非金屬礦山開采土壤擾動重構(gòu)對地下水補給的影響分析

王 倩 韓京增

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊）

礦山生產(chǎn)排放的廢渣或廢石被隨意堆積在山坡或溝谷，加之其透水性降低，一旦受到暴雨便會對地下水補給產(chǎn)生影響［1］。為了降低該影響，并且為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境及其周邊地下水的修復(fù)治理提供參考依據(jù)，研究非金屬礦山開采土壤擾動重構(gòu)對地下水補給的影響。本文通過構(gòu)建土壤擾動重構(gòu)對地下水補給影響數(shù)值模型，以此為基礎(chǔ)，計算水位演變情況，確定入滲系數(shù)和含水率與水位，以期能有效分析非金屬礦山開采土壤擾動重構(gòu)對地下水補給的影響，為非金屬礦山開采提供參考。

1 土壤擾動重構(gòu)對地下水補給影響因素分析

從土層厚度、土壤溫度、地表徑流量等角度出發(fā)，研究分析土壤擾動重構(gòu)對地下水補給影響因素，建立一種非均質(zhì)性、非均值、非穩(wěn)定的三維地下水模型，由此構(gòu)建土壤擾動重構(gòu)對地下水補給影響數(shù)值模型。通過對土壤影響因素和地下水補充關(guān)系的歸納，得出了兩者之間的聯(lián)系［2］。土壤擾動重構(gòu)主要影響因素：

（1）土壤密度及孔隙度。土壤密度越高，則土壤滲透率就越低；土壤孔隙度越大，土壤便越疏松。由于土壤密度太低，巖溶水便會不斷地從地面滲出，從而會及時補充地下水。

（2）溫度。溫度對土壤的影響比較大，土壤溫度會隨著深度的增大而逐漸上升，進而影響地下水位的變化［3］。

（3）地表徑流量。在土壤干擾重構(gòu)過程中，地表徑流量是影響地下水補給最大、最直接的因素。

結(jié)合上述3個因素，著重分析其對土壤干擾重構(gòu)特征及影響因素之間變化規(guī)律和主要影響因子間交互作用機制，以便土壤擾動重構(gòu)下地下水補給數(shù)值模型的構(gòu)建。

2 模型建立及初始條件設(shè)置

研究的采礦區(qū)域以大氣降水為主，為山地基巖裂縫水的橫向徑流，其流向與地貌基本相同，整體呈自東北向西南方向的趨勢，并在最后排入下游湖裙帶。由于礦山多年的開采，導(dǎo)致部分地下水向露天坑口涌出，該區(qū)地下水以蒸發(fā)和礦排為主；結(jié)構(gòu)主要為砂石、煤層等組成的多層結(jié)構(gòu)，土壤組合結(jié)構(gòu)為腐殖土、黏土、中砂。通過GMS 建模，選擇20 個鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入GMS，對模擬區(qū)進行不規(guī)則三角剖分，由克里金插值法進行插值計算生成地質(zhì)結(jié)構(gòu)實體，建立研究區(qū)三維結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。試驗研究擬設(shè)置了5 m 地下水位埋深，采用有限差分法，建立的非金屬礦山開采區(qū)域地下水流場模型（圖2），在水流場下研究非金屬礦山開采土壤擾動重構(gòu)對地下水補給影響。為了降低初始條件對模擬結(jié)果影響，采用數(shù)值模擬方法，將2019—2021 年非金屬礦山采場開采的土壤擾動重構(gòu)引入到模型中。其中，模擬的時間步長是1 d，而空間步長是3 cm。

在進行地下水流動形態(tài)建模時，可以將其視為一種非均質(zhì)性、非均值、非穩(wěn)定的三維地下水模式，則：

式中，ψ1、ψ2為第一流量和第二流量邊界；H為計算期間水位，m；t為時間，s；λ為滲透系數(shù)；z為透水層的垂向滲透的厚度，m；κ為導(dǎo)水系數(shù)。

則相應(yīng)的初始條件為

式中，e2為已知第二水頭邊界；x、y為笛卡爾坐標(biāo)。

則相應(yīng)的邊界條件為

式中，e1為已知第一水頭邊界；σ0（x，y，t）為側(cè)向補給流量，m3。

使用多源數(shù)據(jù)整合方法，基于區(qū)域多年氣溫、降水、蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)，地下水補給的最大可能受降水以及礦山水文地質(zhì)條件構(gòu)建土壤擾動重構(gòu)的影響模型，充分考慮地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的影響對地下水補給特性影響，對模擬結(jié)果展開詳細分析［4-6］。

3 模擬結(jié)果分析

通過水位演變情況，分析礦山開采區(qū)域土壤擾動重構(gòu)水分入滲系數(shù)、含水率與水位之間關(guān)系。本文研究礦山開采區(qū)域的年平均降雨量400～550 mm，年最大降雨量可達到1 100 mm，其中65%～85%的降雨量分布在7—9 月，而排泄量在30～32 m3/min，因為供水量具有周期性變化，導(dǎo)致地下水位有逐年的季節(jié)性變化。由于土壤擾動重構(gòu)對地下水的補充具有逆轉(zhuǎn)風(fēng)險，使得地下水的有效補給量顯著提高。為了進一步對土壤擾動重構(gòu)模擬方法加以改進和完善，研究水分入滲系數(shù)、含水率與水位之間關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

由圖3 可知，隨著入滲系數(shù)和含水率的升高，水位呈現(xiàn)上升的情況，并且不同入滲系數(shù)和含水率所引起的水位升高是不同的，入滲系數(shù)和含水率與水位上升呈線性關(guān)系，因此，通過分析結(jié)果，可以獲得其相關(guān)方程：

式中，C1、C2為大氣降水、土壤滲水；η、ζ為入滲系數(shù)、含水系數(shù)。

在非金屬礦山中，礦體的穩(wěn)態(tài)含水率與入滲系數(shù)隨深度的關(guān)系見圖4。由圖4（a）可知，土壤擾動重構(gòu)區(qū)域土壤深度為100 cm 以內(nèi)時，含水率隨土壤擾動重構(gòu)深度增加呈增大趨勢，但變化幅度較小。但是當(dāng)土壤深度超過100 cm 時，含水率隨土壤擾動重構(gòu)深度增加呈增大趨勢，且變化幅度較大，大于土壤未重構(gòu)區(qū)域，說明現(xiàn)有土壤擾動重構(gòu)方式對超過100 cm 土壤含水率具有一定促進作用。由圖4（b）可知，隨著土壤深度的增加，降水入滲系數(shù)也隨之增大，對于土壤擾動重構(gòu)區(qū)域最大入滲系數(shù)為0.10、土壤未重構(gòu)區(qū)域最大入滲系數(shù)為0.135，說明現(xiàn)有土壤擾動重構(gòu)方式縮減了降水對地下水有效補給。基于此，分析非金屬礦山開采區(qū)域地下水位，如表1所示。

由表1可知，地下水位總體呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，在2020 年12 月份的水位低于2019 年12 月，2021年3月水位低于2020年3月，說明土壤擾動重構(gòu)后使得地下徑流受到了一定影響。

為了深入分析土壤擾動重構(gòu)對地下水補給的影響，將研究區(qū)域現(xiàn)場與草原區(qū)域現(xiàn)場進行對比，草原土壤結(jié)構(gòu)為腐殖土和黃土，研究入滲系數(shù)隨土壤深度的變化規(guī)律如圖5所示。

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根據(jù)圖5 可知，不同的土壤結(jié)構(gòu)的入滲系數(shù)不同，并且隨著土壤深度的變化，入滲系數(shù)的變化程度不同，其中草原研究區(qū)域的入滲系數(shù)高于本文研究的非金屬礦山開采土壤區(qū)域，并且其在50 cm 后，入滲系數(shù)呈大幅度上升趨勢，表明其對50 cm 后的水分具有一定的促進作用。綜合分析可知，由于黏土的滲透性能較差，土壤水在黏土中向下運移受阻，導(dǎo)致黏土上部含水率較高，即黏土的“隔水效應(yīng)”對土壤水分的運移起主控作用［7-8］。

4 結(jié) 語

通過對非金屬礦山開采土壤擾動重構(gòu)對地下水補給影響要素進行分析可知，由于礦山開采區(qū)域土地的擾動和重建，使其地下水文要素及環(huán)境發(fā)生了較大變化，從而導(dǎo)致其地下水在原有基礎(chǔ)上得到了一定程度補充，從而造成了礦山地面的變形。為了降低采礦擾動對地下水的影響，必須采取進一步措施，以有效地抑制因礦山開采對地下水補充能力的負面影響。