西北內陸地區露天礦外排水對水環境影響評價

周慧平，趙宏燕，李文娟

（內蒙古恒源水利工程有限公司，呼和浩特 010018）

我國西北內陸地區蘊含有豐富的煤炭資源［1］，采煤過程中會產生大量疏干水［2-3］，但煤礦自身用水量較小，后續工業用水項目又尚未建成，疏干水需要外排［3］。為保證露天采礦的正常運行，需設置露天礦入河排污口［4］，以解決露天礦的外排水問題。

我國西北內陸地區地表水資源缺乏，河道流量較小，河流水環境承載能力較弱，勢必會引起河道污染物濃度增加及水環境污染［5］。在采礦過程中，河道排污口的設置及污染物排放影響的評價是尤為重要的［6］，本文以內蒙古自治區西烏珠穆沁旗白音華煤田三號露天礦為例，全面評價河道排污口設置及疏干水排放對河道水質的影響評價。

1 研究區域概況

白音華煤田三號露天礦位于內蒙古自治區錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗巴彥花鎮，距旗政府所在地巴拉嘎爾高勒鎮東北98km 處。多年平均降水量266.1mm；多年平均蒸發量1184.6mm，夏季蒸發量最大，春季和秋季次之，冬季最小；多年平均氣溫1.9 ℃；屬典型的溫帶大陸性氣候。

該地區河流眾多，水系發達，旗內河流為內陸河，屬烏拉蓋水系。旗內有較大河流7條：伊和吉林河、小吉林河、巴拉格爾河、新郭勒、高日罕河、彥吉嘎河、寶日格斯臺河。

根據區內含水介質巖性、貯水條件、含水程度等水文地質特征，地下水劃分為基巖裂隙含水巖（層）組、下白堊統孔隙裂隙層間含水巖（層）組、第四系孔隙潛水含水巖（層）組3大類。

下白堊統孔隙裂隙層間含水巖（層）組分布在巴彥花盆地東北、南東邊緣，呈環帶狀分布。含水層由砂巖和砂礫巖組成，含水透水性良好。沖洪積平原孔隙潛水主要分布于高日罕、彥吉嘎河谷平原之間的廣大平原地區。西烏珠穆沁旗主要河流特征如表1。

表1 西烏珠穆沁旗主要河流特征

2 研究與方法

研究范圍內無實測水文資料，本次選用鄰近流域的白音烏拉水文站作為設計參證站。收集白音烏拉水文站1959～2014年（缺測1974年）共55a實測長系列徑流資料。模擬初始斷面（高勒罕水庫入庫）控制流域面積1422km2，與參證站白音烏拉水文站集水面積2866km2，相差51.05%。根據規范規定，應考慮設計參證站以上流域降水等的差異。

高勒罕水庫入庫斷面及白音烏拉水文站多年平均年徑流深系數1.1194，模擬初始斷面設計值采用面積比，并考慮徑流深地區分布規律，75%保證率下年徑流量1495萬m3。75%保證率高勒罕水庫入庫斷面設計最枯月徑流量2萬m3（不考慮冬季結冰期），計算得平均流量值0.0077m3/s。

根據水功能區水質和水生態保護要求，選擇COD，NH3-N為評價因子，采用水質數值模型和水文模擬軟件模擬評價河段COD、NH3-N的遷移擴散過程，確定設計水文條件下入河廢污水的影響范圍及影響程度，并分析入河排污口排污對水功能區水質、水生態及第三者的影響。

3 水文數值模型模擬水質

3.1 模型選擇

根據GB/T25173—2010 《水域納污能力計算規程》，Q≥150m3/s為大型河段15m3/s＜Q＜150m3/s為中型河段、Q≤15m3/s為小型河段。高日罕河高勒罕水庫入庫斷面多年平均流量0.84m3/s，計算河段屬小型河段。

內蒙古自治區河流多為中小河流，污染物在較短的河段內，基本能在斷面內均勻混合，本次采用適用于污染物均勻混合的一維水質數學模型對入河排污口排水情況進行模擬。

3.2 模型范圍

本次模型范圍選取高日罕河西烏珠穆沁旗工業用水區，初始斷面取在高勒罕水庫入庫，終止斷面選在塔日牙諾爾，全長81.7km。規劃年模擬范圍內有1個排污節點，即本項目入河排污口，位于高勒罕水庫入庫斷面下游4.4km處，距水庫壩址處3.5km，距水庫管理范圍邊界7.4km。

3.3 模型參數

3.3.1 污染物降解系數K

本次污染物降解系數K直接采用《納污能力核定和限排總量方案》 對內陸河流域污染物降解系數的測算值，COD和NH3-N的天然降解系數分別為7.639×10-6和4.167×10-6。

3.3.2 初始斷面水質和流量

本次采用2016年錫林郭勒盟水利局監測數據的平均值，初始斷面（高勒罕水庫入庫）COD和NH3-N濃度分別為12.85，0.30mg/L。本次按75%保證率最枯月水庫平均流量作為設計流量進行計算。

3.4 結果預測

將各參數帶入一維水質模型，模擬預測規劃年內COD，NH3-N濃度變化，水質模型預測如圖1，圖2，表2。

圖1 入河排污口排水后COD濃度變化

圖2 入河排污口排水后NH3-N濃度變化

表2 排水后地表水污染物濃度 單位：mg/L

由表2可知：

（1） 排污口排水前高日罕河地表水COD濃度8.31mg/L，與外排水混合后COD濃度18.23mg/L，水庫水質下降但仍滿足目標水質地表水Ⅲ類標準要求；污染物運移到高勒罕水庫壩址處COD濃度10.78mg/L，達到地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L）標準；污染物運移到水質代表斷面塔日牙諾爾COD濃度4.84mg/L，優于地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L）標準。

（2） 排污口排水前高日罕河地表水NH3-N濃度0.237mg/L，與外排水混合后NH3-N濃度0.663mg/L，水庫水質下降但仍滿足目標水質地表水Ⅲ類標準要求； 污染物運移到高勒罕水庫壩址處NH3-N濃度0.498mg/L，達到地表水Ⅱ類 （NH3-N≤0.5mg/L）標準； 污染物運移到水質代表斷面塔日牙諾爾NH3-N濃度0.322mg/L，優于地表水Ⅱ類（NH3-N≤0.5mg/L）標準。

（3） 至高勒罕水庫壩址處時和至高勒罕水庫管理范圍邊界處時，COD和NH3-N濃度均達到地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L，NH3-N≤0.5mg/L）標準，優于水功能區目標水質地表水Ⅲ類 （COD≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L）標準，符合水功能區水質目標要求，不會對高勒罕水庫下游河流水質產生影響。

4 水質模擬軟件模擬水質

4.1 模型選擇

本次選用基于荷蘭三角洲研究院（Deltares）的模型算法開發的國產化水環境模型軟件3EWATER軟件。3EWATER軟件分5個板塊，分別為RGFGRID網格化工具、GISMODEL建模工具集、GISFLOW水動力模型、GISPLOT模擬結果分析和3DPLOT三維展示模塊。

結合論證水功能區（水域）的實際情況，使用3EWATER軟件水質模型系統二維模型對入河排污口排水進入高日罕河河道的運動變化情況進行模擬。以COD和NH3-N作為本次污染因子進行計算分析。

4.2 模擬范圍及參數的確定

本次驗證范圍初始斷面取在高勒罕水庫入庫，終止斷面選在塔日牙諾爾，全長81.70km。采用GISMODEL和RGFGRID工具建立曲面正交網格，網格數共計431600個。建立的網格模型如圖3。

圖3 模型預測網格劃分

初始斷面（高勒罕水庫入庫）流量0.0077m3/s，COD和NH3-N濃度分別為12.85，0.30mg/L；COD和NH3-N的天然降解系數分別為7.639×10-6/s和4.167×10-6/s。

規劃年本次模擬考慮河段內有1個排污節點，即本項目入河排污口，COD濃度均為20mg/L，NH3-N濃度均為1mg/L，排污流量0.0432m3/s。

規劃年水庫壩址斷面流量0.1705m3/s。本次模擬時間選擇計算2d，步長設置5min。

4.3 預測結果

將各參數帶入3EWATER軟件，預測規劃年高日罕河西烏珠穆沁旗工業用水區初始斷面高勒罕水庫入庫至該水功能區終止斷面塔日牙諾爾 （水質代表斷面）的COD，NH3-N濃度變化，如圖4，圖5和表3。

圖4 預測入河排污口排水后COD濃度變化

圖5 預測入河排污口排水后NH3-N濃度變化

表3 排水后地表水污染物濃度 單位：mg/L

由表3可知：

（1）排污口排水前高日罕河地表水COD濃度8.29mg/L，入河排污口排水混合后COD濃度18.59mg/L，水庫水質下降但仍滿足目標水質地表水Ⅲ類標準要求； 污染物運移到高勒罕水庫壩址處COD濃度10.46mg/L，達到地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L）標準；污染物運移到水質代表斷面塔日牙諾爾COD 濃度4.70mg/L，優于地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L）標準。

（2）排污口排水前高日罕河地表水NH3-N濃度0.235mg/L，入河排污口排水混合后NH3-N 濃度0.696mg/L，水庫水質下降但仍滿足目標水質地表水Ⅲ類標準要求； 污染物運移到高勒罕水庫壩址處NH3-N濃度0.473mg/L，達到地表水Ⅱ類 （NH3-N≤0.5mg/L）標準；污染物運移到水質代表斷面塔日牙諾爾NH3-N濃度0.306mg/L，優于地表水Ⅱ類（NH3-N≤0.5mg/L）標準。

（3）至高勒罕水庫壩址處時，和至高勒罕水庫管理范圍邊界處時，COD和NH3-N濃度均達到地表水Ⅱ類（COD≤20mg/L，NH3-N≤0.5mg/L）標準，優于水功能區目標水質地表水Ⅲ類 （COD≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L）標準，符合水功能區水質目標要求，不會對高勒罕水庫下游河流水質產生影響。

5 結果對比

本項目采用兩種方法模擬了入河排污口排水后的水質變化情況，兩種方法均顯示COD和NH3-N入庫后與庫內水混合后水庫水質變差，但隨著水流流動污染物逐漸降解，污染物運動至水庫管理范圍邊界處時已優于水功能區目標水質。兩種方法結果對比如表4。

表4 預測結果對比 單位：mg/L

由表4可看出，軟件模擬的污染物濃度比數值模型的結果小，偏于安全考慮，本次最終采用數值模型模擬的結果。根據《內蒙古自治區水功能區劃》，高日罕河西烏珠穆沁旗工業用水區目標水質為Ⅲ類。根據模擬結果，COD和NH3-N入庫后與水庫水充分混合后即達到水功能區目標水質要求，運動至水庫管理范圍邊界斷面時優于水功能區目標水質，不會影響高勒罕水庫下游河流水質。

6 排污區域影響

6.1 對水功能區水質影響

入河排污口排入水功能區目標水質Ⅲ類標準，入河排污口排水水質為Ⅲ類標準，已滿足水質目標要求。

根據模擬結果，COD和NH3-N在出管理范圍前已全部損耗，不會對水庫管理范圍外的地表水水質造成影響。綜上，入河排污口設置后，不會影響水功能區水質目標的實現。

6.2 對水生態影響

入河排污口排水水質符合規范中觀賞性景觀環境用水（河道類）的水質標準，對水庫養殖、漁產品產卵和景觀用水不存在排污的不利影響。同時，正常排水情況下本項目入河排污口不會改變水功能區水質類別，對水生生物群落和水生態環境影響很小。

6.3 對地下水影響

入河排污口排水為煤礦疏干水，水質達到GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準，排入高勒罕水庫與水庫水混合后運移到水庫壩址處已滿足GB/T14848—2017《地下水質量標準》Ⅲ類標準，水質較好，因此入河排污口對周邊地下水影響不大。

6.4 對第三者影響

入河排污口論證范圍主要影響的第三方取用水戶是工業用水、漁業用水和淺層地下水取水戶。

入河排污口疏干水排水水質達到地表水Ⅲ類水質標準，優于GBT19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》和GB 11607—89《漁業水質標準》。同時入河排污口疏干水排水處理后可用作生活用水。入河排污口的設置對工業用水、漁業用水戶、淺層地下水取水戶不會造成不利影響。

7 結語

（1）采用水質數值模型和水文模擬軟件對本項目入河排污口排水后的水質變化情況進行模擬預測。設計保證率枯水年份（75%）最不利結果（數值模型模擬結果）排水量（123.09萬m3/a）情況下，初始濃度COD 12.85mg/L，NH3-N 0.30mg/L； 至高日罕河西烏珠穆沁旗工業用水區初始斷面高勒罕水庫入庫下游10.9km處（即水庫管理范圍邊界處）時，COD濃度9.95mg/L，NH3-N濃度0.477mg/L；至高日罕河西烏珠穆沁旗工業用水區終止斷面塔日牙諾爾時，COD濃度4.84mg/L，NH3-N濃度0.322mg/L，符合該水功能區目標水質地表水Ⅲ類（COD≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L）要求。

（2）入河排污口主要影響的第三方取用水戶是工業用水、漁業用水和淺層地下水取水戶。排水水質較好，不會對第三者產生不利影響。

（3）按照《納污能力核定和限排總量方案》要求排放，2020年和2030年COD，NH3-N限排總量分別為351.55，15.90t/a，不得超過規劃年限排總量。