清水工業(yè)園某場(chǎng)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化分析及預(yù)測(cè)

曹虎生，閆 青

(陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

地下水動(dòng)態(tài)是在自然和人為因素影響下，地下水水位、水溫、水量和水質(zhì)等隨時(shí)間的變化過(guò)程[1]。近年來(lái)，隨著神木市清水工業(yè)園的逐步建設(shè)，人類活動(dòng)改變了當(dāng)?shù)氐牡孛残螒B(tài)和下墊面性質(zhì)，建筑物基礎(chǔ)改變了地層的結(jié)構(gòu)，露天礦開(kāi)采破壞了含水層結(jié)構(gòu)，這些人類活動(dòng)對(duì)清水工業(yè)園水文地質(zhì)條件產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響，改變了園區(qū)范圍內(nèi)補(bǔ)給徑流排泄條件及地下水動(dòng)態(tài)特征。為探究地下水動(dòng)態(tài)變化原因和防治措施，以清水工業(yè)園內(nèi)某化工企業(yè)場(chǎng)區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

1 場(chǎng)區(qū)概況及地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 場(chǎng)區(qū)概況

該化工企業(yè)場(chǎng)區(qū)位于榆神工業(yè)園區(qū)清水工業(yè)園西部，占地面積約5.8 km2，地處清水溝溝腦西側(cè)，北側(cè)分布有S204省道(神木-靖邊)、榆神高速公路(榆林-神木)和包西鐵路(包頭-西安)，東側(cè)分布有神佳高速公路(神木-佳縣)，西側(cè)分布靖神鐵路專用線。場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件變化受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、外動(dòng)力地質(zhì)作用以及人類工程活動(dòng)的共同影響，地下水水位變化對(duì)后期地基強(qiáng)夯處理、建筑荷載后的地基土和燒變巖穩(wěn)定性將產(chǎn)生不同程度的影響。因此，探明場(chǎng)區(qū)地下水的變化趨勢(shì)，對(duì)企業(yè)項(xiàng)目后期施工建設(shè)具有較強(qiáng)的技術(shù)支撐作用。

1.2 地質(zhì)環(huán)境條件

地形地貌：場(chǎng)區(qū)地處陜北黃土高原北緣與毛烏素沙漠東南緣的接壤地帶，為風(fēng)沙灘地，經(jīng)過(guò)場(chǎng)平處理，地勢(shì)平坦。

氣象：場(chǎng)區(qū)處在中溫帶、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，蒙古寒流會(huì)在春冬兩季給此地造成影響[2]，干旱少雨，蒸發(fā)量大，多年年平均降雨量583.5 mm(2013—2018年)，月最大降雨量261.9 mm，降雨量在夏秋兩季比較集中，多集中在7、8、9這3個(gè)月，占年降雨量的67%左右。

水文：場(chǎng)區(qū)地處禿尾河右岸清水溝支流群泉西部。場(chǎng)區(qū)平整前發(fā)育季節(jié)性小型沖溝，西北-東南流向，溝床散亂，流量年季變化大，在流徑途中易于下滲或斷流，以群泉的形式排入清水溝，向東10 km匯入禿尾河。場(chǎng)區(qū)的溝流水體主要來(lái)源于野雞河，該河發(fā)源于大保當(dāng)鎮(zhèn)西高羔兔沙漠區(qū)，向東流至大保當(dāng)灘地區(qū)，容納眾多溝渠后折向東南匯入場(chǎng)區(qū)及其周邊低洼地帶。

地層：勘察深度內(nèi)地層由新至老依次為第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、風(fēng)積沙(Q4eol)、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)、中更新統(tǒng)離石組(Q2l)和新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)和侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)。

水文地質(zhì)：場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水依據(jù)其賦存條件、水力特征和含水介質(zhì)分為新生界松散層孔隙潛水、中生界碎屑巖類裂隙承壓水和燒變巖裂隙潛水，其中的新生界松散層孔隙潛水含水層又可分為第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組沖湖積層孔隙潛水含水層和第四系中更新統(tǒng)離石組黃土孔隙潛水弱含水層。其賦存條件受地形地貌、地層巖性、古地理環(huán)境等諸因素的綜合制約。

2 場(chǎng)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)影響因素

地下水動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的原因主要是由于地下水補(bǔ)給與排泄不均衡引起的，研究地下水動(dòng)態(tài)的影響因素是了解地下水變化趨勢(shì)、變化幅度以及人類活動(dòng)對(duì)地下水系統(tǒng)影響程度的必要途徑[3]，可以為場(chǎng)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)提供理論數(shù)據(jù)支撐。

2.1 降水入滲補(bǔ)給

清水工業(yè)園建設(shè)之前，園區(qū)地貌形態(tài)以沙漠灘地、沙蓋黃土丘陵為主，地表多為風(fēng)積沙覆蓋，有利于大氣降水的入滲補(bǔ)給，降水入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.15～0.4，在沙漠區(qū)甚至可以達(dá)到0.6。園區(qū)建設(shè)后，隨著場(chǎng)地平整、強(qiáng)夯、地面硬化、建筑物覆蓋、地表雨洪排水系統(tǒng)的完善，場(chǎng)地下墊面性質(zhì)發(fā)生了重大改變，導(dǎo)致大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)降低到0.03～0.1，使得場(chǎng)地獲取的降水入滲補(bǔ)給量相對(duì)于建設(shè)前的補(bǔ)給量減小了5～10倍。這將導(dǎo)致場(chǎng)地內(nèi)地下水位呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

2.2 地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給

天然情況下，受清水溝排泄基準(zhǔn)面控制，清水溝流域內(nèi)地下水在獲得面狀大氣降水入滲補(bǔ)給后，整體由西向東向清水溝徑流，場(chǎng)區(qū)位于整個(gè)徑流系統(tǒng)的中下游。根據(jù)清水工業(yè)園的總體規(guī)劃，在場(chǎng)區(qū)上游規(guī)劃有大量的園區(qū)企業(yè)、城鎮(zhèn)居民集中區(qū)，這些設(shè)施的修建也將因下墊面性質(zhì)的改變，而使得接受大氣降水入滲補(bǔ)給的能力大大降低。最終導(dǎo)致場(chǎng)區(qū)上游斷面上地下水匯水范圍內(nèi)的總補(bǔ)給量減少，進(jìn)而導(dǎo)致場(chǎng)區(qū)地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量減少。根據(jù)本次實(shí)地調(diào)查，野雞河流域的灘地區(qū)地下水資源開(kāi)采條件相對(duì)較好，主要采用引泉、引流、機(jī)井和壓水井等方式開(kāi)采用于城鎮(zhèn)用水、村鎮(zhèn)人畜用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水等，這些人工開(kāi)采的存在也將導(dǎo)致場(chǎng)區(qū)地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量減少。最終使得場(chǎng)地內(nèi)地下水位呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

2.3 西灣露天礦排水

在場(chǎng)區(qū)以西存在有西灣露天礦，距離場(chǎng)區(qū)邊界不足2 km，該露天礦的東邊界以2-2煤燒變巖西邊界為界，露天區(qū)充水水源主要為第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水、燒變巖孔洞裂隙潛水及風(fēng)化基巖裂隙承壓水[4]。露天礦生產(chǎn)過(guò)程中的礦坑排水將顯著改變礦坑周圍的地下水動(dòng)力場(chǎng)特征，降低礦坑周邊地下水位。露天坑的存在一方面截?cái)鄨?chǎng)區(qū)上游的地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，另一方面露天坑的持續(xù)排水激發(fā)場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水向露天坑排泄，這兩者共同作用將大幅降低場(chǎng)區(qū)地下水位。根據(jù)場(chǎng)區(qū)地下水位勘測(cè)資料，場(chǎng)區(qū)西邊界附近部分地段水位低于東鄰觀測(cè)孔的水位，表明場(chǎng)區(qū)西邊界局部地下水流向變?yōu)橛蓶|向西徑流。

2.4 淺溝水體滲水補(bǔ)給

場(chǎng)區(qū)西南角存在一個(gè)淺溝水體，根據(jù)調(diào)查，在清水工業(yè)園建設(shè)前，該水體為發(fā)源于大保當(dāng)鎮(zhèn)西高羔兔沙漠區(qū)的野雞河，向東流徑至大保當(dāng)灘地區(qū)，容納眾多溝渠后折向東南匯入場(chǎng)區(qū)及其周邊低洼地帶，至此又下滲轉(zhuǎn)化為地下水。清水工業(yè)園建設(shè)后，該淺溝水體為場(chǎng)區(qū)上游野雞河因工業(yè)園區(qū)及城鎮(zhèn)居民集中區(qū)建設(shè)而改道集中流入場(chǎng)區(qū)而形成的，同時(shí)也是園區(qū)市政排水、西灣露天礦礦坑排水的集中排放點(diǎn)，該水體匯集的水除部分蒸發(fā)外，全部下滲補(bǔ)給了場(chǎng)區(qū)的地下水。如果該水體長(zhǎng)期存在，額外增加的市政排水、西灣露天礦礦坑排水的下滲補(bǔ)給，將抬高該水體周邊的地下水位。根據(jù)工業(yè)園區(qū)整體規(guī)劃，園區(qū)將采用疏排、填埋夯實(shí)的方式對(duì)該水體進(jìn)行治理，屆時(shí)該補(bǔ)給量將不復(fù)存在。相對(duì)于園區(qū)建設(shè)前，場(chǎng)區(qū)在該處獲得的野雞河滲漏補(bǔ)給量將消失，也將導(dǎo)致場(chǎng)區(qū)該水體周邊內(nèi)地下水位顯著下降。

2.5 鐵路路基阻水

緊鄰場(chǎng)區(qū)西邊界處建設(shè)有靖神鐵路專用線，該鐵路路基建設(shè)將原野雞河河道切斷，園區(qū)將河道約束改道后通過(guò)鐵路橋涵引流至場(chǎng)區(qū)西南角的淺溝水體，現(xiàn)狀條件下，該水體中的水自由下滲補(bǔ)給場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地下水，改變了地表水體下滲補(bǔ)給的位置，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)局部地下水流場(chǎng)形態(tài)有一定影響。根據(jù)園區(qū)規(guī)劃，該淺溝水體將通過(guò)疏排、填埋夯實(shí)的方式進(jìn)行治理，屆時(shí)約束改道后的野雞河將直接向下游排泄，場(chǎng)區(qū)內(nèi)原野雞河的散排下滲補(bǔ)給將不復(fù)存在，將導(dǎo)致場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水位下降。

2.6 清水溝泉水排泄

清水溝是清水溝流域的集中排泄區(qū)，天然條件下流域內(nèi)地下水所獲得補(bǔ)給量將全部以泉的形式在清水溝溝腦及兩側(cè)溝坡排泄，其中以溝腦燒變巖大泉排泄為主。清水工業(yè)園區(qū)建設(shè)后，通過(guò)以上多種形式改變了流域內(nèi)地下水的循環(huán)模式，也導(dǎo)致場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給量大幅減少。但流域內(nèi)補(bǔ)給量減少的同時(shí)，清水溝泉水排泄卻始終存在，只是排泄量將持續(xù)減少。在這種補(bǔ)給排泄的循環(huán)模式作用下，場(chǎng)區(qū)地下水在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)處于負(fù)均衡狀態(tài)，地下水位將持續(xù)大幅下降，直至新的動(dòng)態(tài)平衡形成，場(chǎng)區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)才將趨于平穩(wěn)。

3 場(chǎng)地地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

3.1 地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給消失情況下動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

地下水位變化的計(jì)算：隨著清水工業(yè)園大規(guī)模建成，清水溝流域降水入滲補(bǔ)給大幅減少，場(chǎng)區(qū)西邊界地下水側(cè)向補(bǔ)給量也將大幅減少。考慮極端情況下，地下水側(cè)向補(bǔ)給量完全消失時(shí)，場(chǎng)區(qū)的地下水位變化可用下式近似計(jì)算

(1)

式中：h—場(chǎng)區(qū)地下水位，m；h1—清水溝溝腦燒變巖大泉排泄標(biāo)高，約1 110 m；W—場(chǎng)地硬化后降水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度，約6×10-5m3/(d·m2)；K—場(chǎng)區(qū)含水層平均滲透系數(shù)(約1 m/d)；x—場(chǎng)區(qū)一點(diǎn)至燒變巖大泉的距離，2 750 m。

對(duì)比分析：將場(chǎng)區(qū)各參數(shù)代入上式可近似計(jì)算出地下水側(cè)向補(bǔ)給量完全消失時(shí)，場(chǎng)區(qū)的地下水浸潤(rùn)線形態(tài)趨于平緩，地下水位標(biāo)高最高處僅比燒變巖大泉泉口標(biāo)高高出約1 m。經(jīng)與現(xiàn)狀地下水浸潤(rùn)線形態(tài)對(duì)比分析可知，地下水側(cè)向補(bǔ)給量完全消失時(shí)，場(chǎng)區(qū)的地下水位將最大下降近30 m。

3.2 西灣露天礦排水情況下動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

地下水位變化計(jì)算：場(chǎng)區(qū)西側(cè)的西灣露天礦排水條件下，露天坑?xùn)|部地區(qū)地下水在露天坑排泄基準(zhǔn)的控制下，將向露天坑徑流，此時(shí)場(chǎng)區(qū)的地下水位變化可用下式近似計(jì)算

(2)

式中：h2—西灣露天礦排泄標(biāo)高，約1 090 m；l—西灣露天礦排泄邊界至燒變巖大泉的距離，約3 850 m。

對(duì)比分析：將場(chǎng)區(qū)各參數(shù)代入上式可近似計(jì)算出地下水側(cè)向補(bǔ)給量完全消失時(shí)，受西灣露天坑排水及場(chǎng)地硬化影響，場(chǎng)區(qū)地下水位總體向露天坑徑流，清水溝泉水趨于消失。經(jīng)與現(xiàn)狀地下水浸潤(rùn)線形態(tài)對(duì)比分析可知，在西灣露天坑排水及場(chǎng)地硬化影響下，場(chǎng)區(qū)的地下水位將最大下降近50 m，屆時(shí)場(chǎng)區(qū)燒變巖含水層將趨于疏干狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

地下水補(bǔ)給和排泄量的變化可直接反映在地下水位的上升與下降[5]，清水工業(yè)園化工企業(yè)場(chǎng)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)受氣象和上游地區(qū)人類工程活動(dòng)作用影響，水位變幅較大，具有雙峰特征。當(dāng)上游地下水側(cè)向補(bǔ)給量完全消失時(shí)，場(chǎng)區(qū)的地下水位將最大下降近30 m；受西灣露天坑排水及場(chǎng)地硬化影響，場(chǎng)區(qū)地下水位將大幅度下降，最大下降近50 m。