兖州煤田地处我国经济发达的鲁西南平原地区,矿区内村庄稠密,河流水系发达,土地资源十分宝贵。由于兖州煤田煤炭开采时间长,开采强度大,地下开采造成的塌陷范围广,塌陷程度十分严重,导致塌陷范围内的建(构)筑物、社会基础设施、农田、地表植被、河流水系等发生不同程度的损毁。采煤塌陷导致地表出现不同程度的地面塌陷和积水情况,从而影响了耕地的正常浇灌和植被的正常生长,造成水土流失,使耕地失去可耕作条件,农作物无法生长,破坏了原有农业生态系统的平衡,扰乱了原来相对稳定的耕地土壤结构和地质环境。采煤塌陷对河道的影响主要是塌陷导致的河堤标高降低、堤体变形和开裂,从而影响河道的正常使用,造成河水外溢,丧失防洪能力等。同时泗河流域内的采煤塌陷对流域内的径流量和汇水也产生了一定的影响,尤其是采煤塌陷区会出现季节性乃至常年性积水洼地。采煤塌陷对泗河流域径流量、汇水、河道以及周边农业生产的影响,成为了制约矿区可持续发展的主要因素。基于物理基础的分布式水文模型SWAT由于能够考虑降水、下垫面等因子的空间分异性,更能真实地模拟水文循环过程,并对水文变化规律进行研究。SWAT模型空间数据库的建立可以借助于遥感影像和ArcGIS软件,并针对不同的土地利用情景和气候变化情况,对研究区的水文响应过程进行研究。本研究利用开采沉陷预计的理论与方法,结合SWAT模型的原理,分别构建了采煤塌陷前、采煤塌陷后和黄河泥沙充填复垦后三个阶段的SWAT模型,并利用收集到的泗河流域的书院水文站点的实测日流量数据,对SWAT模型进行校准和验证,得出构建的SWAT模型适用于泗河流域的结论,再利用已验证过的SWAT模型对泗河流域的径流量进行模拟和预测。模型建立之前,需准备三个模拟阶段所需的基础数据库,包括空间数据库和属性数据库。其中空间数据库包括流域内的DEM、数字化的河流水系图、土地利用类型图、土壤类型图等,属性数据库包括流域内的天气发生器、气象数据(降水、气温、辐射、相对湿度)、土地利用数据库、土壤属性数据库等。利用准备好的泗河流域的空间数据库和属性数据库对泗河流域SWAT模型进行构建,并应用已构建好的SWAT模型,分别对泗河流域内兖州煤田的采煤塌陷前、采煤塌陷后、黄河泥沙充填复垦后三个阶段的径流量进行模拟,分别得到三个阶段的采煤塌陷区所在的三个子流域的河道出流量、总产流量、地表径流量、地下径流量、侧向壤中流量和土壤含水量。采煤塌陷前的SWAT模型构建是基于泗河流域2009年的DEM图,2009年的泗河流域的土地利用类型图,其中2009年的土地利用类型图是利用ENVI软件对2009年的Landsat 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TM格式的遥感影像提取得到的;2009年的土壤类型图是根据世界土壤数据库hwsd中的土壤数据得到的。采煤塌陷后的swat模型构建是基于泗河流域2014年的dem图,其中2014年的dem图是利用arcgis中的栅格计算器工具,将栅格格式的2010-2014年兖州煤田的下沉等值线与2009年的原始dem图进行计算,得到2014年的dem图;2014年的土地利用类型图是利用envi软件对2014年的landsat8oli_tirs格式的遥感影像提取得到的;2014年的土壤类型图是根据世界土壤数据库hwsd中的土壤数据得到的,对兖州煤田采煤塌陷区的土壤理化性质进行相应修改。黄河泥沙充填复垦后的swat模型构建是基于泗河流域的2009年的dem,假设利用黄河泥沙充填复垦兖州煤田2010-2014年采煤塌陷导致的所有塌陷区域,即将泗河流域内的地形恢复到2009年的原始地形,故采用2009年的原始dem;充填复垦后的土地利用类型图是在2014年的土地利用类型图上对兖州煤田采煤塌陷区域进行土地利用类型的修改得到的;充填复垦后的土壤类型图,即将兖州煤田2010-2014年采煤塌陷区域的土壤类型修改为含有黄河泥沙充填的土壤类型,充填复垦区域的土壤理化性质也在土壤属性数据库里做相应的修改。本研究主要采用野外采样、室内分析和数值模拟的方法,对济宁市境内泗河白马河流域,采煤塌陷前后和黄河泥沙充填复垦后的流域径流的影响研究。主要得出以下结论:(1)swat模型适用于济宁市境内的泗河白马河流域,且径流模拟的精度较高。选取济宁市境内的泗河白马河流域作为研究区,兖州煤田处于流域内的12、13、14号子流域,利用流域内书院水文站点1998-2007年的实测径流数据对swat模型进行校准,再利用2008-2010年的实测径流数据对swat模型进行验证,模拟精度高,得到swat模型适用于济宁市境内泗河白马河流域的结论。(2)对实测的降雨数据、气温数据、径流流量数据进行分析,并对降雨与径流月均流量,降雨与地下水位作了相关性分析。对收集到的泗河流域的1998-2014年降水和气温资料、1998-2010年水文站点的实测流量数据、1998-2010年泗河沿河各测井的实测地下水位数据进行了分析,并利用spss软件对泗河流域降雨与流量、降雨与地下水位进行了相关性分析和方差分析。泗河流域的降雨量存在波动变化,但在研究年限内不存在显著差异性;流域内最低气温和最高气温在研究年限内的波动变化也不存在显著差异性;流域地表径流随时间的变化具有较大的波动性;降雨量和地下水位多数存在极显著相关,各测井的地下水位存在显著差异性;利用lsd(最小显著性差异法leastsignificantdifference)对各测井不同年份地下水位差异性进行分析,得出各测井不同年份地下水位存在不同的差异性的结论。(3)利用概率积分法对兖州煤田2010-2014年的采煤塌陷情况进行预计,得出兖州煤田2010-2014年的采煤塌陷情况主要以重度塌陷为主,且地表下沉值分布区间为0.5-7.5m,兖州煤田2010-2014年采煤塌陷总面积为9.14km2。利用概率积分法对流域内的兖州煤田2010-2014年的采煤塌陷情况进行预计,得到2010-2014年兖州煤田的下沉等值线,利用arcgis软件的统计方法,对采煤塌陷区的下沉等值线进行分析,得到采煤塌陷区的地表下沉值和采煤塌陷区面积。兖州煤田的地表下沉值分布区间为0.5-7.5m,其中兖州煤田所处的12号子流域的地表下沉值分布区间为4-7.5m,13号子流域的地表下沉值分布区间为3.5-7.5m,14号子流域的地表下沉值分布区间为0.5-7m。根据兖州煤田土地损毁程度分级标准,得到研究区轻度塌陷区、中度塌陷区、重度塌陷区的塌陷面积,并分别统计兖州煤田采煤塌陷区所处的12、13、14号子流域的采煤塌陷面积。2010-2014年兖州煤田采煤塌陷总面积为9.14km2,其中轻度塌陷面积为2.06km2,中度塌陷面积为1.27km2,重度塌陷面积为5.81km2。2010-2014年12号子流域内的采煤塌陷面积为2.77km2,13号子流域内的采煤塌陷面积为1.06km2,14号子流域内的采煤塌陷面积为5.31km2。(4)利用情景分析法,分别构建了流域采煤塌陷前、采煤塌陷后、黄河泥沙充填复垦后三个阶段的swat模型,并分析了三个阶段流域的径流变化规律。采煤塌陷后流域的子流域个数由22个减少到20个,采煤塌陷区上游的流域个数未发生变化,下游的子流域个数增加,且下游子流域的径流方向发生改变。相较于采煤塌陷前,采煤塌陷后耕地和建设用地减小,林地、水域和未利用地增大,煤炭开采对流域的土地利用类型的面积造成了显著的影响。采煤塌陷造成相应子流域的潜在蒸发量和实际蒸发量增加。采煤塌陷后12、13、14号子流域的土壤含水量sw、地表径流量surq、地下径流量gwq、侧向壤中流latq、产水量wyld均增加,时间步长内根区的渗透水量perc减小。采煤塌陷后12、13、14号子流域的径流深和径流系数增加,受到子流域内兖州煤田采煤塌陷的影响,济宁市境内泗河白马河流域的径流深和径流系数也都增长;黄河泥沙充填复垦后,流域的径流深和径流系数不但没有恢复到采煤塌陷前,反而继续增加;另外流域的径流系数的对数和径流深的对数在塌陷前、塌陷后和充填复垦后都具有显著的相关性。黄河泥沙充填复垦后12、13、14号子流域的潜在蒸发量和实际蒸发量都有不同程度的增加,即黄河泥沙充填复垦后各子流域的潜在蒸发量没有恢复到采煤塌陷前,但采煤塌陷后和充填复垦后的潜在蒸发量和实际蒸发量不存在显著差异。采煤塌陷前整个流域的单位面积年均汇水量不存在差异性,发生采煤塌陷后,12、14号子流域的河道单位面积年均汇水量增加,高于总流域的河道单位面积年均汇水量;进行充填复垦后,12、14号子流域的河道单位面积年均汇水量增加,同样也高于总流域的河道单位面积年均汇水量。由此可见,流域面积的增大有减弱河道单位面积年均汇水量的能力,可以推断如果流域面积越大,煤炭开采对河道单位面积年均汇水量的影响越小。(5)揭示了采煤塌陷的形变参数对流域径流影响的关系模型。对采煤塌陷的形变参数对流域径流影响的关系模型进行研究,发现最大地表下沉值wcm与最大水平移动值ucm与流域径流因子的拟合程度一致,从大到小依次为:地下径流量gw_q>总产水量wyld>径流系数α>地表径流量surq>年均径流深r,且各径流因子随着最大地表下沉值wcm和最大水平移动值ucm的增大呈现先增大后减小的趋势。最大地表倾斜值icm与最大水平变形值εcm的拟合程度一致,从大到小依次为:年均径流深r>径流系数α>地表径流量surq>总产水量wyld>地下径流量gw_q,且年均径流深r随着最大地表倾斜值icm和最大水平变形值εcm的不断增大呈现先减小后增大的趋势,而径流系数α、地表径流量surq、地下径流量gw_q和总产水量wyld都随着最大地表倾斜值icm的增大呈现先减小后增大再减小的趋势。采煤塌陷面积s与流域径流因子的拟合程度从大到小依次为:地表径流量surq>总产水量wyld>地下径流量gw_q>年均径流深r>径流系数α,且各径流因子随着采煤塌陷面积s的不断增大呈现先减小后增大的趋势。地表移动变形参数与总产水量wyld的拟合程度从大到小依次为:采煤塌陷面积s>最大水平移动值ucm>最大地表倾斜值icm>最大地表下沉值wcm>最大水平变形值εcm。总产水量wyld随着最大地表下沉值wcm的增大呈现先增大后减小的趋势,随着采煤塌陷面积s的不断增大呈现先减小后增大的趋势,随着最大地表倾斜值icm的增大呈现先减小后增大再减小的趋势,随着最大水平移动值ucm的不断增大呈现先增大后减小的趋势,随着最大水平变形值εcm的增大呈现先减小后增大再减小的趋势,且煤炭开采所导致的采煤塌陷面积s的大小,对流域总产水量的影响最为显著。(6)针对采煤塌陷前后及充填复垦后流域径流的变化情况,提出相应的治理对策和建议。可以从河流的下游向上游逆向开采,也可以针对性的对流域内坡度较大的采煤塌陷区的集水区域,沿陡坡的等高线进行条状灌木或小乔木的覆盖。建议在煤炭开采过程中,最好从河流下游向上游逆向进行,这样可减小对整个流域的水文影响,也可以最大程度的降低不可预见的生态损失。若按传统的煤炭开采布局和时序进行,首先可造成下游子流域个数的变化,同时河流上游的煤炭开采可影响下游径流的水量分配和河道走向,这极大的增加了水分分配的不确定性和对水资源治理和利用的难度;其次,若从上游向下游方向开采,煤炭开采过程中的污染物也更易对下游子流域造成污染,一旦造成污染,治理所需的技术和成本也必将增大;另外,若从上游向下游方向开采,将造成流域旱涝的不稳定性,若在干旱年由于产流填洼的作用可能造成下游断流,在丰水年可增加下游发生水灾的潜在危险,本研究表明采煤塌陷增大了流域内的产流。如果仅对采煤塌陷区进行复垦,很难从根本上恢复流域的产流机理和产流量,若要从根本上对其进行修复,建议有规划的分步骤的,对流域内坡度较大的采煤塌陷区的集水区域进行提前治理。对陡坡沿等高线进行条状灌木或小乔木覆盖,乔灌木带之间播撒本土草本植物种子,通过增加地表糙度减小水流速度,进而减小水流冲刷,从根本上减少水土流失,保蓄采煤塌陷盆地集水区域的土壤肥力。探讨在该地区建立SWAT模型的可行性,为在该区进行地表径流模拟奠定基础,定量研究采煤塌陷积水区、泗河汇水区及地表径流之间的相互补给关系,从而为采煤塌陷对地表径流的影响以及泗河流域汇水的研究提供参考,且为流域水资源分配、土地利用合理规划和采煤塌陷地的治理提供依据,降低煤炭开采对流域生态环境的影响。