隧道施工扰动下排水水质及环境影响初探

2021-10-19许模李晓李德良宋词赵亚茜

地质灾害与环境保护 2021年3期

许模，李晓，李德良，宋词，赵亚茜

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.中国铁道科学研究院，北京 100080; 3. 中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

川藏铁路雅安至林芝段位于青藏高原东南部，沿线山高谷深人迹罕至，线路穿越横断山、念青唐古拉山等山脉，跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等河流，具有“地质环境敏感”、“显著的地形高差”、“强烈的板块活动”、 “脆弱的生态环境”等四大工程环境特征。由于超高的隧桥比例，因此工程施工必将对该区域内相关环境地质条件，以及地表、地下水水质产生严重的威胁，从而进一步干扰区域内生态环境。

近年来，随着全世界交通基础建设事业的发展，国内外众多隧道工程面临穿越含矿地层的问题，如含煤地层、石膏岩层、含多金属矿地层等。由于隧道施工导致区域内地下水流系统发生变化，形成新的汇水空间、泄水基准面和排泄通道，若同时未能采用正确的堵治水措施，必然导致大量溶矿地下水涌入洞内，不仅给隧道施工造成困难，并且会给水环境安全、生态环境稳定带来严重的问题[1-3]。渝怀铁路白沙沱4号隧道全长2 118 m，其中煤系地层4段, 共长1 375 m, 占隧道全长64.9%。该隧道位于乌江左岸, 低中山剥蚀地貌, 自然坡度大于40°,上覆第四系全新统坡残积砂黏土、碎石土, 下伏基岩为灰岩、硅质灰岩夹煤层及页岩、砂岩页岩。洞身位于岩溶水垂直循环带, 施工中遇到了多处溶洞, 涌水量最大达到了2 098 m3/d。煤系地层段地下水具硫酸岩中等侵蚀及溶出性弱侵蚀的特征，侵蚀水通过混凝土的薄弱部位渗透出来，影响隧道施工质量，造成隧道的使用寿命缩短[4-5]。同时，隧道施工过程中未经处理的酸性水的疏排造成小范围内地下水水质严重恶化。华蓥山隧道位于四川省广渝高速公路广邻段之间，全长4 .7 km，始建于1996 年, 贯通于1999 年。由于隧道排水造成地下水位不断下降，空气进入被疏干的含水介质以及包括煤系地层的裂隙介质中, 使由原来的还原或弱还原环境转变为氧化或强氧化环境，造成煤系地层中所含的金属硫化物被氧化，造成地下水中硫酸根离子富集(≥1 000 mg/l)；这一过程产生大量氢离子导致环境酸化，使得溶矿地下水中矿化度升高(≥1 500 mg/l)；同时，被污染的岩溶水经水循环排泄如附近湖(库)水，导致其水环境质量下降，湖(库)中生物资源遭到破坏，引起当地“水质型”缺水[6-8]。重庆礼让隧道全长5 517 m，穿越了320 m 左右的膏岩地层，主要分布于明月山背斜轴部的三叠系下统嘉陵江组四段的地层中。由于对地下水流系统的干扰促进了水岩作用，石膏岩表现出膨胀性，并因为溶滤地下水中高浓度的硫酸根离子具有较强的腐蚀性，严重危害隧道工程的稳定性，同时造成区域地下水矿化度增加、水质严重恶化[9-10]。

目前为止，国内仍未对隧道施工过程中的含矿地下水及地热水疏排所造成的生态环境影响引起足够重视，因而相关报道并不多见，但此类现象其实已经非常普遍。通过类比各类矿洞、矿山开采过程中引起的水环境及生态问题，可对隧道施工中的含矿地下水疏排造成的生态环境问题进行预估。例如煤层涌水通常酸性强、硫酸根离子偏高、硬度大、矿化度高，并极易含有较多的如酚类等毒化学成分，如直接排出地表容易污染地表水体，或入渗到含水系统中，造成裂隙水的严重污染，影响水资源环境[11-12]；石膏岩层涌水则含有非常高的硫酸根离子，排放入环境中造成水体污染，破坏植被生长、影响临近鱼塘中的生态结构稳定[13-14]；含多金属矿层的地下涌水，各类重金属超标严重，是周围区域饮用水源的巨大威胁，毒性强、容易富集于土壤层中，进一步影响区域内植被的生长并持续释放有毒重金属污染，持续时效性极长、恢复难度大，为当地生态环境健康造成了巨大威胁[15-16]。由此可见，穿越含矿地层的隧道施工过程中的地下水疏排会在施工期及运营期内造成一定的生态环境问题。

通过对雅安-林芝全线的初步分析，发现尖峰顶隧道、垭口上隧道、二郎山隧道、郭达山隧道、海子山隧道、芒康山隧道、浪拉山隧道、邦达隧道、扎宗隧道、易贡隧道等多个隧道都处于溶矿地下水敏感区内，在工程施工与运营期内极易受到溶矿地下水的影响而污染地下水质。本次调研采用类比工程分析、文献调研、研究区域内相关地质环境初步分析等方式，来讨论川藏铁路雅安-林芝段隧道工程施工带来的溶矿地下水及地热水涌出问题是否会对区域内的生态状况(尤其是植被生态状况)产生影响。

川藏铁路雅安至林芝，长度近1 000 km，工程规模巨大，桥隧比占90%，最长隧道近40 km，最大隧道埋深达2 000 m，隧道工程穿越全球地理条件、地质条件、生态环境最复杂、最脆弱的青藏高原过渡地带。隧道建设对生态环境可能产生较大的影响，其中隧道建设扰动地下水环境而产生的生态环境影响是主要的环境问题之一。研究、预测川藏铁路隧道工程对地下水，进而产生的生态环境影响，提出处理措施，对保护青藏高原过渡带生态具有重要的科学意义和工程意义。

本文通过现场调研、遥感资料分析，川藏铁路勘查资料综合分析，类比工程调研获得的资料，对川藏铁路高温热和溶矿水对生态环境可能产生的影响进行初步分析，为下一步研究提供参考。

1 研究区概况

新建川藏铁路雅安至林芝段位于四川省及西藏自治区境内，线路自既有成雅铁路雅安站引出，向西行经雅安、甘孜、昌都、林芝四市州，止于在建拉林铁路林芝站(图1)。新建正线长度1 008.41 km，其中四川省境内470.61 km，西藏自治区境内537.80 km。在建拉萨至林芝段新建线路长403.13 km，2014年底开工建设，计划2021年建成通车。雅安至林芝段新建正线长998.81 km，桥隧总长938.83 km，桥隧比为92.91 %，其中新建桥梁147座，共计102.72 km，占线路长度比例为10.28 %；新建隧道80座，共计825.28 km，占线路长度比例为82.62%(图1)。

雅安至昌都段，起于雅安，经泸定、康定、雅江、理塘、巴塘，后进入贡觉，再引入昌都，全长雅安至昌都段新建正线长度635.94 km。昌都至林芝段，线路在昌都市加卡经开区、邦达、波密县、引入林芝站。昌都至林芝段新建线路长度374.020 km，还包括林芝站改工程及动车运用所相关工程。

2 含矿地下水疏排的影响

2.1 对工程施工的影响

隧道施工建设过程中所涉及到的煤系地层地下水具有酸性强的特征，因此进一步增强了溶矿地下水的矿化度、硬度，使得硫酸根、铁离子等含量非常高，因而具有较强的侵蚀性。侵蚀水的存在对隧道衬砌的内在质量具有较大威胁, 侵蚀水通过混凝土的薄弱部位渗透出来，导致混凝土质量变质、软化，隧道的使用寿命缩短。

此外，对于穿过含石膏矿地层的隧道工程，由于隧道施工过程中对地下水流系统的干扰促进含水层中的水岩相互作用，地层中石膏岩表现出很强的膨胀性，并由于该溶矿地下水中高硫酸根离子浓度而具有较强的腐蚀性，严重危害隧道工程的稳定性。川藏铁路隧道与沿线矿产分布关系图如图1所示。

图1 川藏铁路隧道与沿线矿产分布关系图

2.2 对生态环境的影响

川藏线沿线隧道施工所产生的溶矿地下水中通常具有酸性强、硫化物(硫酸根)含量高、各类金属离子浓度高等特征，对于生态环境具有很大影响。

(1) 异常pH对生态环境的影响

酸性溶矿地下水排放进入地表环境之后，会打破土壤及水环境中的酸碱平衡。尤其是经直接排放进入地表水体的水生生态系统，异常的pH值会影响水生生物对氧气的摄入和对食物的摄取能力。很多菌群、浮游生物、鱼虾等对pH变化非常敏感，pH变化会影响其正常代谢，进而对整个食物网产生影响；酸性水可使鱼虾血液的pH下降，削弱其载氧能力，造成缺氧症。

土壤层中pH值过低会影响土壤中大量和微量营养元素的可用性，例如使得植被对钙、镁等元素营养的缺乏。此外，过低的pH会增加对各类金属矿物的溶解度，使得土壤、地表和地下水体中的金属离子的含量增加，甚至会导致很多有毒重金属的含量增加。

(2) 硫化物对生态环境的影响

通过隧道施工疏排进入地表环境中有许多金属离子，可以与硫酸根结合成稳定的硫酸盐，而排放进入饮用水中的硫酸盐含量过多可引起人体健康问题，例如使人腹泻等；硫酸根离子在硫酸盐还原菌的作用下可转化为硫化氢，挥发性较强且易散发臭味，溶于水中对混凝土和金属都有侵蚀破坏作用，在高浓度下对鱼类也有较强的毒害作用；并且经挥发进入到大气中后，会进一步与大气中的污染物相结合，形成酸性气溶胶、颗粒物等，进一步引起大气污染[17]。

(3) 金属离子对生态环境的影响

川藏线沿线因含有以金、铜、铁、钨、锡、锑、砷、汞、银等为主的金属矿产，在隧道建设施工过程中的溶矿地下水疏排即会引起一系列生态环境问题。

含多金属的的溶矿地下水排放进入生态环境中，一方面如直接排放进入河、湖等地表水体，或通过入渗进入到潜水含水层中，从而进入当地水循环，对动植物造成危害，甚至污染饮用水源而产生人体健康威胁；另一方面这些含多金属元素的溶矿地下水在排放到地表的过程中，由于温度、氧化还原条件、溶解度的变化，使得这些金属元素沉淀或吸附于包气带和土壤层中，产生二次污染。

川藏线沿线相关多金属元素，其中汞、铜、铅等有毒重金属对于生态环境的危害尤其突出。例如汞会影响到种子的发芽和植物的形态建成，并且在浓度较高时会抑制植物的生长，并且会抑制光合作用、根系生长和养分吸收、酶的活性、根瘤菌的固氮作用等。铅能减少跟细胞的有丝分裂速度，造成植被生长缓慢、生物量下降、叶片失绿明显，严重时逐渐枯萎死亡。植物体中过量的铜会妨碍植物对二价铁的吸收和运转，损伤根部，造成根毛少甚至枯死。

3 隧道工程引起水热条件变化对生态环境影响

3.1 对陆生生态环境影响

川藏铁路主要穿越鲜水河活动断裂带、理塘活动断裂带、巴塘活动断裂带、香堆-洛尼断裂带及侵入岩体边缘围岩接触带、澜沧江断裂带地热异常区、怒江断裂带地热异常区、雅江缝合带-易贡地热异常区等8个地热带(图2)。

图2 川藏铁路雅安至林芝段沿线地下热溶矿水分布图

水温变化是影响流域生物多样性、生态系统结构与功能的重要环境因子指标，尤其对水生生态系统影响尤为敏感。对陆生生态系统而言，流域增幅较大可能直接造成邻水和谷底陆生植物多样性组成发生变化，更有利于喜热和喜温植物生长，但也会造成部分耐寒物种消失[18]。

以弯东隧道为例调查研究发现，温泉开发对水生生态系统影响明显。地下热水输水工程会直接造成局域空气或水体温度快速上升，破坏了水体的生态平衡，会导致局域范围陆生植被和流域范围水生生物的快速致死，从而对附近地下水环境产生较大影响。温泉开发对陆生植被影响主要表现在对温泉洞口附近，其不利影响表现为温泉出口的高温对植被造成的损伤，但影响范围往往较小。根据调查发现，弯东隧道区域的磨西断裂带上有6处温泉，隧洞施工过程中大量热水排放，温泉气体中有H2S，H2S气体排放对洞口水生植物造成影响较大；热水排放导致排放口下游近1 000 m范围地温升高、地下水质发生变化，水体产生了大量绿藻、微生物，形成泉华。

以榆林宫隧道为例，榆林宫矿泉群有20余个天然温泉出露，水温多在60 ℃以上，最高90 ℃。水热区热水pH值呈中偏碱性，热水中主要离子为K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-和Cl-，其中Na+和HCO3-质量密度最高，热水pH值中偏碱性，可能造成榆林河下游河水pH值改变，直接影响水生生物多样和水生生态系统。通过调查研究发现，虽然评价区植被类型整体未发生明显变化，但由于榆林宫热泉分布海拔较高，热水资源开发造成河流水温上升、水质变化，对榆林河冷水鱼类和两栖爬行类(蛙类、蛇类)影响尤为敏感，可直接造成冷水鱼类快速大量死亡，进而造成河流生态系统急速退化。因此，热泉资源开发对水生生态系统及其生物多样性影响尤为明显，榆林宫隧道工程建设过程应尽可能避免热泉水外泄和进入榆林河。以雪峰山隧道工程为例研究发现，隧道施工对地下水资源造成了污染。

3.2 对水生生态环境影响

川藏铁路沿线经纬度跨度大、地形起伏大、植被类型复杂的特点，其高原湿地分布较广，生态系统脆弱。

在施工过程中排放的地下热水含有H2S气体，由于H2S气体的增加和水体温度增加，湿地内硫循环加快，可能导致湿地内硫循环过程被破坏，进而影响湿地生态系统的其他循环。地下热水向湿地排放，使得湿地内水温的上升，湿地面积减少，养分循环可能被破坏。地下热水的排放可能会影响湿地生态系统，高温地热水直接排放，可能对湿地生态系统中的水生生物与陆生生物造成一定的危害。一方面是地下热水温度较高，破坏湿地内水生物生存环境，当水温增高时，生物机体代谢增大，需氧量相应增大，而水体受多因素影响随温升而溶解氧降低，这将不利于底栖生物的生存；水温增高时，湿地内陆生动植物的栖息地被破坏，造成陆生动物的迁徙与陆生植物群落的消失或减少。另一方面地下热水中的物质，如氟(F)，F通过土壤-动、植物-人类进行迁移、富集，导致了一系列的环境污染和健康危害问题。氟对作物的危害是慢性积累的生理障碍过程。抑制生物的新陈代谢、呼吸作用及光合作用，抑制新陈代谢过程中马来酸脱氢酶的活性。

通过若尔盖高寒湿地，导致水热条件改变，由于地理等其他因素，湿地的固碳能力大小不一，温度和水量的同时增加可能会阻碍湿地的固碳能力，破环湿地的碳循环过程。

4 隧道工程引起水质条件变化对生态环境影响

4.1 对陆生生态环境影响

隧道建设在实际的施工中，会产生大量的施工废水与隧道涌水。施工废水主要源于隧道穿越不良地质单元或者清洗施工设备等而产生的废水资源。这些废水也会造成植被的生长和发育受到一定的影响。

以雪峰山隧道工程为例研究发现，隧道建设对植物生长产生了严重的影响。直接影响区和次影响区的氮、磷、钾、酸碱度、有机质等所测试的土壤因子均发生了变化,并各自表现出一定的规律性,使土壤肥力发生变化。由于土壤环境的变化,隧道施工影响到影响区及次影响区内的植物生长,直接造成了植物生长速度降低等后果[19]。

以华蓥山隧道为例，隧址区水体水化学类型主要为HCO3-Ca和HCO3·SO4-Ca型，水质偏弱碱性，属于低矿化度水，各水体离子成分主要来源于岩石的风化作用。疏干漏斗的产生也会影响地表水的补径排，从而影响其水质。结合施工期遥感影像分析发现，华蓥山含矿水排出口，植被生长有一定影响，表现为隧道口排出水区域内植被盖度呈现明显的下降，距离排出口越近植被盖度等相关指标变化值越大，呈现明显的相关性。

4.2 对水生生态环境影响

川藏铁路途经的地区是我国湿地资源比较丰富的区域，其湿地类型主要为河流湿地、湖泊湿地和沼泽湿地，其主要补给方式为地下水补给。

在隧道施工区域内铅锌矿、金矿、黑钨矿、锡矿等含矿层地下水中含有钨、锡、Pb，Zn、Au、Ag等多种重金属元素，在施工过程中可能引发临近水系水质下降，使隧址区生态水环境发生变化，从而造成川藏铁路沿线湿地水生生态系统破坏现象。以类比工程华蓥山隧道施工前后的水环境质量变化为例分析，华蓥山隧道在施工过程中主要水质污染源有施工场地的生产废水、桥梁施工废水、少量生活污水以及隧道施工废水等。根据隧道排水期间的水化学特征资料，隧道总的排出水水化学类型为硫酸钙型水，主要特征为低pH、含SO42-以及含有多种重金属元素。

隧道排水中进入地表水以及地下水之中，会造成水体水质发生变化，使湿地整体的水体环境水平大大降低[20]。水质条件变化对湿地的影响主要表现在以下几个方面：

(1) 补给水源水质的变化会引起植物的衰竭和腐烂，腐烂的茎、叶容易消耗水体中的溶解氧使河床上升、底泥增多，其中释放出的有机物、氨氮等导致水体污染物回升，容易造成水体的二次污染。

(2) 鱼类、两栖爬行类、鸟类以及浮游生物是湿地生态系统中主要生物种类，当水体中pH、NH3-N等监测指标发生变化时会导致生物种群数量锐减甚至濒临灭绝，进而对整个湿地生态系统结构、功能运转和环境产生影响。

(3) 铁路沿线河流湿地分布密集，植被以高山针叶林、高山灌丛和高寒湿地(包括高寒沼泽、高山湿草甸等类型)为主，并有多种珍稀、濒危和重点保护植物。当湿地的水质发生变化时，会对植被生长造成一定影响，表现为湿地区域内植被盖度呈现明显的下降。

5 地下热水处理措施

根据对地下热水疏排可能的生态影响分析，当地下热水温度较高，水体pH偏高或偏低、硬度、氟离子、重金属离子浓度过高等均可能导致区域地下水、地表水污染，无法达到供水要求；可能增加土壤含盐量，造成植物脱水萎蔫，减缓植物生长速度，改变植被生长类型，耐盐、耐酸碱类植被覆盖量增加，降低生物多样性。地下水和地表水中金属含量过高，还可能导致一些植被死亡，或产生富含毒性重金属的农作物等。因此若产生的地下热水水量较小，其他地质等条件符合封堵要求时建议对地下热水进行封堵，降低工程建设对生态环境的破坏作用。

当地下热水水量较大、水体温度较高、水质较好，且地下热水排放区域具有综合利用条件时，建议将地下热水进行多级利用，使其产生良好的经济效益、社会效益和生态效益。当地下热水缺乏封堵和综合利用条件时，应结合地下热水水质、水温、水量及热水排放区周边实际情况将其进行相应处理后排放进入自然环境或直接排放进入自然环境。地热隧道处理措施见表1。