王應(yīng)剛,姜 琴,辛慧慧

(山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,太原 030006)

水資源問(wèn)題目前已成為全球關(guān)注的重要環(huán)境問(wèn)題之一[1],我國(guó)是水資源比較貧乏的國(guó)家,許多地區(qū)尤其是北方干旱、半干旱地區(qū)已有1/4的地下水被開(kāi)采而無(wú)法恢復(fù),而在煤炭開(kāi)采條件下這種現(xiàn)象更為突出[2]。

我國(guó)的煤炭資源非常豐富[3],煤炭資源的開(kāi)采為整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展做出了重大的貢獻(xiàn)[4],然而,煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā),不可避免地對(duì)自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大的擾動(dòng)[5],特別是對(duì)開(kāi)采區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生極為明顯的不可逆作用,從而嚴(yán)重破壞了地下水資源的自然賦存條件,使本來(lái)就已經(jīng)十分緊張的區(qū)域水資源供需矛盾更加尖銳[6]。煤炭的開(kāi)采與地下水資源緊密相連,煤層往往與地下含水層相鄰,采煤時(shí)會(huì)疏干地下水,這不僅影響了地下水資源的數(shù)量和質(zhì)量,而且破壞了水的動(dòng)態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境,造成一系列不良后果[7]。

山西省水資源比較缺乏,全省水資源人均占有量456 m3。是全國(guó)人均水平的1/5,是世界人均水平的1/20,山西煤炭資源開(kāi)采的一個(gè)重要特征是水、煤資源共生,在含煤地層的上面和下面以及煤系地層之上,形成水(主要為巖溶水)、煤共存的資源組合[8]。在這種水、煤資源共生的特定的水文地質(zhì)條件下,大規(guī)模的采煤、開(kāi)礦成為水資源損失的主要原因,煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)采對(duì)水資源的賦存和循環(huán)條件產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響[9-10]。本文通過(guò)對(duì)山西省襄垣縣41座煤礦進(jìn)行布點(diǎn)調(diào)查,從煤礦周圍86個(gè)村莊的86口水井的地下水位的下降值來(lái)探討煤炭開(kāi)采對(duì)地下水資源的影響,從而為該區(qū)域煤炭開(kāi)采及地下水資源保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 自然地理與水文地質(zhì)條件

襄垣縣位于山西省境內(nèi)上黨盆地的北部。全境地形西北高而東南低,屬半山丘陵地區(qū),平均海拔在1000 m,是內(nèi)陸黃土高原的一部分。全縣東西長(zhǎng)48 km,南北寬40 km,總面積為1 160 km2。現(xiàn)轄8鎮(zhèn)3鄉(xiāng),323個(gè)行政村,1 089個(gè)自然村,1 446個(gè)村民小組(圖1)。其礦產(chǎn)資源十分豐富,現(xiàn)已探明的礦產(chǎn)資源有煤、鐵、錳、銅、錫、硫磺、石膏、云母、石英砂、石灰石、鋁土礦、白云石、大理石、磁土等30余種。其中煤、鐵礦極為豐富。煤田南起閻村,北至南巖,長(zhǎng)45 km,寬10 km,共計(jì)450 km2,屬沁水煤田,現(xiàn)已探明地質(zhì)總儲(chǔ)量75.8×108t,煤質(zhì)以中灰、低硫、高發(fā)熱量、高熔灰份的貧煤為主。

圖1 研究區(qū)域位置圖Fig.1 Studying area location map

本區(qū)氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶詺夂?其特點(diǎn)為:四季分明,冬長(zhǎng)夏短,季風(fēng)較強(qiáng)。冬季寒冷少雪,春季干旱多風(fēng),常出現(xiàn)十年九旱;夏季炎熱多雨,秋季晴朗涼爽。據(jù)襄垣縣氣象站觀測(cè)統(tǒng)計(jì),全年平均氣溫為9.5℃,1月最低,最低氣溫-29.1℃,平均氣溫為-6.4℃,7月最高,最高氣溫達(dá)38.1℃,平均氣溫為23.2℃。年降水量在433.2～814.3mm,平均532.8 mm,大多集中在7～9月,日最大降水量為101.5mm(1972年7月7日),最長(zhǎng)連續(xù)降水天數(shù)為8d。區(qū)內(nèi)年平均蒸發(fā)量為1768.1 mm,年最大蒸發(fā)量為1 914.7 mm,最小為1 515 mm,年蒸發(fā)量是年降水量的3倍以上。歷年霜凍期為當(dāng)年的9月中旬至翌年5月上旬,全年無(wú)霜期134 d,最大凍土深度為0.82 m(1967年2月),歷年平均相對(duì)濕度為64%。冬季多為西北風(fēng),夏季多為東南風(fēng),平均風(fēng)速1.9 m/s,最大風(fēng)速18m/s。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取方法

2009年4～5月,對(duì)襄垣縣境內(nèi)的各個(gè)煤礦進(jìn)行了實(shí)際調(diào)查,獲得了全縣41座煤礦的現(xiàn)狀資料(表1)。對(duì)煤礦井田及其周圍86個(gè)村莊的86口水井的井水水面至地面的高度即地下水埋深進(jìn)行了調(diào)查,獲得了2009年各個(gè)村莊的地下水埋深數(shù)據(jù);根據(jù)襄垣縣水利局的記載,獲得了被調(diào)查水井在煤礦興建之前的井水水面至地面的高度即地下水埋深數(shù)據(jù)見(jiàn)表2～表4。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析方法

本次調(diào)查主要采用分區(qū)分組調(diào)查的方法,將41座煤礦井田內(nèi)及其周圍86個(gè)村莊的86口水井按照坐落位置的不同劃分為3個(gè)分布區(qū),即井田內(nèi)開(kāi)采區(qū)(含村莊30個(gè))、井田內(nèi)未開(kāi)采區(qū)(含村莊26個(gè))及井田外地區(qū)(含村莊30個(gè)),根據(jù)各個(gè)村莊水井煤炭開(kāi)采前后的地下水水位值計(jì)算出各個(gè)村莊水井的地下水水位下降值,利用SPSS對(duì)其與各村莊的海拔、人口及煤炭開(kāi)采前的地下水水位進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)性分析和Independent Samples Test檢驗(yàn)分析。

用簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)公式分別計(jì)算各村莊的地下水水位下降值與各村莊的海拔、人口和煤炭開(kāi)采前的地下水水位的相關(guān)性,以分析海拔、人口和煤炭開(kāi)采前的地下水水位對(duì)各村莊地下水水位下降值的影響程度,計(jì)算公式為:

用方差不齊時(shí)的t統(tǒng)計(jì)量和自由度的校正公式計(jì)算分析各區(qū)域間地下水水位下降值的差異,其計(jì)算公式分別為:

式中t′為方差不齊的t檢驗(yàn),v為自由度,根據(jù)相對(duì)應(yīng)的t和v,可以計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的p值,最終得出方差不齊時(shí)兩樣本的t′檢驗(yàn)。

表1 41座煤礦的概況Table 1 41 coal mines work condation

表2 各煤礦井田內(nèi)開(kāi)采區(qū)的村莊Table 2 Villages located in mining area

表3 各煤礦井田內(nèi)未開(kāi)采區(qū)的村莊Table 3 Villages in no mining area

表4 各煤礦井外的村莊Table 4 Villages out mining area

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理分析

2.1.1 簡(jiǎn)單相關(guān)性分析

襄垣縣41座煤礦周圍的86個(gè)村莊86口水井的分布情況分別見(jiàn)表2～表4。

分別將各個(gè)區(qū)域內(nèi)所有村莊水井的地下水水位下降值與各村莊海拔、人口和水井開(kāi)采前的地下水水位做簡(jiǎn)單相關(guān)性分析,結(jié)果表明村莊水井地下水水位下降值與村莊海拔、人口和水井開(kāi)采前地下水水位的相關(guān)性不高,總體來(lái)看,水井地下水水位下降值除與村莊人口具有一定的相關(guān)性外,其相關(guān)性為0.234(P＜0.05),與其它兩個(gè)要素的相關(guān)性都不明顯,其中與海拔呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這就說(shuō)明了研究區(qū)域的海拔、人口及煤炭開(kāi)采前地下水水位對(duì)水井地下水水位下降值的影響不顯著。

采用求算術(shù)平均數(shù)的方法,對(duì)各區(qū)域村莊水井的地下水水位下降值進(jìn)行處理,分別得出3個(gè)區(qū)域地下水水位下降的平均值(圖2)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以直觀地看出井田內(nèi)開(kāi)采區(qū)的地下水水位平均下降了76.9m,井田內(nèi)未開(kāi)采區(qū)的地下水水位平均下降了20.1 m,井田外地區(qū)的地下水水位則下降了6.3 m,不同分布區(qū)的地下水資源由于距離煤礦井田的遠(yuǎn)近不同而使地下水水位下降明顯出現(xiàn)迥異,離煤礦井田越近的地區(qū)其地下水水位下降越大,反之越小,這就是說(shuō),煤炭開(kāi)采對(duì)地下水資源造成重要的影響,且對(duì)其愈近的地區(qū)的水資源影響愈大,反之愈小,即井田內(nèi)開(kāi)采區(qū)影響最大;井田內(nèi)未開(kāi)采區(qū)其次;井田外地區(qū)影響最小。

圖2 地下水水位下降圖Fig.2 Groundwater decrease map

2.1.2 運(yùn)用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Independent Samples Test檢驗(yàn)分析

井田內(nèi)開(kāi)采區(qū)、井田內(nèi)未開(kāi)采區(qū)、井田外地區(qū)這3個(gè)地區(qū)原來(lái)的水資源環(huán)境相近,但由于煤炭的開(kāi)采使不同地區(qū)的地下水資源狀況出現(xiàn)差異,本文通過(guò)比較各區(qū)域煤炭開(kāi)采后地下水水位下降值的差異來(lái)確定煤炭開(kāi)采對(duì)不同地區(qū)水資源的影響。在這里可以把每?jī)蓚€(gè)地區(qū)的地下水水位下降值看作是1組獨(dú)立的數(shù)據(jù),然后運(yùn)用SPSS對(duì)其進(jìn)行Independent Samples Test分析,取a值為0.05,其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各區(qū)域地下水水位下降值差異分析Table 5 Difference analysis of groundwater decrease in the area

由表5可見(jiàn)3個(gè)地區(qū)之間的地下水位變化基本上都存在著差異(P＜0.05),其中井田內(nèi)開(kāi)采區(qū)與井田外地區(qū)的差異最大,而井田內(nèi)未開(kāi)采區(qū)與井田外地區(qū)的差異最小甚至不存在,這就進(jìn)一步論證了以上結(jié)論:煤炭開(kāi)采對(duì)地下水資源具有不同程度的影響。即煤炭開(kāi)采對(duì)其愈近的地區(qū)的水資源影響愈大,反之愈小,即井田內(nèi)開(kāi)采區(qū)影響最大;井田內(nèi)未開(kāi)采區(qū)其次;井田外地區(qū)影響最小。

2.2 地下水位不同程度下降分析

煤炭開(kāi)采和加工不僅本身需要大量用水,同時(shí),由于采煤引起的地表裂縫和塌陷,直接或間接地破壞了煤系地層以上的所有儲(chǔ)水構(gòu)造,破壞了地表徑流的排泄條件,地下水位下降,井泉枯干,水利設(shè)施破壞,蓄水工程失去效用。據(jù)資料,正常情況下,每產(chǎn)1 t煤綜合用水標(biāo)準(zhǔn)為1～3 m3。為了維持煤炭的正常生產(chǎn),采煤過(guò)程中必須把工作面的礦井涌水排出,這樣就導(dǎo)致煤層以上地下水被疏干。一般在煤炭開(kāi)采初期,隨著工作面的推進(jìn),礦井排水量逐漸增加,形成了以煤礦為中心的降落漏斗,使水流的水平運(yùn)動(dòng)改向垂直入滲運(yùn)動(dòng),從而使地表水越來(lái)越少,地下水位越來(lái)越深,襄垣縣采煤區(qū)淺層水井已更換了4次以上,水位平均下降了30m以上。部分采煤區(qū)由于淺層水全部滲漏,不得不開(kāi)采深層水,井深普遍達(dá)到300 m以上。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)襄垣縣41座煤礦86個(gè)村莊86口水井的布點(diǎn)調(diào)查,利用SPSS對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)性分析和Independent Samples Test檢驗(yàn)得出:在原來(lái)水環(huán)境條件相似的條件下,各區(qū)域的人口、海拔等與各區(qū)域地下水水位下降值相關(guān)性不顯著,數(shù)據(jù)顯示與煤礦井田開(kāi)采越近的地區(qū),其地下水水位下降越大,形成了以礦井為中心的降落漏斗。這就說(shuō)明了煤炭開(kāi)采是造成地下水水位下降的重要原因之一,且對(duì)不同地區(qū)的地下水水資源產(chǎn)生不同程度的影響。

煤炭開(kāi)采對(duì)地下水資源產(chǎn)生重要的影響,隨著煤礦的開(kāi)采,水資源的破壞將逐漸由淺層靜儲(chǔ)量向深層靜儲(chǔ)量乃至碳酸鹽巖溶裂隙水轉(zhuǎn)化,從而使地下水水位下降以煤礦井田開(kāi)采點(diǎn)為中心向四周擴(kuò)散。本次研究結(jié)果對(duì)于煤炭開(kāi)采區(qū)地下水資源的保護(hù)具有一定的參考價(jià)值,建議在進(jìn)行礦區(qū)水資源保護(hù)時(shí)要因地制宜,針對(duì)不同區(qū)域的地下水資源的破壞情況制定不同的保護(hù)措施。同時(shí)從水資源破壞的影響因素來(lái)看,含水層結(jié)構(gòu)破壞和地下水環(huán)境演化對(duì)水量的影響是引起水資源破壞的主要原因。所以,地下水資源破壞的控制除了要因時(shí)因地,一切從實(shí)際出發(fā)來(lái)制定不同的保護(hù)措施外,也應(yīng)從防止或減輕含水層結(jié)構(gòu)破壞和維護(hù)地下水環(huán)境平衡兩方面考慮:①首先要保護(hù)地下含水層結(jié)構(gòu),采用適當(dāng)?shù)牟擅悍椒?避免含水層結(jié)構(gòu)突然破壞,充填采空區(qū),防止因采煤沉降引起的含水層結(jié)構(gòu)被破壞;②要減少工業(yè)固體廢棄物對(duì)水環(huán)境的污染,矸石山的選址要合理,矸石山底部設(shè)置防滲層,對(duì)矸石淋濾液進(jìn)行處理,減少對(duì)水環(huán)境的污染;③要加強(qiáng)工業(yè)廢水排放的管理,嚴(yán)禁排放未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)廢水,減少對(duì)河、湖及水庫(kù)等水源的污染,對(duì)廢棄的采空區(qū)進(jìn)行調(diào)查,掌握采空區(qū)分布及面積,對(duì)部分老窿積水進(jìn)行處理,實(shí)施土地復(fù)墾技術(shù)。只有這樣才能取得經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)的良好效益,對(duì)實(shí)施生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展意義深遠(yuǎn)。

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