论文部分内容阅读
20世纪90年代以来,黄河中游河川径流量不断减少。上世纪80年代中后期开始的高强度的煤炭开采成为黄河一级支流窟野河断流的主要原因。随着榆神矿区煤炭资源的开发,以锦界为代表的千万吨级特大型矿井建成、投产,秃尾河流域煤炭资源开发势头强劲,秃尾河是否同样面临断流的威胁,成为国内外学者和流域管理部门关注的热点之一。因此,开展煤炭开采对河川径流的影响研究,在黄河中游河川径流锐减驱动力及人为调控效应研究中具有重要的理论和实践意义。 在广泛收集前人研究资料的基础上,围绕煤炭资源的适度开发和水资源的有效保护,以水文学和水文地质学理论为指导,以降低河川径流减少量为导向,将研究区水文地质调查、煤矿开采历史现状调查、现场实测、理论计算、数值模拟等方法相结合,以秃尾河锦界煤矿为例,评价煤炭开采对河川径流的影响,旨在从典型区域向流域、甚至陕北地区推广、应用。主要内容和成果如下: 1、秃尾河1956-2012年径流呈显著减少趋势,且在1979年和1996年发生两次明显突变。与基准期相比,水土保持期和煤炭开采期人类活动对径流的影响比例分别为69.37%,77.14%。与基准期相比,水土保持期和煤炭开采期人类活动对基流的贡献率分别为45.84%,69.89%。水土保持、煤炭开采、水利工程建设等人类活动日益成为影响秃尾河径流演变的主要驱动因子。 2、以河川径流保护为目标,把松散砂层赋存状况、上覆岩土体组合分类特征及导水裂隙带发育高度计算结果作为分区因子,综合判定导水裂隙带是否发育到第四系潜水含水层为分区标准,将煤炭开采对河川径流影响分为影响严重区、影响一般区和影响轻微区。锦界煤矿各分区面积分别为23.46km2,37.27km2,81.04km2,占井田面积的比例分别为16.55%,26.29%,57.16%。 3、在考虑地表水入渗补给的滞后性和在RCH程序内部实现垂向上对多层单元格补给表达的基础上,构建基于分布式水文模型(SWAT)和模块化地下水动力模型(MODFLOW)的耦合数值模型(SWATMOD),并将该模型应用于秃尾河流域——锦界煤矿采煤工程实例中。研究表明:耦合模型能较准确地模拟地表水水文过程、地下水动力过程及地下水动态变化过程,可用于预测秃尾河流域煤矿开采区地表水和地下水转化规律的改变。 4、利用耦合模型模拟现状开采量、稳定开采量和最大开采量情景下,煤矿开采10年、20年、30年地下水流场的变化,并叠加开采沉陷模块,最终实现与地表沉陷的叠加。研究表明:到2016年末研究区潜水位降深中心降深达27.95m,降深大于20m的影响严重区域面积约为2.62km2;2026年和2036年末时刻地下水降深中心部位降幅最大,分别达31.79m,21.83m。与开采沉陷叠加后,地面沉降的发生、发展与地下水位的时空变化基本一致,且地表沉陷为地下水降落提供了边界。 5、运用实测资料分析、指标评价、耦合模型模拟等方法,评价煤炭开采对秃尾河径流的影响。研究表明:河则沟实测径流量较煤炭开采前减少了35.7%;随着开采量的增加,煤炭开采对地下水干扰程度呈增大趋势;现状覆被条件下,2000年后煤炭开采造成高家堡水文站以上径流量减少242万m3/a。在此基础上,阐述了煤炭开采造成局部潜水出露,积水盆地的形成机理。