重金属污染矿区综合整治措施研究

　　第四章 综合整治措施研究

　　4.1 综合治理范围与目标

　　4.1.1 综合治理范围

　　玛瑙山矿区位于苏仙区白露塘镇、坳上镇和大奎上乡交界的山区，矿区地理坐标为：东经 113°08′00″~113°08′30″、北纬 25°35′00″~25°44′00″。矿区东面为柿竹园东波有色金属矿；南面为高峰水库和五盖山林场；西面为东市村林场；北面为观山洞村林场和白露塘村林场；矿区总面积约 7km2.另玛瑙山矿区周边邻近的东市林场、欧家垄、三角架、赵家垄和滑石板矿均位于西河流域范围内，且紧邻玛瑙山矿区，目前该部分地区的采选活动对环境破坏严重，急需治理；为保证玛瑙山矿区综合治理效果，从源头上解决西河流域重金属污染，本次研究将其纳入治理范围。最终确定本次研究治理范围为玛瑙山矿区及邻近地区的重金属污染综合治理，总治理面积约 9.25km2.

　　4.1.2 综合治理目标

　　综合治理的主要目的在于：妥善处置矿区历史遗留的 6.55 万 m3废石以及对 136 万 m3尾砂进行治理，清除安置河道内 11.8 万 m3沉积尾砂，减少含重金属废石、尾砂流入西河，减轻西河内源污染，从而改善西河和湘江流域水环境质量。完善矿区排水系统，实现雨污分流，通过植被恢复，调节矿区地表径流，提高矿区土壤水土保持能力，进一步减少含重金属土壤和尾砂进入西河，减轻区域面源污染，保障湘江水环境质量，保障居民健康安全，为西河流域经济建设和社会发展营造良好的自然生态环境。

　　4.2 综合治理内容

　　4.2.1 历史遗留尾砂、废石治理

　　4.2.1.1 尾砂堆场整治

　　玛瑙山矿区大大小小的尾砂堆场星罗密布，多为依地形自行修建。经过多次的环境综合整治及矿区整顿，很多不规范的选矿企业均关闭停产，相应的尾矿堆场均被废弃。

　　根据典型尾砂堆场中尾砂的浸出毒性分析结果可知尾砂均属于Ⅰ类一般工业固体废弃物，处置方式按照 GB18599-2001《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》规范要求设计。本工程拟对矿区范围内 17 座简易尾砂堆场进行整治，共处置尾砂总量约136 万 m3（折合 204 万 t）。目前对该类尾砂的处置方式分两种，一种是运至有条件的尾矿综合利用厂复选或用做建筑原材料等进行资源综合利用，二是对尾砂进行就地封场闭库处置。由于本矿区尾砂有用组分品位较低，对复选企业的技术要求较高，且尾砂总量较大，故推荐采用就地封场闭库方案。

　　根据 3.4.2 节中尾砂堆场的现状，除高峰电站下尾砂堆场的拦砂堤基本稳定外，其余尾砂堆场的的拦砂堤均需进行加高或加固，基本的治理技术方案见图 4-1.

　　

　　（1）、高峰电站下尾砂堆场整治

　　根据现场勘查，该尾砂堆场拦砂堤的施工质量较好，堤身较稳定，因此对于堤身无需做加固处理。主要对库区排洪系统进行整改，然后进行封场防渗、覆土绿化。高峰电站下尾砂堆场位于高峰电站下游河谷的一条支沟内，总库容为 20.9 万 m3.场地内未发现影响库区稳定的断裂破碎带、滑坡、泥石流等影响场地稳定性的不良地质作用，库区岩性坚硬，场地稳定性良好。

　　A、拦砂堤加固

　　拦砂初期坝为浆砌石重力挡土墙，高 8m,顶部宽 1.5m,顶部轴线长 60m.其稳定性分析按重力式挡土墙进行分析计算，其安全系数均能满足 SL379-2007《水工挡土墙设计规范》中规定的安全系数的要求。但通过对堆积坝的堤身稳定性分析，正常运行其抗滑稳定性安全系数 K=1.083<1.15,不满足规范要求。采用理正岩土渗流分析软件对坝体进行渗流计算，浸润线在堆积坝 5.804 的高度处堤坡逸出，浸润线较高。

　　为降低浸润线，设计初期坝底部设一排水平排渗管，排渗管坡度 2%,单根长 50m,管间距 10m.在尾砂堆积坝底部设一排水平排渗管，排渗管坡度 2%,单根长 20m,管间距 10m.

　　因尾砂堆场闭库后库内不蓄水，通过整改降雨时排洪构筑物能及时将水排出，库内不进行调洪，故尾砂堆场在正常运行和最大洪水运行工况时浸润线是一致的，则坝体的抗滑稳定安全系数在这两种工况下也是一致的，因此稳定性分析只对正常运行工况进行稳定性验算。经计算闭库后拦砂堤抗滑稳定安全系数为 1.163>1.15,满足规范要求。

　　B、排洪设施

　　a、防洪标准

　　由于尾砂堆场库容、拦砂堤高均较小，其防洪标准参照《选矿厂尾矿设施设计规范》（ZBJ1-90）中五等尾砂库的标准进行设计，见表 4-1.鉴于尾砂堆场已进入闭库阶段，设计按上限洪水重现期 100 年一遇计算，设计暴雨频率 P=1%.

　　b、水文计算汇水面积：0.201km2流域长度：0.178km流域坡降：0.04洪峰流量：4.63m3/s24h 洪水总量：4.97×104m3c、排洪系统设计及排洪能力验算。

　　根据实地地形，设计在尾砂堆场周围边线设置截洪排水沟，控制库内尾矿滩面形成倾向于排水沟的坡度，将山坡及库内汇水汇集于排水沟内，排水沟过尾矿堆积坝后汇合后向坝下游排泄。排水沟为矩形结构，均设计为水泥砂浆砌石墙体结构，断面尺寸分别为 b×h=1.2m×1.4m,b×h=0.6m×0.8m,预留 0.2m 的安全超高，底板坡降 1%;坝后排水沟汇合成一条，断面尺寸设计为 b×h=1.4m×1.4m,浆砌石墙体结构，预留 0.2m 的安全超高，底板坡降 1%.

　　根据实地地形，设计在尾砂堆场北面和南面岸坡与尾矿堆积边线各设置一条截洪排水沟，控制库内尾矿滩面形成倾向于排水沟的坡度，将山坡及库内汇水汇集于排水沟内，排水沟过尾矿堆积坝后于高程 375m 平台汇合后，沿高程 375m 平台北端向初期坝下游排泄。南、北排水沟为矩形结构，均设计为水泥砂浆砌石墙体结构，断面尺寸分别为b×h=1.2m×1.4m,b×h=0.6m×0.8m,预留 0.2m 的安全超高，底板坡降 1%;南、北排水沟在高程 375m 平台汇合成一条，断面尺寸设计为 b×h=1.4m×1.4m,浆砌石墙体结构，预留 0.2m 的安全超高，底板坡降 1%.

　　排洪沟泄洪能力演算按明渠均匀流基本公式计算，过流能力见表 4-2.

　　由表 4-2 可知，各排水沟过流能力均大于洪峰流量，尺寸满足设计要求。

　　C、封场和植被恢复

　　由于尾砂堆场内滥采滥挖形成多个采坑，封场闭库前需对采坑进行回填，防止坑内蓄水及周边尾矿向坑内垮塌。采坑回填后将滩面进行平整清理，形成坡向排水沟的坡度（坡度 1%~2%）。之后对尾砂堆场进行封场覆盖，表面铺设防渗膜，实现雨污分流，以减少尾砂堆场的渗滤液产量，减轻对西河的重金属污染。同时拆除尾砂堆场周围废弃的选厂，与尾砂堆场库面一同进行覆土绿化。

　　（2）、730、740 等 16 座尾砂堆场整治

　　根据现场勘查，730、740、鸿运选厂等 16 座尾砂堆场的拦砂堤都不同程度地需要加固整治。其中鸿运选厂尾砂堆场拦砂设施为浆砌石坝，基本稳定，但外坡局部变形严重，东北侧及南侧公路段需加筑子堤。张钱凹选厂尾砂堆场考虑填埋部分河道尾砂，设计将尾砂堆场原有土堤加高 2m.这些尾砂堆场的整治方式均与 730 堆场类似，本次以730 尾砂堆场为例研究其余 16 座尾砂堆场的整治措施。

　　730 尾砂堆场位于玛瑙山三角架至赵家垄一带，在工业水库上游。据现场调查，库岸边坡较缓，整体稳定性较好，未发现滑坡、泥石流等不良物理地质现象。尾砂堆场总库容约 13.5 万 m3.

　　A、拦砂堤

　　730 尾砂堆场拦砂堤最大堤高约 10m,设计采用浆砌石挡土墙护脚，墙高 4.8m,顶宽 1.5m,长 75m;堤身下游侧采用碎石土填筑成 1:2.5 的边坡，并采用 500 厚 M7.5 浆砌块石压坡；挡土墙和压坡均设φ50 排水孔，间距 1m,梅花形布置。为降低堤身浸润线，堤底设两排水平排渗管，排渗管坡度 2%,单根长 30m,管间距 10m,梅花形布置。

　　B、排洪设施

　　a、防洪标准

　　设计防洪标准按上限洪水重现期 100 年一遇计算，设计暴雨频率 P=1%.

　　730 尾砂堆场和 740 尾砂堆场连接成片，在 740 尾砂堆场下游，宜统一考虑排洪设施。为保险起见，730 尾砂堆场的排洪沟不考虑 740 尾砂堆场排洪沟的影响，按排除0.5km2的 100 年一遇洪峰流量进行设计。

　　b、水文计算汇水面积：0.5km2流域长度：1.3km流域坡降：0.16洪峰流量：5.6m3/s24h 洪水总量：9×104m3c、排洪系统设计及排洪能力验算尾砂堆场设置库周排洪沟，根据实际洪水流向和排洪沟布置，洪水分成两部分通过排洪沟下泄，故排洪沟断面尺寸可按洪峰流量的一半进行设计。

　　设计排洪沟为水泥砂浆砌块石墙体结构，断面为矩形，排洪沟尺寸为 1.0m×1.0m（底宽×高），排洪沟长度 640m,底板坡降均为 i=1%.排洪沟为半梯形半矩形断面型式，内侧墙壁采用厚 0.3m 浆砌块石；外侧墙壁采用浆砌石挡土墙型式，顶宽 0.3m,迎水面铅直，背水面为 1∶0.5 坡度；底板采用厚 150mm 素混凝土。墙面采用 1∶2 水泥砂浆抹面，厚 2cm.

　　d、封场和植被恢复

　　闭库前首先需排除库内积水，对滩面进行平整清理，形成坡向东西两端排水沟的坡度（坡度 1%~2%）。之后对尾砂堆场进行封场覆盖，表面铺设防渗膜，实现雨污分流，大幅削减入库雨水量，以减少尾砂堆场的渗滤液产量，减轻下游乌石江的重金属污染。

　　同时拆除尾砂堆场周围废弃的选厂，与尾砂堆场库面一同进行覆土绿化。

　　4.2.1.2 河道尾砂治理

　　由于历史上矿业秩序混乱，尾砂堆场多临河口或沟口简易砌筑，暴雨时大量含重金属尾砂冲入下游，导致河道淤塞严重，河床淤砂高度达 1m~2m,部分河段河床淤砂达3m~4m.由于尾砂中还含有较高浓度的 Zn、Cd、Pb、Mn 等有毒有害重金属，尾砂不断向水体中释放这些重金属，给西河流域的水环境带来了严重的污染。为清除水体内源污染，改善西河水环境，拟对治理范围内的 3km 河道沉积的尾砂进行清理。

　　本区域位于丘陵山区，进场道路狭窄，大型施工机械难以运输进场。西河多年平均径流深 1075mm,多年平均径流量 1.384 亿 m3,上游段段河道狭窄，大型挖泥船只难以通行，且西河枯水期水量较小。因此，对河道沉积尾砂的清除选择挖掘机开挖装车、汽车运输的常规施工方案。以尽快恢复河道生态系统为目标，在清除前应经勘测后确定相应的清除深度，防止超挖，主要清除含重金属尾砂层。

　　清挖路线沿原河道走向和宽度进行，依河势而定。清挖宽度为尾砂淤积宽度，按照地形图测量，疏挖平均宽度 13.8m.清挖量约为 6.2 万 m3.根据对西河上游的现场勘查，本工程清挖河段两岸多为陡峭的山壁或自然边坡多有基岩裸露，自然条件下边坡稳定，不需考虑堤岸防护，局部疏松边坡清挖后就地平整加固。

　　考虑到西河上游主要靠降雨补给，清挖工程以机械开挖为主，采用干法施工，选择在 12 月~次年 4 月枯水期施工，西河上游水位低、水量小。为了清挖时不影响下游水质，造成二次污染，在河道尾砂清挖时实施导流工程，结合施工河段的实际情况，可以利用现有电站引水渠进行施工导流。

　　目前对尾砂的处置方式大体可概括为二类处理方案。一是资源综合利用，二是对尾砂进行安全处置。由于回收河道尾砂中的有用组分技术难度较大，本工程推荐尾砂进行安全填埋处置。河道尾砂均属于Ⅰ类一般工业固体废物。结合矿区尾砂堆场的整治，河道尾砂就近运至现有选厂填埋。
　　
　　4.2.1.3 废石场整治

　　玛瑙山矿区需要治理的 4 处废石场占地面积约 2.20hm2,废石总量约 6.55 万 m3.对废石场进行削坡卸载，在削坡过程中注重保护废石场顶部已恢复的植被，削坡至 1∶1.75,将散乱废石集中堆置在主堆区附近，将渣面尽量整理平顺，在坡脚修建 M7.5 浆砌石挡墙。挡墙顶宽 1.2m,底宽 2.55m,高 2.5m,基础埋深 1m.废石场整治后的总长约 492m,因此应修建挡墙 492m.

　　削坡后废石堆顶部大致平整，然后按照生态修复规划恢复地表植被。渣体坡面采用网格梁护坡技术，网格梁呈菱形，格网尺寸 2.8m×2.8m,网格梁断面为 0.3m×0.3m,采用 C25 钢筋混凝土结构，网格梁内覆土后进行植被恢复，满铺草皮后在网格内挖穴带土球种植紫穗槐，土球直径 0.3m,种植穴 0.5m×0.4m,株行距 1.5m×1.5m.

　　在废石场顶部外侧修建 M7.5 浆砌石截排水沟，截排水沟底宽 450mm,高 400mm,坡比 1:0.5,M7.5 浆砌石衬砌，衬砌厚度 300mm,基底铺 10cm 厚 C15 混凝土垫层。在排水口出口布置 M7.5 浆砌石沉沙池，沉沙池规格为 1.5m×1.5m×1.0m（长×宽×高），衬砌厚度 400mm,池底夯实，池壁用水泥砂浆抹面，抹面厚度 2cm,水经沉砂池后连接至排水系统。

　　4.2.2 生态修复

　　4.2.2.1 生态修复内容和范围

　　矿产开采过程中所引起的环境问题较多，特别是土壤的重金属污染（Chen H M et al.

　　1999）。由于重金属污染的范围比较广，持续时间亦很长，又不易在土壤中循环和能量交换中分解（张民和龚子同 1996），所以对土壤重金属污染的治理迫在眉睫。为了控制重金属面源污染，固定含重金属的土壤和尾砂，逐步修复矿区的生态环境，减少对西河中下游的重金属污染，本工程首先对因矿业活动遗留的露天采矿区进行土地整治，完善坡面和集中排水系统，然后采取植物生态修复措施对重金属进行削减、净化与固定（俄胜哲等 2009）。

　　4.2.2.2 土地整治

　　（1）、矿坑形开采区土地整治

　　矿坑的常用整治方法为回填、整平后按照区域生态修复要求，恢复地表植被。本工程拟保留部分矿坑，对矿坑边坡整修夯实、经固化防渗处理后做成水塘，蓄积雨水，用于植物灌溉养护。对边坡欠稳，中部有灰岩矗立的直接回填，接近原地面线，然后实施生态修复工程。

　　（2）、坡面形开采区土地整治

　　坡面形的开采区下游侧设置 M7.5 浆砌石护脚墙，断面尺寸拟定为 0.6m×1.5m（顶宽×墙高），墙体内外坡比均为 1∶0.2,基础埋深 0.5m 以上，墙体预留排水孔，排水口距地面 100mm~200mm,采用孔径为 100mm 的 pvc 排水管，间距 1m~2m.根据生态修复要求，在浆砌石护脚墙后设置 20cm 厚的石灰碎石改良剂。

　　4.2.2.3 坡面截排水系统

　　对各坡面形开采区进行截排水设计，截水沟沿等高线布置，周边及坡面设置排水沟连通至主排水系统。坡面截排水沟洪水流量采取如下公式进行计算。

　　QB=0.278KiF （4-1）式中：QB--最大来水量，m3/s;K--径流系数；i--设计频率的平均 1h 降雨强度；F--山坡集雨面积，km2.

　　渠道断面计算一般按照明渠均匀流公式进行：Q=A R2/3i1/2/n （4-2）式中：n--糙率；A--过水断面面积；i--底坡降；R--水力半径，R=A/x;x--湿周。截洪沟采用矩形断面，排水沟与之相连接。连接方式为跌水连接、消力池消能。截洪沟采用 M7.5 浆砌块石结构，衬砌厚度 300mm,并用水泥砂浆抹面，抹面厚度 2cm,截排水沟每间隔 15m~20m 设置截洪沟伸缩缝，主要用于防止不均匀沉降，采用棉丝和沥青封堵防渗，塞入深度为 35cm.

　　为了防止雨水携带泥沙将周边排水系统淤堵，为减少汇流中的泥沙含量，在截洪沟的出口断面处，设置消力池，消力池采用混凝土、M10 浆砌和 MU30 块石结构。规格为矩形 2.0m（长）×2.0m（宽）×1.200m（高），衬砌厚度 400mm,池内壁用砂浆抹面，抹面厚度为 2cm,雨水经沉沙池沉淀后经出口流出。

　　在截洪沟排水口附近修建圆柱形蓄水池，将截洪沟内截流雨水引入蓄水池，以蓄积雨水，供灌溉之用。蓄水池深 3.1m,直径 2.5m,可蓄水量约 15m3.蓄水池池底为 C20混凝土，厚 20cm,池壁为 24cm 厚砌砖，采用 M10 水泥砂浆抹面防渗，厚 3cm,池体顶盖用混凝土空心板。

　　4.2.2.4 矿区集中排水沟

　　玛瑙山矿区基本没有修建排水网络，雨水和污水沿自然地形到处漫流后汇入西河上游。治理范围内主要有 4 条较大的自然沟。

　　目前未修建截洪沟，且沟内淤积严重。为减少重金属污染区域的地表径流，保障生态修复的效果，需要对矿区这 4 条自然沟进行治理。

　　（1）、排水沟治理措施

　　根据这 4 条集中排水沟存在的问题，采用清理支沟、浆砌石硬化支沟的措施；疏通各集中排水主沟，疏通整治后排水主沟与流域治理工程坡面排水支沟以及尾矿排水渠道相连，形成流域的有组织排水，满足流域排水要求。排水沟采用梯形断面，浆砌石结构，在排水主沟坡度变化大的区段，适当设置消力池进行消能。在各排水沟区段出口或中间段布置消力沉沙池，消能并沉积泥沙，由于沉沙池规格较大，需在沉沙池顶面预置钢筋混凝土盖板，并在沉沙池体横向边壁布置台阶，便于清淤。