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内蒙古呼伦贝尔草原露天煤矿区地下水系统演化研究

冯海波  
【摘要】:呼伦贝尔草原是我国目前保存最为完整的高纬度草原。近年来该区矿业的迅速发展,使草原生态环境遭到一定程度的破坏。露天煤矿开采活动深刻地改变了地下水的天然赋存环境和水循环条件,由此引发的环境问题越来越严重。地下水作为地质环境变化的受体和信息载体,对矿区内相关人类活动的规模和强度有着重要的指示意义。草原矿区诸多环境问题的成因分析均有赖于对地下水流动、赋存以及水质演化规律的研究。因此,对于呼伦贝尔草原露天煤矿区地下水环境演化的研究是目前研究的重中之重。本文以呼伦贝尔草原伊敏露天煤矿区地下水系统为研究对象,结合该区水文地质条件以及地下水演化历史资料,利用地下水数值模拟研究矿区地下水流场的演化;综合运用数理统计、等值线图对比、piper三线图、库尔洛夫式、吉布斯图法、离子比例系数法以及PHREEQC等对矿区水化学特征时空演化规律进行研究。研究成果如下:(1)露天开采活动改变地下水流场,在矿区形成降落漏斗。矿坑处地下水位降落124米,降落漏斗总面积达100 km~2;以矿坑为中心,地下水位下降大于20m的区域面积达84.1km~2;柴达敏诺尔处地下水位下降5-10m;柴达敏诺尔以北区域地下水位下降小于2m。地下水位大幅下降导致矿区地层被疏干,疏干范围由上到下逐层减小,主要集中在研究区南部以矿坑为中心的区域,第四系疏干面积约为69.2km~2;向下第二层、第三层以及第四层含水层的疏干面积分别为44.6km~2、29.9km~2和22.7km~2;第五层含水层以及第六层隔水底板在矿坑处被疏干。(2)露天开采活动改变了地下水的补排关系。大气降水入渗补给量由之前的1153.2减小为821.3万m~3/a;蒸发量由3793.7减小为2957.4万m~3/a;伊敏河侧向补给量由456.7增加为1836.5万m~3/a,是天然状况下的四倍,其向区内补给的河段也明显增长,由之前的1.7km增加到9.8km,侧向补给流速是天然状况下的10倍左右;区域外侧向补给以每年大于天然状况1673.7万m~3的速度向区内地下水补给。以2541.8万m~3/a的速度进行人工疏排成为研究区地下水主要的排泄途径。(3)露天开采活动极大的加速了地下水的循环速度,研究区南部地下水流速明显增加的区域面积达103.2km~2,平均流速为1.06 m/d,是自然状况下的8倍。矿区北部地下水流速与天然状况下相当,均值为0.17m/d,流速未受影响区域的面积约为82km~2。(4)煤矿开采前后矿区水化学成分演化特征主要表现在:pH值明显降低,总硬度-TH、Ca~(2+)、Mg~(2+)离子和SO_4~(2-)离子质量浓度升高,而TDS、COD、EC、Na~+、K~+、HCO_3~-等均呈降低趋势。地下水水化学类型从以HCO_3~-Na·Ca·Mg型为主变为以HCO_3·SO_4~-Na·Ca·Mg型为主,由碳酸型向碳酸-硫酸型过渡,水化学类型由单一趋向多元,由简单向着复杂化的方向发展。(5)露天煤矿开采疏排地下水使矿区地下水向着淡化方向发展,以矿坑为中心的地区TDS、COD、EC、Na~+、K~+、HCO_3~-等化学指标均呈降低趋势。对比煤矿开采前后,除TH、Ca~(2+)、Mg~(2+)和SO_4~(2-)离子外,矿坑所在位置由采矿前的离子高浓度区演化为低浓度区;煤矿开采影响区各指标浓度明显低于非影响区,这也是地下水向着淡化方向发展的结果,同时也与非影响区柴达敏湖多年受纳地表污染物,以及强烈的蒸发浓缩作用有关,导致研究区北部非影响区各指标浓度偏高。(6)研究区天然状况下地下水离子主要来源于长石和石膏等的风化溶解,方解石和白云石的溶解沉淀等作用,地下水水化学成分主要受水岩相互作用和蒸发浓缩作用的控制;煤矿开采强烈疏排地下水加速了水岩相互作用,使方解石、白云石和石膏等均处于非饱和状态而不断溶解,水岩相互作用成为控制矿区水化学成分的主要作用;相比于开矿前SO_4~-明显增多,hCO_3~-含量下降,这是煤层中硫化物以及黄铁矿等在地层相对开启的状态下发生氧化作用以及地下水静压力下降导致脱碳酸作用的结果;在地下水排泄区有水中Ca~(2+)、Mg~(2+)与粘土中的Na~+的阳离子交替吸附作用发生。


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