极端条件下石墨矿尾矿库溃坝对水库型水源地环境影响预测研究

2021-10-25高东东肖杰陈亚平王春辜凌云

环境保护与循环经济 2021年8期

高东东肖杰陈亚平王春辜凌云

（四川省生态环境科学研究院，四川成都 610064）

1 引言

采矿活动可引起地表水、地下水、土壤、空气、噪声等多种污染，也可造成生态植被的破坏［1］。国外历来重视矿业开采对环境造成的影响，经过多年的发展与探索，已有100多个国家建立了矿山环境影响评价系统。美国联邦政府和各州政府对矿井水污染问题极为重视，美国地质调查局和很多高校及科研机构进行了大量的相关研究，英国、加拿大、南非、西班牙、德国、新西兰等国也根据本国不同的矿山水环境污染问题，从不同的角度进行了深入研究［2-6］。我国矿山环境评价及治理工程开始于20世纪50年代，自20世纪80年代以来，矿山开采导致的区域地质环境问题逐渐凸显［7］，研究内容多集中在矿山开采对土壤、地下水的影响［8-12］。当矿山废水进入地表水体中，会使当地水体的理化性质发生改变，水中对环境变化敏感的生物受到影响，水中生物的丰富性被破坏［13］，若进入水源地，居民的身体健康和社会稳定也会受到影响。饮用水水源保护问题已成为关系国计民生的重大问题，是国家公共卫生安全体系的重要组成部分。石墨及石墨烯等先进材料是当今世界高端新材料领域的发展热点，对于工业经济总量较小的四川省巴中市而言，石墨矿产业具有重要社会经济地位。巴中市南江县某石墨矿区位于南江县杨坝镇境内，其矿区范围约90%位于水库型水源地的准保护区范围，《四川省饮用水水源保护管理条例》（2019年修正）、《巴中市城市饮用水水源保护条例》（2020年修正）均规定：在水源准保区内禁止进行可能严重影响饮用水水源水质的矿产勘查、开采等活动，为明确该石墨矿开采中的选矿活动与法律法规的相符性，本文通过模型对假设极端条件下发生溃坝石墨矿选矿可能造成的环境影响进行了预测分析，并提出对策措施，对于统筹规划、加快推进南江县石墨资源的勘探与开发具有重要意义。

2 材料与方法

2.1 水源地概况

杨坝河是渠江上源南江河右岸一级支流，发源于南江县光雾山，向东南流过杨坝镇、流坝，转南汇入南江。杨坝河全流域面积138 km2，河道总长30.9 km，某水库型水源地位于杨坝河的中下游，是一座以城市抗旱、应急及备用水源为主，兼顾生态环境的小（2）型水利工程，日供水规模达到2万m3。水库坝址以上控制流域集雨面积108 km2，干流河长21.9 km，平均比降31.6‰。水库总库容60.38万m3，正常蓄水位对应库容48.63万m3。取水口上游有多条支沟汇入杨坝河，上游支沟常年干涸，仅在降雨时有水，见图1。

图1 水源保护区范围及流域水系

水源地取水口位于水库大坝内侧，一级保护区为以取水点为基点，沿杨坝河上溯2 000 m，5年一遇洪水所能淹没的水域范围，水库大坝顶面、大坝两端水平纵深100 m，以及一级保护区水域两岸纵深100 m的陆域范围；二级保护区为一级保护区上游边界上溯4 000 m的河段，10年一遇洪水所能淹没的水域范围，二级保护区水域边界向两岸纵深1 000 m，但不超过流域分水岭的陆域范围；准保护区为杨坝河取水口以上除一、二级保护区水域以外的全部水域范围，取水口以上除一、二级保护区外整个集水范围的陆域范围（见图1）。

2.2 石墨矿规划方案

某石墨矿采矿场位于水库取水口上游杨坝河支沟吴家沟，与取水口的河道距离9 600 m，矿山采选生产能力为300×104t/a，矿山主要的开采方式为露天开采，采用浮选柱连续选矿工艺。另外，项目还规划建设有选矿厂、排土场、尾矿库、生活区等。其中，选矿场和生活区位于露天采场东侧铁厂坪，共设吴家沟和廖家沟两处排土场，尾矿库布置于斯家沟内。经与水源保护区范围对比，其规划的露天采场、选矿厂、排土场、尾矿库均位于水源准保护区内，斯家沟尾矿库距离取水口最近，与取水口河道距离6 800 m，与杨坝河河道距离1 000 m，见图1、图2。

图2 尾矿库与取水口河道距离及现状监测断面位置示意

矿山规划的建设方案中向准保护区内排放的废水主要为采场涌水、排土场淋溶水，其主要污染物为SS，经沉淀处理，排入周家沟和东溪沟，然后进入杨坝河；机修车间含油废水回收处置不外排，且废水量较小，发生事故等对地表水的影响较小。规划中的选矿厂生产排出的尾矿浆排水量为9 663.3 m3/d，主要污染物为CODCr、NH3－N、总磷、总氮、石油类、汞等，正常情况下库内回水和尾矿库渗漏水全部回用不外排，对地表水环境影响小，但尾矿库距离二级保护区水域较近，一旦在极端情况下发生溃坝等事故，选矿废水可能影响下游水源水质。

2.3 水质分析

2.3.1 背景水质取样及收集资料

为确定水质背景值，分别在杨坝河上游（a）、吴家沟（b）、杨坝河下游（c）布设断面（见图2），主要监测因子有pH、SS、CODCr、BOD5、NH3－N、石油类、硫化物、汞、镉、铅、砷、六价铬、铜、锌，共14项；收集了水库取水口（d）水质监测数据，常规指标65项，监测频次为每月1次，全指标109项，分析频次为每年1次。对照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ，Ⅲ类标准限值进行评价。

2.3.2 选矿废水取样分析

根据石墨矿选矿试验报告，采用浮选柱连续选矿工艺。主要试验参数为：磨矿浓度50%，粗磨－325目98%；浮选药剂总量：柴油670 g/t，2号油710 g/t，水玻璃990 g/t，六偏磷酸钠990 g/t，碳酸钠990 g/t。由于选矿厂还在规划中，为掌握污染源水质情况，对选矿试验废水进行取样监测。

2.4 模型预测

为分析石墨矿开采与水源准保护区规定的相符性，采用水质模型预测石墨矿将来开采发生极端情况是否会对下游水源水质造成影响。

根据HJ 2.3—2018《环境影响评价技术导则地表水环境》规定“小河可以简化为矩形平直河流”［14］，本次受纳水体杨坝河为小河，可以直接简化为矩形平直河流。采用导则推荐的S－P稳态混合衰减模式和完全混合模式进行预测。

CODCr，NH3－N均为非持久性污染物，河道为平直河流，采用河流S－P模式进行预测。公式如下：

式中，c为计算断面的污染物浓度，mg/L；c0为计算初始点污染物浓度，mg/L；K1为河流耗氧系数，d-1；u为河流流速，m/s；x为从计算初始点到下游计算断面的距离，m。

从保守角度认为其他指标不会衰减，河道为平直河流，采用完全混合模式。公式如下：

c0＝（cpQp＋chQh）/（Qp＋Qh）

式中，cp为污染物排放浓度，mg/L；ch为河流背景污染物浓度，mg/L；Qp为废水排放量，m3/s；Qh为河流流量，m3/s。

3 结果与分析

3.1 背景水质及污染源水质分析

3.1.1 地表水背景水质

根据水质分析结果，矿区周边监测断面的监测因子均符合GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类标准限值。可见矿区、尾矿库、排土场所在的支沟水质现状均良好；杨坝镇居民生活污水对杨坝河的水质影响较小。根据水库取水口监测断面分析结果，水质常规指标中总氮、粪大肠菌群达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准限值要求，高锰酸盐指数达到Ⅱ类，其余指标均达到Ⅰ类，水库取水口水质较好，满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》对水源一级保护区的要求。本次水质分析结果为后续模拟预测提供了水质背景值。

3.1.2 选矿废水水质

根据水质分析结果，CODCr、石油类为Ⅴ类，总磷为劣Ⅴ类。选矿过程中，要添加柴油、2号油、水玻璃、六偏磷酸钠、碳酸钠等药剂，因此废水CODCr、石油类、总磷含量较高。监测结果见表1。

表1 地表水及选矿试验废水监测结果（节选） mg/L

3.2 水质影响预测分析

3.2.1 预测参数

（1）排污口概化

将尾矿库大坝处概化为排污口，尾矿库大坝位于取水口上游6 800 m处，其汇入杨坝河沟口距离取水口5 800 m（见图2），极端状况下，排入杨坝河选矿废水排放量预测为9 663.3 m3/d。

（2）水文参数及预设情形

水库坝址处多年平均流量2.52 m3/s，多年平均年径流总量7 988万m3，多年平均年径流深739.6 mm；年内最枯月径流一般出现在2月，多年平均流量为0.373 m3/s。本河段预测污染物考虑2种水文条件，即多年平均流量和最枯月平均流量。

（3）预测因子确定

根据选矿废水的特征污染物，选取CODCr、NH3－N、总磷、总氮、石油类、汞6个因子进行预测。

（4）预测范围、水质背景值及保护目标

预测范围为尾矿库下游6 800 m范围内杨坝河水体，取水口水质保护目标为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅱ类水质标准限值。选取吴家沟汇入杨坝河口上游河段的监测数据作为杨坝河水质背景值，总磷、总氮以水库检测值的最高值作为背景值（见表1）。

（5）水污染源参数

按照企业满负荷生产预测排水量约9 663.3 m3/d。极端状况下按照废水全部排放预测，根据对选矿试验尾水的监测结果确定污染物浓度（见表1）。

（6）降解系数

《全国水环境容量核定技术指南》推荐的CODCr，NH3－N降解系数分别为0.20～0.25 d－1，0.10～0.167 d-1［15］。采用保守值计算，降解系数CODCr取0.2 d－1，NH3－N取0.1 d－1。本次分析考虑最不利因素，总磷、总氮、石油类、汞的K1取0。

3.2.2 预测结果

假设极端情况下9 663.3 m3/d废水未进入循环系统，全部外排，由于斯家沟水量较小，实际计算长度从吴家沟与杨坝河交汇口到取水口的距离5 800 m，即吴家沟与杨坝河交汇口为0，到取水口处为5800m。

（1）情景一：多年平均流量情形

多年平均流量极端情况排放时，预测污染物在水源地取水口处的浓度为：CODCr6.025 9 mg/L、NH3－N 0.039 1 mg/L、总磷0.070 0 mg/L、总氮0.929 4 mg/L、石油类0.020 6 mg/L、汞0.000 02 mg/L，见表2。

表2 多年平均流量情形下杨坝河水质随流程变化 mg/L

（2）情景二：最枯月平均流量情形

最枯月平均流量极端状况排放时，预测污染物在水源地取水口处的浓度为：CODCr11.155 4 mg/L、NH3－N 0.103 2 mg/L、总磷0.158 4 mg/L、总氮0.882 3 mg/L、石油类0.067 7 mg/L、汞0.000 05 mg/L，见表3。

表3 最枯月平均流量情形下杨坝河水质随流程变化 mg/L

不同情形下取水口处的浓度与标准对比见表4。

表4 不同情形下取水口处的浓度与标准对比 mg/L

选矿废水若在极端状况下进入杨坝河，多年平均流量情形下，选矿废水对取水口处CODCr、NH3－N、总氮影响较小，但可导致取水口总磷、石油类浓度上升，石油类未超Ⅰ类水质标准，总磷由Ⅰ～Ⅲ类变为Ⅳ类；最枯月平均流量情形下，选矿废水对取水口处CODCr、NH3－N、总氮影响较小，但可导致总磷、石油类浓度上升，总磷由Ⅰ～Ⅲ类变为Ⅴ类，石油类由Ⅰ类变为Ⅳ类，见表4。

多年平均流量情形下，废水排放对河道石油类的贡献率超过了50%；最枯月平均流量情形下，废水排放对河道CODCr、NH3－N、总磷、石油类、汞的贡献率均超过50%，见表5。在极端状况下，该石墨矿的开发可能严重影响城市饮用水水源水质。

表5 不同情形下废水排放污染物在取水口处完全混合后贡献占比 %

4 对策分析

南江县石墨资源主要分布在本次研究区附近，共涉及3个矿区（1＃，2＃，3＃）且处于同一成矿带，其中，2＃矿区为本次模拟预测对象。本区域涉及2个水库型水源地，分别位于石墨矿两侧的杨坝河和南江河，石墨矿西侧水源地（A）已划分保护区，石墨矿东侧水源地（B）正在修建中。待东侧水源地修建好后，1＃，2＃，3＃矿区范围全部位于取水口上游和已划定的水源准保护区范围或者汇水范围内（见图3）。在极端状况下，尾矿库选矿尾水可能严重影响城市饮用水水源水质，不符合《巴中市城市饮用水水源保护条例》的规定，这给区内进行选矿、尾矿库建设带来阻碍。

图3 现状条件下石墨矿与水源保护区位置关系

从难度系数方面考虑，B水源地是国家发改委批复建设的大型水库，A水源地为南江县发改局批复建设的小型水库，建议应着重从A水源地方面入手解决南江县石墨资源开发困境。A水源地上游现有1＃，2＃，3＃石墨矿探矿权，为避开上述活动的影响，本研究提出将取水口上移至杨坝镇上游的方案，取水口上移之后，一方面，2＃石墨矿规划的露天采场、选矿厂、排土场、尾矿库、生活区等均不位于调整后的饮用水水源保护区内，且可供继续建设用地非常充足；另一方面，2＃石墨矿的开发准备工作进度是该片区最领先的，可利用这两方面的优势，在2＃石墨矿规划基础上，扩大选矿厂、排土场、尾矿库等的建设规模，将1＃，3＃片区石墨资源的选矿、尾矿堆放等统一安排在2＃矿区。上移后，新建的取水口专门用于南江县的应急及备用供水，还可解决杨坝镇的供水问题，原取水口可保留，用于矿山开采用水及其他供水。以上措施还可避免1＃和2＃矿区的西北侧部分在B水源地的汇水范围内建设选矿厂、尾矿库等，并使南江县石墨资源的开发与《巴中市城市饮用水水源保护条例》符合，见图4。