蒋典成

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550000）

煤岩层原生矿物组分多含硫化物。在露天开采的过程中，煤矿床（如黄铁矿FeS2）含有的硫化物会暴露于空气中，经过一系列氧化、水解等反应会形成pH值为4～6（小于6）的酸性物质，其中含有大量的可溶性铁离子（Fe2+）与锰离子（Mn2+）等金属离子，以及高浓度的硫酸盐（SO42-）。受酸性物质污染的煤矿矿井水学名为煤矿酸性废水（acid mine drainage，AMD），受污染的矿井水排入地表后会严重污染周边的生态环境。有研究表明，即使将矿井关闭并停止排水，也会因地下水涌入采空区与残留污染物发生化学反应而形成AMD[1]。此外，就近露天堆放于矿井口与河道沿岸的废渣，经过降雨淋滤，也会不断氧化分解，而形成AMD。此类酸性废水成分复杂，容易降低水体的自净功能并造成水中动植物死亡；其污染范围广、危害大，污染地表水、破坏土壤结构、阻碍农作物生长，并严重威胁居民生命健康。因此，废弃矿井水污染问题亟须受到高度重视，且需要及时解决。

鱼洞河作为流经贵州省凯里市的主要河流之一，该流域及其支流长期存在煤矿废水污染问题。在2017年，中央环保督查组对贵州省开展环境保护督查，发现鱼洞河流域的煤矿废水不仅影响了鱼洞河流域水环境质量和生态景观，还影响了长江经济带生态环境保护工作的落实。因此，为保护鱼洞河流域水环境，保障人们的身体健康，在坚持生态优先、绿色发展的基础上，凯里市政府下决心解决好鱼洞河流域煤矿矿井污水治理和生态修复问题。

1 研究区概况

鱼洞河流域起源于贵州省凯里市西北的炉山镇大坡，流域范围地理坐标为：东经107°43′56″～107°58′56″，北纬 26°35′30″～26°44′29″。鱼洞河流域总面积为267 km2，全流域处于凯里市境内，处于云贵高原与中部丘陵之间的过渡地带中，总体上西南部的地势较高，为海拔近1 230 m的山区，而东北部的地势较低，主要为低矮山地地貌。该流域属亚热带湿润季风气候，全年湿润多雨，多年平均降水量在1 264.7 mm。但该流域的降水存在显著的季节特征，5～10月降水量占全年降水量的2/3，多年平均降雨量约为835.7 mm，且多为暴雨。该区域内喀斯特地貌特征显著，岩溶化程度强烈，岩溶形态多样化。

鱼洞河流域是凯里市一处煤矿资源富集区域，自20世纪80年代以来，先后有百余家大小煤矿公司在此进行大规模露天开采，但为了响应国家及贵州省能源政策相关政策以及受煤炭资源枯竭的现实条件影响，至今，大部分煤矿已废弃或关闭，成为了责任主体灭失的无主煤矿，而小部分煤矿待兼并重组，目前已全部处于停工状态。由于长期对煤层进行无序开采，导致地下形成了大面积的采空区；且煤矿闭坑后长期无人管理，废弃煤矸石混合煤泥被随意露天堆放，所以，经大气降水淋滤所产生的煤矿酸性废水以及受污染的矿井污水未经处理就通过井口、暗河、溶隙直接排入就近河道，造成河水重金属污染非常严重。除鱼洞河受沿河两岸煤矿严重污染外，其主要支流白水河的上游位于煤矿开采区，受重金属污染的河水自西向东流经白水河中下游与平路河中下游，最后汇入重安江[2]。由于大气降水自然下渗进入地表下采空区、岩溶水—矿坑煤层交互作用，以及高硫含量的煤渣长期暴露于空气中自发进行的氧化还原反应，这对鱼洞河流域水体及底泥、沿岸土壤和流域下游的农田灌溉用水和居民生活饮用水，均造成了不同程度的重金属污染。

2 鱼洞河流域水污染问题现状与危害

2.1 水污染问题现状

鱼洞河流域为铁（F e）、锰（M n）、铅（P b）、铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）等多金属含硫矿床，因此，采矿所产生的煤矸石煤泥废渣含有大量的Fe、Mn及相当数量的Pb、Zn、Cu、As等离子，其重金属含量较高且成分较为复杂。且该区域煤层中黄铁矿含量较高，煤的全硫质量分数高达4.32%～6.66%，含硫量较高。梁浩乾等[3]对河流水体、矿井排水以及河流底泥和矿井排水口底泥的pH值与重金属含量进行了采样测定。

（1）矿井水样品的检测结果表明，鱼洞河流域废弃煤矿矿井水pH值低于《国家地下水质量标准》（GB/T 14848-1993）限值，超标率78.6%，为典型的酸性矿井水；Fe、Mn、Zn的含量均高于《煤炭固废排放标准》（GB 20426-2006）限值，其中Fe、Mn、Zn的超标率分别为85.7%，7.1%和14.3%。

（2）河流水体样品的检测结果表明，各河段上游及重安江水质较好，为无污染水体，但受矿井水排入的影响，白水河、平路河的中下游河段以及重安江入江口段的水质明显恶化，为重度污染水体。其中pH值低于国家《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）限值，超标率为36.8%，SO42-、Fe、Mn、Cd的含量均高于《煤炭工业污染物排放标准》（GB 20426-2006）限值，其中SO42-、Fe、Mn、Cd的超标率分别为42.1%，57.9%、68.4%和36.8%。

（3）河流底泥和矿井排水口底泥样品的地累积指数结果表明，鱼洞河流域河流底泥的Cd、Pb、Fe的含量轻微超出贵州省土壤背景值；而矿井排水口底泥中，这三种重金属的含量超标较为严重。地累积指数也表明横石河沿岸的Fe污染最为严重，其次为轻中度的Cd、Pb污染。同时，距离河道矿井排水口近处底泥的Fe污染相对较远处更为严重。

上述研究表明，鱼洞河流域水污染的主要污染源为受污染的矿井水排入河道（包含受污染的地下水），以及露天堆放的煤矸石淋溶液。在一定程度上，这两类污染源受季节变化和大气降雨的影响较大，矿井水与煤矸石淋溶液排放的污水量在丰水期的贡献率显著高于枯水期，具体内容详见表1。

2.2 水污染危害

鱼洞河为常年性河流，且流域内的煤炭矿井大多数连片分布于沿河两岸，因而在降雨的冲刷下能够持续产生重金属含量超标的酸性废水，并会沿矿井口直接排入河流。因此，导致该地区的重金属污染和水、土酸化，这对当地的自然环境破坏极大，更严重威胁了沿河两岸居民的生命健康。段江飞等[4]研究结果表明，鱼洞河流域的污染物总量大、浓度高，限制了河流的重金属污染自净功能。而流域长度短、面积小、水流湍急的特点，更是将上游的污染物大量汇流至下游，致使流域内上游至下游以及入江口的水污染超标水平，呈明显上升趋势。李文波等[5]研究结果显示，鱼洞河流域的水污染严重影响到了沿河的炉山镇、万潮镇、龙场镇、大风洞镇、湾水镇，共计5个乡镇9.6万居民的饮水健康与灌溉生产问题。

3 鱼洞河流域水污染问题成因分析

3.1 煤矿矿井口直接排放废水

鱼洞河流域的煤炭民采风潮历史久远，这对流域的生态环境造成了长期且广泛的影响。由于小煤窑多为沿河分布，且缺乏配套的环保处理设施，产生的废水自矿井口直接排入鱼洞河流域内。同时，长期的无序、掠夺式的非法开采方式造成地下形成大面积的煤矿采空区。尤其在雨季时，大气降水下渗至采空区，矿井内废水水位上升，溢出矿井口，排入鱼洞河流域内。根据相关资料统计，仅鱼洞河、白水河两岸就有24处废水排放点，丰水期最高的总排放量约为8 000 m3／h。而酸性废水直接排入鱼洞河流域会造成河水酸化和重金属污染。

3.2 通过受污染的溶洞、暗河间接排放废水

由于鱼洞河流域的岩性以碳酸盐岩为主，地形多为断层褶皱构造，以及常年气候湿润多雨，致使地下水溶蚀作用强，煤矿采空区岩溶化程度高，发育大量溶洞与地下暗河。岩溶水进入煤矿采空区，与矿渣中的硫、铁产生化学反应，会产生大量的酸，导致流域内溶洞与暗河遭受煤矿酸性废水的污染。

3.3 煤矸石淋滤污染

该区域内有大量的煤矸石、煤泥露天堆积。根据《环境现状调查专项报告》中实地调查结果可知，鱼洞河流域内工业固废以煤矸石为主，有28处煤矸石煤泥集中堆放点，共计376.2 万 m3（平路河343.8万m3、白水河32.4万m3），其中，煤矸石373.46万m3占煤矿固体废物总量99.3%，煤泥2.74万m3占煤矿固体废物总量0.7%；煤泥主要分布在大猫山煤矿、锐达洗煤厂、平路河洗煤厂附近，并与洗选矸石混堆。煤矸石煤泥堆场全部未采取任何水土保持和污染治理措施。上述煤矸石、煤泥中部分临河堆放，方量约为81.28万m3，这不仅对河道行洪安全有一定隐患；其经历风化淋滤后产生的酸性矿山废水在雨季时直接涌入鱼洞河流域，更进一步加剧了地表水体的水质恶化和土壤污染。鱼洞河流域煤矸石堆放场地的具体情况详见表2。

表2 鱼洞河流域煤矸石堆放场地的具体情况统计表

4 鱼洞河流域煤矿废水污染综合治理应用实例

4.1 总体规划

通过调查矸石山的空间分布、污染特性、污染机理，结合水文地质、工程地质、环境地质调查成果，本次的专项治理方案遵循“源头控制、标本兼治、一山一策、先行示范”的原则。为确保实现显著的治理效果，达到污染物减排、矿区生态环境快速恢复的目的，此次专项治理的减排指标为①全面完成煤矸石煤泥治理与拦挡工程，确保生态安全；②基本消除污染物的毒性；③煤矸石煤泥淋溶水减排Fe 1 033.26 t/a、Mn 49.29 t/a；④林草植被恢复率97%。根据此目标，本方案从污染源、污染过程和污染末端对鱼洞河流域水污染问题进行综合治理。

首先，采取清污分流的方法从源头上减少污水产生量；其次，采用原位污染控制及无土生态修复措施初步恢复土壤肥力；最后因地制宜结合传统铺膜覆土撒草生态修复工艺，进行多种类植物的定植，进而实现鱼洞河的“水清、岸绿、景美、河畅”的目标。

4.2 清污分流工程措施

清污分流工程共分为三个阶段，主要包括以下内容：

（1）搬迁转移矸石堆，聚集统一治理。在此次专项治理过程中，煤矸石搬迁转移共计92.90万m3，其中，临河型矸石场搬迁转移90.07万m3；非临河型矸石场搬迁转移2.83万m3。

（2）修建挡渣墙，并铺设挡渣墙排水管与框格梁护坡；必要时对矸石堆削坡减荷。在此次专项治理过程中，修建浆砌石挡渣墙共计4.19 km，砂卵石格宾石笼挡墙0.11 km，修复挡墙0.28 km。其中：临河型矸石场共计11处，其中3处（PG03、PG04、PG05）因搬迁后需重建新矸石场的浆砌石挡墙共计0.45 km，1处（PG09）因部分搬迁煤矸石留下煤矸石修建格宾石笼挡墙0.11 km，1处（PG06）因已有挡墙只需修复原挡墙0.28 km，其余7处因搬迁至其他非临河矸石场不计入此项；非临河型矸石场修建浆砌石挡墙共计3.74 km。铺设挡渣墙排水管共计10.33 km，其中：临河型矸石场挡渣墙排水管1.90 km；非临河型矸石场挡渣墙排水管8.43 km。非临河型矸石场挡渣墙共铺设框格梁护坡共计59.66万m2。临河型矸石场无原位削坡处理；非临河型煤矸石及煤泥堆场原位削坡处理共计63.28万m3。

（3）修建截水沟、马道排水沟以及淋溶液收集、应急池。在此次专项治理过程中，修建截水沟共计10.02 km，其中：临河型矸石场修建截水沟1.69 km；非临河型矸石场共修建8.33 km。非临河型矸石场每隔10 m高程设马道，马道内侧设排水沟，共修建0.9 km。修建淋溶液收集、应急池共计33座，其中：临河型矸石场修建淋溶液收集、应急池共计6座；非临河型矸石场共修建27座。鱼洞河流域清污分流工程措施规划布局详见表3。

表3 鱼洞河流域清污分流工程措施规划布局表

4.3 生态修复措施

（1）原位污染控制及无土生态修复。在采取上述清污分流工程措施后，采用原位污染控制及无土生态修复措施治理非临河煤矸石量（含临河型挖、移）328万m3，需铁锰固定剂2 577 551.76 kg，活性硫还原剂2 577 551.76 kg，钝化剂2 577 551.76 kg等处理剂，需先锋草本植物乔木、灌木、草本植物各371 002.80株。

（2）传统铺膜覆土撒草生态修复。在土壤情况初步得到改善后，铺膜覆土撒草进行生态修复，其中纳基防渗膜共计122 603 m2，撒播草籽122 603 m2，耕植土（厚300 mm）共计36 781 m3，黏土（厚500 mm）共计61 302 m3。

5 结论

以往的非法采选矿活动对鱼洞河流域造成了极为严重的生态破坏，而造成鱼洞河酸性煤矿废水严重污染的主要有矿井涌水、受污染的岩溶泉眼、煤矸石煤泥淋溶水。相关部门自2017年5月接受凯里市水务局的委托，开展了鱼洞河流域污水治理可行性研究项目，针对研究区的水污染问题，从污染源、污染过程和污染末端，提出了对鱼洞河流域水污染综合治理及流域生态修复方案，具体措施为：以煤矸石煤泥淋溶水Fe、Mn污染物削减分摊指标为方案制定依据，先后采取清污分流、污染源原位控制与无土快速生态修复，以及防渗覆土植被隔离等综合治理措施。该方案实现了传统工程治理措施与新兴生态修复措施有机结合，不仅有助于解决鱼洞河流域的水污染问题，还对其他地区的矿山生态治理工作具有重大的参考借鉴意义。