滦河滦州段的水文特性研究

张良梓，郑 雪

（河北省秦皇岛水文勘测研究中心,河北 秦皇岛 066000）

滦河流域在海河流域最北边,面积达44750 km2,多数为山区,平原区仅810 km2,主要位于滦州段。相较于其他区段,滦州段位于下游河口位置,水文地质特征复杂。近年来,随着滦州段矿山开采条件逐渐放开,亟需深入研究滦河水文特性,把握矿区含水层和周围河流间的水力联系,确认开采过程中是否会出现大量涌水等问题,以免引发大的安全事故。

1 研究区概况

研究区隶属河北省唐山市,作为典型冲积平原,具有东南低、西北高的地势特征。境内分布较多河流,但多为滦河水系,见图1,周围分布大量铁矿。区段为暖温带半湿润季风型大陆性气候,春季气温迅速回升,频繁发生冷暖空气交锋,具有风大、雨少特点[1]。夏季降雨集中,多发暴雨、大风等灾害天气。冬季干燥,降水稀少。从降水情况来看,年均降水652.7 mm,折合水量达8 亿m3,自产径流为1.27 亿m3,地下水年均补给量达1.21 亿m3,水资源条件好,但利用较少。目前,区段冲积平原分布大量铁矿,多数矿山在滦州市、滦南县交界位置,整体在滦河冲积平原积扇I、II级阶地。矿山集中分布在山海关台拱西南边缘位置,周围分布凹陷构造,含水层连续分布,但富水性不同。以往为防止大水矿区形成,被列为限制开采区域。近年来随着水文地质勘查工作的持续开展,确定区域铁矿石储量高达数十亿吨。因此应加强区段水文特性研究,确定能否符合开采条件,加速铁矿石资源开发利用的同时,保证区域环境安全。

图1 滦河滦州段水系及矿区分布图

2 研究区水文特性

2.1 水文地质

矿区内覆盖巨厚新生界松散地层,位于燕山沉降带和华北凹陷区结合位置,属于中朝地台上II级构造单元,从北向南分布III级凹陷构造。地面土层以滦河冲积物为主,包含粉沙、细中沙。部分平原为5000 年前冰后期海侵界以西,部分为滦河河道带。从地势上来看,整体平坦、开阔,在第四系地层中包含多个砂砾卵石层组成的含水层,赋存松散岩孔隙水。断续分布黏性土层,与卵石层保持垂向重叠、犬牙交错。在基岩裸露区,分布寒武系等含水层,赋存的风化裂隙水位于断层和破碎带中,沿着两翼、断层等位置呈现出带状分布[2]。受大气降水、山前径流、地表径流等水补给因素影响,研究区地下水径流按照由北向南方向分布。但受地层岩性、地形等因素影响,各段地下水排泄方式不同。根据当地地质局等部门勘查结果可知,需要重点对滦州市和滦南县交接位置矿区水系统分布情况展开分析,确定是否会导致大水矿区形成。

2.2 水系统分布

如图2 所示,研究区水系统由第四系含水层和基岩含水层构成,拥有不同透水性和富水性。根据地质勘查资料可知,基岩中含水层厚在50 m～70 m之间,渗透系数在240 m/d～1000 m/d范围,拥有强富水性和透水性。从第四系含水层组成来看,上部渗透系数在300 m/d～500 m/d之间,局部能够达到1000 m/d,同样体现出较强透水性。而中间隔水层由黏性土层构成,厚度、位置变化较大,甚至部分地段无隔水层。下部含水层位于砂砾土和黏土互层,渗透性较弱,系数在30 m/d～50 m/d之间。

图2 滦河滦州段水系统结构

结合不同位置含水层岩性、富水性等特征,需要对不同矿山所在区域富水情况展开分析。根据开采情况,可以将矿区划分为北部中浅井和南部中深井区域。北部全淡水区在80 m～250 m范围内,含水组在1～3个之间,累计厚在35 m～120 m之间。但井出水在30t/h～45t/h间,因此为中等富水区。南部含水组在1～2 个之间,厚度在40 m～90 m范围内,成井深80 m～180 m,出水量在35 t/h～50 t/h,为中等富水区。现阶段,北区矿区包含司家营铁矿北区、坎上铁矿北段等,多数区域为第四系杂填土、卵砾石、粉土、粉质黏土等,构成的含水层为风化裂隙、构造裂隙等结构。北区潜水含水层富水性、透水性较强,如司家营矿区单宽涌水量达到132 m3/d,渗水系数达到550 m/d,距离滦河支流30 m,拥有丰富补给水源[3]。坎上铁矿北段包含4个含水层,第一个渗透系数在145 m/d～771 m/d之间,富水性极强,单井涌水最大能够达到84 L/（s·m）,其他含水层为中等富水,因此最初被限制开采。南区矿山包含司家营南区、马城铁矿等,地质条件复杂。其中,司家营南区包含3 个含水层,除III含水组渗透系数在178 m/d～224 m/d之间以外,其余含水层透水性相对稍弱。但由于局部第四系隔水层缺失,裂隙含水层和滦河联系密切,形成了动态互为补给,因此总体富水性、透水性较强,多次发生淹井事故。马城铁矿包含3 个含水层,上部为砂卵砾石层,渗透系数最大达到550 m/d,下部由于层位、厚度集聚变化,出现多数地段隔水层缺失情况。同时由于缺少与周围地表水力联系,造成含水层渗透系数较小,部分段的单井涌水量最大为0.0089 L/（s·m）。

2.3 水力联系

通过对各矿区水文地质特征展开分析,可以发现矿井涌水量和含水层透水性、富水性及滦河间的水力联系。在冲积平原上,各矿区位于第四系含水层上,因此涌水量不仅受断层影响,同时也受地下含水层和周围滦河分布情况影响。从地下水系流向来看,保持由北向南运动。比较各矿区,可以发现北区水位相对较高,南区较低。同时受水文、气候等因素影响,不同矿区含水层富水性、透水性存在一定差异,但整体浅层含水层可以与滦河相互补给。但在深层区域,受隔水层缺失和地质构造影响,北区矿井涌水量稍小,南区较大。现阶段,矿区开采主要通过人工方式排泄地下水。而在浅层含水层多年来拥有丰富补给水源的情况下,始终保持了良好富水性、透水性。而深层含水层在排水、农业开采地表水等因素的影响下,出现水位有所下降的趋势。与滦河保持密切水力联系,使第四系I级阶地渗透系数达到550 m/d,地层厚平均为14.3 m。而II级渗透系数为300 m/d,厚度平均13.98 m,部分地段可以达到1000 m/d。在隔水层断续分布的情况下,强化了上部含水层和基岩含水层间的水力联系,促使矿区水源充沛,容易因矿山开采给水文地质环境带来过大影响,继而引发大水矿区的产生。为加强矿山涌水量治理,需要深入分析断层控水特性。

围绕水力联系,可以对研究区水流场展开分析。按照由北向南运动的径流方向,确定各段基岩、河流受地下水流场影响,可知在I级阶地第四系将沿着滦河和新滦河径流方向排泄。在北向南保持0.5%坡度的情况下,矿区南区将出现富水区。在II级阶地,地下水保持了由北向南的流场分布形态。但需要注意的是,在两级阶地的交接位置,地下水流向将发生改变。具体来讲,就是开始向I级汇合,水力坡度提升至3.8%。对区域天然水补给情况展开分析,可知基岩水主要来自裸露山区雨水径流,方向为由北向南。但在渗透性较差的情况下,难以进行侧向径流排泄,反而会出现越流补给情况,使第四系下部含水层获得补给。在基岩水位较高的情况下,将发生垂向交替运动,与第四系保持相同的水头趋势。在该条件下进行矿区开采,基岩水流场会出现水漏斗汇聚情况,构成水疏干流场。在基岩深部设置巷道进行排水,将导致裂隙水压被释放,导致上部空间出现渗漏现象。在排水点不断汇集的情况下,可以形成水压释放空间,使基岩在垂向获得地下水补给。因此在矿区开采期间,第四系水将成为主要补给水源,基岩将形成充水通道,风化带将成为加强二者联系的纽带,给矿井涌水量带来较大影响。相较于南区,北区基岩透水性强,容易出现被疏干情况。南区因为隔水层缺失,整个含水系统接近“蘑菇状”,将构成多个带状蘑菇颈,因此将成为导水枢纽,重点进行涌水防治。

3 结论

对滦州段大规模矿床进行开采,需要认识到矿区位于冲积平原上,含水层分布广泛,其中第四系含水层拥有较强富水性,可能导致周围矿山开采面临大量涌水问题。在隔水层断续分布的情况下,第四系地层与基岩的含水层相互连通,获得了更多地表水补给,使矿山涌水量按照由北向南逐渐增加。因此在矿区开采过程中,应加强与滦河关系密切的矿区涌水治理,通过断层控水有效防止大水矿区形成。