煤炭开采对区域地下水资源的影响研究

王应刚,姜 琴,辛慧慧

(山西大学 环境与资源学院,太原 030006)

水资源问题目前已成为全球关注的重要环境问题之一[1],我国是水资源比较贫乏的国家,许多地区尤其是北方干旱、半干旱地区已有1/4的地下水被开采而无法恢复,而在煤炭开采条件下这种现象更为突出[2]。

我国的煤炭资源非常丰富[3],煤炭资源的开采为整个国民经济持续稳定发展做出了重大的贡献[4],然而,煤炭资源的大规模开发,不可避免地对自然生态环境产生极大的扰动[5],特别是对开采区域内的水文地质环境产生极为明显的不可逆作用,从而严重破坏了地下水资源的自然赋存条件,使本来就已经十分紧张的区域水资源供需矛盾更加尖锐[6]。煤炭的开采与地下水资源紧密相连,煤层往往与地下含水层相邻,采煤时会疏干地下水,这不仅影响了地下水资源的数量和质量,而且破坏了水的动态平衡和生态环境,造成一系列不良后果[7]。

山西省水资源比较缺乏,全省水资源人均占有量456 m3。是全国人均水平的1/5,是世界人均水平的1/20,山西煤炭资源开采的一个重要特征是水、煤资源共生,在含煤地层的上面和下面以及煤系地层之上,形成水(主要为岩溶水)、煤共存的资源组合[8]。在这种水、煤资源共生的特定的水文地质条件下,大规模的采煤、开矿成为水资源损失的主要原因,煤炭资源的大规模开采对水资源的赋存和循环条件产生了严重的影响[9-10]。本文通过对山西省襄垣县41座煤矿进行布点调查,从煤矿周围86个村庄的86口水井的地下水位的下降值来探讨煤炭开采对地下水资源的影响,从而为该区域煤炭开采及地下水资源保护提供依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 自然地理与水文地质条件

襄垣县位于山西省境内上党盆地的北部。全境地形西北高而东南低,属半山丘陵地区,平均海拔在1000 m,是内陆黄土高原的一部分。全县东西长48 km,南北宽40 km,总面积为1 160 km2。现辖8镇3乡,323个行政村,1 089个自然村,1 446个村民小组(图1)。其矿产资源十分丰富,现已探明的矿产资源有煤、铁、锰、铜、锡、硫磺、石膏、云母、石英砂、石灰石、铝土矿、白云石、大理石、磁土等30余种。其中煤、铁矿极为丰富。煤田南起阎村,北至南岩,长45 km,宽10 km,共计450 km2,属沁水煤田,现已探明地质总储量75.8×108t,煤质以中灰、低硫、高发热量、高熔灰份的贫煤为主。

图1 研究区域位置图Fig.1 Studying area location map

本区气候属暖温带大陆性气候,其特点为:四季分明,冬长夏短,季风较强。冬季寒冷少雪,春季干旱多风,常出现十年九旱;夏季炎热多雨,秋季晴朗凉爽。据襄垣县气象站观测统计,全年平均气温为9.5℃,1月最低,最低气温-29.1℃,平均气温为-6.4℃,7月最高,最高气温达38.1℃,平均气温为23.2℃。年降水量在433.2～814.3mm,平均532.8 mm,大多集中在7～9月,日最大降水量为101.5mm(1972年7月7日),最长连续降水天数为8d。区内年平均蒸发量为1768.1 mm,年最大蒸发量为1 914.7 mm,最小为1 515 mm,年蒸发量是年降水量的3倍以上。历年霜冻期为当年的9月中旬至翌年5月上旬,全年无霜期134 d,最大冻土深度为0.82 m(1967年2月),历年平均相对湿度为64%。冬季多为西北风,夏季多为东南风,平均风速1.9 m/s,最大风速18m/s。

1.2 研究方法

1.2.1 数据获取方法

2009年4～5月,对襄垣县境内的各个煤矿进行了实际调查,获得了全县41座煤矿的现状资料(表1)。对煤矿井田及其周围86个村庄的86口水井的井水水面至地面的高度即地下水埋深进行了调查,获得了2009年各个村庄的地下水埋深数据;根据襄垣县水利局的记载,获得了被调查水井在煤矿兴建之前的井水水面至地面的高度即地下水埋深数据见表2～表4。

1.2.2 数据分析方法

本次调查主要采用分区分组调查的方法,将41座煤矿井田内及其周围86个村庄的86口水井按照坐落位置的不同划分为3个分布区,即井田内开采区(含村庄30个)、井田内未开采区(含村庄26个)及井田外地区(含村庄30个),根据各个村庄水井煤炭开采前后的地下水水位值计算出各个村庄水井的地下水水位下降值,利用SPSS对其与各村庄的海拔、人口及煤炭开采前的地下水水位进行简单相关性分析和Independent Samples Test检验分析。

用简单相关系数公式分别计算各村庄的地下水水位下降值与各村庄的海拔、人口和煤炭开采前的地下水水位的相关性,以分析海拔、人口和煤炭开采前的地下水水位对各村庄地下水水位下降值的影响程度,计算公式为:

用方差不齐时的t统计量和自由度的校正公式计算分析各区域间地下水水位下降值的差异,其计算公式分别为:

式中t′为方差不齐的t检验,v为自由度,根据相对应的t和v,可以计算出相对应的p值,最终得出方差不齐时两样本的t′检验。

表1 41座煤矿的概况Table 1 41 coal mines work condation

表2 各煤矿井田内开采区的村庄Table 2 Villages located in mining area

表3 各煤矿井田内未开采区的村庄Table 3 Villages in no mining area

表4 各煤矿井外的村庄Table 4 Villages out mining area

2 结果与分析

2.1 数据处理分析

2.1.1 简单相关性分析

襄垣县41座煤矿周围的86个村庄86口水井的分布情况分别见表2～表4。

分别将各个区域内所有村庄水井的地下水水位下降值与各村庄海拔、人口和水井开采前的地下水水位做简单相关性分析,结果表明村庄水井地下水水位下降值与村庄海拔、人口和水井开采前地下水水位的相关性不高,总体来看,水井地下水水位下降值除与村庄人口具有一定的相关性外,其相关性为0.234(P＜0.05),与其它两个要素的相关性都不明显,其中与海拔呈负相关关系。这就说明了研究区域的海拔、人口及煤炭开采前地下水水位对水井地下水水位下降值的影响不显著。

采用求算术平均数的方法,对各区域村庄水井的地下水水位下降值进行处理,分别得出3个区域地下水水位下降的平均值(图2)。根据数据统计结果可以直观地看出井田内开采区的地下水水位平均下降了76.9m,井田内未开采区的地下水水位平均下降了20.1 m,井田外地区的地下水水位则下降了6.3 m,不同分布区的地下水资源由于距离煤矿井田的远近不同而使地下水水位下降明显出现迥异,离煤矿井田越近的地区其地下水水位下降越大,反之越小,这就是说,煤炭开采对地下水资源造成重要的影响,且对其愈近的地区的水资源影响愈大,反之愈小,即井田内开采区影响最大;井田内未开采区其次;井田外地区影响最小。

图2 地下水水位下降图Fig.2 Groundwater decrease map

2.1.2 运用SPSS对数据进行Independent Samples Test检验分析

井田内开采区、井田内未开采区、井田外地区这3个地区原来的水资源环境相近,但由于煤炭的开采使不同地区的地下水资源状况出现差异,本文通过比较各区域煤炭开采后地下水水位下降值的差异来确定煤炭开采对不同地区水资源的影响。在这里可以把每两个地区的地下水水位下降值看作是1组独立的数据,然后运用SPSS对其进行Independent Samples Test分析,取a值为0.05,其结果见表5。

表5 各区域地下水水位下降值差异分析Table 5 Difference analysis of groundwater decrease in the area

由表5可见3个地区之间的地下水位变化基本上都存在着差异(P＜0.05),其中井田内开采区与井田外地区的差异最大,而井田内未开采区与井田外地区的差异最小甚至不存在,这就进一步论证了以上结论:煤炭开采对地下水资源具有不同程度的影响。即煤炭开采对其愈近的地区的水资源影响愈大,反之愈小,即井田内开采区影响最大;井田内未开采区其次;井田外地区影响最小。

2.2 地下水位不同程度下降分析

煤炭开采和加工不仅本身需要大量用水,同时,由于采煤引起的地表裂缝和塌陷,直接或间接地破坏了煤系地层以上的所有储水构造,破坏了地表径流的排泄条件,地下水位下降,井泉枯干,水利设施破坏,蓄水工程失去效用。据资料,正常情况下,每产1 t煤综合用水标准为1～3 m3。为了维持煤炭的正常生产,采煤过程中必须把工作面的矿井涌水排出,这样就导致煤层以上地下水被疏干。一般在煤炭开采初期,随着工作面的推进,矿井排水量逐渐增加,形成了以煤矿为中心的降落漏斗,使水流的水平运动改向垂直入渗运动,从而使地表水越来越少,地下水位越来越深,襄垣县采煤区浅层水井已更换了4次以上,水位平均下降了30m以上。部分采煤区由于浅层水全部渗漏,不得不开采深层水,井深普遍达到300 m以上。

3 结论与建议

通过对襄垣县41座煤矿86个村庄86口水井的布点调查,利用SPSS对其进行简单相关性分析和Independent Samples Test检验得出:在原来水环境条件相似的条件下,各区域的人口、海拔等与各区域地下水水位下降值相关性不显著,数据显示与煤矿井田开采越近的地区,其地下水水位下降越大,形成了以矿井为中心的降落漏斗。这就说明了煤炭开采是造成地下水水位下降的重要原因之一,且对不同地区的地下水水资源产生不同程度的影响。

煤炭开采对地下水资源产生重要的影响,随着煤矿的开采,水资源的破坏将逐渐由浅层静储量向深层静储量乃至碳酸盐岩溶裂隙水转化,从而使地下水水位下降以煤矿井田开采点为中心向四周扩散。本次研究结果对于煤炭开采区地下水资源的保护具有一定的参考价值,建议在进行矿区水资源保护时要因地制宜,针对不同区域的地下水资源的破坏情况制定不同的保护措施。同时从水资源破坏的影响因素来看,含水层结构破坏和地下水环境演化对水量的影响是引起水资源破坏的主要原因。所以,地下水资源破坏的控制除了要因时因地,一切从实际出发来制定不同的保护措施外,也应从防止或减轻含水层结构破坏和维护地下水环境平衡两方面考虑:①首先要保护地下含水层结构,采用适当的采煤方法,避免含水层结构突然破坏,充填采空区,防止因采煤沉降引起的含水层结构被破坏;②要减少工业固体废弃物对水环境的污染,矸石山的选址要合理,矸石山底部设置防渗层,对矸石淋滤液进行处理,减少对水环境的污染;③要加强工业废水排放的管理,严禁排放未达到标准的工业废水,减少对河、湖及水库等水源的污染,对废弃的采空区进行调查,掌握采空区分布及面积,对部分老窿积水进行处理,实施土地复垦技术。只有这样才能取得经济、社会与生态的良好效益,对实施生态的可持续发展意义深远。

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[5] 吴玉生,赵亚平.煤矿开采对地下水资源的影响[J].能源环境保护,2004,18(6):1-3.

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[7] 乔照华.山西省煤炭开采对水土资源的影响[J].山西水土保持科技,2007,12(4):1-4

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