神东矿区水资源转移存储工程研究

神东矿区水资源转移存储工程研究

0上覆含水层预充放电工程加强一个比较作为优化水资源配置、提高水资源承载能力的重要策略和手段，地下储水空间是国内外调查的热点之一，也是解决世界问题的有效措施和基本手段。国外通常使用“含水层储存和回收”或“含水层人工补充”。在美国、瑞典、荷兰、德国和其他国家进行了大量的地下水补给和人工蓄水试验。自2002年以来，美国已建立约330口含水层储存和回收井。国内研究始于20世纪80年代。山东省龙口市黄水河地下水库是中国第一个具有完整设计功能的地下储水空间。与地表储水空间相比,地下储水空间蓄水具有减少地面无效蒸发量、保护天然水质等优点,因此地下储水空间的研究对西北干旱区尤为重要.神东矿区补连塔煤矿地处鄂尔多斯盆地毛乌苏沙漠的过渡地带,属典型的半干旱、半沙漠的高原大陆性气候,矿区水资源极度匮乏.覆岩结构具有浅埋深、薄基岩、厚松散层的特点,综放开采产生的冒裂带在薄基岩地带直通地表,破坏上覆含水层,水位大幅下降,地下水资源大量浪费,同时井下安全生产也受到威胁.对于缺水地区的补连塔煤矿,开采前将受开采威胁的第四系水资源转移至不受开采威胁的承压含水层中,对于该区的水资源保护将具有举足轻重的意义.1地下水开发的水资源地下储水空间是指由封闭或近封闭边界圈闭的、具有实用规模库容且可以有效进行水更替的地下蓄水实体.它可以利用地下含水层的调蓄功能,丰蓄旱用、稳定地下水位、缩小地下水降落漏斗、控制地面沉降、防止或减少海水入侵含水层.转移存储正是地下储水空间在缺水矿区实施水资源保护性开采的关键体现.研究区主要含煤地层是中下侏罗系延安组,由一套河湖相砂岩、泥岩及煤层组成,包括5个煤层.补连塔煤矿主采1-2煤,受开采威胁的含水层主要是薄基岩地区的第四系孔隙潜水.第四系水资源量为7.6×106m3,对于水资源匮乏的区域极为重要.从技术难度和经济效益的角度考虑,拟考虑将潜水转移到2-2煤层与3煤层之间的承压含水层中,重新作为地下水径流的一部分,从而实现水资源保护性开采.在将煤层顶板潜水进行转移存储时,拟存储水资源的承压含水层必须满足以下所述条件.1.1构造发育特点研究区基本构造为单斜构造,宽缓且有波状起伏,无大的断裂褶皱,偶见小断层.自中生代沉积侏罗、白垩系以来,构造变动微弱,至晚近期,上升运动加强,中更新世以来,河谷堆积作用加强,厚度普遍加大.总体构造极为简单.对于转移存储具有相对优势.1.2含水层的隔水层本区裂隙承压含水层共6层,抽水试验资料证明富水性均较弱.各含水层之间均有煤层作为良好的隔水层.目的含水层为2-2煤层与3煤层之间的第3承压含水层,岩性为中粗砂砾,平均厚20m,为地下水的转移提供了良好的存储空间.1.3储水空间转移存储研究水资源转移存储,即为拟要转移的水资源寻找一个安全的地下储水空间,也即地下水库.地下储水空间不同于地下含水层,在于人为地干预了地下水流的天然调节能力和扩大了地下含水层的蓄水能力,是具有拦蓄、调节和利用地下水流作用的一种特殊的空间.足够的储水空间是转移存储的前提条件.转移存储研究的重点在于存储空间的边界条件、介质结构、空间大小及转移水质.1.3.1黄陇河封闭地区一个地下储水空间,应能使水源补得进、存得住、取得出.因此,作为地下储水空间,除了具备储水介质厚度大、导水性强外,还必须具备良好的封闭条件,使灌入的水源不致漏失.研究区存储空间东北部是乌兰木伦河一级阶地,阶面微倾于河床,主要由中细砂、粉细砂组成,河水渗透补给承压含水层,为区域补给边界.西南部为厚松散层变薄的区域,顺地层倾斜,偶见泉出露,推断为承压水排泄边界.东南、西北边界与流线平行,因承压含水层受采动影响很弱,定为隔水边界.因此,东北、西南部天然条件下封闭性较差,虽然目前含水层富水性很弱,补给排泄量小,但建库后含水层在持续补给作用下,必然会引起水力坡度变大和出流量增加.因此,封闭性差的边界区域拟采用高压灌浆技术构筑地下挡水墙,以此圈闭含水层.存储空间顶板、底板主要由砂质泥岩、泥岩组成,厚度大于4m,承压含水层间的水力联系微弱,因此,上下边界均视为隔水边界.1.3.2灰色及灰砂岩结构储存空间的介质结构决定了所要采取的补给方式.本区储水介质为双层结构,岩性主要为灰色、灰白色、灰绿色及黑灰色中、细砂岩组成,厚5～20m.总体变化趋势由西南向东北厚度变大、颗粒变粗;垂向上是下部含水介质较粗,多为中粗砂砾石,上部较细,为粉细砂或中砂.大部分地区赋水介质分选较好,透水性较好.1.3.3地下水库调蓄能力的确定地下水库的调蓄空间分为极限调蓄空间和实时调蓄空间,可以通过特征库容来刻画.极限库容包括最大库容、最小库容和最大调蓄库容,实时库容包括实时蓄水库容和实时调蓄库容.最大、最小库容分别是极限高、低水位与隔水底板之间赋水介质的重力和弹性释水体积.其中,极限高、低水位是在不致引起环境负效应前提下最大疏干程度、依据赋水介质的性质以及当前经济技术条件下的工程提水能力等来确定.最大调蓄库容表征地下水库的最大调蓄能力,极限库容可以通过分析含水层结构和源汇项等因素求得,实时蓄水库容表征任一时刻地下水库的实时蓄水能力,实时调蓄库容则为任一时刻地下水库的实时调蓄能力.据抽水试验资料,目的含水层水位标高为1177.78m,区内极限高水位约75m,含水层顶板标高平均约1120m,极限低水位约束在整体疏干不超过最大库容一半、单点疏干不超过含水层厚度2/3的条件之内.由弹性储存量计算公式Q储=μ×h×F承,(1)式中:Q弹为弹性储存量,m3;μ为弹性给水度;F承为存储空间面积,m2;h为目的含水层顶板至承压水头高度,m.按式(1)计算得到目的含水层最大蓄水能力为1.287×107m3,最小蓄水能力为5.15×106m3,最大调蓄能力为7.72×106m3.所以,该地下水库可存储地下水资源量的最小值为5.15×106m3.从可行性角度分析,调蓄空间基本满足薄基岩处潜水的转移存储要求.1.3.4地下水开采量为2煤系水库转移存储的地质条件调蓄水源的水质情况至关重要.如果化学组分不达标,会污染目的含水层水资源;如果某些物理指标,如含沙量、悬浮物含量达不到标准要求,会影响集中回渗场的回渗速度,进而影响整个地下水库的新陈代谢能力.本区地下水开采前的水质分析显示无超标项,基本符合饮用水标准,可以直接进行转移存储.通过从地质、水文地质和存储空间等方面的分析研究可知,补连塔煤矿已经具备第四系潜水转移至2煤层之下承压含水层所需基本条件,保证了薄基岩、富水区的转移存储的实施前提.2地下水转移存储相比地表储水空间,地下储水空间“肚大口小,能容能进”.因此,采取各种措施增强地下储水空间的进水能力,是成功建立地下储水空间的关键.目前,国内外采取的含水层人工补给方法主要有3种,即地表入渗系统、人工渗透带和灌注井.转移存储属于人工干预条件下的水资源更替工程,其实施应当考虑许多因素,含水层更替传导能力允许、当前工程技术条件下能否实现、经济代价最低、不引起环境负效应等皆为重要前提.对于承压水含水层的储水空间,较多使用竖井回灌补给.由于补给的水资源未经过土壤渗透净化,要求回灌水具有良好水质,以免造成含水层污染.在转移存储方式上,采用地表蓄水池与竖井回灌相结合的方式,将富水区地下水资源抽至蓄水池,通过竖井回灌至目的含水层,并采取相关保护措施,确保转移的水量不随径流排泄出矿区.2.1设计直排放系统集成式排水系统由于需转移水量较大,边抽取边回灌势必会增大转移存储成本.并且,拟转移的地下水必须符合水质标准才能进行回灌.因此,水资源回灌之前,拟修建地面蓄水池作为临时储存场所.为缩短地下水抽放距离,减少成本,蓄水池修建在潜水富水区乌兰木伦河附近.通过竖井回灌,地下水能充分利用当地地质和水文地质条件进行地下径流,避免引起水压急剧增大.根据转移存储量,设计蓄水池平面面积为400m2,包括3个分蓄水池,其中蓄水池1、2面积各为100m2,蓄水池3面积为200m2.为防止蓄水池对潜水含水层垂直渗透和侧向补给,采取水泥铺设进行隔离防护.回灌方式为竖井回灌.在蓄水池附近布置2个回灌井,井深100m,管材为钢筋水泥结构,管外包扎棕皮,孔隙率达30%.两回灌井A、B同时对目的含水层进行回灌,其平面布置见图1,图2.2.2布置监测井纵断面为监测回灌过程中周边地下水水位变化,在蓄水池以西、垂直于乌兰木伦河、沿地下水径流方向布置5个监测井.5号井为背景值监测井.1-4号井为水质监测井,用于观测地下水在迁移过程中的水质变化情况.此外,还布置了6号取水井,进行地下水抽取.各监测井纵断面示意图见图2.3地下储水的运行成本利用地下深层含水砂层蓄水,与修建地表蓄水工程比较,具有造价低、库容量大、无水面蒸发、社会效益好等优点.以新建规模相当于补连沟水库为例,地面水库占地面积2.76km2,蓄水量1.8×105m3/a,每年水面蒸发量约占总量的20%.地面水库蓄水成本约3.5元/m3,以及蒸发损失、土地占用补偿等费用,每年总费用为7.56×105元.修建地下水库,按地表水库的最大蓄水能力计算成本.目前人工回灌地表水为2.75元/m3.由于地下储水的水位埋深大,蒸发几乎为0,因此,所需总费用为蓄水费用、人工提水费用等相加之和,即每年约为4.95×105元.由此可知,相同库容的地表水库与地下水库相比,前者投资成本更高.地下水库是在地面以下含水层蓄水,它的底部基础借用了天然隔水层(如地下粘土层),一般不需做基础处理.引蓄水时,主要依靠现有沟渠、坑塘、机井,除需增加适量渗井或其它小型工程设施外,不需修建闸涵和泵站等大中型建筑物,可大大减少工程投资和运行管理费用.另外,地下水人工回灌使深层地下水位升高,减缓或阻止了地面沉降的发生,避免地面建筑物遭受破坏,减少不必要的损失