趙莊坑口電廠南北溝貯灰場對水環(huán)境影響及防治措施

韓素麗

(山西省水利水電科學(xué)研究院,山西太原 030002)

1 南北溝貯灰場基本情況

山西晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊坑口電廠南北溝貯灰場位于長子縣南陳鄉(xiāng)團(tuán)城村西南,地處距趙莊井田西北角約 800 m,地貌上屬低山區(qū),沖溝為“U”字型南北兩溝,壩址選在兩溝交匯部位,總的地形西高東低,最高海拔 1 106m,最低 1 001m左右,相對高差 105m左右。溝內(nèi)無人居住,沒有耕地,無文物古跡和任何礦藏,也不存在壓煤問題。南北溝貯灰場 3#煤層埋深大于 600 m,3#煤隔水層厚度大于 130m,巖溶含水層埋深大于 730 m,巖溶水的水位標(biāo)高 675 m,巖溶水埋深378.6 m。南北溝貯灰場位于辛安泉域范圍內(nèi),辛安泉位于長治市的潞城、平順、黎城三縣(市)交界處,于長 16 km的濁漳河河谷出露,泉水出露標(biāo)高 600～640m,泉水多年平均流量 9.64 m3/s。辛安泉位于一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元,具有獨(dú)立的補(bǔ)、逕、排系統(tǒng),即辛安泉巖溶水系統(tǒng)。辛安泉多年平均天然資源量為 8.58 m3/s,可開采資源量為 7.22m3/s。

2 南北溝貯灰場對水環(huán)境影響分析

2.1 貯灰場對地下水環(huán)境影響因素

2.1.1 降雨特性

主要包括降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、蒸發(fā)量、貯灰場附近地形等。

2.1.2 灰渣的滲透性

貯灰場灰渣體的滲透性能是影響入滲水量的一個(gè)重要因素,如果灰渣堆體碾壓致密,滲透系數(shù)小,入滲水量就少,進(jìn)入地下含水層中的污染物總量就少。如果灰渣堆積松散,滲透系數(shù)大,在其它條件相同時(shí),入滲水量就多,相應(yīng)的進(jìn)入含水層中的污染物總量就多。

2.1.3 貯灰場區(qū)出露地層的滲透性

主要包括貯灰場各類出露地層的滲透性能、地層對灰水中污染物的吸附性能、地層中地下水的徑流強(qiáng)度以及灰水隨地下水的遷移距離等一系列水文地質(zhì)和地球化學(xué)因素。若不采取任何防滲措施,在降雨條件下,貯灰場灰水下滲會造成辛安泉域巖溶地下水的污染。

2.1.4 貯灰場區(qū)地質(zhì)災(zāi)害

主要包括滑坡、地裂縫、泥石流、采空區(qū)等,這些災(zāi)害一旦發(fā)生,就會影響貯灰場的正常運(yùn)行,甚至?xí)斐蓾位蚩鍓巍?/p>

2.2 貯灰場灰水下滲對地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)

南北溝貯灰場灰水主要來自兩方面,一是除灰運(yùn)灰過程中的噴水加濕水,二是貯灰場區(qū)的降雨入滲淋溶水和積水浸溶水。

2.2.1 除灰運(yùn)灰過程噴水加濕水量

采用灰渣分除方案,廠區(qū)除灰系統(tǒng)擬采用正壓氣力輸送系統(tǒng)至廠區(qū)干灰?guī)?除部分干灰裝罐車運(yùn)走綜合利用外,大部分干灰經(jīng)噴水調(diào)濕攪拌均勻后再用汽車運(yùn)往南北溝貯灰場貯存?；以暮恳话阋笤?15%～30%之間,含水率一般為 14%～18%。

2.2.2 貯灰場灰水產(chǎn)生量預(yù)測

1)貯灰場區(qū)降雨入滲淋溶水

貯灰場堆灰降水入滲量采用下式計(jì)算：

式中：Q降入滲為降水入滲量(萬 m3/a);P為貯灰場區(qū)多年平均(1956～2006年)降水量,為 524.6mm;α為降水入滲補(bǔ)給系數(shù),按粉煤灰相當(dāng)于黃土狀亞粘土考慮,據(jù)山西省第二次水資源評價(jià)成果,取值 0.116;F為貯灰場堆灰面積,按設(shè)計(jì)的最大堆灰面積 0.602 km2計(jì)算。

按此計(jì)算,貯灰場達(dá)到一期設(shè)計(jì)堆灰規(guī)模后,堆灰體內(nèi)年平均降水入滲水量可達(dá)到 3.65萬 m3/a,通過灰體表面淋溶和進(jìn)入灰體長時(shí)間的浸溶后形成灰水,可在重力作用下越流下滲補(bǔ)給下層地下水體。

2)降雨積水浸溶水量

南北溝貯灰場所在地區(qū)的多年平均徑流深為 70mm。壩以上控制的流域面積 2.32 km2,貯灰范圍面積 60.2 hm2,換算得該貯灰場多年平均徑流量為 16.24萬 m3,貯灰場區(qū)多年平均徑流量為 4.21萬 m3。

3)貯灰場灰水產(chǎn)生量

本次評價(jià)按遭遇連續(xù)性降水、高位截洪溝、貯灰場區(qū)排水豎井或排水涵管均出現(xiàn)事故等最不利方案考慮,貯灰場平均產(chǎn)生的降水入滲淋溶灰水和降雨積水浸溶灰水最大產(chǎn)生量為 19.89萬 m3/a。

2.2.3 貯灰場灰水下滲量預(yù)測

貯灰場可能產(chǎn)生的灰水包括降雨滲入堆灰中所產(chǎn)生的淋溶灰水及降雨積水所形成的浸溶灰水兩部分,下滲灰水量計(jì)算分不防滲狀態(tài)和防滲狀態(tài)兩種形式。

1)不防滲狀態(tài)下

Q滲=F×I×K

式中：Q滲為灰水下滲量(m3/d);F為灰水浸潤面積(m2),按終期最大堆灰面積 60萬m2考慮。其中二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2sh)出露面積為 19萬 m2,新生界第四系出露面積為 41萬 m2。

I為水力坡度,按垂直入滲,I=1;

K為滲透系數(shù),參照省內(nèi)類似地區(qū)不同地層巖性滲透性試驗(yàn)資料,取值如下：二疊系上統(tǒng)(P2sh)上石盒子組取值2.08×10-6cm/s(0.0 018 m/d),第四系取值 6.68×10-5cm/s(0.0 578 m/d)。

計(jì)算結(jié)果表明,天然狀態(tài)下,貯灰場區(qū)所產(chǎn)生的淋、浸溶灰水的日下滲總量為 24 040 m3,其中,砂頁巖裸露區(qū)為342m3,第四系黃土淺覆蓋區(qū)為 23 698m3。

貯灰場灰水下滲量為貯灰場降水入滲淋溶灰水與降雨積水浸溶灰水總量減去下滲期的灰水蒸發(fā)量?；宜舭l(fā)量采用下式計(jì)算：

Q蒸=F×E×R×10-3

式中：Q蒸為積水蒸發(fā)量(m3/d);F為貯灰場積水最大浸潤面積(m2),取 60萬 m2;E為積水期水面蒸發(fā)量(mm),取日均蒸發(fā)量 5.2 mm;R為 E20蒸發(fā)量與 E601蒸發(fā)量折算系數(shù) ,取 0.62。

按上述公式計(jì)算,南北溝貯灰場所產(chǎn)生浸溶灰水蒸發(fā)量為1 934m3/d。

南北溝貯灰場下滲和蒸發(fā)消耗的灰水量為 2 5974m3/d,年平均產(chǎn)生的降水入滲淋溶灰水與降雨積水產(chǎn)生的浸溶灰水為 19.89萬 m3/a,累計(jì)下滲期約為 7.65 d,其下滲的灰水量最大為 18.4萬 m3/a,下滲的灰水量占年均產(chǎn)生的降雨入滲淋溶灰水與降雨積水產(chǎn)生的浸溶灰水量的 92.5%。結(jié)果表明,若不對庫區(qū)第四系黃土(Q2)與基巖(P2sh)接觸區(qū)行防滲處理,則在貯灰場堆灰至一定高程以上時(shí),約有 92.5%的灰水下滲補(bǔ)給到貯灰場區(qū)淺層裂隙水,或沿溝底第四系松散層排入下游松散層孔隙水,對貯灰場區(qū)下游淺層地下水的水質(zhì)將會產(chǎn)生一定影響。

2)防滲條件下

對貯灰場擬定壩址以上的所有基巖裸露區(qū)進(jìn)行防滲工程處理,主要包括對溝底、臺地采用粘土夾土工膜鋪墊碾壓,坡面采用噴漿或掛網(wǎng)噴漿等。

Q滲=F×I×K

式中：Q滲為灰水下滲量(m3/d);F為灰水浸潤面積(m2),取 60萬 m2;I為水力坡度,垂直入滲,取 I=1;K為滲透系數(shù),經(jīng)綜合考慮取值為 1.0×10-7cm/s。

經(jīng)計(jì)算,在防滲工程實(shí)施條件下,貯灰場區(qū)所產(chǎn)生的淋、浸溶灰水的日下滲總量為 51.8m3,這樣,貯灰場日下滲和蒸發(fā)的灰水總量約為 1985.8 m3,年平均產(chǎn)生的降水入滲淋溶灰水與降雨積水產(chǎn)生的浸溶灰水量為 19.89萬 m3/a計(jì),累計(jì)下滲期約為 100.16 d,其下滲的灰水總量約為 5183m3/a,僅占淋浸溶灰水總量的 2.6%。

2.2.4 灰水下滲對貯灰場下游區(qū)松散層孔隙水水質(zhì)影響預(yù)測

貯灰場下游區(qū)松散層孔隙水補(bǔ)給來源主要為大氣降水入滲補(bǔ)給。

(1)降水入滲補(bǔ)給量

Q降補(bǔ)=P×α×F×10-1

式中：Q降補(bǔ)為降水入滲補(bǔ)給量(萬 m3/a);P為評價(jià)區(qū)多年平均(1956～2006年)降水量,為 524.6mm;α為降水入滲補(bǔ)給系數(shù)：評價(jià)區(qū)飽氣帶及含水層巖性以亞砂土為主,地下水埋深 4.9m左右,參考山西省第二次水資源評價(jià)成果,取值 α=0.16;F為評價(jià)區(qū)面積(km2),為 1.5 km2。

按此計(jì)算,評價(jià)區(qū)松散層孔隙水年平均降水入滲補(bǔ)給量為 12.6萬 m3/a。

2)水質(zhì)影響分析計(jì)算

評價(jià)區(qū)松散層孔隙水水質(zhì)影響分析計(jì)算采用下列預(yù)測模式進(jìn)行。

式中：Cmax為灰水入滲孔隙水中污染物最大濃度(mg/L);Ce為孔隙水中污染物現(xiàn)狀濃度(mg/L);ΔQw為可能滲入地下水的最大灰水量,萬 m3/a,不防滲條件下,下滲漏量最大為 18.4萬 m3/a;防滲條件下,下滲漏量為 5 183 m3/a;Q為灰水滲漏補(bǔ)給區(qū)(評價(jià)區(qū))松散層地下水資源量,采用上述計(jì)算值 12.6萬 m3/a;Cw為滲漏補(bǔ)給孔隙水的灰水污染物濃度(mg/L)。

外排灰水滲漏補(bǔ)給松散層地下水后,不防滲與防滲兩種不同條件下,地下水主要污染物預(yù)測因子濃度變化分析計(jì)算結(jié)果見表 1。

表1 松散層孔隙水水質(zhì)變化預(yù)測表 mg/L(除 pH外)

由此可見,對該貯灰場采取嚴(yán)格的防滲措施是十分必要的。

2.2.5 灰水外排對灰壩下游區(qū)松散層孔隙水影響分析

灰水排出貯灰場后,用漿砌石明渠導(dǎo)出。灰水未經(jīng)處理直接排放,照樣會污染貯灰場下游松散層孔隙水,只不過是滲漏地點(diǎn)發(fā)生變化而已,也就是說貯灰場防滲將失去意義。因此,貯灰場建設(shè)中必須配套建設(shè)壩下外排灰水的回收利用系統(tǒng)。

2.2.6 南北溝貯灰場運(yùn)行后對團(tuán)城村用水的影響分析

粉煤灰的堆積會對南北溝淺層地下水產(chǎn)生一定的影響,且會直接影響團(tuán)城村的人畜飲水水源,因此,團(tuán)城村的人畜飲水由業(yè)主單位負(fù)責(zé)解決,以保證團(tuán)城村的人畜飲水安全。

3 貯灰場對水環(huán)境污染防治措施

從辛安泉域地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用的角度出發(fā),必須采取科學(xué)、嚴(yán)格防滲處理工程措施,才能確保辛安泉域地下水不受污染。

3.1 加強(qiáng)灰渣綜合利用

為減小貯灰場對辛安泉域巖溶地下水產(chǎn)生的影響,必須加強(qiáng)對灰渣的綜合利用。粉煤灰燒結(jié)磚比普通粘土磚輕20%左右,但建筑強(qiáng)度不變,具有較好的市場前景。粉煤灰加氣混凝土是一種良好的墻體材料,絕熱性能好,質(zhì)量輕又具有一定強(qiáng)度。近年來山西省內(nèi)修路較多,灰渣可以作為路基填土利用。粉煤灰還可用于生產(chǎn)粉煤灰陶土,該陶土具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率低,化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 加強(qiáng)貯灰場排水系統(tǒng)與灰水回收利用系統(tǒng)建設(shè)

為防止貯灰場內(nèi)的灰水未經(jīng)處理直接排入濁漳南源河支流蘇里河,對辛安泉域水環(huán)境產(chǎn)生影響,必須配套建設(shè)壩下外排灰水的回收利用工程,在初期壩下的消力池后修建貯灰場排水沉淀、回收水池和回收管道,收集后的灰水用于貯灰場噴灑。

3.3 加強(qiáng)貯灰場的運(yùn)行管理

為搞好貯灰場管理,防治環(huán)境污染,貯灰場需設(shè)置有專職管理站,配備專職人員管理,以加強(qiáng)對貯灰場環(huán)境的綜合治理。當(dāng)貯灰場運(yùn)行到最終堆灰高度時(shí)要及時(shí)覆土,覆土后,在山間形成人造平原。這樣既可以造田還民,發(fā)展農(nóng)業(yè),也可以種草植樹,進(jìn)行綠化,改善生態(tài)環(huán)境。

3.4 加強(qiáng)區(qū)域地下水環(huán)境監(jiān)測工作

貯灰場投入運(yùn)行后,可能會使區(qū)域地下水環(huán)境狀況發(fā)生變化。為了及時(shí)掌握貯灰場運(yùn)行后下游地下水的水質(zhì)動態(tài)變化特征,項(xiàng)目建設(shè)單位必須對貯灰場區(qū)壩下 500 m處打一地下水觀測孔,開展當(dāng)?shù)厮h(huán)境的監(jiān)測工作,為當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T及時(shí)提供監(jiān)測資料,以滿足區(qū)域環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展和清潔生產(chǎn)的要求。定期檢查、維護(hù)貯灰場防滲工程,發(fā)現(xiàn)防滲功能下降,應(yīng)及時(shí)采取必要措施。

4 結(jié)論及建議

加強(qiáng)貯灰場建設(shè)與管理,嚴(yán)格按照要求,做好貯灰場的防滲處理工作,加強(qiáng)施工的管理與監(jiān)督,嚴(yán)格控制工程質(zhì)量。貯灰場投入使用后,采用合理的碾壓遍數(shù)和最優(yōu)含水量,雨季要重點(diǎn)檢查排水設(shè)施是否暢通、壩坡是否穩(wěn)定。同時(shí)要加強(qiáng)水環(huán)境的監(jiān)測管理,并應(yīng)及時(shí)將監(jiān)測成果上報(bào)水行政主管部門,建議在南北溝貯灰場區(qū)設(shè)置攔洪壩,并在四周設(shè)置截洪溝。