重大水利工程隧洞施工废水处置技术调查研究

摘 要：隧洞作为水利工程的重要单位工程，通常会穿越富含地下水的地段。目前针对隧洞涌水、废水处置的研究取得了一定成果，但仍存在一些问题亟待解决。分析了隧洞施工废水来源和特征，通过调查隧洞施工废水处置工艺以及重大水利工程废水处置实践，剖析了隧洞施工废水处置面临的主要问题，提出了针对性的对策建议，以期为重大水利工程隧洞施工废水处置提供参考。

关键词：废水处置；水利工程；隧洞施工

中图分类号：X523 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文献标志码：A

0 引 言

中国基本水情一直是夏汛冬枯、北缺南丰，水资源时空分布极不均衡。加快构建国家水网、建设重大引调水工程，是解决水资源时空分布不均的必然要求。中华人民共和国成立以来，建成了世界上规模最大、范围最广、受益人口最多的水利基础设施体系。党的十八大以来，我国建成了一批跨流域、跨区域的重大引调水工程，其中南水北调东线、中线一期主体工程在我国经济社会发展和生态环境保护方面发挥着重要作用。2021年1月，鄂北地区水资源配置工程全线通水，2022年7月，作为南水北调工程后续首个项目的引江补汉工程正式开工，2022年底，引江济淮工程试通水、试通航顺利完成。2023年5月，中共中央、国务院印发《国家水网建设规划纲要》（以下简称《规划纲要》），提出围绕国家重大战略，加快构建国家水网主骨架和大动脉。目前，陕西引汉济渭工程已完工，即将通水运行，云南滇中引水工程等重大引调水工程加快建设，甘肃白龙江引水工程前期工作加快推进。

隧洞作为水利工程的重要单位工程，一般会穿越富含地下水的地段，地质条件非常复杂。隧道施工不仅面临很大的安全风险，而且产生的突涌水、废水处置十分棘手。隧洞施工中的涌水处理通常采用“堵排结合，以堵为主”的施工策略[1]。涌水量大的施工段主要采取“排水和导水为主，注浆堵水为辅”的策略，涌水量小的施工段主要采取“注浆堵水为主，排水和导水为辅”[2]的策略。隧洞施工废水除了pH值超标外，悬浮物（SS）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）一般也会超标。此外，废水中的总磷（TP）和石油类等也是引起水环境问题的重要因子[3]。目前针对隧洞涌水、废水处置的研究虽然取得了一定进展，但是尚处在探索阶段。因此，有必要进一步开展重大水利工程隧洞施工废水处置技术的研究工作。

1 隧洞废水特征及排放要求

1.1 隧洞施工废水来源分析

根据隧道施工的操作工艺和周边的环境状况，隧洞废水的主要来源有：隧道穿越不良地质单元时产生的涌水、施工机械产生的废水、钻爆施工中爆破后用于降尘产生的废水、喷射混凝土和注浆产生的废水[4-6]（见表1）。其中地下水涌水随地质状况变化较大，通常是隧洞废水的最主要来源。隧洞废水中污染物来源与地质构造（如穿越含煤夹层时，废水中会含煤粉颗粒）、隧洞施工方法有密切的联系，污染物的浓度与施工所处的阶段紧密的相关[7]。钻爆施工产生的污染物主要有固体颗粒物、爆炸后残余物质、支护产生的混凝土等；TBM盾构各机械部件需要使用大量的润滑机油，其施工废水具有水量大且连续集中、悬浮物与石油类污染物含量高及污染物总量大等特点[8]。隧洞施工废水若得不到妥善处理，将会污染受纳水体，破坏周边水域的生态环境。

1.2 隧洞施工废水特征分析

隧洞施工废水的水质、水量与所处的地质环境相关。隧洞涌水排水量小，废水水质相对较差，反之废水的水质状况一般较好，而待处置的废水量通常与隧洞排水量正相关。隧洞围岩中重金属含量较高时，废水中重金属可能超标，在微生物作用下会转化为金属有机化合物，进而通过食物链的作用影响人体健康[9-10]。围岩较差的软岩洞段则会产生大量泥浆，造成废水中污染物浓度的升高。隧洞施工废水水质监测结果见表2。

根据隧洞施工废水检测结果，隧洞施工废水处置的重点是悬浮物（SS）超标、酸碱度（pH）偏高问题，而氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）和石油类污染物相对可控。废水中污染物浓度与施工阶段有关，隧洞施工初期、中期和末期，废水中的SS浓度先升高再降低，这是因为岩体爆破、出渣中产生的岩粉、夹杂的泥沙、爆破产生的粉尘以及喷浆中的混凝土等与涌水混合导致SS含量急剧升高，而支护、灌浆或涌水量加大时废水中的SS浓度逐渐降低。隧洞施工废水pH较高，呈强碱性，是由灌浆时水泥熟料中的碱性物质进入废水中导致的。隧洞初期废水中TP、COD、石油类有所超标，但中期和末期废水中均未超标，隧洞废水中的有机物含量较低。隧洞废水中NH3-N浓度略为升高，但低于排放标准。隧洞废水的水质变化与施工方法紧密相关。在爆破完成后SS及含氮污染物浓度首先升高并达到峰值，此后其他污染物浓度也随之升高；TBM 掘进开始后，隧洞废水污染物逐渐升高，一段时间后污染物排放趋于稳定[7]。另外，隧洞开挖过程中地下涌水量变化会引起隧洞废水污染物浓度的变化，隧洞开挖所处的地质环境导致的重金属等污染问题则存在不确定性。

1.3 隧洞废水排放要求

根据生态环境部门要求，隧道废水需处置后排放或回用。具体来说，一般需要满足《污水综合排放标准》（GB8978—1996）中的相关标准。鉴于隧道工程废水的受纳水体为河流或湖泊，处置后的废水排放还需满足受纳水体水质管理目标要求。未划分功能区划的水域，按不低于现状水质类别确定水质目标；受纳水体是饮用水水源地时，排放需满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中相关标准。具体排放标准要求见表3、表4。

2 隧洞施工废水处置调查

2.1 隧洞废水处置技术

常见的隧道施工废水处置方法有（预沉）沉砂、（调酸）混凝、沉淀等，必要时还可以采用隔油、气浮、过滤和吸附等方法，这些方法大多属于物理和化学手段。沉砂池主要对废水中较粗的物质、密度大的悬浮物进行分离；混凝池主要通过设置搅拌装置，投加pH调节剂、絮凝剂或助凝剂，将细微粒子和胶体混凝形成“矾花”后祛除；沉淀池则用于进一步去除混凝后的污染物。

不同处置工序对污染物的处置效果不同。对SS而言，混凝工艺祛除效果最好，其次是过滤和沉淀工艺，吸附工艺效果最差；对于COD而言，同样是混凝工艺祛除效果最好，其他方法处理效果差别不大[16]。隧洞废水处置工艺主要根据废水水量、污染物特征等因素，对上述工序进行适当的组合，达到废水处置达标排放或回用的目的。

（1）两级沉淀处置工艺。主要工序是预沉和沉淀（见图1）。隧洞废水进入预沉池再进入沉淀池进行自然沉淀，将上清液排放或资源化利用，泥砂外运至附近渣场。其优点是工艺流程简单、运行费用少，缺点是处置废水量有限，占地面积较大。

（2）三级沉淀处置工艺。与两级沉淀处置工艺相比，增加了混凝池，用以调节pH值，祛除部分SS等污染物[17]（见图2）。其优缺点取决于混凝工艺和沉淀池的沉淀方式，总体处理效果一般优于两级沉淀处置工艺。

（3）隔油沉淀处置工艺。将沉淀池、分离池、水解酸化池和好氧池等替换为反应隔油沉淀器（见图3）。同时，将酸化工序与pH调节工序相结合，加快水解反应效率，增加污泥的集中处理设备，方便运行操作[8]。

（4）磁分离处置工艺。主要依靠提升泵，将废水运至磁分离系统进行处理，将系统出水引至超磁分离机，进行固液分离净化，出水最终排入周边沟渠。分离出的沉积物进入磁分离磁鼓，在其高度分散区将磁种和非磁性悬浮物进行分散处理，非磁性污泥进入脱水系统，并对磁种进行吸附回收[18]。

（5）高效过滤处置工艺。在工艺流程中增加高效过滤工艺，并把普通沉淀池改为斜板沉淀池。隧洞废水先在预沉池进行初步沉淀处置，去除大颗粒等杂质，并调节水量、减轻后续处理工序的压力。经处理后废水依次采用格网强化混凝、斜板增强沉淀等工序处置，绝大部分的悬浮物质将被祛除[18]。

2.2 重大水利工程废水处置案例

以引汉济渭工程、滇中引水工程等重大水利工程为例，调研其隧洞废水处置情况及效果。

2.2.1 引汉济渭工程

引汉济渭工程由调水工程和输配水工程组成，地跨长江、黄河两大流域。秦岭输水隧洞是引汉济渭工程的关键控制性工程，总长98.3 km，最大埋深2 012 m，地质条件极其复杂。2023年7月，引汉济渭工程正式通水。学者们围绕秦岭隧洞废水处置开展了大量试验和研究。

杨晓盟[19]对越岭段部分支洞进行了研究，得出该段隧洞废水污染物以SS、Fe、COD、NH3-N、TN为主。隧洞废水采用三级沉淀+吸附处置工艺，以聚合氯化铝（PAC）为混凝剂、聚丙烯酰胺（PAM）为絮凝剂，废水最佳停留时间为120 min，PAC的最佳投药量为400 mg/L，COD祛除率最高，达到90.26%，NH3-N、TN祛除率分别为44.79%、43.67%，出水浊度为4.91 NTU。

靳李平等[20]针对秦岭输水隧洞废水水量较大、SS含量高、Fe超标等特点，提出了“混凝+沉淀+锰砂过滤+吸附”的处理工艺，并开展了处置试验。结果表明，在最佳投药量400 mg/L情况下，悬浮物祛除率达90%以上，COD、NH3-N的祛除率分别约为85%、60%。处理后水质能满足地表水环境质量中Ⅱ类水体的标准。

房佳亮[21]总结了秦岭隧洞出口施工期间污水处理的成功经验，即按照预沉、混凝、隔油沉淀等工序后最终达到排放标准，淤泥脱水后运至弃渣场填埋，隔油沉淀池中油污及时进行收集后集中处理，处理水质能满足地表Ⅱ类水标准要求。该技术最大处理能力为15 200 m3/d，是一种高效率、低投入、操作简便、适应性强的隧道施工期污水处理技术。

任吉涛[22]在秦岭隧洞6#洞口前期废水处置试验基础上，结合引汉济渭工程废水处理的实际需要，提出采用高效沉淀+快滤+碳滤的自动化废水处理方法，最大处理能力达到25 000 m3/d，运行综合单价约为0.5元/m3。处理效果明显，主要水质参数远远高于设计指标，且维护方便、性能稳定，符合水源地环保要求。

2.2.2 滇中引水工程

滇中引水工程由水源工程和输水工程组成，于2018年10月开工，干线总长664 km，其中隧洞占比92%，控制性工程为总长62.6 km的香炉山隧洞，埋深1 000 m以上的隧洞长度21.4 km，占总长的34%。目前滇中引水工程仍在施工中，隧洞施工中废水处置的工作难度较大。

滇中引水工程玉石厂隧洞出口废水采用三级沉淀处置工艺，投入柠檬酸钠调节pH，投入PAC及PAM处理悬浮物，处理后出水口pH一般为8～9，悬浮物浓度一般为5～50 mg/L，废水排放满足一级标准限值。处置后的废水可用于洒水降尘、绿化和灌溉用水，剩余的部分排入附近的沟渠。隧洞排水处理后，清淤污泥经干化后运至附近弃渣场[14]。

昆玉隧洞中后段隧道分多段开挖，在牧羊村倒虹吸起点结束。昆玉隧洞距滇池平均距离约为6 km，对隧洞废水排放的环境保护要求极高。该段隧洞废水主要采用三级沉淀处置工艺，出水池通往指定地点排放。12#支洞废水排入施工地附近环境敏感性较高的梁王河，施工单位还在排水出口铺设稻草等净化物质，用于进一步吸附降低悬浮物的含量[23]。

蔡家村隧洞、松林隧洞工程施工期产生的施工废水pH值大部分时间在10以上，超出允许排放标准。结合现场使用条件、水质特点等因素，考虑处理方法的实用性、可靠性、经济性，提出了一种投加二氧化碳调节碱性废水pH值的方法及装置。运用二氧化碳气体中和碱性废水，使pH值达到排放标准[24]。

2.2.3 其他工程

某输水工程TBM 开挖洞段长度37.71 km、洞径为8.5 m，采用开敞式TBM并行作业。隧洞穿越多个环境敏感区，要求废水处理后循环利用，禁止外排。针对该工程施工废水特点，采用隔油沉淀处置工艺，TBM开挖施工用水和施工废水处理后均满足Ⅲ类及以上水质要求。该处理装置占地面积较大，约600 m2，总投资费虽不足100万元，仍然比较昂贵[8]。

3 隧洞废水处置的主要问题

针对重大水利工程的隧洞废水处置，虽然研究者们进行了一些有益的探索，但仍然存在一些问题，有待进一步的研究。

3.1 隧洞涌水量的不确定性

隧洞建设面临地形地貌复杂、地质结构变化多样、地层裂隙和岩溶、地下水和地震等问题[25]。鉴于隧洞穿越地段环境的复杂性，即使设计单位前期做了大量勘测预报工作，隧洞涌水量仍存在很大的不确定性，特别是在富水区域，给隧洞废水处置带来困难。实际施工过程中，隧洞涌水量的变化可能很大，通常也会发生突泥涌水。如果隧洞涌水突然大量增加，超出了隧洞废水处置设备的规模，未经处理的隧洞排水直接排入受纳水体，将会造成环境污染事件。

3.2 处置工艺的适用性问题

目前各种废水处置的工艺层出不穷，但这些处置工艺不一定都适合隧洞废水处置。我国目前推行工程总承包的模式，废水处置费用一般由施工单位承担，在追求利润的前提下，废水处置设备及运行成本是影响工艺选择的主要因素。隧洞工程一般分布在山区地段，能用于布设隧洞废水处置设备的场地非常有限，特别是在处置涌水量大的隧洞废水时，施工占地是设施设备选择的重要因素。由此可见，隧洞废水处置面临的两个挑战是处置成本和处置设备的占地问题。

3.3 废水处置的二次污染

隧洞废水处置中，试剂的选择非常重要，直接关系到废水处置的费用和效果。针对隧洞施工的高碱废水问题，采用柠檬酸调节pH值的传统工艺方法，处理效果不稳定，出水合格率低，安全性低，投入成本较高，且会产生少量的有机污染物[24]。废水处置的混凝剂主要是PAC和PAM，实际中如废水中重金属Fe超标，使用聚合硫酸铁（PFS）也无法祛除。混凝剂PAM则可能导致二次污染，不利于隧洞周围生态环境的保护。

3.4 废水资源利用程度不高

目前，隧洞废水经预沉池+混凝+沉淀池等工序处理后，一般直接排放到受纳水体，只有少部分用于施工场地的降尘、绿化或施工用水。对于干旱、半干旱地区而言，地下水是非常宝贵的资源，不仅可以用于农业灌溉等生产用水，而且还可以用于临时用地的植被恢复。此外，对隧洞施工地下水下降较大的区域，隧洞废水经处置达标后回灌可以减轻对周边环境的负面影响。即使是排水量较大、采用“清污分流”的施工区，处置后的隧洞废水利用程度也不高，隧洞废水有待“变废为宝”。

4 建 议

隧洞施工废水中污染物来源与施工方法有关，污染物浓度与施工阶段、施工方法、涌水排水量和所处的地质环境密切相关，隧道施工废水处置工艺要根据实际情况合理选择。目前，学者围绕引汉济渭工程、滇中引水工程等隧洞废水处置进行了有益的探索，但仍面临隧洞涌水量的不确定性、处置工艺的适用性、废水处置的二次污染、特殊地层重金属超标、重金属污染和废水资源利用程度不高等问题。针对这些问题，提出以下建议。

4.1 优化隧洞施工废水排放工艺

为降低施工单位隧洞废水处置的成本，建议采用“清污分流”的工艺，即施工中避免干净的地下涌水与施工废水混合，从源头减少废水的产生。随着隧道设计理念变化，有的国家提出“可接受的”隧道地下水排放量标准，该标准既满足施工后水环境平衡的恢复，又兼顾了工程投资、质量和进度等要求[26]。在遇到突涌水量很大的突发事件时，现有封堵技术无法达到预期，可选择“清污分流”工艺解决隧洞废水问题。当然，废水排放量标准定得过高，可能会损害隧道结构和周围生态环境，需注意废水排放量的“可接受性”。

4.2 提高废水处置工艺的适用性

对于重大水利工程隧洞废水量较大、处置成本较高的问题，非敏感区域隧洞废水可采用常规废水处置工艺处置后回用或达标排放；敏感区域隧洞废水量大时，可采用“清污分流”排水工艺，处置后的废水回用或引排至敏感区域以外的非敏感河流；敏感区域隧洞废水量小时，可在处置后回用，必要时采用新技术、新工艺和新设备处置。若隧洞废水量较大，处置设备占地较大，可充分利用隧洞施工的施工场地，优化废水处置设备布置，如在施工主洞与支洞交汇区处设置集水池，对废水进行初步的沉淀处理，再利用水泵将废水抽到洞口进一步处置[23]，减少设备占地。

4.3 使用环境友好型废水处置试剂

采用二氧化碳代替常规柠檬酸处理废水高pH值问题，这种方法效果稳定、安全高效、成本较低，且具备可控性和稳定性，满足环保要求及达标排放标准。可利用天然动物胶等有机高分子絮凝剂代替传统的试剂[27]，有机高分子絮凝剂具有来源广、成本低、易降解的优点，是隧洞废水处置药剂的新选择。对水质管理要求更高的水体，可采用更加友好的可降解、微生物絮凝剂，用于祛除废水中的污染物。有学者提出使用“7#聚合铝—阳离子有机高分子絮凝剂+非离子型聚丙烯酞胺”，这种药剂的胶粒聚集速度极快且凝聚效果较好[23]。同时，试剂选择需关注特殊地层重金属超标问题。

4.4 加强隧洞废水的资源化利用

2023年7月，水利部、国家发展改革委联合印发《关于加强非常规水源配置利用的指导意见》，要求加强矿坑（井）水等非常规水源配置利用，因此，应考虑对隧洞废水进行资源化利用。对于实施“清污分流”的隧洞排水应提高地下水资源的回用率，考虑将排放的地下水清水用于施工用水、施工场地绿化、弃渣场植被浇灌、灌溉附近农田、补充周边沟渠水源等。在对场地周边地下水水位影响较大的区域，处置后的废水在资源化利用后，多余的水可尝试回灌补充周边地下水。此外，要综合比较隧洞排水用于弃渣场植物浇灌与植物重复种植的成本，分析就近将隧洞排水引入弃渣场灌溉恢复植被、促进植被群落快速构建的可行性。

参考文献：

[1] 《中国公路学报》编辑部.中国隧道工程学术研究综述·2015[J].中国公路学报，2015，28（5）：1-65.

[2] 豆海涛.基于渗漏水的隧道渗流场有限差分法分析[J].铁道勘察，2014，40（1）：36-38.

[3] 刘伟，付海陆，耿伟，等.天目山隧道施工废水特征分析及处理[J].隧道建设，2017，37（7）：845-850.

[4] 袁勇. 歌乐山隧道施工与环境保护[J]. 现代隧道技术，2004，41（1）：68-72.

[5] 沈振武.山区长大隧道工程的环境问题研究[J].华东交通大学学报，2003，20（5）：35-37.

[6] 郑新定，丁远见. 隧道施工废水对水环境的影响分析及应对措施[J]. 现代隧道技术，2007，44（6）：82-84.

[7] 杨晓盟，王晓昌，章佳昕，等. 引汉济渭工程秦岭隧洞岭北段施工废水污染物解析[J]. 环境工程，2013，31（增刊1）：80-82，262.

[8] 秦增平. 隧洞TBM开挖施工废水处理方法[J]. 东北水利水电，2018，36（2）：52-53.

[9] EHRENSTEIN C，SHU P，WICKENHEISER E B，et al. Methyl Mercury Uptake and Associations with the Induction of Chromosomal Aberrations in Chinese Hamster Ovary （CHO） Cells[J]. Chemico-Biological Interactions，2002，141（3）：259-274.

[10] BAO S Y，LI K，NING P，et al. Highly Effective Removal of Mercury and Lead Ions from Wastewater by Mercaptoamine-functionalised Silica-coated Magnetic Nano-adsorbents：Behaviours and Mechanisms[J]. Applied Surface Science，2017，393：457-466.

[11] 杨斌，莫苹，吴东国.隧道施工废水水质特征分析[J].公路交通技术，2009，25（3）：133-137.

[12] 杨斌，莫苹.一种新型施工废水处理设备在隧道工程中的应用[J].公路交通技术，2013，29（6）：160-164.

[13] 蒋红梅，莫苹，吴东国，等. 山岭隧道施工废水水质特征初步研究[C]//中国环境科学学会.中国环境科学学会2009年学术年会论文集（第一卷）.北京：北京航空航天大学出版社，2009：627-630.

[14] 张仲伟，闵洋，吕琦，等.水利水电工程隧洞排水处理[J].水利技术监督，2021，29（9）：57-58，86.

[15] 谷世平，庄燕珍，王培文.隧道施工废水对水环境的影响分析及防治措施[J].公路，2022，67（4）：396-400.

[16] 祝捷. 引汉济渭工程输水隧洞施工废水处理工艺研究[J].铁道工程学报，2014，31（6）：109-113.

[17] 谭华锋.隧洞施工废水处理方法与工艺[J].水利科技与经济，2015，21（12）：110-112.

[18] 张晶，蔡秋玮.施工期隧洞废水处理技术研究[J].水利水电工程设计，2023，42（2）：28-30，46.

[19] 杨晓盟. 引汉济渭工程秦岭隧洞岭北施工废水水质预测与分析评价[D]. 西安：西安建筑科技大学，2013.

[20] 靳李平，李厚峰，金鹏康，等.秦岭输水隧洞施工期废水水质评价及工艺研究[J].环境科学与技术，2013，36（增刊1）：155-158.

[21] 房佳亮.引汉济渭秦岭隧洞（越岭段）施工期间污水处理技术研究[J].陕西水利，2018（6）：102-104，109.

[22] 任吉涛.高沉双滤水处理技术在引汉济渭工程中的应用[J].陕西水利，2018（4）：54-55，58.

[23] 黄苛，张楷源，刘云龙，等.生态敏感区引水隧洞施工废水处理研究：以滇中引水工程为例[J].工程技术研究，2022，7（14）：222-224.

[24] 郭召东，王星，魏震，等.运用二氧化碳气体控制碱性废水pH值的技术[J].云南水力发电，2023，39（2）：6-9.

[25] 戴伟.复杂地质环境下的隧道施工技术分析[J].工程建设与设计，2017（8）：150-151.

[26] 梅志荣，张军伟，李传富.铁路长大隧道建设中地下水防治有关问题研究进展[J].铁道工程学报，2009，26（9）：78-82.

[27] 薛正.隧道施工废水处理过程中混凝剂的应用研究[J].铁路节能环保与安全卫生，2018，8（5）：232-236.

Investigation on Wastewater Treatment Technology for Tunnel Construction of Major Water Conservancy Engineering

ZHU Zhenya1，2，WANG Jianwen3，YAN Fengling1，2，FANG Cheng1，2，TIAN Zhifu1，2，GUO Yiwei3

（1.Changjiang Water Resources Protection Institute，Wuhan 430051，China；2.Key Laboratory of Ecological Regulation of Non-point Source Pollution in Lake and Reservoir Water Sources，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430051，China；3.Construction Administration Bureau of Central Yunnan Water Diversion Project，Kunming 650051，China）

Abstract：As important units of water conservancy engineering，tunnels often traverse areas rich in groundwater. Although certain achievements have been made on the treatment of tunnel water inflow and wastewater disposal，several issues remained to be addressed. This paper analyzed the sources and characteristics of tunnel wastewater，expounded the main problems faced in tunnel wastewater treatment through the investigation of tunnel wastewater treatment processes used in tunnel construction and the practices of wastewater disposal in major water conservancy engineering. Targeted countermeasures are proposed to serve as a reference for tunnel wastewater treatment in water conservancy engineering.

Key words：wastewater treatment；water conservancy engineering；tunnel construction