Numerical simulation and environmental impact prediction of karst groundwater in Sangu Spring Basin,China

The changes of development and utilization of karst groundwater in Sangu Spring Basin have made the original groundwater resource evaluation unable to meet the needs of future economic development.Based on analysis of existing data,combined with the characteristics of supplement,runoff and draining of regional karst groundwater,the Visual Modelflow software was used to build a numerical simulation model of Sangu spring Basin.The amount of karst groundwater resource and groundwater environment of the Basin were evaluated under different exploitation schemes,and the changes of karst groundwater environment in the future ten years were also predicted.The fitting error which is less than 0.5 m between the calculated value and measured value of the water level in the fitted borehole accounts for 93%.For the lithologically and structurally complex Sangu Spring Basin,the fitting effect of numerical simulation model was ideal.On the basis of the current mining amount of 111.80 million m3/a,the total redistributed exploited amount in the spring region was 61.79 million m3/a.Under the condition that the quantity of recoverable resources reached 173.59 million m3/a and under different precipitation schemes,all constraint conditions were satisfied,such as regional water level drawdown,maximum allowable water level drawdown in every simulated water source area and the flow rate of Guobi Spring.The results will provide a scientific basis for the rational development and utilization of karst groundwater in Sangu Spring Basin.

三姑泉域岩溶地下水水化学特征及形成演化机制

三姑泉域岩溶地下水对晋东南地区居民生活及煤炭基地建设起着重要支撑作用。受煤炭资源大规模开采及人类活动加剧的影响,岩溶地下水水化学环境演变剧烈。通过分析三姑泉域的125个岩溶地下水、14个地表水及14个雨水样品,综合利用统计分析、变异系数分析、氢氧稳定同位素、Gibbs模型、离子相关关系、矿物饱和指数及因子分析,确定岩溶地下水的补给来源,分析三个子系统间岩溶水水化学特征、差异及形成演化机制。结果表明:岩溶水δD值为−77‰~−42‰,δ^(18)O值为−10.6‰~−4.5‰,且沿大气降雨线分布,显示岩溶地下水以大气降水入渗补给为主。子系统Ⅰ与子系统Ⅱ和子系统Ⅲ具有明显不同的水化学特征和水文地球化学演化进程。子系统Ⅰ岩溶水为低TDS软水,73%为HCO_(3)Ca(Mg)型水;子系统Ⅱ、子系统Ⅲ为低TDS软水高TDS硬水,水化学类型复杂,36%~40%为HCO_(3)·SO_(4)Ca·Mg型水,24%~45%为SO_(4)·HCO_(3)Ca型水。因子分析表明,区域岩溶地下水化学形成演化主要受控于水-岩作用、人类活动、地表水和局部裂隙水渗漏的影响。水-岩作用使得岩溶水化学组分以SO_(4)^(2-)、HCO_(3)-、SO_(4)^(2-)、Ca^(2+)、Mg^(2+)为主,采矿活动导致含量增加,农业活动导致NO_(3)-含量增加,污水排放和裂隙水渗漏导致Cl^(−)和Na+含量增加。研究结果可为岩溶水水资源开发和管理提供科学依据。

北方岩溶区煤炭开采对地下水的影响研究

位于三姑泉域的晋城矿区是我国最大的无烟煤生产基地,煤炭大规模持续开采引发了含水层结构破坏、地下水循环变异、水质劣变等水环境问题。从煤层与各含水层叠置关系出发,以地下水系统理论为指导,针对煤层顶部的孔隙含水层、裂隙含水层以及煤层底部的岩溶含水层,系统分析了煤炭开采对各含水层的破坏模式,评估了地下水水质的污染程度及主要超标因子,揭示了煤炭开采是泉域内各含水层水质劣变的主要原因。将三姑泉域地下水系统划分为浅部地下水流系统、深部地下水流系统以及局部地下水流系统3个层次结构,建立了煤炭开采条件下的地下水循环模式,完善了采煤条件下地下水循环理论。

煤炭开采条件下三姑泉域岩溶含水层保护评价

三姑泉域是我国典型的北方岩溶区,同时位于国家规划的晋东大型煤炭基地,煤炭开采与水资源保护之间的问题较为突出。多年来区内煤炭资源的大规模开采造成了区域地下水位下降、水质恶化等现象。因此开展北方岩溶区煤炭基地含水层保护评价对水资源保护及经济可持续发展具有十分重要的意义。本文从含水层脆弱性、含水层功能和煤炭开采影响力三方面建立综合评价指标体系,采用APH法进行三姑泉域岩溶含水层综合保护评价。针对煤炭基地特征,采用增加了煤炭采空区指标的COP修正模型评价了含水层的脆弱性。含水层功能评价分别从供水能力与生态、大泉维持能力开展;煤炭开采影响力评价从开采活动及煤炭地质结构两方面开展。综合评价结果显示需要重点保护的区段为岩溶大泉、水源地及地表渗漏段,其次为岩溶强径流带及煤炭剧烈开采区,与实际情况相符。

三姑泉域岩溶地下水分布特征及子系统识别

通过地质学、岩溶动力学、构造学、地球物理勘探、流体动力学、水文地质试验、水文地球化学及同位素分析等方法,分析了三姑泉域岩溶地下水赋存与富集规律,阐明了可溶岩与构造对岩溶地下水分布的控制;采用多种手段联合方法对三姑泉域的地下水子系统进行了识别。共划分了东丹河、丹河、高平-晋城、赵庄四个地下水子系统。每个子系统内都发育强径流带,径流带内物探结果显示低电阻率,水化学显示低TDS,同位素显示高δ18O、δD值,子系统边界上则呈现了高电阻率,高TDS及低δ18O、δD值的特征。多种研究方法相互印证结论一致,提高了地下水子系统识别的准确度。

三姑泉流量动态特征及衰减原因研究

为确保三姑泉域岩溶水资源的可持续开发利用,开展三姑泉流量研究是非常必要的。在充分分析三姑泉多年泉流量、降水量及岩溶水开采量等的基础上,对三姑泉流量动态特征和衰减原因进行了研究。结果表明,三姑泉流量动态特征整体上呈下降趋势,导致三姑泉流量衰减的主要因素为大气降水减少、人工岩溶水开采和采煤排水。

三姑泉域水环境质量评价及水污染控制对策

为确保三姑泉域水资源的可持续开发利用,采用常规方法对泉域水环境质量进行了评价。结果表明:三姑泉域的地表水和地下水已不同程度遭受污染,水环境的污染与煤矿开采以及工业废水和生活污水的不合理排放有关。结合当地实际提出水污染控制对策。研究成果为三姑泉域水资源管理和保护提供科学依据。

三姑泉域岩溶地下水资源量评价

三姑泉域岩溶地下水目前已经出现超采,为确保泉域岩溶地下水的可持续开发,根据1956—2000年和1980—2000年两个系列的资料,采用均衡法对泉域岩溶地下水资源量进行了评价,即用排泄量法进行计算,用补给量法进行校核。结果表明,三姑泉域岩溶地下水资源量为7.18m3/s。

基于季候变化和人工双重影响下的三股泉域岩溶地下水水位演化分析

地下水超采打破原有的生态平衡,产生了地下水位下降等诸多的地质环境问题。分析地下水的动态变化,有助于人们科学管理地下水资源,更好的实现地下水位下降等环境问题的治理。以三姑泉域为例,选用1996-2005年十个完整水文年为模拟识别时段,通过水文地质条件概化等方法在MODFLOW平台建立水文地质模拟模型,以地下水开采量为变量,模拟计算地下水位的变化值,为调整地下水开采量进而生态修复地下水位提供重要依据。结果显示:模拟的2010年等水位线与实际观测值绘出的等水位线形态和分布基本相似,模拟地下水流场基本能够反映岩溶地下水的流动规律和趋势,研究区岩溶地下水总体水流向为由东北、西北流往东南,拟合效果较好;预测在理想状态下,未来12~22 a可陆续完成其岩溶水位的生态修复。该技术方法可为处理同类地下水问题提供参考和借鉴。

三姑泉域岩溶水边界划分研究

本文依据三姑泉域岩溶水边界独特的地质场、水动力场、水位动态及水文网特征等,划分、分析其边界范围和性质。正确的边界划分及其性质的确定,不仅是评价泉域岩溶水资源量的基础,也是加强水资源管理和防治水资源污染的前提。

山西兰花—华明纳米材料项目对三姑泉域水环境影响分析

山西兰花—华明纳米材料项目位于晋城市三姑泉域中西部径流区,通过对项目建设施工及运营期对泉域水环境的影响分析,提出了保护泉域水环境的对策。