王應剛,姜 琴,辛慧慧

(山西大學 環(huán)境與資源學院,太原 030006)

水資源問題目前已成為全球關注的重要環(huán)境問題之一[1],我國是水資源比較貧乏的國家,許多地區(qū)尤其是北方干旱、半干旱地區(qū)已有1/4的地下水被開采而無法恢復,而在煤炭開采條件下這種現(xiàn)象更為突出[2]。

我國的煤炭資源非常豐富[3],煤炭資源的開采為整個國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展做出了重大的貢獻[4],然而,煤炭資源的大規(guī)模開發(fā),不可避免地對自然生態(tài)環(huán)境產生極大的擾動[5],特別是對開采區(qū)域內的水文地質環(huán)境產生極為明顯的不可逆作用,從而嚴重破壞了地下水資源的自然賦存條件,使本來就已經(jīng)十分緊張的區(qū)域水資源供需矛盾更加尖銳[6]。煤炭的開采與地下水資源緊密相連,煤層往往與地下含水層相鄰,采煤時會疏干地下水,這不僅影響了地下水資源的數(shù)量和質量,而且破壞了水的動態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境,造成一系列不良后果[7]。

山西省水資源比較缺乏,全省水資源人均占有量456 m3。是全國人均水平的1/5,是世界人均水平的1/20,山西煤炭資源開采的一個重要特征是水、煤資源共生,在含煤地層的上面和下面以及煤系地層之上,形成水(主要為巖溶水)、煤共存的資源組合[8]。在這種水、煤資源共生的特定的水文地質條件下,大規(guī)模的采煤、開礦成為水資源損失的主要原因,煤炭資源的大規(guī)模開采對水資源的賦存和循環(huán)條件產生了嚴重的影響[9-10]。本文通過對山西省襄垣縣41座煤礦進行布點調查,從煤礦周圍86個村莊的86口水井的地下水位的下降值來探討煤炭開采對地下水資源的影響,從而為該區(qū)域煤炭開采及地下水資源保護提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 自然地理與水文地質條件

襄垣縣位于山西省境內上黨盆地的北部。全境地形西北高而東南低,屬半山丘陵地區(qū),平均海拔在1000 m,是內陸黃土高原的一部分。全縣東西長48 km,南北寬40 km,總面積為1 160 km2?，F(xiàn)轄8鎮(zhèn)3鄉(xiāng),323個行政村,1 089個自然村,1 446個村民小組(圖1)。其礦產資源十分豐富,現(xiàn)已探明的礦產資源有煤、鐵、錳、銅、錫、硫磺、石膏、云母、石英砂、石灰石、鋁土礦、白云石、大理石、磁土等30余種。其中煤、鐵礦極為豐富。煤田南起閻村,北至南巖,長45 km,寬10 km,共計450 km2,屬沁水煤田,現(xiàn)已探明地質總儲量75.8×108t,煤質以中灰、低硫、高發(fā)熱量、高熔灰份的貧煤為主。

圖1 研究區(qū)域位置圖Fig.1 Studying area location map

本區(qū)氣候屬暖溫帶大陸性氣候,其特點為:四季分明,冬長夏短,季風較強。冬季寒冷少雪,春季干旱多風,常出現(xiàn)十年九旱;夏季炎熱多雨,秋季晴朗涼爽。據(jù)襄垣縣氣象站觀測統(tǒng)計,全年平均氣溫為9.5℃,1月最低,最低氣溫-29.1℃,平均氣溫為-6.4℃,7月最高,最高氣溫達38.1℃,平均氣溫為23.2℃。年降水量在433.2～814.3mm,平均532.8 mm,大多集中在7～9月,日最大降水量為101.5mm(1972年7月7日),最長連續(xù)降水天數(shù)為8d。區(qū)內年平均蒸發(fā)量為1768.1 mm,年最大蒸發(fā)量為1 914.7 mm,最小為1 515 mm,年蒸發(fā)量是年降水量的3倍以上。歷年霜凍期為當年的9月中旬至翌年5月上旬,全年無霜期134 d,最大凍土深度為0.82 m(1967年2月),歷年平均相對濕度為64%。冬季多為西北風,夏季多為東南風,平均風速1.9 m/s,最大風速18m/s。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取方法

2009年4～5月,對襄垣縣境內的各個煤礦進行了實際調查,獲得了全縣41座煤礦的現(xiàn)狀資料(表1)。對煤礦井田及其周圍86個村莊的86口水井的井水水面至地面的高度即地下水埋深進行了調查,獲得了2009年各個村莊的地下水埋深數(shù)據(jù);根據(jù)襄垣縣水利局的記載,獲得了被調查水井在煤礦興建之前的井水水面至地面的高度即地下水埋深數(shù)據(jù)見表2～表4。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析方法

本次調查主要采用分區(qū)分組調查的方法,將41座煤礦井田內及其周圍86個村莊的86口水井按照坐落位置的不同劃分為3個分布區(qū),即井田內開采區(qū)(含村莊30個)、井田內未開采區(qū)(含村莊26個)及井田外地區(qū)(含村莊30個),根據(jù)各個村莊水井煤炭開采前后的地下水水位值計算出各個村莊水井的地下水水位下降值,利用SPSS對其與各村莊的海拔、人口及煤炭開采前的地下水水位進行簡單相關性分析和Independent Samples Test檢驗分析。

用簡單相關系數(shù)公式分別計算各村莊的地下水水位下降值與各村莊的海拔、人口和煤炭開采前的地下水水位的相關性,以分析海拔、人口和煤炭開采前的地下水水位對各村莊地下水水位下降值的影響程度,計算公式為:

用方差不齊時的t統(tǒng)計量和自由度的校正公式計算分析各區(qū)域間地下水水位下降值的差異,其計算公式分別為:

式中t′為方差不齊的t檢驗,v為自由度,根據(jù)相對應的t和v,可以計算出相對應的p值,最終得出方差不齊時兩樣本的t′檢驗。

表1 41座煤礦的概況Table 1 41 coal mines work condation

表2 各煤礦井田內開采區(qū)的村莊Table 2 Villages located in mining area

表3 各煤礦井田內未開采區(qū)的村莊Table 3 Villages in no mining area

表4 各煤礦井外的村莊Table 4 Villages out mining area

2 結果與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理分析

2.1.1 簡單相關性分析

襄垣縣41座煤礦周圍的86個村莊86口水井的分布情況分別見表2～表4。

分別將各個區(qū)域內所有村莊水井的地下水水位下降值與各村莊海拔、人口和水井開采前的地下水水位做簡單相關性分析,結果表明村莊水井地下水水位下降值與村莊海拔、人口和水井開采前地下水水位的相關性不高,總體來看,水井地下水水位下降值除與村莊人口具有一定的相關性外,其相關性為0.234(P＜0.05),與其它兩個要素的相關性都不明顯,其中與海拔呈負相關關系。這就說明了研究區(qū)域的海拔、人口及煤炭開采前地下水水位對水井地下水水位下降值的影響不顯著。

采用求算術平均數(shù)的方法,對各區(qū)域村莊水井的地下水水位下降值進行處理,分別得出3個區(qū)域地下水水位下降的平均值(圖2)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果可以直觀地看出井田內開采區(qū)的地下水水位平均下降了76.9m,井田內未開采區(qū)的地下水水位平均下降了20.1 m,井田外地區(qū)的地下水水位則下降了6.3 m,不同分布區(qū)的地下水資源由于距離煤礦井田的遠近不同而使地下水水位下降明顯出現(xiàn)迥異,離煤礦井田越近的地區(qū)其地下水水位下降越大,反之越小,這就是說,煤炭開采對地下水資源造成重要的影響,且對其愈近的地區(qū)的水資源影響愈大,反之愈小,即井田內開采區(qū)影響最大;井田內未開采區(qū)其次;井田外地區(qū)影響最小。

圖2 地下水水位下降圖Fig.2 Groundwater decrease map

2.1.2 運用SPSS對數(shù)據(jù)進行Independent Samples Test檢驗分析

井田內開采區(qū)、井田內未開采區(qū)、井田外地區(qū)這3個地區(qū)原來的水資源環(huán)境相近,但由于煤炭的開采使不同地區(qū)的地下水資源狀況出現(xiàn)差異,本文通過比較各區(qū)域煤炭開采后地下水水位下降值的差異來確定煤炭開采對不同地區(qū)水資源的影響。在這里可以把每兩個地區(qū)的地下水水位下降值看作是1組獨立的數(shù)據(jù),然后運用SPSS對其進行Independent Samples Test分析,取a值為0.05,其結果見表5。

表5 各區(qū)域地下水水位下降值差異分析Table 5 Difference analysis of groundwater decrease in the area

由表5可見3個地區(qū)之間的地下水位變化基本上都存在著差異(P＜0.05),其中井田內開采區(qū)與井田外地區(qū)的差異最大,而井田內未開采區(qū)與井田外地區(qū)的差異最小甚至不存在,這就進一步論證了以上結論:煤炭開采對地下水資源具有不同程度的影響。即煤炭開采對其愈近的地區(qū)的水資源影響愈大,反之愈小,即井田內開采區(qū)影響最大;井田內未開采區(qū)其次;井田外地區(qū)影響最小。

2.2 地下水位不同程度下降分析

煤炭開采和加工不僅本身需要大量用水,同時,由于采煤引起的地表裂縫和塌陷,直接或間接地破壞了煤系地層以上的所有儲水構造,破壞了地表徑流的排泄條件,地下水位下降,井泉枯干,水利設施破壞,蓄水工程失去效用。據(jù)資料,正常情況下,每產1 t煤綜合用水標準為1～3 m3。為了維持煤炭的正常生產,采煤過程中必須把工作面的礦井涌水排出,這樣就導致煤層以上地下水被疏干。一般在煤炭開采初期,隨著工作面的推進,礦井排水量逐漸增加,形成了以煤礦為中心的降落漏斗,使水流的水平運動改向垂直入滲運動,從而使地表水越來越少,地下水位越來越深,襄垣縣采煤區(qū)淺層水井已更換了4次以上,水位平均下降了30m以上。部分采煤區(qū)由于淺層水全部滲漏,不得不開采深層水,井深普遍達到300 m以上。

3 結論與建議

通過對襄垣縣41座煤礦86個村莊86口水井的布點調查,利用SPSS對其進行簡單相關性分析和Independent Samples Test檢驗得出:在原來水環(huán)境條件相似的條件下,各區(qū)域的人口、海拔等與各區(qū)域地下水水位下降值相關性不顯著,數(shù)據(jù)顯示與煤礦井田開采越近的地區(qū),其地下水水位下降越大,形成了以礦井為中心的降落漏斗。這就說明了煤炭開采是造成地下水水位下降的重要原因之一,且對不同地區(qū)的地下水水資源產生不同程度的影響。

煤炭開采對地下水資源產生重要的影響,隨著煤礦的開采,水資源的破壞將逐漸由淺層靜儲量向深層靜儲量乃至碳酸鹽巖溶裂隙水轉化,從而使地下水水位下降以煤礦井田開采點為中心向四周擴散。本次研究結果對于煤炭開采區(qū)地下水資源的保護具有一定的參考價值,建議在進行礦區(qū)水資源保護時要因地制宜,針對不同區(qū)域的地下水資源的破壞情況制定不同的保護措施。同時從水資源破壞的影響因素來看,含水層結構破壞和地下水環(huán)境演化對水量的影響是引起水資源破壞的主要原因。所以,地下水資源破壞的控制除了要因時因地,一切從實際出發(fā)來制定不同的保護措施外,也應從防止或減輕含水層結構破壞和維護地下水環(huán)境平衡兩方面考慮:①首先要保護地下含水層結構,采用適當?shù)牟擅悍椒?避免含水層結構突然破壞,充填采空區(qū),防止因采煤沉降引起的含水層結構被破壞;②要減少工業(yè)固體廢棄物對水環(huán)境的污染,矸石山的選址要合理,矸石山底部設置防滲層,對矸石淋濾液進行處理,減少對水環(huán)境的污染;③要加強工業(yè)廢水排放的管理,嚴禁排放未達到標準的工業(yè)廢水,減少對河、湖及水庫等水源的污染,對廢棄的采空區(qū)進行調查,掌握采空區(qū)分布及面積,對部分老窿積水進行處理,實施土地復墾技術。只有這樣才能取得經(jīng)濟、社會與生態(tài)的良好效益,對實施生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展意義深遠。

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