興隆莊采煤塌陷區(qū)地下水補(bǔ)給規(guī)律分析

馮忠倫,袁娜,王雅欣,徐健,楊丹,林洪孝

興隆莊采煤塌陷區(qū)地下水補(bǔ)給規(guī)律分析

馮忠倫,袁娜,王雅欣,徐健,楊丹,林洪孝*

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安271018

本文在分析降水與地下水埋深關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用地下水位波動法研究興隆莊采煤塌陷區(qū)蓄水與地下水的補(bǔ)給規(guī)律，得出研究區(qū)地下水補(bǔ)給量的變化規(guī)律為從東北向西南遞減，與地下水流向基本一致；補(bǔ)給量隨降水量增大而增大，但在降水量增大到一定程度后變化趨于平穩(wěn)，與地下水埋深的關(guān)系則為先增后減；將塌陷前后地下水補(bǔ)給量進(jìn)行對比，表明塌陷后地下水對塌陷區(qū)蓄水有較大補(bǔ)給作用。此研究成果可為塌陷區(qū)蓄水與地下水的綜合開發(fā)利用提供重要參考。

地下水補(bǔ)給;水位波動;塌陷區(qū);分析

地下水補(bǔ)給是地下水系統(tǒng)的基本組成部分[1]，準(zhǔn)確評價地下水的補(bǔ)給量或補(bǔ)給資源是分析水文循環(huán)規(guī)律、合理制定水資源規(guī)劃和地下水可持續(xù)開采方案的基礎(chǔ)，對于實現(xiàn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[2]。興隆莊煤礦位于濟(jì)寧曲阜市苑莊鎮(zhèn)境內(nèi)，由于煤礦資源多年開采，塌陷區(qū)面積達(dá)到4 km2，蓄水容量約2057.8×104m3，對生態(tài)環(huán)境造成極大破壞。目前主要的治理技術(shù)包括土壤基質(zhì)改良、植被恢復(fù)、土壤動物和微生物應(yīng)用等[3]，開發(fā)利用途徑有農(nóng)林魚禽生態(tài)恢復(fù)模式、動態(tài)塌陷區(qū)林（果）、草、牧生態(tài)恢復(fù)與重建模式、集約化農(nóng)業(yè)生態(tài)恢復(fù)模式，而對于塌陷區(qū)水資源的開發(fā)利用研究較少。本文在研究塌陷區(qū)蓄水與地下水相互補(bǔ)給關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出向工業(yè)供水[4]，為綜合治理和利用采煤塌陷區(qū)提供重要參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文研究的興隆莊采煤塌陷區(qū)位于濟(jì)寧曲阜市苑莊鎮(zhèn)境內(nèi)，地處北以京滬鐵路到西郭家村一線為界，南以程家莊站西約1km處京滬鐵路到中疃村一線為界，東邊平行于京滬鐵路，北起于西郭家村，南止于中疃村，北邊以京滬鐵路西約2 km為界，東西寬約4 km，南北長約6 km，形狀為西北到東南向的狹長方型，面積約為92.233 km2；其中興隆莊采煤形成的6個較大塌陷區(qū)，塌陷面積達(dá)到4～5 km2，水深1～12 m不等，蓄水容積約為2057.8×104m3，見圖1所示。經(jīng)多年塌陷，目前已成相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 興隆莊采煤塌陷區(qū)位置分布圖Fig.1 Location of Xinglongzhuang coal mining subsidence area

2 研究方法

由于地下水補(bǔ)給的復(fù)雜性，確定地下水補(bǔ)給的方法有多種，其中包含水均衡法、基流分割法、流域數(shù)值模擬法、零通量法、蒸滲儀法、達(dá)西定律、氯元素守恒法、放射性同位素法、地下水位波動法[5-6]。本文采用地下水位波動法研究興隆莊采煤塌陷區(qū)的地下水補(bǔ)給規(guī)律，認(rèn)為非承壓含水層的水位變化主要歸因于地下水的補(bǔ)給，其計算公式如下[7]：

式中：R—地下水補(bǔ)給量，mm；yS—給水度；hΔ—tΔ時間內(nèi)地下水位變化幅度，m。

公式（1）假定地下水進(jìn)入到含水層后，立即進(jìn)入到貯存量中，并進(jìn)行補(bǔ)給重新分配，如蒸發(fā)和側(cè)向徑流[5]，該方法可以用來估算長期的地下水補(bǔ)給量（季度或年度）[7]。本文中關(guān)于yS和hΔ的確定方法如下：

2.1hΔ的確定

h Δ是指地下水位最高點與前期地下水位下降曲線在該點的對應(yīng)值之差，即地下水變化幅度。地下水位下降曲線是假設(shè)在沒有降雨的情況下地下水位的變化軌跡。目前確定hΔ的主要方法有圖形外推法、主回歸曲線法（Master Recession Curve）和RISE程序法[8]。本文采用圖形外推法計算地下水的變化幅度。

2.2yS的確定

Sy是地下水資源評價、動態(tài)預(yù)報、水文地質(zhì)計算、農(nóng)田排水及滲流計算中一個十分重要的參數(shù)[9]。其值直接影響到補(bǔ)給量的計算。給水度的測定計算方法主要有原狀土取樣釋水試驗測定、非穩(wěn)定流抽水試驗、水量平衡法和數(shù)值解法[10]。其中以抽水實驗應(yīng)用最為廣泛，本文以抽水試驗計算該值。

3 計算結(jié)果及分析

3.1基礎(chǔ)資料的獲取

本文選取研究區(qū)6個塌陷區(qū)附近的10處地下水位觀測站（鄒城M1140010、鄒城M1110590、兗州M1111550、兗州M1111640、曲阜M112143A、曲阜M112154A、曲阜M112200A、曲阜M112205A、曲阜M112215A、曲阜M112216A）2004～2008年的地下水觀測資料，測量頻率為5 d1次；同時選取研究區(qū)內(nèi)及臨近菠蘿樹、尼山水庫、書院、西諏、兗州水文站2004～2008年的降雨觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，其地下水位與降水量的對應(yīng)動態(tài)變化情況見圖2，地下水位的變化隨降雨量的變化呈現(xiàn)出周期性的波動，地下水位與降雨量聯(lián)系密切。

圖2 各觀測井地下水位與降雨量關(guān)系Fig.2 Water level in wells and average precipitation for study area

3.2補(bǔ)給量計算

地下水的變化幅度通過圖形外推法獲取，給水度采用《山東省曲阜市苑莊水源地供水水文地質(zhì)詳查》抽水試驗的結(jié)果，取040=.Sy，由式（1）計算得到年補(bǔ)給量，計算結(jié)果見表1。

表1 補(bǔ)給量計算Table 1 Calculated result of groundwater recharge

研究區(qū)年平均補(bǔ)給量為147.39 mm，其中補(bǔ)給量最大的是曲阜M112216A觀測井，補(bǔ)給量為260.85mm，最小的是鄒城M1140010觀測井，補(bǔ)給量為83.09mm，比較結(jié)果見圖3。補(bǔ)給量的變化規(guī)律為東北向西南方向遞減，與地下水流動方向基本一致，見圖4。

圖3 各觀測井計算結(jié)果比較Fig.3 Comparison of recharge in the observation wells

圖4 多年平均地下水位等值線Fig.4 Contour lines of average groundwater table

3.3地下水補(bǔ)給影響因素分析

3.3.1 補(bǔ)給量與降水量的關(guān)系各觀測井的地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水，通過分析各觀測井降水量與補(bǔ)給量的相關(guān)關(guān)系見圖5。可以看出，總體上，隨著降水量增大，補(bǔ)給量增大，但在降水量達(dá)到950mm時，其變化趨勢減弱，尤其是圖中圈出來的3個點，在降水量較大時其補(bǔ)給量較小。

圖5 降雨量與補(bǔ)給量相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between rainfall and recharge

3.3.2 補(bǔ)給量與地下水位埋深的關(guān)系各觀測井的地下水位埋深差異較大，見圖6。地下水位埋深最淺的是鄒城M1140010觀測井，只有2.4 m，埋深最深的是鄒城M1110590觀測井，為14.1 m。通過分析地下水位埋深與補(bǔ)給量相關(guān)關(guān)系圖見圖7，可以看出，地下水的補(bǔ)給量與地下水位埋深之間的關(guān)系為先上升后下降，在水位埋深4 m以上的區(qū)域，地下水容易接受補(bǔ)給，其補(bǔ)給量隨地下水位埋深的增大而增大，這是因為越靠近包氣帶上部區(qū)域越容易受外界干擾，部分降雨在未達(dá)到飽水帶時就通過土壤蒸發(fā)或植物散發(fā)消耗掉，從而導(dǎo)致能到達(dá)飽水帶的補(bǔ)給量小。但在水位埋深4 m以下的區(qū)域，其補(bǔ)給量隨地下水位埋深的增大而減小，這是由于在到達(dá)潛水面之前水量大部分都留在了包氣帶，包氣帶越厚，能到達(dá)潛水面的水量就越少。

圖6 觀測井地下水位埋深Fig.6 Ground water level depth of observation wells

圖7 各觀測井水位埋深與補(bǔ)給量關(guān)系Fig.7 Correlation between groundwater level depth and recharge

3.4塌陷前后補(bǔ)給量對比

選取與塌陷區(qū)水力聯(lián)系密切的5個觀測井（兗州M1111550、兗州M1111640、曲阜M112143A、曲阜M112200A、曲阜M112205A）塌陷前后的地下水觀測資料進(jìn)行計算分析。由于興隆莊煤礦于1981年投產(chǎn)運行，因此選取1975～1979年的地下水觀測數(shù)據(jù)計算塌陷前地下水補(bǔ)給量，由式（1）計算得到年補(bǔ)給量，計算結(jié)果見表2。塌陷后的地下水觀測資料仍選取2004～2008年的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表1。

表2 塌陷前補(bǔ)給量計算Table 2 Calculated result of groundwater recharge before the collapse

圖8 塌陷前后地下水位關(guān)系比較Fig.8 Comparison of groundwater levels before and after the collapse

圖9 塌陷前后補(bǔ)給量比較Fig.9 Comparison of recharge before and after the collapse

塌陷后，各觀測井的地下水位較塌陷前均有不同程度的下降，見圖8。塌陷前該區(qū)域的年平均補(bǔ)給量為114.5 mm，塌陷后年平均補(bǔ)給量為130.0 mm，部分觀測井塌陷后的補(bǔ)給量大于塌陷前的補(bǔ)給量，見圖9。這一現(xiàn)象主要是由于降雨量的變化引起的，塌陷前年平均降雨量為656.6 mm，塌陷后年平均降雨量為854.52 mm。若按照降雨量的變化關(guān)系對補(bǔ)給量進(jìn)行同倍比放大，則塌陷前該區(qū)域的年平均補(bǔ)給量為148.8 mm，表明在相同降雨情況下，塌陷后地下水的補(bǔ)給量小于塌陷前的地下水補(bǔ)給量。而該區(qū)域淺層地下水與深層地下水聯(lián)系較弱，不存在越流補(bǔ)給的情況，因此，塌陷后地下水補(bǔ)給量較塌陷前減少只能是地下水側(cè)向補(bǔ)給塌陷區(qū)蓄水和塌陷區(qū)蓄水增大了蒸發(fā)量造成的。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)年平均補(bǔ)給量為147.39mm，其中補(bǔ)給量最大的是曲阜M112216A觀測井，補(bǔ)給量為260.85 mm，最小的是鄒城M1140010觀測井，補(bǔ)給量為83.09 mm。補(bǔ)給量的變化規(guī)律為從東北向西南方向遞減，與地下水流動方向基本一致。

(2)研究區(qū)補(bǔ)給量與降水關(guān)系密切，隨降水量增大而增大，但在降水量達(dá)到950mm之后，變化趨勢減弱。

(3)補(bǔ)給量隨地下水埋深的關(guān)系為先增后減，埋深在小于4 m的區(qū)域，補(bǔ)給量隨埋深的增大而增大，但埋深大于4 m的區(qū)域，補(bǔ)給量隨埋深的增大而減小。

(4)塌陷后地下水的補(bǔ)給量比塌陷前要小，表明塌陷區(qū)周圍地下水對塌陷區(qū)蓄水有較大的側(cè)向補(bǔ)給。

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Analysis on the Ground water Supply Regular in Subsidence Area in Xinglongzhuang Coal Mining

FENG Zhong-lun,YUAN Na,WANG Ya-xin,XU Jian,YANG Dan,LIN Hong-xiao*
Water Conservancy and Civil Engineering College,Shandong Agricultural University,Taian271018,China

Based on the analysis of the relationship between the rainfall and groundwater depth on the groundwater recharge, the water-table fluctuation method was adopted in this paper to estimate the groundwater recharge around Xinglongzhuang coal mining subsidence area.This paper reached a conclusion that the changes of groundwater recharge amount decreased from northeast to southwest,and basically the same as the groundwater flow.The groundwater recharge generally increased with rainfall,however,as the rainfall increases to a certain extent,the change trend will not increase obviously,but the relationship with the buried depth of groundwater is first increased and then decreased.Meanwhile,the comparison of groundwater recharge before and after the collapse shows that the subsidence area will be recharged by groundwater after the collapse.The research results can provide an important reference for the comprehensive development and utilization of water in the subsidence area.

Groundwater recharge;water-table fluctuation;subsidence area;analysis

TV213.9

A

1000-2324(2014)04-0576-05

2013-06-04

2013-06-24

國家自然科學(xué)基金資助項目(41202174);科技部國際科技合作與交流計劃項目(2007DFB70200);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20123702120020)

馮忠倫(1989-),男,碩士研究生,主要從事水資源開發(fā)利用與管理方面的研究.

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:linhx@sdau.edu.cn