灤河灤州段的水文特性研究

張良梓，鄭 雪

（河北省秦皇島水文勘測研究中心,河北 秦皇島 066000）

灤河流域在海河流域最北邊,面積達44750 km2,多數為山區,平原區僅810 km2,主要位于灤州段。相較于其他區段,灤州段位于下游河口位置,水文地質特征復雜。近年來,隨著灤州段礦山開采條件逐漸放開,亟需深入研究灤河水文特性,把握礦區含水層和周圍河流間的水力聯系,確認開采過程中是否會出現大量涌水等問題,以免引發大的安全事故。

1 研究區概況

研究區隸屬河北省唐山市,作為典型沖積平原,具有東南低、西北高的地勢特征。境內分布較多河流,但多為灤河水系,見圖1,周圍分布大量鐵礦。區段為暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候,春季氣溫迅速回升,頻繁發生冷暖空氣交鋒,具有風大、雨少特點[1]。夏季降雨集中,多發暴雨、大風等災害天氣。冬季干燥,降水稀少。從降水情況來看,年均降水652.7 mm,折合水量達8 億m3,自產徑流為1.27 億m3,地下水年均補給量達1.21 億m3,水資源條件好,但利用較少。目前,區段沖積平原分布大量鐵礦,多數礦山在灤州市、灤南縣交界位置,整體在灤河沖積平原積扇I、II級階地。礦山集中分布在山海關臺拱西南邊緣位置,周圍分布凹陷構造,含水層連續分布,但富水性不同。以往為防止大水礦區形成,被列為限制開采區域。近年來隨著水文地質勘查工作的持續開展,確定區域鐵礦石儲量高達數十億噸。因此應加強區段水文特性研究,確定能否符合開采條件,加速鐵礦石資源開發利用的同時,保證區域環境安全。

圖1 灤河灤州段水系及礦區分布圖

2 研究區水文特性

2.1 水文地質

礦區內覆蓋巨厚新生界松散地層,位于燕山沉降帶和華北凹陷區結合位置,屬于中朝地臺上II級構造單元,從北向南分布III級凹陷構造。地面土層以灤河沖積物為主,包含粉沙、細中沙。部分平原為5000 年前冰后期海侵界以西,部分為灤河河道帶。從地勢上來看,整體平坦、開闊,在第四系地層中包含多個砂礫卵石層組成的含水層,賦存松散巖孔隙水。斷續分布黏性土層,與卵石層保持垂向重疊、犬牙交錯。在基巖裸露區,分布寒武系等含水層,賦存的風化裂隙水位于斷層和破碎帶中,沿著兩翼、斷層等位置呈現出帶狀分布[2]。受大氣降水、山前徑流、地表徑流等水補給因素影響,研究區地下水徑流按照由北向南方向分布。但受地層巖性、地形等因素影響,各段地下水排泄方式不同。根據當地地質局等部門勘查結果可知,需要重點對灤州市和灤南縣交接位置礦區水系統分布情況展開分析,確定是否會導致大水礦區形成。

2.2 水系統分布

如圖2 所示,研究區水系統由第四系含水層和基巖含水層構成,擁有不同透水性和富水性。根據地質勘查資料可知,基巖中含水層厚在50 m～70 m之間,滲透系數在240 m/d～1000 m/d范圍,擁有強富水性和透水性。從第四系含水層組成來看,上部滲透系數在300 m/d～500 m/d之間,局部能夠達到1000 m/d,同樣體現出較強透水性。而中間隔水層由黏性土層構成,厚度、位置變化較大,甚至部分地段無隔水層。下部含水層位于砂礫土和黏土互層,滲透性較弱,系數在30 m/d～50 m/d之間。

圖2 灤河灤州段水系統結構

結合不同位置含水層巖性、富水性等特征,需要對不同礦山所在區域富水情況展開分析。根據開采情況,可以將礦區劃分為北部中淺井和南部中深井區域。北部全淡水區在80 m～250 m范圍內,含水組在1～3個之間,累計厚在35 m～120 m之間。但井出水在30t/h～45t/h間,因此為中等富水區。南部含水組在1～2 個之間,厚度在40 m～90 m范圍內,成井深80 m～180 m,出水量在35 t/h～50 t/h,為中等富水區。現階段,北區礦區包含司家營鐵礦北區、坎上鐵礦北段等,多數區域為第四系雜填土、卵礫石、粉土、粉質黏土等,構成的含水層為風化裂隙、構造裂隙等結構。北區潛水含水層富水性、透水性較強,如司家營礦區單寬涌水量達到132 m3/d,滲水系數達到550 m/d,距離灤河支流30 m,擁有豐富補給水源[3]。坎上鐵礦北段包含4個含水層,第一個滲透系數在145 m/d～771 m/d之間,富水性極強,單井涌水最大能夠達到84 L/（s·m）,其他含水層為中等富水,因此最初被限制開采。南區礦山包含司家營南區、馬城鐵礦等,地質條件復雜。其中,司家營南區包含3 個含水層,除III含水組滲透系數在178 m/d～224 m/d之間以外,其余含水層透水性相對稍弱。但由于局部第四系隔水層缺失,裂隙含水層和灤河聯系密切,形成了動態互為補給,因此總體富水性、透水性較強,多次發生淹井事故。馬城鐵礦包含3 個含水層,上部為砂卵礫石層,滲透系數最大達到550 m/d,下部由于層位、厚度集聚變化,出現多數地段隔水層缺失情況。同時由于缺少與周圍地表水力聯系,造成含水層滲透系數較小,部分段的單井涌水量最大為0.0089 L/（s·m）。

2.3 水力聯系

通過對各礦區水文地質特征展開分析,可以發現礦井涌水量和含水層透水性、富水性及灤河間的水力聯系。在沖積平原上,各礦區位于第四系含水層上,因此涌水量不僅受斷層影響,同時也受地下含水層和周圍灤河分布情況影響。從地下水系流向來看,保持由北向南運動。比較各礦區,可以發現北區水位相對較高,南區較低。同時受水文、氣候等因素影響,不同礦區含水層富水性、透水性存在一定差異,但整體淺層含水層可以與灤河相互補給。但在深層區域,受隔水層缺失和地質構造影響,北區礦井涌水量稍小,南區較大。現階段,礦區開采主要通過人工方式排泄地下水。而在淺層含水層多年來擁有豐富補給水源的情況下,始終保持了良好富水性、透水性。而深層含水層在排水、農業開采地表水等因素的影響下,出現水位有所下降的趨勢。與灤河保持密切水力聯系,使第四系I級階地滲透系數達到550 m/d,地層厚平均為14.3 m。而II級滲透系數為300 m/d,厚度平均13.98 m,部分地段可以達到1000 m/d。在隔水層斷續分布的情況下,強化了上部含水層和基巖含水層間的水力聯系,促使礦區水源充沛,容易因礦山開采給水文地質環境帶來過大影響,繼而引發大水礦區的產生。為加強礦山涌水量治理,需要深入分析斷層控水特性。

圍繞水力聯系,可以對研究區水流場展開分析。按照由北向南運動的徑流方向,確定各段基巖、河流受地下水流場影響,可知在I級階地第四系將沿著灤河和新灤河徑流方向排泄。在北向南保持0.5%坡度的情況下,礦區南區將出現富水區。在II級階地,地下水保持了由北向南的流場分布形態。但需要注意的是,在兩級階地的交接位置,地下水流向將發生改變。具體來講,就是開始向I級匯合,水力坡度提升至3.8%。對區域天然水補給情況展開分析,可知基巖水主要來自裸露山區雨水徑流,方向為由北向南。但在滲透性較差的情況下,難以進行側向徑流排泄,反而會出現越流補給情況,使第四系下部含水層獲得補給。在基巖水位較高的情況下,將發生垂向交替運動,與第四系保持相同的水頭趨勢。在該條件下進行礦區開采,基巖水流場會出現水漏斗匯聚情況,構成水疏干流場。在基巖深部設置巷道進行排水,將導致裂隙水壓被釋放,導致上部空間出現滲漏現象。在排水點不斷匯集的情況下,可以形成水壓釋放空間,使基巖在垂向獲得地下水補給。因此在礦區開采期間,第四系水將成為主要補給水源,基巖將形成充水通道,風化帶將成為加強二者聯系的紐帶,給礦井涌水量帶來較大影響。相較于南區,北區基巖透水性強,容易出現被疏干情況。南區因為隔水層缺失,整個含水系統接近“蘑菇狀”,將構成多個帶狀蘑菇頸,因此將成為導水樞紐,重點進行涌水防治。

3 結論

對灤州段大規模礦床進行開采,需要認識到礦區位于沖積平原上,含水層分布廣泛,其中第四系含水層擁有較強富水性,可能導致周圍礦山開采面臨大量涌水問題。在隔水層斷續分布的情況下,第四系地層與基巖的含水層相互連通,獲得了更多地表水補給,使礦山涌水量按照由北向南逐漸增加。因此在礦區開采過程中,應加強與灤河關系密切的礦區涌水治理,通過斷層控水有效防止大水礦區形成。