大型露天礦閉坑后地下水資源調整預測研究

鄧 焱，郝 喆，許春東，吳超君

(1.遼寧大學 環境學院，遼寧 沈陽 110036；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110013)

近年來，不斷有大型露天礦坑因資源枯竭而閉坑，礦坑水在閉坑后的運移規律和水資源的合理優化技術越來越引起人們的重視[1，2]。撫順西露天礦作為曾經的亞洲第一大露天煤礦，從1914年開采至今已超過百年歷史。以往針對西露天礦水環境問題，曾開展過大量的研究工作：楊天鴻等人通過調查分析，總結了撫順西露天礦北幫巖體滲透性和水壓動態規律[3]。佟鴻儒等人通過調查，對撫順西露天礦礦坑水現狀進行了分析[4]。殷丹等人通過調查，分析了撫順西露天礦坑水質情況及水綜合利用的意義。高波等人通過對含水層分布調查，給出了提升礦井疏干水綜合利用率方案[5]。

2019年6月，西露天礦正式啟動退煤閉坑程序，但礦坑水仍一直持續排放，引起了一系列的生態環境及地下水環境問題。閉坑后西露天礦的水環境將面臨新的調整，大范圍停排水將導致礦坑水位將上升，造成嚴重的邊坡穩定、地下水資源浪費和地表水污染等問題，同時由于礦坑的西部北部地勢低于東部南部，還會使西部北部居民區水位線升高，增大城市排水壓力[6]。因此，對閉坑后礦坑地下水運移進行模擬尋找規律，合理開發利用礦坑水，進一步進行水資源優化具有重要的現實意義。

1 區域概況及參數確定

1.1 區域概況

撫順地區歷年平均降水量為770～810mm，年平均蒸發量為1100～1200mm，下墊面條件及其他氣象因素對蒸發量地區分布變化的影響明顯。根據統計數據，市區的生態環境用水總量大約0.3億m3/a，工業用水量1.7億m3/a，城鎮公共用水量0.3億m3/a。渾河河道干流總長415km，流域面積11481km2，是流經撫順市最大的河流。古城子河長18.8km季節性河流，河床寬度約50m，河道與露天坑西幫最近處為150m。本區自上而下包括松散巖類孔隙水含水層、碎屑巖類孔隙裂隙水含水層、基巖構造裂隙水含水層三個含水層組，各含水層組之間存在一定的水力聯系[7，8]。

西露天礦位于撫順市區西南部、渾河南岸，現狀礦坑面積10.78593km2，東西最長約5.8km，南北最寬處約2.2km。向坑內匯集水的來源有：大氣降雨、渾河補給源、古城子河床潛水等，匯水量可能達2000萬m3/a。東露天礦位于撫順煤田東部，礦區面積9.2078km2，東西長約6km，南北長約1.9km。

1.2 模型參數的確定

依據鉆孔試驗、抽水試驗、滲水試驗和彌散試驗以及對河流流量的分析結果，匯總后再與經驗值相結合對模擬區域進行分區，確定地表下巖土分層標準，滲透系數，定水頭邊界參數，河流參數等相關參數。對近年雨水補給量和蒸發量進行匯總求平均值，確定雨水補給量和蒸發量參數[9-12]。

1.2.1 水力傳導系數和存貯系數

根據撫順地質演化分析和鉆孔數據滲透系數分析，建立六個不同沉積環境的成因地層單位。利用抽水試驗資料，結合沉積環境和構造條件綜合分析，根據區域地質資料和水文資料，按沉積巖的特征和經驗對每一層不同分區的水力傳導系數和存貯系數的經驗值。水文地質參數見表1[13]。

表1 水文地質參數

1.2.2 補給與蒸發

撫順露天礦坑周圍區域垂向補給主要有降雨入滲補給和田間灌溉入滲補給等。根據歷年降雨量取平均值670mm/a。再將垂直方向的補給量同期疊加，確定垂直補給量為690mm/a。蒸發量居民區和地勢平緩區域蒸發量1100mm/a，山地和礦坑區年蒸發量400～800mm/a。蒸發深度0.5～10m。

2 模擬結果分析

2.1 模型建立

利用Visual modflow[14]建立模擬區三維結構。模型范圍14743m×5208m×800m，設置50×100的柵格，基本單元是147.43m×104.16m。邊界處添加行列以便定水頭的添加。在1.7～2.5km加密行至基本行距三倍以便計算。上部的第四系水泉段沉積物為潛水含水層，根據水文孔資料和地表水位觀測資料，確定邊界部分的水頭參數；第二層以下為承壓水，其滲透性能好，形成了各含水層水力聯系和通道，綜合分析確定各層的邊界條件。渾河流域最北點的緯線作為模型北部邊界；西露天礦最南點所在的緯線位置作為模型南部邊界；古城子河和渾河交匯處的經線位置作為模型西部邊界；東露天礦最東點所在經線位置作為模型東部邊界；以-600m作為模型底部邊界；地表作為模型頂部邊界。

2.2 地下水位預測與徑流分析

輸入各區域補給強度，蒸發強度，滲透系數，水頭邊界相關參數，河流系數，抽水井參數等數值后，分別模擬在停止排水1000d、2000d、3000d、4000d、5000d、8000d、10000d時水位標高，結果如圖1所示，可以看出水位在停止排水8000d后基本保持不變。模擬10000d地下水在停止排水并達到動態平衡時的地下水水位預測如圖2所示，水位達到60m的水平。同時由于東露天礦沒有停止排水，使西露天礦東部的水位線降低，在西露天礦坑周圍區域形成一個西高東低的水位線分布。西露天南面地勢高，北面地勢低，使地表水呈現由南向北流的趨勢，河流由排泄源變為補給源。同時，在停止排水后可以看出西露天礦西北角的排土場區域水位高于周圍水位。

圖1 隨時間變化西露天礦坑內水位標高

圖2 停止排水10000天地下水水位預測

2.3 區域水均衡分析

將撫順西露天礦坑部分設為均衡區2(Zone2)，第一、二層非礦坑區部分為均衡區3(Zone3)，其他部分為均衡區1(Zone1)，如圖3所示。利用校正好的模型，對區域水均衡進行計算，沿Y=1200做垂直切面圖，結果如圖4所示。

從均衡圖中可以看出，從表層經降雨入滲進入礦坑的水為16521m3/d，通過地表蒸發的為14999m3/d，從地下水中進入礦坑(Zone1 to Zone2)的水為(37192-8847)=28345m3/d，從潛水進入礦坑(Zone3 to Zone2)的水為(30435-3534)=26901m3/d，經礦坑排出(wells out)的水為56768m3/d。同時，Zone2沒有河流經過，未設置水頭邊界和其他排水系統。

從均衡結果看，與實際較一致。在正常排水情況下，停止排水后垂直補給量和蒸發量變化不大，西露天礦坑排出水量為56768m3/d，盡管停止排水后Zone1流向Zone2的水會有所減少，但大部分的水量仍需從Zone2流向Zone1和Zone3以達到水均衡，Zone1和Zone3受滲透系數和區域大小的等因素的制約不能承載大量的水，因此極大可能會在礦坑地表形成積水。完全停止排水后，現有水均衡發生改變，在不考慮水土流失和生物因素的條件下，經過約三十年礦坑水位可達到60m。給坑邊的居民區和工廠甚至東露天礦造成極大損失，損失后果將大于排水所需費用，因此完全停止排水不可行。

3 水資源優化模型分析

取2016—2018年礦坑排水量平均值24482927m3/a，考慮當地千金油廠和造紙廠的硬性需水以及消火除塵和供水過程的水資源消耗，最終水資源量優化總量取為1700萬m3/a，分別用于工業、城鎮和生態[15]。

3.1 模型目標的確定

1)目標1：供水凈效益最大。

式中，xij為水泵i向j用戶的供水量，萬m3；bij為水泵i向j用戶的供水量效益系數，元/m3；cij分別為水泵i向j用戶供水量的費用系數，元/m3；ai為公共水源i供水次序系數(根據各種水源的性能不同，先后順序的差別，可看作一種權重系數)。

圖4 撫順西露天礦(Zone2)水均衡

2)目標2：供水系統總缺水量最小。

式中，Dj為j用戶需水量，萬m3。

鑒于社會效益目標更不易度量，而缺水量的大小或缺水程度影響到社會發展與安定，因此，以總缺水量最小作為社會效益目標的間接度量。

3.2 模型約束條件的確定

1)水源可供水量約束。

式中，xij為水泵i向j用戶的供水量；Wi為水泵i總水量，取2500萬m3。

2)用戶需水能力限制。

式中，Djmin、Djmax為j用戶的最小、最大需水量。

將各組分配水量上下限進行簡單范圍約束，以保證分配合理，同時進行非負約束。

3.3 計算結果分析

使用MATLAB建立優化模型[16]。代入數據，計算得出城鎮用水分配600萬m3/a，工業用水分配400萬m3/a，生態用水分配700萬m3/a時，經濟效益和社會效益兩個目標所得結果整體較好。

4 結 論

1)停止排水后，受地表滲流，河流滲流和蒸發強度影響，水將向西露天礦區匯聚，同時蒸發強度較高使礦坑水位低于周圍水位，形成一個礦坑水域，待穩定后最終水位達到60m左右。

2)停止排水后，受東露天抽水井影響西露天礦東部的水位線降低，在西露天礦坑周圍區域形成一個西高東低的水位線分布。受礦坑南北地勢影響，地下水從南向北流動，河流由排泄源變為補給源。排土場水位高于周圍地區。

3)從水均衡模擬結果可以看出，停止排水后，Zone1流向Zone2的水會有所減少，但大部分的水量扔需從Zone2流向Zone1和Zone3以達到水均衡，Zone1和Zone3受滲透系數和區域大小的等因素的制約不能承載大量的水流量，因此會在礦坑地表形成積水，給坑邊的居民區和工廠甚至東露天礦造成極大損失，損失后果將大于排水所需費用，因此完全停止排水不可行。

4)從水資源優化模型計算結果可以看出，城鎮用水分配600萬m3/a，工業用水分配400萬m3/a，生態用水分配700萬m3/a，可以西露天礦的下一步綜合治理和整合利用提供依據，也可供相似閉坑露天礦水環境分析和優化配置提供參考。經濟效益和社會效益兩個目標所得結果整體較好。