非金屬礦山開采土壤擾動重構對地下水補給的影響分析

王 倩 韓京增

（中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊）

礦山生產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生影響［1］。為了降低該影響，并且為礦區生態環境及其周邊地下水的修復治理提供參考依據，研究非金屬礦山開采土壤擾動重構對地下水補給的影響。本文通過構建土壤擾動重構對地下水補給影響數值模型，以此為基礎，計算水位演變情況，確定入滲系數和含水率與水位，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，研究分析土壤擾動重構對地下水補給影響因素，建立一種非均質性、非均值、非穩定的三維地下水模型，由此構建土壤擾動重構對地下水補給影響數值模型。通過對土壤影響因素和地下水補充關系的歸納，得出了兩者之間的聯系［2］。土壤擾動重構主要影響因素：

（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。

結合上述3個因素，著重分析其對土壤干擾重構特征及影響因素之間變化規律和主要影響因子間交互作用機制，以便土壤擾動重構下地下水補給數值模型的構建。

2 模型建立及初始條件設置

研究的采礦區域以大氣降水為主，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，導致部分地下水向露天坑口涌出，該區地下水以蒸發和礦排為主；結構主要為砂石、煤層等組成的多層結構，土壤組合結構為腐殖土、黏土、中砂。通過GMS 建模，選擇20 個鉆孔數據導入GMS，對模擬區進行不規則三角剖分，由克里金插值法進行插值計算生成地質結構實體，建立研究區三維結構模型，如圖1所示。試驗研究擬設置了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對地下水補給影響。為了降低初始條件對模擬結果影響，采用數值模擬方法，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建模時，可以將其視為一種非均質性、非均值、非穩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；z為透水層的垂向滲透的厚度，m；κ為導水系數。

則相應的初始條件為

式中，e2為已知第二水頭邊界；x、y為笛卡爾坐標。

則相應的邊界條件為

式中，e1為已知第一水頭邊界；σ0（x，y，t）為側向補給流量，m3。

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

3 模擬結果分析

通過水位演變情況，分析礦山開采區域土壤擾動重構水分入滲系數、含水率與水位之間關系。本文研究礦山開采區域的年平均降雨量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，導致地下水位有逐年的季節性變化。由于土壤擾動重構對地下水的補充具有逆轉風險，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模擬方法加以改進和完善，研究水分入滲系數、含水率與水位之間關系，結果如圖3所示。

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

式中，C1、C2為大氣降水、土壤滲水；η、ζ為入滲系數、含水系數。

在非金屬礦山中，礦體的穩態含水率與入滲系數隨深度的關系見圖4。由圖4（a）可知，土壤擾動重構區域土壤深度為100 cm 以內時，含水率隨土壤擾動重構深度增加呈增大趨勢，但變化幅度較小。但是當土壤深度超過100 cm 時，含水率隨土壤擾動重構深度增加呈增大趨勢，且變化幅度較大，大于土壤未重構區域，說明現有土壤擾動重構方式對超過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，降水入滲系數也隨之增大，對于土壤擾動重構區域最大入滲系數為0.10、土壤未重構區域最大入滲系數為0.135，說明現有土壤擾動重構方式縮減了降水對地下水有效補給?；诖?，分析非金屬礦山開采區域地下水位，如表1所示。

由表1可知，地下水位總體呈現先上升后下降趨勢，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對地下水補給的影響，將研究區域現場與草原區域現場進行對比，草原土壤結構為腐殖土和黃土，研究入滲系數隨土壤深度的變化規律如圖5所示。

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根據圖5 可知，不同的土壤結構的入滲系數不同，并且隨著土壤深度的變化，入滲系數的變化程度不同，其中草原研究區域的入滲系數高于本文研究的非金屬礦山開采土壤區域，并且其在50 cm 后，入滲系數呈大幅度上升趨勢，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，導致黏土上部含水率較高，即黏土的“隔水效應”對土壤水分的運移起主控作用［7-8］。

4 結 語

通過對非金屬礦山開采土壤擾動重構對地下水補給影響要素進行分析可知，由于礦山開采區域土地的擾動和重建，使其地下水文要素及環境發生了較大變化，從而導致其地下水在原有基礎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。