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(dá)44750 km2,多數(shù)為山區(qū),平原區(qū)僅810 km2,主要位于灤州段。相較于其他區(qū)段,灤州段位于下游河口位置,水文地質(zhì)特征復(fù)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(qū)含水層和周圍河流間的水力聯(lián)系,確認(rèn)開采過程中是否會出現(xiàn)大量涌水等問題,以免引發(fā)大的安全事故。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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(nèi)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(qū)段為暖溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸性氣候,春季氣溫迅速回升,頻繁發(fā)生冷暖空氣交鋒,具有風(fēng)大、雨少特點[1]。夏季降雨集中,多發(fā)暴雨、大風(fēng)等災(zāi)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(dá)8 億m3,自產(chǎn)徑流為1.27 億m3,地下水年均補(bǔ)給量達(dá)1.21 億m3,水資源條件好,但利用較少。目前,區(qū)段沖積平原分布大量鐵礦,多數(shù)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(guān)臺拱西南邊緣位置,周圍分布凹陷構(gòu)造,含水層連續(xù)分布,但富水性不同。以往為防止大水礦區(qū)形成,被列為限制開采區(qū)域。近年來隨著水文地質(zhì)勘查工作的持續(xù)開展,確定區(qū)域鐵礦石儲量高達(dá)數(shù)十億噸。因此應(yīng)加強(qiáng)區(qū)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(fā)利用的同時,保證區(qū)域環(huán)境安全。

圖1 灤河灤州段水系及礦區(qū)分布圖

2 研究區(qū)水文特性

2.1 水文地質(zhì)

礦區(qū)內(nèi)覆蓋巨厚新生界松散地層,位于燕山沉降帶和華北凹陷區(qū)結(jié)合位置,屬于中朝地臺上II級構(gòu)造單元,從北向南分布III級凹陷構(gòu)造。地面土層以灤河沖積物為主,包含粉沙、細(xì)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(xù)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(qū),分布寒武系等含水層,賦存的風(fēng)化裂隙水位于斷層和破碎帶中,沿著兩翼、斷層等位置呈現(xiàn)出帶狀分布[2]。受大氣降水、山前徑流、地表徑流等水補(bǔ)給因素影響,研究區(qū)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(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)局等部門勘查結(jié)果可知,需要重點對灤州市和灤南縣交接位置礦區(qū)水系統(tǒng)分布情況展開分析,確定是否會導(dǎo)致大水礦區(qū)形成。

2.2 水系統(tǒng)分布

如圖2 所示,研究區(qū)水系統(tǒng)由第四系含水層和基巖含水層構(gòu)成,擁有不同透水性和富水性。根據(jù)地質(zhì)勘查資料可知,基巖中含水層厚在50 m～70 m之間,滲透系數(shù)在240 m/d～1000 m/d范圍,擁有強(qiáng)富水性和透水性。從第四系含水層組成來看,上部滲透系數(shù)在300 m/d～500 m/d之間,局部能夠達(dá)到1000 m/d,同樣體現(xiàn)出較強(qiáng)透水性。而中間隔水層由黏性土層構(gòu)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(shù)在30 m/d～50 m/d之間。

圖2 灤河灤州段水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)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(qū)域富水情況展開分析。根據(jù)開采情況,可以將礦區(qū)劃分為北部中淺井和南部中深井區(qū)域。北部全淡水區(qū)在80 m～250 m范圍內(nèi),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(qū)。南部含水組在1～2 個之間,厚度在40 m～90 m范圍內(nèi),成井深80 m～180 m,出水量在35 t/h～50 t/h,為中等富水區(qū)。現(xiàn)階段,北區(qū)礦區(qū)包含司家營鐵礦北區(qū)、坎上鐵礦北段等,多數(shù)區(qū)域為第四系雜填土、卵礫石、粉土、粉質(zhì)黏土等,構(gòu)成的含水層為風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙等結(jié)構(gòu)。北區(qū)潛水含水層富水性、透水性較強(qiáng),如司家營礦區(qū)單寬涌水量達(dá)到132 m3/d,滲水系數(shù)達(dá)到550 m/d,距離灤河支流30 m,擁有豐富補(bǔ)給水源[3]?？采翔F礦北段包含4個含水層,第一個滲透系數(shù)在145 m/d～771 m/d之間,富水性極強(qiáng),單井涌水最大能夠達(dá)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(qū)礦山包含司家營南區(qū)、馬城鐵礦等,地質(zhì)條件復(fù)雜。其中,司家營南區(qū)包含3 個含水層,除III含水組滲透系數(shù)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(lián)系密切,形成了動態(tài)互為補(bǔ)給,因此總體富水性、透水性較強(qiáng),多次發(fā)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(shù)最大達(dá)到550 m/d,下部由于層位、厚度集聚變化,出現(xiàn)多數(shù)地段隔水層缺失情況。同時由于缺少與周圍地表水力聯(lián)系,造成含水層滲透系數(shù)較小,部分段的單井涌水量最大為0.0089 L/（s·m）。

2.3 水力聯(lián)系

通過對各礦區(qū)水文地質(zhì)特征展開分析,可以發(fā)現(xiàn)礦井涌水量和含水層透水性、富水性及灤河間的水力聯(lián)系。在沖積平原上,各礦區(qū)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(qū),可以發(fā)現(xiàn)北區(qū)水位相對較高,南區(qū)較低。同時受水文、氣候等因素影響,不同礦區(qū)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(bǔ)給。但在深層區(qū)域,受隔水層缺失和地質(zhì)構(gòu)造影響,北區(qū)礦井涌水量稍小,南區(qū)較大。現(xiàn)階段,礦區(qū)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(bǔ)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(nóng)業(yè)開采地表水等因素的影響下,出現(xiàn)水位有所下降的趨勢。與灤河保持密切水力聯(lián)系,使第四系I級階地滲透系數(shù)達(dá)到550 m/d,地層厚平均為14.3 m。而II級滲透系數(shù)為300 m/d,厚度平均13.98 m,部分地段可以達(dá)到1000 m/d。在隔水層斷續(xù)分布的情況下,強(qiáng)化了上部含水層和基巖含水層間的水力聯(lián)系,促使礦區(qū)水源充沛,容易因礦山開采給水文地質(zhì)環(huán)境帶來過大影響,繼而引發(fā)大水礦區(qū)的產(chǎn)生。為加強(qiáng)礦山涌水量治理,需要深入分析斷層控水特性。

圍繞水力聯(lián)系,可以對研究區(qū)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(qū)南區(qū)將出現(xiàn)富水區(qū)。在II級階地,地下水保持了由北向南的流場分布形態(tài)。但需要注意的是,在兩級階地的交接位置,地下水流向?qū)l(fā)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(qū)域天然水補(bǔ)給情況展開分析,可知基巖水主要來自裸露山區(qū)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(jìn)行側(cè)向徑流排泄,反而會出現(xiàn)越流補(bǔ)給情況,使第四系下部含水層獲得補(bǔ)給。在基巖水位較高的情況下,將發(fā)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(jìn)行礦區(qū)開采,基巖水流場會出現(xiàn)水漏斗匯聚情況,構(gòu)成水疏干流場。在基巖深部設(shè)置巷道進(jìn)行排水,將導(dǎo)致裂隙水壓被釋放,導(dǎo)致上部空間出現(xiàn)滲漏現(xiàn)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(bǔ)給。因此在礦區(qū)開采期間,第四系水將成為主要補(bǔ)給水源,基巖將形成充水通道,風(fēng)化帶將成為加強(qiáng)二者聯(lián)系的紐帶,給礦井涌水量帶來較大影響。相較于南區(qū),北區(qū)基巖透水性強(qiáng),容易出現(xiàn)被疏干情況。南區(qū)因為隔水層缺失,整個含水系統(tǒng)接近“蘑菇狀”,將構(gòu)成多個帶狀蘑菇頸,因此將成為導(dǎo)水樞紐,重點進(jìn)行涌水防治。

3 結(jié)論

對灤州段大規(guī)模礦床進(jìn)行開采,需要認(rèn)識到礦區(qū)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(qiáng)富水性,可能導(dǎo)致周圍礦山開采面臨大量涌水問題。在隔水層斷續(xù)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(bǔ)給,使礦山涌水量按照由北向南逐漸增加。因此在礦區(qū)開采過程中,應(yīng)加強(qiáng)與灤河關(guān)系密切的礦區(qū)涌水治理,通過斷層控水有效防止大水礦區(qū)形成。