采煤对地下水的累积影响

(一) 采煤局部改变了地下水自然流场补、 径、 排条件

煤、水资源共存于一个地质体中,在天然条件下,各有自身的赋存条件及变化规律,由于煤矿开采排水打破了地下水原有的自然平衡,形成以矿井为中心的降落漏斗,改变了原有的补、径、排条件,使地下水向矿坑汇流,在其影响半径之内,地下水流加快,水位下降,储存量减少,局部由承压转为无压,导致煤系地层以上裂隙水受到明显的破坏,使原有的含水层变为透水层,原有的水井干枯。据不完全统计,山西由于采煤排水引起矿区水位下降,导致泉水流量下降或断流,共影响井泉3218 个,导致1678 个村庄812715 口人,108241头大牲畜饮水严重困难。

(二) 采煤局部改变了三水转化关系

在自然状态下,降水、地表水与地下水存在一定的补排关系,由于矿井在浅部地段,导致“三带”连通,使地表水直接转化为地下水,涌入矿坑再排出,在下游转化为地表水,成为地表水、地下水互相转化、相互补给,改变原始状态下的转化过程,使水资源不能充分利用,又使水质受到了污染。如朔州矿区煤矿开采后,裂隙导水带与基岩风化带及河床冲击层发生联系,在地面调查也有裂隙,使地表及地下水互相贯通,河水、冲击层与地下水补给关系发生转化,原来煤系地下水补给上部风化壳冲积层和河水,煤矿开采后全部转化为垂直入渗补给矿坑水,由于矿坑水直接排入河床,一部分流向下游,另一部分又通过地表裂隙流入井下。

由此看出,人类的开发活动是区域水资源安全系统累积影响的主要根源。区域水资源安全的整体变化是由区域内外因源与内因源在一定的条件下累积形成的。区域内水资源安全影响的累积过程如图5-5所示。

不论是外因源还是内因源,对水资源安全的影响不是完全孤立的,在一个复杂的水资源安全系统中,两个途径往往可能会同时出现。在人类活动的今天而是会产生相互关系和相互作用。

区域的开发活动通过各种累积途径,会对水资源安全系统产生开源节流的累积效应,从累积效应的过程看,产生以下问题。

图5-5　区域水资源安全过程影响

1.时间拥挤

时间拥挤表现为外界压力对某一水资源系统要素的重复干扰过于频繁,以至于要素在时间上缺乏恢复原态的可能。如山西五大盆地地下水超采问题。由于地下水的长期超量开采,地下水开采强度较大,水井密度较高,致使腹部五大盆地区域地下水水位呈明显持续下降状态,形成大面积的地下水降落漏斗区,盆地区超采面积3197km2,占五大盆地区面积的12.22%,占全省超采区面积的48.45%。2005年盆地区各超采区地下水开采量为140746万m3,超采量为66237万m3,占全省地下水开采量的17.10%。再如山西大同市,大同市超采区面积349km2,占行政区的平原区面积的63%,大于城区的整个面积,严重超采区面积为289km2,2005年地下水开采量为15510万m3,超采量9376万m3,超采区水位累计下降值达30.3m,平均下降速率为0.87m/a,严重超采区下降值达43.3m,下降速率为1.24m/a。随着大同市国民经济和城市规模的扩大,地下水的开采量逐渐增大,使区域地下水水位逐年持续下降,形成地下水漏斗,漏斗总面积已由20世纪80年代的20km2,扩展到目前的近100km2,漏斗中心水位下降速率为3.67m/a,造成局部含水层基本上处于疏干状态。(www.xing528.com)

2.空间拥挤

空间拥挤表现为外界对水资源系统的干扰在空间上生效密集,以至于改变了区域的空间结构和空间过程。如上论述的地下水超采所引起的地下水降落漏斗的联片问题。如大同市,目前大同市城西、城南、城北的3个地下水漏斗区连接成片,漏斗区包含着大同市的城区整个部分。再如污染的问题,由点污染到面污染,由局部污染到区域污染。2005年山西省污水排放量为9.56亿m3,废污水排放量的90%未经处理直接排入河道、农田、流入水库或渗入地下。据2005年“山西省环境监测报告”,全省浅层地下水已遭受大面积污染,深层水也有水层变差现象。全省主要河流几乎无Ⅰ、Ⅱ类的河段,在第二次水资源评价分析的河段中,84%的河段被污染,严重污染的河段占到56%。

3.协同效应

水资源安全是建立在水资源安全系统中各个子系统之间相互协同、良性互动的基础上。实际上,所有系统都可以分为若干个子系统,我们经常看到的许多系统的行为,往往并不是其子系统行为的简单叠加,而是所有子系统的相互作用的结果。协同效应就为两个或多个系统发生交互作用,可能是线性的,也可能是非线性的,而产生总系统的另一个变化。我的看法是水资源安全这一复合系统具有“结构功能统一率”,外界与其本身对其系统的作用可以使系统良性循环,也可以使水资源循环急剧恶化。特别是在社会经济高速发展的时代,开发利用水资源对其水资源安全系统的影响不是各系统之间的简单叠加,水资源安全性、适应性及动力机制决定了它对开发活动(压力)的响应不是一种线性关系,而是一种复杂的“协同”,“阈值”和“复合”的非线性关系。

黄河断流就是一个很典型的问题,黄河频繁的季节性断流始于20世纪,由于全球气候变化,自20世纪50年代以来,黄河源区的水均衡处于负均衡状态,只有丰水年份才出现正均衡。进入20世纪90年代后,干旱化趋势加剧,大量中小型湖、塘干涸,草场大面积退化和荒漠化,沼泽湿地失水严重,一些外流湖变为内陆湖,生态环境退化。此外,多年冻土层出现萎缩,引起冻结层疏干；开采砂金对河谷平原区含水层结构彻底破坏,切断了地表水对地下水系统的补给；过渡放牧对草场植被破坏,造成草场退化,源区水源涵养能力降低,造成地下水补给量减少,区域地下水位下降,使得黄河源区水环境恶化。黄河源区黄河断流是内、外地质作用的结果:一是青藏高原隆升河流侵蚀下切作用强烈,引起区域地下水位下降,地下水含水系统遭受破坏,湿地、湖泊缩减,造成水资源调蓄能力降低,当冬季地下水调节量不足以维持径流时,出现断流；二是植被退化,土壤涵养水分能力降低；三是气候原因,冬季极低温造成河流“连体冻”式断流。今后黄河发生断流的频率将会增高 (人民日报,2003-06-25,李强)。

这些累积效应发展的严重后果表现为水资源安全系统的破坏而导致系统行为的改变,或酿成“崩裂”性的影响。从阈值上来讲,只要再增加一点干扰,超出阈值,就会出现“崩裂”性变化,如图5-6所示。水资源安全系统的这种“原因连续的作用可能导致结果的突然变化”的一般机制,反映了该系统对外界累积干扰响应的基本特征。

图5-6　水资源安全累积效应变化

另外,累积效应还表现出时间的滞后性。如开山伐林、水土保持、退耕还林等可能在几年或几十年以后能够在水资源安全系统中表现出来。

总之,水资源安全与否是累积效应作用的结果,同时它还与水资源自组织存在着相互作用与相互联系。