淺析煤炭開采的地下水環(huán)境影響與評價

劉 哲

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

煤炭開發(fā)對推動國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，提高國家綜合實力和人們生活水平有著重要意義。但同時，煤炭開發(fā)對自然環(huán)境影響深遠(yuǎn)，大量的采空塌陷，地表開裂，破壞煤礦地層中含水、隔水系統(tǒng)，改變天然地下水循環(huán)狀態(tài)，導(dǎo)致裂隙水被疏干、泉水?dāng)嗔?、河川徑流?yán)重衰減等一系列環(huán)境問題，影響地下水資源的數(shù)量和質(zhì)量，破壞水的動態(tài)平衡。進(jìn)行煤炭開采的地下水環(huán)境影響評價，對于保護(hù)地下水資源、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義。文章分析了煤炭開采對地下水資源的影響，參照2011年2月出臺的《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》(HJ610－2011)(以下簡稱《導(dǎo)則》)，討論了煤炭開采的地下水環(huán)境影響價的主要內(nèi)容和要點。

1 煤炭開采對地下水資源的影響

煤炭開采包括露天開采和井工開采，其中井工開采占94%左右。不論哪種開采方式，均易產(chǎn)生地下水環(huán)境問題［1］。煤炭開采對地下水資源影響復(fù)雜多樣，在煤炭開各個時期(采期、坑排水期以及礦山尾礦、矸石堆積期)都可能對地下不同位置(淺層、中層和深層)改變地下水場流及補、徑、排條件，對地下水資源水量、水質(zhì)、水平衡等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響［2－6］。

1.1 水量與水循環(huán)影響

水資源和煤礦共處于一個地質(zhì)體中，通常施工單位為了能夠維持正常的采礦模式，確保采煤工作面能夠橫向和縱向的發(fā)展，會在采礦的同時，把工作面周圍的水和潛在的水全部排出。開采使圍巖變形和移動，煤系地層上覆巖層直至地面，出現(xiàn)冒落帶、彎曲帶和垂直向裂縫帶［7］。煤系地層中的水和散松巖類地層中的水快速向下滲透，形成區(qū)域性地下水位降落漏斗區(qū)，淺、中層的水位逐年被下降并被輸干;隨著開采深度的加大，深層含水層的水也被截留轉(zhuǎn)化為礦坑水被排出，以礦井為中心的地下水位下降漏斗區(qū)范圍和幅度不斷擴大，在其影響范圍內(nèi)，地下水流動加快，儲存量不斷減少［4］。

因巖層破壞和地表裂隙或塌陷作用，原有的蓄水構(gòu)造和地下水補、徑、排條件發(fā)生變異［8－9］。地表徑流與采區(qū)、上含水層與采區(qū)之間的水力聯(lián)系通過采動地層溝通［4］。地表徑流、基流和潛流中各有一部分或全部由以橫向運動為主，變?yōu)橐源瓜蜻\動為主，向礦坑匯流轉(zhuǎn)為礦坑水或滲透地下轉(zhuǎn)為地下水的運動;同時，降雨入滲速度加快，蒸發(fā)量減少。地下水則由以前的基流和潛流排泄為主，變?yōu)橐缘V坑排水為主［2］;同時，因局部承壓水轉(zhuǎn)為無壓，含水層變?yōu)橥杆畬?，地下水調(diào)蓄能力降低，向地表水補給量減少。這樣整個區(qū)域地表水、地下水均衡系統(tǒng)遭到破壞，造成大面積疏干漏斗、泉水干枯、水資源逐步枯竭以及河水?dāng)嗔鳎欢ǔ潭壬霞觿〉貐^(qū)的供水緊張問題。

1.2 水質(zhì)影響

地下水水質(zhì)的污染源主要來自受污坑井水和煤矸石等固體廢棄物。

1.2.1 礦井水造成的水環(huán)境污染［4－10］

礦井水的污染一部分來開采過程中的井下糞便，煤、沙塵，廢坑木的腐爛，廢機油、廢酸液，井下灑水及防火灌漿水等，一部分來自煤層、圍巖中的硫化物礦物與氧氣、水接觸，在微生物的催化作用下，經(jīng)過一系列復(fù)雜的地球化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的酸性礦井水。這些污染物包括汞、鉛、鉻等重金屬;氟化物、氰化物等無機毒物以及無機酸、鹽類和無機懸浮物等。受污染的礦井水在大量未經(jīng)處理的情況下，一部分通過巖層裂隙直接下滲到下腹地層，一部分排出地表后，首先污染地表水，繼而在流經(jīng)碳酸鹽巖滲漏段時，或隨河溝循環(huán)流動時，再次入滲地下污染地下水。此外，大氣污染通過大氣降水、入滲也會產(chǎn)生地下水。

1.2.2 煤矸石等固體廢棄物造成的水環(huán)境污染［4－10］

露天堆放的煤矸石長期經(jīng)風(fēng)化、降雨、降雪淋溶和自身所載水分的作用，產(chǎn)生一系列的理、化變化，有毒有害成分隨淋溶水向地下滲透，在土壤中濃縮聚集，向地下水中遷移，污染地下水資源。其中含有的有害雜質(zhì)包括硫化物，碳酸鹽類混合物，可溶性無機鹽以及汞、砷、氟、氯等微量元素。

此外，選煤廠在煤炭選洗的煤泥水、接納礦區(qū)污廢水的塌陷坑水體，對地下水都有不同程度的污染。在水循環(huán)失衡狀態(tài)下，這些有毒有害物質(zhì)的釋放對水環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅。

2 煤炭開采地下水環(huán)境影響評價

地下水環(huán)境影響評價的主要任務(wù)是進(jìn)行地下水環(huán)境現(xiàn)狀評價和項目的環(huán)境影響預(yù)測，評價項目實施過程中對地下水環(huán)境可能造成的直接影響和間接危害，并針對評價結(jié)果提出防治對策，保護(hù)水資源，為項目實施提供決策、選址、管理等科學(xué)依據(jù)。主要涉及確定評價等級、現(xiàn)狀調(diào)查與評價、影響預(yù)測［11－13］。

2.1 評價等級的確定

2.1.1 項目分類

依據(jù)《導(dǎo)則》［12］，Ⅰ類項目指在建設(shè)、生產(chǎn)運行和服務(wù)期滿后的各個過程中，可能造成地下水水質(zhì)污染的建設(shè)項目;Ⅱ類項目指在建設(shè)、生產(chǎn)運行和服務(wù)期滿后的各個過程中，可能引起地下水流場或地下水水位變化，并導(dǎo)致環(huán)境水文地質(zhì)問題的建設(shè)項目。依據(jù)前述分析和《導(dǎo)則》項目分類，煤炭開采屬于Ⅱ類。但考慮目前企業(yè)節(jié)水意識增強，礦井水多能全部回收，水質(zhì)污染多因煤矸石等固廢堆積，因此建議井田(礦田)開采范圍確定為Ⅱ類，煤礦工業(yè)場地和排矸場地確定為Ⅰ類，進(jìn)行分區(qū)域分類開展地下水環(huán)境影響評價工作。

2.1.2 評價級別的劃分

Ⅱ類項目根據(jù)建設(shè)項目地下水供水(或排水、注水)規(guī)模、引起的地下水水位變化范圍、建設(shè)項目場地的地下水環(huán)境敏感程度以及可能造成的環(huán)境水文地質(zhì)問題的大小等條件確定。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國煤礦每年疏排礦井水超過2.2億 m3，而煤炭的大規(guī)模開采造成的采空塌陷、地面裂縫、區(qū)域地下水位下降、煤矸石堆放、礦坑排水等一系列地質(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)環(huán)境問題也是顯而易見的［1－10］。依據(jù)《導(dǎo)則》中的建設(shè)項目供水(或排水、注水)規(guī)模、建設(shè)項目引起的地下水水位變化區(qū)域范圍和建設(shè)項目造成的環(huán)境水文地質(zhì)問題大小這三項指標(biāo)，很容易判斷煤炭開采評價級別為二級及以上［12］。評價級別判定時，地下水排水量應(yīng)采用經(jīng)國土資源管理部門批準(zhǔn)的礦井(田)地質(zhì)勘探報告中確定的礦井(田)正常涌水量。地下水環(huán)境敏感程度的劃分中，“水土流失重點防治區(qū)”建議按水利部公告［2006］第2號《水利部關(guān)于劃分國家級水土流失防治區(qū)的公告》中規(guī)定的“水土流失重點預(yù)防保護(hù)區(qū)”執(zhí)行。

2.2 現(xiàn)狀調(diào)查與評價

依據(jù)《導(dǎo)則》［12］，煤炭開采建設(shè)項目的地下水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查與評價的范圍包括開采項目建設(shè)、生產(chǎn)運行和服務(wù)期滿后三個階段的地下水水位變化的影響區(qū)域，以及相關(guān)的環(huán)境保護(hù)目標(biāo)和敏感區(qū)域，如已有、擬建和規(guī)劃的地下水供水水源區(qū)，地下水環(huán)境影響的敏感區(qū)域(如重要濕地、與地下水相關(guān)的自然保護(hù)區(qū)和地質(zhì)遺跡等)，可能出現(xiàn)環(huán)境水文地質(zhì)問題等主要區(qū)域。必要時應(yīng)擴展至完整的水文地質(zhì)單元，以及可能與建設(shè)項目所在的水文地質(zhì)單元存在直接補排關(guān)系的區(qū)域。

2.2.1 現(xiàn)狀調(diào)查監(jiān)測

地下水的現(xiàn)狀調(diào)查監(jiān)測包括污染源調(diào)查、地質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查、地下水環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測、環(huán)境水文地質(zhì)勘查與試驗。

1)地下水污染源調(diào)查

調(diào)查按《工業(yè)污染源調(diào)查技術(shù)要求及其建檔技術(shù)規(guī)定》的要求進(jìn)行。煤炭工業(yè)對地下水環(huán)境可能造成的污染影響僅限于工業(yè)場地、排矸場地附近，對于矸石屬性鑒別為Ⅰ類一般工業(yè)固體廢物的煤礦建設(shè)項目，建議煤礦建設(shè)項目污染源調(diào)查按工業(yè)場地、排矸場地確定的評價類別和級別開展地下水污染源調(diào)查工作，井田(礦田)開采范圍可簡化污染源調(diào)查工作。除項目自身污染源調(diào)查外，同時搜集已有污染源調(diào)查資料。

2)地質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查

地質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查包括一般性地質(zhì)資料收集，水文地質(zhì)條件調(diào)查和水文地質(zhì)問題調(diào)查，具體參見《導(dǎo)則》。針對煤炭開采項目，調(diào)查應(yīng)注重對評價區(qū)土壤和植被狀況;地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地貌特征;包氣帶巖性、結(jié)構(gòu)、厚度;含水層的巖性組成、厚度、滲透系數(shù)和富水程度;隔水層的巖性組成、厚度、滲透系數(shù);地下水類型、地下水補給、徑流和排泄條件。集中供水水源地或水源井的分布情況(包括開采層的成井的密度、水井結(jié)構(gòu)、深度以及開采歷史)與項目位置關(guān)系以及與地下水有關(guān)的其它人類活動情況調(diào)查，如保護(hù)區(qū)劃分情況等方面的調(diào)查。

3)地下水環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測

地下水環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測主要通過對地下水水位、水質(zhì)的動態(tài)監(jiān)測，查明地下水水流與地下水化學(xué)組分的空間分布現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為后期評價和預(yù)測提供基礎(chǔ)資料?！秾?dǎo)則》中規(guī)定了監(jiān)測井點布設(shè)原則、點數(shù)、監(jiān)測指標(biāo)、監(jiān)測頻率等內(nèi)容，可參照執(zhí)行。依據(jù)《導(dǎo)則》［12］，煤炭建設(shè)項目環(huán)評地下水環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測的目的含水層應(yīng)為潛水和可能受煤炭開采影響的有開發(fā)利用價值的含水層。對于井田(礦田)開采區(qū)域可僅監(jiān)測地下水水位，煤礦工業(yè)場地和排矸場周圍應(yīng)同時監(jiān)測淺層地下水水質(zhì)、水位。特別，對于監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)選擇，筆者認(rèn)為應(yīng)綜合考慮地下水常規(guī)監(jiān)測因子、國家和地方控制的污染物和建設(shè)項目的特征污染因子。

4)環(huán)境水文地質(zhì)勘察與試驗

環(huán)境水文地質(zhì)勘探與試驗的目的是為了進(jìn)一步查明環(huán)境水文地質(zhì)問題和獲取預(yù)測評價中必要的水文地質(zhì)參數(shù)，在充分收集已有相關(guān)資料和地下水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行的勘探與試驗。因此，當(dāng)區(qū)域內(nèi)以往水文地質(zhì)勘察成果或礦井(礦田)地質(zhì)勘探報告已獲取的環(huán)境水文地質(zhì)資料可以滿足評價要求時，可不必開展環(huán)境水文地質(zhì)勘探與試驗。如必須進(jìn)行，可參照《導(dǎo)則》進(jìn)行，選擇適宜環(huán)境水文地質(zhì)勘察手段(鉆探、物探和水土化學(xué)分析以及室內(nèi)外測試、試驗等手段)和試驗方法(抽水試驗、注水試驗、滲水試驗、浸溶試驗、土柱淋濾試驗、彌散試驗、流速試驗(連通試驗)、地下水含水層儲能試驗等)［12］。一般，Ⅰ類項目需要做滲透試驗，看包氣帶的厚度和滲透系數(shù);Ⅱ類項目需要觀測目標(biāo)含水層枯、平、豐三個水期的水位。

2.2.2 現(xiàn)狀評價

現(xiàn)狀評價包括環(huán)境質(zhì)量評價和水污染狀況，其中，前者根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，如《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848－93)進(jìn)行，判斷是否符合各種目的用水標(biāo)準(zhǔn)，即地下水質(zhì)量的好與壞，優(yōu)與劣;后者以評價地區(qū)的污染起始值或背景值作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，判斷人為污染程度。即地下水質(zhì)量。評價方法包括單因子指數(shù)法、綜合評分法、尼梅羅指數(shù)法、雙指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法及灰色關(guān)聯(lián)度法等［12］。此外，還應(yīng)結(jié)合評價區(qū)地下水補、徑、排調(diào)查資料，對評價區(qū)存在的地下水水位狀況、地面塌陷、地裂縫等環(huán)境水文地質(zhì)問題給出定性或半定量的分析，方便后續(xù)影響預(yù)測［13］。

2.3 影響預(yù)測

影響預(yù)測是對建設(shè)項目在建設(shè)、生產(chǎn)運行和服務(wù)期滿后三個階段，對地下水水質(zhì)、水位、水量動態(tài)變化的影響及由此而產(chǎn)生的主要環(huán)境水文地質(zhì)問題的預(yù)測。

2.3.1 預(yù)測范圍與時段

預(yù)測范圍可與現(xiàn)狀調(diào)查一致，由于煤礦建設(shè)項目井田(礦田)范圍較大、服務(wù)年限長達(dá)幾十年甚至上百年，且項目的工程設(shè)計僅對項目投產(chǎn)20年的工作面進(jìn)行排產(chǎn)方案設(shè)計，因此，建議按照遠(yuǎn)粗近細(xì)的原則，重點進(jìn)行運行期前20年煤炭開采影響范圍的地下水環(huán)境影響預(yù)測。

2.3.2 預(yù)測因子與方法

Ⅱ類建設(shè)項目預(yù)測因子應(yīng)選取水位、及與水位變化所引發(fā)的環(huán)境水文地質(zhì)問題相關(guān)的因子(如水力聯(lián)系、裂隙帶高度變化、水資源破壞量等)。煤炭工業(yè)場地Ⅰ類二級評價除考慮矸石場外，還應(yīng)考慮選煤廠;矸石場的源強就是淋溶液;選煤廠的源強重點考慮煤泥水儲水池5%～10%滲漏;污染因子重點考慮重金屬、有毒有害元素，具體指標(biāo)選擇，結(jié)合建設(shè)項目工程特征、排污種類、排污去向及周圍地區(qū)環(huán)境質(zhì)量概況，結(jié)合國家、行業(yè)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定評價因子。

預(yù)測方法包括數(shù)學(xué)模型法和類比預(yù)測法。依據(jù)《導(dǎo)則》［13］，一級評價采用數(shù)值法;二級評價中當(dāng)井田(礦田)水文地質(zhì)條件件復(fù)雜時應(yīng)采用數(shù)值法，當(dāng)其水文地質(zhì)條件較為簡單，煤炭開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度不會直接導(dǎo)通潛水和具有開發(fā)利用價值的含水層時，可采用解析法。

2.5 評價與措施

結(jié)合地下水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查和地下水環(huán)境影響預(yù)測結(jié)果，對建設(shè)項目各實施階段(建設(shè)、生產(chǎn)運行和服務(wù)期滿后)不同排污方案及不同防滲措施下的地下水環(huán)境影響進(jìn)行評價，包括地下水流場或地下水水位(水頭)影響及可能出現(xiàn)的環(huán)境水文地質(zhì)問題的類型、性質(zhì)及其影響的范圍、特征和程度等。根據(jù)評價結(jié)果的對比，推薦地下水環(huán)境影響最小的方案［13］。

同時，針對項目方案制定預(yù)防保護(hù)措施與對策，如地面沉降、巖溶塌陷、地面裂縫等環(huán)境水文地質(zhì)問題產(chǎn)生的具體措施制定，地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等。

3 結(jié)語

煤炭開采對地下水環(huán)境影響深遠(yuǎn)，煤炭開采的地下水環(huán)境影響評價對于保護(hù)地下水資源，維護(hù)水生態(tài)平衡，保障社會經(jīng)濟發(fā)展有重要的意義?！秾?dǎo)則》的出臺，改變了以往的地下水評價工作深度與重點參差不齊的局面，對煤炭行業(yè)規(guī)范地下水環(huán)境影響評價工作具有指導(dǎo)作用。本文分析了煤炭開采對下水環(huán)境水質(zhì)、水量的影響;結(jié)合《導(dǎo)則》，討論了地下水環(huán)境影響評價的相關(guān)內(nèi)容，提出煤炭開采的地下水環(huán)境影響評價可按Ⅱ類項目執(zhí)行，評價級別為二級及以上;必要時，可對井區(qū)(Ⅱ類)和排矸石場等(Ⅰ類)進(jìn)行分區(qū)評價;選擇監(jiān)測、評價因子時，應(yīng)綜合考慮常規(guī)指標(biāo)、國家和地方控制污染物指標(biāo)以及煤炭行業(yè)特征污染因子;評價結(jié)果應(yīng)包括地下水流場或地下水水位(水頭)影響及可能出現(xiàn)的環(huán)境水文地質(zhì)問題的類型、性質(zhì)及其影響的范圍、特征和程度等建議。

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