礦區(qū)地下水資源賦存特征與形成機(jī)理研究

黃登鵬

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730050）

地下水系統(tǒng)是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是水循環(huán)中不可或缺的一環(huán)，其具有分布廣泛、水質(zhì)優(yōu)良、儲(chǔ)量豐富和開采便利等優(yōu)點(diǎn)，既可以為人類的生產(chǎn)生活用水提供保障，也在保證經(jīng)濟(jì)和礦區(qū)資源持續(xù)發(fā)展、最大化到生態(tài)平衡的維持中擁有不可替代的作用。我國水資源南北分布不均，而導(dǎo)致有些礦區(qū)的水文地質(zhì)條件較為困難[1]。本文從甘肅地區(qū)礦區(qū)地下水為切入點(diǎn)，探討地下水的水化學(xué)特征、賦存特征及形成機(jī)理，并通過定性和定量分析研究區(qū)地下水所經(jīng)歷的主要水文地球化學(xué)過程，討論外部環(huán)境對(duì)地下水化學(xué)的影響，研究徑流過程中地下水的演化機(jī)理，并探討礦區(qū)含水層的時(shí)空演化。研究結(jié)果有助于理解和分析各個(gè)礦區(qū)地下水的化學(xué)特征和分布規(guī)律，確定地下水水質(zhì)的形成過程和特征，以及如何保護(hù)和處理礦區(qū)工業(yè)造成的地下水環(huán)境污染問題，在目前技術(shù)手段允許的條件下讓地下水資源開發(fā)利用效益最大化[2]。

1 礦區(qū)地下水主要賦存特征

甘肅地區(qū)礦區(qū)主要分布于河西走廊祁連山下離瓜州縣比較近，故礦區(qū)內(nèi)的新生代松散層覆蓋了礦區(qū)表面，一般設(shè)置+20m～+50m為平原的地面標(biāo)高。季節(jié)性河流是礦區(qū)內(nèi)的常見河流，成因是其受到大氣降水控制。該區(qū)地下水的主要組成部分為二疊系砂巖裂隙、太原組灰?guī)r及底部奧陶系灰?guī)r三個(gè)含水層。上部強(qiáng)含水層以砂礫卵石為主，其有著結(jié)構(gòu)松散，不含泥質(zhì)，分選性差，磨圓度好等特性，粒徑3cm～8cm，最大可達(dá)17cm；中部主隔層厚度一般為5m～8m，最大15m，中部主隔層有著比較穩(wěn)定的層位，主要由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉土構(gòu)成；位于主隔層以下的下部中等含水層由于厚度相差懸殊，透水性不甚相同，其分布較為穩(wěn)定，有些地段為多個(gè)砂層直接迭置，組成較厚的含水段[3]。

地下水主要賦存特征如下：

1.1 地下水分布特點(diǎn)

受大氣降水的影響，第一含水層厚度變化在12m～29m以內(nèi)。含水層巖性為粘土質(zhì)砂、粉砂和細(xì)砂，水化學(xué)類型為HCO3—Na·Mg型，富水性中等偏強(qiáng)。第二含水層富水性依然是中等偏強(qiáng)，其由淺黃色粉砂、細(xì)砂和粘土質(zhì)砂組成。第三含水層，厚度在17.6m～80m變化之間，富水性中等。第四含水層簡(jiǎn)稱四含（又稱底含），礦區(qū)內(nèi)厚度變化區(qū)間大（0m～59.1m）[4]。第四含水層由于受第三隔水層阻隔，其與上部含水層（組）沒有進(jìn)行液壓連接，并且由于風(fēng)化帶的影響，它與砂巖水和石灰石水有一定的液壓連接。因此，在淺層礦產(chǎn)的開采過程中，遇水突破會(huì)受到威脅，從而影響礦產(chǎn)資源開采的安全性。

1.2 地下水的埋深

礦區(qū)區(qū)內(nèi)地下水的埋深在空間上有著較為明顯的變異性特點(diǎn)。研究區(qū)的地下水埋藏深度通常在30m以內(nèi)，某些區(qū)域的埋藏深度可能超過30m。但是，在研究區(qū)域內(nèi)，地下水深度相對(duì)較大，而在大多數(shù)區(qū)域，地下水深度通常較淺。研究區(qū)域地下水位的上升主要取決于地形。研究區(qū)域的中部和北部有兩個(gè)不同的分水嶺，基巖表面的高度較低，形成一個(gè)大的管狀基巖表面，低地地區(qū)向北延伸[5]。礦區(qū)內(nèi)地下水的埋深松散層厚度在39.8m～403.75m之間變化，其變化趨勢(shì)與基巖面標(biāo)高基本一致，松散層南厚北薄、東厚西薄。

1.3 地下水的化學(xué)組成

對(duì)礦區(qū)水樣相關(guān)水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其各含水層化學(xué)類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 各含水層化學(xué)類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果

如表1所示，一般情況下，地下水中所含的主要離子的變化規(guī)律，一般為隨著總礦化度的變化而變化，低礦化度水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+為主三個(gè)含水層的相應(yīng)水化學(xué)參數(shù)變化趨勢(shì)基本相同，寒武系灰?guī)r水中這些離子的含量變化較小，同時(shí)也說明寒武系灰?guī)r水的鹽化作用相對(duì)微弱。高礦化水以Cl-及Na+為主；礦化水陰離子常以SO42-為主，陽離子既可以是Na+，也可以是Ca2+。從表1中可以看出，該礦區(qū)地下水中所含陰離子以HCO3-為主，陽離子主要包含Ca2+、Mg2+；而礦井水的陰離子主要為HCO3-，陽離子以K+、Na+為主，因此礦化度較高。由此可以看出，強(qiáng)酸根略小于弱酸根，此結(jié)果可以說明該區(qū)域礦區(qū)地下水在自然環(huán)境影響下會(huì)產(chǎn)生一定的濃縮現(xiàn)象。

1.4 地下水動(dòng)態(tài)平衡及補(bǔ)、徑、排

由于不同含水層巖性不同，其滲透性、含水性差異也很大。其擁有各自的補(bǔ)給、徑流、排泄特征也由區(qū)域含水層的空間分布、沉積特征等決定。礦區(qū)內(nèi)地表水流域邊界與地下水系統(tǒng)邊界在地形地貌控制的影響下基本一致，由于地形處于不同的水平，因此在流動(dòng)過程中，頂線在平坦的邊坡出較小、水力梯度較小、流動(dòng)相對(duì)較慢。相比之下，在地形復(fù)雜且地形陡峭的河溝壑區(qū)，含水層的完整性受到可追溯侵蝕的干擾，這構(gòu)成了局部最低基線排水水平。因此地下水流相對(duì)湍流，受流域水系，地形和水循環(huán)條件的影響，從補(bǔ)給區(qū)到流域，不同地區(qū)淺層地下水的化學(xué)性質(zhì)和類型表現(xiàn)出明顯的區(qū)域演化特征，反映出從淋溶到過濾的主要水化學(xué)作用。

2 礦區(qū)地下水主要形成機(jī)理

為探究礦區(qū)地下水主要形成機(jī)理，從滲流場(chǎng)、地下水流態(tài)、邊界條件、補(bǔ)給源、空間分布及地貌等條件來分析實(shí)測(cè)水文地質(zhì)模型。礦區(qū)地下水儲(chǔ)存在離層空間中。礦區(qū)地質(zhì)形成離層空間的一個(gè)主要因素是煤層上覆基巖中存在一定厚度的隔水巖層，該隔水層起到至關(guān)重要的作用。產(chǎn)生離層儲(chǔ)水空間最關(guān)鍵的是安定組底部的砂質(zhì)泥巖，且該砂質(zhì)泥巖位于導(dǎo)水裂縫帶的頂部。正是由于煤層特殊的頂板覆巖巖性及其組合關(guān)系，導(dǎo)致了礦區(qū)地下可以形成離層水，且離層水的形成機(jī)理和涌水機(jī)理基本相同，只是形成位置存在一定的差異，如圖1所示。

圖1 地下水形成機(jī)理及過程

隨著工作面的回采，由于失去了支撐，泥巖的隔水層會(huì)因發(fā)生變形而彎曲下沉。但因?yàn)槟鄮r抗張強(qiáng)度較大，位于其上的砂巖含水層僅略微下沉，會(huì)在砂巖和泥巖間形成一個(gè)單獨(dú)的儲(chǔ)水空間，并且屋頂含水層中儲(chǔ)存的水會(huì)在該空間中滲出并收集。伴隨圍墻的發(fā)育，在采礦作業(yè)中，在頂板泥巖的重量，巖石的壓力和儲(chǔ)層的破裂共同作用下，水屏障將不斷變形和沉陷，直到位移達(dá)到極限為止。由于結(jié)構(gòu)變化，泥巖將被破壞，然后發(fā)生分離。這種現(xiàn)象的事實(shí)在于，層狀空間中的水體先是立即突出，再減少；并受到分離儲(chǔ)水空間中水體的減少，泥巖阻水層的破裂空間隨著阻水層的擴(kuò)展而逐漸減小。隨著礦產(chǎn)資源的進(jìn)一步開采，分離層的位置將向前移動(dòng)，然后分離層的儲(chǔ)層將再次關(guān)閉，泥巖破裂位置前移會(huì)導(dǎo)致周期性突水，產(chǎn)生的水累積存儲(chǔ)在離層空間進(jìn)而形成地下水。

3 結(jié)束語

本文對(duì)礦區(qū)地下水資源賦存特征與形成機(jī)理進(jìn)行研究，探究了不同地質(zhì)條件下礦區(qū)地下水的特點(diǎn)，以及地下水的形成過程，對(duì)當(dāng)前的地下水研究有著一定的參考意義。希望能對(duì)地下水以及工礦作業(yè)提供一定的參考。