對改造南范采煤塌陷區(qū)與構(gòu)建小型水庫工程的探討

（河北省唐山市古冶區(qū)水務(wù)局，063100，唐山）

煤炭開采過程中會產(chǎn)生諸多生態(tài)環(huán)境問題，土地塌陷便是其中最為嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一。礦區(qū)土地塌陷一方面造成土地資源破壞，另一方面由于土地面積急劇減少使得人地矛盾突出，農(nóng)村水利基礎(chǔ)設(shè)施破壞嚴重，給礦區(qū)群眾的生產(chǎn)生活帶來極大困難，也易造成社會不安定。古冶區(qū)是河北省唐山市煤炭的主要產(chǎn)區(qū)，境內(nèi)有開灤所屬的范各莊礦、呂家坨礦、林西礦、趙各莊礦和唐家莊礦五座大型煤礦。由于近百年來對煤炭的持續(xù)開采，古冶區(qū)各礦區(qū)土地塌陷十分嚴重，形成許多采煤塌陷區(qū)，南范采煤塌陷區(qū)便是其中之一。

古冶區(qū)是一個嚴重缺水的地區(qū)，由于地表水資源量有限，現(xiàn)狀區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活主要靠開采地下水。對地下水的長期開采，使古冶區(qū)地下水水位不斷下降。同時，煤炭開采過程中會伴隨有大量礦井疏干水的排放，這就進一步加劇了古冶區(qū)地下水水位的下降，最終該區(qū)域形成第四系淺層水水位下降漏斗，使古冶區(qū)成為唐山市三大地下水嚴重超采區(qū)之一。

水資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化嚴重制約著古冶區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。通過對全區(qū)水資源的統(tǒng)一規(guī)劃，古冶區(qū)擬利用南范采煤塌陷區(qū)的先天地形和位置優(yōu)勢，對塌陷區(qū)進行改造，并構(gòu)建一座小型水庫工程。這樣有利于積蓄塌陷區(qū)周邊可利用的水源——沙河雨洪資源以及范各莊礦礦井疏干水，用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，緩解古冶區(qū)水資源嚴重短缺的局面，同時改善塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境。

一、蓄水工程水源分析

1.沙河徑流分析

（1）沙河簡介

沙河是唐山市五大行洪河流之一，是一條直流入海的天然河道，發(fā)源于燕山余脈東側(cè)——遷安市蔡園鎮(zhèn)郝樹店村北大石嶺溝，向下流經(jīng)灤縣、古冶區(qū)和豐南區(qū)，在豐南區(qū)黑沿子村東與黑沿子排干交匯后匯入渤海，全長155.27 km，流域面積為1 192 km2，其中古冶區(qū)境內(nèi)長27.5 km，流域面積94.5 km2。沙河屬季節(jié)性河流，徑流量年際變化較大，且年內(nèi)分配不均，主要集中在6—9月，其徑流量占全年的85%以上。古冶區(qū)上游沙河京山鐵路北側(cè)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徑流量

沙河在古冶區(qū)境內(nèi)流程很短，自產(chǎn)地表徑流量很小，主要接納石佛口水文站以上沙河流域的徑流客水。對石佛口水文站1956—2009年54年實測徑流量系列進行還原計算，計算結(jié)果表明，沙河石佛口水文站天然徑流量年最大值為14 006萬m3（1977年），最小值為370萬m3（2002年），多年平均值為4 302萬m3；近10年（2000—2009年）平均值為2 515萬m3，且一般年份基本在2 000萬～3 000萬m3之間。

從沙河石佛口水文站天然徑流量年代變化來看，20世紀70年代平均徑流量最大，達到6 663萬m3；近10年平均徑流量最小，僅為2 515萬m3，徑流量年代變化總體上呈現(xiàn)減少趨勢。詳見圖1。

圖1 沙河石佛口水文站天然徑流量年代變化圖

通過對沙河石佛口水文站1956—2009年徑流量還原系列采用皮爾遜-Ⅲ型理論頻率曲線進行頻率分析，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%）天然年徑流量分別為3 551萬m3、1 978萬m3和679萬m3。沙河石佛口水文站天然徑流量頻率計算結(jié)果見表1。

表1 沙河石佛口水文站天然徑流量頻率計算結(jié)果

（3）沙河石佛口水文站至范各莊橋區(qū)間徑流量

沙河古冶區(qū)范各莊橋以上至石佛口水文站區(qū)間流域面積為143 km2，依據(jù)《唐山市水資源評價》（2008年12月）查算，區(qū)間流域多年平均徑流深為90 mm，多年平均徑流量為1 287萬m3，50%、75%和95%保證率年徑流量分別為1 029萬m3、535萬m3和154萬m3。結(jié)果見表2。

表2 沙河石佛口水文站至范各莊橋區(qū)間徑流量結(jié)果

（4）沙河范各莊橋位置徑流量

沙河范各莊橋位置徑流量為沙河石佛口水文站天然徑流量與沙河石佛口水文站至范各莊橋區(qū)間徑流量之和。經(jīng)計算，沙河范各莊橋位置50%、75%和95%保證率下可利用的年徑 流 量為4 580萬m3、2 513萬m3和833萬m3。結(jié)果見表3。

表3 沙河古冶段徑流量結(jié)果

2.范各莊礦礦井疏干水

礦井疏干水主要是由于在礦床開采過程中破壞了地下水原始賦存狀態(tài)并產(chǎn)生了裂隙，使各含水層之間的水力聯(lián)系變得密切，由大氣降水、地表水、地下水、巖溶水和生活用水等各種水沿著原有的和新的裂隙滲入井下采掘空間形成的。范各莊礦生產(chǎn)過程中需要持續(xù)不斷地外排礦井疏干水。據(jù)調(diào)查，范各莊礦每年外排疏干水總量可達400萬m3，該部分水量目前先通過管道排入南范塌陷區(qū)，然后由塌陷區(qū)通過管道排向沙河，繼而流向下游河道。修建南范水庫蓄水工程后，該部分水量可作為水庫的重要補充水源，使水庫的水源保障率進一步提高。

3.水源保障分析

通過對沙河徑流進行分析，95%保證率下可利用的沙河徑流量為833萬m3，加之每年范各莊礦還有約400萬m3的礦井疏干水排入塌陷區(qū)，二者水量總和可達1 200萬m3，足以滿足水庫蓄水需要，水庫水源能夠得到充分保障。

二、因地制宜改造塌陷區(qū)，構(gòu)建小型水庫

1.南范采煤塌陷區(qū)基本情況

開灤范各莊礦南范采煤塌陷區(qū)，總面積達2 400畝（1畝=1/15 hm2，下同）。通過實地勘察，該采煤塌陷區(qū)緊鄰沙河左岸和范各莊礦，可集蓄沙河雨洪資源以及范各莊礦礦井疏干水。此外，實地勘察還發(fā)現(xiàn)，該采煤塌陷區(qū)除南部一小塊區(qū)域地表下沒有黏性土層外，其余地表下都有連續(xù)的黏性土層，層厚1.4～4 m，通過對非黏性土層區(qū)域采取鋪設(shè)防滲土工膜等工程措施，可以做到整體區(qū)域的防滲漏。既有可靠的水源，又有理想的防滲漏地層，因此該采煤塌陷區(qū)具備建設(shè)小型水庫的基本條件。

2.蓄水工程可行性分析

（1）土地問題已解決

煤礦生產(chǎn)造成了大面積地表塌陷，糧田荒蕪，耕地減少，還污染礦區(qū)環(huán)境。采煤造成礦區(qū)地表塌陷形成的破壞是難以承受的，對塌陷區(qū)采取整治措施恢復(fù)其利用價值十分必要。南范采煤塌陷區(qū)形成后，土地被征用并收歸國有，對其進行改造，開發(fā)建設(shè)蓄水工程，不僅可解決煤礦開采造成的地表塌陷問題，還可充分利用土地，解決項目建設(shè)的用地問題。

（2）投資小，見效快

通過地面沉降觀測發(fā)現(xiàn)，煤炭開采造成南范塌陷區(qū)地表塌陷多達6 m，形成了一個自然的坑塘，由觀測數(shù)據(jù)顯示，塌陷已趨于穩(wěn)定。利用南范塌陷區(qū)建設(shè)水庫工程，只需加以修整并修建一些配套設(shè)施，便可蓄水，減少了項目土方開挖量，解決了土方的堆置問題，不僅可減少投資，還可在較短的時間內(nèi)建設(shè)完成，發(fā)揮供水效益。

（3）國家政策扶持

黨中央、國務(wù)院高度重視小型水庫工程建設(shè)，2011年中央1號文件明確提出“抓緊解決工程性缺水問題，盡快建設(shè)一批中小型水庫、引提水和連通工程，支持農(nóng)民興建小微型水利設(shè)施，顯著提高雨洪資源利用和供水保障能力，基本解決缺水城鎮(zhèn)、人口較集中鄉(xiāng)村的供水問題”。2013年中央1號文件要求“加大財政對小型水庫建設(shè)和除險加固支持力度”。

2014年12月，水利部已啟動全國小型水庫工程建設(shè)工作，并由水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院技術(shù)牽頭負責編制《全國小型水庫工程建設(shè)總體實施方案》報告。修建南范水庫蓄水工程符合國家總體規(guī)劃，能夠得到國家財政資金支持。

（4）地方政府支持

水資源供給成為招商引資、經(jīng)濟發(fā)展的制約因素。古冶區(qū)圍繞煤炭經(jīng)濟發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)，建成了以煤化工和鋼鐵為主導(dǎo)的南部工業(yè)園區(qū)，需水量大增，水資源供需矛盾日益突出。2014年古冶區(qū)針對區(qū)內(nèi)水資源先天不足及地下水長期超采的嚴峻形勢，制定了自備井關(guān)停整治方案，決定首先對轄區(qū)內(nèi)工業(yè)自備井實施限期強制關(guān)閉，壓采地下水。關(guān)閉工業(yè)自備井后，為企業(yè)確定可靠的生產(chǎn)替代水源，是確保實現(xiàn)古冶區(qū)工業(yè)經(jīng)濟平穩(wěn)、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。改造南范采煤塌陷區(qū)建設(shè)蓄水工程，開發(fā)利用河道雨洪資源及煤礦礦井疏干水，不僅替政府解決了采煤塌陷后的土地荒蕪問題，還有效地解決了古冶區(qū)內(nèi)工業(yè)關(guān)停自備井后的替代水源問題，符合國家壓采地下水的政策，因此能夠獲得政府支持。

（5）群眾和附近廠企支持

隨著煤炭資源的大規(guī)模開采，煤炭開采造成的地表塌陷面積日益擴大，而且大部分是耕地，給當?shù)剞r(nóng)業(yè)造成了極大的影響。耕地急劇減少，村莊搬遷，農(nóng)村勞動力被迫遷移，原有的生態(tài)環(huán)境遭到了破壞，嚴重影響到當?shù)厝罕姷纳姝h(huán)境。利用塌陷區(qū)建設(shè)水庫蓄水工程，可使塌陷區(qū)范圍內(nèi)水文地質(zhì)環(huán)境和空氣環(huán)境得到較大改善，改善周邊居住區(qū)的生活環(huán)境，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)水源由原單一開采地下水轉(zhuǎn)向利用河道雨洪資源和煤礦礦井疏干水的安全過渡，為企業(yè)提供用水保障，提高企業(yè)建設(shè)的積極性，帶動當?shù)亟?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

三、蓄水工程建設(shè)

南范采煤塌陷區(qū)目前主要存蓄范各莊礦的礦井疏干水，現(xiàn)狀水面面積約1 250畝。據(jù)測算，通過在沙河河道內(nèi)修建橡膠壩截留工程和在塌陷區(qū)內(nèi)采取擴挖、筑堤等工程措施，可形成水面面積約1 800畝、蓄水量約800萬m3的小型水庫。南范水庫建成后，通過蓄豐補枯，一般年份供水能力可達1 000萬m3。

南范水庫工程建設(shè)內(nèi)容主要包括：

①在南范采煤塌陷區(qū)西側(cè)的沙河河道內(nèi)修建一座截流橡膠壩，用以抬高沙河水位，使河水能夠自流入庫。橡膠壩設(shè)計壩高為2.0 m，設(shè)計壩長為50 m。

②在橡膠壩上游側(cè)向東開挖一條引水渠道，引沙河水入庫。

③在引水渠道起始位置設(shè)置一座防洪閘，以保證水庫汛期度汛安全。

④對原塌陷區(qū)底進行擴挖，水面以下部分采取疏浚方式開挖，水庫面積擴大部分采用挖掘機開挖，局部缺少防滲層部位采用黏土水下吹填方式以形成水庫庫底連續(xù)防滲層，防滲層厚0.5 m。

⑤在塌陷區(qū)周圍修筑圍壩，壩頂寬8 m，其中瀝青路面寬6 m，兩側(cè)各設(shè)1 m寬的人行道，壩兩側(cè)邊坡坡比均為1∶5，迎水坡采用干砌石護坡，背水坡采取草皮護坡，背水坡坡腳外側(cè)設(shè)置10m寬綠化帶，圍壩總長度約4.5 km。

⑥為保證供水水質(zhì)滿足企業(yè)生產(chǎn)用水要求，在水庫北側(cè)靠近沙河左岸位置設(shè)置一處凈水廠。

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