伊敏露天矿地下水资源环境影响后评价方法及理论研究

李天昕 刘祥 毕盈 张树礼 李静 李希耀

伊敏露天矿地下水资源环境影响后评价方法及理论研究

李天昕 刘祥 毕盈 张树礼 李静 李希耀

通过分析不同时期伊敏露天矿采区内多点位地下水水位的空间变化实际监测数据，利用克里格差值法进行采区内地下水资源量变化趋势的模拟分析，得到长期连续定水位疏干的地下水资源变化规律；在此基础上，分析地下水疏干量、开采规模、区域降雨补给量三个影响因素与地下水资源变化规律的相关性，得出露天采矿地下水资源累积影响的主要限制因子，并对伊敏露天矿长期连续定水位疏干地下水的环境资源影响进行后评价，同时在后评价基础上采用趋势外推法进行趋势影响预测，为完善环境影响后评价方法体系提供借鉴，为企业提出有针对性的地下水资源累积影响减缓措施提供依据和指导。

地下水；环境影响后评价；趋势分析法

煤炭是中国的首要能源，大规模的煤炭开采给区域地下水资源带来了重大影响及潜在的威胁[1-2]。据不完全统计，2008年全国地下降落漏斗就有222个[3]。而且由于部分地区严重超采，已造成地下水位大幅下降，出现地面塌陷等地质环境问题[4-5]。全球地下水总量中因煤矿开采导致的地下水减少约占总抽水量的70%，而我国近70%人口以地下水作为饮用水水源，地下水资源的重要性不言而喻[6]。本文旨在以伊敏露天矿的实际水文地质数据为出发点，利用趋势模拟分析的方法，仅针对露天采矿所带来的水资源量的影响规律及趋势进行较为全面环境影响后评价，为地下水环境影响后评价方法体系的完善提供借鉴。

1 研究区背景

伊敏矿区位于中国北部边疆内蒙古自治区呼伦贝尔盟鄂温克自治旗管辖，伊敏河中游的伊敏乡境内（图1）。矿区煤田为一轴向东北的向斜盆地，盆地两侧为低山，丘陵，南为台地且地形较高，制高点的海拔高程；盆地中部地形较平缓，南高北低，海拔高程一般为644～781 m，相对高差137 m，总面积约65 km2。该区域含水层可分为3层，垂直向上划分，从上到下分为第四系砂砾石含水层，第三系砾岩含水层和煤系含水层。第四系砂砾石含水层是个连续的含水层，它广泛地分布于煤系地层之上，且其地下水与煤系地层水联系密切，该含水层的岩性以砂砾石、砂砾、卵砾、粗、中砂为主，为孔隙含水层。第三系砾岩含水层，岩石成分以分选性较好的砂砾岩、砾岩和粗砂岩为主，为孔隙含水层。该含水层与地下水联系密切，地层含、导水性较强。煤层含水层在全区发育，岩性以砂砾岩、粗砂岩和煤层为主，厚度一般为40～90 m，区域内含水层，含水、导水性强，地下水来源为大气降水和第四系及第三系地层水的深入补给。

2 研究区地下水资源变化趋势分析

图1 研究区地理位置

本次地下水环境影响后评价评价时段跨度为十年，为了从较为宏观的角度对矿区进行区域性综合评价，考虑到伊敏矿区地质条件的复杂性，将其进行理想划分，忽略地质断层、井群干扰等因素，视含水层区段为均匀同相介质，各向导水性相同，并将疏干井群宏观上视为大井，利用“大井法”[7]来考虑矿坑涌水量。从而利用近十近的矿区区域地下水水位监测数据对区域地下水水位和地下水漏斗形状变化情况进行模拟分析。

2.1 地下水位变化规律

大型露天矿开采，需要对表层岩土进行剥离，矿区煤层上覆岩层的开挖破坏地下岩层的空间形态，改变了地下含隔水层结构，甚至影响区域地下水补径排等条件，在大量地下水被疏干，地下水水位就会下降，长期形成了以采坑底板中心为圆点的地下水漏斗，极大地浪费了地下水资源。

伊敏露天矿通过长期观测，得到了同一采坑底板不同时段的地下初见水位标高监测数据，其变化规律如图2所示。

从图2可以看出，自2000—2009年，随着露天矿不断开采，地下水水位标高不断下降，10年间下降了27.7 m，其年间隔最大下降米数为6.66 m，2009年达到最低水位为571.02 m。可见，露天矿地下水资源已逐年减少。

2.2 地下水漏斗变化趋势分析

伊敏矿区由于长期大面积剥离矿体上覆岩层, 开采其上的含水层，改变了地下水的储水条件和补给、径流、排泄条件，这种人为的干扰强势地改变了地下水流场，成为影响地下水流域形态的主要因素，从而形成了面积较大的以采坑为中心区域的地下水降落漏斗。本研究利用近四年矿区对40眼观测井的观测台账数据，利用克里格差值法，以多点模拟空间，选择区域闭合的水位线660 m（波折线）作为漏斗区的边界，利用Surfer软件[8]对原始数据进行格网化插值，形成3D表面图，还原漏斗现状如图3所示。

图2 2000—2009年露天矿地下水水位标高变化

图3 2007—2010年地下水漏斗趋势变化图

图3立体地还原出近四年地下水漏斗的变化情况，可明显地看出2007年至2010年，研究区地下水水位已明显下降，并形成了较为严重的地下水漏斗，且尽管每年的疏干水量累积量变化不大但地下水漏斗范围随时间逐年扩大，理论上也说明地下水漏斗半径是一个随时间而变化的函数。同时可以发现，由于采矿工艺的改进，不断控制开挖面面积及疏干水范围，使漏斗最低点区域面积在逐渐减小，从2008—2009年尤为明显，这也很可能与在某一开采点处的开采量强度不断加深有关。此外，漏斗的最低点不在变化区域范围中间，主要有两个原因，一是由于露天矿开采的方向所致，由于伊敏矿区含水层开采量和开采强度分布不均衡，以及介质的差异，导致区域水位降落漏斗水力坡度各向异性。在漏斗北部和东部地区,长期大量开采，单位面积开采强度大，因此水力坡度较大；在漏斗南部和西部地区，因为水源稀疏，单位面积开采强度小，故水力坡度相对较小。

漏斗中心位置始终向开采量和开采强度相对较大的地区位移。二是由于伊敏河由南向北流经矿区东侧，对地下水进行大量补给，所以造成地下水最低点位于矿区东侧。从整体趋势来看，虽然漏斗最低处的面积在逐渐减小，但从2007年的绿色区域到2010年已隐约不见，说明地下水水位在进一步下降。这也间接说明企业采取的减小开挖面面积和疏干水面积的措施对于减缓地下水资源影响有一定效果，但地下水资源的影响范围仍会随连续抽水时间慢慢扩大。若不考虑其他因素，无疑利用天然断层和构建隔水围幕是控制地下资源影响范围不断扩大的有效措施。

3 露天采矿地下水资源影响因素分析

通过分析研究区多年连续开采条件下地下水资源动态变化数据资料，初步确定矿产开采带来的地下水位变化影响因素主要为：开采量、疏干水量、降雨量、灌溉回归及河流补给等。在此，由于本研究区的特殊地理条件及开采模式，经初步筛选我们仅对开采量、疏干水量累积量及降雨量做相关性分析。然后，再利用数理统计的回归分析法对研究区地下水水位变化和主要因素的相关性进行逐步回归计算[9]，假设各影响因素为自变量，地下水水位为因变量，建立一个相关性较好的回归方程，对开采条件产生变化时地下水位可能产生的变化趋势进行预测。

3.1 开采量

研究区近十年的开采量一直在不断地变化，而地下水水位则是随着露天矿开采规模的不断扩大而不断下降，具体数据见表1。

表1 地下水水位与开采规模的关系

评价采用回归分析法多项关系进行拟合，得到两者的相关系数如图4所示。

图4 地下水水位标高与煤炭开采量的相关性

从表1及图4中可以看出，地下水水位标高随着煤炭开采量的不断增加而逐渐下降，两者呈现多项式关系，得到的回归模型数学表达式为 y=-1E-12x2+4E-6x+597.1，R2=0.972，拟合度较高。可见，煤炭开采量对地下水位的变化影响较大，是主要的影响因子之一。

3.2 疏干水量累积量

为了研究露天矿降深与疏干水量累积量的关系，评价对1994—2010年的疏干水量累积量和水位降深相关性进行了回归分析，从线性、指数和多项式三种关系对其进行拟合，结果表明见图5。

图5 疏干水量累积量与地下水位降深的相关性

从图5可见，拟合结果中多项式拟合系数最大仅为0.128，说明其疏干水量累积量与地下水位降深关系并不明显，并非限制性影响因子。

3.3 降雨量

由于当地地下水的补给主要来自降水，因此，我们对比分析了1998—2010年的地下水位标高与降雨量的关系，如图6所示。

从图6中可以看出，对等水位标高与降雨量的拟合关系中相关性最大的是多项式关系，但R2值只有0.075，可见伊敏地下水水位标高与降雨量关系不大。

综上所述，本次分析地下水水位的主要影响因素可以简单、清晰地概括为:开采量、疏干水量累积量和降水量。而其最大的影响因素为开采量。

图6 降雨量与地下水水位标高的相关性

4 露天采矿地下水资源影响范围趋势预测

将研究区地下水位资源变化趋势的模拟分析结果与伊敏露天矿长期观测的水文地质参数相叠加，测量观测水井与采坑底板中心的距离，利用差值法进行空间外推，模拟出采区各时期地下水漏斗直径如表2所示。

表2 2007—2010年地下水漏斗直径

在此基础上，采用回归分析法分析漏斗直径与时间的相关性，可得到漏斗直径与时间的函数关系式如图7所示。最后该假定所有采矿参数不变，采用趋势外推法对未来地下水漏斗直径的变化进行预测，结果如图7所示。

图7 地下水影响范围趋势预测

由表2可见，随着年份的增加，地下水漏斗的最大直径在持续增大，地下水漏斗面积不断增加，2010年伊敏矿区地下水漏斗最大直径达到约为11 000 m。基于上文分析可知主要原因是由于地下水漏斗半径为时间t的函数R（t）。同时，开采量的增大也是主要的影响因素，伊敏矿从1984年的100万t/a到2008年二期达产规模到1 100万t/a，露天矿规模扩大了1 000万t，严重影响了地下水水位及其区域水资源。

从图7中可以看出，地下水漏斗最大直径随时间的变化曲线为y=3 658.6ln(x)+6 798.4，最小直径随时间的变化曲线为y=1 130.7ln(x)+7 313.8，最低点深度随时间的变化曲线为y=0.535x+657.57，预测到2015年漏斗最大直径约15 000 m，最小直径约10 000 m，最低点深度657.57 m左右。中心点位置随着采掘面向西移动，漏斗形成区域将会逐渐向北部和西北部移动。

综上可见，随着开采强度的不断增加，地下水水位仍会不断下降，降落漏斗面积也将不断增大， 但通过合理控制开采量，根据矿区特性，选择均衡法、解析法、数值法等适当的方法，结合开采方案计算得出允许开采量值进行合理开采，同时辅以隔水措施，地下水水位及漏斗面积可以得到控制。

5 结论

通过对研究区多年实际监测数据的综合分析和模拟，可得出如下结论：

（1）伊敏露天矿不断开采，地下水水位标高不断下降，呈连续下降趋势，10年间下降了27.7 m，其年间隔最大下降米数为6.66 m，2009年达到最低水位为571.02 m。

（2）利用克里格差值法，以多点模拟空间分布发现下水漏斗半径是一个随时间而变化的函数，且改进工艺控制开挖面面积及疏干水范围，可使漏斗最低点区域面积逐渐减小，从2008—2009年工艺改进效果来看尤为明显。另外，可发现降落漏斗水力坡度是各向异性的，主要受采矿强度空间分布的影响。

（3）地下水水位标高随着煤炭开采量的不断增加而逐渐下降，两者呈现多项式关系，其回归模型数学表达式为y=-1E-12x2+4E-6x+597.1，R2=0.972，拟合度较高，说明煤炭开采量为地下水资源环境的主要影响因子。而疏干水量累积量和降雨量与地下水位降深关系均不明显，并非限制性影响因子。

（4）采用回归分析法和趋势外推法对未来地下水漏斗直径的变化进行预测，到2015年漏斗最大直径约15 000 m，最小直径约10 000 m，最低点深度约657.57 m，需进一步控制开采工艺参数，并辅以隔水措施。

[1] 乔小娟, 李国敏, 周金龙, 等. 采煤对地下水资源与环境的影响分析——以山西太原西山煤矿开采区为例[J]. 水资源保护, 2010, 26(1): 49-52.

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X824

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2095-6444(2014)06-0050-04

2014-10-15

李天昕，北京科技大学环境工程系副教授；刘祥、毕盈，北京科技大学环境工程系；张树礼、李静，内蒙古环境科学研究院；李希耀，华能伊敏煤电有限责任公司。