礦區地下水資源賦存特征與形成機理研究

黃登鵬

（甘肅省地質礦產勘查開發局第三地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050）

地下水系統是生態系統的重要組成部分，也是水循環中不可或缺的一環，其具有分布廣泛、水質優良、儲量豐富和開采便利等優點，既可以為人類的生產生活用水提供保障，也在保證經濟和礦區資源持續發展、最大化到生態平衡的維持中擁有不可替代的作用。我國水資源南北分布不均，而導致有些礦區的水文地質條件較為困難[1]。本文從甘肅地區礦區地下水為切入點，探討地下水的水化學特征、賦存特征及形成機理，并通過定性和定量分析研究區地下水所經歷的主要水文地球化學過程，討論外部環境對地下水化學的影響，研究徑流過程中地下水的演化機理，并探討礦區含水層的時空演化。研究結果有助于理解和分析各個礦區地下水的化學特征和分布規律，確定地下水水質的形成過程和特征，以及如何保護和處理礦區工業造成的地下水環境污染問題，在目前技術手段允許的條件下讓地下水資源開發利用效益最大化[2]。

1 礦區地下水主要賦存特征

甘肅地區礦區主要分布于河西走廊祁連山下離瓜州縣比較近，故礦區內的新生代松散層覆蓋了礦區表面，一般設置+20m～+50m為平原的地面標高。季節性河流是礦區內的常見河流，成因是其受到大氣降水控制。該區地下水的主要組成部分為二疊系砂巖裂隙、太原組灰巖及底部奧陶系灰巖三個含水層。上部強含水層以砂礫卵石為主，其有著結構松散，不含泥質，分選性差，磨圓度好等特性，粒徑3cm～8cm，最大可達17cm；中部主隔層厚度一般為5m～8m，最大15m，中部主隔層有著比較穩定的層位，主要由淤泥質粉質粘土和淤泥質粉土構成；位于主隔層以下的下部中等含水層由于厚度相差懸殊，透水性不甚相同，其分布較為穩定，有些地段為多個砂層直接迭置，組成較厚的含水段[3]。

地下水主要賦存特征如下：

1.1 地下水分布特點

受大氣降水的影響，第一含水層厚度變化在12m～29m以內。含水層巖性為粘土質砂、粉砂和細砂，水化學類型為HCO3—Na·Mg型，富水性中等偏強。第二含水層富水性依然是中等偏強，其由淺黃色粉砂、細砂和粘土質砂組成。第三含水層，厚度在17.6m～80m變化之間，富水性中等。第四含水層簡稱四含（又稱底含），礦區內厚度變化區間大（0m～59.1m）[4]。第四含水層由于受第三隔水層阻隔，其與上部含水層（組）沒有進行液壓連接，并且由于風化帶的影響，它與砂巖水和石灰石水有一定的液壓連接。因此，在淺層礦產的開采過程中，遇水突破會受到威脅，從而影響礦產資源開采的安全性。

1.2 地下水的埋深

礦區區內地下水的埋深在空間上有著較為明顯的變異性特點。研究區的地下水埋藏深度通常在30m以內，某些區域的埋藏深度可能超過30m。但是，在研究區域內，地下水深度相對較大，而在大多數區域，地下水深度通常較淺。研究區域地下水位的上升主要取決于地形。研究區域的中部和北部有兩個不同的分水嶺，基巖表面的高度較低，形成一個大的管狀基巖表面，低地地區向北延伸[5]。礦區內地下水的埋深松散層厚度在39.8m～403.75m之間變化，其變化趨勢與基巖面標高基本一致，松散層南厚北薄、東厚西薄。

1.3 地下水的化學組成

對礦區水樣相關水化學參數進行統計分析，其各含水層化學類型統計結果如表1所示。

表1 各含水層化學類型統計結果

如表1所示，一般情況下，地下水中所含的主要離子的變化規律，一般為隨著總礦化度的變化而變化，低礦化度水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+為主三個含水層的相應水化學參數變化趨勢基本相同，寒武系灰巖水中這些離子的含量變化較小，同時也說明寒武系灰巖水的鹽化作用相對微弱。高礦化水以Cl-及Na+為主；礦化水陰離子常以SO42-為主，陽離子既可以是Na+，也可以是Ca2+。從表1中可以看出，該礦區地下水中所含陰離子以HCO3-為主，陽離子主要包含Ca2+、Mg2+；而礦井水的陰離子主要為HCO3-，陽離子以K+、Na+為主，因此礦化度較高。由此可以看出，強酸根略小于弱酸根，此結果可以說明該區域礦區地下水在自然環境影響下會產生一定的濃縮現象。

1.4 地下水動態平衡及補、徑、排

由于不同含水層巖性不同，其滲透性、含水性差異也很大。其擁有各自的補給、徑流、排泄特征也由區域含水層的空間分布、沉積特征等決定。礦區內地表水流域邊界與地下水系統邊界在地形地貌控制的影響下基本一致，由于地形處于不同的水平，因此在流動過程中，頂線在平坦的邊坡出較小、水力梯度較小、流動相對較慢。相比之下，在地形復雜且地形陡峭的河溝壑區，含水層的完整性受到可追溯侵蝕的干擾，這構成了局部最低基線排水水平。因此地下水流相對湍流，受流域水系，地形和水循環條件的影響，從補給區到流域，不同地區淺層地下水的化學性質和類型表現出明顯的區域演化特征，反映出從淋溶到過濾的主要水化學作用。

2 礦區地下水主要形成機理

為探究礦區地下水主要形成機理，從滲流場、地下水流態、邊界條件、補給源、空間分布及地貌等條件來分析實測水文地質模型。礦區地下水儲存在離層空間中。礦區地質形成離層空間的一個主要因素是煤層上覆基巖中存在一定厚度的隔水巖層，該隔水層起到至關重要的作用。產生離層儲水空間最關鍵的是安定組底部的砂質泥巖，且該砂質泥巖位于導水裂縫帶的頂部。正是由于煤層特殊的頂板覆巖巖性及其組合關系，導致了礦區地下可以形成離層水，且離層水的形成機理和涌水機理基本相同，只是形成位置存在一定的差異，如圖1所示。

圖1 地下水形成機理及過程

隨著工作面的回采，由于失去了支撐，泥巖的隔水層會因發生變形而彎曲下沉。但因為泥巖抗張強度較大，位于其上的砂巖含水層僅略微下沉，會在砂巖和泥巖間形成一個單獨的儲水空間，并且屋頂含水層中儲存的水會在該空間中滲出并收集。伴隨圍墻的發育，在采礦作業中，在頂板泥巖的重量，巖石的壓力和儲層的破裂共同作用下，水屏障將不斷變形和沉陷，直到位移達到極限為止。由于結構變化，泥巖將被破壞，然后發生分離。這種現象的事實在于，層狀空間中的水體先是立即突出，再減少；并受到分離儲水空間中水體的減少，泥巖阻水層的破裂空間隨著阻水層的擴展而逐漸減小。隨著礦產資源的進一步開采，分離層的位置將向前移動，然后分離層的儲層將再次關閉，泥巖破裂位置前移會導致周期性突水，產生的水累積存儲在離層空間進而形成地下水。

3 結束語

本文對礦區地下水資源賦存特征與形成機理進行研究，探究了不同地質條件下礦區地下水的特點，以及地下水的形成過程，對當前的地下水研究有著一定的參考意義。希望能對地下水以及工礦作業提供一定的參考。