柴建祿

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省“四主體一聯(lián)合”黃河流域中段礦區(qū)(煤礦)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)校企聯(lián)合研究中心，陜西 西安 710077)

我國能源資源稟賦特征決定了煤炭是我國長期穩(wěn)定的主體能源[1-2]，其中鄂爾多斯盆地又是煤炭開采的核心區(qū)，建設(shè)有神東、陜北2 大煤炭基地，位于2 大煤炭基地的榆神府礦區(qū)2020 年煤炭產(chǎn)量超過5.0 億t。但是，我國煤炭資源與水資源呈逆向分布[3]，榆神府礦區(qū)處于我國的黃河流域，屬于干旱半干旱區(qū)，水資源缺乏，且時空分布不均，水資源已成為制約當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。同時，該區(qū)域位于我國二級階梯的鄂爾多斯盆地北部，屬于毛烏素沙漠與黃土高原過渡地帶，地表生態(tài)環(huán)境脆弱，地層中賦存著較為豐富的第四系和白堊系地下水，下伏侏羅紀(jì)煤層，整體上構(gòu)成了聯(lián)系緊密的生態(tài)環(huán)境-水資源-煤炭資源系統(tǒng)[4]。經(jīng)過30 多年煤炭高強(qiáng)度開采，不僅造成地下水資源的大量漏失，還引起較為明顯的地表植被破壞、水土流失、水環(huán)境污染等問題[5-7]。同時，2018 年我國礦井水產(chǎn)生總量為68.8 億m3，礦井水平均利用率僅為35.0%，礦井水總量較大和利用效率較低的矛盾仍然十分突出[8]。隨著“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”重大國家戰(zhàn)略的提出，準(zhǔn)確全面評價煤炭資源開發(fā)對地下水環(huán)境的影響并實現(xiàn)礦井水的生態(tài)利用顯得尤為迫切[9]。因此，以榆神府礦區(qū)為研究區(qū)，基于野外調(diào)查、數(shù)據(jù)分析、室內(nèi)測試等研究手段，分析研究區(qū)礦井水的量質(zhì)特征，揭示煤炭開采對地下水環(huán)境的影響特征，對黃河流域中游煤礦區(qū)的煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

1 榆神府礦區(qū)概況

榆神府礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地的陜北榆林地區(qū)，包括神府、榆神和榆橫3 個礦區(qū)，該區(qū)域氣候干燥，多年平均降水量在430 mm 左右，區(qū)內(nèi)近85%的降水量集中在5-10 月，平均蒸發(fā)量約為1 200 mm，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，由此導(dǎo)致礦區(qū)水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。由于研究區(qū)地表分布有結(jié)構(gòu)疏松的風(fēng)積沙層，降水入滲系數(shù)近0.5，因此，大氣降水是研究區(qū)淺層地下水的主要補(bǔ)給來源[10]；地下水的流向受地形控制明顯，淺層地下水總體從西北、東北向榆溪河、禿尾河、窟野河及紅堿淖內(nèi)流盆地徑流；蒸發(fā)、人工開采地下水和采煤排水是研究區(qū)地下水的主要排泄方式。煤炭資源主要賦存于延安組地層，且具有煤層厚、煤質(zhì)優(yōu)、埋深小且構(gòu)造簡單的特點。研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型如圖1 所示，由圖中可以看出，神府礦區(qū)煤層埋深最小，榆橫礦區(qū)煤層埋深最大，因此，本文定義煤層埋深小于200 m 的為淺埋煤層，200～400 m 的為中深埋煤層，大于400 m 為深埋煤層。

圖1 研究區(qū)各礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型[11]Fig.1 Columnar section of hydrogeological structure of the study area[11]

2 礦井排水量質(zhì)特征分析

2.1 礦井排水量估算

對研究區(qū)大柳塔、活雞兔、檸條塔、紅柳林等14個典型礦井進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，分別統(tǒng)計出其2020 年煤炭產(chǎn)量和礦井涌水量數(shù)據(jù)。根據(jù)調(diào)研獲得的煤炭產(chǎn)量和礦井涌水量(圖2)，采用礦井富水系數(shù)公式(即噸煤排水量)進(jìn)行礦井排水量計算[12-13]：

圖2 研究區(qū)典型煤礦煤炭產(chǎn)量及涌水量Fig.2 Annual coal output and water inflow of typical coal mines in the study area

式中：Kp為礦井富水系數(shù)，m3/t；Q為某一時期內(nèi)礦井排水量，m3；P為同一時期的煤炭開采量，t。

圖2 反映了研究區(qū)典型煤礦煤炭產(chǎn)量及涌水量，研究區(qū)礦井富水系數(shù)在0.23～2.28 m3/t，平均為0.91 m3/t。根據(jù)研究區(qū)2020 年的煤炭產(chǎn)量，結(jié)合計算得到的富水系數(shù)，可以評估2020 年區(qū)內(nèi)礦井排水量高達(dá)4.70 億m3。

2.2 礦井水水質(zhì)特征

為分析研究區(qū)不同煤礦礦井水的水質(zhì)特征，對研究區(qū)典型煤礦的礦井水開展水樣采集與室內(nèi)測試工作，檢測包括pH、礦化度、Na+、化學(xué)需氧量(COD)、總硬度等指標(biāo)。本研究依據(jù)GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[14]，選用常用的單指標(biāo)評價法，對所采集的6 個典型煤礦礦井水樣品進(jìn)行質(zhì)量評價。單指標(biāo)評價法采用每項水質(zhì)指標(biāo)濃度值與評價標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，評價最差指標(biāo)的所屬類別作為水質(zhì)類別，評價結(jié)果見表1。研究區(qū)礦井水都出現(xiàn)不同程度的污染組分超標(biāo)現(xiàn)象，其中4 個煤礦礦井水質(zhì)量達(dá)到Ⅴ類，占比高達(dá)66.7%，2 個煤礦礦井水質(zhì)量為Ⅳ類，占比為33.3%，主要超標(biāo)指標(biāo)為COD、Na+、、溶解性總固體(TDS)等。

表1 研究區(qū)典型煤礦礦井水質(zhì)量單因子評價結(jié)果Table 1 Single factor evaluation results of mine water quality for typical coal mines in the study area

將研究區(qū)典型煤礦礦井水和第四系淺層地下水的水化學(xué)資料進(jìn)行統(tǒng)計，并繪制Piper 三線圖，如圖3 所示。淺層地下水和礦井水具有不同的水化學(xué)特征，具體表現(xiàn)如下。

圖3 礦井水與淺層地下水Piper 三線圖Fig.3 Piper diagram for mine water and shallow groundwater

1) 第四系淺層地下水

第四系淺層地下水pH 在8.0 左右，礦化度為240～390 mg/L，屬于弱堿性淡水。陽離子主要以Ca2+為主，質(zhì)量濃度平均為52.68 mg/L，其次為Na+和Mg2+；陰離子以為主，平均質(zhì)量濃度為193 mg/L，其次為和Cl-，HCO3-Ca 為其主要的水化學(xué)類型。

2) 淺埋區(qū)礦井水

淺埋區(qū)礦井水pH 為7.80，礦化度為291.00 mg/L，陽離子以Ca2+為主，質(zhì)量濃度為44.53 mg/L，其次為Na+和Mg2+；陰離子以為主，質(zhì)量濃度為213.48 mg/L，其次為和Cl-，礦井水的水化學(xué)類型為HCO3-Ca 型。

3) 中深埋區(qū)礦井水

中深埋礦井水pH 為8.20，礦化度為1 297.00 mg/L，陽離子主要以Na+為主，質(zhì)量濃度為342.00 mg/L，其次為Ca2+和Mg2+；陰離子以為主，質(zhì)量濃度為647.00 mg/L，其次為(216.00 mg/L)和Cl-，水化學(xué)類型為HCO3-Na 型。

4) 深埋區(qū)礦井水

深埋煤礦礦井水pH 為7.78，礦化度為3 684.00 mg/L，陽離子主要以Na+為主，質(zhì)量濃度為641.00 mg/L，其次為Ca2+和Mg2+，陰離子以為主，質(zhì)量濃度為2 161.00 mg/L，其次為和Cl-，水化學(xué)類型為SO4-Na 型。

由以上分析可知，研究區(qū)煤礦的礦井水水質(zhì)較差，水化學(xué)類型和淺層地下水存在較大差異，礦井水外排將會污染區(qū)內(nèi)地表水和地下水環(huán)境[15]。

3 煤炭開采對地下水環(huán)境的影響規(guī)律

3.1 地下水位變化特征

在自然條件下，地下水位隨降水量的變化發(fā)生輕微波動，但整體趨勢基本保持穩(wěn)定[16]。收集并整理研究區(qū)多個煤礦在開采期間的地下水位觀測資料，繪制區(qū)內(nèi)典型煤礦不同含水層的地下水位變化特征圖(圖4)。

圖4a 為研究區(qū)某淺埋煤礦第四系地下水埋深變化特征，從圖中可以看出，2012 年1 月至2017 年3 月，第四系淺層地下水位急劇下降，這是由于該煤礦煤層埋深較小，導(dǎo)水裂隙帶直接溝通第四系含水層，導(dǎo)致第四系含水層水沿導(dǎo)水裂隙進(jìn)入井下，造成淺層地下水位明顯下降。

圖4b 為某中深埋煤礦第四系地下水位變化特征，由圖可以看出，中深埋煤礦淺層地下水位下降幅度較小，一般不超過5 m，且下降后有回升趨勢；一般情況下，中深埋煤礦導(dǎo)水裂隙帶不溝通第四系含水層，淺層地下水位下降主要受采動地面沉降控制[17]。

圖4c 為某深埋煤礦不同含水層地下水位變化特征，從圖中可以看出，隨著礦井涌水量的增加，煤層上覆直接充水含水層(延安組和直羅組)地下水位急劇下降，下降幅度超過200 m，淺部含水層(第四系和洛河組)地下水位保持穩(wěn)定。

圖4 煤層不同埋深下典型煤礦含水層地下水位變化特征Fig.4 Groundwater level variation in coal mines of different buried depths

不同埋深煤層開采地下水位變化特征表明：淺埋煤層開采對第四系地下水的擾動最大，中深埋和深埋煤層開采對第四系地下水的影響相對較小。

3.2 地下水質(zhì)特征

為分析煤礦開采對地下水質(zhì)的影響規(guī)律，對研究區(qū)典型煤礦周邊第四系淺層地下水進(jìn)行取樣(42 個)，并在實驗室開展測試，測試指標(biāo)與2.2 節(jié)中礦井水指標(biāo)一致。研究區(qū)內(nèi)7.1%的水樣質(zhì)量濃度大于250 mg/L，屬于地下水質(zhì)量的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；區(qū)內(nèi)2.4%水樣的濃度達(dá)到Ⅳ類，15 個水樣的濃度達(dá)到Ⅳ類及以上，其中3 個水樣的質(zhì)量濃度大于90 mg/L，均超過Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值的3 倍。同時，9.5%和7.1%的水樣中分別出現(xiàn)了F-和Mn2+超標(biāo)，但沒有達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。由上述分析可知，研究區(qū)淺層地下水主要污染指標(biāo)為其主要分布特征如圖5 所示。淺層地下水與礦井水中污染組分差別較大，反映出研究區(qū)第四系淺層地下水受采礦活動影響較小，農(nóng)業(yè)化肥施用、生活污水和含氮工業(yè)廢水排放對其影響較大。

圖5 榆神府礦區(qū)淺層地下水中NO3 -質(zhì)量濃度等值線Fig.5 Contour map of concentration of shallow groundwater in the study area

4 礦井水生態(tài)利用可行性分析

4.1 礦井水地下回灌

礦井水地下回灌是將煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多余礦井水通過地表滲濾或回灌井輸送至地下含水層中，是合理利用礦井水資源、凈化礦井水水質(zhì)、涵養(yǎng)礦區(qū)受損地下水環(huán)境的有效手段[18]。根據(jù)現(xiàn)場取樣實測，研究區(qū)深埋、中深埋煤礦礦井水的平均礦化度分別為：2 500、1 000 mg/L 以上，淺埋煤礦礦井水平均礦化度一般不大于500 mg/L，與第四系含水層地下水的水質(zhì)基本一致。因此，可以考慮將低礦化度礦井水回灌至含水層以調(diào)控地下水環(huán)境。

選擇研究區(qū)某淺埋煤礦開展低礦化度礦井水回灌現(xiàn)場試驗，回灌池面積約450 m2，底部和四周由風(fēng)積沙構(gòu)成，每天回灌量為500 m3，在回灌池外側(cè)布置取樣點(為回灌濾池出水)，并利用回灌池周邊2 口民用井，作為監(jiān)測井，距離分別為20 m(1 號井)和40 m(2 號井)，定期采集水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(圖6)。

圖6 回灌池及監(jiān)測井分布Fig.6 Schematic diagram of recharge tank and monitoring well

圖7 為礦井水與回灌后水體的水質(zhì)對比結(jié)果。如圖7a 所示，礦井水回灌對溶解性有機(jī)碳(DOC)的去除作用較顯著，礦井水中DOC 經(jīng)回灌池沙濾后，平均質(zhì)量濃度從7.2 mg/L 下降為5.2 mg/L，去除率為27.8%。礦井水進(jìn)入含水層后，對1 號井和2 號井水質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)，平均質(zhì)量濃度分別為3.1、0.8 mg/L。圖7b 為礦井水回灌過程中色度變化特征，礦井水地下回灌過程中沙濾階段可以去除礦井水中色度的54.4%，使礦井水色度從43.9 降至20.0，礦井水在含水層中運(yùn)移40 m，色度降低至7.8，2 個階段累計實現(xiàn)礦井水色度82.2%的去除，低于地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水中的色度限值。圖7c 為礦井水回灌過程中TDS 變化特征，由于回灌地層第四系地下水礦化度稍高于礦井水，受水巖作用和混合作用影響，礦井水進(jìn)入含水層后其TDS 呈現(xiàn)較小幅度的增加趨勢。

圖7 礦井水地下回灌水質(zhì)變化特征Fig.7 Effect of recharging groundwater with minewater on groundwater quality

4.2 礦井水生態(tài)灌溉水質(zhì)評價

由于研究區(qū)氣候干旱，土壤貧瘠，煤炭開采使本就脆弱的生態(tài)環(huán)境更加惡化，在開展煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工程實踐中，經(jīng)常采用礦井水對生態(tài)破壞區(qū)植被進(jìn)行綠化灌溉。但如果礦井水質(zhì)量不滿足灌溉要求，反而會進(jìn)一步導(dǎo)致植被退化。目前，常用USSL 圖法與Wilcox 圖法綜合評價灌溉水水質(zhì)特征[19]。USSL 圖與Wilcox 圖的橫坐標(biāo)都為EC，用來表示鹽害的大?。粌蓤D的縱坐標(biāo)分別為鈉吸附比(Sodium Adsorption Ration,SAR)和可溶性鈉百分比(Soluble Sodium Percentage,SSP)，用來表示堿害的大小。SAR 與SSP 可用下式表示[19]：

其中，c(Na+)、c(Ca2+)、c(Mg2+)、c(K+) 的單位為meq/L。

圖8 為研究區(qū)礦井水的USSL 圖與Wilcox 圖評價結(jié)果。從圖8a 可以看出，淺埋煤礦礦井水位于C2S2 區(qū)，中深埋、深埋煤礦礦井水分別位于C3S4 區(qū)、C4S4 區(qū)，表明淺埋煤礦礦井水能夠滿足灌溉的基本要求，中深埋和深埋煤礦礦井水不適合灌溉。圖8b 顯示，淺埋煤礦礦井水位于“優(yōu)質(zhì)-好”區(qū)域，而中深埋、深埋礦井水分別位于“不太適合-不適合”和“不適合”區(qū)。因此，可以推斷，榆神府礦區(qū)淺埋煤礦礦井水具有作為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)灌溉用水的較好潛力，未進(jìn)行處理的中深埋、深埋煤礦礦井水不適宜作為灌溉用水，如使用其進(jìn)行灌溉，可能會破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤的滲透性，加速土壤鹽堿化，甚至導(dǎo)致植被死亡[20]。

圖8 USSL 圖與Wilcox 圖指示礦井水的灌溉水等級Fig.8 Mine water quality for irrigation showed in USSL and Wilcox diagram

5 結(jié) 論

a.基于富水系數(shù)法，評估了榆神府礦區(qū)2020 年礦井排水量，分析了典型煤礦礦井水的水質(zhì)特征，厘定了礦井水的主要污染組分。

b.地下水位對不同埋深煤層開采的響應(yīng)特征不同，淺埋煤層開采導(dǎo)致地下水位下降趨勢最為明顯；區(qū)內(nèi)淺層地下水的主要污染組分與礦井水污染組分差異較大，反映出區(qū)內(nèi)淺層地下水水質(zhì)受采礦活動影響較小。

c.提出礦井水淺層回灌和礦井水生態(tài)灌溉2 種模式開展區(qū)內(nèi)礦井水的生態(tài)利用。礦井水回灌對礦井水中的溶解性有機(jī)碳、色度具有較好的去除效果，回灌后含水層地下水質(zhì)滿足Ⅲ類水質(zhì)要求；淺埋煤礦礦井水適宜作為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的灌溉用水，未進(jìn)行處理的中深埋煤礦和深埋煤礦礦井水不適宜作為灌溉用水。