1955年生。高级工程师。主要从事探测技术方法和水文、工程环境地质研究。E-mail: qinzhj-2002@163.com。