大型露天矿闭坑后地下水资源调整预测研究

邓 焱，郝 喆，许春东，吴超君

(1.辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036；2.辽宁有色勘察研究院，辽宁 沈阳 110013)

近年来，不断有大型露天矿坑因资源枯竭而闭坑，矿坑水在闭坑后的运移规律和水资源的合理优化技术越来越引起人们的重视[1，2]。抚顺西露天矿作为曾经的亚洲第一大露天煤矿，从1914年开采至今已超过百年历史。以往针对西露天矿水环境问题，曾开展过大量的研究工作：杨天鸿等人通过调查分析，总结了抚顺西露天矿北帮岩体渗透性和水压动态规律[3]。佟鸿儒等人通过调查，对抚顺西露天矿矿坑水现状进行了分析[4]。殷丹等人通过调查，分析了抚顺西露天矿坑水质情况及水综合利用的意义。高波等人通过对含水层分布调查，给出了提升矿井疏干水综合利用率方案[5]。

2019年6月，西露天矿正式启动退煤闭坑程序，但矿坑水仍一直持续排放，引起了一系列的生态环境及地下水环境问题。闭坑后西露天矿的水环境将面临新的调整，大范围停排水将导致矿坑水位将上升，造成严重的边坡稳定、地下水资源浪费和地表水污染等问题，同时由于矿坑的西部北部地势低于东部南部，还会使西部北部居民区水位线升高，增大城市排水压力[6]。因此，对闭坑后矿坑地下水运移进行模拟寻找规律，合理开发利用矿坑水，进一步进行水资源优化具有重要的现实意义。

1 区域概况及参数确定

1.1 区域概况

抚顺地区历年平均降水量为770～810mm，年平均蒸发量为1100～1200mm，下垫面条件及其他气象因素对蒸发量地区分布变化的影响明显。根据统计数据，市区的生态环境用水总量大约0.3亿m3/a，工业用水量1.7亿m3/a，城镇公共用水量0.3亿m3/a。浑河河道干流总长415km，流域面积11481km2，是流经抚顺市最大的河流。古城子河长18.8km季节性河流，河床宽度约50m，河道与露天坑西帮最近处为150m。本区自上而下包括松散岩类孔隙水含水层、碎屑岩类孔隙裂隙水含水层、基岩构造裂隙水含水层三个含水层组，各含水层组之间存在一定的水力联系[7，8]。

西露天矿位于抚顺市区西南部、浑河南岸，现状矿坑面积10.78593km2，东西最长约5.8km，南北最宽处约2.2km。向坑内汇集水的来源有：大气降雨、浑河补给源、古城子河床潜水等，汇水量可能达2000万m3/a。东露天矿位于抚顺煤田东部，矿区面积9.2078km2，东西长约6km，南北长约1.9km。

1.2 模型参数的确定

依据钻孔试验、抽水试验、渗水试验和弥散试验以及对河流流量的分析结果，汇总后再与经验值相结合对模拟区域进行分区，确定地表下岩土分层标准，渗透系数，定水头边界参数，河流参数等相关参数。对近年雨水补给量和蒸发量进行汇总求平均值，确定雨水补给量和蒸发量参数[9-12]。

1.2.1 水力传导系数和存贮系数

根据抚顺地质演化分析和钻孔数据渗透系数分析，建立六个不同沉积环境的成因地层单位。利用抽水试验资料，结合沉积环境和构造条件综合分析，根据区域地质资料和水文资料，按沉积岩的特征和经验对每一层不同分区的水力传导系数和存贮系数的经验值。水文地质参数见表1[13]。

表1 水文地质参数

1.2.2 补给与蒸发

抚顺露天矿坑周围区域垂向补给主要有降雨入渗补给和田间灌溉入渗补给等。根据历年降雨量取平均值670mm/a。再将垂直方向的补给量同期叠加，确定垂直补给量为690mm/a。蒸发量居民区和地势平缓区域蒸发量1100mm/a，山地和矿坑区年蒸发量400～800mm/a。蒸发深度0.5～10m。

2 模拟结果分析

2.1 模型建立

利用Visual modflow[14]建立模拟区三维结构。模型范围14743m×5208m×800m，设置50×100的栅格，基本单元是147.43m×104.16m。边界处添加行列以便定水头的添加。在1.7～2.5km加密行至基本行距三倍以便计算。上部的第四系水泉段沉积物为潜水含水层，根据水文孔资料和地表水位观测资料，确定边界部分的水头参数；第二层以下为承压水，其渗透性能好，形成了各含水层水力联系和通道，综合分析确定各层的边界条件。浑河流域最北点的纬线作为模型北部边界；西露天矿最南点所在的纬线位置作为模型南部边界；古城子河和浑河交汇处的经线位置作为模型西部边界；东露天矿最东点所在经线位置作为模型东部边界；以-600m作为模型底部边界；地表作为模型顶部边界。

2.2 地下水位预测与径流分析

输入各区域补给强度，蒸发强度，渗透系数，水头边界相关参数，河流系数，抽水井参数等数值后，分别模拟在停止排水1000d、2000d、3000d、4000d、5000d、8000d、10000d时水位标高，结果如图1所示，可以看出水位在停止排水8000d后基本保持不变。模拟10000d地下水在停止排水并达到动态平衡时的地下水水位预测如图2所示，水位达到60m的水平。同时由于东露天矿没有停止排水，使西露天矿东部的水位线降低，在西露天矿坑周围区域形成一个西高东低的水位线分布。西露天南面地势高，北面地势低，使地表水呈现由南向北流的趋势，河流由排泄源变为补给源。同时，在停止排水后可以看出西露天矿西北角的排土场区域水位高于周围水位。

图1 随时间变化西露天矿坑内水位标高

图2 停止排水10000天地下水水位预测

2.3 区域水均衡分析

将抚顺西露天矿坑部分设为均衡区2(Zone2)，第一、二层非矿坑区部分为均衡区3(Zone3)，其他部分为均衡区1(Zone1)，如图3所示。利用校正好的模型，对区域水均衡进行计算，沿Y=1200做垂直切面图，结果如图4所示。

从均衡图中可以看出，从表层经降雨入渗进入矿坑的水为16521m3/d，通过地表蒸发的为14999m3/d，从地下水中进入矿坑(Zone1 to Zone2)的水为(37192-8847)=28345m3/d，从潜水进入矿坑(Zone3 to Zone2)的水为(30435-3534)=26901m3/d，经矿坑排出(wells out)的水为56768m3/d。同时，Zone2没有河流经过，未设置水头边界和其他排水系统。

从均衡结果看，与实际较一致。在正常排水情况下，停止排水后垂直补给量和蒸发量变化不大，西露天矿坑排出水量为56768m3/d，尽管停止排水后Zone1流向Zone2的水会有所减少，但大部分的水量仍需从Zone2流向Zone1和Zone3以达到水均衡，Zone1和Zone3受渗透系数和区域大小的等因素的制约不能承载大量的水，因此极大可能会在矿坑地表形成积水。完全停止排水后，现有水均衡发生改变，在不考虑水土流失和生物因素的条件下，经过约三十年矿坑水位可达到60m。给坑边的居民区和工厂甚至东露天矿造成极大损失，损失后果将大于排水所需费用，因此完全停止排水不可行。

3 水资源优化模型分析

取2016—2018年矿坑排水量平均值24482927m3/a，考虑当地千金油厂和造纸厂的硬性需水以及消火除尘和供水过程的水资源消耗，最终水资源量优化总量取为1700万m3/a，分别用于工业、城镇和生态[15]。

3.1 模型目标的确定

1)目标1：供水净效益最大。

式中，xij为水泵i向j用户的供水量，万m3；bij为水泵i向j用户的供水量效益系数，元/m3；cij分别为水泵i向j用户供水量的费用系数，元/m3；ai为公共水源i供水次序系数(根据各种水源的性能不同，先后顺序的差别，可看作一种权重系数)。

图4 抚顺西露天矿(Zone2)水均衡

2)目标2：供水系统总缺水量最小。

式中，Dj为j用户需水量，万m3。

鉴于社会效益目标更不易度量，而缺水量的大小或缺水程度影响到社会发展与安定，因此，以总缺水量最小作为社会效益目标的间接度量。

3.2 模型约束条件的确定

1)水源可供水量约束。

式中，xij为水泵i向j用户的供水量；Wi为水泵i总水量，取2500万m3。

2)用户需水能力限制。

式中，Djmin、Djmax为j用户的最小、最大需水量。

将各组分配水量上下限进行简单范围约束，以保证分配合理，同时进行非负约束。

3.3 计算结果分析

使用MATLAB建立优化模型[16]。代入数据，计算得出城镇用水分配600万m3/a，工业用水分配400万m3/a，生态用水分配700万m3/a时，经济效益和社会效益两个目标所得结果整体较好。

4 结 论

1)停止排水后，受地表渗流，河流渗流和蒸发强度影响，水将向西露天矿区汇聚，同时蒸发强度较高使矿坑水位低于周围水位，形成一个矿坑水域，待稳定后最终水位达到60m左右。

2)停止排水后，受东露天抽水井影响西露天矿东部的水位线降低，在西露天矿坑周围区域形成一个西高东低的水位线分布。受矿坑南北地势影响，地下水从南向北流动，河流由排泄源变为补给源。排土场水位高于周围地区。

3)从水均衡模拟结果可以看出，停止排水后，Zone1流向Zone2的水会有所减少，但大部分的水量扔需从Zone2流向Zone1和Zone3以达到水均衡，Zone1和Zone3受渗透系数和区域大小的等因素的制约不能承载大量的水流量，因此会在矿坑地表形成积水，给坑边的居民区和工厂甚至东露天矿造成极大损失，损失后果将大于排水所需费用，因此完全停止排水不可行。

4)从水资源优化模型计算结果可以看出，城镇用水分配600万m3/a，工业用水分配400万m3/a，生态用水分配700万m3/a，可以西露天矿的下一步综合治理和整合利用提供依据，也可供相似闭坑露天矿水环境分析和优化配置提供参考。经济效益和社会效益两个目标所得结果整体较好。