兴隆庄采煤塌陷区地下水补给规律分析

冯忠伦,袁娜,王雅欣,徐健,杨丹,林洪孝

兴隆庄采煤塌陷区地下水补给规律分析

冯忠伦,袁娜,王雅欣,徐健,杨丹,林洪孝*

山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安271018

本文在分析降水与地下水埋深关系的基础上，采用地下水位波动法研究兴隆庄采煤塌陷区蓄水与地下水的补给规律，得出研究区地下水补给量的变化规律为从东北向西南递减，与地下水流向基本一致；补给量随降水量增大而增大，但在降水量增大到一定程度后变化趋于平稳，与地下水埋深的关系则为先增后减；将塌陷前后地下水补给量进行对比，表明塌陷后地下水对塌陷区蓄水有较大补给作用。此研究成果可为塌陷区蓄水与地下水的综合开发利用提供重要参考。

地下水补给;水位波动;塌陷区;分析

地下水补给是地下水系统的基本组成部分[1]，准确评价地下水的补给量或补给资源是分析水文循环规律、合理制定水资源规划和地下水可持续开采方案的基础，对于实现当地经济社会的可持续发展具有重要的战略意义[2]。兴隆庄煤矿位于济宁曲阜市苑庄镇境内，由于煤矿资源多年开采，塌陷区面积达到4 km2，蓄水容量约2057.8×104m3，对生态环境造成极大破坏。目前主要的治理技术包括土壤基质改良、植被恢复、土壤动物和微生物应用等[3]，开发利用途径有农林鱼禽生态恢复模式、动态塌陷区林（果）、草、牧生态恢复与重建模式、集约化农业生态恢复模式，而对于塌陷区水资源的开发利用研究较少。本文在研究塌陷区蓄水与地下水相互补给关系的基础上，提出向工业供水[4]，为综合治理和利用采煤塌陷区提供重要参考依据。

1 研究区概况

本文研究的兴隆庄采煤塌陷区位于济宁曲阜市苑庄镇境内，地处北以京沪铁路到西郭家村一线为界，南以程家庄站西约1km处京沪铁路到中疃村一线为界，东边平行于京沪铁路，北起于西郭家村，南止于中疃村，北边以京沪铁路西约2 km为界，东西宽约4 km，南北长约6 km，形状为西北到东南向的狭长方型，面积约为92.233 km2；其中兴隆庄采煤形成的6个较大塌陷区，塌陷面积达到4～5 km2，水深1～12 m不等，蓄水容积约为2057.8×104m3，见图1所示。经多年塌陷，目前已成相对稳定状态。

图1 兴隆庄采煤塌陷区位置分布图Fig.1 Location of Xinglongzhuang coal mining subsidence area

2 研究方法

由于地下水补给的复杂性，确定地下水补给的方法有多种，其中包含水均衡法、基流分割法、流域数值模拟法、零通量法、蒸渗仪法、达西定律、氯元素守恒法、放射性同位素法、地下水位波动法[5-6]。本文采用地下水位波动法研究兴隆庄采煤塌陷区的地下水补给规律，认为非承压含水层的水位变化主要归因于地下水的补给，其计算公式如下[7]：

式中：R—地下水补给量，mm；yS—给水度；hΔ—tΔ时间内地下水位变化幅度，m。

公式（1）假定地下水进入到含水层后，立即进入到贮存量中，并进行补给重新分配，如蒸发和侧向径流[5]，该方法可以用来估算长期的地下水补给量（季度或年度）[7]。本文中关于yS和hΔ的确定方法如下：

2.1hΔ的确定

h Δ是指地下水位最高点与前期地下水位下降曲线在该点的对应值之差，即地下水变化幅度。地下水位下降曲线是假设在没有降雨的情况下地下水位的变化轨迹。目前确定hΔ的主要方法有图形外推法、主回归曲线法（Master Recession Curve）和RISE程序法[8]。本文采用图形外推法计算地下水的变化幅度。

2.2yS的确定

Sy是地下水资源评价、动态预报、水文地质计算、农田排水及渗流计算中一个十分重要的参数[9]。其值直接影响到补给量的计算。给水度的测定计算方法主要有原状土取样释水试验测定、非稳定流抽水试验、水量平衡法和数值解法[10]。其中以抽水实验应用最为广泛，本文以抽水试验计算该值。

3 计算结果及分析

3.1基础资料的获取

本文选取研究区6个塌陷区附近的10处地下水位观测站（邹城M1140010、邹城M1110590、兖州M1111550、兖州M1111640、曲阜M112143A、曲阜M112154A、曲阜M112200A、曲阜M112205A、曲阜M112215A、曲阜M112216A）2004～2008年的地下水观测资料，测量频率为5 d1次；同时选取研究区内及临近菠萝树、尼山水库、书院、西诹、兖州水文站2004～2008年的降雨观测资料进行统计分析，其地下水位与降水量的对应动态变化情况见图2，地下水位的变化随降雨量的变化呈现出周期性的波动，地下水位与降雨量联系密切。

图2 各观测井地下水位与降雨量关系Fig.2 Water level in wells and average precipitation for study area

3.2补给量计算

地下水的变化幅度通过图形外推法获取，给水度采用《山东省曲阜市苑庄水源地供水水文地质详查》抽水试验的结果，取040=.Sy，由式（1）计算得到年补给量，计算结果见表1。

表1 补给量计算Table 1 Calculated result of groundwater recharge

研究区年平均补给量为147.39 mm，其中补给量最大的是曲阜M112216A观测井，补给量为260.85mm，最小的是邹城M1140010观测井，补给量为83.09mm，比较结果见图3。补给量的变化规律为东北向西南方向递减，与地下水流动方向基本一致，见图4。

图3 各观测井计算结果比较Fig.3 Comparison of recharge in the observation wells

图4 多年平均地下水位等值线Fig.4 Contour lines of average groundwater table

3.3地下水补给影响因素分析

3.3.1 补给量与降水量的关系各观测井的地下水补给来源主要为大气降水，通过分析各观测井降水量与补给量的相关关系见图5。可以看出，总体上，随着降水量增大，补给量增大，但在降水量达到950mm时，其变化趋势减弱，尤其是图中圈出来的3个点，在降水量较大时其补给量较小。

图5 降雨量与补给量相关关系Fig.5 Correlation between rainfall and recharge

3.3.2 补给量与地下水位埋深的关系各观测井的地下水位埋深差异较大，见图6。地下水位埋深最浅的是邹城M1140010观测井，只有2.4 m，埋深最深的是邹城M1110590观测井，为14.1 m。通过分析地下水位埋深与补给量相关关系图见图7，可以看出，地下水的补给量与地下水位埋深之间的关系为先上升后下降，在水位埋深4 m以上的区域，地下水容易接受补给，其补给量随地下水位埋深的增大而增大，这是因为越靠近包气带上部区域越容易受外界干扰，部分降雨在未达到饱水带时就通过土壤蒸发或植物散发消耗掉，从而导致能到达饱水带的补给量小。但在水位埋深4 m以下的区域，其补给量随地下水位埋深的增大而减小，这是由于在到达潜水面之前水量大部分都留在了包气带，包气带越厚，能到达潜水面的水量就越少。

图6 观测井地下水位埋深Fig.6 Ground water level depth of observation wells

图7 各观测井水位埋深与补给量关系Fig.7 Correlation between groundwater level depth and recharge

3.4塌陷前后补给量对比

选取与塌陷区水力联系密切的5个观测井（兖州M1111550、兖州M1111640、曲阜M112143A、曲阜M112200A、曲阜M112205A）塌陷前后的地下水观测资料进行计算分析。由于兴隆庄煤矿于1981年投产运行，因此选取1975～1979年的地下水观测数据计算塌陷前地下水补给量，由式（1）计算得到年补给量，计算结果见表2。塌陷后的地下水观测资料仍选取2004～2008年的数据进行计算，计算结果见表1。

表2 塌陷前补给量计算Table 2 Calculated result of groundwater recharge before the collapse

图8 塌陷前后地下水位关系比较Fig.8 Comparison of groundwater levels before and after the collapse

图9 塌陷前后补给量比较Fig.9 Comparison of recharge before and after the collapse

塌陷后，各观测井的地下水位较塌陷前均有不同程度的下降，见图8。塌陷前该区域的年平均补给量为114.5 mm，塌陷后年平均补给量为130.0 mm，部分观测井塌陷后的补给量大于塌陷前的补给量，见图9。这一现象主要是由于降雨量的变化引起的，塌陷前年平均降雨量为656.6 mm，塌陷后年平均降雨量为854.52 mm。若按照降雨量的变化关系对补给量进行同倍比放大，则塌陷前该区域的年平均补给量为148.8 mm，表明在相同降雨情况下，塌陷后地下水的补给量小于塌陷前的地下水补给量。而该区域浅层地下水与深层地下水联系较弱，不存在越流补给的情况，因此，塌陷后地下水补给量较塌陷前减少只能是地下水侧向补给塌陷区蓄水和塌陷区蓄水增大了蒸发量造成的。

4 结论

(1)研究区年平均补给量为147.39mm，其中补给量最大的是曲阜M112216A观测井，补给量为260.85 mm，最小的是邹城M1140010观测井，补给量为83.09 mm。补给量的变化规律为从东北向西南方向递减，与地下水流动方向基本一致。

(2)研究区补给量与降水关系密切，随降水量增大而增大，但在降水量达到950mm之后，变化趋势减弱。

(3)补给量随地下水埋深的关系为先增后减，埋深在小于4 m的区域，补给量随埋深的增大而增大，但埋深大于4 m的区域，补给量随埋深的增大而减小。

(4)塌陷后地下水的补给量比塌陷前要小，表明塌陷区周围地下水对塌陷区蓄水有较大的侧向补给。

[1]SANFORD W.Recharge and groundwater models:An overview[J].Hydrogeology Journal,2002,10(1):110-120

[2]汪丙国.地下水补给评价方法研究[D].北京:中国地质大学,2008

[3]刘飞,陆林.采煤塌陷区的生态恢复研究进展[J].自然资源学报,2009(04):612-620

[4]林洪孝.兖矿国宏化工有限公司曲阜苑庄地下水泗河水兴隆庄塌陷区蓄水联合调度开发利用技术研究[R].山东:山东农业大学,2011

[5]尹立河.基于多种方法的地下水补给研究[D].北京:中国地质大学,2011

[6]张志才.降雨入渗补给地下水研究[D].南京:河海大学,2006

[7]Richard WH,Peter GC.Using groundwater levels to estimate recharge[J].Hydrogeology Journal,2002,10:91-109

[8]Geoffrey ND,Richard WH,David LL,et al.Comparison of local to regional-scale estimates of ground-water recharge in Minnesota,USA[J].Hydrogeology Journal,2007,334:231-249

[9]李洋,褚立孔,蒲治国.确定含水层给水度新方法[J].江苏地质,2006(04):290-293

[10]刘学军,扬维仁.给水度测定方法研究[J].地下水,2003(04):221-223-229

Analysis on the Ground water Supply Regular in Subsidence Area in Xinglongzhuang Coal Mining

FENG Zhong-lun,YUAN Na,WANG Ya-xin,XU Jian,YANG Dan,LIN Hong-xiao*
Water Conservancy and Civil Engineering College,Shandong Agricultural University,Taian271018,China

Based on the analysis of the relationship between the rainfall and groundwater depth on the groundwater recharge, the water-table fluctuation method was adopted in this paper to estimate the groundwater recharge around Xinglongzhuang coal mining subsidence area.This paper reached a conclusion that the changes of groundwater recharge amount decreased from northeast to southwest,and basically the same as the groundwater flow.The groundwater recharge generally increased with rainfall,however,as the rainfall increases to a certain extent,the change trend will not increase obviously,but the relationship with the buried depth of groundwater is first increased and then decreased.Meanwhile,the comparison of groundwater recharge before and after the collapse shows that the subsidence area will be recharged by groundwater after the collapse.The research results can provide an important reference for the comprehensive development and utilization of water in the subsidence area.

Groundwater recharge;water-table fluctuation;subsidence area;analysis

TV213.9

A

1000-2324(2014)04-0576-05

2013-06-04

2013-06-24

国家自然科学基金资助项目(41202174);科技部国际科技合作与交流计划项目(2007DFB70200);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20123702120020)

冯忠伦(1989-),男,硕士研究生,主要从事水资源开发利用与管理方面的研究.

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:linhx@sdau.edu.cn