群礦采煤條件下水資源與水環(huán)境的變化與預(yù)測

胡君春

(云南省煤炭地質(zhì)勘查院，云南 昆明 650218)

中國屬煤炭生產(chǎn)大國，以礦井開采為主，約占煤炭總產(chǎn)量的94%。大型煤礦區(qū)多數(shù)分布于華北和東北大部分地區(qū)，屬干旱、半干旱氣候條件，為水資源嚴重缺乏區(qū)[1]。當前，煤炭工業(yè)總體發(fā)展戰(zhàn)略逐漸向西部轉(zhuǎn)移，西部煤礦區(qū)水資源短缺問題將更為突出[2]。礦井涌水一方面可能誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)；另一方面，在煤礦區(qū)水資源短缺的同時，煤炭生產(chǎn)過程中卻要外排大量的礦井水，這樣不僅會對周邊環(huán)境造成污染，更是對水資源的巨大浪費[2]。為確保煤礦井下安全生產(chǎn)排放大量礦井涌水,造成水資源匱乏和污染，加劇了礦區(qū)水資源的供需矛盾，屬煤炭生產(chǎn)活動直接造成的六大公害之一[3]。煤礦床是一種沉積礦床、礦產(chǎn)儲量、開采規(guī)模、開采強度及產(chǎn)量均居中國各種礦床首位[4]。又因地下水是地質(zhì)環(huán)境問題中最為敏感和極其復(fù)雜的水環(huán)境因子[5]。因此，煤炭資源開采對礦區(qū)造成不同程度的水資源和水環(huán)境破壞，尤其是群礦采煤對區(qū)域性水循環(huán)的天然規(guī)律的干預(yù)與破壞，加之氣候變化，使區(qū)域性水資源和水環(huán)境破壞更為突出，這一問題亟待研究和解決。

以坪上井田(共5個煤礦區(qū)，約200 km2，絕大部分面積含可采煤層)為中心，結(jié)合熊洞煤礦、興隆煤礦、桶山煤礦、石門坎煤礦、銅廠河煤和安家壩煤礦(圖1)，即群礦采煤活動對地表水資源和地下水資源及地表水環(huán)境和地下水環(huán)境的影響和預(yù)測，為區(qū)域性水資源開發(fā)和水環(huán)境保護提供微觀和宏觀戰(zhàn)略思路。

圖1 煤礦礦界位置圖

據(jù)鎮(zhèn)雄縣氣象局資料：多年平均降雨量914.6 mm，年最大降雨量1 427.7 mm(1983年)，年最小降雨量578.7 mm(2009年)，月最大降雨量355.0 mm(1998年7月)，一日最大降雨量178.3 mm(2008年7月1日)。近10年降雨總量8 724.1 mm，平均降雨量872.41 mm；2010年3月中旬和8月中旬降雨量分別為1.30 mm、130.60 mm(圖2、圖3)。5-10月為雨季，降雨量占全年降雨量的83%，最少為12月至次年1-2月，占全年的6%。旱、雨季分明，降水豐沛，為高原亞熱帶山地季風氣候。

圖2 鎮(zhèn)雄縣近10年降雨量與降水頻率關(guān)系圖

圖3 2010年3月至10月降水量及其頻率

1 地表水資源和地下水資源

1.1 地表水資源

區(qū)內(nèi)由北往南分布牛場河、坪上河、野角溝和大倮溝四條(表1)主要河流及其支流水系，屬山區(qū)型河流。河流多呈“U”和“V”字型，彎曲度大，水力坡度大。地形切割深，最高點位于蒿枝壩梁子，標高2 225.3 m；最低點位于坪上河，標高1 231.2 m，相對高差994.1 m，為中山山地地貌，屬中等切割區(qū)。

表1 主要河流特征表

河流流速快，流量受季節(jié)控制，動態(tài)變化快(圖4)，水資源豐沛。其它地表水資源在沖溝、山谷、峽谷和隘口處以泉點排泄(圖5)而形成，雨季向溪溝匯流，流量直接受大氣降水控制，豐、枯水期較明顯。地表水補給、徑流和排泄呈現(xiàn)季節(jié)性變化，變化更新速度快，地表水資源豐富。

圖4 2010年河流量流量與降水量關(guān)系圖

圖5 2013年各長觀點流量折線圖

1.2 地下水資源

1.2.1 地下水系統(tǒng)

地下水系統(tǒng)可劃分為三大類，松散層類孔隙水系統(tǒng)、基巖裂隙水系統(tǒng)和巖溶裂隙水系統(tǒng)(表2，圖6)。

表2 含、隔水系統(tǒng)劃分與水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

圖6 水文地質(zhì)剖面圖

1.2.2 地下水資源

地下水資源主要分布于碳酸鹽巖裂隙溶洞和碎屑巖裂隙中。碳酸鹽巖含水層地下水埋藏深，富水性強，水量大；碎屑巖裂隙含水層富水性弱，水量小。地下水受季節(jié)性控制強。地形起伏大，地勢險峻，總體上地下水運移速度快，補給量大，排泄迅速，地下水資源較豐富，豐水期與枯水期地下水資源量差異大。

2 地表水環(huán)境和地下水環(huán)境

研究區(qū)位于云南省滇東北，與貴州省接壤，交通較不便利，經(jīng)濟相對落后，為欠開發(fā)地區(qū)，無重大工業(yè)和較大城市，地形起伏大，切割深，地勢險峻，植被覆蓋良好，土地資源匱乏，地表水環(huán)境和地下水環(huán)境當前為良好。

2.1 地表水環(huán)境

坪上河、牛場河及野角溝、窩凼溝中采取分析(表3)，pH為7.60～8.40，礦化度0.087～0.56 g/L，總硬度55.02～550.00 mg/L，多屬軟水及微硬水，氟化物<0.15 mg/L，砷<0.01 mg/L，除檢測出細菌總數(shù)及總大腸菌群超標，其它指標均符合飲用水標準。

表3 地表水水質(zhì)表

煤層硫含量偏高，礦坑水中SO4-含量較高，水質(zhì)類型為HCO3-Ca·K·Na型和HCO3·SO4-Ca·K·Na，pH值3.7～7.5，總硬度113.88～1 207.46 mg/L，耗氧量1.24～24.24 ml/g。采煤過程中含水層被破壞和擾動，不同含水層中不同水質(zhì)類型的地下水發(fā)生離子交換，經(jīng)淋濾、氧化作用，易分解形成Fe2O3、SO2、SO3，形成鐵銹，酸性水，有強烈腐蝕性，對地表水體造成輕度污染。

2.2 地下水環(huán)境

不同含水層在淺部風化裂隙發(fā)育，含裂隙潛水(砂巖及玄武巖區(qū))和溶蝕裂隙潛水(灰?guī)r區(qū))，地下水水質(zhì)類型多為HCO3-Ca·Mg型。受地形地貌和斷層的控制，風化裂隙帶導(dǎo)水裂隙發(fā)育深度有限，深部節(jié)理裂隙較淺部少，地下水逐漸過渡為承壓水，含水性和富水性均弱，地下水交替循環(huán)緩慢，鈣、鎂離子在一定環(huán)境下沉淀析出，溶解鉀、鈉離子后，礦化度變高，水質(zhì)類型變?yōu)镾O4-K·Na型(表4)。

表4 地下水水質(zhì)表

3 群礦采煤條件下對水資源和水環(huán)境的影響和預(yù)測

3.1 群礦采煤活動下水文循環(huán)特征

采礦強烈的排水，改變了礦區(qū)地下水的補、徑、排條件[6]。熊硐煤礦、興隆煤礦、石門砍煤礦、銅廠河煤礦、安家壩煤礦和桶山煤礦同時開采初期，地下水平均水位標高1759.70m，隨著六個煤礦開采深度逐漸加深，開采面積逐漸擴大，達到各煤礦開采設(shè)計標高時，地下水平均水位降深為168.27 m(表5)，形成六個以煤礦井為地下水漏斗中心的地下水降落漏斗群。表現(xiàn)以煤礦井為中心的源匯中心，每個煤礦區(qū)形成相對獨立的地下水補給、排泄和徑流系統(tǒng)，為相對獨立的地下水含水系統(tǒng)和地下水流動系統(tǒng)，打破區(qū)域天然水文循環(huán)系統(tǒng)。

當十個煤礦同時開采至各煤礦開采設(shè)計標高時，地下水位平均水位降深為280.70m(表5和圖7)。此時形成十個不同規(guī)模不同水位標高的地下水位降落漏斗群，十個相對獨立的地下水含水系統(tǒng)和地下水流動系統(tǒng)，十個相對獨立的補給、徑流和排泄關(guān)系。與區(qū)域上天然條件下水文循環(huán)相比，最大特征就是無相對統(tǒng)一的補給、徑流和排泄的地下水流動系統(tǒng)和地下水含水系統(tǒng)，水文循環(huán)系統(tǒng)受控于群礦采煤的速度、強度、采深和面積等因子，并且隨群礦采煤的速度逐漸加大、采煤強度逐漸增大、采煤逐漸加深、開采煤層數(shù)增加、開采面積逐漸擴大而發(fā)生劇烈變化。

圖7 開采前后排水量與水位關(guān)系圖

表5 煤礦水文要素特征表

3.2 群礦采煤條件下水資源動態(tài)變化

熊硐煤礦、興隆煤礦、石門砍煤礦、銅廠河煤礦、安家壩煤礦和桶山煤礦同時開采初期(表4和圖6)，六個煤礦一般每天排地下水共3.05×103m3，每年排地下水共1.11×106m3；豐水期每天排地下水共3.42×103m3，每年排地下水共1.25×106m3。

十個煤礦同時開采至各煤礦設(shè)計開采標高，十個煤礦一般每天排地下水共6.23×104m3，每年排地下水共2.27×107m3；豐水期每天排地下水共1.01×105m3，每年排地下水共3.67×107m3。

各煤礦開采標高、煤層開采層數(shù)、開采速度、排水量、開采強度和開采面積的不同。不同時期群礦采煤活動下抽排地下水量不同，致使200 km2呈現(xiàn)11個以礦井為中心的排泄點，天然的地下水徑流系統(tǒng)和排泄系統(tǒng)被首強烈影響。隨群礦采煤活動的進行而變化，抽排地下水量隨開采深度的加深、開采強度的加大、開采面積的擴大而加大，區(qū)域地下水資源總量也隨之變化，甚至在逐年減少，并受控于群礦采煤活動的劇烈程度。抽排地下水最終排于地表匯入河流流出礦區(qū)，對地表水資源總量影響巨大。

因此，群礦采煤活動下對區(qū)域水資源影響劇烈，影響和破壞程度隨群礦采煤活動的劇烈程度相當，并隨之改變而改變。

3.3 群礦采煤條件下水環(huán)境動態(tài)變化

影響水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵在于水質(zhì)和水量的變化。水文循環(huán)過程中，不同含水層中的不同水質(zhì)水體之間的循環(huán)和交替(表6)，影響和制約水環(huán)境質(zhì)量。研究區(qū)主要水體為降水、河流、老窯水、煤層賦存的地下水體和其它地層賦存的地下水體。群礦采煤活動中，由于集中長期在不同地層、不同規(guī)模同時排出大量煤層賦存的地下水體，而煤層賦存地下水體水質(zhì)較差，參與水文循環(huán)過程中與其它水體循環(huán)和交替，影響整個水文循環(huán)系統(tǒng)的同時，地表水環(huán)境質(zhì)量和地下水環(huán)境質(zhì)量也隨著改變，改變的強弱和程度受群礦采煤活動控制，是一個逐步惡化的過程。與群礦采煤活動的時間尺度和空間尺度有密切關(guān)系(表7)，時間尺度大和空間尺度大，則水環(huán)境質(zhì)量變化大，向水環(huán)境質(zhì)量逐漸惡化趨勢發(fā)展。

表6 煤礦井排水水質(zhì)表

表7 群礦采煤的時間尺度和空間尺度

匹茲堡礦區(qū)在開采后十幾年中，酸性水的強烈溶蝕作用已大大改變了礦區(qū)的水文地質(zhì)條件[7]。煤礦排水中硫酸根離子含量較高，煤層中的硫分被氧化后，以硫酸根的形式進入水體，對村民的生活用水及農(nóng)作物水源造成污染。

采煤疏排地下水，破壞了地下水系統(tǒng)，改變了地下水的徑流方向，造成地下含水層局部疏干，地下水位下降，形成以礦坑為中心的地下水降落漏斗，引起開采區(qū)域及降落漏斗影響范圍內(nèi)地表泉水、井等干涸，嚴重時甚至引起地表河、溪水等下滲回灌，加劇當?shù)厣a(chǎn)生活用水緊張。

4 結(jié)語

(1)十個煤礦開采至各煤礦設(shè)計開采標高時，十個煤礦一般每天排地下水為6.23×104m3，每年排地下水達2.27×107m3；豐水期每天排地下水為1.01×105m3，每年排地下水達3.67×107m3?？梢?，每年排泄地下水資源量巨大，應(yīng)加大煤礦排水科學(xué)利用研究。

(2)群礦采煤條件下，每天排泄大量地下水致使地下徑流發(fā)生突變，加速區(qū)域水文循環(huán)速度和縮短水循環(huán)周期。區(qū)域水文循環(huán)系統(tǒng)受控于群礦采煤的速度、強度、采深、采厚和面積等因子。隨群礦采煤的速度逐漸加大、采煤強度逐漸增大、采煤逐漸加深、開采煤層數(shù)增加、開采面積逐漸擴大而發(fā)生劇烈變化。水文循環(huán)過程中老窯水和煤系水不間斷參與水循環(huán)，致使水環(huán)境向惡化方向發(fā)展。

(3)群礦采煤條件下，以每個礦井為中心的地下水位有不同幅度降深，形成以各礦井為中心的11個地下水降落漏斗群，地下水的補給、徑流和排泄速度增快，最終形成一個巨型地下水降落漏斗。

(4)以往針對單個煤礦采煤對水資源或水環(huán)境研究較多[8-12]。應(yīng)加強群礦采煤活動對區(qū)域水資源和水環(huán)境系統(tǒng)研究[13]，亟待解決煤炭基地內(nèi)地表水資源、地下水資源、地表水環(huán)境、地下水環(huán)境之間的相互作用、相互影響、相互演化、相互轉(zhuǎn)化等復(fù)合問題，為水資源利用和保護、水環(huán)境治理和保護、水環(huán)境容量和承載力研究提供理論支持，實現(xiàn)煤資源、水資源兩種基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源的科學(xué)利用，水環(huán)境質(zhì)量呈良性循環(huán)，避免煤炭采竭后，呈現(xiàn)水資源危機、水環(huán)境修復(fù)難、土壤修復(fù)難等復(fù)合問題，促進煤炭基地生態(tài)文明建設(shè)。