淮北平原西淝河下段采煤沉陷区浅层地下水补排关系研究

陈小凤，王再明，李 瑞

(1．安徽省水利水资源重点实验室，安徽 蚌埠 233000；2．安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000；3. 中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601)

安徽省淮北地区是全省及淮河流域水资源较为紧张的区域，又是我国重要的煤炭基地和能源基地，煤炭资源的长期大量开采形成了一定规模的采煤沉陷区[1-2]。将采煤沉陷区与附近的河流水系沟通，既起到一定的防洪除涝作用，又可作为平原水库蓄水为附近工农业生产等供水[3-6]。安徽省淮北平原区浅层地下水资源较为丰富，埋深较浅，沉陷区蓄水与周边浅层地下水之间必然存在一定的补排关系，本次研究利用浅层地下水位观测资料，通过概化处理定量计算采煤沉陷区与周边浅层地下水的补排关系研究，分析采煤沉陷区蓄水对浅层地下水资源的影响。

1 研究区概况

本次研究以西淝河下段采煤沉陷区为例，该区地势平坦，由西北东南向倾斜，海拔20～24 m，相对高差4～5 m，坡降1/1000 0，由于河流变迁、交互沉积、以及历次黄淮水患的侵蚀，加之人为活动的影响，形成“大平小不平”的地势特征。

区域地处亚热带与暖温带过渡区，属暖温带半湿润季风气候，光照充足，气候温和，雨量适中，四季分明。多年平均气温15.2℃，极端最高气温41.4℃，极端最低气温-21.7℃。多年平均降雨量为879 mm，在地域上分布上相差不大，但历年降水量相差悬殊，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。降水的季节分配也很不均匀，主要集中在6～8月，约占全年降雨量的51%。年平均蒸发量1 225 mm，枯水年蒸发量1 331 mm，特枯水年蒸发量1 562 mm。

西淝河下段采煤沉陷区地处淮河中游安徽省淮北地区，该区是淮河流域水资源供需矛盾突出的地区，区域水资源条件和生态环境状况较差，水资源分布与土地资源、生产力布局不相匹配，人均、亩均水资源量均不足500 m3，仅为安徽省的2/5，不到全国平均水平的1/4，远低于国际人均1 000 m3的水资源紧缺标准，是安徽省水资源最不适应经济社会发展要求的地区之一。水资源的时空分布不均、平原区蓄水条件差造成了水资源开发利用难度加较大，使水资源短缺形势更加突出。

2 采煤沉陷区概况

2.1 沉陷区基本情况

淮南潘谢矿区位于淮河中游淮河以北地区，区域水系复杂，通过西淝河、架河、永幸河和泥河的下段与淮河干流相连，通过西淝河、永幸河、架河的上段以及大沟与茨淮新河相通，通过济河与沙颍河相通，区内还与西淝河、泥河下游洼地连成一片，汇水面积近4 000 km2。长期开采煤矿，形成了大片沉陷区，按水系分西淝河下段洼地沉陷区、永幸河洼地沉陷区、泥河洼地沉陷区3大片(见图1)。

本次研究以西淝河下段所在的沉陷区为研究对象，西淝河下段流域面积1 621 km2，主要河流有西淝河干流及其支流济河、港河，所在区域现有谢桥矿、张集矿以及顾桥、顾北矿的部分，根据预测2020年塌陷面积70.45 km2，积水面积41.66 km2，蓄水容积2.28亿 m3；2030年塌陷面积92.84 km2，积水面积79.37 km2，蓄水容积5.46亿 m3(见表1)。

表1 西淝河下段采煤沉陷区预测表

图1 西淝河下段采煤沉陷区河流水系图

2.2 采煤沉陷区蓄水条件

2.2.1 水位确定

根据采煤沉陷区未来可能的地形、泥沙淤积情况及引水条件的影响等综合考虑，规划2020年死水位为18.5 m，相应容积为0.71亿 m3；规划2030年死水位为17.5 m，相应容积为1.45亿 m3。根据周边地形条件、排涝水位，确定比地面高程低，即22.0 m作为正常蓄水位，根据防洪要求，2020、2030年不同频次年份来水条件不同，汛限水位不同，详见表2。2020年：正常蓄水位22.0 m，相应容积2.28亿 m3，兴利库容1.56亿 m3。2030年：正常蓄水位22.0 m，相应库容5.46亿 m3，兴利库容4.01亿 m3(见表2)。

表2 西淝河下段采煤沉陷区不同频次年份汛限水位

2.2.2 沉陷区蓄水规则

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

3 补排量计算

3.1 资料选取

根据采煤沉陷区周边浅层地下水观测井分布情况，选择距离沉陷区中心最近的谢桥地下水位监测井，该井位于阜阳市颍上县谢桥镇桥荆庄，东经116°21′，北纬32°46′，为国家级重点监测井，主要用于监测浅层地下水位，地面高程为26.20 m，多年平均地下水位为24.68 m。

由谢桥站监测资料可知，区域浅层地下水多年水位在22.50～26.00 m之间变动，埋深在0.2～4.0 m。地下水位呈季节性变化，在汛期水位较高，多年平均水位为25.07 m；非汛期水位有所下降，多年平均水位为24.49 m。区域浅层地下水与降水量变化较为一致，汛期降水量较多，7月达到最高水位；8月之后地下水位开始下降；由于降水量逐渐减少和农业灌溉等开采地下水，至次年2月水位达到最低值。

3.2 计算方法

西淝河下段采煤沉陷区形状极不规则，且各沉陷区离监测孔的距离不一，本次研究将沉陷区进行概化，将分散的沉陷区作为一个统一的形状规则大沉陷区进行处理，即采用大井法概化计算。西淝河下段采煤沉陷区底部多为粘土和亚粘土，地质条件好，垂向渗漏较小，可忽略不计，只考虑采煤沉陷区与周围浅层地下水之间的侧向补排关系，在侧向补给过程中，当沉陷区中的水位高于周围浅层地下水位时，沉陷区会通过侧向补给周围浅层地下水，反之则周边浅层地下水补给采煤沉陷区。侧向补给量采用达西定律计算：Q=KAI，其中，K为渗透系数，m/d；A为侧向补给面积，m2；I为水力梯度，无量纲；各因子单位量纲计算中化为常用量纲。

浅层地下水含水系统由第四系上更新统、全新统地层组成，地表包气带岩性以亚粘土为主，局部为亚砂土。本次研究参考相关野外勘探实验成果综合予以确定K的取值，由于周围土层主要为粉砂、亚砂土，渗透系数K的取值为3.0 m/d。水力梯度I是渗透路径中单位长度长的水头损失值，I=ΔH/L，ΔH为同期采煤沉陷区水位与地下水位高差；L为观测井到所控区形心的距离。本次研究中水力梯度通过谢桥站站浅层地下水位观测点的资料、西淝河西段采煤沉陷区的水位及监测井到采煤沉陷区的距离来确定。

3.3 计算结果

针对2020年、2030年采煤沉陷区情况，分别选取频次为50%(平水年)、75%(枯水年)和95%(特枯水年)3种典型年份进行计算。2020年50%、75%、95%频率年份浅层地下水补给采煤沉陷区水量分别为254.4万 m3，300.1万 m3，435.8万 m3；2030年50%、75%、95%频率年份浅层地下水补给采煤沉陷区水量分别为353.6万 m3，405.4万 m3，554.5万 m3，计算结果详见表3。由此可知浅层地下水与采煤沉陷区的补排关系为：从月时间尺度来说，浅层地下水补给沉陷区占主导；沉陷区周边的浅层地下水会形成水位降落漏斗，由于平原区坡度较小，补给量不是很大，浅层地下水位降落不明显，沉陷区蓄水对区域浅层地下水的影响不大。

表3 采煤沉陷区与浅层地下水补给量计算成果

4 结语

本次研究以淮南市西淝河下段采煤沉陷区为例开展采煤沉陷区蓄水与周边浅层地下水补排关系研究，首先确定沉陷区2020、2030年正常蓄水位、汛限水位，选取谢桥站长系列浅层地下水，通过概化处理利用达西定律计算了沉陷区与周边浅层地下水的补排量，计算结果表明：月尺度上浅层地下水补给沉陷区占主导；沉陷区周边的浅层地下水会形成水位降落漏斗，由于平原区坡度较小，补给量不是很大，浅层地下水位降落不明显，沉陷区蓄水对区域浅层地下水的影响不大。

本次研究通过选取距离沉陷区较近的浅层地下水位观测资料进行分析计算，由于监测资料数量和位置的限制，计算方面存在一定的误差。在今后的研究中可以在沉陷区周边布设多个浅层地下水位观测井，通过系统观测资料进一步计算分析沉陷区蓄水对周边浅层地下水水位和水量的影响，为区域水资源开发利用提供更加可信的依据。

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