毛乌素沙漠与黄土高原接壤区泉的演化分析

范立民1,2,向茂西1,2,彭 捷1,2,马雄德3,贺卫中1,2,李 涛4,5,仵拨云1,2,李永红1,2,李 成1,2,宁建民1,2,高 帅1,2,姬怡微1,2,宋一民6,姚超伟1,2,任海香6,何意平1,2,刘海南1,2

(1.矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室,陕西 西安 710054; 2.陕西省地质环境监测总站,陕西 西安 710054; 3.长安大学 环境科学与工程学院,陕西 西安 710054; 4.六盘水师范学院 矿业与土木工程学院,贵州 六盘水 553004; 5.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054; 6.陕西省煤田地质勘察研究院有限公司,陕西 西安 710021)

摘 要:随着我国煤炭开发战略西移,近20 a来毛乌素沙漠与黄土高原接壤区成为我国重要的煤炭产地。区内水资源整体匮乏、生态环境脆弱,泉作为珍贵地下水资源的显现和生态、生产、生活用水的主要来源,具有重要存在意义。在1994年、2015年两次对比观测研究区2 580处泉点水文和生态的基础上,依据研究区旱季泉点补给源对泉点进行了分类,分析了泉的天然赋存特征,并结合煤炭开采影响剖析了泉点演化机理及生态效应,预测了泉点未来演化趋势。研究结果表明:依据不同旱季泉点补给源可将泉点分为3种类型,即沙地入渗补给泉点、黄土入渗补给泉点和混合入渗补给泉点。沙地入渗补给泉点单个涌水量大于10 L/s的泉数量最多,混合入渗补给泉点总体数量最多,黄土入渗补给泉点生态效应最显著。1994年前调查区分布有泉(群)2 580处,总流量为4 997.059 7 L/s。2015年残存泉(群)376处,总流量996.392 L/ s,混合入渗补给泉点受含隔水层结构损坏和侧向补给截断影响大量消失是近20 a泉点大量衰减的主要原因。未来开采区主要是沙地入渗补给泉点,该区域煤炭开采含隔水层结构稳定,多受采动沉降和含水层越流影响,泉点会在波动后趋于平稳。煤炭高强度开采泉群的减少使得研究区水体、湿地面积减少,直接影响了流域生态。

关键词:保水采煤(保水开采);泉;生态;萨拉乌苏组;毛乌素沙漠;黄土高原

毛乌素沙漠面积4.22万km2,海拔950~1 600 m,西北高、东南低,东缘、东北缘地势较为平坦,是地下水的主要排泄区。黄土高原总面积64万km2,地形起伏大,沟壑纵横。在毛乌素沙漠与黄土高原接壤区(图1)是沙漠地下水的集中排泄带,分布有大量泉,这些泉汇集形成了孤山川、窟野河、秃尾河、无定河等黄河一级支流,泉是该区生态环境和人类活动的主要水源。

图1 调查区位置示意
Fig.1 Location of survey area

长期以来,毛乌素沙漠的研究主要集中在沙漠形成、演化和植被发育及其水分含量、迁移等领域[1-4],近年来,随着区内采煤业的快速发展,采煤引起的沙漠地下水漏失与保水采煤问题受到了广泛关注,煤炭资源与水资源赋存规律研究[5]、地下水库建设[6]、保水采煤及绿色矿区技术体系的形成与推广应用[7-15],以及地下水与植被发育关系的研究[16-17],促进了沙漠区地下水的保护、地质环境修复治理和改善[18-20]。尽管如此,地下水漏失、泉流量衰减问题依然严重,采煤对地下水的影响程度、泉的变化,一直没有开展系统的调查。为此,2015年笔者开展了泉群调查,对比煤炭开发前的水文地质资料,对泉进行了分类,探讨了高强度采煤对泉群的影响方式及结果,分析了泉群变化的生态效应,以期促进煤炭科学开发和矿区生态文明建设。

1 泉的赋存特征及分类

1.1 泉形成的水文地质背景

研究区地层结构从新到老依次有全新统风积沙(毛乌素组)(Q4)、上更新统萨拉乌苏组(Q3s)、中更新统离石组(黄土)(Q2l)、上新统(红土)(N2)、侏罗系直罗组(J2z)和延安组(J2y),延安组含煤,是目前的主要开采层。研究区泉的形成可以分为3种类型,如图2所示,即风沙地貌入渗产生的泉群、沙盖黄土梁峁地貌入渗产生的泉群和黄土梁峁地貌入渗产生的泉群,需要说明的是这里3种类型不包括分布面积、入渗有限的基岩河谷地貌和火烧区地貌,因为这些地层持水能力有限,旱季泉的涌出主要来自上述3种,生态意义重大。

图2 毛乌素沙漠与黄土高原接壤区典型水文地质剖面
Fig.2 Hydrogeological section of Maowusu Desert and Loess Plateau
1—风积砂;2—湖积沙;3—上更新统黄土;4—中更新统黄土;5—砂岩;6—泥岩;7—砂泥岩;8—泉

(1)风沙地貌入渗产生的泉群。

萨拉乌苏组是调查区的主要含水层,与毛乌素组之间无隔水层,构成统一的松散沙层含水层,一般称为萨拉乌苏组含水层。萨拉乌苏组含水层接受大气降水、凝结水补给,快速下渗,在沙层中径流,在侏罗系顶板界面低洼处富集,形成富水区,当地表径流侵蚀到含水层后,以下降泉的形式排泄,并形成泉群(图2),由于沙地地形起伏不大,因此该区泉的发现数量有限,但总体涌出量最大。

(2)沙盖黄土梁峁地貌入渗产生的泉群。

沙盖黄土梁峁区属于毛乌素沙漠和黄土高原的过渡区域(图2),沙层厚度较为有限,但由于相对于风沙地貌区地势较低,受到风沙地貌入渗的地下水侧向补给较好,且受黄土地形起伏多变影响,地下水多有出露,容易接触产生泉点,该区泉的产出量最大,但该部分泉点较为敏感,下伏含隔水层结构失稳会造成其衰减,同时区域松散层地下水下降也容易使得其消失。

(3)黄土梁峁地貌入渗产生的泉群。

黄土层作为一个弱透水层,有一定的降水入渗能力,虽然比较沙地入渗量十分有限,但黄土有较好的持水性,长时间入渗的水资源赋存在该地层中,当黄土地形切割后,地下水集中在基岩顶面或火烧岩等介质中集中排泄,形成了这类地貌入渗的主要排泄泉点。

1.2 泉群分布及分类

毛乌素沙漠的泉主要分布在东缘的窟野河、秃尾河、无定河支流榆溪河的上游,在平面上,泉(群)呈北东向带状分布(图3),泉汇集形成了窟野河、秃尾河、榆溪河,榆溪河是无定河的支流,窟野河、秃尾河、无定河是黄河的一级支流,是黄河中游的主要补给河流。

图3 1994年泉群分布带示意
Fig.3 Distribution of springs (groups) in 1994

榆溪河的支流沙河、芹河、圪求河以及头、二、三、四、五道河,秃尾河红柳沟以上河段,窟野河的芦草沟、侯家母河哈拉沟、柳根沟、考考乌素沟和乌兰不拉沟水流均来自萨拉乌苏组泉。秃尾河沿岸又产出了清水泉、采兔沟泉、黑龙沟泉等大泉。

由图3可见,在窟野河、秃尾河流域,形成了集中分布的泉,笔者将这一北东向分布的、泉眼集中的区域,称为泉群分布带(图3)。

对研究区泉点进行分类有很多种方法,最直接的就是以泉的涌出地层进行分类,可以分为萨拉乌苏组(Q3s)出露泉、黄土及三趾马红土出露泉、烧变岩(J2y)出露泉、侏罗系(J2z或J2y)出露泉及其他层位出露泉。这种分类较为直观,但其分布规律较为离散,没有规律。相比较,结合图4可以很有规律的将研究区的泉点分为3个类型,即沙地入渗补给泉点、黄土入渗补给泉点和混合入渗补给泉点(图4)。这里需要说明的是3种类型泉入渗地貌不同,但可以在各个层位中集中排泄。之所以不考虑其他地貌,一方面裂隙介质的基岩和火烧岩类地层入渗后在雨季水资源大量流失生态意义不大,另一个方面其分布面积和入渗系数相比较十分有限,因此有此分类。泉点分类及其内涵见表1。

图4 地貌类型分区
Fig.4 Partition of landform type

表1 各类型泉点特征
Table 1 Characteristics of each type of spring

序号泉分类名称泉所属大地貌旱季泉水的根本补给来源泉的排泄层位泉的特征采煤影响规律采煤影响方式研究区分布范围1沙地入渗补给泉点风沙地貌松散沙含水层各松散层和基岩层涌出量大的泉点数量最多影响轻微间接影响西部,以榆神四期为代表2黄土入渗补给泉点黄土梁峁黄土层各松散层和基岩层泉点对生态支撑效果最好中等影响直接影响东北,以神府矿区为代表3混合入渗补给泉点沙盖黄土梁峁松散沙层和黄土层各松散层和基岩层整体泉点数量最多严重影响直接影响中部,以神北矿区为代表

(1)沙地入渗补给泉点。大气降水降落在地势较为平坦的沙地中,沙层地下水得到大量的补充,受下伏隔水岩层起伏影响,向地势较低点汇集,少量水资源入渗后进一步下渗到其他地层,这使得这一区域各含水层富水性相对较强,各含水层在河谷切割区(如榆溪河及其各支流)以下降泉形式排泄,由于沙地中地下水渗流十分缓慢,发挥了时空调节机能,这使得这些泉点四季持续涌出,不会中断,对区域生态有重要支撑作用。该类泉的代表如榆神矿区3期榆溪河上游的各支流泉群。

(2)黄土入渗补给泉点。大气降水降落在地势起伏的黄土高原中,由于研究区降水以暴雨为主,黄土容易产生阻碍入渗的泥皮,入渗系数相比较沙地大概只有其1/4,甚至更低,大量的雨季产流汇成洪流进一步切割了该区域的地形。有限入渗到黄土中的水资源,经过长时间的积累形成了一定水资源,在地形平坦和土层较厚地区富集,并有少量进一步入渗到下伏含水层中。这些地下水在地形切割处集中涌出,形成了少量的泉点,但由于黄土较沙土有较强的毛细作用,对植被发育更适宜,形成了研究区内最好生态之一。但由于补给源十分有限,就单一泉点来讲,其较为脆弱。但由于黄土渗透系数较沙地小,其受到影响后的影响半径则较小,这是说明该类泉点抵御区域水文变化的能力较沙地较强。该类泉的典型代表如神府矿区庙沟门境内的泉群。

(3)混合入渗补给泉点。介于上述两种地形地貌之间,有一个过渡地段,该地区部分黄土出露,部分沙地出露(但厚度较薄),甚至交叉出露,入渗、径流均表现出复杂性和多样性,无法准确描述某些泉的最初补给来源,但由于地层的交错,连片的沙地和黄土地径流来的地下水(主要是沙地径流补给)在这里大量出露,形成了研究区最大数量的泉群。由于该类泉的复杂性,其受人类活动影响也表现出复杂性和多样性。该类泉的典型代表如神北矿区的张家峁井田境内的泉群。

1.3 泉的生态意义

研究区水资源贫乏,生态环境脆弱,在地形低洼及沟谷地带自然出露的泉附近由于水资源汇集,一般具有相对良好的生态环境,适宜生存,往往成为人类生存聚集地带,繁衍自然村落,人类在与这种自然环境的长期融合下,形成了独特的沙漠文化。同时,泉水长年累月的汇集,切割地形,最终汇集成河,成为黄河的支流,补给黄河。

在研究区,有泉与没有泉,自然生态环境是截然不同的(图5),没有泉的区域,流动沙丘出露,植被覆盖度低,生态环境脆弱。有泉的区域,水草发育,植被覆盖度明显提高,沟道两侧植被发育良好,且适合人类居住,种植有土豆、玉米、水稻、豆类作物等。

图5 毛乌素沙漠的生态环境
Fig.5 Ecological environment of Maowusu Desert

2 近20年来泉的数量与流量

2.1 采煤前1994年的泉

大规模煤炭开采前(1994年)调查区泉水出露情况如图3所示,其中各泉点按照涌出层位见表2,泉数量2 580处,总流量4 997.059 7 L/s,主要呈北东向展布于各流域沟道内(图3),其中侏罗系(J2z或J2y)出露泉数量949处,数量最多,甚至比萨拉乌苏组泉还多,这主要是该含水层极少出露,相对连片,深切的河谷出露处集中出露。而流量大于10 L/s的大泉点萨拉乌苏组出露泉最多,总流量也占绝对优势,说明该含水层富水性最好,是研究区最主要的含水层,有普遍供水意义。

而按照1.2节的分类,可以看出混合入渗补给泉点数量最大,占绝对优势,而其他两种类型较少,说明最富含水的沙层集中在沙地和黄土接触地貌处排泄。另外,泉的总流量方面,虽然混合入渗补给泉点排泄量也是最大,但沙地入渗补给泉点排泄量也相当可观。笔者(范立民)在陕西省一八五煤田地质勘探队曾经对部分泉(群)流量进行了长期测量,泉流量基本稳定。以哈拉沟泉为例,连续90个月的流量测量(1984年7月—1991年12月),每月测量6次,月平均流量为93~234 L/s,一般120~150 L/s,流量处于波动状态,但基流量基本稳定,处于逐年减少的趋势,冬季由于冰冻等原因,部分泉眼冻结,流量降低(图6)。

表2 调查区泉()分类统计
Table 2 Statistical table of springs (groups) classification in survey area

出露层位≤1L/s数量/处总流量/(L·s-1)1~10L/s数量/处总流量/(L·s-1)≥10L/s数量/处总流量/(L·s-1)合计数量/处总流量/(L·s-1)全新统(Q4)36453.97102137.7270492.8000389184.4980萨拉乌苏组(Q3s)26695.6080213710.7823622543.10805413349.4983黄土及三趾马红土22436.90321950.77767116.7490250204.4298下更新统(Q1)4210.242245.6920004615.9342烧变岩(J2y)32559.457564142.115016564.6089405766.1814侏罗系(J2z和J2y)85882.673380181.504711212.3400949476.5180合计2079338.85524011128.59861003529.605925804997.0597

图6 窟野河上游哈拉沟泉群流量动态(1984—1991年)
Fig.6 Flow dynamics of spring group in the Hala Ditch before coal development

2.2 采煤20年后2015年的泉

与1994年比较,2015年榆神府区泉的数量明显减少,总流量大幅度衰减,部分泉干涸(图7),调查数据表明,干涸泉和流量衰减大的泉主要分布于采空区附近区域,泉的变化与高强度采煤有着直接关系。

图7 2015年泉群分布
Fig.7 Distribution of springs (groups) in 2015
1—分水岭界限;2—地下水流向;3—干涸泉;4—全新统出露未干涸泉;5—萨拉乌苏组出露未干涸泉;6—土层出露未干涸泉;7—下更新统
出露未干涸泉;8—烧变岩出露未干涸泉;9—侏罗系出露未干涸泉

2.2.1 泉数量减少

根据背景资料及野外调查,煤炭开发前,全区有泉2 580处,本次调查有水的376处,其余采用实地踏勘、遥感解译、村民访问等方式调查,基本干涸,数量衰减率84%。

在泉数量方面,位于神木市以北的石圪台、大柳塔、活鸡兔煤矿,神木市中部的孙家岔、海湾、张家沟、柠条塔煤矿,神木市东部的杨伙盘、石窑店煤矿,泉数量的衰减率都达到了90%以上,石圪台煤矿除了一处地层开挖渗出泉水外,其余泉均干涸。哈拉沟、大海则、凉水井、柠条塔、锦界、张家峁煤矿范围内的泉数量衰减率在70%~80%。榆树湾煤矿、马王庙井田、朱家塔井田泉数量衰减率在40%~50%,大保当井田泉水均未干涸,流量对比1994年以前有一定程度的减小(图8)。

图8 泉(群)数量衰减率等值线
Fig.8 Numerical attenuation contour of springs (groups)

依据1.2节的泉点分类可以看出,混合入渗补给泉点数量衰减率集中在80%~100%,黄土入渗补给泉点数量衰减率次之集中在60%~80%,沙地入渗补给泉点数量衰减率最小集中在0~30%。

2.2.2 泉群流量衰减

在泉流量方面,1994年泉群总流量约4 997.059 7 L/s,2015年泉群总流量锐减到996.392 L/s,衰减率为76%,石圪台、活鸡兔、大柳塔、何家塔、朱盖塔、孙家岔、海湾、石窑店、杨伙盘、张家峁、柠条塔等煤矿内的泉流量,与1994年对比,流量衰减率达到90%以上;前石畔、大海则、凉水井、榆家梁、香水河、锦界、朱家塔矿区内,与1994年对比,泉流量衰减70%~90%;榆树湾、曹家滩、马王庙、河兴梁等煤矿(井田)内,与1994年对比,泉流量衰减率小于70%(图9),其中的马王庙、河兴梁井田未开发。

图9 泉(群)流量衰减率等值线
Fig.9 Flow attenuation rate contour of springs (groups)

依据1.2节的泉点分类可以看出,混合入渗补给泉点流量衰减率集中在80%~100%,黄土入渗补给泉点数量衰减率次之集中在70%~90%,沙地入渗补给泉点数量衰减率最小集中在10%~50%,整体趋势与数量衰减相似,但受降落漏斗等影响,另外两类泉点受混合入渗补给泉点流量衰减影响。

2.2.3 泉群变化的分区性明显

煤炭开采前,泉群主要集中在海湾、张家峁、朱盖塔、孙家岔等煤矿,其中泉数量最多的海湾煤矿范围内有泉255个,煤炭开采后海湾、石窑店、大柳塔、活鸡兔煤矿范围内的泉数量和流量都急剧减少,接近干涸。煤炭开采后,泉出露较多的地方主要集中在张家峁、锦界煤矿和马王庙、香水河、朱家塔、何兴梁井田等区域,其特点是集中分布于乌伦木兰河、考考乌素沟、常家沟水库两岸及其支流的沟中和沟脑,榆神矿区秃尾河流域各支沟和榆溪河上游沟脑地带。值得关注的是,尽管泉的减少与气候及其他人类工程活动也有密切关系,但泉的强烈减少区,是煤矿开采强度最大的区域(图10)。

图10 泉群变化程度分区
Fig.10 Variation degree zoning of springs (groups)

依据1.2节的泉点分类可以看出,混合入渗补给泉点分布区域煤炭开发程度较高的区域泉强烈减少,一般开发区泉有一定减少;黄土入渗补给泉分布区则是靠近混合入渗补给区的泉明显减少,远离则微弱减少;沙地入渗补给泉分布区的泉几乎均为微弱减少。

3 泉群演化分析

调查区内陕北侏罗纪煤田发现于1982年,1996年第1个现代化煤矿——大柳塔煤矿投产,20年来先后建成了大柳塔、石圪台、哈拉沟、锦界、红柳林、张家峁、柠条塔、孙家岔龙华、榆阳、榆树湾、金鸡滩等大型煤矿(图11),仅陕西境内,煤矿数量最多时达到600余处,2015年区内有煤矿190处,原煤产量3.558亿t,2016年达3.62亿t (产能4.78亿t)。多数采用综采,开采强度大,对地表损伤严重,采空区地裂缝发育,地下水渗漏严重,水位下降1~20 m。值得注意的是,泉群集中分布的北东向带状范围内,也是煤炭开发最强烈的区域。

3.1 区域性地下水位下降造成泉群数量减少

通过534个水位监测点的水位统测[20],2015年与1994年比较,调查区地下水潜水水位有不同程度的下降(图12),水位降幅程度最大的区域位于神木市北部的石圪台、哈拉沟(图13)、大柳塔、活鸡兔、大海则、朱盖塔、龙华、石窑店煤矿及榆阳区金鸡滩—麻黄梁详查区一带,这些区域是煤炭高强度开采区,多形成了集中连片的采空区,水位下降幅度>15 m;受这些地区水位大幅下降的影响,这些井田周边水位也有一定程度的下降,下降幅度5~15 m;水位下降幅度1~5 m的地区主要位于神府矿区以东及榆神矿区以东一带,这一带煤炭资源开发程度相对较低;水位降幅<1 m的区域主要位于榆神矿区以西的萨拉乌苏组一带,该区未受煤矿开采的影响,主要受季节、降水量、蒸发量及上游人工活动的影响,近年来水位下降幅度小。调查区水位的整体性下降造成了泉(群)出露数量的减少。

图11 调查区煤矿分布示意
Fig.11 Sketch of coal mine in survey area

图12 近20年来调查区地下水水位下降幅度图[20]
Fig.12 Partition of water depth amplitude in the past 20 years[20]

图13 窟野河流域哈拉沟泉干涸机理示意
Fig.13 Schematic diagram of spring drying mechanism in the Hala Ditch of Kuye basin
1—粉细砂;2—中细砂;3—砂岩;4—干涸泉位置;5—采前潜水位线;6—采后潜水位线;7—煤层采空区

3.2 高强度采煤是区域性水位下降的直接诱因

调查区煤炭资源开发始于20世纪80年代末,1996年区内第1个现代化煤矿(大柳塔煤矿)建成投产,其后许多煤矿建成,2000年区内原煤产量3 600万t,2015年达到3.558亿t,占全国原煤产量的9.62%,与同处毛乌素沙漠的鄂尔多斯市形成中国最主要的煤炭基地。尤其是窟野河上游地区,煤矿是一个连一个,煤矿开采形成的导水裂隙带沟通局部主要潜水含水层,造成了区域性潜水水位下降,含水层被疏干,泉水干涸。

调查区锦界煤矿河则沟及青草界沟周边的14口井,与80年代水位对比,均有不同程度下降,下降幅度0.5~12.67 m。煤炭开采前,平均水位埋深约1 m,采煤使水位平均下降了6 m。区域性地下水位的下降,造成泉水的排泄高程降低,进而造成泉水数量的减少。

3.3 各类泉群演化机理及未来预测

前已述及,3类泉群在近20年演变特征有明显差距,具体每个类型的演化机理分析如下:

(1)黄土入渗补给泉点演变分析

该类型的典型煤矿是榆家梁煤矿,该煤矿年产能1 600万t以上,目前开采面积比达到81%,大型地面塌陷20处(大于1 km2,最大达22.51 km2),开采强度极强,该矿采前11个泉,流量25.186 L/s,采后剩余4个泉,衰减率72.4%,剩余流量3.226 L/s,衰减率87.1%(表3)。

表3 各类型井田泉点演化统计
Table 3 Spring evolvement in each type of mine field

煤矿名称开采强度采前泉水数量/个现存泉水数量/个数量衰减率/%采前泉水流量/(L·s-1)现存泉水流量/(L·s-1)流量衰减率/%榆家梁煤矿极高11463.625.1863.226087.1张家峁煤矿高1453973.177.46026.310366.1大保当井田低880656.301145.630077.8

该矿煤炭开采形成的导水裂隙已经沟通地表,因此采空区上方地下水已经被疏干,但由于黄土渗透系数较沙层差几个数量级,其影响半径仅为沙地的几十分之一,采空区以外间接影响范围相对十分有限,因此,该类型泉点影响主要表现为直接影响,即采空区上方泉点消失。此外,黄土有较强的持水性,即便是采空区,在降雨时水位也有明显上升并保持一定的时间,这也是采空区范围内泉点还残余一定流量的原因(图14)。

图14 榆家梁煤矿长观井水位与降雨关系
Fig.14 Relationship between well water level and rainfall in Yujialiang Coal Mine

(2)混合入渗补给泉点演变分析

该类型典型煤炭为张家峁煤矿,该矿年产能1 000万t,该矿西南部为风积沙地貌,其余为黄土地貌,目前黄土地貌区大部分已经开采,而风积沙地貌区没有开采,井田内原有145个泉,目前仅风积沙地貌下有39个泉没有干涸,而黄土地貌泉点全部消失(图15,表3),没有消失的泉点也大幅度减流,如区内最大的乌兰不拉沟泉已经由32.417 L/s衰减到0.4 L/s,究其原因,主要是由于沙层的补给源被截断,即与上游的柠条塔煤矿高强度采煤有直接关系。

图15 张家峁煤矿泉点及水系演化
Fig.15 Spring and river system evolvement in Zhangjiamao Coal Mine
1—泉;2—干涸泉;3—未干涸水系;4—干涸水系;5—地面塌陷区;6—采空区;7—井田范围

(3)沙地入渗补给泉点演变分析

沙地主要分布在榆神矿区三、四期规划区内,该范围越向西煤层埋深越深,隔水层厚度普遍大于30倍采厚,甚至大于50倍,煤炭开采的裂隙带不会直接

沟通含水层,但该种情况下采煤仍然会对泉点有所影响。根据李涛等[15]研究成果发现沉降和越流对地下水的影响是不可忽略的。如临区的榆横矿区榆阳煤矿采用综采工艺开采,实际探查导水裂隙带之上还有巨厚的隔水层,但采空区上方泉点受到明显影响,部分泉点消失了一段时间后又逐渐恢复,但始终未恢复到原始流量,说明了沉降和越流在短时间(约1个水文年)对泉的涌出有一定的影响。

此外,该类泉点在靠近混合入渗补给泉点区域时,也会受到临区降落漏斗的间接影响,泉流量会有一定的衰减,如大保当煤矿,该矿尚未投产,但紧邻西湾、榆树湾等井田,井田内有8个泉点,目前还剩余8个,但总流量已经由656.301衰减到145.63 L/s,衰减率77.8%,即说明了该情况(表3)。

基于上述3种泉点的演化规律,结合已有的探查资料和煤矿分布情况,可以对研究区未来泉域的演化趋势预测如图16所示,图中混合入渗区为直接影响大区(该区影响因素多使得其直接影响很大),黄土入渗区为直接影响小区(该区黄土有弱渗透高持水特性直接影响相对较小),而靠近直接影响大区的沙地区为间接影响大区(沙地区煤层埋深较大不会直接影响),反之远离直接影响大区的沙地区为间接影响小区(图16)。

图16 未来采煤对泉域演化影响趋势
Fig.16 Influence trend of coal mining on spring

4 泉群演化生态效应

4.1 水体与湿地面积变化

1990—2011年,调查区水体面积变化较大,呈持续减少态势,1990年全区水体面积162.63 km2,2001年减少至133.80 km2,2011年继续减少至85.69 km2,每10年减少约40 km2。前后2个10年的减少率分别为17.73%和35.96%。1990—2001年间,地表水体的减少主要表现在湖泊、水库面积的缩小及部分河流水域变窄[21-22]。以红碱淖为例,这个形成于1929年的沙漠淡水湖,从20世纪70年代到90年代初,红碱淖的湖水均衡,水位基本稳定。90年代末到2002年,水位每年下降10~15 cm,2002年后每年下降20~30 cm,最大40 cm,水域面积也不断萎缩,从最大时的70 km2(1969年)萎缩到2014年的32 km2,尽管水域面积萎缩的主因不是采煤[22],但与区域性高强度采煤也有一定关系。

4.2 地表水径流量变化

调查区窟野河从2000年开始断流,2000—2002年断流天数持续增加,最高达到220 d,2003—2005年断流天数均超过了150 d,几乎成了干河,目前在没有人工干预条件下,没有水流。窟野河上游的乌兰木伦河流域和悖牛川流域,流域中大部分支沟出现了断流现象[23]。例如,双沟是窟野河上游乌兰木伦河的一个支流,沟长5.6 km,多年平均泉流量7 344 m3/d,1997年泉眼干枯,河沟间歇性断流,水地变为旱地。

4.3 耕地质量变化

沙漠东缘泉水干涸,使得部分河流断流,土壤结构变松、涵水抗蚀性降低,造成河谷土地荒芜,耕地质量下降。村民原来依靠众多的泉水浇灌农田,自给自足,近年来由于泉水干涸,耕地质量下降,改变农民的谋生手段。

4.4 植被演化与覆盖率变化

调查区自然属性为干草原,是中国北方草场资源的组成部分。适生的草木、灌木类耐旱、耐寒,具有小叶面窄,根系发达,郁闭度低,以及季相变化等旱生特征。近年来,因加大了治理力度,如退耕还林还草、种草种树,植被有向好的方向转化的趋势。但在煤矿采空区植被生态好转的幅度明显小于相邻区域,说明煤炭开采对植被生态造成不良影响。特别是地方性小煤矿,植被进一步退化,出现生长不良,叶面枯黄、部分杨柳死亡或枯稍的现象。

对于窟野河上游泉流量衰减强烈的区域,神华集团以社会责任为己任,顾大钊等建立了煤矿地下水库技术体系并推广应用,科学利用、保护了水资源,恢复了矿区生态系统,实现绿色资源的绿色开采[5,24]

5 结 论

(1)研究区依据旱季泉点补给源可将泉点分为3种类型,即沙地入渗补给泉点、黄土入渗补给泉点和混合入渗补给泉点。煤炭大规模开采前3类泉点主要特点是:沙地入渗补给泉点单个涌水量大于10 L/s的最多,混合入渗补给泉点总体数量最多,黄土入渗补给泉点生态效应最显著。

(2)研究区煤炭大规模开采前(1994年)分布有泉(群)2 580处,总流量4 997.059 7 L/s。煤炭大规模开采后2015年残存泉(群)376处,总流量996.392 L/ s。其中,混合入渗补给泉点受含隔水层结构破坏和侧向补给截断影响大量消失是近20年来研究区泉点大量衰减的主要原因。未来开采区主要是沙地入渗补给泉点,该区域煤炭开采含隔水层结构稳定,多受采动沉降影响,泉点会在波动后趋于平稳。

(3)高强度采煤造成地下水位下降后,研究区水体、湿地面积也相应减少,水体面积从1990年的162.63 km2减少至2011年的85.69 km2。湿地面积从1990年的55.86 km2减少至2011年的45.49 km2

致谢 煤炭开发前泉的数据主要来源于陕西省一八五煤田地质有限公司1∶5万、1∶1万煤田水文地质图和有关地质勘查报告,这些成果凝结着韩树青、赵洪林、范立民、牛建国、杨保国、寇贵德、蒋泽泉、王彦利、许开仓等数十位煤田水文地质工作者的心血,窟野河(悖牛川)以东数据来自陕西省一三一煤田地质有限公司。我站陈建平、李文莉、卞惠瑛、杜江丽、郑苗苗、杨渊和在我站实习的研究生冀瑞君、孙魁、蒋辉、程帅等参加了野外调查,陕西省煤田地质勘察研究院申小龙、刘军、王志杰等同志参加了采前水文地质资料整理。陕西省地质调查院王双明院士和张晓团、左文乾、申涛、张红强等专家在项目立项与执行中给予了关心和支持,钱鸣高院士、彭苏萍院士、武强院士、王双明院士给予关注和支持,靳德武、夏玉成、朱桦、代革联等专家参与讨论或审阅初稿,在此一并表示衷心感谢。

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Evolution analysis on springs in contiguous area of MaowusuDesert and Loess Plateau

FAN Limin1,2,XIANG Maoxi1,2,PENG Jie1,2,MA Xiongde3,HE Weizhong1,2,LI Tao4,5,WU Boyun1,2,
LI Yonghong1,2,LI Cheng1,2,NING Jianmin1,2,GAO Shuai1,2,JI Yiwei1,2,SONG Yimin6,YAO Chaowei1,2,
REN Haixiang6,HE Yiping1,2,LIU Hainan1,2

(1.Key Laboratory of Mine Geological Hazards Mechanism and Control,Xian 710054,China; 2.Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring,Xian 710054,China; 3.College of Environmental Science and Engineering,Changan University,Xian 710054,China; 4.School of Mining & Civil Engineering,Liupanshui Normal University,Liupanshui 553004,China; 5.College of Geology and Environment,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China; 6.Shaanxi Coal Geology Investigation Research Institute Co.,Ltd.,Xian 710065,China)

Abstract:With Chinese coal mining strategic west shift in the past 20 years,the contiguous area of Maowusu Desert and Loess Plateau becomes an important coal producing area in China.In this area,the water resource is short and the ecological environment is fragile.Springs,as the precious groundwater resources and the main water source for ecology,production and living,is of great significance.Based on the hydrology and ecology observation of 2 580 springs in 1996 and 2016,springs had been classified by recharge source in dry season.The springs natural characteristics had been analyzed,as well as springs evolution and ecological effect combined with the influence of coal mining.And the trend of springs evolution had been predicted.The results show that springs are divided into 3 types by recharge source in dry season,including sand infiltration recharge spring,loess infiltration recharge spring and combined infiltration recharge spring.When the spring single flow is greater than 10 L/s,the numbers of sand infiltration recharge spring is the most.And the total numbers of combined infiltration recharge spring is the most.The ecological effect of loess infiltration recharge spring is most significant.Before 1994,there were 2 580 springs (groups) in the survey area,with a total flow of 4 997.059 7 L/s.In 2015,there were 376 springs (groups),with a total flow of 996.392 L/s.The main reason for the large attenuation of springs in the past 20 years is that combined infiltration recharge springs disappear by structural damage to aquifers-aquicludes and lateral supply truncation.The sand infiltration recharge springs are distributed in future coal mining areas,and aquifers-aquicludes structure is stable in this area.The sand infiltration recharge springs wave tends to be stable by mining subsidence and overflow of aquifer.With high intensive coal mining,the springs,water body and wetland area reduce in the study area,and the watershed ecological degradation is remarkable.

Key words:water preserved mining;spring;ecology;Salawusu Fm;Maowusu Desert;Loess Plateau

中图分类号:TD823

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2018)01-0207-12

范立民,向茂西,彭捷,等.毛乌素沙漠与黄土高原接壤区泉的演化分析[J].煤炭学报,2018,43(1):207-218.

doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.4001

FAN Limin,XIANG Maoxi,PENG Jie,et al.Evolution analysis on springs in contiguous area of Maowusu Desert and Loess Plateau[J].Journal of China Coal Society,2018,43(1):207-218.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.4001

收稿日期:2017-09-18

修回日期:2017-12-15 责任编辑韩晋平

基金项目:国家重点基础发展研究计划(973)资助项目(2013CB227901);陕西省科学技术推广计划资助项目(2011TG-01);陕西省公益性地质调查基金资助项目(2013020101)

作者简介:范立民(1965—),男,山西曲沃人,教授级高级工程师。E-mail:498518851@qq.com