过度消毒对地下水的影响研究论文

焦作市地处豫西北，北依太行，南临黄河，总面积6014km2，全区总人口348万，有煤炭、石灰石、铝土及铁矿石等矿产资源，工业以电力、化工、机械和煤炭为主，目前已发展成为以能源化工为主的新兴工业城市。焦作矿区工农业和生活用水，主要依靠地下水。焦作地区的地下水天然补给资源量为，其中喀斯特水补给量为，孔隙水补给量为。

一、地下水资源开发利用现状

焦作市地下水资源由喀斯特水、孔隙水组成，且以喀斯特水为主，喀斯特水资源约占全部地下水资源85%左右。焦作矿区山前地区是九里山泉域喀斯特水的集中排泄区，地下水资源极为丰富。近年来，随着城市及工农业的发展及煤矿区的大量开采，在局部地段出现了小范围的降落漏斗，地下水位呈现明显下降的趋势。尽管如此，降落漏斗范围及漏斗中心水位稳定，多年来地下水位基本上处于动平衡状态，在丰水期、丰水年因地下水位回升，降落漏斗范围缩小乃至消失［4］。

目前人工开采已成为孔隙水、喀斯特水的主要排泄方式。地下水的开采方式有厂矿自备水源地（井）集中和分散式开采、焦作市自来水公司水源地集中开采、矿井排水和农业零星分散式开采。

1.自备水源地（井）开采地下水状况

1994年全市共有自备井234眼，年开采地下水量×104m3，平均。其中全年开采孔隙地下水×104m3，平均；喀斯特地下水×104m3，平均。1994与1993年相比减少了，1993年自备井开采地下水量×104m3。自备水源井除焦作电厂、中州铝厂、焦作铝厂、热电厂、焦作市水泥厂、化工一厂、造纸厂等厂矿企业属井群开采地下水外，其余多属零星分散式开采，且多以喀斯特水做供水水源。

（1）孔隙水开采量：受气候及人工开采双重因素影响，近年来焦作市区内孔隙水位呈下降趋势，焦作市区南部形成了孔隙水水位下降漏斗，且水质变差。为改善这一状况，自1990年开始对孔隙水的开采进行了限制，自备井开采量有所下降。1992年降至1466×104m3，1993年有所增加，达1765×104m3，1990年自备井开采孔隙水1991×104m3。1994年孔隙水开采量为×104m3，比1993年增加了×104m3。自备井地下水开采总量年际变化较大，月最大采量为×104m3（7月），月最低开采量为×104m3（12月）。

（2）喀斯特水的开采量：焦作市喀斯特水资源丰富，水质好，是城市工业及居民生活的最佳供水水源。焦作市区各用水大户多开采喀斯特水。1994年自备井共开采喀斯特水×104m3，占自备井开采地下水总量的70%。1993年自备井开采喀斯特地下水×104m3，1994年与1993年大致相同。

2.焦作市自来水公司开采地下水状况

焦作市自来水公司现有6座水厂，其中第一水厂、第四水厂开采喀斯特地下水，第二水厂由新东公司（矿井排水）和焦作电厂岗庄自备水源联合供水，第三水厂由焦西公司（矿井排水）和东小庄水源地（开采喀斯特水）联合供水。焦作市自来水公司开采地下水的水源地只有第一水厂、第四水厂、东小庄水源地（岗庄水源地因属焦作电厂自备水源地，未计入其中）共三处。1994年焦作市自来水公司总供水量×104m3，其中地下水开采量×104m3，占总供水量的。

第一水厂位于焦作市中心新华街，利用已报废的2号、3号矿井供水，与1993年的142×104m3相比，增加了×104m3，1994年共开采喀斯特地下水×104m3，全年平均开采量。

第四水厂位于焦作市区北部近山前地带，现有开采井22眼。该水厂是焦作市自来水公司以地下水做水源的主要供水水源地，占焦作市自来水公司开采地下水总量的，占焦作市自来水公司总供水量的。1994年全年共开采喀斯特水1112×104m3，平均。

东小庄水源地位于焦作市区西部东小庄，现有开采井19眼，全年开采喀斯特地下水×104m3，平均，比去年增加了左右。

3.矿井排水及利用

（1）矿井排水：分为焦东矿区和焦西矿区两部分。

焦东矿区的演马庄矿、九里山矿井排水量居各矿之首，多年来矿井排水量一直超过。相比之下，中马村矿、小马村矿、冯营公司、方庄矿等矿井，矿井水文地质条件相对简单，矿井排水量小。1994年焦东矿区内的7个矿井，年平均排水量总计为，与1993年以前相比，略有下降。焦东矿区矿井排水总量季节变化不明显，相对稳定。

1994年焦东矿区内的演马庄矿矿井排水量仍居各矿之首，为，该矿近年来发生2次恶性煤层底板突水灾害，矿井排水量比较稳定。九里山矿井排水量平均为，该矿由于对煤层底板突水点进行了注浆堵水和工作面煤层底板注浆改造，因此自5月份起矿井排水量有所减小。其他矿如韩王公司、冯营公司、小马村矿、中马村矿等矿井，排水量比较稳定，多年变化不明显。1994年韩王公司矿井平均排水量为，冯营公司为，小马村矿为，中马村矿为，位村矿为。

焦西矿区的王封公司由于矿井关闭停产，矿井排水量呈下降并逐步稳定趋势，平均排水量1989年为，1990年为，1991年为，1994年为。王封公司矿井排水量年内变化比较明显，月最高排水量，月最低排水量。焦东公司矿井排水量因矿井报废，矿井排水量呈下降至逐步稳定趋势。1991年为，1992年为，1994年则降为。朱村矿矿井排水量相对较大，并呈逐年增加趋势。1990年为，1991年增至，1994年则增至。1994年焦西公司矿井排水量是，与1993年相比，略有增加。焦西矿区的焦东公司、王封公司已经关闭停止采煤，没有开采新的工作面，整个矿区矿井排水量呈逐年减少并趋于稳定的状况，原煤层底板突水点已经作为供水井水源。1989年平均排水量，1990年减至、1991年进一步减至，1994年略有增加，达。

（2）矿井水利用情况：目前，焦作市地下水开采的主要方式是矿井排水及农业灌溉利用，矿井排水量，综合利用矿井排水是开发利用地下水的有效途径。焦作市矿井水的利用有3个方面：

一是焦作市自来水公司利用矿井水情况。焦作市自来水公司所属的第五、第六水厂全部以矿井水做供水水源，第二、第三水厂部分利用的矿井水做供水水源。1994年，焦作市自来水公司四座水厂累计用矿井水×104m3，占焦作市自来水公司总供水量的。

第二水厂位于焦作市东北部，以焦东公司井排水做供水水源，1993年供水量1456×104m3，1994年供水量×104m3，较1993年略有增加。由于焦东公司已经关闭，矿井水的利用量一定会受到限制，目前，第二水厂正在建设新的水源地。

第三水厂位于解放西路，主要利用焦西公司矿井排水，1993年供水量1821×104m3，1994年为×104m3，较1993年相比减少了×104m3。

第五水厂位于焦作市马村区，利用中马村矿矿井水作为供水水源供给马村区居民生活用水。1993年供水量239×104m3，1994年为×104m3，比1993年增加了。

第六水厂位于焦作市中站区，利用李封公司矿井排水向焦作市中站区供水，1993年总供水131×104m3，1994年为×104m3，较1993年增加了。

1994年焦作市自来水公司各水厂利用矿井总计达×104m3，全年平均。1993年矿井利用量3570×104m3，1994年较1993年减少了×104m3。

二是焦作煤业集团公司各矿自用矿井水量。焦作煤业集团公司的朱村矿、九里山矿和演马庄矿，生产及生活用水全部或部分依赖矿井水做水源，据1994年调查，各矿利用矿井水量为。

三是焦作市农业灌溉引用矿井排水。矿井排水除部分被焦作市自来水公司及焦作煤业集团公司各矿及焦作电厂、焦作市化工三厂等厂矿利用外，剩余部分经河渠排出矿外。流出矿外的矿井排水部分做为区内农田灌溉的水源，剩余部分则流出矿区。据河南省焦作市水利局资料，1994年焦东灌区和焦西灌区共利用矿井水×104m3，平均。经过综合计算，矿井水利用总量平均为，占矿井排水总量的。因而，矿井水资源利用程度较低。

4.焦作市农业开采地下水量

焦作市现有耕地面积万亩，其中井灌面积万亩，据河南省焦作市水利局资料，1994年农作物灌溉7次，灌水定额一般为75m3/亩次，由此算得1994年焦作市区各乡农业开采孔隙水×104m3，平均。加上焦作市修武县境内方庄乡、周庄乡、李万乡和五里源乡孔隙水农灌开采量，全区农业共开采浅层地下水平均。

5.焦作市全区地下水开采总量

综合上述各项，1994年全区工农业生产及生活共开采地下水×104m3，平均，其中开采喀斯特水×104m3，平均，开采浅层孔隙水×104m3，平均，焦作市自来水公司开采喀斯特水×104m3，平均，自备井开采地下水总计×104m3，平均，农业灌溉开采浅层孔隙水×104m3，平均（表3-18）。

表3-18 1993、1994年地下水排泄量 （单位：1000m3）

二、影响焦作地区地下水资源的主要因素

1.地下水补给量减小和排泄量增大

焦作地区除矿井排水和地下水污染严重影响着地下水资源外，地下水主要接受大气降水入渗和河流渗漏补给。因此，降水量和河流流量的大小是影响地下水资源的直接因素。

降水量的大小直接影响着地下水资源量，降水入渗是焦作地区地下水的主要补给源。自新中国成立以来，随着工农业的快速发展，地下水的开采量愈来愈大，地下水位愈来愈低，地表水资源枯竭，河流断流等，破坏水循环系统比较严重，大气降水量趋于下降趋势。1952～1964年平均降水量为，1965～1977年平均降水量为，1978～1982年平均降水量为，1982～1988年平均降水量为，1989年以来降水量一直偏低，影响了地下水资源的补给比较严重。

焦作市地下水位下降表现为4个阶梯，1952～1964年为第一阶梯，地下水位105m，1965～1977年为第二阶梯，地下水位91～98m，1978～1988年为第三阶梯，地下水位85～92m，1982年以来为第四阶梯，地下水位72～89m。主要原因为由于降水量的减小和开采量的增大，其地下水位与降水量和开采量关系见图3-36。

图3-36 地下水位与降水量和开采量关系图

丹河、西石河、山门河、纸坊沟、新河和翁涧河均为流经焦作矿区的河流，由于地表喀斯特发育，河流渗漏量比较大。例如，1994年对丹河480电厂至后陈庄段，取3个断面分枯水期、丰水期两次实测丹河流量，480电厂至后陈庄段河流漏失量平均为。近十几年来除丹河渗漏补给地下水外，尽管丹河流量也在逐年减小，新河和翁涧河为排污河，其他河流均已断流，因此，总的来说河流渗漏量也在减小。

焦作矿区所采煤层为石炭系、二叠系煤层，其直接充水水源主要为石炭系薄层灰岩，底部奥陶系灰岩喀斯特水间接充水水源，该层富水性好，补给水量大，严重威胁着煤炭的安全生产。为此对石炭系薄层灰岩进行疏水降压排水，对O2灰岩采取断层防水煤柱，实施“立足矿井、以防为主、疏堵结合、分类治理”的防治水方针。随着开采深度的增加，石炭系薄层灰岩煤层底板突水频率增高，O2灰岩水参与发生恶性煤层底板突水，排水量也越来越大，从用水角度来看，O2灰岩水开采量也与日俱增。例如，1952～1964年O2灰岩水开采量为，1965～1977年O2灰岩水开采量，1978～1982年O2灰岩水开采量，1983以来O2灰岩水开采量。据不完全统计，历年来煤层底板突水达1000余次，最大煤层底板突水量达320m3/min。因此，煤层底板突水是造成地下水资源枯竭的另一因素。

2.地下水污染状况

焦作地区河流中，丹河、西石河、山门河和纸坊沟水质好，符合饮用水标准。翁涧河水化学类型 型，总硬度、氯化物超标；新河河水矿化度，总硬度，Cl-含量，均已超过标准。因而，翁涧河和新河有不同程度的污染。据河南省焦作市监测站资料，翁涧河非离子氨、高锰酸钾指数、生物耗氧量、化学耗氧量、六价铬均超标。翁涧河和新河均已成为严重污染的河流，成为地下水污染的源头。

孔隙水污染主要表现在焦作市区以南孔隙水的径流和排泄区，该区岩性细，渗透性差，水位埋深浅，长期蒸发浓缩作用，水中的离子含量特别是Cl-、K++Na+升高，矿化度增加。更为严重的，该区农业采用矿井水及工业生活污水灌溉，致使孔隙水水质恶化。焦作市区南部东王褚至恩村一带及焦作市区东南部仇化庄至焦作市修武杨楼、大高村一带的孔隙水水质类型为 型、 Mg2+型和 型，水质最差，本区所检测的18种项目中，超过饮用水标准的项目有总硬度、矿化度、氯化物、硫化物、硝酸盐、氟化物，各污染组分的超标率见表3-19。

表3-19 孔隙水水质状况统计表

根据近几年的监测与研究，喀斯特水水质正在逐渐恶化，且恶化速度也愈来愈快。主要表现在离子Cl-增加，水质变咸，个别水井水已失去饮用价值。据前人研究，本区喀斯特水Cl-背景值为，到1998年喀斯特水Cl-已达到40～75mg/L，最高为，2000年至少有三口喀斯特水源井Cl-含量超过国家饮用水标准（≤250mg/L），最高达。焦作地区内某单位喀斯特水自备井1999年Cl-含量为，2000年为，2001年为，2002年4月上升至2135mg/L，是国家饮用水标准的倍。喀斯特水Cl-超标的水源井虽然是个别的，但由于整个焦作地区的喀斯特地下水同属于一个喀斯特水系统，水质如按目前速度继续恶化，整个焦作矿区喀斯特水未来都有被严重污染的危险。造成喀斯特水Cl-污染的原因为：喀斯特水补给区地表污水的渗漏；孔隙水、矿井排水通过O2灰岩“天窗”污染喀斯特水；受污染的河水渗漏补给喀斯特水［21］。

三、地下水保护与利用对策

1.防治水污染，污水资源化

对于没有处理能力的厂、矿、企业，应交纳污水处理费，由城市有关部门统一处理。按照国家产业结构调整政策和淘汰落后生产工艺、技术和装备，重点进行冶金、化工、水泥、电力、采选等重污染行业的结构调整。污水可以被认为“待生资源”，对于污水治理，应本着谁排放谁治理的原则，企业自建小型污水处理厂，处理达标的水可重复利用，以节约水资源。焦作市是以能源、化工为主的重工业城市，污水排放量相当大，并已对地下水造成不同程度的污染，使可利用的水资源量减少。实行污染物排放总量控制制度，从严掌握建设项目的审批，执行限期治理制度，坚持实行“关、停、禁、改、转”的方针。

2.排供环保三位一体

武强教授认为，采用排供环保结合优化管理，不仅考虑了排水系统的疏降效果和安全运营，而且供水系统的供水需求和环境系统的质量保护也同样是优化模型设计的重要约束指标，同时还要充分利用矿井排水，以及将排出的矿井水经过一定水质处理后，全部或部分用来代替矿区正在运行中的不同目的的供水水源［27，9，26］。焦作矿区为了安全生产，大量疏排地下水，矿井排水量为，占总开采量的58%。而且矿井排水的利用率仅为。

排供环保三位一体的优化模型除涉及地下水水力技术方面的管理外，同时也牵涉经济评价和环境保护以及产业结构规划等的管理。排供环保三位一体，就是在保证环境质量和矿井安全的前提下，提供给矿井和其周围地区一定数量的水资源，可用于生活、工业和农业等方面的供水。排供环保三位一体结合模型，不仅实现了将保证环境质量的矿井排水和地面抽水用于供水目的，而且通过选择多种供水用户所产生的经济效益最大的目标函数和适当的约束条件，完成了利用一个模型，同时综合制订排水、供水、环保三位一体的具体水资源优化管理方案。该模型已应用于焦作矿区九里山矿［27］。

3.加强水利价费改革

按照国家发改委改革水价促进节约用水指导意见通知的要求，进行水价调整，否则浪费水的问题不可能根本解决。逐步提高工程水价（自来水价、水利工程供水水价），水资源费（资源水价），水污染处理费（环境水价）。以水为主要的生产原料和生产手段，应制定较高的水价。水利工程水价要逐步到位，水资源费要适时调整。按照不同的行业实行不同的基本水价和不同的阶梯式水价标准，生活用水应有最低保障数量。工业用水要参照国内外先进用水定额定出适应不同地区、不同行业、不同工业产品的用水定额，超定额用水要加价，并责令限期改造设备，降低用水定额。农业水资源费的征收将会使最有潜力的用水大户提高节水意识，促进井灌节水，以水养水［33］。利用经济杠杆调整用水需求，促进节水工作。调整水价和水资源费，这是节约用水最重要的手段。

4.节约用水

提高重复利用率，节约水源，逐步实现“零”排放。加快工业节水新技术、新工艺和废水资源化的开发研究以及城市节水设施的研究制造；制定行业节水规划和用水标准定额，不断降低耗水量和排水量，提高水的利用率；搞好废水综合利用，实现废水资源化是提高水资源重复利用率的重要措施；通过产品结构、产业结构、企业组织结构和工业布局的调整实现节约用水，达到水资源的供需平衡，也是水污染防治的重点。这是城镇工业节水应该考虑的几个重要方面。

大面积发展适合精耕细作特点的高效节水形式，重点发展喷灌。要因地制宜采用管灌、渠灌、滴灌、喷灌等多种节水措施。搞好地面水灌渠的综合节水措施，发展井渠双灌。推广秸秆还田、覆膜栽培、集雨保水等农艺节水措施。无论是旱作农业，还是灌溉农业都必须采用农艺节水措施，以提高水资源的利用率。农业节水的农艺措施、工程措施要和科学管理结合起来。

节约用水是一项长期的根本措施，关系到社会的可持续发展。以发展农业节水灌溉和工业节水为重点，采取行政、经济、法制、管理等多项措施，千方百计地提高水的利用率和效益。

四、矿井水的水质处理技术

煤矿巷道是煤炭开采的主要场所。巷道中污染物质主要包括废机油、废酸液、煤尘、岩屑颗粒和病源菌以及井下的人工废弃物、粪便等。如果一些老窑积水与巷道相连通时，矿井水易被酸化。如果矿井接受地表水的补给，它们可能还会受到各种农药液和工业废水的污染，工业废水大都含有有机磷、酚、醛等有毒物质。大量涌入巷道的地下水必然会受到这个采煤环境的不同程度的污染。

因此，矿井排水的综合利用必须首先解决水质问题，它是排供环保结合的一个很重要环节。解决这个问题既要在井下巷道的输水过程中，既要根据不同污染类型矿井水和综合利用的不同供水对象，在地面实施矿井水的水质预处理，以便为各供水用户提供符合其具体水质要求的矿井排水资源，又要注意清浊水分流，尽量减轻矿井水的污染程度。矿井水的实用性处理技术和方法主要有以下几类：

1.矿井浑浊水的净化处理

矿井水中所含杂质大致可以划分为3类，即悬浮物、胶体物和溶解物［5］。矿井浑浊水净化处理的主要去除对象则是悬浮物和胶体物两类，它们是造成矿井水浊度的主要因素。浑浊水的一般常用净化处理流程为：

（1）澄清：澄清是指去除引起水浑浊的悬浮物和胶体物等杂质的过程，一般可划分为3个骤步，即混凝、沉淀和过滤。

（2）消毒：矿井浑浊水经过混凝、沉淀和过滤作用之后，便可着手对其进行消毒处理（消毒处理也可在过滤之前进行）。

矿井浑浊水一般的净化处理流程，如图3-37为其流程示意图。对于某些特殊类型的矿井浑浊水或特殊要求的供水用户，可根据其具体情况分别予以灵活处理，不必完全照搬以上的全部净化处理流程。

图3-37 矿井浑浊水净化处理流程示意图

例如，如果矿井排水的浑浊度较低，又无藻类繁殖时，浑浊度经常在100度以下，投放混凝药剂后可不经过混凝和沉淀作用，直接采用一次性过滤处理，将过滤后的矿井水加氯气消毒，随之经泵站送入供水管网。

再如，如果矿井排水的浑浊度较高，既要设法达到预期的净化目的，又要节约混凝药剂的投放量。可以在混凝、沉淀前采用自然沉淀方法，将原高浑浊度的矿井水中的粒径较大的泥沙颗粒预先沉淀掉一部分，所用构筑物可以是预沉淀池，也可以是沉砂池。最后，再进行混凝，沉淀、过滤和消毒处理。

2.矿井高硬度水的软化处理

水的硬度主要是指溶解于其中的Ca2+、Mg2+离子含量，溶解于水中的Fe2+、Mn2+、Sr2+离子也是影响水硬度的一个因素。下面介绍3种常用的软化方法：

（1）微生物方法：该种方法包括硫酸盐还原菌去硫法和铁细菌去铁法。

（2）化学方法：化学软化处理包括石灰、石灰乳中和法和石灰、苏打软化法。

（3）物理方法：该种软化处理方法包括蒸馏法、电渗析法和冲淡法3种。

3.矿井酸性水的中和处理

在煤层或其顶、底板中常含有硫化矿物，它们在氧化条件下形成硫酸化合物。矿井水中一旦溶解了这些硫酸化合物，便导致其 离子含量增高，成为酸性矿井水。

矿区酸性水的形成，对于大多数具有较强破坏性的酸性水，是随着煤矿开采时间的延长而逐渐形成的。而有的酸性水是在煤矿开采之前，即在硫化矿床氧化带处就已经富集了酸性水。

酸性水的危害是十分严重的。在俄罗斯布利亚矿区勘探中，由于酸性水的腐蚀作用，在8h内钻杆直径减少1mm，套管局部被腐蚀，在强酸性水分布地段，经12昼夜，套管壁就被腐蚀穿孔。矿井与储集酸性水的老窑、老空区沟通，酸性水便可沿通道进入矿井，因而酸性水就会污染井下生产环境。

对于已经形成的酸性水和受其污染的矿井，应采用石灰石中和法或微生物法加以治理。对于酸性的老窑积水，应设立防水煤柱等工程，使其与矿井系统完全隔离；对于含硫矿层要设法消灭充水充氧的环境，使其封闭并失去形成酸性水的环境。消除酸性矿井水的污染，预防和治理应同步进行。

4.矿井高铁高锰水的处理

当日处理100m3高铁、高锰水时，滤池可采用钢制圆形双级压力滤池，将滤池分成上、下两室，上、下室均采用锰砂作滤料。为了达到充分曝气，尽可能驱散水中游离CO2，且提高pH值，可采用叶轮式表面曝气装置，曝气池可做成矩形，水在曝气池停留时间约为20分钟。表面曝气双级滤池过滤除铁、锰工艺是一项比较经济且效果良好的技术方法。

除铁方法主要有两种，其一是莲蓬头曝气、石英砂过滤除铁，或者用河砂、卵石、木炭卵石层过滤除铁，其二是用天然锰砂接触氧化除铁，该方法简单经济，效果良好，已被广泛推广利用，这些工艺都能达到预期除铁的目的，使水中铁的含量达到符合国家生活饮用水标准。

20世纪70年代末发展了一种两级过滤处理系统的处理方法，该方法经过曝气、两级过滤，一般水中铁、锰含量均可被控制在国家生活饮用水标准之下。可同时消除水中的铁、锰离子含量，其工艺过程是首先将水充分曝气，然后经第一级滤池除铁，再经第二级滤池除锰。在除锰技术方面，最初采用的是接触氧化法除锰工艺，效果也良好。