袁 伟，罗本全，王 川

(四川省地质工程勘察院，四川 成都 610072)

煤区岩溶地下水污染模式及特征研究
——以黔西盘关向斜区域为例

袁 伟，罗本全，王 川

(四川省地质工程勘察院，四川 成都 610072)

煤企生产过程中产生的废水是造成地下水污染的主要因素。通过环境水文地质调查，对盘关向斜区域煤企生产活动造成地下水污染的主要方式进行分析，查明区内主要污染源—煤矿污水、洗煤水及堆场淋滤水通过地表水体、溶隙、落水洞等途径进入岩溶含水层污染地下水，又经岩溶管道长途运移排泄至地表，造成暗河出口地表河流污染的污染模式。其污染的三种基本模式为地表水体污染、包气带污染以及地下水污染。针对煤区岩溶地下水污染表现的滞后性和周期性，提出煤区岩溶地下水污染防治对策，对区内环境保护工作具有一定参考价值。

煤区；岩溶地下水；污染模式

盘关向斜位于贵州省西部边境，为黔西盘县煤田的一个主要构造单元。由于煤质好、煤种齐全、储量大、交通方便等得天独厚条件，是贵州省主要炼焦用煤生产基地之一[1]。区内煤企众多，矿井废水和洗煤水不当排放，是造成区内地下水环境污染的主要因素。因此，分析并研究其污染途径及特征，对于区内地下水污染防治及环境保护具有其实际意义。

1 盘关向斜区域地质概况

盘关向斜，又称亦资孔向斜，南北长约85 km，东西宽约13 km，轴部出露地层为三叠系中统关岭组(T2g)，向斜两翼依次为三叠系下统永宁镇组(T1yn)、飞仙关组(T1f)、二叠系上统龙潭组(P2l)、峨 眉山玄武岩组(P2β)和二叠系下统茅口组(P1m)。向 斜东翼较缓，倾角15°～20°；西翼较陡，除局部直立、倒转外，一般岩层倾角25°～45°，为一轴面向西倾斜的短轴开阔不对称斜歪向斜，而向斜南、北两端轴面均向东倾斜。向斜中部主体轴向呈N45°E左右，其南、北两端轴向分别往北西、南东偏转90°和40°，即向斜北端轴向为N315°W；而向斜南端轴向为S170° E，呈一反S型褶曲。向斜枢纽线向北东倾伏，其南端转折部位向上抬高跷起，向斜总体外形呈一“箕”状褶皱[1]。

图1 煤系地层与碳酸盐岩地层出露位置关系剖面图

研究区内长兴组合大隆组为一套海陆交互相的含煤建造，厚度介于72～136 m间。由东向西，灰岩夹层逐渐减少或被富含动物化石的钙质砂岩替代，且含煤性亦有逐渐变好的趋势，盘县、乐民一带，含煤10～20层，可采2～5层，研究区内煤系地层与碳酸盐岩地层出露位置关系见图1所示。

研究区内煤企众多，以煤矿和洗煤厂为主，附属的堆场更是遍布全区。据不完全统计，盘县境内综采、综掘的煤矿数分别达30个、34个，洗煤厂12个。煤企生产行为对地下水环境影响较大。

2 煤企生产对地下水的污染模式

研究区内煤企生产过程中产生的废水是造成区内地下水污染的主要因素。根据调查，研究区内除煤矿企业外并无其它的采矿活动，煤炭及其附属产物成为主要污染物。根据纳污空间的不同，将区内污染按地表水体污染、包气带污染以及地下水污染三种基本模式进行分类。各污染模式有其独有特征，又相互联系，密不可分(见图2)。

图2 污染模式关系示意图

2.1 地表水体污染

研究区位于北盘江与南盘江的分水岭地带，区内地表水系纵横交错，多为受纳水体，接纳沿岸煤企的排污水。煤矿位于碎屑岩区，在丰水期或持续多日降雨后，矿井涌水量明显增大，污水处理设施能力有限，矿井水多未经处理便排向了就近的地表河流或溪沟，加之沉淀池盈溢，导致了地表水体的污染；洗煤厂在碎屑岩区及碳酸盐岩区均有分布，多临近地表水体。据调查，区内洗煤厂均建有污水处理配套设施，但污水处理能力普遍较小，未经处理的洗煤水排入就近地表水体，造成地表水污染。煤企均有配套堆场，调查也发现有多个私人堆煤卖场以及用煤企业的粉煤灰堆场。这些堆场多位于沟谷两岸等地势相对低洼地带，煤渣受降雨淋滤后流入下游溪沟，造成地表水体的污染。堆场的污染受降雨作用影响，呈现间歇发生的特点，一般6-9月份相对集中，接近于持续污染。

地表水也是地下水的补给来源。某些发源于碎屑岩地区的地表河流，在进入碳酸盐岩区后，河水缓慢下渗或流进落水洞。

2.2 包气带污染

包气带是贮存和传输地表入渗水的地质空间。对于污染而言，它是污染物迁移的载体，同时也是地下水的天然保护屏障。包气带岩性及其内部空间(通道)形态决定了地下水污染化速度和程度。

重点工作区内包气带岩性以粉质粘土、碳酸盐岩为主，第四系松散堆积物厚度较薄且分布不连续，除洼地等地势低洼地带外，绝大部分区域碳酸盐岩裸露，故区内包气带防污性能较差，长期的污染物渗入将导致地下水污染。

按污染物运移模式，区内包气带污染可分为“注入”和“渗入”两种形式。纳污水体通过落水洞、宽大溶蚀裂隙等经包气带迅速进入含水层，可视为注入型，其造成包气带污染表现出污染范围小、深度大、污染迅速的特征；污染物在接受大气降雨淋滤后缓慢入渗的过程，可称为渗入型。相较注入型而言，渗入造成的包气带污染呈现出污染范围大、深度小，并表现出间歇累积污染的特点。

2.3 地下水污染

地下水污染是区内最为重要的污染形式，具有迟滞性、隐蔽性和难以逆转性的特点。根据污染物运移形式、入渗途径等，将区内地下水污染分为点状污染、线状污染和面状污染三种模式。

2.3.1 点状污染

点状污染主要是指污染物通过落水洞、竖井等似点状地表岩溶通道到达地下河或含水层的污染形式。污染源一般分布于岩溶通道附近。

由于污染通道多直接沟通下部岩溶管道，点状污染表现得更为迅速、直接。污染通道主要分布于地势低洼地带，汇水条件好，污染物随水流进入地下，呈现出量大、连续的特点。因此，点状污染对岩溶地下水污染贡献较大。

如区内某洗煤厂便为点状污染模式，该洗煤厂位于沟口交汇处，地表多裸露二叠系茅口组中厚层块状灰岩，溶蚀裂隙、溶沟以及落水洞等地表岩溶形态异常发育，洗煤厂修建有污水处理设施，但处理能力不足，大量洗煤水未经处理便，洗煤水分别经南侧溪沟和北侧泥煤堆场沉淀池直接排入三个落水洞(见图3)。

图3 某洗煤厂排污情况三维示意图

笔者在2015年10月31日在其中一有持续水流汇入的落水洞进行连通试验，历时14 d17 h34 min(353.57 h)后于乐民河三股水段监测出示踪剂，证明该洗煤厂是造成此岩溶大泉污染的主要污染源。

2.3.2 线状污染

线状污染主要是指受纳水体径流途中由溶隙、落水洞等渗漏进入岩溶管道或含水层的污染形式(见图4)。

图4 岩溶地下水线状(点状)污染示意图

污染程度主要受受纳水体中污染物浓度、径流长度、径流速度、滤床结构及岩溶发育程度等条件的控制。径流长度决定了污染广度，污染物浓度、径流速度及滤床结构控制了污染物沉积时间、渗入浓度，而岩溶发育程度则影响着污染物运移的速度和深度。

线状污染模式，如小果榔河上游某煤矿，该煤矿自建有污水处理池，但规模较小，大量未处理的矿井水与地表冲洗水直接排入小果榔河，其排污已近12 a，排污量约2 L/s。小果榔河底部可见明显的煤渣沉淀。小果榔河自矿区东侧穿过，流经碳酸盐岩区，碳酸盐岩区内河段纵长1 267.30 m，上游断面宽1.72 m，下游断面宽0.85 m，进入碳酸盐岩区后，边流边渗，据2015年11月9日流量测定，上、下游流量差为171.11 m3/d，这也是造成岩溶地下水污染的主要模式。

2.3.3 面状污染

面状污染主要是指呈面状分布的污染源受大气降水或地表积水淋滤，污染物通过溶蚀裂隙等渗漏进入岩溶管道或含水层，导致地下水污染的污染形式(见图5)。面状污染源主要为堆场(堆煤场、粉煤灰堆场等)，污染程度主要受堆场下伏岩溶发育程度、大气降雨及堆场区汇水条件等的影响。

图5 岩溶地下水面状(点状)污染示意图

通过调查研究区及其周边堆煤场，主涉及盘县平关镇、富源县中安镇以及沾益县白水镇三个区域。堆煤场规模不等，占地面积在5 000～50 000 m2的有35个，小于5 000 m2的有11个，大于50 000 m2的有9个。其中，位于碳酸盐岩区的有43个，以盘县平关镇小街村一带的方家庙和硝硐哨堆场污染贡献最大。笔者在2015年10月31日以人工注水方式投入荧光增白剂，历时14 d21 h40 min(357.67 h)，于乐民河三股水段检出示踪剂，证明其与三股水污染的直接联系。

综上所述，研究区内岩溶地下水环境较为脆弱，受煤企生产排污行为的影响较大，煤矿、洗煤厂、堆煤场为主要污染源，以点状、线状、面状及其组合形式通过包气带渗入或由溶隙、落水洞等途径直接进入岩溶含水层污染地下水，最终以管道流、岩溶大泉等形式排出地表。其污染形式具有较为明显的特征。

3 岩溶地下水污染特征

由于岩溶介质的非均匀性，地下水赋存、运移也极不均匀。包气带中落水洞、漏斗、溶缝等发育，使地下水直接与地面和大气相通，因此岩溶含水系统抗污染能力差，岩溶水资源环境十分脆弱，极易遭受污染。区内岩溶管道发育，岩溶水动力条件和边界条件复杂，渗漏途径长而复杂，受管道形态及地下水补给、径流作用影响，呈现出较为明显的滞后性和周期性。

3.1 污染的滞后性

盘关向斜两翼管道延伸较长，西翼管道长约15.5 km，污水由地表进入管道后流速骤降，加之岩溶管道曲折、坑洼，相当于分布多级天然沉淀池，污水极易沉积于管道底部。因此，排污初期污水排泄至乐民河时，水中悬浮物含量低、浊度小，与未污染河水感官差异不大。但经数年排污，污染沉积物已基本填平岩溶管道底部并延伸至出口，此时管道底部平坦，污染物沉积条件不足，在降雨作用下，含有大量污染物的水体集中排出地表，表现出较为明显的水体发黑、浊度升高的现象。

3.2 污染的周期性

据调查及监测，乐民河水体浊度呈现周期性的变化，长时间未降雨，河流水体浊度会逐渐降低直到恢复至本底值，在持续降雨后的2～5 d，又出现浊度升高的现象，一般情况下，降雨量越大，其浊度变化峰值就越大。表明降雨入渗使地下水径流扰动作用加强，对污染的影响作用较大，管道中沉积的煤颗粒受地下水径流强度影响，经历了沉降与再悬浮，导致了乐民河水体发黑呈周期性出现。

4 结语

研究区地下水污染以岩溶管道为载体，岩溶水动力条件和边界条件复杂，渗漏途径长而复杂，受管道形态及地下水补给、径流作用影响，呈现出较为明显的滞后性和周期性。区内煤企排污行为已久，但河流水质明显变黑则始于2015年5月，主要是由于岩溶管道内部的沉淀使得排污初期水质与本底无明显感官差异所致；根据监测分析，区内污染一般集中于每年的6—9月发生，其后随降雨间断发生。降雨转为地下径流后引起的扰动，因带入地表径流产生的泥土，致使出口水体最初感官表现为褐黄色，数小时后呈灰黑色。

对于区内地下水污染防治工作，建议在截断已查明污染源，污染通道处禁止继续倾倒污染物，严禁向落水洞、洼地等地排放污水；加强环保监管，污染企业加强污水处理设施配置，提高污水处理能力，污水达标排放；碳酸盐岩区严禁堆煤或倾倒粉煤灰等其他工业废弃物。对于停排堆场，可采用覆土造田的临时性措施，以达到减少淋滤的目的；流经碳酸盐岩区的受纳水体上游污染企业严禁排放不达标污水。

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Study on the model and characteristics of karst groundwater pollution in coal area ——A case study of the Qianxi Panguan syncline region

YUAN Wei，LUO Ben-quan，WANG Chuan

(Sichuan Geological Engineering Investigation Institute,Sichuan Chengdu 610072)

The waste water produced in the process of coal production is the main factor causing groundwater pollution. Through the environmental hydrogeology survey, analyses the main cause of groundwater pollution in the Panguan Syncline area of coal enterprise production activities, find out the main pollution source of coal mine sewage, coal washing water and yard leaching water and by surface water leaching water, karst sinkholes and other ways to enter the karst aquifer of groundwater pollution, but also by the long-distance migration of karst conduit the excretion of pollution to the surface, caused the pollution of the underground river outlet surface. The three basic modes of pollution are surface water pollution, vadose zone pollution and groundwater pollution. In view of the hysteresis and periodicity of karst groundwater pollution in coal area, the countermeasures for prevention and control of karst groundwater pollution in coal area are put forward, which has certain reference value for environmental protection work in the district.

coal area；karst groundwater；pollution pattern

2017-03-14

袁伟(1983- )，男，甘肃宁县人，工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质及环境保护等工作。

X523

B

1004-1184(2017)04-0081-03