鄂爾多斯北部地下水動態特征及其成因模式

許光泉 潘生強 李亞昊

摘 要：鄂爾多斯盆深部煤層開采導致地下水流場系統生變化，并誘發嚴重生態環境問題。以鄂爾多斯北部某礦為例，采用遙感與統計分析方法獲得地下水位動態變化與和地下水流場特征，并從沉積環境、地質構造及采動模擬分析了其控制因素，結果表明：白堊系地下水動態受大氣降水和蒸發影響大而煤層頂板疏放水影響小，但采后其發生變化顯著，反映了采動產生垂向裂隙帶不僅破壞含水層間的隔水層，且延伸至白堊系含水層內部，使得整個含水層系統地下水流由水平方向轉為垂向方向，表征了地下水流動系統演化過程，為深井地下水合理疏放與生態環境保護提供了參考依據。

關鍵詞：地下水動態;影響因素;成因模式;中生代盆地;鄂爾多斯北部

Abstract：Mining deep coal seam in Ordos basin induced the change of groundwater flow system， causing serious ecological environment problems. Taking some mine in the northern Ordos as an example， the controlled factors were analyzed from the sedimentary environment， geological structure and mining simulation when the variation of groundwater level and the characteristics of groundwater field were obtained with remote sensing and statistical analysis methods. The results showed the following facts. The Cretaceous groundwater dynamic was more affected by the precipitation and evaporation， but less affected by diswatering while water level changed significantly after mining. The mining produced vertical fissure zones， which damaged the aquiclude between aquifers， extending to the Cretaceous aquifer， and made groundwater flow from horizontal direction into a vertical one. These facts reveals the evolution process of groundwater flow system and provides an important reference for the reasonable diswatering and the ecological environment protection.

Key words：groundwater dynamics; influencing factors; forming model; mesozoic basin; northern Ordos

地下水資源是人類賴以生存的水資源，隨著社會經濟高速發展，對地下水資源的依賴程度越來越高[1]，尤其對于我國水資源匱乏的西部鄂爾多斯盆地尤為重要。從礦產資源開發長期地下水動態監測分析發現，人類采掘活動對地下水動態變化影響較大[2]，不僅減少地下水資源儲存量，同時也改變了地下水流系統，對礦山水害防治與生態環境保護至關重要[3]。20世紀40年代，貝塔朗菲提出系統論[4]，隨之被應用于水文地質研究領域。此后，提出越流理論，建立了多個含水層的地下水系統[5]。隨著地下水資源開發規模不斷擴大，出現了水資源緊缺和生態環境惡化等一系列問題[6]，需要開展以含水系統為對象的地下水水流系統研究[7]。20世紀60年代，匈牙利裔加拿大人托特提出了地下水流系統理論，后又提出了流域盆地多級次地下水流系統理論[8]，20世紀80年代，形成了盆地地下水流系統理論框架[9]。Freeze和Witherspoon利用數值解討論了非均質地下水流模式，分析了巖性、斷層、褶皺和各向異性等因素對地下水流系統影響，為地下水流系統理論實際應用奠定重要基礎[10]。

我國對地下水系統認識與研究，起源于20世紀80年代初[11]，認為含水系統是由隔水或相對隔水邊界圈定的、由含水層和相對隔水層組合而成的、內部具有統一水力聯系的賦存地下水的巖系，并進行實際應用[12]。隨后地下水流系統研究在我國如雨后春筍般的開展，地下水流系統多種環境因素（天然、人工）所制約，具有不同等級時空變化，具有各自的物理、化學和水動力特征，是一不斷運動演化（生長、消亡）地下水單元統一體[13]，通過對比發現盆地潛水含水層和承壓含水層地下流系統具有變異性[14]，并采用解析法分析了盆地地下水流系統形成影響因素[15]。我國中生代盆地地下水系統研究[16]，不僅依水化學組分特征劃分水流系統結構[17]，還利用深井鉆探、Packer井和水流數值模擬等進一步研究地下水流系統多層結構[18]，從而更好地指導地下水資源合理開發[19]。

本文以鄂爾多斯盆地北部礦區為例，從沉積環境、構造發育和地下水流場等角度，對比不同階段各含水層觀測孔水位及地下水流場變化，分析疏放、采動前后下的地下水動態變化特征，提出影響與變化成因模式，從而為礦山開采與生態環境保護研究提供新思路。

1 研究區概況

1.1 自然地理

研究區位于鄂爾多斯盆地北部，通過遙感解譯，地形起伏不大，為侵蝕性高原丘陵地貌，形態上為小型流域盆地（見圖1）。氣候為半干旱大陸型，最高氣溫36.6℃，最低氣溫-27.9℃;年降水量為194.7～531.6mm，多集中于7、8、9三個月內;年蒸發量為2 297.4～2 833mm，年蒸發量為年降水量的5～10倍;以西北風為主，風速一般2.2～5.2m/s，最大14m/s。大氣降水和地表水直接入滲補給第四系和白堊系淺部含水層，而對深部影響較小。由于礦區位于區域內地表分水嶺的“東勝梁”北側，且有一條河流通過，第四系廣泛分布，志丹群（K1zh）僅在西北面梁峁地區少量出露，區內植被分布稀少，為半荒漠地區。

區內白堊系和侏羅系含隔水層為向北西傾斜單斜構造，傾角平緩，地質構造相對簡單。大氣降水通過風積沙滲入地下，沿溝谷流出區外。區內地表水系不發育，井田西南處僅有一條季節性溝谷河流，枯水季節一般干涸無水，僅在豐雨季節，可形成短暫流水，由西北向東南流出區外。

在自然條件下，大氣降水和蒸發對地表水和松散潛水含水層產生影響。由于四周地勢高，中間地勢低洼，大氣降水也通過四周白堊系露頭區垂直入滲。白堊系志丹群地下水以側向徑流的方式補給第四系松散層（見圖1）。白堊系、第四系、大氣降水之間水力聯系密切。

1.2 含水層特征

受先期沉積環境影響，含、隔水層厚度在局部地段呈現不連續性，后期構造運動形成了寬緩褶皺，并伴有小斷層和裂隙發育，影響著含水層水力性質。

自上而下研究區含水層為：①第四系（Q）松散層潛水含水層：因大氣降水量較少，補給條件較差，潛水含水層與大氣降水及地表水體的水力聯系密切，可通過基巖風化帶與下伏白堊系潛水或承壓水含水層保持水力聯系。單位涌水量為0.016～1.120L/s·m，富水性弱～中等。②白堊系下統志丹群（K1zh）孔隙裂隙潛水～承壓水含水層：單位涌水量為0.029～0.047L/s·m，滲透系數為0.004 859～0.021 7m/d，一般為弱富水、低滲透特征。③侏羅系中統（J2）承壓水含水層：單位涌水量為0.013 43～0.025 71L/s·m，滲透系數為0.012 556～0.019 865m/d，為富水、低滲透。由于埋藏深，自然狀態下地下水徑流條件差。④侏羅系中下統延安組（J1-2y）承壓水含水層：單位涌水量為0.001 3～0.036L/s·m，滲透系數為0.002 4～0.023 9m/d，弱富水及低滲透。⑤三疊系上統延長組（T3y）承壓水含水層：單位涌水量為0.002 04L/s·m，滲透系數為0.006 73m/d，富水性弱，透水性差。

通過勘探揭露，白堊系承壓水含水層底部發育著一定厚度的隔水層，可以有效的阻隔與下伏侏羅系中統承壓水含水層之間水力聯系。侏羅系中統含水層地下水以水平徑流為主。在侏羅系中統和下統之間，發育一層厚度不均的礫石隔水層，侏羅系下統含水層與侏羅系中統承壓水含水層之間水力聯系較弱。侏羅系中統含水層地下水流從井田東南側流入，西北側流出。三疊系上統承壓水含水層與侏羅系中下統含水層之間發育有穩定隔水層，一般情況下水力聯系較弱。

2 地下水動態特征

2.1 各含水層觀測孔地下水動態

3-1煤層在開采過程中，侏羅系中統含水層為其直接充水水源，白堊系下統含水層為間接充水水源。為保障工作面安全開采，先后在地面施工了11水位觀測孔（見圖1），其中白堊系4個，侏羅系6個，1個混合水位觀測孔，其水文地質圖如圖1所示。監測疏放前、開采前和開采后各含水層地下水動態變化。

該礦2014a前主要為巷道掘進期，零星開展煤層頂板侏羅系含水層疏放工程，后期至2017a底，隨著采區巷道系統完善，在煤層頂板施工499個疏水鉆孔，最高瞬時疏放量達484.5m3/h。

截止2018年6月，侏羅系含水層疏放量平均為300m3/h，如圖2所示。其中，F工作面涌水量為180m3/h，西翼2#回風巷涌水量90m3/h，西翼膠帶運輸大巷涌水量10m3/h，其它涌水量為10m3/h。

統計分析2014～2019a白堊系3個觀測孔水位動態變化發現（見圖2）：2015a前白堊系含水層主要受降水與蒸發的影響，地下水動態變化小幅度震蕩變化;在2015～2017a間，盡管井下開展大規模疏放水工程，但其水位并未受影響，保持與以往類似起伏變化;但在2017a后，隨著工作面連續開采，白堊系含水層水位呈現出不同幅度下降，尤其是水K5觀測孔，因距工作面較近，受開采影響大，水位下降累計降深達30m，并形成了以采場為中心的白堊系含水層局部降落漏斗。

根據2014～2019a侏羅系4個觀測孔的水位動態變化（見圖3）分析發現：在2014a前，侏羅系含水層地下水水位基本保持不變，2014a以后，由于井下對煤層頂板開展疏放水工程，開始水位出現緩慢下降，2015～2017a間，隨著井下對含水層疏放水鉆孔的增加，各觀測孔水位迅速下降，但由于受構造和距離工作面距離及沉積環境等多種因素影響，各觀測孔水位變又存在差異性。2017a后，由于疏放水量和工作面持續開采疊加影響，侏羅系地下水水位保持持續下降狀態。

2.2 各含水層地下水流場動態

2011a以來，井下巷道揭露，加上工作面疏放水工程實施，對侏羅系中統和中下統含水層疏水量不斷增加，導致含水層地下水位持續變化。尤其是2017a以后，隨著工作面的相繼開采，煤層頂板垮落，垂向裂隙通道不斷形成，最終破壞了白堊系含水層與侏羅系含水層之間隔水層，而使之發生了一定水力聯系。因此，3-1煤層開采過程中，侏羅系砂巖水為礦井主要的充水水源，并且側向補給條件好，且水量大，而白堊系地下水為間接垂向補給水源。

上述過程下的白堊系地下水位平面變化表明，在自然狀態下，地下水徑流方向整體為由東南至西北，如圖4（a）所示;隨著井下疏放水工程開展，地下水徑流方向逐漸變為由南至北，如圖4（b）所示;2017a后，隨著采區工作面相繼開采，煤層上覆地層垂向裂隙逐漸形成，發育的垂向裂隙通道延伸至白堊系含水層，形成了以采場工作面為中心局部地下水位降落漏斗，但大區域內的白堊系地下水徑流方向仍為自東南至西北，如圖4（c）所示。

而侏羅系含水層與白堊系既有共同點也有不同點。在自然狀態下，地下水徑流方向整體為由東南至西北，如圖5（a）所示;隨著井下疏放水工程的展開，研究區域形成了以開采工作面為中心的地下水水位降落漏斗，大區域徑流方向仍為由東南至西北，如圖5（b）所示;2017a后，隨著采區工作面的相繼開采和井下疏放水水量增大，研究區域形成的降落漏斗水位下降深度進一步增大，如圖5（c）所示。

綜上，由于采前疏放與自然狀態相比，侏羅系含水層形成以疏放范圍為中心地下水位降落漏斗，且隨時間范圍不斷擴大，深度不斷增大。工作面回采后，白堊系地下水成為充水水源，致使形成以采空區為中心的降落漏斗，但無論范圍和深度遠遠小于侏羅系含水層。

3 影響因素與及成因模式

3.1 影響因素

1）沉積環境 3-1煤層上覆侏羅系中統直羅組，按其沉積環境演將垂向上分為三段：中統直羅組下段為辮狀河及辮狀河三角洲相沉積，發育了辮狀河道和辮狀河三角洲沉積物，為顆粒支撐砂巖、含礫砂巖組成，填隙物以泥質為主，形成“砂包泥”的結構。中段主要為曲流河三角洲相沉積，但中間各種砂巖穿插沉積，為透鏡狀或斷續橫向連接，但連續性差，形成“泥包砂”組合，大部分地段含泥比率大于50%。上段為湖泊相沉積，主要為含泥巖和粉砂巖，比率高于60%，沉積韻律不明顯，多為透鏡狀砂體和鏡狀泥質體[20]。

工作面煤層頂板疏放水段為辮狀河河流沉積，以粗砂為主，其次為中砂;而其底部為厚層狀洪積扇沉積的礫石層，后期被上覆的河流相沉積物所覆蓋，沉積物顆粒粗大，分選性、磨圓度較差至中等，因此，中統直羅組下段不僅為地下水提供儲存空間，也是含水層相對富水段，反映出不同沉積環境對含水層富水性控制作用。

2）地質構造 在區域上，地層走向為近東西向，傾向為北北西向，傾角變化范圍為1～10°，在所揭露的15條斷層中，正斷層14條，逆斷層1條，落差大于10m有1條，介于10m至5m有2條;介于5m至3m有2條，其余斷層均小于3m。多期構造運動致使盆地在抬升過程中發育不同尺度垂向裂隙，構成了良好的導水通道。

礦區為區域單斜構造上一個點，且位于向斜附近，地層起伏相對較大，井下巷道揭露核部兩翼的斷層、裂隙發育，且斷層帶附近煤巖層較為破碎，成為含水層良好的導水通道。儲水性和導水性好，使得在疏放時地下水徑流速度快，觀測孔水位動態響應程度高（見圖3（c）～（d））。

3）采動“二帶”影響 3-1煤層頂主要由泥巖和粉砂巖組成，向上為厚度為20～30m的礫石層。采前自然狀態下上覆含水層地下水以水平緩慢徑流，當受疏放影響時，局部點通過鉆孔排水引起侏羅系中統含水層水位持續下降，但對上覆隔水層不造成破壞。當工作面由切眼向前推進過程中，受煤層頂板周期來壓影響，導致頂板不同程度損傷破壞，破壞程度取決于頂板巖性、工作面尺寸及開采步距等。隨著煤層頂板垮落，垂向裂隙不斷形成，最終形成“冒落帶和導水裂縫帶”。

就地下水流向而言，由于侏羅系和白堊系含水層之間隔水層發生了破壞，煤層頂板上覆二個含水層地下水流由采前的水平運動，改變為垂向運動，上、下含水層形成統一地下水流動系統。3.2 地下水流動系統成因模式

鄂爾多斯盆地淺部中生代陸相沉積物質，在構造抬升和擠壓作用下盆地邊緣和內部發生起伏變化，在北部形成了隆起帶，由于先期沉積不均性和后期構造地質作用與風化剝蝕作用，北部地形地貌差異表現為溝壑縱橫，形成多個起伏微地貌單元，即小流域盆地，淺部為局部地下水流系統，深部為局部地下水系統與區域地下水流系統中間過渡帶。

局部地下水流系統一般深度在200m以上，為第四系和白堊系含水層，地下水流流動快，與地表水和大氣降水聯系十分密切，地下水流動狀態和徑流方向受微地貌起伏變化控制，表現為潛水與地表水之間對流快，在微地貌小流域范圍內由源向匯發生徑流，表現為垂向和側向運動并存;而中間過渡帶，埋藏深度為200～600m，受鄂爾多斯北部區域含水層的影響，以水平徑流為主（見圖6（a）），上述這種狀態稱之為自然模式。

在采前疏放條件下，煤層頂板侏羅系含水層水位持續下降，該層位處于盆地地下水系統的中間過渡帶，在礦區范圍內地下水由先前的水平徑流方向，改變為四周側向補給至疏放水范圍，形成了形態非對稱性降落漏斗，該階段僅在侏羅系含水層內，這種改變沒有波及到上覆白堊系含水層，這種狀態稱之為疏放模式。

隨著工作面持續回采時，周期來壓破壞了煤層頂板，并逐漸形成冒落帶和裂縫帶，當裂縫帶高度波及到白堊系含水層時，此時在采區影響范圍內，形成了侏羅系和白堊系雙層漏斗，同時也溝通了潛水含水層，可波及到地表水系，這種狀態稱之為開采模式。

因采礦活動影響，盆地中間過渡系統的地下水流由自然狀態下水平運動，改變了其滲流路徑，轉變為垂向運動，形成了地表-淺層-中深層地下水系統。從原始水平徑流狀態，進入為垂向徑流狀態，最后在盆地局部范圍內，形成一個多層次的地下水降落漏斗。

4 結論

（1）自然條件下，第四系潛水和白堊系地下水受大氣降水和蒸發影響較大，且地下水流向受微地貌控制，侏羅系與白堊系含水層之間水力聯系較弱。

（2）疏放對深部侏羅系含水層有較大影響而對淺部堊系影響小，回采產生垂向裂隙通道，使白堊系與侏羅系在受采動范圍內形成一個含水層之間產生了一定水力聯系，不僅在垂向上形成多層降落漏斗，同時也形成一個統一的地下水流動系統。

（3）沉積環境和構造地質作用是影響含水層富水差異性和地下水流場變化內在控制因素，而采動是地下水動態改變外界誘發因素，三種成因模式揭示了自然和人類干擾下地下水流性特性。

（4）人類采掘活動對鄂爾多斯盆地局部含水層水流系統影響很大，引起局部地下水流場急劇的改變，同時也誘發地表生態生態環境變化，如何科學開采對于生態環境保護至關重要。

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（責任編輯：丁 寒）