采煤对榆溪河流域地下水资源的影响研究

2018-04-20何小亮王逸民刘潇敏

地下水 2018年1期

何小亮，王逸民，刘潇敏

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065)

榆溪河位于榆阳区境内，全长98 km，流域面积近4 000 km2，发源于毛乌素沙漠南缘，由北向南，汇入无定河，是榆阳区的水资源命脉。榆溪河有十数条支流，流域分布有十余座中小型水库，根据地形地貌及支流分水岭等整个流域被划分为10个水源地。

榆溪河位于陕北侏罗纪煤田核心位置，煤炭资源丰富。多年的煤炭资源开采带来一系列矿山环境地质问题，导致区域地面塌陷、地下水水位下降、地下水污染等，使得原本脆弱的矿区生态环境加剧退化。因此，合理的开展研究区地下水系统研究，分析矿区现有开采条件下地下水的动态变化情况，对科学、合理、有效的管理地下水资源具有非常重要的意义。同时，也是实现煤炭产业的可持续发展的必要保证[1-5]。

本文依据流域水文地质条件构建水文地质概念模型，在此基础上基于可视化数值模拟软件(Processing Modflow)建立流域三维地下水流数值模型[6]，模型经识别与校验完成后，加载煤矿矿坑涌水工况，模拟煤矿开采对地下水资源的影响，预测未来30年末的地下水末流场、末埋深场、末降深场、潜水位降深曲线以及地下水补排均衡量，并进行分析评价。研究成果可为榆溪河流域煤矿开采和水资源利用规划提供依据。

1 水文地质概念模型及其数学描述

1.1 水文地质模型

研究区范围覆盖榆溪河流域陕西境内的牛家梁(红石峡)、小壕兔、金鸡滩、马合、芹河、头道河则、水掌湾、色草湾、沙河、赵家湾等十个水源地分布区，面积约3 600 km2；垂向上包含从地面到开采煤层底板之间的全部地层结构，主要包括第四系含水层(全区分布)、第三系极弱透水层(不连续分布)、白垩系含水层(西北局部分布)、侏罗系与煤层弱含水层(全区分布)。研究区垂向上剖分为5层，第一层为第四系含水层，第二层为新近系红土层或白垩系碎屑岩层或侏罗系碎屑岩层，第三层为导水裂隙带之上侏罗系原岩层，第四层为导水冒裂带及两侧原岩层，第五层为主采煤层及采空区。区内含水层为多层结构的非均质各向异性介质，存在时空分配不均的面状补给源(大气降水入渗补给、凝结水入渗补给、农灌水回归补给)和面状蒸发排泄，线状与点状的地下水溢出(泉集河与海子)，点状地下水开采(水井)，分层地下水流场与越流关系等。

1.2 数学模型

依据水文地质概念模型，地下水流数学模型可描述为：

式中：H，Hr为地下水位标高(m)，泉集河水位标高(m)；K，Kr为含水层渗透系数(m/d)，河床淤积层垂向渗透系数(m/d)；μ，Ss为潜水含水层给水度，承压含水层弹性释水率(1/m)；Q，W为水井开采量(m3/d)，矿井涌水量(m3/d)；δ为δ函数(分别对应水井、坑道位置坐标)；h0，h1为初始水位标高(m)，定水头边界水位标高(m)；q0，Qr为定流量边界流量(m3/d·m2)，泉集河流量(m3/d)；A，Mr为泉集河计算面积(m2)，河床淤积层厚度(m)；ε为潜水面垂向交换量(入为正、出为负)(m3/d·m2)；x,y,z，t为坐标变量(m)，时间变量(d)；Γ1，Γ2为一类边界，二类边界；n，Ω为二类边界外法线方向，计算区范围。

2 地下水流数值模型构建

2.1 模型构建

模型区水平方向上，北以公里网4310为界，南至4208，西以342为界，东至412，平面面积7 140 km2，模型区有效面积3 521.5 km2；垂直方向上，为地面至侏罗系22煤层之间的部分，总厚度100～770 m。

本次计算根据三维有限差分方法，对计算域采用规则网格进行剖分，根据数学模型建立研究区的三维有限差分数值模型并进行数值模拟。研究区为大地坐标x=342000～412000，y=4208000～4310000范围内的矩形区域。平面上采用500×500 m的网格将计算区在平面上沿南北向剖分为204行，沿东西向剖分为140列；垂向上剖分为5层，第一层为第四系含水层，第二层为新近系红土层或白垩系碎屑岩层，第三层为导水裂隙带之上侏罗系原岩层，第四层为导水冒裂带及两侧原岩层，第五层为主采煤层及采空区。这样将整个模型区剖分为204行、140列、5层共142 800个单元，其中有70 430个为活动单元。

区内地形等高线依据1:10万地形图绘制，各层顶底面高程等值线依据前人工作资料绘制。

图1 研究区2013年实测水位与计算水位拟合图

图2 研究区2013年煤矿涌水量实测值与计算值拟合图

2.2 模型识别与校验

选用2005年10月～2006年10月研究区内地下水动态观测资料和各种源汇资料为依据进行模型的校正。选用2006～2013年研究区内地下水动态观测资料和各种源汇资料为依据进行拟合。研究区2013年实测水位与计算水位拟合见图1，煤矿2013年涌水量拟合见图2。

计算区2013年实测水位与计算水位的相关系数R2=0.999，煤矿实测涌水量和计算涌水量的相关系数R2=0.903，都呈高度相关，表明数值模型拟合效果较好。

3 煤矿开采对地下水资源的影响分析

3.1 计算过程及结果

研究区现状生产煤矿27座，利用建立的三维地下水流数值模型，将大气降水入渗补给量、农灌水回归补给量、地下水现状开采量、煤矿采空区范围等加入模型，以地下水流模型识别得到的拟稳定流场作为预测的初始流场(图3)，设置10个潜水位观测点(图4)。预测未来30 a末的地下水末流场、末埋深场、末降深场、潜水位降深曲线以及地下水补排均衡量，成果详见图5～图9。限于篇幅，计算数据不再详列。

图5 煤矿开采30年末地下水流场图图6 煤矿开采30年末地下水埋深

图7 煤矿开采30年末地下水降深图图8 煤矿开采30年末地下水净降深图

图9 煤矿开采30年间水源地潜水位观测点水位变化曲线图

3.2 计算结果分析

由三维计算结果可知，在地下水现状开采量26.240×104m3/d，煤矿涌水量10.482×104m3/d的工况设置方案下，未来30 a末水源地地下水总补给量148.760×104m3/d，总排泄量158.029×104m3/d，均衡差-9.269×104m3/d，地下水处于负均衡状态。负均衡主要为消耗深层侏罗系地下水资源储存量，消耗量占侏罗系弹性释水量4%，比例较小，对深层地下水影响有限。27座煤矿的矿井涌水量10.482×104m3/d，主要来自增加的基岩储存量的释放，其次为潜水蒸发量的减少，其中动用的储存量占81.5%，潜水蒸发减少量占14.6%，潜水溢出减少量占3.7%，河流入渗增补量仅占0.1%。

从图5～图8可以看出，煤矿开采涌水主要对矿井及其周围的潜水位产生一定的影响，现状煤矿分布主要集中在头道河则与金鸡滩水源地，该区域由于煤矿矿坑疏干地下水会形成一个较大的降落漏斗区域，区域中心位于金鸡滩镇附近(金鸡滩与头道河则水源地交界的下游地带)，潜水位最大净降深约3m，影响半径约15 km。预测未来30 a末潜水位下降速率为0～11 mm/a。

从图9可以看出，通过模型在全流域设置的10个地下水位监测点，对未来30 a地下水位的模拟计算可知，位于煤矿采空区较为集中的头道河则与金鸡滩水源地的G4与G9两点，地下水位呈缓慢平顺的发展态势，没有出现地下水位急剧变化的情况，未来30 a最大地下水位下降约3 m。其余点模拟监测地下水位下降一般0.5～2.3 m。