山东省东刘家金矿尾矿库地下水均衡探析

(山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014)

1 研究区概况

东刘家金矿矿区位于山东半岛的中南部海阳市郭城镇，南临黄海，北接半岛内陆，属暖温带季风型大陆气候，四季分明，雨量充沛，冬无严寒，夏无酷暑。无霜期长达218 d，多年平均气温为11.4℃，年平均降水量为787.8 mm，主要集中在夏季，年平均蒸发量1 541 mm。

沙旺尾矿库与东刘家矿区直线距离0.5 km，中间以东刘家水库相隔，其间道路运输距离1.6 km。沙旺尾矿库场区地形南高北低，地貌为剥蚀丘陵，山体自然完整，稳定性好，无滑坡崩塌等地质灾害及不良地质作用。区内冲沟发育，走向为北西南东向，沟谷中少量季节性径流，勘察期间为干旱季节，无水，其东北200 m左右有东刘家水库。尾矿库库底高程约140 m，相对高差132 m，汇水面积0.69 km2。

研究区内地层简单，主要发育古元古代荆山群陡崖组变质岩，第四纪主要分布于山涧台地与沟谷中。变质岩类型为：大理岩类、变粒岩类、斜长角闪岩类等。其倾向均为SE，倾角40°～60°，为一单斜岩层。第四系主要分布砾质粘性土，分布连续、稳定，厚度0.30～7.90 m，平均厚度2.88 m(见图1)。

2 含水层特征

2.1 区域含水层特征

研究区区域含水层为第四系孔隙含水层和基岩裂隙含水层。区域第四系孔隙含水层沿沟谷呈带状分布，主要由粘质砂土、中粗砂砾、砾石、卵砾石组成，砾石成分为二长花岗岩、各类脉岩及荆山群变质岩组成，厚度0.5～7.9 m，成井时多与下伏基岩强风化带一起成井，水位埋深浅，随季节变化大，出水量一般不足50 m3/d，水化学类型为HCO3--Ca·Mg型，矿化度小于0.4 g/L。

基岩裂隙含水层赋存于“牧牛山”二长花岗岩、中生代闪长玢岩等脉岩的风化孔隙裂隙中，裂隙发育深度20 m以上，为裂隙潜水，井泉的涌水量一般小于30 m3/d。水化学类型为HCO3--Ca型、矿化度为0.2 g/L。

2.2 尾矿库库区含水层特征

根据尾矿库水文地质勘察报告，研究区内第四系主要为角砾粉质粘性土，除低洼地带含有少量地下水外，其它地段不含地下水，为包气带。该层结构松散，厚度较薄，渗透性较好。室内渗透性试验结果和试坑注水试验结果见表1。室内试验限于取样样品中的含砾量相对原地偏少，试验结果相对偏小，故本次评价过程中，采用场区2个试坑注水试验资料，渗透系数取k=0.39 m/d。

图1 东刘家金矿区尾矿库区域地质图

试样位置编号渗透系数K/cm/s平均值排水涵管ZK02-11.34E-051.34E-05 cm/s合0.011 6 m/d扩容库区ZK13-11.13E-061.13E-05 cm/s合0.009 8 m/d试坑SK024.47E-04SK104.67E-034.57E-04 cm/s合0.394 8 m/d

尾矿库库区基岩裂隙含水层为强-中风化带，强风化带和中风化带厚度在3.80～20.70 m之间。强风化带裂隙发育，岩石破碎，岩芯呈碎块状；中风化带，岩芯呈短柱状或柱状，经压注水试验，该含水层渗透系数为0.16～0.24 m/d，见表2。

表2 强风化带和弱风化带注水试验成果表

根据前期勘察资料，尾矿库区内断裂发育，近SN向的F1和F2被闪长玢岩脉充填；推断的F3断层，走向NE，带内岩芯也较破碎，该断裂带取渗透系数为0.46 m/d。

3 地下水补给、径流、排泄条件

尾矿库区内地下水补给主要是大气降水，降水大部沿地势自然流入沟谷，以地表水的形式流出库区，少部分沿节理裂隙向下渗透。地下水位受季节影响较大，雨季降水量丰富，水位抬高大，枯水期则水位下降较大，在低山丘陵地区，地下水流向与地形坡向一致，自高向低运动，遇地形切割或隔水层也可流出地表，以泉的形式排泄。库区内未见泉，雨季在库区坝外50 m左右有一泉，流向东北方向，汇入东刘家水库。尾矿库评价范围内无地下水开采利用情况。

4 地下水均衡分析

本次均衡计算以尾矿库汇水区为尾矿库均衡评价区，各均衡要素的分析如下。

4.1 地下水补给量

本区地下水补给来源仅为大气降水。

计算公式：Q降=F×P×α

式中：F为降雨入渗补给面积，约为0.69 km2；P为有效降雨量，取多年平均值787.8 mm；α为降雨入渗系数。根据尾矿库工勘及评价区基岩出露面积分布及表层松散层岩性，取值0.10。

经计算，降雨入渗的补给量为5.44万 m3/a。

4.2 地下水排泄量

通过对区内地下水的排泄条件分析，本区地下水的排泄量为：

Q总排=Q蒸发+Q侧排

(1)

式中：Q总排为地下水总排泄量；Q蒸发为蒸发排泄量；Q侧排为地下水侧向排泄量；

4.2.1 蒸发排泄量

粉质粘土的地下水极限蒸发深度为3.1 m，结合本区地层分布、岩性特征等水文地质条件，综合考虑取本区地下水极限蒸发深度为4 m。根据尾矿库工勘报告 ，本区有利于地下水蒸发且水位埋深小于4 m的分布区面积约为0.16 km2。地下水蒸发强度按下式计算：

(2)

式中：ε为地下水蒸发强度(m)；ε0为水面蒸发量(m)；取多年平均蒸发量1 541 mm；h为地下水水位埋深(m)；在地下水位埋深小于4 m的分布区，取地下水位埋深的平均值2.5 m；H为地下水极限蒸发深度(m)；本次评价取4 m；n为与土壤质地有关的经验常数，一般为1～3，本次取值为2。

地下水蒸发量按下式计算：

Q蒸发=F×ε×t

(3)

式中：F为地下水位埋深小于4 m的分布区面积，取为0.16 km2；m为地下水蒸发强度(m)；t为计算时段(a)。

经计算，地下水蒸发排泄量为3.48万 m3/a。

4.2.2 地下水侧向排泄量

根据水文地质条件及地形条件，研究区地下水主要通过第四系松散含水层侧向排泄至东刘家水库，按下式计算：

Q侧排=K×I×B×M

(4)

式中：K为渗透系数(m/d)，取强风化层的平均值0.22 m/d；I为水力坡度。参照尾矿库工勘及地下水位监测资料(尾矿库后缘水位监测点地下水位158 m标高，水位高差18 m，距离350 m)，取0.051；B为计算断面宽(m)，取480 m；M为含水层厚度(m)，取强风化层厚度9.70 m。

经计算，地下水径流侧向排泄量为1.88万 m3/a。

4.3 地下水总排泄量

综合本区各单项地下水排泄量，本区地下水总排泄量为5.36万 m3/a，见表3。

表3 评价区各项地下水排泄量 万m3/a

表4 评价区地下水总均衡计算 万m3/a

4.4 地下水总均衡

根据地下水均衡原理，均衡区在一个水文年里，地下水的天然总补给量与地下水的总排泄量是大致均衡的，即Q总补≈Q总排。

综上所述，本区的地下水的储存量的变化量为：

储存量变化量=Q总补-Q总排=5.44-5.36=0.08万 m3/a；

补给量略大于排泄量，总体上本区处于地下水均衡状态，见表4。

5 结语

研究区内含水层为第四系孔隙含水层和基岩裂隙含水层，第四系孔隙含水层结构松散，厚度较薄，渗透性较好；强风化带裂隙发育，岩石破碎，岩芯呈碎块状，中风化带，岩芯呈短柱状或柱状。研究区内地下水补给来源单一，仅依靠大气降水；地下水排泄主要通过第四系松散含水层侧向汇入东刘家水库。研究区内地下水均衡评价范围为0.69 km2，总补给量为5.44万 m3/a，总排泄量为5.36万 m3/a，补给量略大于排泄量，总体上研究区内地下水处于均衡状态。