王淼淼，陳宜金，邢朕國(guó),2，馬文濤

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

煤炭是我國(guó)基礎(chǔ)能源，煤炭在一次性能源消耗中長(zhǎng)期占70%左右。煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)和帶動(dòng)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)在促進(jìn)人類社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，也會(huì)引起一系列影響深遠(yuǎn)的水環(huán)境問題[1-2]。面對(duì)我國(guó)地下水資源保護(hù)開發(fā)現(xiàn)狀，各級(jí)政府部門相繼出臺(tái)了政策法規(guī)；針對(duì)煤炭和水資源開發(fā)的復(fù)雜關(guān)系，相關(guān)學(xué)者也開展了深入研究。彭蘇萍等[3-4]研究了我國(guó)煤炭資源與水資源的分布特征，提出了煤炭資源開發(fā)可持續(xù)發(fā)展理論；武強(qiáng)等[5-6]從礦井水防控與資源化利用角度，提出了“煤-水”雙資源型礦井技術(shù)；顧大釗[7-8]研究了神東礦區(qū)水資源保護(hù)與利用，提出并組織實(shí)踐了煤礦地下水庫(kù)技術(shù)；范立民[9-10]提出了保水采煤概念和方法。這些研究支撐了煤炭的科學(xué)綠色開發(fā)，豐富了我國(guó)西部井工煤礦(群)水環(huán)境方向的基礎(chǔ)理論方法。

隨著煤炭開采在產(chǎn)學(xué)研進(jìn)程中向安全、高效、綠色的方向快速發(fā)展[11]，大型露天煤礦在我國(guó)煤炭開采中的比例逐年增加，但其水文特征和地下水變化規(guī)律在我國(guó)少有研究。我國(guó)露天煤礦優(yōu)勢(shì)產(chǎn)能集中于東部，特別是內(nèi)蒙古錫林郭勒和呼倫貝爾等草甸草原地區(qū)。為豐富草原區(qū)露天煤礦地下水評(píng)價(jià)方法、摸清其區(qū)域水資源保護(hù)性利用條件，本文結(jié)合已有的地下水脆弱性研究方法[12-16]，以錫林郭勒盟北電勝利1號(hào)露天煤礦為研究區(qū)，針對(duì)礦區(qū)地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法、分區(qū)以及空間關(guān)聯(lián)特征進(jìn)行討論。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

勝利1號(hào)露天煤礦位處錫林浩特市北郊，是高原中部的典型草原；東部為河水階地、西部為平緩丘陵，占地37.14 km2，海拔在973～1 000 m之間；水資源總量偏低，年蒸發(fā)量大于降水量，屬干旱-半干旱生態(tài)脆弱區(qū)[17]。礦區(qū)位于侵蝕與剝蝕堆積地形帶之間，可開采儲(chǔ)量達(dá)1 882.18 Mt，地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)1 407.34 Mt，開采深度介于150～280 m之間[18-20]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文以內(nèi)蒙古錫林浩特市伊利勒特蘇木勝利1號(hào)露天煤礦為研究區(qū)，選取2017年該研究區(qū)相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。其中含水層埋深由水文測(cè)線和OTT500實(shí)測(cè)獲得，含水層凈補(bǔ)給量、包氣帶影響、含水層滲透系數(shù)和土地類型由《神華勝利1號(hào)露天礦水土保持方案報(bào)告》獲得，地形坡度與距采場(chǎng)中心距離通過《區(qū)域地形地質(zhì)圖》量算獲得。

2 研究方法

2.1 DRASTIC模型與ArcGIS軟件結(jié)合

DRASTIC評(píng)估方法由美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(USEPA)和美國(guó)韋爾斯協(xié)會(huì)(NWWA)于1985年開發(fā)，其中綜合了40多名水文地質(zhì)專家的經(jīng)驗(yàn)。該評(píng)價(jià)方法屬于指標(biāo)體系方法，由7個(gè)參數(shù)組成，即：含水層埋深(Aquifer Depth，D)、含水層凈補(bǔ)給量(Net Recharge，R)、含水層介質(zhì)類型(Aquifer Media，A)、土壤介質(zhì)類型(Soil Media，S)、地形坡度(Topography，T)、包氣帶效應(yīng)(Impact of the Vadose Zone，I)和含水層滲透系數(shù)(Permeability Coefficient，C)[21]。選擇主要參數(shù)作為評(píng)估因子，通過ArcGIS軟件獲取各指標(biāo)的柵格圖層。利用柵格計(jì)算器加權(quán)計(jì)算DRASTIC指標(biāo)評(píng)分值，并進(jìn)行重分類及分級(jí)可視化分析。

2.2 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)是指地理實(shí)體不同坐標(biāo)的某種屬性之間的統(tǒng)計(jì)性聯(lián)系，可將對(duì)象間的空間依賴性量化，并采用量化值的分級(jí)渲染揭示地下水脆弱性的空間集聚情況。本文采用全局Moran’s I指數(shù)和局部Moran’s I指數(shù)兩種空間自相關(guān)指數(shù)。

全局Moran’s I指數(shù)用于衡量整個(gè)研究區(qū)域的空間關(guān)聯(lián)特征，取值區(qū)間[-1～1]。正值表示相關(guān)模式為正相關(guān)，負(fù)值表示相關(guān)模式為負(fù)相關(guān)，0值表示無空間相關(guān)性[22-25]。計(jì)算公式見式(1)。

(1)

局部Moran’s I指數(shù)為整個(gè)空間范圍中不同單元的相關(guān)性水平，即針對(duì)每一個(gè)子區(qū)域，其計(jì)算公式見式(2)。

(2)

2.3 DRTIC-SL模型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

多位學(xué)者發(fā)現(xiàn)，作為地下水脆弱性的主要評(píng)估手段，DRASTIC方法不完全適用于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的典型草原區(qū)，因此直接使用這些參數(shù)不能獲得準(zhǔn)確可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果，調(diào)查實(shí)踐表明選取其中5個(gè)參數(shù)的DRTIC模型更適用于評(píng)估國(guó)內(nèi)草原區(qū)的地下水本質(zhì)脆弱性[26-28]。同時(shí)結(jié)合草原區(qū)和大型露天煤礦兩個(gè)主要特點(diǎn)，考慮指標(biāo)的代表性[29]，以距采場(chǎng)中心距離(Slope Distance，S)和土地類型(Land Type，L)2項(xiàng)采礦工藝參數(shù)作為特殊脆弱性評(píng)估指標(biāo)，7種參數(shù)構(gòu)成DRTIC-SL模型。

D、R、T、I和C五個(gè)參數(shù)參照其作用程度和國(guó)際常用標(biāo)準(zhǔn)賦予固定權(quán)重值：5、4、1、5、3，歸一化為：0.28、0.22、0.06、0.28、0.16。S和L兩個(gè)特殊脆弱性同樣依據(jù)其作用程度賦予相對(duì)權(quán)重值：7、5，歸一化為：0.58、0.42。模型中各個(gè)參數(shù)的等級(jí)劃分及評(píng)分方式見表1和表2。依照相關(guān)文獻(xiàn)[30-31]，考慮到大型高強(qiáng)度露天開采對(duì)地下水影響較大，兩種脆弱性分別賦予權(quán)重0.5和0.5，脆弱性指數(shù)VI由各參數(shù)得分值加權(quán)相加得到，見式(3)。

VI=0.5(0.28·Dr+0.22·Rr+0.06·Tr+

0.28·Ir+0.16·Cr)+

0.5(0.58·Sr+0.42·Lr)

(3)

式中，“0.28·Dr”中，0.28為權(quán)重值，Dr為指標(biāo)值。

上述方法得到地下水脆弱性指數(shù)取值1～10，符合其評(píng)分意義。

表1 本質(zhì)脆弱性分級(jí)與評(píng)分

表2 特殊脆弱性分級(jí)與評(píng)分

3 脆弱性評(píng)定應(yīng)用

3.1 脆弱性評(píng)定流程

整理采樣點(diǎn)信息，在每個(gè)采樣點(diǎn)上分別進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的賦值后，得到不同指標(biāo)的信息圖層，按距離插值獲取柵格化圖層；加權(quán)疊加得到脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果，在保證信息完整和精度可觀的基礎(chǔ)上，綜合采樣工作量和處理效率，將脆弱性結(jié)果劃分為6 400個(gè)正方形格網(wǎng)；以格網(wǎng)圖層為底圖，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)重分類及空間相關(guān)性分析。具體工作流程見圖1。

圖1 工作流程圖

3.2 評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果及分析

按照式(3)，采用柵格計(jì)算器計(jì)算地下水脆弱性并進(jìn)行格網(wǎng)劃分，結(jié)果顯示，VI值介于3.3～8.1之間。

根據(jù)計(jì)算及分級(jí)結(jié)果，考慮評(píng)估區(qū)水資源特點(diǎn)和開采影響，全區(qū)脆弱性評(píng)估成果可分為五類：非常低、低、中等、高、非常高。評(píng)估成果統(tǒng)計(jì)見表3，具體分布情況見圖2。

由圖2可知，非常低脆弱區(qū)集中于地表水資源較少的西部丘陵地區(qū)，低脆弱區(qū)和中等脆弱區(qū)主要位于西部丘陵地區(qū)以東的水資源低量地區(qū)及東部河灘附近，高脆弱區(qū)主要位于東部錫林河灘地區(qū)及露天采場(chǎng)外圍和排土場(chǎng)，非常高脆弱區(qū)集中于露天采場(chǎng)和排土場(chǎng)部分地區(qū)。

由表3可以看出：研究區(qū)內(nèi)非常低、低和高脆弱區(qū)占比相當(dāng)，約為20%；中等脆弱區(qū)占比最高，為34.17%；同時(shí)還有5.21%的非常高脆弱區(qū)?？梢?，勝利1號(hào)露天煤礦及其周邊地區(qū)的地下水脆弱性較高，應(yīng)予以高度重視。

表3 評(píng)價(jià)結(jié)果格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)及分級(jí)

圖2 研究區(qū)地下水脆弱性分級(jí)分布圖

4 空間相關(guān)性分析

4.1 全局自相關(guān)分析

基于地下水的脆弱性格網(wǎng)數(shù)據(jù)，使用Geoda軟件獲取Moran’s I散點(diǎn)圖(圖3)。由散點(diǎn)圖知，Moran’s I值為0.985581，說明研究區(qū)地下水脆弱性分布具有很強(qiáng)的正相關(guān)性，存在集聚特征，即同等級(jí)脆弱區(qū)間鄰近。

4.2 局部自相關(guān)分析

全局Moran’s I指數(shù)分析了要素的總體空間分布格局，但無法體現(xiàn)子區(qū)域之間的相關(guān)性和局部顯著性水平。所以，有必要進(jìn)行局部空間自相關(guān)性認(rèn)定。

探索子區(qū)域之間的地下水脆弱性關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到LISA分布參考的P值(P值為0.02<0.05)，說明計(jì)算結(jié)果通過Z檢驗(yàn)，即在研究區(qū)局部區(qū)域內(nèi)，地下水脆弱性也存在著空間自相關(guān)性。同時(shí)得到了LISA分析示意圖(圖4和圖5)。由圖4可知：“高-高”值集中分布，主要在露天采場(chǎng)與排土場(chǎng)范圍內(nèi)，該地區(qū)亦為地下水高脆弱性聚集區(qū)，可見煤礦開采較大程度的影響了地下水資源；“低-低”值分布相對(duì)零散，但大都分布于地表水資源較少的西部丘陵地區(qū)，與地下水脆弱性分布情況基本相同。

由圖5可知，地下水脆弱性兩種聚集區(qū)域的顯著性水平大都為0.01，少數(shù)地區(qū)顯著性水平為0.05，主要位于不同脆弱性的分區(qū)交界處，總體上顯著性水平不高。

圖3 地下水脆弱性Moran’s I散點(diǎn)圖

圖4 地下水脆弱性局部空間自相關(guān)LISA集聚圖

圖5 地下水脆弱性局部空間自相關(guān)LISA顯著性水平圖

5 結(jié) 論

本文以勝利1號(hào)露天煤礦所處地為研究區(qū)域，參照DRASTIC模型，結(jié)合礦山開采影響構(gòu)建DRTIC-SL評(píng)估體系，使用ArcGIS軟件和Moran’s I指數(shù)，定量地分析了地下水脆弱性的空間分布及相關(guān)格局。

1) 我國(guó)草原區(qū)內(nèi)地質(zhì)水文環(huán)境復(fù)雜，土地類型豐富，所得評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際土地利用情況一致性較好，即DRTIC-SL模型適用于研究區(qū)域內(nèi)的地下水脆弱性評(píng)價(jià)。

2) 使用ArcGIS的柵格計(jì)算器對(duì)指標(biāo)因子量化結(jié)果進(jìn)行加權(quán)疊加與可視化，可清晰反映研究區(qū)地下水脆弱性的具體分布，快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)地下水脆弱性分類。研究區(qū)內(nèi)以低脆弱區(qū)、中等脆弱區(qū)和高脆弱區(qū)為主，同時(shí)存在一部分分布在露天礦場(chǎng)內(nèi)的非常高脆弱區(qū)。

3) 勝利1號(hào)露天礦區(qū)地下水脆弱性空間相關(guān)性整體較強(qiáng)，局部子區(qū)域也具有空間集聚性，符合地下水脆弱性的一般空間關(guān)聯(lián)模式。

在利用DRTIC-SL模型分析地下水脆弱性指數(shù)時(shí)，參數(shù)的脆弱性分級(jí)劃分依據(jù)前人研究基礎(chǔ)，權(quán)重確定大多利用已有研究經(jīng)驗(yàn)確定，無較強(qiáng)客觀依據(jù)，故而需要在今后的研究中提高計(jì)算方法的科學(xué)性。