非金属矿山开采土壤扰动重构对地下水补给的影响分析

王 倩 韩京增

（中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队）

矿山生产排放的废渣或废石被随意堆积在山坡或沟谷，加之其透水性降低，一旦受到暴雨便会对地下水补给产生影响［1］。为了降低该影响，并且为矿区生态环境及其周边地下水的修复治理提供参考依据，研究非金属矿山开采土壤扰动重构对地下水补给的影响。本文通过构建土壤扰动重构对地下水补给影响数值模型，以此为基础，计算水位演变情况，确定入渗系数和含水率与水位，以期能有效分析非金属矿山开采土壤扰动重构对地下水补给的影响，为非金属矿山开采提供参考。

1 土壤扰动重构对地下水补给影响因素分析

从土层厚度、土壤温度、地表径流量等角度出发，研究分析土壤扰动重构对地下水补给影响因素，建立一种非均质性、非均值、非稳定的三维地下水模型，由此构建土壤扰动重构对地下水补给影响数值模型。通过对土壤影响因素和地下水补充关系的归纳，得出了两者之间的联系［2］。土壤扰动重构主要影响因素：

（1）土壤密度及孔隙度。土壤密度越高，则土壤渗透率就越低；土壤孔隙度越大，土壤便越疏松。由于土壤密度太低，岩溶水便会不断地从地面渗出，从而会及时补充地下水。

（2）温度。温度对土壤的影响比较大，土壤温度会随着深度的增大而逐渐上升，进而影响地下水位的变化［3］。

（3）地表径流量。在土壤干扰重构过程中，地表径流量是影响地下水补给最大、最直接的因素。

结合上述3个因素，着重分析其对土壤干扰重构特征及影响因素之间变化规律和主要影响因子间交互作用机制，以便土壤扰动重构下地下水补给数值模型的构建。

2 模型建立及初始条件设置

研究的采矿区域以大气降水为主，为山地基岩裂缝水的横向径流，其流向与地貌基本相同，整体呈自东北向西南方向的趋势，并在最后排入下游湖裙带。由于矿山多年的开采，导致部分地下水向露天坑口涌出，该区地下水以蒸发和矿排为主；结构主要为砂石、煤层等组成的多层结构，土壤组合结构为腐殖土、黏土、中砂。通过GMS 建模，选择20 个钻孔数据导入GMS，对模拟区进行不规则三角剖分，由克里金插值法进行插值计算生成地质结构实体，建立研究区三维结构模型，如图1所示。试验研究拟设置了5 m 地下水位埋深，采用有限差分法，建立的非金属矿山开采区域地下水流场模型（图2），在水流场下研究非金属矿山开采土壤扰动重构对地下水补给影响。为了降低初始条件对模拟结果影响，采用数值模拟方法，将2019—2021 年非金属矿山采场开采的土壤扰动重构引入到模型中。其中，模拟的时间步长是1 d，而空间步长是3 cm。

在进行地下水流动形态建模时，可以将其视为一种非均质性、非均值、非稳定的三维地下水模式，则：

式中，ψ1、ψ2为第一流量和第二流量边界；H为计算期间水位，m；t为时间，s；λ为渗透系数；z为透水层的垂向渗透的厚度，m；κ为导水系数。

则相应的初始条件为

式中，e2为已知第二水头边界；x、y为笛卡尔坐标。

则相应的边界条件为

式中，e1为已知第一水头边界；σ0（x，y，t）为侧向补给流量，m3。

使用多源数据整合方法，基于区域多年气温、降水、蒸发量等数据，地下水补给的最大可能受降水以及矿山水文地质条件构建土壤扰动重构的影响模型，充分考虑地质条件和水文地质条件的影响对地下水补给特性影响，对模拟结果展开详细分析［4-6］。

3 模拟结果分析

通过水位演变情况，分析矿山开采区域土壤扰动重构水分入渗系数、含水率与水位之间关系。本文研究矿山开采区域的年平均降雨量400～550 mm，年最大降雨量可达到1 100 mm，其中65%～85%的降雨量分布在7—9 月，而排泄量在30～32 m3/min，因为供水量具有周期性变化，导致地下水位有逐年的季节性变化。由于土壤扰动重构对地下水的补充具有逆转风险，使得地下水的有效补给量显著提高。为了进一步对土壤扰动重构模拟方法加以改进和完善，研究水分入渗系数、含水率与水位之间关系，结果如图3所示。

由图3 可知，随着入渗系数和含水率的升高，水位呈现上升的情况，并且不同入渗系数和含水率所引起的水位升高是不同的，入渗系数和含水率与水位上升呈线性关系，因此，通过分析结果，可以获得其相关方程：

式中，C1、C2为大气降水、土壤渗水；η、ζ为入渗系数、含水系数。

在非金属矿山中，矿体的稳态含水率与入渗系数随深度的关系见图4。由图4（a）可知，土壤扰动重构区域土壤深度为100 cm 以内时，含水率随土壤扰动重构深度增加呈增大趋势，但变化幅度较小。但是当土壤深度超过100 cm 时，含水率随土壤扰动重构深度增加呈增大趋势，且变化幅度较大，大于土壤未重构区域，说明现有土壤扰动重构方式对超过100 cm 土壤含水率具有一定促进作用。由图4（b）可知，随着土壤深度的增加，降水入渗系数也随之增大，对于土壤扰动重构区域最大入渗系数为0.10、土壤未重构区域最大入渗系数为0.135，说明现有土壤扰动重构方式缩减了降水对地下水有效补给。基于此，分析非金属矿山开采区域地下水位，如表1所示。

由表1可知，地下水位总体呈现先上升后下降趋势，在2020 年12 月份的水位低于2019 年12 月，2021年3月水位低于2020年3月，说明土壤扰动重构后使得地下径流受到了一定影响。

为了深入分析土壤扰动重构对地下水补给的影响，将研究区域现场与草原区域现场进行对比，草原土壤结构为腐殖土和黄土，研究入渗系数随土壤深度的变化规律如图5所示。

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根据图5 可知，不同的土壤结构的入渗系数不同，并且随着土壤深度的变化，入渗系数的变化程度不同，其中草原研究区域的入渗系数高于本文研究的非金属矿山开采土壤区域，并且其在50 cm 后，入渗系数呈大幅度上升趋势，表明其对50 cm 后的水分具有一定的促进作用。综合分析可知，由于黏土的渗透性能较差，土壤水在黏土中向下运移受阻，导致黏土上部含水率较高，即黏土的“隔水效应”对土壤水分的运移起主控作用［7-8］。

4 结 语

通过对非金属矿山开采土壤扰动重构对地下水补给影响要素进行分析可知，由于矿山开采区域土地的扰动和重建，使其地下水文要素及环境发生了较大变化，从而导致其地下水在原有基础上得到了一定程度补充，从而造成了矿山地面的变形。为了降低采矿扰动对地下水的影响，必须采取进一步措施，以有效地抑制因矿山开采对地下水补充能力的负面影响。