天目山隧道弃渣场对地表水环境影响分析

2019-02-14付海陆曾爱斌官宝红

中国计量大学学报 2019年4期

耿伟，付海陆，刘伟，庞伟，曾爱斌，官宝红

(1.中铁隧道集团有限公司杭州公司，浙江杭州 310030；2.中国计量大学质量与安全工程学院，浙江杭州 310018；3.杭州万向职业技术学院健康与现代农业系，浙江杭州 310023；4.浙江大学环境与资源学院，浙江杭州 310058)

新建杭州-黄山高铁客运专线途经浙西-皖南山区，隧道建筑长度占比高达52.66%，掘进过程中产生大量弃渣。天目山隧道(长12.013 km)是全线最长隧道，进口段毗邻“两江一湖”(新安江-富春江-千岛湖)国家级风景名胜区，隧道弃渣堆场对于周围地表水环境的影响值得关注和研究。

隧道弃渣造成的不利环境影响包括占用大量土地，破坏土地资源(尤其是耕地和林地资源)，诱发水土流失和泥石流灾害，阻塞河道、妨碍行洪排涝，淋溶有害物质污染土壤等[1-2]。目前的研究多数关注渣场设计[3-4]、水土保持[5-6]以及弃渣的资源化利用(如用作路基和建筑材料等)[7-8]等，而较少研究渣场淋溶物质对水体和土壤的影响[2]。

刘煌等[9]研究发现歌乐山隧道弃渣场周围的土壤受到弃渣中的Pb、Cr、Cd和Zn等重金属污染。天目山隧道地质属扬子地台东南缘黑色岩系，包括荷塘组、蓝田组、休宁组等。宋明义[10]和钱建民等[11]发现该地荷塘组黑色岩系金属元素富集较多，其中As、Cu、Pb、Cd、Zn和Cr等重金属含量较高。刘伟和耿伟等[12-13]之前关于天目山隧道施工环境和施工废水的相关研究中也发现本地岩层中富含一定重金属。重金属很难被降解，在生物体会发生迁移、转化和蓄积，对人体健康构成严重威胁[14-15]，有必要深入研究弃渣中重金属的溶出释放特性。天目山隧道渣场毗邻生态环境敏感区，其所在地水系丰富、山体汇水密集。国内尚未报道如此特殊地理、地质条件下渣场对周围水环境的影响。本文研究天目山隧道渣堆前山体汇水、渣堆挡墙泄水以及下游河流水质变化，重点探究弃渣重金属成分并开展浸出试验，分析渣场对下游水环境的影响。

1 天目山隧道3#渣场简介

天目山隧道3#弃渣场位于屏门乡金陵村DK 202+840～DK 203+640右侧700 m，占荒地约39亩，运距1.4 km，容渣量约为36万方。弃渣场地处剥蚀中低山区，属于天目山山脉，灌木杂草丛生，基岩多裸露，自然山坡坡度一般10°～70°不等。弃渣场的地层岩性主要为寒武系下统荷塘组、震旦系上统皮园村组、震旦系上统蓝田组、震旦系上统雷公坞组。弃渣场沟底小溪雨季流水，季节性明显，地表水的径流方向为新安江、富春江和千岛湖。

2 渣场对周围水体的影响

弃渣场取水点示意图如图1，分别取渣场前后以及泄水所入河流上、下游4处水样。采用高锰酸盐指数测定水样COD(GB 11892-89)；采用钼酸铵分光光度法测定总磷(GB 11893-89)；采用水杨酸分光光度法测定氨氮(GB 7481-87)；采用重量法测定水样悬浮物(GB 11901-89)；水样微波消解后采用电感耦合等离子体光谱仪测定水样中重金属浓度(HJ 700-2014)。由于渣场位于千岛湖库区上游，水质标准参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)水质参照地表水Ⅲ类水标准。

注：W1-渣场前山体汇水；W2-渣场挡墙泄水；W3-河流上游水；W4-河流下游水

水样呈弱碱性(pH=7.80～8.03)，酸碱度变化不大，满足标准要求(图2)。高锰酸盐指数(CODMn)低于标准要求。山体汇水中氨氮(NH3-N)和总磷(TP)质量浓度分别为2.23 mg/L和2.01 mg/L，高出标准限值；而挡墙泄水中二者的质量浓度分别降为0.84 mg/L和0.21mg/L，均满足水质标准，说明堆场具有一定的过滤和截留作用。河道上游水体中NH3-N和TP均超标，在下游水体中二者具有一定程度的下降，说明河道具有一定的自净能力，但下游水体中NH3-N仍超标，TP满足水质标准。山体汇水中悬浮物(SS)质量浓度达到804.20 mg/L，经渣场过滤截留后下降为188.20 mg/L，SS去除率达到76.60%。河道上游的SS为656.32 mg/L，经过泄水孔后，质量浓度上升为760.14 mg/L，可能的原因是渣场泄水进入河道后引起水体紊流，导致SS质量浓度上升。

注：W1-渣场前山体汇水；W2-渣场挡墙泄水；W3-河流上游水；W4-河流下游水

水样中重金属浓度分析结果如图3。水体中的砷(As)、铬(Cr)和铜(Cu)的质量浓度低于检出限，山体汇水中镉(Cd)质量浓度超标，下游水样中铅(Pb)质量浓度超标，汞(Hg)的质量浓度则远高出标准浓度。山体汇水中Cd的质量浓度为0.008 mg/L，经过渣场后其浓度低于检出限，说明渣堆对于Cd有较好的截留固化作用。而渣体挡墙泄水中的Pb、镍(Ni)和Hg则较山体汇水中的质量浓度高，说明弃渣中可能存在这些重金属元素的溶解从而释放到水体中。其中，山体汇水中Hg的质量浓度为0.035 mg/L，是Ⅲ类水相应标准的350倍，较高的浓度可能与特殊的地质特性有关；挡墙泄水中Hg的质量浓度为0.063 mg/L，相比山体汇水增加了80%，是地表Ⅲ类水的630倍。河道下游水质中的Cd、Hg和Pb较上游高，Hg和Pb质量浓度的增加可能是因为挡墙泄水的排入。

3 岩石中重金属分析及其浸出毒性研究

对4批次的弃渣样品采用微波消解，通过电感耦合等离子体光谱仪测定消解液中重金属的浓度计算弃渣中的重金属含量，结果如图4。所有弃渣样品中均检测出了As、Cr、Cu、Ni和Pb五种重金属，按其含量(质量分数均值)由高到低排列依次为：Cr>Cu>Ni>Pb>As，其中，Cr含量(质量分数均值)为1139.36 mg/kg，As的含量(质量分数均值)为10.09 mg/kg。3批次的弃渣样品中检测出了Cd，含量(质量分数均值)为0.73 mg/kg，远低于上述五种重金属的含量。而仅在1批次的弃渣样品中检测出了Hg元素，说明汞的分布具有一定的不确定性。

弃渣中铬具有较高的含量，而在挡墙泄水中则未检出Cr，说明弃渣中重金属元素的浸出特性对水体中重金属浓度有重要影响。采用纯水根据《固体废物浸出毒性方法水平震荡法》(GB 5086.2-1997)对4批次弃渣样品进行了重金属浸出毒性研究，结果如图5。根据《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)所规定的限值，所有浸出液质量浓度均远小于标准限值。有3批次样品浸渍液中同时检测出Cu和Cd，其中，Cu的最高质量浓度为0.019 mg/L，Cd的最高质量浓度为0.006 mg/L；只有1批次的样品分别检测出了As、Cr、Hg和Pb，所有批次样品浸出液中均未检测出Ni。而挡墙泄水中Ni的质量浓度较山体汇水中Ni的浓度高，说明堆场的重金属溶出环境较为复杂。整体看来，弃渣的浸出毒性较低。

4 结论

天目山隧道3#渣场挡墙泄水中除Hg和Pb外，其他所研究的指标均满足Ⅲ类水标准。渣场对于NH3-N、TP、SS以及重金属Cd有一定的截留作用。渣场中的Hg、Ni和Pb具有一定溶出，挡墙泄水中Hg的质量浓度达到0.063 mg/L，较高的汞含量可能与地质特性以及复杂的溶出环境有关。弃渣样品中检测出较高含量的Cr和Cu，而在挡墙泄水中未检出，结合浸出毒性研究表明弃渣样品中重金属整体溶出性较低，渣场对周围地表水环境的影响较小。从水环境保护角度而言，总体上渣场是安全的。但是渣场中Hg具有相对高的溶出特性，对地表水中Hg含量的影响值得进一步关注研究。