淮北平原西淝河下段采煤沉陷區(qū)淺層地下水補(bǔ)排關(guān)系研究

陳小鳳，王再明，李 瑞

(1．安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233000；2．安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000；3. 中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽 合肥 230601)

安徽省淮北地區(qū)是全省及淮河流域水資源較為緊張的區(qū)域，又是我國(guó)重要的煤炭基地和能源基地，煤炭資源的長(zhǎng)期大量開采形成了一定規(guī)模的采煤沉陷區(qū)[1-2]。將采煤沉陷區(qū)與附近的河流水系溝通，既起到一定的防洪除澇作用，又可作為平原水庫蓄水為附近工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等供水[3-6]。安徽省淮北平原區(qū)淺層地下水資源較為豐富，埋深較淺，沉陷區(qū)蓄水與周邊淺層地下水之間必然存在一定的補(bǔ)排關(guān)系，本次研究利用淺層地下水位觀測(cè)資料，通過概化處理定量計(jì)算采煤沉陷區(qū)與周邊淺層地下水的補(bǔ)排關(guān)系研究，分析采煤沉陷區(qū)蓄水對(duì)淺層地下水資源的影響。

1 研究區(qū)概況

本次研究以西淝河下段采煤沉陷區(qū)為例，該區(qū)地勢(shì)平坦，由西北東南向傾斜，海拔20～24 m，相對(duì)高差4～5 m，坡降1/1000 0，由于河流變遷、交互沉積、以及歷次黃淮水患的侵蝕，加之人為活動(dòng)的影響，形成“大平小不平”的地勢(shì)特征。

區(qū)域地處亞熱帶與暖溫帶過渡區(qū)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，光照充足，氣候溫和，雨量適中，四季分明。多年平均氣溫15.2℃，極端最高氣溫41.4℃，極端最低氣溫-21.7℃。多年平均降雨量為879 mm，在地域上分布上相差不大，但歷年降水量相差懸殊，年最大1 573.1 mm(1991年)，年最小441.9 mm(1966年)，最大年降水量是最小年的3.56倍。降水的季節(jié)分配也很不均勻，主要集中在6～8月，約占全年降雨量的51%。年平均蒸發(fā)量1 225 mm，枯水年蒸發(fā)量1 331 mm，特枯水年蒸發(fā)量1 562 mm。

西淝河下段采煤沉陷區(qū)地處淮河中游安徽省淮北地區(qū)，該區(qū)是淮河流域水資源供需矛盾突出的地區(qū)，區(qū)域水資源條件和生態(tài)環(huán)境狀況較差，水資源分布與土地資源、生產(chǎn)力布局不相匹配，人均、畝均水資源量均不足500 m3，僅為安徽省的2/5，不到全國(guó)平均水平的1/4，遠(yuǎn)低于國(guó)際人均1 000 m3的水資源緊缺標(biāo)準(zhǔn)，是安徽省水資源最不適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求的地區(qū)之一。水資源的時(shí)空分布不均、平原區(qū)蓄水條件差造成了水資源開發(fā)利用難度加較大，使水資源短缺形勢(shì)更加突出。

2 采煤沉陷區(qū)概況

2.1 沉陷區(qū)基本情況

淮南潘謝礦區(qū)位于淮河中游淮河以北地區(qū)，區(qū)域水系復(fù)雜，通過西淝河、架河、永幸河和泥河的下段與淮河干流相連，通過西淝河、永幸河、架河的上段以及大溝與茨淮新河相通，通過濟(jì)河與沙潁河相通，區(qū)內(nèi)還與西淝河、泥河下游洼地連成一片，匯水面積近4 000 km2。長(zhǎng)期開采煤礦，形成了大片沉陷區(qū)，按水系分西淝河下段洼地沉陷區(qū)、永幸河洼地沉陷區(qū)、泥河洼地沉陷區(qū)3大片(見圖1)。

本次研究以西淝河下段所在的沉陷區(qū)為研究對(duì)象，西淝河下段流域面積1 621 km2，主要河流有西淝河干流及其支流濟(jì)河、港河，所在區(qū)域現(xiàn)有謝橋礦、張集礦以及顧橋、顧北礦的部分，根據(jù)預(yù)測(cè)2020年塌陷面積70.45 km2，積水面積41.66 km2，蓄水容積2.28億 m3；2030年塌陷面積92.84 km2，積水面積79.37 km2，蓄水容積5.46億 m3(見表1)。

表1 西淝河下段采煤沉陷區(qū)預(yù)測(cè)表

圖1 西淝河下段采煤沉陷區(qū)河流水系圖

2.2 采煤沉陷區(qū)蓄水條件

2.2.1 水位確定

根據(jù)采煤沉陷區(qū)未來可能的地形、泥沙淤積情況及引水條件的影響等綜合考慮，規(guī)劃2020年死水位為18.5 m，相應(yīng)容積為0.71億 m3；規(guī)劃2030年死水位為17.5 m，相應(yīng)容積為1.45億 m3。根據(jù)周邊地形條件、排澇水位，確定比地面高程低，即22.0 m作為正常蓄水位，根據(jù)防洪要求，2020、2030年不同頻次年份來水條件不同，汛限水位不同，詳見表2。2020年：正常蓄水位22.0 m，相應(yīng)容積2.28億 m3，興利庫容1.56億 m3。2030年：正常蓄水位22.0 m，相應(yīng)庫容5.46億 m3，興利庫容4.01億 m3(見表2)。

表2 西淝河下段采煤沉陷區(qū)不同頻次年份汛限水位

2.2.2 沉陷區(qū)蓄水規(guī)則

每年汛期(6～9月)開始蓄水，蓄水最高控制水位為汛限水位，多余流量下泄；在非汛期(10～次年2月)，蓄水最高控制水位為正常蓄水位(22.0 m)，多余流量下泄。

3 補(bǔ)排量計(jì)算

3.1 資料選取

根據(jù)采煤沉陷區(qū)周邊淺層地下水觀測(cè)井分布情況，選擇距離沉陷區(qū)中心最近的謝橋地下水位監(jiān)測(cè)井，該井位于阜陽市潁上縣謝橋鎮(zhèn)橋荊莊，東經(jīng)116°21′，北緯32°46′，為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)井，主要用于監(jiān)測(cè)淺層地下水位，地面高程為26.20 m，多年平均地下水位為24.68 m。

由謝橋站監(jiān)測(cè)資料可知，區(qū)域淺層地下水多年水位在22.50～26.00 m之間變動(dòng)，埋深在0.2～4.0 m。地下水位呈季節(jié)性變化，在汛期水位較高，多年平均水位為25.07 m；非汛期水位有所下降，多年平均水位為24.49 m。區(qū)域淺層地下水與降水量變化較為一致，汛期降水量較多，7月達(dá)到最高水位；8月之后地下水位開始下降；由于降水量逐漸減少和農(nóng)業(yè)灌溉等開采地下水，至次年2月水位達(dá)到最低值。

3.2 計(jì)算方法

西淝河下段采煤沉陷區(qū)形狀極不規(guī)則，且各沉陷區(qū)離監(jiān)測(cè)孔的距離不一，本次研究將沉陷區(qū)進(jìn)行概化，將分散的沉陷區(qū)作為一個(gè)統(tǒng)一的形狀規(guī)則大沉陷區(qū)進(jìn)行處理，即采用大井法概化計(jì)算。西淝河下段采煤沉陷區(qū)底部多為粘土和亞粘土，地質(zhì)條件好，垂向滲漏較小，可忽略不計(jì)，只考慮采煤沉陷區(qū)與周圍淺層地下水之間的側(cè)向補(bǔ)排關(guān)系，在側(cè)向補(bǔ)給過程中，當(dāng)沉陷區(qū)中的水位高于周圍淺層地下水位時(shí)，沉陷區(qū)會(huì)通過側(cè)向補(bǔ)給周圍淺層地下水，反之則周邊淺層地下水補(bǔ)給采煤沉陷區(qū)。側(cè)向補(bǔ)給量采用達(dá)西定律計(jì)算：Q=KAI，其中，K為滲透系數(shù)，m/d；A為側(cè)向補(bǔ)給面積，m2；I為水力梯度，無量綱；各因子單位量綱計(jì)算中化為常用量綱。

淺層地下水含水系統(tǒng)由第四系上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)地層組成，地表包氣帶巖性以亞粘土為主，局部為亞砂土。本次研究參考相關(guān)野外勘探實(shí)驗(yàn)成果綜合予以確定K的取值，由于周圍土層主要為粉砂、亞砂土，滲透系數(shù)K的取值為3.0 m/d。水力梯度I是滲透路徑中單位長(zhǎng)度長(zhǎng)的水頭損失值，I=ΔH/L，ΔH為同期采煤沉陷區(qū)水位與地下水位高差；L為觀測(cè)井到所控區(qū)形心的距離。本次研究中水力梯度通過謝橋站站淺層地下水位觀測(cè)點(diǎn)的資料、西淝河西段采煤沉陷區(qū)的水位及監(jiān)測(cè)井到采煤沉陷區(qū)的距離來確定。

3.3 計(jì)算結(jié)果

針對(duì)2020年、2030年采煤沉陷區(qū)情況，分別選取頻次為50%(平水年)、75%(枯水年)和95%(特枯水年)3種典型年份進(jìn)行計(jì)算。2020年50%、75%、95%頻率年份淺層地下水補(bǔ)給采煤沉陷區(qū)水量分別為254.4萬 m3，300.1萬 m3，435.8萬 m3；2030年50%、75%、95%頻率年份淺層地下水補(bǔ)給采煤沉陷區(qū)水量分別為353.6萬 m3，405.4萬 m3，554.5萬 m3，計(jì)算結(jié)果詳見表3。由此可知淺層地下水與采煤沉陷區(qū)的補(bǔ)排關(guān)系為：從月時(shí)間尺度來說，淺層地下水補(bǔ)給沉陷區(qū)占主導(dǎo)；沉陷區(qū)周邊的淺層地下水會(huì)形成水位降落漏斗，由于平原區(qū)坡度較小，補(bǔ)給量不是很大，淺層地下水位降落不明顯，沉陷區(qū)蓄水對(duì)區(qū)域淺層地下水的影響不大。

表3 采煤沉陷區(qū)與淺層地下水補(bǔ)給量計(jì)算成果

4 結(jié)語

本次研究以淮南市西淝河下段采煤沉陷區(qū)為例開展采煤沉陷區(qū)蓄水與周邊淺層地下水補(bǔ)排關(guān)系研究，首先確定沉陷區(qū)2020、2030年正常蓄水位、汛限水位，選取謝橋站長(zhǎng)系列淺層地下水，通過概化處理利用達(dá)西定律計(jì)算了沉陷區(qū)與周邊淺層地下水的補(bǔ)排量，計(jì)算結(jié)果表明：月尺度上淺層地下水補(bǔ)給沉陷區(qū)占主導(dǎo)；沉陷區(qū)周邊的淺層地下水會(huì)形成水位降落漏斗，由于平原區(qū)坡度較小，補(bǔ)給量不是很大，淺層地下水位降落不明顯，沉陷區(qū)蓄水對(duì)區(qū)域淺層地下水的影響不大。

本次研究通過選取距離沉陷區(qū)較近的淺層地下水位觀測(cè)資料進(jìn)行分析計(jì)算，由于監(jiān)測(cè)資料數(shù)量和位置的限制，計(jì)算方面存在一定的誤差。在今后的研究中可以在沉陷區(qū)周邊布設(shè)多個(gè)淺層地下水位觀測(cè)井，通過系統(tǒng)觀測(cè)資料進(jìn)一步計(jì)算分析沉陷區(qū)蓄水對(duì)周邊淺層地下水水位和水量的影響，為區(qū)域水資源開發(fā)利用提供更加可信的依據(jù)。

[1]王振龍，章啟兵，李瑞.采煤沉陷區(qū)雨洪利用與生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究[J].自然資源學(xué)報(bào).2009.24(7)：1155-1162.

[2]陳小鳳，章啟兵，王振龍.采煤沉陷區(qū)水資源綜合利用研究與水生態(tài)修復(fù)方案[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電.2014.2:6-8.

[3]王輝.采煤沉陷區(qū)濕地建設(shè)與水資源調(diào)蓄作用研究[J].人民黃河.2013.35(7):51-53.

[4]王振龍，章啟兵，李瑞，等.采煤沉陷區(qū)雨洪資源利用技術(shù)研究[J].水利水電快報(bào).2008.29(增刊)：1-3.

[5]張樹軍，許士國(guó)，高堯，等.淮北市采煤沉陷區(qū)非常規(guī)水資源開發(fā)利用研究[J].水電能源科學(xué).2010.28(7)：27-30.

[6]李金明，周祖昊，嚴(yán)子奇，等.淮南煤礦采煤沉陷區(qū)蓄洪除澇初探[J].水利水電技術(shù).2013.44(2)：20-23.