何 強(qiáng) 吳 侃 許 冬

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

平原地區(qū)采煤沉陷積水計算模型構(gòu)建與影響分析
——以洸府河為例

何 強(qiáng) 吳 侃 許 冬

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

為解決東部平原礦區(qū)采煤沉陷積水量的計算與分析問題，創(chuàng)新性地將GIS水文分析應(yīng)用于沉陷積水研究，構(gòu)建了采煤沉陷區(qū)積水計算模型。以洸府河流域為例，計算得到該流域2009年及2015年采煤沉陷影響匯流面積分別為276.0 km2和1 091.4 km2，影響的大氣降水匯流量為0.58億m3和2.29億m3，實際滯留水量為286.7萬m3和556.2萬m3。采煤沉陷積水對于流域的原始自然徑流和水循環(huán)都有很大程度的破壞，構(gòu)建的沉陷積水計算模型可為礦區(qū)沉陷積水治理與水資源保護(hù)利用提供技術(shù)支持與理論指導(dǎo)。

開采沉陷 沉陷積水計算模型 匯水影響范圍 積水承載力

東部平原礦區(qū)作為我國重要的產(chǎn)煤基地，長期以來伴隨著煤炭開采的進(jìn)行造成了大面積地表沉陷，開采沉陷改變了原始的地形地貌，造成沉陷洼地，雨季大氣降水的匯流以及淺部地下水的出露造成沉陷盆地積水。大面積沉陷積水不僅造成了土地資源的浪費(fèi)，且引起一系列的社會和環(huán)境問題，嚴(yán)重干擾了礦區(qū)的正常生產(chǎn)生活[1-2]。

眾多研究人員從各自專業(yè)角度對沉陷積水問題展開了深入研究。胡振琪、武彥斌等利用遙感手段對沉陷積水區(qū)的水深及積水面積變化等信息進(jìn)行了研究和分析[3-6]；徐翀、李金明等結(jié)合數(shù)字流域技術(shù)分析了淮南礦區(qū)采煤沉陷區(qū)洼地影響匯流范圍及防洪除澇作用研究[7-8]；徐良驥、易齊濤等側(cè)重于塌陷積水區(qū)的水質(zhì)變化及生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行了研究[9-11]。本研究關(guān)注于沉陷區(qū)積水計算分析，通過數(shù)字流域模型與采煤沉陷預(yù)計模型的結(jié)合，實現(xiàn)了采煤沉陷區(qū)積水計算模型的構(gòu)建，并以平原地區(qū)且采煤沉陷較嚴(yán)重的洸府河為例，對沉陷后匯水影響范圍及積水量進(jìn)行了計算與分析，為礦區(qū)沉陷積水治理與開采沉陷區(qū)水資源保護(hù)利用提供技術(shù)支持與理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況

洸府河流域位于山東省濟(jì)寧市，屬淮河—南四湖水系，自泰安寧陽流入濟(jì)寧微山湖，是半濕潤季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，處在暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候區(qū)，流域內(nèi)多年平均年降水量為700.1 mm。由于洸府河地處我國主要的煤炭生產(chǎn)基地，流域內(nèi)有大范圍煤炭開采，采煤沉陷及其導(dǎo)致的沉陷積水均較為嚴(yán)重，研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域示意

2 流域及水系提取

圖2為積水模型構(gòu)建的技術(shù)路線圖，流域范圍的準(zhǔn)確提取是后續(xù)進(jìn)行積水模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。

圖2 技術(shù)路線

流域范圍提取的過程主要有以下步驟：①首先要利用ArcGIS軟件對該區(qū)域的SRTM-3數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括數(shù)據(jù)拼接、裁剪以及重采樣等步驟，將90 m分辨率的原始DEM數(shù)據(jù)處理得到30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，以保證后續(xù)研究的精度。②通過AGREE算法利用數(shù)字化的主要河道，對經(jīng)過預(yù)處理的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和調(diào)整，使自動提取得到的水系更逼近于實際河網(wǎng)，保證后續(xù)能獲得較高精度的河網(wǎng)水系及數(shù)字流域特征[12-13]。③在此基礎(chǔ)上進(jìn)行填洼、流向計算、盆域分析等操作，可從較大的研究區(qū)域中選擇感興趣的流域并將該流域從整個研究區(qū)域分割出來獲得流域范圍柵格，提取得到的洸府河流域柵格范圍如圖3。

圖3 流域提取成果圖

3 積水模型構(gòu)建

3.1 沉陷后DEM獲取

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的經(jīng)驗參數(shù)并考慮煤柱留設(shè)及地質(zhì)構(gòu)造造成的煤損失等情況，對通過該區(qū)域已有沉陷資料和實測數(shù)據(jù)反演所得的參數(shù)加以修正，經(jīng)過修正確定概率積分法主要參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.8、主要影響角正切tanβ=2.0、水平移動系數(shù)b=0.3、最大下沉角θ=80°。根據(jù)預(yù)測參數(shù)，按照研究區(qū)2010—2015年的開采規(guī)劃對研究范圍內(nèi)的沉陷情況進(jìn)行了預(yù)計，得到下沉等值線，用獲得的下沉等值線構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，再通過柵格轉(zhuǎn)換獲得沉陷柵格，對流域原始地表及沉陷柵格進(jìn)行疊加計算可獲得沉陷后的數(shù)字高程模型，如圖4所示。

3.2 定義水流獲取

在獲取流域沉陷后DEM基礎(chǔ)上，利用Arc Hydro Tool工具，對DEM進(jìn)行流向計算、匯流累積量計算、定義水流等操作。其中定義水流的閾值設(shè)定為2 000個柵格單元，1個柵格代表著一定的水量。定義的閾值能捕捉地表集水面積在1.8 km2以上的地表水流，獲得的地表徑流如圖5所示。從圖中可以看出，由于地表沉陷位置和范圍的改變，地表的徑流在沉陷區(qū)附近已經(jīng)出現(xiàn)明顯變化。

圖4 流域沉陷后DEM

圖5 地表徑流對比

3.3 興趣點選擇

匯水影響范圍的劃定中，興趣點的選擇是匯水影響范圍的關(guān)鍵因素。本研究根據(jù)沉陷盆地與地表徑流位置關(guān)系將沉陷盆地分為3類：①沉陷盆地位于主河道上；②沉陷盆地有地表徑流流入；③沉陷盆地?zé)o地表徑流經(jīng)過。興趣點的劃定則基于以上3類位置關(guān)系分別選擇，選取原則為盡可能準(zhǔn)確地提取匯水影響范圍。如圖6所示：主河道上沉陷盆地匯水范圍劃分的興趣點選擇的是與主河道相交的下游，因為大氣降水通過產(chǎn)匯流進(jìn)入沉陷洼地后會隨著河道下游排水口流出；而獨(dú)立于河道有地表徑流流入的沉陷盆地，選取的是地表徑流流入的進(jìn)水口，大氣降水通過產(chǎn)匯流進(jìn)入此類沉陷盆地形成積水洼地；無地表徑流經(jīng)過的沉陷盆地則選取的是沉陷盆地中心，因為此類沉陷盆地自身地勢較高，大氣降水的產(chǎn)匯流并不經(jīng)過，所以也無明顯的匯水影響范圍。

圖6 興趣點選擇示意

3.4 匯水影響范圍劃分

在選定了興趣點以后，借助Arc Hydro Tool水文工具中的批量劃分子流域工具對所有興趣點進(jìn)行匯水范圍劃分，2009年和2015年結(jié)果如圖7。經(jīng)過統(tǒng)計得到2009年匯水影響范圍為276.0 km2，2015年為1 091.4 km2。由此可以看出，隨著開采的進(jìn)行，沉陷盆地數(shù)量增多、范圍增大，匯水影響范圍也明顯增加。而通過對比發(fā)現(xiàn)分布在河道上的沉陷盆地的匯水影響范圍明顯比其他區(qū)域沉陷盆地的影響范圍大，這主要是因為分布在河道上的沉陷盆地相應(yīng)的集水面積更大，進(jìn)而導(dǎo)致匯水影響范圍更大，但水流會隨著位于主河道上沉陷盆地下游的排水口流出，不會像分布在河道以外區(qū)域的沉陷盆地一樣形成積水。

圖7 洸府河匯水影響范圍

3.5 沉陷盆地積水承載力分析

煤礦開采造成地表下沉，當(dāng)?shù)乇硐鲁吝_(dá)到一定程度(最大下沉值≥當(dāng)?shù)販\層地下水埋深)，地下水會出露形成部分沉陷區(qū)積水，如圖8所示。

圖8 地下水出露

沉陷盆地的積水承載力分析需要以排除地下水出露上升體積后的數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行計算、分析，因此將收集到的地下水埋深圖轉(zhuǎn)換成柵格并與已有沉陷柵格按式(1)進(jìn)行疊加運(yùn)算，對已有沉陷柵格進(jìn)行修正，得到排除地下水出露體積后的沉陷柵格。

(1)

式中，x為采煤沉陷深度，為負(fù)值，m；q為淺層地下水埋深，為正值，m；p為排除淺層地下水埋深影響后的下沉深度，為負(fù)值，m；i代表柵格號。

其次還要考慮沉陷盆地邊界的最低高程，猶如木桶理論，木桶盛水量大小取決于木桶的最短木板。如圖9所示，當(dāng)田莊煤礦沉陷盆地積水量超過盆地積水承載容積，則積水會從盆地邊界最低高程點溢出，形成地表漫流。盆地邊界最低高程點決定了沉陷盆地積水出水口，在獲取盆地邊界最低點高程的基礎(chǔ)上，才能計算沉陷盆地的最大匯水量大小，即沉陷盆地積水承載力。本研究通過將排除地下水出露后的沉陷柵格與原始DEM疊加后提取沉陷邊界高程，逐個盆地搜尋邊界最低高程點，并對沉陷盆地按照邊界最低點高程進(jìn)行沉陷體積統(tǒng)計運(yùn)算，最后得到流域范圍2009年沉陷盆地積水承載力為418.2萬m3，2015年為880.8萬m3。

圖9 地表漫流

3.6 流域沉陷積水結(jié)果分析

流域內(nèi)多年平均年降水量為700.1 mm，混合產(chǎn)流區(qū)徑流系數(shù)為0.2～0.4[14]，結(jié)合流域受影響匯水面積，按(2)式計算，可得出大氣降水后通過產(chǎn)匯流流入沉陷盆地的水量：

(2)

式中，h為匯流量，m3；a為影響匯流面積，m2；m為平均年降水量，m；n為徑流系數(shù)。

統(tǒng)計計算得到流域2009年和2015年受影響匯流總量分別為0.58億m3和2.29億m3。而考慮沉陷盆地實際滯留水量時，不能僅考慮流域范圍的匯流量及積水承載力，還需結(jié)合沉陷盆地的自身情況(諸如沉陷位置、沉陷容積和影響匯水面積等)進(jìn)行分析。新驛煤礦由于自身地勢較高無明顯集水區(qū)，雖承載容積較大但卻沒有積水；相反由于許廠煤礦位于河道上，有大面積集水區(qū)形成了大量沉陷積水，就具體沉陷盆地分析的結(jié)果如表1。

表1 沉陷積水結(jié)果分析

從表1中可以看出：隨著沉陷的擴(kuò)大，到2015年沉陷影響的匯水面積有明顯增加，受影響匯流量也隨之增大，但是由于盆地自身承載容積的不足，并不能將匯流來的大氣降水完全容納。位于主河道的沉陷盆地的匯流量超過承載容積后會沿河道下游排泄；獨(dú)立于河道的沉陷盆地的匯流量超過承載容積后，會從沉陷盆地邊界最低高程點流出，形成地表漫流破壞了原始的自然地表徑流，且由于滯留了流域相當(dāng)一部分的水量，進(jìn)而擾亂了流域內(nèi)部自身水循環(huán)，對于水資源利用造成了不利影響。

4 結(jié) 論

以洸府河為研究區(qū)域，創(chuàng)新性地將GIS水文分析方法應(yīng)用于沉陷積水研究，實現(xiàn)了數(shù)字流域模型與采煤沉陷預(yù)計模型的結(jié)合，構(gòu)建了采煤沉陷區(qū)積水計算模型。計算得到流域2009年及2015年采煤沉陷影響匯流面積分別為276.0 km2和1 091.4 km2，影響的大氣降水匯流量為0.58億m3和2.29億m3。但由于沉陷位置不同和沉陷盆地承載力的限制，2009年及2015年實際滯留水量分別僅為286.7萬m3和556.2萬m3，沉陷積水對于流域范圍的原始自然徑流和水循環(huán)都有很大程度的破壞。所構(gòu)建的沉陷積水計算模型可為礦區(qū)沉陷積水治理與水資源保護(hù)利用提供了技術(shù)支持與理論指導(dǎo)。

[1] 葛中華,沈 文.高潛水平原煤礦沉陷積水區(qū)治理研究[J].煤炭學(xué)報,1994(2):182-187. Ge Zhonghua,Shen Wen.Control of catchment area resulted from surface subsidence in plain with high underground water[J].Journal of China Coal Society,1994(2):182-187.

[2] 武 強(qiáng),董東林,傅耀軍,等.煤礦開采誘發(fā)的水環(huán)境問題研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002(1):22-25. Wu Qiang,Dong Donglin,Fu Yaojun.Research on water pollution induced by coal mining[J].Journal of China University of Mining & Technology,2002(1):22-25.

[3] Hu Zhenqi,Xu Xianlei,Zhao Yanling.Dynamic monitoring of land subsidence in mining area from multi-source remote-sensing data-a case study at Yanzhou,China[J].International Journal of Remote Sensing,2012,33(17):5527-5545.

[4] 彭蘇萍,王 磊,孟召平,等.遙感技術(shù)在煤礦區(qū)積水塌陷動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用——以淮南礦區(qū)為例[J].煤炭學(xué)報,2002,27(4):374-378. Peng Suping,Wang Lei,Meng Zhaoping,et al.Monitoring the seeper subside in coal district by the remote sensing：examples from Huainan Coal District[J].Journal of China Coal Society,2002,27(4):374-378.

[5] 武彥斌,彭蘇萍,黃 明,等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的沉陷區(qū)水深遙感研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2007(2):41-44. Wu Yanbin,Peng Suping,Huang Ming,et al.Quantitative analysis of water depth in Huainan ponding subsidence based on remote Sensing[J].Coal Geology & Exploraton,2007(2):41-44.

[6] 武彥斌,彭蘇萍,黃 明,等.淮南積水沉陷區(qū)水深遙感定量分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)報,2007(4):537-541. Wu Yanbin,Peng Suping,Huang Ming,et al.Monitoring the seeper subside in coal district by the remote sensing-examples from Huainan coal district[J].Journal of China University of Mining & Technology,2007(4):537-541.

[7] 宋曉猛,張建云,占車生,等.基于DEM的數(shù)字流域特征提取研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2013,32(1)：31-40. Song Xiaomeng,Zhang Jianyun,Zhan Chesheng,et al.Advances in digital watershed features extracting based on DEM[J].Progress in Geography,2013,32(1)：31-40.

[8] 李恩來,李 晶,余 洋,等.濟(jì)寧市煤礦開采誘發(fā)的水環(huán)境問題探討[J].金屬礦山,2013(5):139-143. Li Enlai,Li Jing,Yu Yang,et al.Research on water environment problem induced by coal mining of Jining City[J].Metal Mine,2003(5):139-143.

[9] 徐 翀,孫青言,安士凱,等.采煤沉陷對沉陷區(qū)洼地匯流范圍的影響分析[J].中國水能及電氣化,2013(8):63-69. Xu Chong,Sun Qingyan,An Shikai,et al.Analysis of influence of coal mining subsidence on subsidence area depression land confluence scope[J].China Water Power & Electrification,2013(8):63-69.

[10] 易齊濤,孫鵬飛,謝 凱,等.區(qū)域水化學(xué)條件對淮南采煤沉陷區(qū)水域沉積物磷吸附特征的影響研究[J].環(huán)境科學(xué),2013(10):3894-3903. Yi Qitao,Sun Pengfei,Xie Kai,et al.Impact of regional water chemistry on the phosphorus isothermal adsorption of the sediments in the three subsidence waters of the Huainan Mine areas[J].Environmental Science,2013,34(10):3894-3903.

[11] 李金明.淮河中游采煤沉陷區(qū)防洪除澇作用研究[D].北京：中國水利水電科學(xué)研究院,2013. Li Jinming.Study on Flood Storage and Water Logging Control in Middle Course of Huaihe River Mining Subsidence Area[D].Beijing:China Institute of Water Resources and Hydripower Research,2009.

[12] 張 維,楊 昕,湯國安,等.基于DEM的平緩地區(qū)水系提取和流域分割的流向算法分析[J].測繪科學(xué),2012(2):94-96. Zhang Wei,Yang Xin,Tang Guoan,et al.DEM-based flow direction algorithms study on stream extraction and watershed delineation in the low relief areas[J].Science of Surveying and Mapping,2012(2):94-96.

[13] 喬 飛,張萬順,崔 鵬,等.基于DEM和水箱理論識別流域河網(wǎng)方法研究[J].測繪科學(xué),2006(4):95-97. Qiao Fei,Zhang Wanshun,Chui Peng,et al.Research on the recognition of river network of watershed based on DEM and water tank theory[J].Science of Surveying and Mapping,2006(4):95-97.

[14] 包為民,等.水文預(yù)報[M].北京：中國水利水電出版社，2009. Bao Weimin,et al.Hydrological Forecasting[M].Beijing:China Water Power Press,2009.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Construction of Subsidence Waterlog Calculation Model for Coal Mining in Plain Area and the Effect Analysis:A Case Study of Guangfu River

He Qiang Wu Kan Xu Dong

(SchoolofEnvironmentalScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,XuZhou221116，China)

In order to solve the calculation and analysis problems of the waterlog quantity caused by coal mining subsidence in eastern plain,GIS hydrological analysis is innovatively applied to the study of subsidence waterlog to construct the calculation model of water in mining subsidence area.Taking Guangfu River Basin as an example,the catchment area affected by coal mining subsidence of the basin in 2009 and 2015 are respectively calculated as 276.0 km2and 1 091.4 km2,the affected atmospheric precipitation confluence are respectively 58 000 000 m3and 229 000 000 m3,and the actual retention are respectively 2 867 000 m3and 5 562 000 m3.Subsidence water has a large degree of damage to the original natural watershed confluence and water circulation,and the subsidence waterlog calculation model can provide technical support and theoretical guidance for waterlog management and protection of water resources in mining subsidence area.

Mining subsidence,Subsidence waterlog calculation model,Affected catchment area,Waterlog bearing capacity

2014-11-04

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAC04B03)。

何 強(qiáng)(1991—)，男，碩士研究生。

TD82，TD325.2

A

1001-1250(2015)-03-173-05