大型露天礦閉坑后地下水資源調(diào)整預(yù)測研究

鄧 焱，郝 喆，許春東，吳超君

(1.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110013)

近年來，不斷有大型露天礦坑因資源枯竭而閉坑，礦坑水在閉坑后的運(yùn)移規(guī)律和水資源的合理優(yōu)化技術(shù)越來越引起人們的重視[1，2]。撫順西露天礦作為曾經(jīng)的亞洲第一大露天煤礦，從1914年開采至今已超過百年歷史。以往針對西露天礦水環(huán)境問題，曾開展過大量的研究工作：楊天鴻等人通過調(diào)查分析，總結(jié)了撫順西露天礦北幫巖體滲透性和水壓動(dòng)態(tài)規(guī)律[3]。佟鴻儒等人通過調(diào)查，對撫順西露天礦礦坑水現(xiàn)狀進(jìn)行了分析[4]。殷丹等人通過調(diào)查，分析了撫順西露天礦坑水質(zhì)情況及水綜合利用的意義。高波等人通過對含水層分布調(diào)查，給出了提升礦井疏干水綜合利用率方案[5]。

2019年6月，西露天礦正式啟動(dòng)退煤閉坑程序，但礦坑水仍一直持續(xù)排放，引起了一系列的生態(tài)環(huán)境及地下水環(huán)境問題。閉坑后西露天礦的水環(huán)境將面臨新的調(diào)整，大范圍停排水將導(dǎo)致礦坑水位將上升，造成嚴(yán)重的邊坡穩(wěn)定、地下水資源浪費(fèi)和地表水污染等問題，同時(shí)由于礦坑的西部北部地勢低于東部南部，還會使西部北部居民區(qū)水位線升高，增大城市排水壓力[6]。因此，對閉坑后礦坑地下水運(yùn)移進(jìn)行模擬尋找規(guī)律，合理開發(fā)利用礦坑水，進(jìn)一步進(jìn)行水資源優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)域概況及參數(shù)確定

1.1 區(qū)域概況

撫順地區(qū)歷年平均降水量為770～810mm，年平均蒸發(fā)量為1100～1200mm，下墊面條件及其他氣象因素對蒸發(fā)量地區(qū)分布變化的影響明顯。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，市區(qū)的生態(tài)環(huán)境用水總量大約0.3億m3/a，工業(yè)用水量1.7億m3/a，城鎮(zhèn)公共用水量0.3億m3/a。渾河河道干流總長415km，流域面積11481km2，是流經(jīng)撫順市最大的河流。古城子河長18.8km季節(jié)性河流，河床寬度約50m，河道與露天坑西幫最近處為150m。本區(qū)自上而下包括松散巖類孔隙水含水層、碎屑巖類孔隙裂隙水含水層、基巖構(gòu)造裂隙水含水層三個(gè)含水層組，各含水層組之間存在一定的水力聯(lián)系[7，8]。

西露天礦位于撫順市區(qū)西南部、渾河南岸，現(xiàn)狀礦坑面積10.78593km2，東西最長約5.8km，南北最寬處約2.2km。向坑內(nèi)匯集水的來源有：大氣降雨、渾河補(bǔ)給源、古城子河床潛水等，匯水量可能達(dá)2000萬m3/a。東露天礦位于撫順煤田東部，礦區(qū)面積9.2078km2，東西長約6km，南北長約1.9km。

1.2 模型參數(shù)的確定

依據(jù)鉆孔試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)和彌散試驗(yàn)以及對河流流量的分析結(jié)果，匯總后再與經(jīng)驗(yàn)值相結(jié)合對模擬區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，確定地表下巖土分層標(biāo)準(zhǔn)，滲透系數(shù)，定水頭邊界參數(shù)，河流參數(shù)等相關(guān)參數(shù)。對近年雨水補(bǔ)給量和蒸發(fā)量進(jìn)行匯總求平均值，確定雨水補(bǔ)給量和蒸發(fā)量參數(shù)[9-12]。

1.2.1 水力傳導(dǎo)系數(shù)和存貯系數(shù)

根據(jù)撫順地質(zhì)演化分析和鉆孔數(shù)據(jù)滲透系數(shù)分析，建立六個(gè)不同沉積環(huán)境的成因地層單位。利用抽水試驗(yàn)資料，結(jié)合沉積環(huán)境和構(gòu)造條件綜合分析，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和水文資料，按沉積巖的特征和經(jīng)驗(yàn)對每一層不同分區(qū)的水力傳導(dǎo)系數(shù)和存貯系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值。水文地質(zhì)參數(shù)見表1[13]。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)

1.2.2 補(bǔ)給與蒸發(fā)

撫順露天礦坑周圍區(qū)域垂向補(bǔ)給主要有降雨入滲補(bǔ)給和田間灌溉入滲補(bǔ)給等。根據(jù)歷年降雨量取平均值670mm/a。再將垂直方向的補(bǔ)給量同期疊加，確定垂直補(bǔ)給量為690mm/a。蒸發(fā)量居民區(qū)和地勢平緩區(qū)域蒸發(fā)量1100mm/a，山地和礦坑區(qū)年蒸發(fā)量400～800mm/a。蒸發(fā)深度0.5～10m。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 模型建立

利用Visual modflow[14]建立模擬區(qū)三維結(jié)構(gòu)。模型范圍14743m×5208m×800m，設(shè)置50×100的柵格，基本單元是147.43m×104.16m。邊界處添加行列以便定水頭的添加。在1.7～2.5km加密行至基本行距三倍以便計(jì)算。上部的第四系水泉段沉積物為潛水含水層，根據(jù)水文孔資料和地表水位觀測資料，確定邊界部分的水頭參數(shù)；第二層以下為承壓水，其滲透性能好，形成了各含水層水力聯(lián)系和通道，綜合分析確定各層的邊界條件。渾河流域最北點(diǎn)的緯線作為模型北部邊界；西露天礦最南點(diǎn)所在的緯線位置作為模型南部邊界；古城子河和渾河交匯處的經(jīng)線位置作為模型西部邊界；東露天礦最東點(diǎn)所在經(jīng)線位置作為模型東部邊界；以-600m作為模型底部邊界；地表作為模型頂部邊界。

2.2 地下水位預(yù)測與徑流分析

輸入各區(qū)域補(bǔ)給強(qiáng)度，蒸發(fā)強(qiáng)度，滲透系數(shù)，水頭邊界相關(guān)參數(shù)，河流系數(shù)，抽水井參數(shù)等數(shù)值后，分別模擬在停止排水1000d、2000d、3000d、4000d、5000d、8000d、10000d時(shí)水位標(biāo)高，結(jié)果如圖1所示，可以看出水位在停止排水8000d后基本保持不變。模擬10000d地下水在停止排水并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的地下水水位預(yù)測如圖2所示，水位達(dá)到60m的水平。同時(shí)由于東露天礦沒有停止排水，使西露天礦東部的水位線降低，在西露天礦坑周圍區(qū)域形成一個(gè)西高東低的水位線分布。西露天南面地勢高，北面地勢低，使地表水呈現(xiàn)由南向北流的趨勢，河流由排泄源變?yōu)檠a(bǔ)給源。同時(shí)，在停止排水后可以看出西露天礦西北角的排土場區(qū)域水位高于周圍水位。

圖1 隨時(shí)間變化西露天礦坑內(nèi)水位標(biāo)高

圖2 停止排水10000天地下水水位預(yù)測

2.3 區(qū)域水均衡分析

將撫順西露天礦坑部分設(shè)為均衡區(qū)2(Zone2)，第一、二層非礦坑區(qū)部分為均衡區(qū)3(Zone3)，其他部分為均衡區(qū)1(Zone1)，如圖3所示。利用校正好的模型，對區(qū)域水均衡進(jìn)行計(jì)算，沿Y=1200做垂直切面圖，結(jié)果如圖4所示。

從均衡圖中可以看出，從表層經(jīng)降雨入滲進(jìn)入礦坑的水為16521m3/d，通過地表蒸發(fā)的為14999m3/d，從地下水中進(jìn)入礦坑(Zone1 to Zone2)的水為(37192-8847)=28345m3/d，從潛水進(jìn)入礦坑(Zone3 to Zone2)的水為(30435-3534)=26901m3/d，經(jīng)礦坑排出(wells out)的水為56768m3/d。同時(shí)，Zone2沒有河流經(jīng)過，未設(shè)置水頭邊界和其他排水系統(tǒng)。

從均衡結(jié)果看，與實(shí)際較一致。在正常排水情況下，停止排水后垂直補(bǔ)給量和蒸發(fā)量變化不大，西露天礦坑排出水量為56768m3/d，盡管停止排水后Zone1流向Zone2的水會有所減少，但大部分的水量仍需從Zone2流向Zone1和Zone3以達(dá)到水均衡，Zone1和Zone3受滲透系數(shù)和區(qū)域大小的等因素的制約不能承載大量的水，因此極大可能會在礦坑地表形成積水。完全停止排水后，現(xiàn)有水均衡發(fā)生改變，在不考慮水土流失和生物因素的條件下，經(jīng)過約三十年礦坑水位可達(dá)到60m。給坑邊的居民區(qū)和工廠甚至東露天礦造成極大損失，損失后果將大于排水所需費(fèi)用，因此完全停止排水不可行。

3 水資源優(yōu)化模型分析

取2016—2018年礦坑排水量平均值24482927m3/a，考慮當(dāng)?shù)厍Ы鹩蛷S和造紙廠的硬性需水以及消火除塵和供水過程的水資源消耗，最終水資源量優(yōu)化總量取為1700萬m3/a，分別用于工業(yè)、城鎮(zhèn)和生態(tài)[15]。

3.1 模型目標(biāo)的確定

1)目標(biāo)1：供水凈效益最大。

式中，xij為水泵i向j用戶的供水量，萬m3；bij為水泵i向j用戶的供水量效益系數(shù)，元/m3；cij分別為水泵i向j用戶供水量的費(fèi)用系數(shù)，元/m3；ai為公共水源i供水次序系數(shù)(根據(jù)各種水源的性能不同，先后順序的差別，可看作一種權(quán)重系數(shù))。

圖4 撫順西露天礦(Zone2)水均衡

2)目標(biāo)2：供水系統(tǒng)總?cè)彼孔钚　?/p>

式中，Dj為j用戶需水量，萬m3。

鑒于社會效益目標(biāo)更不易度量，而缺水量的大小或缺水程度影響到社會發(fā)展與安定，因此，以總?cè)彼孔钚∽鳛樯鐣б婺繕?biāo)的間接度量。

3.2 模型約束條件的確定

1)水源可供水量約束。

式中，xij為水泵i向j用戶的供水量；Wi為水泵i總水量，取2500萬m3。

2)用戶需水能力限制。

式中，Djmin、Djmax為j用戶的最小、最大需水量。

將各組分配水量上下限進(jìn)行簡單范圍約束，以保證分配合理，同時(shí)進(jìn)行非負(fù)約束。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

使用MATLAB建立優(yōu)化模型[16]。代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得出城鎮(zhèn)用水分配600萬m3/a，工業(yè)用水分配400萬m3/a，生態(tài)用水分配700萬m3/a時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益兩個(gè)目標(biāo)所得結(jié)果整體較好。

4 結(jié) 論

1)停止排水后，受地表滲流，河流滲流和蒸發(fā)強(qiáng)度影響，水將向西露天礦區(qū)匯聚，同時(shí)蒸發(fā)強(qiáng)度較高使礦坑水位低于周圍水位，形成一個(gè)礦坑水域，待穩(wěn)定后最終水位達(dá)到60m左右。

2)停止排水后，受東露天抽水井影響西露天礦東部的水位線降低，在西露天礦坑周圍區(qū)域形成一個(gè)西高東低的水位線分布。受礦坑南北地勢影響，地下水從南向北流動(dòng)，河流由排泄源變?yōu)檠a(bǔ)給源。排土場水位高于周圍地區(qū)。

3)從水均衡模擬結(jié)果可以看出，停止排水后，Zone1流向Zone2的水會有所減少，但大部分的水量扔需從Zone2流向Zone1和Zone3以達(dá)到水均衡，Zone1和Zone3受滲透系數(shù)和區(qū)域大小的等因素的制約不能承載大量的水流量，因此會在礦坑地表形成積水，給坑邊的居民區(qū)和工廠甚至東露天礦造成極大損失，損失后果將大于排水所需費(fèi)用，因此完全停止排水不可行。

4)從水資源優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)果可以看出，城鎮(zhèn)用水分配600萬m3/a，工業(yè)用水分配400萬m3/a，生態(tài)用水分配700萬m3/a，可以西露天礦的下一步綜合治理和整合利用提供依據(jù)，也可供相似閉坑露天礦水環(huán)境分析和優(yōu)化配置提供參考。經(jīng)濟(jì)效益和社會效益兩個(gè)目標(biāo)所得結(jié)果整體較好。