基于GIS技術(shù)的煤炭開采水資源影響評價

林平選

(陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710065)

采煤對地下水影響的關(guān)鍵是采煤形成的導(dǎo)水裂隙帶高度與含水層及隔水層的空間關(guān)系。導(dǎo)水裂隙帶對隔水層的損害越小，則對地下水的影響越小，如果采煤形成的導(dǎo)水裂隙帶切穿了隔水層，則必然導(dǎo)致上覆含水層地下水的大量漏失。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響因素較多，利用已有勘探資料進(jìn)行采煤對地下水影響評價工作存在著嚴(yán)重的不足，一是數(shù)字信息和圖件信息之間轉(zhuǎn)換工作量很大，二是各單因素圖件之間比例尺不盡一致，其縮放轉(zhuǎn)繪工作量較大，三是各單因素圖件信息零散、有限，難以從量的角度研究分析處理各因素圖件之間的關(guān)系。

由中地信息工程有限公司開發(fā)研制的MAPGIS可以對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、檢索、分析和可視化輸出，從而為多源地學(xué)信息的綜合分析提供了一個理想平臺。因此，本文采用MAPGIS系統(tǒng)，對研究區(qū)的勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行測試研究，結(jié)合EXCEL軟件，利用模糊綜合評判法對研究區(qū)內(nèi)煤炭開采水資源影響進(jìn)行綜合分區(qū)評價。目的是通過MAPGIS的應(yīng)用，探索地質(zhì)工作中的專業(yè)分析方法在多源地學(xué)空間信息系統(tǒng)中的實現(xiàn)方法，使專業(yè)知識與地理信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，提高地質(zhì)勘探、資源評價及科研工作精度和工作效率。

1 研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)概況

其中Q3s全區(qū)分布，巖性為粉砂、細(xì)砂、中砂夾粉土、粉質(zhì)粘土和泥炭層，是本區(qū)最主要的含水層，，滲透系數(shù) K=5.86～31.75 m/d，其富水性主要受厚度控制。

Q2l巖性以粉土、粉質(zhì)粘土為主夾多層古土壤，具有較好的隔水作用，滲透系數(shù) K=0.04 ～0.13 m/d。

N2b巖性以粘土及粉質(zhì)粘土為主，隔水性能良好，滲透系數(shù) K=0.001 6 ～0.001 7 m/d。

K1l僅分布于研究區(qū)西北部，巖性為中粒石英長石砂巖，結(jié)構(gòu)疏松，具大型交錯層理，為具有局部供水意義的含水層，滲透系數(shù) K=0.049 3 ～0.581 m/d。

J2a巖性上部以泥巖、粉砂巖為主，中下部為厚層狀粗粒、中粒、細(xì)粒石英長石砂巖，滲透系數(shù) K=0.005 6～0.205 m/d。

J2z巖性上部為紫雜色、灰綠色泥巖與砂質(zhì)泥巖互層，下部為灰白色中粗粒長石石英砂巖，局部地段底部為白色石英砂巖和細(xì)礫巖。滲透系數(shù) K=0.024 63～0.055 73 m/d。

J2y是本區(qū)的含煤地層，巖性為一套淺灰色中細(xì)粒砂巖與砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖互層。節(jié)理裂隙不發(fā)育，透水性差，滲透系數(shù) K=0.001 962 ～0.013 91 m/d。

煤層:2－2煤為本區(qū)最主要可采煤層，位于延安組第四段頂部，厚度 0.20～9.86 m，平均 5.01 m?？刹擅娣e為 751 km2，占研究區(qū)面積的86%，煤厚大于5 m面積為237 km2。

2 含(隔)水層與煤層空間結(jié)構(gòu)概化

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件及主要可采煤層賦存條件，將區(qū)內(nèi)含(隔)水層及煤層的空間結(jié)構(gòu)由上到下概化為5層:第一層為主要含水層，即薩拉烏蘇組含水層;第二層為由離石黃土和新近系紅土組成的關(guān)鍵隔水層;第三層為次要含水層，即白堊系洛河組含水層，為局部含水層;第四層為侏羅系組合隔水巖組，主要由 J2a、J2z和 J2y中2－2煤層以上部分組成;第五層為2－2煤層。

3 導(dǎo)水裂隙帶高度及其與含(隔)水層的空間關(guān)系

3.1 數(shù)字高程模型的建立

因此建立數(shù)字高程模型是GIS系統(tǒng)空間分析的基礎(chǔ)，利用數(shù)字高程模型的規(guī)則網(wǎng)數(shù)學(xué)計算功能可進(jìn)行加、減、乘、除、平方、開方、指數(shù)等常規(guī)運(yùn)算，也可編寫簡單的條件語句進(jìn)行計算。因此首先需要建立2－2煤及上覆各地層底板標(biāo)高、2－2煤厚度及地面標(biāo)高等基本數(shù)字高程模型，在此采用GRD模型，要求各模型必需具有統(tǒng)一的圖幅范圍和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3.2 導(dǎo)水裂隙帶高度及其與含(隔)水層的空間關(guān)系

根據(jù)《榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)煤炭開采對水資源影響評價》研究成果，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度按采高的26.5倍計算，開采條件按一次采全高。因此，利用 MAPGIS建立的煤層厚度GRD模型，直接計算出采煤形成的導(dǎo)水裂隙帶高度，生成導(dǎo)水裂隙帶高度等值線圖和相應(yīng)的GRD模型。

為了便于將導(dǎo)水裂隙帶高度與含隔水層的空間分布進(jìn)行比較分析，根據(jù)“煤層頂板標(biāo)高+導(dǎo)水裂隙帶高度 =導(dǎo)水裂隙帶頂面標(biāo)高”，得到導(dǎo)水裂隙帶標(biāo)高的GRD模型。

為了研究導(dǎo)水裂隙帶與各隔水巖組之間的關(guān)系及其在平面上的分布特征，利用各地層頂面標(biāo)高的GRD模型與導(dǎo)水裂隙帶標(biāo)高的GRD模型進(jìn)行差值運(yùn)算，可得到導(dǎo)水裂隙帶與各地層的關(guān)系，差值小于零的區(qū)域，表示導(dǎo)水裂隙帶切穿了該地層，大于零的區(qū)域表示該地層尚未被導(dǎo)水裂隙帶破壞的厚度。把各地層被切穿的界線(差值等于零的線)提出，加到同一圖上，得到導(dǎo)水裂隙帶切穿各地層的范圍在平面上的分布?？梢娫谘芯繀^(qū)東部局部導(dǎo)水裂隙帶切穿了關(guān)鍵隔水層，將引起水資源大量漏失。

為了研究導(dǎo)水裂隙帶在垂向上與隔水巖組的關(guān)系，利用MAPGIS的高程剖面分析功能，可以按任意剖面線分別切出各要素的剖面，將這些單要素的剖面(比例必須一致)組合在一起，即可形成常規(guī)的剖面圖，如圖1所示。在該剖面上可直觀看到導(dǎo)水裂隙帶與含(隔)水層的空間關(guān)系，其中在東部導(dǎo)水裂隙帶切穿了關(guān)鍵隔水層。

圖1 導(dǎo)水裂隙帶高度與含(隔)水層關(guān)系剖面示意圖(A－A'剖面)

4 基于GIS技術(shù)的煤炭開采水資源影響綜合評價

煤炭開采對地下水影響綜合評判方法是通過系統(tǒng)確定煤炭開采對地下水影響的定量評價指標(biāo)，把研究區(qū)按一定原則劃分為不同的單元，統(tǒng)計出不同單元內(nèi)各指標(biāo)的對應(yīng)值，綜合評價出不同單元所屬類型。

4.1 煤炭開采水資源影響程度分級

煤炭開采水資源的影響程度可分為三級，其中Ⅰ級為輕微影響區(qū)，Ⅱ級為明顯影響區(qū)，Ⅲ級為嚴(yán)重影響區(qū)，即評價結(jié)果集 V={v1，v2，v3}={輕微影響區(qū)，明顯影響區(qū)，嚴(yán)重影響區(qū)}，各分級特征歸納如表1所示。

4.2 評價因素的選擇

煤炭開采水資源影響主要是煤炭開采形成的導(dǎo)水裂隙帶破壞隔水層，使上覆含水層通過導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入礦井，造成水資源損失，同時也給礦井正常生產(chǎn)造成影響。因此，煤炭開采對地下水的影響因素主要有兩個方面，一是煤炭開采形成導(dǎo)水裂隙帶高度及其與含、隔水層的空間關(guān)系，二是含水層的富水性。影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的主要因素有開采厚度、開采深度、巖石的力學(xué)性質(zhì)等。本區(qū)主要含水層的富水性取決于含水層厚度，即砂層厚度工，為便于數(shù)字化，以砂層厚度代替含水層厚度，根據(jù)前述導(dǎo)水裂隙帶計算時已考慮了開采厚度，因此，本次選取的評價因素見圖2。

圖2 煤炭開采水資源影響綜合評判層次結(jié)構(gòu)模型

表1 煤炭開采對水資源影響程度分級表

4.3 計算單元劃分

為了較為直觀地建立各影響因素之間的關(guān)系，獲得研究對象和描述對象的一致性，將完整的地質(zhì)因素作為研究對象，對地質(zhì)學(xué)的大部分?jǐn)?shù)據(jù)以自然地質(zhì)因素為對象進(jìn)行描述。本次研究把自然地質(zhì)體(如巖體、地層等)邊界形成的不規(guī)則圖形作為地質(zhì)信息的提取單元。利用MAPGIS的空間分析功能，將各影響因素進(jìn)行疊加分析，自動生成剖分單元，共剖分出446個單元。

4.4 評價指標(biāo)隸屬函數(shù)及隸屬度的確定

4.4.1 隸屬函數(shù)的確定

采用“梯形公式”來定義隸屬函數(shù)，如剩余隔水層厚度，其值越大，對保水采煤越有利，其隸屬函數(shù)示意圖見圖3。其表達(dá)式為:

式中:x為確定的影響因素的特征值，a0、a1、a2、a3為該影響因素的分區(qū)區(qū)間值。對于煤層埋深和含水層富水性(砂層厚度)，其值越小，對保水采煤越有利，由于篇幅所限，其隸屬函數(shù)表達(dá)式及示意圖在此省略。

圖3 隸屬函數(shù)示意圖

4.4.2 隸屬度的確定

1)構(gòu)建單因素的GRD模型

開采深度、導(dǎo)水裂隙帶高度與含(隔)水層空間關(guān)系、砂層厚度等利用基本數(shù)字高程模型中相應(yīng)的GRD模型數(shù)據(jù)通過規(guī)則網(wǎng)數(shù)學(xué)運(yùn)算獲得對應(yīng)的GRD模型數(shù)據(jù)。對覆巖的力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)本區(qū)及附近鉆孔巖芯物理力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果，采用厚度加權(quán)平均值直接建立覆巖力學(xué)性質(zhì)(抗剪強(qiáng)度)GRD模型。

2)隸屬度的確定

利用各單因素GRD模型自動生成相應(yīng)的各單因素平面分布圖，再通過空間相交分析，獲得具有各因素屬性數(shù)據(jù)的綜合圖，即單元劃分圖。通過MAPGIS的屬性管理模塊，將屬性數(shù)據(jù)輸出，根據(jù)前述隸屬函數(shù)，利用 excel計算獲得各單因素隸屬度(也可以在GRD模型中直接計算，但過程較長)。

3)建立單因素評判矩陣(R)

根據(jù)隸屬度對各因素進(jìn)行單因素評判，得到模糊評判矩陣:

4.5 綜合評判及結(jié)果分析

綜合評判結(jié)果向量(B)可用下式計算:

B=A。R

式中:A為權(quán)重向量，各因素權(quán)重見表2;“?！睘槟撤N合成運(yùn)算，計算中”采用“·－ +”運(yùn)算。該運(yùn)算方式比較適用于要求整體指標(biāo)的情形，能對所有評價指標(biāo)依權(quán)重大小均衡兼顧，結(jié)果中包含了所有指標(biāo)的共同作用，這種運(yùn)算方式中要求，其數(shù)學(xué)模型為(j=1，2，…，m);B 是評價結(jié)果集V的模糊子集。

表2 煤炭開采水資源影響評價因素權(quán)重一覽表

根據(jù)最大隸屬原則(一個給定的單元對應(yīng)于某個級別X的隸屬度最大，該單元的綜合評價等級就是X)即可得到評判單元的綜合評價等級。采用excel計算各單元的綜合評判結(jié)果，利用MAPGIS下的屬性庫管理子系統(tǒng)，將各單元評價結(jié)果作為屬性，輸入單元剖分圖，并根據(jù)屬性給各單元賦參數(shù)，自動生成綜合分區(qū)評價圖(見圖4)。

圖4 煤炭開采對水資源影響綜合分區(qū)

依據(jù)評價結(jié)果，將本區(qū)煤炭開采水資源影響程度分為嚴(yán)重影響區(qū)、明顯影響區(qū)和輕微影響區(qū)。其中嚴(yán)重影響區(qū)位于隆德井田東南部，面積7.20 km2，占規(guī)劃區(qū)面積的0.83%，該區(qū)煤層厚度大，埋藏淺，導(dǎo)水裂隙帶將切穿關(guān)鍵隔水層，可能造成水資源大量漏失，地下水位大幅下降，嚴(yán)重影響地表植被生長和居民生活生產(chǎn)用水，同時對礦井安全構(gòu)成威脅;明顯影響區(qū)分布于郭家灘井田和隆德井田，面積32.63 km2，占規(guī)劃區(qū)面積的3.76%，該區(qū)煤層厚度大，導(dǎo)水裂隙帶切穿了組合隔水巖組，可能造成水資源漏失量較大，淺層地下水位下降明顯，對地表植被生長和居民生活生產(chǎn)用水有一定影響;其它區(qū)域?qū)佥p微影響區(qū)，面積828.38 km2，占規(guī)劃區(qū)面積的95.41%，該區(qū)煤層厚度較小，煤層埋深大，導(dǎo)水裂隙帶未切穿組合隔水巖組，可能造成水資源少量漏失，淺層地下水位小幅下降，對地表植被生長和居民生活生產(chǎn)用水影響不大。

5 結(jié)語

(1)依據(jù)評介結(jié)果，將本區(qū)煤炭開采水資源影響程度分為嚴(yán)重影響區(qū)、明顯影響區(qū)和輕微影響區(qū)。

(2)采用GIS技術(shù)與數(shù)學(xué)方法相結(jié)合，對煤炭開采水資源影響進(jìn)行綜合評判，其結(jié)果具有直觀、高效、定量化的特點，能大大提高地質(zhì)工作效率和工作精度，有進(jìn)一步推廣應(yīng)用價值。

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