李天昕 劉祥 畢盈 張樹禮 李靜 李希耀

伊敏露天礦地下水資源環(huán)境影響后評(píng)價(jià)方法及理論研究

李天昕 劉祥 畢盈 張樹禮 李靜 李希耀

通過分析不同時(shí)期伊敏露天礦采區(qū)內(nèi)多點(diǎn)位地下水水位的空間變化實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用克里格差值法進(jìn)行采區(qū)內(nèi)地下水資源量變化趨勢(shì)的模擬分析，得到長(zhǎng)期連續(xù)定水位疏干的地下水資源變化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，分析地下水疏干量、開采規(guī)模、區(qū)域降雨補(bǔ)給量三個(gè)影響因素與地下水資源變化規(guī)律的相關(guān)性，得出露天采礦地下水資源累積影響的主要限制因子，并對(duì)伊敏露天礦長(zhǎng)期連續(xù)定水位疏干地下水的環(huán)境資源影響進(jìn)行后評(píng)價(jià)，同時(shí)在后評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上采用趨勢(shì)外推法進(jìn)行趨勢(shì)影響預(yù)測(cè)，為完善環(huán)境影響后評(píng)價(jià)方法體系提供借鑒，為企業(yè)提出有針對(duì)性的地下水資源累積影響減緩措施提供依據(jù)和指導(dǎo)。

地下水；環(huán)境影響后評(píng)價(jià)；趨勢(shì)分析法

煤炭是中國(guó)的首要能源，大規(guī)模的煤炭開采給區(qū)域地下水資源帶來了重大影響及潛在的威脅[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2008年全國(guó)地下降落漏斗就有222個(gè)[3]。而且由于部分地區(qū)嚴(yán)重超采，已造成地下水位大幅下降，出現(xiàn)地面塌陷等地質(zhì)環(huán)境問題[4-5]。全球地下水總量中因煤礦開采導(dǎo)致的地下水減少約占總抽水量的70%，而我國(guó)近70%人口以地下水作為飲用水水源，地下水資源的重要性不言而喻[6]。本文旨在以伊敏露天礦的實(shí)際水文地質(zhì)數(shù)據(jù)為出發(fā)點(diǎn)，利用趨勢(shì)模擬分析的方法，僅針對(duì)露天采礦所帶來的水資源量的影響規(guī)律及趨勢(shì)進(jìn)行較為全面環(huán)境影響后評(píng)價(jià)，為地下水環(huán)境影響后評(píng)價(jià)方法體系的完善提供借鑒。

1 研究區(qū)背景

伊敏礦區(qū)位于中國(guó)北部邊疆內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾盟鄂溫克自治旗管轄，伊敏河中游的伊敏鄉(xiāng)境內(nèi)（圖1）。礦區(qū)煤田為一軸向東北的向斜盆地，盆地兩側(cè)為低山，丘陵，南為臺(tái)地且地形較高，制高點(diǎn)的海拔高程；盆地中部地形較平緩，南高北低，海拔高程一般為644～781 m，相對(duì)高差137 m，總面積約65 km2。該區(qū)域含水層可分為3層，垂直向上劃分，從上到下分為第四系砂礫石含水層，第三系礫巖含水層和煤系含水層。第四系砂礫石含水層是個(gè)連續(xù)的含水層，它廣泛地分布于煤系地層之上，且其地下水與煤系地層水聯(lián)系密切，該含水層的巖性以砂礫石、砂礫、卵礫、粗、中砂為主，為孔隙含水層。第三系礫巖含水層，巖石成分以分選性較好的砂礫巖、礫巖和粗砂巖為主，為孔隙含水層。該含水層與地下水聯(lián)系密切，地層含、導(dǎo)水性較強(qiáng)。煤層含水層在全區(qū)發(fā)育，巖性以砂礫巖、粗砂巖和煤層為主，厚度一般為40～90 m，區(qū)域內(nèi)含水層，含水、導(dǎo)水性強(qiáng)，地下水來源為大氣降水和第四系及第三系地層水的深入補(bǔ)給。

2 研究區(qū)地下水資源變化趨勢(shì)分析

圖1 研究區(qū)地理位置

本次地下水環(huán)境影響后評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)時(shí)段跨度為十年，為了從較為宏觀的角度對(duì)礦區(qū)進(jìn)行區(qū)域性綜合評(píng)價(jià)，考慮到伊敏礦區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，將其進(jìn)行理想劃分，忽略地質(zhì)斷層、井群干擾等因素，視含水層區(qū)段為均勻同相介質(zhì)，各向?qū)韵嗤?，并將疏干井群宏觀上視為大井，利用“大井法”[7]來考慮礦坑涌水量。從而利用近十近的礦區(qū)區(qū)域地下水水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域地下水水位和地下水漏斗形狀變化情況進(jìn)行模擬分析。

2.1 地下水位變化規(guī)律

大型露天礦開采，需要對(duì)表層巖土進(jìn)行剝離，礦區(qū)煤層上覆巖層的開挖破壞地下巖層的空間形態(tài)，改變了地下含隔水層結(jié)構(gòu)，甚至影響區(qū)域地下水補(bǔ)徑排等條件，在大量地下水被疏干，地下水水位就會(huì)下降，長(zhǎng)期形成了以采坑底板中心為圓點(diǎn)的地下水漏斗，極大地浪費(fèi)了地下水資源。

伊敏露天礦通過長(zhǎng)期觀測(cè)，得到了同一采坑底板不同時(shí)段的地下初見水位標(biāo)高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其變化規(guī)律如圖2所示。

從圖2可以看出，自2000—2009年，隨著露天礦不斷開采，地下水水位標(biāo)高不斷下降，10年間下降了27.7 m，其年間隔最大下降米數(shù)為6.66 m，2009年達(dá)到最低水位為571.02 m?？梢?，露天礦地下水資源已逐年減少。

2.2 地下水漏斗變化趨勢(shì)分析

伊敏礦區(qū)由于長(zhǎng)期大面積剝離礦體上覆巖層, 開采其上的含水層，改變了地下水的儲(chǔ)水條件和補(bǔ)給、徑流、排泄條件，這種人為的干擾強(qiáng)勢(shì)地改變了地下水流場(chǎng)，成為影響地下水流域形態(tài)的主要因素，從而形成了面積較大的以采坑為中心區(qū)域的地下水降落漏斗。本研究利用近四年礦區(qū)對(duì)40眼觀測(cè)井的觀測(cè)臺(tái)賬數(shù)據(jù)，利用克里格差值法，以多點(diǎn)模擬空間，選擇區(qū)域閉合的水位線660 m（波折線）作為漏斗區(qū)的邊界，利用Surfer軟件[8]對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化插值，形成3D表面圖，還原漏斗現(xiàn)狀如圖3所示。

圖2 2000—2009年露天礦地下水水位標(biāo)高變化

圖3 2007—2010年地下水漏斗趨勢(shì)變化圖

圖3立體地還原出近四年地下水漏斗的變化情況，可明顯地看出2007年至2010年，研究區(qū)地下水水位已明顯下降，并形成了較為嚴(yán)重的地下水漏斗，且盡管每年的疏干水量累積量變化不大但地下水漏斗范圍隨時(shí)間逐年擴(kuò)大，理論上也說明地下水漏斗半徑是一個(gè)隨時(shí)間而變化的函數(shù)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，由于采礦工藝的改進(jìn)，不斷控制開挖面面積及疏干水范圍，使漏斗最低點(diǎn)區(qū)域面積在逐漸減小，從2008—2009年尤為明顯，這也很可能與在某一開采點(diǎn)處的開采量強(qiáng)度不斷加深有關(guān)。此外，漏斗的最低點(diǎn)不在變化區(qū)域范圍中間，主要有兩個(gè)原因，一是由于露天礦開采的方向所致，由于伊敏礦區(qū)含水層開采量和開采強(qiáng)度分布不均衡，以及介質(zhì)的差異，導(dǎo)致區(qū)域水位降落漏斗水力坡度各向異性。在漏斗北部和東部地區(qū),長(zhǎng)期大量開采，單位面積開采強(qiáng)度大，因此水力坡度較大；在漏斗南部和西部地區(qū)，因?yàn)樗聪∈?，單位面積開采強(qiáng)度小，故水力坡度相對(duì)較小。

漏斗中心位置始終向開采量和開采強(qiáng)度相對(duì)較大的地區(qū)位移。二是由于伊敏河由南向北流經(jīng)礦區(qū)東側(cè)，對(duì)地下水進(jìn)行大量補(bǔ)給，所以造成地下水最低點(diǎn)位于礦區(qū)東側(cè)。從整體趨勢(shì)來看，雖然漏斗最低處的面積在逐漸減小，但從2007年的綠色區(qū)域到2010年已隱約不見，說明地下水水位在進(jìn)一步下降。這也間接說明企業(yè)采取的減小開挖面面積和疏干水面積的措施對(duì)于減緩地下水資源影響有一定效果，但地下水資源的影響范圍仍會(huì)隨連續(xù)抽水時(shí)間慢慢擴(kuò)大。若不考慮其他因素，無(wú)疑利用天然斷層和構(gòu)建隔水圍幕是控制地下資源影響范圍不斷擴(kuò)大的有效措施。

3 露天采礦地下水資源影響因素分析

通過分析研究區(qū)多年連續(xù)開采條件下地下水資源動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)資料，初步確定礦產(chǎn)開采帶來的地下水位變化影響因素主要為：開采量、疏干水量、降雨量、灌溉回歸及河流補(bǔ)給等。在此，由于本研究區(qū)的特殊地理?xiàng)l件及開采模式，經(jīng)初步篩選我們僅對(duì)開采量、疏干水量累積量及降雨量做相關(guān)性分析。然后，再利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的回歸分析法對(duì)研究區(qū)地下水水位變化和主要因素的相關(guān)性進(jìn)行逐步回歸計(jì)算[9]，假設(shè)各影響因素為自變量，地下水水位為因變量，建立一個(gè)相關(guān)性較好的回歸方程，對(duì)開采條件產(chǎn)生變化時(shí)地下水位可能產(chǎn)生的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1 開采量

研究區(qū)近十年的開采量一直在不斷地變化，而地下水水位則是隨著露天礦開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大而不斷下降，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 地下水水位與開采規(guī)模的關(guān)系

評(píng)價(jià)采用回歸分析法多項(xiàng)關(guān)系進(jìn)行擬合，得到兩者的相關(guān)系數(shù)如圖4所示。

圖4 地下水水位標(biāo)高與煤炭開采量的相關(guān)性

從表1及圖4中可以看出，地下水水位標(biāo)高隨著煤炭開采量的不斷增加而逐漸下降，兩者呈現(xiàn)多項(xiàng)式關(guān)系，得到的回歸模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為 y=-1E-12x2+4E-6x+597.1，R2=0.972，擬合度較高?？梢姡禾块_采量對(duì)地下水位的變化影響較大，是主要的影響因子之一。

3.2 疏干水量累積量

為了研究露天礦降深與疏干水量累積量的關(guān)系，評(píng)價(jià)對(duì)1994—2010年的疏干水量累積量和水位降深相關(guān)性進(jìn)行了回歸分析，從線性、指數(shù)和多項(xiàng)式三種關(guān)系對(duì)其進(jìn)行擬合，結(jié)果表明見圖5。

圖5 疏干水量累積量與地下水位降深的相關(guān)性

從圖5可見，擬合結(jié)果中多項(xiàng)式擬合系數(shù)最大僅為0.128，說明其疏干水量累積量與地下水位降深關(guān)系并不明顯，并非限制性影響因子。

3.3 降雨量

由于當(dāng)?shù)氐叵滤难a(bǔ)給主要來自降水，因此，我們對(duì)比分析了1998—2010年的地下水位標(biāo)高與降雨量的關(guān)系，如圖6所示。

從圖6中可以看出，對(duì)等水位標(biāo)高與降雨量的擬合關(guān)系中相關(guān)性最大的是多項(xiàng)式關(guān)系，但R2值只有0.075，可見伊敏地下水水位標(biāo)高與降雨量關(guān)系不大。

綜上所述，本次分析地下水水位的主要影響因素可以簡(jiǎn)單、清晰地概括為:開采量、疏干水量累積量和降水量。而其最大的影響因素為開采量。

圖6 降雨量與地下水水位標(biāo)高的相關(guān)性

4 露天采礦地下水資源影響范圍趨勢(shì)預(yù)測(cè)

將研究區(qū)地下水位資源變化趨勢(shì)的模擬分析結(jié)果與伊敏露天礦長(zhǎng)期觀測(cè)的水文地質(zhì)參數(shù)相疊加，測(cè)量觀測(cè)水井與采坑底板中心的距離，利用差值法進(jìn)行空間外推，模擬出采區(qū)各時(shí)期地下水漏斗直徑如表2所示。

表2 2007—2010年地下水漏斗直徑

在此基礎(chǔ)上，采用回歸分析法分析漏斗直徑與時(shí)間的相關(guān)性，可得到漏斗直徑與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式如圖7所示。最后該假定所有采礦參數(shù)不變，采用趨勢(shì)外推法對(duì)未來地下水漏斗直徑的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 地下水影響范圍趨勢(shì)預(yù)測(cè)

由表2可見，隨著年份的增加，地下水漏斗的最大直徑在持續(xù)增大，地下水漏斗面積不斷增加，2010年伊敏礦區(qū)地下水漏斗最大直徑達(dá)到約為11 000 m?；谏衔姆治隹芍饕蚴怯捎诘叵滤┒钒霃綖闀r(shí)間t的函數(shù)R（t）。同時(shí)，開采量的增大也是主要的影響因素，伊敏礦從1984年的100萬(wàn)t/a到2008年二期達(dá)產(chǎn)規(guī)模到1 100萬(wàn)t/a，露天礦規(guī)模擴(kuò)大了1 000萬(wàn)t，嚴(yán)重影響了地下水水位及其區(qū)域水資源。

從圖7中可以看出，地下水漏斗最大直徑隨時(shí)間的變化曲線為y=3 658.6ln(x)+6 798.4，最小直徑隨時(shí)間的變化曲線為y=1 130.7ln(x)+7 313.8，最低點(diǎn)深度隨時(shí)間的變化曲線為y=0.535x+657.57，預(yù)測(cè)到2015年漏斗最大直徑約15 000 m，最小直徑約10 000 m，最低點(diǎn)深度657.57 m左右。中心點(diǎn)位置隨著采掘面向西移動(dòng)，漏斗形成區(qū)域?qū)?huì)逐漸向北部和西北部移動(dòng)。

綜上可見，隨著開采強(qiáng)度的不斷增加，地下水水位仍會(huì)不斷下降，降落漏斗面積也將不斷增大， 但通過合理控制開采量，根據(jù)礦區(qū)特性，選擇均衡法、解析法、數(shù)值法等適當(dāng)?shù)姆椒?，結(jié)合開采方案計(jì)算得出允許開采量值進(jìn)行合理開采，同時(shí)輔以隔水措施，地下水水位及漏斗面積可以得到控制。

5 結(jié)論

通過對(duì)研究區(qū)多年實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析和模擬，可得出如下結(jié)論：

（1）伊敏露天礦不斷開采，地下水水位標(biāo)高不斷下降，呈連續(xù)下降趨勢(shì)，10年間下降了27.7 m，其年間隔最大下降米數(shù)為6.66 m，2009年達(dá)到最低水位為571.02 m。

（2）利用克里格差值法，以多點(diǎn)模擬空間分布發(fā)現(xiàn)下水漏斗半徑是一個(gè)隨時(shí)間而變化的函數(shù)，且改進(jìn)工藝控制開挖面面積及疏干水范圍，可使漏斗最低點(diǎn)區(qū)域面積逐漸減小，從2008—2009年工藝改進(jìn)效果來看尤為明顯。另外，可發(fā)現(xiàn)降落漏斗水力坡度是各向異性的，主要受采礦強(qiáng)度空間分布的影響。

（3）地下水水位標(biāo)高隨著煤炭開采量的不斷增加而逐漸下降，兩者呈現(xiàn)多項(xiàng)式關(guān)系，其回歸模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為y=-1E-12x2+4E-6x+597.1，R2=0.972，擬合度較高，說明煤炭開采量為地下水資源環(huán)境的主要影響因子。而疏干水量累積量和降雨量與地下水位降深關(guān)系均不明顯，并非限制性影響因子。

（4）采用回歸分析法和趨勢(shì)外推法對(duì)未來地下水漏斗直徑的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，到2015年漏斗最大直徑約15 000 m，最小直徑約10 000 m，最低點(diǎn)深度約657.57 m，需進(jìn)一步控制開采工藝參數(shù)，并輔以隔水措施。

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2095-6444(2014)06-0050-04

2014-10-15

李天昕，北京科技大學(xué)環(huán)境工程系副教授；劉祥、畢盈，北京科技大學(xué)環(huán)境工程系；張樹禮、李靜，內(nèi)蒙古環(huán)境科學(xué)研究院；李希耀，華能伊敏煤電有限責(zé)任公司。