清水工业园某场区地下水动态变化分析及预测

曹虎生，闫 青

(陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

地下水动态是在自然和人为因素影响下，地下水水位、水温、水量和水质等随时间的变化过程[1]。近年来，随着神木市清水工业园的逐步建设，人类活动改变了当地的地貌形态和下垫面性质，建筑物基础改变了地层的结构，露天矿开采破坏了含水层结构，这些人类活动对清水工业园水文地质条件产生了重大而深远的影响，改变了园区范围内补给径流排泄条件及地下水动态特征。为探究地下水动态变化原因和防治措施，以清水工业园内某化工企业场区为研究对象，对地下水动态进行预测研究。

1 场区概况及地质环境条件

1.1 场区概况

该化工企业场区位于榆神工业园区清水工业园西部，占地面积约5.8 km2，地处清水沟沟脑西侧，北侧分布有S204省道(神木-靖边)、榆神高速公路(榆林-神木)和包西铁路(包头-西安)，东侧分布有神佳高速公路(神木-佳县)，西侧分布靖神铁路专用线。场区水文地质条件变化受区域地质构造、外动力地质作用以及人类工程活动的共同影响，地下水水位变化对后期地基强夯处理、建筑荷载后的地基土和烧变岩稳定性将产生不同程度的影响。因此，探明场区地下水的变化趋势，对企业项目后期施工建设具有较强的技术支撑作用。

1.2 地质环境条件

地形地貌：场区地处陕北黄土高原北缘与毛乌素沙漠东南缘的接壤地带，为风沙滩地，经过场平处理，地势平坦。

气象：场区处在中温带、半干旱大陆性季风气候区，蒙古寒流会在春冬两季给此地造成影响[2]，干旱少雨，蒸发量大，多年年平均降雨量583.5 mm(2013—2018年)，月最大降雨量261.9 mm，降雨量在夏秋两季比较集中，多集中在7、8、9这3个月，占年降雨量的67%左右。

水文：场区地处秃尾河右岸清水沟支流群泉西部。场区平整前发育季节性小型冲沟，西北-东南流向，沟床散乱，流量年季变化大，在流径途中易于下渗或断流，以群泉的形式排入清水沟，向东10 km汇入秃尾河。场区的沟流水体主要来源于野鸡河，该河发源于大保当镇西高羔兔沙漠区，向东流至大保当滩地区，容纳众多沟渠后折向东南汇入场区及其周边低洼地带。

地层：勘察深度内地层由新至老依次为第四系全新统人工填土(Q4ml)、风积沙(Q4eol)、上更新统萨拉乌苏组(Q3s)、中更新统离石组(Q2l)和新近系上新统保德组(N2b)和侏罗系中统延安组(J2y)。

水文地质：场区内地下水依据其赋存条件、水力特征和含水介质分为新生界松散层孔隙潜水、中生界碎屑岩类裂隙承压水和烧变岩裂隙潜水，其中的新生界松散层孔隙潜水含水层又可分为第四系上更新统萨拉乌苏组冲湖积层孔隙潜水含水层和第四系中更新统离石组黄土孔隙潜水弱含水层。其赋存条件受地形地貌、地层岩性、古地理环境等诸因素的综合制约。

2 场区地下水动态影响因素

地下水动态产生的原因主要是由于地下水补给与排泄不均衡引起的，研究地下水动态的影响因素是了解地下水变化趋势、变化幅度以及人类活动对地下水系统影响程度的必要途径[3]，可以为场区地下水动态预测提供理论数据支撑。

2.1 降水入渗补给

清水工业园建设之前，园区地貌形态以沙漠滩地、沙盖黄土丘陵为主，地表多为风积沙覆盖，有利于大气降水的入渗补给，降水入渗补给系数为0.15～0.4，在沙漠区甚至可以达到0.6。园区建设后，随着场地平整、强夯、地面硬化、建筑物覆盖、地表雨洪排水系统的完善，场地下垫面性质发生了重大改变，导致大气降水入渗补给系数降低到0.03～0.1，使得场地获取的降水入渗补给量相对于建设前的补给量减小了5～10倍。这将导致场地内地下水位呈现出下降的趋势。

2.2 地下水侧向径流补给

天然情况下，受清水沟排泄基准面控制，清水沟流域内地下水在获得面状大气降水入渗补给后，整体由西向东向清水沟径流，场区位于整个径流系统的中下游。根据清水工业园的总体规划，在场区上游规划有大量的园区企业、城镇居民集中区，这些设施的修建也将因下垫面性质的改变，而使得接受大气降水入渗补给的能力大大降低。最终导致场区上游断面上地下水汇水范围内的总补给量减少，进而导致场区地下水侧向径流补给量减少。根据本次实地调查，野鸡河流域的滩地区地下水资源开采条件相对较好，主要采用引泉、引流、机井和压水井等方式开采用于城镇用水、村镇人畜用水、农业灌溉用水等，这些人工开采的存在也将导致场区地下水侧向径流补给量减少。最终使得场地内地下水位呈现出下降的趋势。

2.3 西湾露天矿排水

在场区以西存在有西湾露天矿，距离场区边界不足2 km，该露天矿的东边界以2-2煤烧变岩西边界为界，露天区充水水源主要为第四系萨拉乌苏组孔隙潜水、烧变岩孔洞裂隙潜水及风化基岩裂隙承压水[4]。露天矿生产过程中的矿坑排水将显著改变矿坑周围的地下水动力场特征，降低矿坑周边地下水位。露天坑的存在一方面截断场区上游的地下水侧向径流补给，另一方面露天坑的持续排水激发场区内地下水向露天坑排泄，这两者共同作用将大幅降低场区地下水位。根据场区地下水位勘测资料，场区西边界附近部分地段水位低于东邻观测孔的水位，表明场区西边界局部地下水流向变为由东向西径流。

2.4 浅沟水体渗水补给

场区西南角存在一个浅沟水体，根据调查，在清水工业园建设前，该水体为发源于大保当镇西高羔兔沙漠区的野鸡河，向东流径至大保当滩地区，容纳众多沟渠后折向东南汇入场区及其周边低洼地带，至此又下渗转化为地下水。清水工业园建设后，该浅沟水体为场区上游野鸡河因工业园区及城镇居民集中区建设而改道集中流入场区而形成的，同时也是园区市政排水、西湾露天矿矿坑排水的集中排放点，该水体汇集的水除部分蒸发外，全部下渗补给了场区的地下水。如果该水体长期存在，额外增加的市政排水、西湾露天矿矿坑排水的下渗补给，将抬高该水体周边的地下水位。根据工业园区整体规划，园区将采用疏排、填埋夯实的方式对该水体进行治理，届时该补给量将不复存在。相对于园区建设前，场区在该处获得的野鸡河渗漏补给量将消失，也将导致场区该水体周边内地下水位显著下降。

2.5 铁路路基阻水

紧邻场区西边界处建设有靖神铁路专用线，该铁路路基建设将原野鸡河河道切断，园区将河道约束改道后通过铁路桥涵引流至场区西南角的浅沟水体，现状条件下，该水体中的水自由下渗补给场区内的地下水，改变了地表水体下渗补给的位置，对场地内局部地下水流场形态有一定影响。根据园区规划，该浅沟水体将通过疏排、填埋夯实的方式进行治理，届时约束改道后的野鸡河将直接向下游排泄，场区内原野鸡河的散排下渗补给将不复存在，将导致场区内地下水位下降。

2.6 清水沟泉水排泄

清水沟是清水沟流域的集中排泄区，天然条件下流域内地下水所获得补给量将全部以泉的形式在清水沟沟脑及两侧沟坡排泄，其中以沟脑烧变岩大泉排泄为主。清水工业园区建设后，通过以上多种形式改变了流域内地下水的循环模式，也导致场区内地下水补给量大幅减少。但流域内补给量减少的同时，清水沟泉水排泄却始终存在，只是排泄量将持续减少。在这种补给排泄的循环模式作用下，场区地下水在相当长的时期内处于负均衡状态，地下水位将持续大幅下降，直至新的动态平衡形成，场区的地下水动态才将趋于平稳。

3 场地地下水动态预测

3.1 地下水侧向径流补给消失情况下动态预测

地下水位变化的计算：随着清水工业园大规模建成，清水沟流域降水入渗补给大幅减少，场区西边界地下水侧向补给量也将大幅减少。考虑极端情况下，地下水侧向补给量完全消失时，场区的地下水位变化可用下式近似计算

(1)

式中：h—场区地下水位，m；h1—清水沟沟脑烧变岩大泉排泄标高，约1 110 m；W—场地硬化后降水入渗补给强度，约6×10-5m3/(d·m2)；K—场区含水层平均渗透系数(约1 m/d)；x—场区一点至烧变岩大泉的距离，2 750 m。

对比分析：将场区各参数代入上式可近似计算出地下水侧向补给量完全消失时，场区的地下水浸润线形态趋于平缓，地下水位标高最高处仅比烧变岩大泉泉口标高高出约1 m。经与现状地下水浸润线形态对比分析可知，地下水侧向补给量完全消失时，场区的地下水位将最大下降近30 m。

3.2 西湾露天矿排水情况下动态预测

地下水位变化计算：场区西侧的西湾露天矿排水条件下，露天坑东部地区地下水在露天坑排泄基准的控制下，将向露天坑径流，此时场区的地下水位变化可用下式近似计算

(2)

式中：h2—西湾露天矿排泄标高，约1 090 m；l—西湾露天矿排泄边界至烧变岩大泉的距离，约3 850 m。

对比分析：将场区各参数代入上式可近似计算出地下水侧向补给量完全消失时，受西湾露天坑排水及场地硬化影响，场区地下水位总体向露天坑径流，清水沟泉水趋于消失。经与现状地下水浸润线形态对比分析可知，在西湾露天坑排水及场地硬化影响下，场区的地下水位将最大下降近50 m，届时场区烧变岩含水层将趋于疏干状态。

4 结语

地下水补给和排泄量的变化可直接反映在地下水位的上升与下降[5]，清水工业园化工企业场区地下水动态受气象和上游地区人类工程活动作用影响，水位变幅较大，具有双峰特征。当上游地下水侧向补给量完全消失时，场区的地下水位将最大下降近30 m；受西湾露天坑排水及场地硬化影响，场区地下水位将大幅度下降，最大下降近50 m。