西北内陆地区露天矿外排水对水环境影响评价

周慧平，赵宏燕，李文娟

（内蒙古恒源水利工程有限公司，呼和浩特 010018）

我国西北内陆地区蕴含有丰富的煤炭资源［1］，采煤过程中会产生大量疏干水［2-3］，但煤矿自身用水量较小，后续工业用水项目又尚未建成，疏干水需要外排［3］。为保证露天采矿的正常运行，需设置露天矿入河排污口［4］，以解决露天矿的外排水问题。

我国西北内陆地区地表水资源缺乏，河道流量较小，河流水环境承载能力较弱，势必会引起河道污染物浓度增加及水环境污染［5］。在采矿过程中，河道排污口的设置及污染物排放影响的评价是尤为重要的［6］，本文以内蒙古自治区西乌珠穆沁旗白音华煤田三号露天矿为例，全面评价河道排污口设置及疏干水排放对河道水质的影响评价。

1 研究区域概况

白音华煤田三号露天矿位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗巴彦花镇，距旗政府所在地巴拉嘎尔高勒镇东北98km 处。多年平均降水量266.1mm；多年平均蒸发量1184.6mm，夏季蒸发量最大，春季和秋季次之，冬季最小；多年平均气温1.9 ℃；属典型的温带大陆性气候。

该地区河流众多，水系发达，旗内河流为内陆河，属乌拉盖水系。旗内有较大河流7条：伊和吉林河、小吉林河、巴拉格尔河、新郭勒、高日罕河、彦吉嘎河、宝日格斯台河。

根据区内含水介质岩性、贮水条件、含水程度等水文地质特征，地下水划分为基岩裂隙含水岩（层）组、下白垩统孔隙裂隙层间含水岩（层）组、第四系孔隙潜水含水岩（层）组3大类。

下白垩统孔隙裂隙层间含水岩（层）组分布在巴彦花盆地东北、南东边缘，呈环带状分布。含水层由砂岩和砂砾岩组成，含水透水性良好。冲洪积平原孔隙潜水主要分布于高日罕、彦吉嘎河谷平原之间的广大平原地区。西乌珠穆沁旗主要河流特征如表1。

表1 西乌珠穆沁旗主要河流特征

2 研究与方法

研究范围内无实测水文资料，本次选用邻近流域的白音乌拉水文站作为设计参证站。收集白音乌拉水文站1959～2014年（缺测1974年）共55a实测长系列径流资料。模拟初始断面（高勒罕水库入库）控制流域面积1422km2，与参证站白音乌拉水文站集水面积2866km2，相差51.05%。根据规范规定，应考虑设计参证站以上流域降水等的差异。

高勒罕水库入库断面及白音乌拉水文站多年平均年径流深系数1.1194，模拟初始断面设计值采用面积比，并考虑径流深地区分布规律，75%保证率下年径流量1495万m3。75%保证率高勒罕水库入库断面设计最枯月径流量2万m3（不考虑冬季结冰期），计算得平均流量值0.0077m3/s。

根据水功能区水质和水生态保护要求，选择COD，NH3-N为评价因子，采用水质数值模型和水文模拟软件模拟评价河段COD、NH3-N的迁移扩散过程，确定设计水文条件下入河废污水的影响范围及影响程度，并分析入河排污口排污对水功能区水质、水生态及第三者的影响。

3 水文数值模型模拟水质

3.1 模型选择

根据GB/T25173—2010 《水域纳污能力计算规程》，Q≥150m3/s为大型河段15m3/s＜Q＜150m3/s为中型河段、Q≤15m3/s为小型河段。高日罕河高勒罕水库入库断面多年平均流量0.84m3/s，计算河段属小型河段。

内蒙古自治区河流多为中小河流，污染物在较短的河段内，基本能在断面内均匀混合，本次采用适用于污染物均匀混合的一维水质数学模型对入河排污口排水情况进行模拟。

3.2 模型范围

本次模型范围选取高日罕河西乌珠穆沁旗工业用水区，初始断面取在高勒罕水库入库，终止断面选在塔日牙诺尔，全长81.7km。规划年模拟范围内有1个排污节点，即本项目入河排污口，位于高勒罕水库入库断面下游4.4km处，距水库坝址处3.5km，距水库管理范围边界7.4km。

3.3 模型参数

3.3.1 污染物降解系数K

本次污染物降解系数K直接采用《纳污能力核定和限排总量方案》 对内陆河流域污染物降解系数的测算值，COD和NH3-N的天然降解系数分别为7.639×10-6和4.167×10-6。

3.3.2 初始断面水质和流量

本次采用2016年锡林郭勒盟水利局监测数据的平均值，初始断面（高勒罕水库入库）COD和NH3-N浓度分别为12.85，0.30mg/L。本次按75%保证率最枯月水库平均流量作为设计流量进行计算。

3.4 结果预测

将各参数带入一维水质模型，模拟预测规划年内COD，NH3-N浓度变化，水质模型预测如图1，图2，表2。

图1 入河排污口排水后COD浓度变化

图2 入河排污口排水后NH3-N浓度变化

表2 排水后地表水污染物浓度 单位：mg/L

由表2可知：

（1） 排污口排水前高日罕河地表水COD浓度8.31mg/L，与外排水混合后COD浓度18.23mg/L，水库水质下降但仍满足目标水质地表水Ⅲ类标准要求；污染物运移到高勒罕水库坝址处COD浓度10.78mg/L，达到地表水Ⅱ类（COD≤20mg/L）标准；污染物运移到水质代表断面塔日牙诺尔COD浓度4.84mg/L，优于地表水Ⅱ类（COD≤20mg/L）标准。

（2） 排污口排水前高日罕河地表水NH3-N浓度0.237mg/L，与外排水混合后NH3-N浓度0.663mg/L，水库水质下降但仍满足目标水质地表水Ⅲ类标准要求； 污染物运移到高勒罕水库坝址处NH3-N浓度0.498mg/L，达到地表水Ⅱ类 （NH3-N≤0.5mg/L）标准； 污染物运移到水质代表断面塔日牙诺尔NH3-N浓度0.322mg/L，优于地表水Ⅱ类（NH3-N≤0.5mg/L）标准。

（3） 至高勒罕水库坝址处时和至高勒罕水库管理范围边界处时，COD和NH3-N浓度均达到地表水Ⅱ类（COD≤20mg/L，NH3-N≤0.5mg/L）标准，优于水功能区目标水质地表水Ⅲ类 （COD≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L）标准，符合水功能区水质目标要求，不会对高勒罕水库下游河流水质产生影响。

4 水质模拟软件模拟水质

4.1 模型选择

本次选用基于荷兰三角洲研究院（Deltares）的模型算法开发的国产化水环境模型软件3EWATER软件。3EWATER软件分5个板块，分别为RGFGRID网格化工具、GISMODEL建模工具集、GISFLOW水动力模型、GISPLOT模拟结果分析和3DPLOT三维展示模块。

结合论证水功能区（水域）的实际情况，使用3EWATER软件水质模型系统二维模型对入河排污口排水进入高日罕河河道的运动变化情况进行模拟。以COD和NH3-N作为本次污染因子进行计算分析。

4.2 模拟范围及参数的确定

本次验证范围初始断面取在高勒罕水库入库，终止断面选在塔日牙诺尔，全长81.70km。采用GISMODEL和RGFGRID工具建立曲面正交网格，网格数共计431600个。建立的网格模型如图3。

图3 模型预测网格划分

初始断面（高勒罕水库入库）流量0.0077m3/s，COD和NH3-N浓度分别为12.85，0.30mg/L；COD和NH3-N的天然降解系数分别为7.639×10-6/s和4.167×10-6/s。

规划年本次模拟考虑河段内有1个排污节点，即本项目入河排污口，COD浓度均为20mg/L，NH3-N浓度均为1mg/L，排污流量0.0432m3/s。

规划年水库坝址断面流量0.1705m3/s。本次模拟时间选择计算2d，步长设置5min。

4.3 预测结果

将各参数带入3EWATER软件，预测规划年高日罕河西乌珠穆沁旗工业用水区初始断面高勒罕水库入库至该水功能区终止断面塔日牙诺尔 （水质代表断面）的COD，NH3-N浓度变化，如图4，图5和表3。

图4 预测入河排污口排水后COD浓度变化

图5 预测入河排污口排水后NH3-N浓度变化

表3 排水后地表水污染物浓度 单位：mg/L

由表3可知：

（1）排污口排水前高日罕河地表水COD浓度8.29mg/L，入河排污口排水混合后COD浓度18.59mg/L，水库水质下降但仍满足目标水质地表水Ⅲ类标准要求； 污染物运移到高勒罕水库坝址处COD浓度10.46mg/L，达到地表水Ⅱ类（COD≤20mg/L）标准；污染物运移到水质代表断面塔日牙诺尔COD 浓度4.70mg/L，优于地表水Ⅱ类（COD≤20mg/L）标准。

（2）排污口排水前高日罕河地表水NH3-N浓度0.235mg/L，入河排污口排水混合后NH3-N 浓度0.696mg/L，水库水质下降但仍满足目标水质地表水Ⅲ类标准要求； 污染物运移到高勒罕水库坝址处NH3-N浓度0.473mg/L，达到地表水Ⅱ类 （NH3-N≤0.5mg/L）标准；污染物运移到水质代表断面塔日牙诺尔NH3-N浓度0.306mg/L，优于地表水Ⅱ类（NH3-N≤0.5mg/L）标准。

（3）至高勒罕水库坝址处时，和至高勒罕水库管理范围边界处时，COD和NH3-N浓度均达到地表水Ⅱ类（COD≤20mg/L，NH3-N≤0.5mg/L）标准，优于水功能区目标水质地表水Ⅲ类 （COD≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L）标准，符合水功能区水质目标要求，不会对高勒罕水库下游河流水质产生影响。

5 结果对比

本项目采用两种方法模拟了入河排污口排水后的水质变化情况，两种方法均显示COD和NH3-N入库后与库内水混合后水库水质变差，但随着水流流动污染物逐渐降解，污染物运动至水库管理范围边界处时已优于水功能区目标水质。两种方法结果对比如表4。

表4 预测结果对比 单位：mg/L

由表4可看出，软件模拟的污染物浓度比数值模型的结果小，偏于安全考虑，本次最终采用数值模型模拟的结果。根据《内蒙古自治区水功能区划》，高日罕河西乌珠穆沁旗工业用水区目标水质为Ⅲ类。根据模拟结果，COD和NH3-N入库后与水库水充分混合后即达到水功能区目标水质要求，运动至水库管理范围边界断面时优于水功能区目标水质，不会影响高勒罕水库下游河流水质。

6 排污区域影响

6.1 对水功能区水质影响

入河排污口排入水功能区目标水质Ⅲ类标准，入河排污口排水水质为Ⅲ类标准，已满足水质目标要求。

根据模拟结果，COD和NH3-N在出管理范围前已全部损耗，不会对水库管理范围外的地表水水质造成影响。综上，入河排污口设置后，不会影响水功能区水质目标的实现。

6.2 对水生态影响

入河排污口排水水质符合规范中观赏性景观环境用水（河道类）的水质标准，对水库养殖、渔产品产卵和景观用水不存在排污的不利影响。同时，正常排水情况下本项目入河排污口不会改变水功能区水质类别，对水生生物群落和水生态环境影响很小。

6.3 对地下水影响

入河排污口排水为煤矿疏干水，水质达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准，排入高勒罕水库与水库水混合后运移到水库坝址处已满足GB/T14848—2017《地下水质量标准》Ⅲ类标准，水质较好，因此入河排污口对周边地下水影响不大。

6.4 对第三者影响

入河排污口论证范围主要影响的第三方取用水户是工业用水、渔业用水和浅层地下水取水户。

入河排污口疏干水排水水质达到地表水Ⅲ类水质标准，优于GBT19923—2005《城市污水再生利用工业用水水质》和GB 11607—89《渔业水质标准》。同时入河排污口疏干水排水处理后可用作生活用水。入河排污口的设置对工业用水、渔业用水户、浅层地下水取水户不会造成不利影响。

7 结语

（1）采用水质数值模型和水文模拟软件对本项目入河排污口排水后的水质变化情况进行模拟预测。设计保证率枯水年份（75%）最不利结果（数值模型模拟结果）排水量（123.09万m3/a）情况下，初始浓度COD 12.85mg/L，NH3-N 0.30mg/L； 至高日罕河西乌珠穆沁旗工业用水区初始断面高勒罕水库入库下游10.9km处（即水库管理范围边界处）时，COD浓度9.95mg/L，NH3-N浓度0.477mg/L；至高日罕河西乌珠穆沁旗工业用水区终止断面塔日牙诺尔时，COD浓度4.84mg/L，NH3-N浓度0.322mg/L，符合该水功能区目标水质地表水Ⅲ类（COD≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L）要求。

（2）入河排污口主要影响的第三方取用水户是工业用水、渔业用水和浅层地下水取水户。排水水质较好，不会对第三者产生不利影响。

（3）按照《纳污能力核定和限排总量方案》要求排放，2020年和2030年COD，NH3-N限排总量分别为351.55，15.90t/a，不得超过规划年限排总量。