对改造南范采煤塌陷区与构建小型水库工程的探讨

2015-03-12

中国水利 2015年18期

（河北省唐山市古冶区水务局，063100，唐山）

煤炭开采过程中会产生诸多生态环境问题，土地塌陷便是其中最为严重的生态环境问题之一。矿区土地塌陷一方面造成土地资源破坏，另一方面由于土地面积急剧减少使得人地矛盾突出，农村水利基础设施破坏严重，给矿区群众的生产生活带来极大困难，也易造成社会不安定。古冶区是河北省唐山市煤炭的主要产区，境内有开滦所属的范各庄矿、吕家坨矿、林西矿、赵各庄矿和唐家庄矿五座大型煤矿。由于近百年来对煤炭的持续开采，古冶区各矿区土地塌陷十分严重，形成许多采煤塌陷区，南范采煤塌陷区便是其中之一。

古冶区是一个严重缺水的地区，由于地表水资源量有限，现状区内工农业生产及人民生活主要靠开采地下水。对地下水的长期开采，使古冶区地下水水位不断下降。同时，煤炭开采过程中会伴随有大量矿井疏干水的排放，这就进一步加剧了古冶区地下水水位的下降，最终该区域形成第四系浅层水水位下降漏斗，使古冶区成为唐山市三大地下水严重超采区之一。

水资源短缺和生态环境恶化严重制约着古冶区经济社会的可持续发展。通过对全区水资源的统一规划，古冶区拟利用南范采煤塌陷区的先天地形和位置优势，对塌陷区进行改造，并构建一座小型水库工程。这样有利于积蓄塌陷区周边可利用的水源——沙河雨洪资源以及范各庄矿矿井疏干水，用于工农业生产，缓解古冶区水资源严重短缺的局面，同时改善塌陷区生态环境。

一、蓄水工程水源分析

1.沙河径流分析

（1）沙河简介

沙河是唐山市五大行洪河流之一，是一条直流入海的天然河道，发源于燕山余脉东侧——迁安市蔡园镇郝树店村北大石岭沟，向下流经滦县、古冶区和丰南区，在丰南区黑沿子村东与黑沿子排干交汇后汇入渤海，全长155.27 km，流域面积为1 192 km2，其中古冶区境内长27.5 km，流域面积94.5 km2。沙河属季节性河流，径流量年际变化较大，且年内分配不均，主要集中在6—9月，其径流量占全年的85%以上。古冶区上游沙河京山铁路北侧的石佛口村南建有石佛口水文站。

（2）沙河石佛口水文站天然径流量

沙河在古冶区境内流程很短，自产地表径流量很小，主要接纳石佛口水文站以上沙河流域的径流客水。对石佛口水文站1956—2009年54年实测径流量系列进行还原计算，计算结果表明，沙河石佛口水文站天然径流量年最大值为14 006万m3（1977年），最小值为370万m3（2002年），多年平均值为4 302万m3；近10年（2000—2009年）平均值为2 515万m3，且一般年份基本在2 000万～3 000万m3之间。

从沙河石佛口水文站天然径流量年代变化来看，20世纪70年代平均径流量最大，达到6 663万m3；近10年平均径流量最小，仅为2 515万m3，径流量年代变化总体上呈现减少趋势。详见图1。

图1 沙河石佛口水文站天然径流量年代变化图

通过对沙河石佛口水文站1956—2009年径流量还原系列采用皮尔逊-Ⅲ型理论频率曲线进行频率分析，石佛口水文站在平水年（P=50%）、一般干旱年（P=75%）和特殊干旱年（P=95%）天然年径流量分别为3 551万m3、1 978万m3和679万m3。沙河石佛口水文站天然径流量频率计算结果见表1。

表1 沙河石佛口水文站天然径流量频率计算结果

（3）沙河石佛口水文站至范各庄桥区间径流量

沙河古冶区范各庄桥以上至石佛口水文站区间流域面积为143 km2，依据《唐山市水资源评价》（2008年12月）查算，区间流域多年平均径流深为90 mm，多年平均径流量为1 287万m3，50%、75%和95%保证率年径流量分别为1 029万m3、535万m3和154万m3。结果见表2。

表2 沙河石佛口水文站至范各庄桥区间径流量结果

（4）沙河范各庄桥位置径流量

沙河范各庄桥位置径流量为沙河石佛口水文站天然径流量与沙河石佛口水文站至范各庄桥区间径流量之和。经计算，沙河范各庄桥位置50%、75%和95%保证率下可利用的年径流量为4 580万m3、2 513万m3和833万m3。结果见表3。

表3 沙河古冶段径流量结果

2.范各庄矿矿井疏干水

矿井疏干水主要是由于在矿床开采过程中破坏了地下水原始赋存状态并产生了裂隙，使各含水层之间的水力联系变得密切，由大气降水、地表水、地下水、岩溶水和生活用水等各种水沿着原有的和新的裂隙渗入井下采掘空间形成的。范各庄矿生产过程中需要持续不断地外排矿井疏干水。据调查，范各庄矿每年外排疏干水总量可达400万m3，该部分水量目前先通过管道排入南范塌陷区，然后由塌陷区通过管道排向沙河，继而流向下游河道。修建南范水库蓄水工程后，该部分水量可作为水库的重要补充水源，使水库的水源保障率进一步提高。

3.水源保障分析

通过对沙河径流进行分析，95%保证率下可利用的沙河径流量为833万m3，加之每年范各庄矿还有约400万m3的矿井疏干水排入塌陷区，二者水量总和可达1 200万m3，足以满足水库蓄水需要，水库水源能够得到充分保障。

二、因地制宜改造塌陷区，构建小型水库

1.南范采煤塌陷区基本情况

开滦范各庄矿南范采煤塌陷区，总面积达2 400亩（1亩=1/15 hm2，下同）。通过实地勘察，该采煤塌陷区紧邻沙河左岸和范各庄矿，可集蓄沙河雨洪资源以及范各庄矿矿井疏干水。此外，实地勘察还发现，该采煤塌陷区除南部一小块区域地表下没有黏性土层外，其余地表下都有连续的黏性土层，层厚1.4～4 m，通过对非黏性土层区域采取铺设防渗土工膜等工程措施，可以做到整体区域的防渗漏。既有可靠的水源，又有理想的防渗漏地层，因此该采煤塌陷区具备建设小型水库的基本条件。

2.蓄水工程可行性分析

（1）土地问题已解决

煤矿生产造成了大面积地表塌陷，粮田荒芜，耕地减少，还污染矿区环境。采煤造成矿区地表塌陷形成的破坏是难以承受的，对塌陷区采取整治措施恢复其利用价值十分必要。南范采煤塌陷区形成后，土地被征用并收归国有，对其进行改造，开发建设蓄水工程，不仅可解决煤矿开采造成的地表塌陷问题，还可充分利用土地，解决项目建设的用地问题。

（2）投资小，见效快

通过地面沉降观测发现，煤炭开采造成南范塌陷区地表塌陷多达6 m，形成了一个自然的坑塘，由观测数据显示，塌陷已趋于稳定。利用南范塌陷区建设水库工程，只需加以修整并修建一些配套设施，便可蓄水，减少了项目土方开挖量，解决了土方的堆置问题，不仅可减少投资，还可在较短的时间内建设完成，发挥供水效益。

（3）国家政策扶持

党中央、国务院高度重视小型水库工程建设，2011年中央1号文件明确提出“抓紧解决工程性缺水问题，尽快建设一批中小型水库、引提水和连通工程，支持农民兴建小微型水利设施，显著提高雨洪资源利用和供水保障能力，基本解决缺水城镇、人口较集中乡村的供水问题”。2013年中央1号文件要求“加大财政对小型水库建设和除险加固支持力度”。

2014年12月，水利部已启动全国小型水库工程建设工作，并由水利部水利水电规划设计总院技术牵头负责编制《全国小型水库工程建设总体实施方案》报告。修建南范水库蓄水工程符合国家总体规划，能够得到国家财政资金支持。

（4）地方政府支持

水资源供给成为招商引资、经济发展的制约因素。古冶区围绕煤炭经济发展相关产业，建成了以煤化工和钢铁为主导的南部工业园区，需水量大增，水资源供需矛盾日益突出。2014年古冶区针对区内水资源先天不足及地下水长期超采的严峻形势，制定了自备井关停整治方案，决定首先对辖区内工业自备井实施限期强制关闭，压采地下水。关闭工业自备井后，为企业确定可靠的生产替代水源，是确保实现古冶区工业经济平稳、可持续发展的关键。改造南范采煤塌陷区建设蓄水工程，开发利用河道雨洪资源及煤矿矿井疏干水，不仅替政府解决了采煤塌陷后的土地荒芜问题，还有效地解决了古冶区内工业关停自备井后的替代水源问题，符合国家压采地下水的政策，因此能够获得政府支持。

（5）群众和附近厂企支持

随着煤炭资源的大规模开采，煤炭开采造成的地表塌陷面积日益扩大，而且大部分是耕地，给当地农业造成了极大的影响。耕地急剧减少，村庄搬迁，农村劳动力被迫迁移，原有的生态环境遭到了破坏，严重影响到当地群众的生存环境。利用塌陷区建设水库蓄水工程，可使塌陷区范围内水文地质环境和空气环境得到较大改善，改善周边居住区的生活环境，实现企业生产水源由原单一开采地下水转向利用河道雨洪资源和煤矿矿井疏干水的安全过渡，为企业提供用水保障，提高企业建设的积极性，带动当地经济可持续发展。