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水利水电科技进展,2015,354摇 Tel02583786335摇 E鄄mailjz hhu. edu. cn摇 http/ / www. hehaiqikan. cn 第 35 卷第 4 期 Vol. 35 No. 4 水 利 水 电 科 技 进 展 Advances in Science and Technology of Water Resources 2015 年 7 月 Jul. 2015 基金项目国家自然科学基金青年科学基金41201020 作者简介郭巧玲1978,女,陕西华阴人,副教授,博士,主要从事水文水资源研究。 E-mailguoqiaoling hpu. edu. cn DOI10. 3880/ j. issn. 10067647. 2015. 04. 005 煤矿开采对窟野河地表径流影响的水文模拟 郭巧玲1,韩振英1,杨琳洁2,熊新芝1 1. 河南理工大学资源环境学院,河南 焦作摇 454003; 2. 河南黄河水文勘测设计院,河南 郑州摇 450003 摘要为了探明煤炭开采与窟野河河川径流减少甚至断流之间的关系,利用窟野河控制性水文 站 温家川站 19532010 年逐日流量资料及相关水文气象资料,在对其径流变化特性进行分析 的基础上,通过黄河月水量平衡模型模拟定量评价煤矿开采对地表径流的影响。 结果表明1953 年以来,窟野河流域实测径流量以 1979 年和 1999 年为转折点总体上呈现阶段性减少趋势;人类活 动对径流减少影响的比例由 19791998 年的 39郾 44 快速上升到 19992010 年的 56郾 50,其 中,煤矿开采对径流的影响量年均值在 19992010 年间达到 29郾 69 mm,约 2郾 58 亿 m3/ a,成为影响 窟野河地表径流减少的主导因素。 关键词窟野河;地表径流;煤矿开采;黄河月水量平衡模型;模型模拟 中图分类号TV121. 2摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 文章编号10067647201504001905 Hydrological simulation of impacts of coal mining on surface runoff in Kuye River/ / GUO Qiaoling1, HAN Zhenying1, YANG Linjie2, XIONG Xinzhi11. Institute of Resource and Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 2. Henan Yellow River Hydrological Survey and Design Institute, Zhengzhou 450003, China Abstract In order to make clear the relationship between coal mining and runoff reduction or even drying鄄up of the Kuye River, China, we analyzed the variation characteristics of runoff with the daily runoff data and related hydrometeorology data from 1953 to 2010 of the Wenjiachuan station, a control hydrological station at the Kuye River. Then, the impacts of coal mining on surface runoff are quantitative simulated by using monthly water balance model of the Yellow River. The results indicate that the measured runoff data generally present a phase鄄decreasing trend over the last 60 years with turning points in 1979 and 1999. The runoff reduction ratio due to human activities was 39郾 44 during the period from 1979 to 1998, and it quickly increased to 56郾 50 during the period from 1999 to 2010, in which the annual average runoff value affected by coal mining reached 29郾 69 mm, which is equivalent to approximately 2郾 58伊108m3/ year. That is, human activities have become the dominant factor causing reduction of surface runoff in the Kuye River. Key words Kuye River; surface runoff; coal mining; monthly water balance model of Yellow River; model simulation 摇 摇 煤炭开采诱发的地下水位下降、泉水流量锐减 或干涸、河水减少甚至断流、水污染加重等水环境问 题十分严重,其中河川径流减少甚至断流问题尤为 突出,已严重影响到矿区经济的发展和群众的生活, 使本来就已十分紧张的区域水资源供需矛盾更加尖 锐,制约着矿区生态环境建设和经济社会的可持续 发展。 窟野河是黄土高原与毛乌素沙漠过渡区流量 最大的河流,也是神府煤田开发、生态环境维系的主 要水源。 近年来,随着能源化工基地建设步伐的加 快,水资源供需矛盾日益突出,窟野河流量不断减 少,甚至出现了连续断流现象。 据资料统计,2000 年断流 75 d,2001 年断流 106 d,2002 年断流 220 d, 20032005 年每年断流都超过 100 d;20002008 年与 19562000 年相比,窟野河年平均径流量减少 了 71郾 5。 范立民[1]分析认为,除气候变化等自然 原因外,20 世纪 80 年代中后期开始的煤炭开发,尤 其是 20 世纪 90 年代以来的高强度采煤,是造成窟 野河流量衰减和断流的主要原因;刘二佳等[2]采用 多元线性回归方法分析认为 19972005 年间煤炭 开采对径流减少的贡献率达 52郾 27;蒋晓辉等[3] 通过月水量平衡模拟发现 19972006 年间由于煤 炭开采导致的径流减少占该阶段径流变化的 54郾 8;吴喜军等[4]采用逐步回归法分离了降雨、水 保措施和煤炭开采量对径流的影响,指出 1999 91 水利水电科技进展,2015,354摇 Tel02583786335摇 E鄄mailjz hhu. edu. cn摇 http/ / www. hehaiqikan. cn 2010 年煤炭开采造成的径流减少占该阶段径流减 少的 19;邢肖鹏等[5]通过月水量平衡模型模拟了 窟野河流域径流过程,取得较好的效果。 本文通过 黄河月水量平衡模型模拟定量研究煤矿开采对窟野 河地表径流的影响,以期为矿区流域水资源的合理 开采,实现水资源、生态环境保护与煤炭资源开发并 举的目标,提供科学的决策依据。 1摇 流域概况 窟野河是黄河中游河口镇龙门区间右岸一级 支流,发源于内蒙古自治区鄂尔多斯市的巴定沟,经 神木县石圪台进入陕西境内,于神木县贺家川乡沙 峁头村汇入黄河。 流域地理位置在东经 109毅28忆 110毅52忆、北纬38毅23忆 39毅52忆之间,干流全长 241郾8 km, 流域面积约 8 706 km2,其支流中流域面积在 100 500 km2的有 13 条,1 000 5 000 km2的有 2 条[6]。 支流饽牛川与干流的交汇口以上为乌兰木伦河,交 汇口以下称窟野河[7]。 流域气候属干旱、半干旱大 陆性季风气候,多年平均气温 7郾 9益,多年平均降水 量 386 mm,汛期69 月 降水量占年降水量的 78郾 7,多以暴雨形式出现[8]。 流域下垫面条件复 杂,上游是风沙草原区,中下游是黄土沟壑区,土质 疏松,土壤瘠薄,地表植被稀少,水土流失严重[9], 是黄河中游水土流失严重的一条多沙粗沙支流[10]。 窟野河流域煤炭资源丰富,著名的神府东胜特 大煤田贯穿流域中部。 据地质勘探部门查明,神府 东胜煤田储量占全国已探明的 1/4[4],分布面积达 26565 km2,列入近期开发的矿区面积为 2 756 km2, 其中位于窟野河流域的矿区面积 2482 km2,主要分布 在转龙湾至神木县区间的干流及支流乌兰木伦河两 侧[11],矿区煤炭具有埋藏浅、易开采、煤质优的特点[2]。 2摇 窟野河径流变化与煤炭开采量关系分析 窟野河流域出口控制站 温家川站年径流量 呈递减趋势,线性趋势系数为-0郾 125图 1。 绘制 温家川站降水 径流双累积曲线如图 2 所示,由图 2 可知人类活动对径流影响的阶段性变化曲线的第一 个转折点是1979 年,斜率从 0郾 0169 减低到 0郾 0138, 表明人类活动对河川径流产生一定影响;第二个转折 点是1999 年,斜率由 0郾 0138 降低为 0郾 0042,斜率的 明显减小说明在此之后人类活动的急剧增强。 通过 计算,19531978 年平均年径流量 7郾 34 亿 m3, 19791998 年为 5郾 35 亿 m3,而 19992010 年是 1郾 66 亿 m3,据此,可以将时间序列划分为 1953 1978 年、19791998 年和 19992010 年 3 个时期。 19791998 年径流的减少和该时期开展大规模的 水土流失治理有关,20 世纪 60 和 70 年代流域内各 种水土保持措施梯田、造林、种草、坝地年平均累 积治理面积 279 km2, 80 和 90 年代迅速增长到 1559 km2[12]。19992010 年径流的减少和流域内煤 矿开采量大幅度增加有关。 据资料统计,1991 年,窟 野河流域原煤产量 625 万 t,2010 年为 12388 万 t,是 1991 年的 19郾 82 倍。 年均原煤产量由 20 世纪 90 年 代的900 万 t 迅速增加到20002010 年的5548 万 t。 20 世纪 90 年代以来窟野河流域的原煤产量与径流 变化关系见图 3。 图 1摇 温家川站年径流量变化趋势 图 2摇 降水 径流双累计曲线 图 3摇 窟野河流域年径流量与年煤产量 3摇 煤矿开采对地表径流影响模拟 3. 1摇 煤矿开采对径流的影响机制 窟野河流域地层从地表向下分别是风积沙 Qeol 4 、萨拉乌苏组Q3s、保德组N2b、安定组 J2a、直罗组J2z以及煤炭的主要开采层延安组 J2y,具有供水意义的含水层为第四系萨拉乌苏组 松散孔隙潜水含水层,目前该流域的煤层位于萨拉 乌苏组含水层之下。 在采空区顶板形成的部分裂隙 02 水利水电科技进展,2015,354摇 Tel02583786335摇 E鄄mailjz hhu. edu. cn摇 http/ / www. hehaiqikan. cn 将贯通直罗组、安定组和保德组,并与萨拉乌苏组含 水层沟通,改变了矿区水文地质条件,导致潜水由水 平径流、排泄为主转化为以垂向渗漏为主,引起地下 水位大幅下降。 煤矿采空区塌陷,导水裂隙沟通河 床,使地表水资源漏失,进而影响河流径流量[13]。 3. 2摇 黄河月水量平衡模型 3. 2. 1摇 模型原理 黄河月水量平衡模型是以水量平衡原理为基础 研制的一种概念性水文模型。 该模型以逐时段降水 量、气温和水面蒸发等气象因子为输入,根据各水文 要素间的关系,概化成经验公式来模拟流域水文过 程,在黄河中游得到较好的应用。 模型考虑了 3 种 径流成分地表径流、地下径流和融雪径流。 计算 时,首先计算 3 种水源,然后根据水量平衡原理计算 时段下渗量、流域实际蒸散发和土壤蓄水量,具体计 算公式见文献[14]。 3. 2. 2摇 模型参数率定 目标函数选择对参数优选结果至关重要[15],在 一定程度上决定了模型的拟合精度。 为方便模型在 不同流域内应用情况的比较,Nash鄄Sutcliffe 提出了 一个评价标准,其表达式[16]为 R2 0 1 - 移 N i 1 Qobsi- Qsimi2 移 N i 1 Qobsi- Qbari2 1 式中R0为效率系数;Qobsi为实测径流量;Qsimi为模 拟径流量;Qbari为实测流量的平均值;N 为样本数。 该系数在 0 1 之间变化。 模型的率定还需利用平均相对误差 Re,以保证 模拟过程中的水量平衡[3]。 其计算式为 Re Qsim- Qobs Qobs 伊 1002 式中Qsim为模拟的平均年径流量;Qobs为实测的平 均年径流量。 显然,Nash鄄Sutcliff 标准越接近 1,同时相对误 差越接近 0,则模拟效果越好。 对于水文过程模拟, 一般认为 R060同时 Re10时,模型合格。 3. 2. 3摇 模型检验 为消除人为给定模型状态变量初始值的影响, 将资料系列的第1 年作为预热期。 预热期后的资料 分为率定期和检验期,率定期用于模型参数优选,检 验期用于检验模型的外延效果,只有在率定期和检验 期模拟精度都满足要求的情况下才认为模型合格。 降水、蒸发和气温等气象资料利用中国气象科 学数据共享服务网中的榆林气象站资料经计算获 得,流量资料采用温家川水文站实测月流量资料,对 温家川 19531978 年代表天然状况下流域产汇流 状况月流量进行模拟。 以 19531966 年为率定 期,19671978 年为验证期。 率定期和检验期的月 径流模拟效率系数分别是 71郾 42 和 82郾 29,都在 70以上;相对误差分别为-4郾 14 和 2郾 71,控制 在 5以内,模拟效果较好。 4摇 结果分析 根据前面降水 径流双累积曲线揭示的人类活 动对径流影响的阶段性变化及实地调查情况,将 19531978 年基准期认为是没有人类活动影响 时期,用于优化模型参数,利用得到的模型参数模拟 出 19792010 年影响期的径流量表 1。 影响 期的实测径流量与基准期实测径流量之差包括两部 分一是人类活动影响部分,该部分由影响期还原的 天然径流量与相应时期的实测径流量计算;二是气 候影响部分,该部分为影响期还原的天然径流量与 基准期的差值。 在整个人类活动影响期,人类活动 对径流变化的影响主要表现在两个方面,一是造林 种草、修建梯田和淤地坝等水土保持措施,二是大规 模的煤矿开采。 在 19791998 年和 19992010 年 2 个时段,气候变化对年径流变化的影响量分别为 13郾 16 mm 和 27郾 61 mm,贡献率分别为 60郾 56 和 43郾 50;而人类活动对年径流变化的影响量分别为 8郾 57 mm 和 35郾 86 mm,贡献率分别为 39郾 44 和 56郾 50,气候变化对径流的影响呈减小趋势,而人 类活动对径流的影响呈增加趋势。 表 1摇 人类活动和气候变化对窟野河年径流量 减少的贡献程度估算 时摇 段 实测 径流 深/ mm 天然 径流 深/ mm 总减 少量/ mm 气候因素人类活动 减少 量/ mm 贡献 率/ 减少 量/ mm 贡献 率/ 19531978 年82郾 81 19791998 年61郾 0869郾 6521郾 7313郾 1660郾 568郾 5739郾 44 19992010 年19郾 3455郾 2063郾 4727郾 6143郾 50 35郾 8656郾 50 在窟野河流域,水土保持综合治理在 20 世纪 70 年代进入高潮,20 世纪 80 和 90 年代水土保持对 径流减少起到重要作用[14]。 20 世纪 90 年代末以 来,神府东胜煤矿开始大规模开采,导致了径流的进 一步减少。 以 19791998 年的水土保持期为基准 期,用黄河月水量平衡模型模拟 19791998 年的径 流量,再用此阶段的参数还原 19992010 年煤炭开 发期的径流表 2。 可以看出,19992010 年煤炭 开采 对 年 径 流 的 平 均 影 响 量 为 29郾 69 mm, 约 2郾 58 亿 m3/ a,占该时段变化量的 71郾 13,成为影 响窟野河地表径流的主导因素。 12 水利水电科技进展,2015,354摇 Tel02583786335摇 E鄄mailjz hhu. edu. cn摇 http/ / www. hehaiqikan. cn 表 2摇 煤炭开采对径流的影响 时摇 段 实测径流 深/ mm 天然径流 深/ mm 总减少量/ mm 煤炭开采 减少量/ mm 19791998 年61郾 08 19992010 年19郾 3449郾 0341郾 7429郾 69 5摇 结摇 语 自 1953 年以来,窟野河流域径流量呈明显递减 趋势。 降水 径流双累积曲线揭示人类活动对径流 影响的阶段性变化出现两个转折点,分别是 1979 年 和 1999 年。 导致径流迅速递减的主要原因是人类 活动,人类活动对径流影响的比例由 19791998 年 的 39郾 44 快速上升到 19992010 年的 56郾 50。 人类活动中的煤矿开采是影响窟野河径流锐减的主 导因素,其对径流的影响量平均值在 19992010 年 达到29郾 69mm,约2郾 58 亿 m3/ a,占该时段变化量的 71郾 13,成为影响窟野河地表径流的主导因素。 模型模拟过程中,人类活动仅考虑了水土保持 和煤矿开采。 在实地调查中发现相关工业发展、河 道采砂和农业灌溉等也会对地表径流产生一定的影 响,因此,本研究结果只是一个粗略估算。 为了探明 煤矿开采对地表径流的影响,除了进行模型模拟外, 还应加强机理研究,通过水化学分析及同位素示踪 等技术,进一步探明煤矿开采对地表径流影响的机 理,为矿区的可持续发展提供基础支撑。 参考文献 [ 1 ] 范立民. 陕北地区采煤造成的地下水渗漏及其防治对 策分析[J]. 矿业安全与环保,2007,34 562鄄64. 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