毛學(xué)紅

(河南省地質(zhì)局生態(tài)環(huán)境地質(zhì)服務(wù)中心,鄭州 450000)

0 引 言

近年來,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,煤炭需求量呈上升趨勢(shì)[1]。煤礦開采時(shí),需要在地表開鑿一系列的礦井、巷道。礦井開采中,裂隙帶、斷裂、采空區(qū)引起的地表運(yùn)動(dòng),將對(duì)礦井地下水的貯存環(huán)境造成較大影響[2]。此外,由于人類生產(chǎn)和生活所產(chǎn)生的各種污水會(huì)從地表縫隙中滲透,對(duì)地下水的水質(zhì)、水量和補(bǔ)給帶來很大的負(fù)面影響[3]。因此,加強(qiáng)對(duì)煤炭資源地下水的保護(hù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前,由于開采技術(shù)和開采方式等多方因素的影響,使地下水環(huán)境評(píng)價(jià)工作面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為此,許多學(xué)者開展了相關(guān)研究。王立河[4]從水資源減少、水污染增加、地質(zhì)儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)改變等方面,探討了煤炭開發(fā)對(duì)水資源的影響,并提出了相應(yīng)的水環(huán)境治理與水資源保護(hù)對(duì)策。江建明等[5]利用水文地質(zhì)比擬法和大井法,分別預(yù)測(cè)了礦坑涌水量,結(jié)果表明所提方法可以較好地預(yù)測(cè)地下水量和水位影響范圍。馬衛(wèi)軍[6]對(duì)某地區(qū)重組小煤礦的開采現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,并提出了對(duì)異常體進(jìn)行注漿加固、對(duì)回采影響范圍內(nèi)的老空水提前排干等防治措施。本文從煤礦開采對(duì)地下水環(huán)境的影響機(jī)制以及地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)兩個(gè)角度出發(fā),提出一種地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型。

1 煤礦開采對(duì)地下水環(huán)境的影響機(jī)制以及地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型

1.1 煤礦開采對(duì)地下水環(huán)境的影響機(jī)制研究

地下水流系統(tǒng)可以沿著一個(gè)統(tǒng)一的流向進(jìn)行有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)與演化,在時(shí)間和空間上均能表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)平衡性與規(guī)律性。圖1為地下水含水層與地下水流系統(tǒng)構(gòu)造圖。由圖1可知,地下水流體系由3部分組成,即局部水流體系、中層水流體系和區(qū)域性水流體系。煤礦開采行為對(duì)地下水環(huán)境的影響具體表現(xiàn)為:破壞地下水的空間結(jié)構(gòu)、改變地下水循環(huán)形態(tài)、影響地下水質(zhì)量[7]。

圖1 地下水含水層與地下水流系統(tǒng)構(gòu)造圖

煤層開采后,在工作面后方形成空隙,破壞了覆巖和圍巖原有的應(yīng)力平衡,使其發(fā)生彎曲、變形和破壞。覆巖在縱向上的破壞與變形表現(xiàn)出由下至上的分帶性,即冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶、彎沉帶。在煤層開采之后,覆巖會(huì)逐漸失去原來的應(yīng)力平衡,直接從底巖層掉落,并逐步填滿整個(gè)采場(chǎng)[8]。冒落帶位于采空區(qū)覆巖的最底層,冒落帶內(nèi)的巖體為碎裂的塊體,塊體之間有大量的空隙,是地下水及污染物質(zhì)進(jìn)入采空區(qū)的主要途徑。導(dǎo)水裂縫帶位于冒落帶和彎曲下沉帶的中間部位,在煤礦開采過程中,導(dǎo)水裂縫帶將持續(xù)發(fā)展,直至達(dá)到某一程度后不再生長(zhǎng)。在此過程中,采空區(qū)內(nèi)部及上面的巖層相互擠壓,使整個(gè)煤層的構(gòu)造趨于穩(wěn)定。但它仍有很高的滲透性,也是重要的涌水通道。彎曲下沉帶位于地面之下導(dǎo)水裂隙帶之上,即含水空間結(jié)構(gòu)最上層。當(dāng)導(dǎo)水裂縫發(fā)展到一定程度時(shí),將引起彎曲下沉帶的沉降。隨著煤炭資源的大量開發(fā)和地層運(yùn)動(dòng)的影響,地層的位移幅度增大,彎曲下沉帶隨之生長(zhǎng),使地表發(fā)生較大形變,從而形成凹陷區(qū)域。當(dāng)采空區(qū)的覆巖在開采過程中被破壞,并在開采過程中產(chǎn)生冒裂帶,并通過冒裂帶向上傳導(dǎo),最終對(duì)含水層造成一定的影響,從而導(dǎo)致地下水沿著冒裂帶流入到礦井中[9]。

煤炭開采在一定程度上改變了地表水與地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系。地下水的轉(zhuǎn)化形態(tài)主要有3種:垂直向下的轉(zhuǎn)化形態(tài)、橫向補(bǔ)給的轉(zhuǎn)化形態(tài)以及兩者混合形態(tài)。在非旱期,地下水以降雨為主,并以江河作為補(bǔ)充;在干旱季節(jié),地下水經(jīng)常以降雨的形式流入河流[10]。我國對(duì)煤炭資源的不斷開發(fā),改變了原有的水循環(huán)結(jié)構(gòu)。這些干擾導(dǎo)致地表水、淺層地下水垂向滲入采空區(qū),使地下水位持續(xù)降低,改變了沉陷區(qū)及周圍地區(qū)的水資源轉(zhuǎn)換關(guān)系,進(jìn)而影響了沉陷區(qū)及周圍地區(qū)的水資源轉(zhuǎn)換。圖2為在自然狀態(tài)下和煤礦開采狀態(tài)下的地下水循環(huán)示意圖。

圖2 兩種狀態(tài)下的地下水循環(huán)示意圖

煤礦開采的井下作業(yè),也影響著地下水的整體質(zhì)量。煤礦開采使在自然條件下的地下水從以橫向循環(huán)為主,轉(zhuǎn)為縱向循環(huán)或混合型循環(huán)為主要方式。這種變化使地下水中的礦化度、 pH值、總硬度、重金屬等有害物質(zhì)增加,對(duì)地下水質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。另外,井下作業(yè)也會(huì)對(duì)地下含水體系及水循環(huán)造成一定的影響,從而引起地下水流量減少、水位下降等現(xiàn)象。機(jī)械機(jī)油、洗煤過程、井田區(qū)的廢棄炸藥殘?jiān)约吧罾?都會(huì)造成地下水的污染。由于煤礦開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢水和廢氣,這些廢水和廢氣中含有大量的氨氮、氟化物、耗氧量、硫酸鹽、鐵、錳等一些常見離子,將對(duì)地下水質(zhì)量產(chǎn)生較大程度的影響。

1.2 煤礦開采對(duì)地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

研究分析煤礦開采對(duì)地下水環(huán)境的影響機(jī)制,為構(gòu)建地下水環(huán)境的安全評(píng)價(jià)模型奠定基礎(chǔ)。地下水環(huán)境安全性是指地下水系統(tǒng)中,各主要?jiǎng)恿υ氐慕M成、結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)控能力等都處于一定的安全區(qū)間。對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)是基于定量指標(biāo)和定性標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法,對(duì)一個(gè)地區(qū)的地下水環(huán)境因素進(jìn)行分析,并作出量化評(píng)價(jià),以確定該地區(qū)的地下水安全狀態(tài),以便更好地了解該地區(qū)的水資源現(xiàn)狀,為該地區(qū)煤炭資源的合理開發(fā)利用、地下水環(huán)境保護(hù)等方面的政策制定提供重要參考。

在進(jìn)行地下水環(huán)境安全性評(píng)價(jià)時(shí),可以采用多種定量和定性指標(biāo)來判斷地下水水質(zhì)狀況,如水質(zhì)污染、水量變化等。此外,還可以采用相關(guān)模型來模擬不同因素對(duì)地下水質(zhì)的影響,以便更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地下水環(huán)境狀況。在進(jìn)行地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)時(shí),需要遵循科學(xué)、整體性與相對(duì)獨(dú)立、可比性與可追溯性、可操作性、全面性等相關(guān)原則。對(duì)礦區(qū)地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià),首先要建立一套科學(xué)的指標(biāo)體系。本次研究在評(píng)價(jià)的過程中,以環(huán)境工程等相關(guān)理論為基礎(chǔ),以礦山的地形地貌、氣候條件為依據(jù),構(gòu)建地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,見表1。在此基礎(chǔ)上,對(duì)礦區(qū)地下水環(huán)境進(jìn)行全面深入的評(píng)價(jià),并針對(duì)不同類型、不同規(guī)模、不同區(qū)域、不同地質(zhì)條件、不同開采方式等情況進(jìn)行分析。

表1 礦區(qū)地下水環(huán)境安全指標(biāo)體系

表1中,“+”為正向指標(biāo),該值越大,影響效果越積極;“-”為負(fù)向指標(biāo),該值越大,影響效果越消極。地下水環(huán)境的條件指數(shù)、質(zhì)量指數(shù)和承載力指數(shù)共同構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。地下水條件指數(shù)由降水、地下徑流深度和干旱度3個(gè)指標(biāo)來體現(xiàn)。降水量是影響淺層地下水安全的重要因素。地下徑流深越大,對(duì)整個(gè)礦區(qū)地下水資源的再生能力越強(qiáng),環(huán)境越安全。干旱指數(shù)越大,表明干旱程度就越嚴(yán)重,對(duì)淺層地下水環(huán)境的安全也就越不利。地下水質(zhì)量指數(shù)即上文所提4種常見的污染較為嚴(yán)重的因子。在地下水承載能力的評(píng)價(jià)方面,選取兩個(gè)指標(biāo),即年累積水位變化值和污染半徑比。采煤過程中造成地下水結(jié)構(gòu)被破壞,形成冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶,使原本以橫向徑流為主導(dǎo)的淺水層變成沿著導(dǎo)水?dāng)嗔训拇怪睗B流,并最終轉(zhuǎn)變成礦井水而被棄用。同時(shí),煤炭的開發(fā)也改變了原有地下水的補(bǔ)給、產(chǎn)排等條件,使地下水的流場(chǎng)和埋深都發(fā)生了變化。污徑比越大,地下水資源的破壞程度就越大,地下水承載力指數(shù)值相應(yīng)就越小,對(duì)地下水環(huán)境安全越不利。

本試驗(yàn)采用層次分析法與熵值法相結(jié)合的方法,來確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。這兩種賦權(quán)法在理論上、側(cè)重上都有差異。層次分析法將被考察目標(biāo)視為一個(gè)整體,使各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性更強(qiáng),但在權(quán)重的選取上具有很大的主觀性。熵值法是一種客觀賦權(quán)法,得出的權(quán)重值比較單一,不能凸顯超標(biāo)嚴(yán)重的評(píng)價(jià)因子對(duì)總體的影響。因此,兩者結(jié)合能夠互相取長(zhǎng)補(bǔ)短,實(shí)現(xiàn)更加合理的賦權(quán)。具體公式如下:

(1)

地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)公式如下:

(2)

式中:S為地下水環(huán)境安全總評(píng)分;si為每項(xiàng)指標(biāo)的安全分?jǐn)?shù);ωi為每項(xiàng)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

由此,得到本次試驗(yàn)根據(jù)煤礦開采對(duì)地下水環(huán)境的影響機(jī)制所構(gòu)建的地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型。

2 地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型實(shí)證分析及防治措施

為了更好驗(yàn)證安全評(píng)價(jià)模型的性能,以某地礦區(qū)為例,對(duì)其進(jìn)行地下水安全環(huán)境評(píng)價(jià)。選擇某礦區(qū)8口觀測(cè)井進(jìn)行仿真試驗(yàn),在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用層次分析法和熵值法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)值確定,最后得到煤層地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)各評(píng)價(jià)指數(shù)的權(quán)重最終值。在進(jìn)行煤層地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)時(shí),采用層次分析法和熵值法的權(quán)重計(jì)算結(jié)果與一致性檢驗(yàn)相符。該礦區(qū)的地下水環(huán)境安全指標(biāo)權(quán)重值見表2。

表2 某礦區(qū)地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,得出地下水的條件指數(shù)、質(zhì)量指數(shù)和承載力指數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì),見圖3。

圖3 地下水條件指數(shù)、質(zhì)量指數(shù)和承載力指數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

由圖3(a)可知,地下水條件指數(shù)介于1.49～2.39,且隨時(shí)間的變化上下波動(dòng),但總體呈上升趨勢(shì)。2015-2016年,降雨強(qiáng)度、地下徑流深度、旱情等指標(biāo)均有顯著提高,所以條件指數(shù)有較大提升。該指標(biāo)在2016-2017年有一定的降低,但在2016-2020年期間繼續(xù)升高,并在2016年達(dá)到峰值。因?yàn)?021年的降水量和干旱指數(shù)都比較小,且隨著2022年地下徑流深和干旱指數(shù)的增加,2020-2022年的條件指數(shù)值呈現(xiàn)出先降低后攀升的趨勢(shì)。

由圖3(b)可知,2015-2022年,地下水承載力指數(shù)整體變化為下降、上升、再下降3階段,變化幅度較小,介于1.93～2.39。第一階段為2015-2017年,隨著地下水位的降低,承載力指數(shù)呈現(xiàn)出較大的降低,并在2017年達(dá)到低谷值1.95。第二階段為2017-2019年,隨著污徑比的降低,承載力指數(shù)大幅攀升,并于2019年達(dá)到峰值2.34。第三階段為2019-2022年,受地下水和污染直徑的影響,承載力指數(shù)逐漸降低。

由圖3(c)可知,2015-2022年地下水質(zhì)量指數(shù)在2.49～3.59之間波動(dòng)。2016-2017年,由于耗氧量和氟化物濃度降低,質(zhì)量指數(shù)降幅最大,并在2018降至2.53的低谷值。在2018-2021年期間,質(zhì)量指數(shù)持續(xù)升高,并在2021年達(dá)到3.21的峰值。2015-2022年期間,質(zhì)量指數(shù)整體呈下降趨勢(shì),表明該礦區(qū)水質(zhì)呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)。

從上述3種指數(shù)的評(píng)估來看,條件指數(shù)比較穩(wěn)定,整體上處于中等水平;礦區(qū)整體水質(zhì)偏好,因此質(zhì)量指數(shù)最大;由于污徑比以及地下水的不穩(wěn)定因素影響,承載力指數(shù)總體上最小,并具有較大的波動(dòng)幅度。

對(duì)該地區(qū)的地下水環(huán)境進(jìn)行安全評(píng)價(jià),按照2.2一節(jié)所用方法,對(duì)該礦區(qū)2015-2022年的地下水安全值進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見圖4。由圖4可知,2016-2017年的環(huán)境安全值明顯降低,并在2018年達(dá)到最低值2.43,地下水環(huán)境屬于不安全狀況。從地下條件、質(zhì)量和承載能力等指數(shù)來看,2019年度地下水環(huán)境處于基本安全。2020年以來,我國地下水條件、承載能力等指數(shù)再次下降,環(huán)境安全值再次降至2.45,水環(huán)境安全從“基本安全”上升至“不安全”。2021年環(huán)境安全值為2.69,2022年為2.57,地下水環(huán)境基本安全。

圖4 地下水環(huán)境安全變化趨勢(shì)

因此,需要綜合考慮各方因素,提出相關(guān)防治措施,提高地下水環(huán)境安全。首先,要構(gòu)建完善的水資源管理體系,明確各部門的責(zé)任和權(quán)力;在礦山建設(shè)過程中,要指定專門人員,對(duì)礦山建設(shè)過程中的地下水資源進(jìn)行管理,使經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益得到最大限度的發(fā)揮。其次,在開采過程中,要保證礦井水位保持在一個(gè)合理水平上,同時(shí)要保證含水層的穩(wěn)定性,防止淺層地下水大量流失。另外,相關(guān)部門還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水質(zhì)與水量監(jiān)測(cè)體系的建設(shè),加強(qiáng)保護(hù)水質(zhì)與水量的宣傳與教育。

3 結(jié) 論

本文以地質(zhì)和環(huán)境科學(xué)為基礎(chǔ),分析了煤礦開采對(duì)地下水環(huán)境的影響機(jī)制,并在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了地下水環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型。為了驗(yàn)證安全評(píng)價(jià)模型的性能,試驗(yàn)對(duì)某地礦區(qū)地下水的環(huán)境安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示,該礦區(qū)地下水條件指數(shù)為1.49～2.39,總體呈上升趨勢(shì);地下水質(zhì)量指數(shù)為2.49～3.59,整體呈下降趨勢(shì),該礦區(qū)水質(zhì)呈惡化趨勢(shì);該礦區(qū)地下水承載力指數(shù)為1.93～2.39,整體呈小幅度下降趨勢(shì)。地區(qū)地下水環(huán)境的安全評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,近10年的地下水環(huán)境多數(shù)時(shí)間處于基本安全狀態(tài)。