古麗波斯坦吐遜江，尚彥軍，2，楊成，許濤

(1.新疆工程學(xué)院新疆地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830023；2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

隨著科技快速發(fā)展，人類對(duì)水資源需求量越來(lái)越大，水資源問(wèn)題成為全球關(guān)注的重要環(huán)境問(wèn)題之一[1]。我國(guó)水資源較貧乏且時(shí)空分布極不均勻，北方干旱-半干旱地區(qū)水資源匱乏問(wèn)題突出，很多地區(qū)地下水是唯一可開采利用的水資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有1/4地下水被過(guò)量開采無(wú)法恢復(fù)[2]。我國(guó)煤炭資源分布很不均勻，其與水資源分布特點(diǎn)相反，西部多、東部少、北部多、南部少。因此，我國(guó)西北干旱-半干旱地區(qū)煤炭資源開采對(duì)水資源破壞問(wèn)題尤為突出[3]。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展離不開煤炭資源的貢獻(xiàn)[4]，但大規(guī)模開發(fā)煤炭資源對(duì)自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大擾動(dòng)。開采煤層時(shí)疏干與煤層相連的含水層，對(duì)水質(zhì)和水量產(chǎn)生不可逆作用，特別是改變了開采區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)條件，嚴(yán)重破壞了地下水資源的自然賦存規(guī)律，使原本存在的區(qū)域水資源供需矛盾突出，且破壞開采區(qū)域生態(tài)平衡，造成了一系列難以恢復(fù)的不良后果[5-8]。

我國(guó)西部煤炭資源豐富，煤炭資源探明儲(chǔ)量約占全國(guó)的80%以上，為我國(guó)能源戰(zhàn)略中心。新疆煤炭資源占全國(guó)的40%以上，為我國(guó)第14個(gè)大型煤炭基地，是全國(guó)煤炭生產(chǎn)力西移的承接區(qū)[9]。新疆氣候干燥，降水量稀少，全區(qū)平均降水量不到200 mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈，平均年蒸發(fā)量2 000 mm，植被覆蓋率低，生態(tài)環(huán)境脆弱，一旦破壞嚴(yán)重，將面臨恢復(fù)艱難或永久性破壞的后果。新疆礦區(qū)煤層埋藏較淺，含水層位于煤層上方，形成“生態(tài)-地下水資源-煤炭資源”系統(tǒng)。煤炭開采導(dǎo)致含水層破壞，表體植物死亡，地表荒漠化，生態(tài)平衡破壞問(wèn)題凸顯。如何解決大規(guī)模煤炭開采與保護(hù)水資源間的矛盾，是亟需科技和工程解決的問(wèn)題。

1 新疆水資源概況

新疆水力公報(bào)數(shù)據(jù)顯示，2019 年全疆年降水量2 871×108m3，地表水資源量829.7×108m3，地下水資源量508.5×108m3?？鄢叵滤Y源與地表水資源重復(fù)計(jì)算量468×108m3，全疆水資源總量870.1×108m3，較多年平均值增加37.3×108m3。2019 年全疆用水總量為554.43×108m3，其中生產(chǎn)用水525.92×108m3，占用水總量的94.86%；生活用水12.79×108m3，占用水總量的2.31%；生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量15.72×108m3，占用水總量的2.83%。生產(chǎn)用水中，一產(chǎn)用水511.47×108m3，其中灌溉用水506.81×108m3，魚塘補(bǔ)水1.98×108m3，牲畜用水2.68×108m3；二產(chǎn)用水12.42×108m3，其中工業(yè)用水11.52×108m3，建筑用水0.90×108m3；三產(chǎn)即服務(wù)業(yè)用水為2.03×108m3（圖1）[10]。與2018年相比，2019 年用水總量增加5.66×108m3。其中生產(chǎn)用水增加2.31×108m3，生活用水增加0.12×108m3，生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量減少14.78×108m3[10]

圖1 2015—2019年全疆用水量、灌溉量、工業(yè)用水量、生活用水量Fig.1 Total water consumption,irrigation volume,industrial water and domestic water consumption in Xinjiang from 2015 to 2019

據(jù)新疆多年用水量數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)用水量占95%以上，部分地區(qū)采取的農(nóng)業(yè)用水相關(guān)政策已取得良好效果[11]。2019年工業(yè)用水占非農(nóng)業(yè)用水量的23%[10]，全疆煤炭生產(chǎn)占全疆總產(chǎn)能的87.9%。新疆發(fā)改委最新發(fā)布公告顯示，截至2021 年12 月底，全區(qū)共有生產(chǎn)煤礦64 處，產(chǎn)能24 054×104t/年。據(jù)環(huán)保組織綠色和平測(cè)算結(jié)果，每開采1 t煤破壞2.54 m3地下水資源，新疆每年開采煤炭資源將破壞6.109 7×108m3水資源。

2 新疆含煤層條件和水文地質(zhì)條件

石炭至侏羅紀(jì)時(shí)期，新疆發(fā)生聚煤作用，其中早—中侏羅世聚煤盆地發(fā)育廣泛，為區(qū)內(nèi)主要聚煤期，主要煤層為侏羅系八道灣組和西山窯組。

新疆煤炭資源主要分布于山前盆地或山前傾斜帶盆地邊緣。聚煤盆地受地形地貌、強(qiáng)烈地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地層巖性及表層斷陷等控水作用影響，為大量匯集的地表水轉(zhuǎn)換到地下水的有利地帶，煤礦大多處于補(bǔ)給-徑流區(qū)域[12]。據(jù)聚煤特點(diǎn)，新疆正規(guī)化建成4大煤田（準(zhǔn)東煤田、吐哈煤田、伊犁煤田、庫(kù)拜煤田）[13]。新疆煤系地層頂板含水層主要為侏羅系碎屑巖孔隙-裂隙含水層和覆蓋于上層的第四系松散巖孔隙含水層及隔水層，水文地質(zhì)屬簡(jiǎn)單-中等。煤礦區(qū)主要補(bǔ)給為大氣降水，少量為河水滲漏和含水層間的越流補(bǔ)給。內(nèi)充水水源包括裂隙水、大氣降水及地表水，補(bǔ)給源條件差或一般。少量煤礦存在煤層頂板裂隙水、老空水和極端氣候條件下的地表洪流充水等水害威脅[14]。

3 新疆煤礦開采對(duì)地下水破壞機(jī)理

3.1 礦區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)變化

煤炭資源大規(guī)模開發(fā)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大擾動(dòng)，特別是對(duì)開采區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生不可逆作用，嚴(yán)重破壞地下水資源的自然賦存條件，使區(qū)域水資源供需矛盾更尖銳。煤炭開采與地下水資源緊密相連的煤層往往與地下含水層相鄰，采煤時(shí)疏干地下水不僅影響地下水資源數(shù)量和質(zhì)量，且破壞水的動(dòng)態(tài)平衡，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不良后果[11]。

新疆4 大煤礦區(qū)多年地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，水位具下降趨勢(shì)。分析近10 年哈密盆地地下水累計(jì)降深變化發(fā)現(xiàn)，1990—2008 年，地下水位普遍下降，最大累積下降深度超15 m[15]。據(jù)1988—2016 年吐魯番盆地地下水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析，吐魯番地下水位變幅約5.5 m，長(zhǎng)期處于下降趨勢(shì)[16]。鄰近奇臺(tái)綠洲的準(zhǔn)東礦區(qū)，1983—2013 年地下水動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)顯示，30 年間該地區(qū)地下水位下降15.3 m[17]。煤礦采區(qū)地下水位長(zhǎng)期下降速率為10～50 cm/a。作為農(nóng)業(yè)發(fā)展大區(qū)的阿克蘇市，2010—2015 年地下水埋深監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，6年間地下水平均埋深增加1.77 m[18]。

3.1.1 煤礦開采對(duì)地下水含水層的破壞機(jī)理

侏羅系碎屑巖孔隙-裂隙含水層破壞自然條件下煤層上覆巖層原始應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。當(dāng)采煤到一定程度后形成采空區(qū)，影響煤層上覆巖層的完整性和穩(wěn)定性，上覆巖層應(yīng)力平衡受到破壞。在采動(dòng)影響下，煤層上覆隔水層變形破壞，形成由下至上發(fā)展的離層、破裂及垮落“三帶”，即冒落帶、裂隙帶及彎沉帶，冒落帶和裂隙帶統(tǒng)稱為導(dǎo)水裂隙帶。采煤導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通上覆含水層，使原水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，隔水層被導(dǎo)通。不同含水層和采空區(qū)間形成水力聯(lián)系，改變了地下水原有的徑流特性。在采煤影響范圍內(nèi)，地下水通過(guò)導(dǎo)水裂隙進(jìn)入礦井，導(dǎo)致含水層水位下降至被人為疏干。

第四系覆蓋層含水層破壞厚層覆蓋區(qū)發(fā)育埋藏較深的煤層。采煤形成的導(dǎo)水裂隙不會(huì)直接影響覆蓋層組成的松散含水層。采煤造成導(dǎo)水裂隙帶以下含水層水位下降，與松散含水層水頭差增加。雖導(dǎo)水裂隙帶到達(dá)松散含水層及隔水底板具一定距離，但在水頭壓力作用下，松散含水層地下水通過(guò)弱透水層以越流形式向下滲漏，導(dǎo)致含水層水位下降甚至被疏干，松散含水層的地下水遭破壞。

3.2 新疆煤礦開采對(duì)地下水水質(zhì)影響

3.2.1 煤礦開采區(qū)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀

陳凱等對(duì)準(zhǔn)東煤電二號(hào)礦井水檢測(cè)結(jié)果顯示[19]，該區(qū)地下水水質(zhì)總體較差，水中溶解性總固體、pH值等11項(xiàng)評(píng)價(jià)因子超標(biāo)。其中溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物等3項(xiàng)評(píng)價(jià)因子指標(biāo)超標(biāo)率為100%。王貫東等對(duì)伊犁能源四號(hào)礦礦井水進(jìn)行檢測(cè)[20]，該區(qū)礦井水的pH值大于6.0，偏弱堿性，礦井水懸浮物超標(biāo)率62.8%，化學(xué)耗氧量22.8%，礦化度超過(guò)1 g/l 的體積比為51.4%，總硬度超過(guò)450 mg/l 的為42.5%，多項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)。顧濤等對(duì)昌吉州5 縣2 市井采煤礦74 家煤礦廢水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)[21]，所有煤礦廢水pH值為6.14～8.7，pH 為7.5 以上居多，總體偏弱堿性；化學(xué)耗氧量濃度為8～358 mg/l，多處于8～37.8 mg/L；懸浮物濃度16～2 378 mg/l，多處于76～2 378 mg/l。22家煤礦單位總懸浮物超標(biāo)，占總量的62.8%。礦化度濃度410～21 404 mg/l，多處于1 194～2 1404 mg/l，18家煤礦礦井水中礦化度含量超過(guò)1 000 mg/l，占監(jiān)測(cè)煤礦數(shù)量的51.4%。礦井水總硬度濃度90～2 920 mg/l，多處于497～2 920 mg/l，15家煤礦礦井水中總硬度含量超過(guò)450 mg/L，占總量的42.8%，3 家煤礦礦井水中硫酸鹽含量超過(guò)250 mg/l。拜城縣某礦礦井水水質(zhì)，懸浮物100 mg/l，F(xiàn)含量0.3 mg/l，AS含量小于0.001 mg/L，總硬度440 mg/l，礦化度1 668 mg/l[22]。

上述檢測(cè)結(jié)果可知，新疆處理后礦井水礦化度偏高，pH值偏弱堿性，水中懸浮物超量。

3.2.2 煤礦開采對(duì)地下水水質(zhì)影響機(jī)理

礦井水排放引起的地下水污染一般煤炭開采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生酸性礦井水中有毒污染物質(zhì)包括：汞、鉛、鉻等重金屬；氟化物、氰化物等無(wú)機(jī)毒物及無(wú)機(jī)酸、鹽類和無(wú)機(jī)懸浮物。由于酸性礦井水在地下與圍巖裂隙水存在一定水力聯(lián)系，這些有害有毒物質(zhì)的釋放將對(duì)地下水水質(zhì)造成嚴(yán)重影響。

煤矸石固體廢物排放造成的地下水污染露天堆放的煤矸固體廢物在降水淋濾作用下，對(duì)其中化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行溶解或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使毒有害物質(zhì)(硫化物，碳酸鹽類混合物，可溶性無(wú)機(jī)鹽)在水動(dòng)力作用影響下被帶入地下水，造成矸石周圍地區(qū)土壤和地下水的污染。

煤礦廢棄閉坑后造成的地下水污染礦井關(guān)閉后，大量采煤過(guò)程使礦井附近地下水條件發(fā)生改變，產(chǎn)生水力聯(lián)系更復(fù)雜的地下水環(huán)境。礦井形成的酸性環(huán)境和采煤過(guò)程中丟棄的垃圾，使老空水影響廢棄礦井的地下水水質(zhì)。

4 煤礦開采對(duì)地下水破壞機(jī)理研究方法

張志祥在研究中提出煤礦開采對(duì)地下水的主要影響因素[23]；王曉霞等對(duì)山西省煤礦開采和水資源情況分析[24]，得出山西省69%河段受煤礦開采影響失去原有功能；高業(yè)新利用MODFLOW 模型進(jìn)行抽水試驗(yàn)水位-降深模擬[25]，獲得水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算不同層位含水層組地下水的補(bǔ)給來(lái)源。李舒等采用SWAT-MODFLOW 模型[26]，計(jì)算出煤礦開采對(duì)年徑流減少的貢獻(xiàn)量為24.20 mm。雷宇昕采用半松散耦合SWAT模型與MODFLOW模型[27]，研究窟野河流礦區(qū)開采對(duì)水資源影響。結(jié)果顯示，煤炭開采使窟野河徑流量減少2.91×108m3，其中1.85×108m3通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶滲入，潛水水位較模型初始水位下降3.60～7.16 m。2018 年煤炭開采對(duì)地下水影響量為9.79×108m3。

筆者參考國(guó)內(nèi)研究方法，提出適合新疆煤礦礦區(qū)特點(diǎn)的采礦對(duì)地下水影響研究方法。新疆煤炭埋深較淺，煤礦開采引起上覆含水層破壞。采用MODFLOW模型對(duì)新疆煤炭開采對(duì)地下水影響程度進(jìn)行分析，據(jù)礦區(qū)含水層數(shù)量設(shè)置模型。若礦區(qū)存在地表水，耦合SWAT模型，可研究煤炭開采對(duì)地下水水位、水量的影響程度，具體步驟見圖2。

圖2 新疆煤礦開采對(duì)地下水?dāng)_動(dòng)研究數(shù)值模型流程圖Fig.2 Flow chart of numerical model for groundwater disturbance study of coal mining in Xinjiang

5 結(jié)語(yǔ)

目前新疆煤炭開采對(duì)地下水的擾動(dòng)作用進(jìn)行定量研究較少。據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，煤礦開采對(duì)地下水的擾動(dòng)影響較大，地下水水量和水質(zhì)均受到不同程度影響，采礦開采對(duì)地下水?dāng)_動(dòng)不容忽視。

對(duì)生態(tài)脆弱干旱地區(qū)，地下水資源的科學(xué)合理保護(hù)利用非常關(guān)鍵。新疆為我國(guó)重要煤炭生產(chǎn)基地，開采過(guò)程中對(duì)地下水產(chǎn)生不可忽視的擾動(dòng)影響，應(yīng)在重大礦區(qū)規(guī)劃和建設(shè)地下水立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)格，監(jiān)測(cè)地下水位和水質(zhì)的長(zhǎng)期變化，更好地實(shí)現(xiàn)煤炭資源合理開采和水資源環(huán)境的積極保護(hù)。