采煤沉陷對(duì)沉陷區(qū)洼地匯流范圍的影響分析*

徐，孫青言，安士凱，陸垂裕，李 慧，王明娜

(1.煤礦生態(tài)保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232001;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

1 研究背景

地下采煤過(guò)程導(dǎo)致地表沉陷，形成局部洼地，同時(shí)改變地形地貌，使流經(jīng)沉陷區(qū)的河道匯流范圍發(fā)生變化。沉陷區(qū)地表形勢(shì)是隨著煤炭開(kāi)采不斷變化的，這為試圖開(kāi)發(fā)沉陷區(qū)洼地為防洪除澇的水利工程提出了挑戰(zhàn):沉陷區(qū)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和不規(guī)則塌陷改變了河道匯流范圍，使進(jìn)入沉陷區(qū)的暴雨產(chǎn)匯流量隨之發(fā)生變化，進(jìn)一步增大了洪峰和洪量的隨機(jī)性，不利于沉陷區(qū)洼地的防洪調(diào)蓄。因此，有必要深入研究煤炭持續(xù)開(kāi)采條件下地表沉陷對(duì)洼地匯流范圍的影響。

地表沉陷隨煤炭開(kāi)采不斷增加，與地表沉陷有關(guān)聯(lián)的地理要素也隨之變化。因此，應(yīng)從沉陷區(qū)動(dòng)態(tài)發(fā)展的角度研究地表沉陷對(duì)相關(guān)要素的影響。本文提出了一種沉陷區(qū)洼地匯流范圍劃分的新方法，用以完整識(shí)別沉陷區(qū)動(dòng)態(tài)發(fā)展下不斷變化的洼地匯流范圍。沉陷區(qū)洼地的匯流范圍，即降水產(chǎn)流匯入洼地的匯水區(qū)域，也稱為洼地集水區(qū)，隨沉陷面積和深度的增加而變化。分析計(jì)算洼地匯流范圍，不僅能夠?yàn)橥莸胤篮檎{(diào)蓄的產(chǎn)匯流計(jì)算提供所需的基礎(chǔ)資料［1］，而且在研究洼地蓄水的非點(diǎn)源污染時(shí)，也可作為污染物的匯聚范圍，為流域污染物空間分布數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［2-3］，為采煤沉陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境治理提供數(shù)據(jù)支持。

2 研究區(qū)域概述

淮南煤田位于華東腹地的安徽省中北部、淮河中游平原地區(qū)，各礦區(qū)分布于淮河南北兩側(cè)。淮河北側(cè)的潘謝礦區(qū)，面積約1571km2［數(shù)據(jù)來(lái)源:國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì) (發(fā)改能源 ［2004］2301號(hào))《關(guān)于淮南潘謝礦區(qū)總體規(guī)劃的批復(fù)》］，其沉陷區(qū)處于發(fā)展初期，未來(lái)地表大幅沉降必將對(duì)各種自然和人工地物造成重大影響，而且所處地理位置具有一定的代表性，故選為本文的典型研究對(duì)象?，F(xiàn)狀年因采煤形成的地表沉陷區(qū)分為若干部分，東西方向散布于淮河干流北側(cè)，西淝河、永幸河、架河、泥河等主要河流穿流而過(guò)。沉陷區(qū)大部分位于淮南市，小部分延伸至阜陽(yáng)市。沉陷深度大于10mm的總沉陷面積為108.3km2，最大沉陷深度為7.6m(數(shù)據(jù)來(lái)源:《淮南潘謝礦區(qū)采煤沉陷預(yù)測(cè)報(bào)告》，淮南礦業(yè)集團(tuán)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2013年1月)。根據(jù)沉陷區(qū)所處的流域，將沉陷區(qū)分別命名為西淝河沉陷區(qū)、永幸河沉陷區(qū)、架河沉陷區(qū)和泥河沉陷區(qū)。現(xiàn)狀沉陷區(qū)分布如圖1所示。

通過(guò)調(diào)查分析，考慮沉陷區(qū)周邊與洼地蓄水有水力聯(lián)系的區(qū)域，排除其他無(wú)關(guān)聯(lián)區(qū)域，將研究區(qū)域確定為茨淮新河、潁河和淮河干流環(huán)繞的范圍，涉及安徽省的淮南、阜陽(yáng)、蚌埠、亳州四市，所處地理范圍為東經(jīng) 115°44'～ 117°10'、北緯 32°22'～ 33°06'，面積約4012km2，如圖1所示。研究區(qū)域地處淮河中游平原地帶，地勢(shì)低平，歷史上黃河長(zhǎng)期泛濫奪淮，區(qū)域內(nèi)河流水系交錯(cuò)，湖泊洼地眾多;多數(shù)主要河道水流自西北向東南流動(dòng)，最終匯入淮河。區(qū)域水文氣象為我國(guó)南北氣候過(guò)渡帶，年際年內(nèi)變化大。徑流量年內(nèi)分配嚴(yán)重不均且年徑流量豐枯懸殊。水文地質(zhì)條件受區(qū)域構(gòu)造及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制，地質(zhì)分區(qū)特征明顯，含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

3 現(xiàn)狀地形與預(yù)測(cè)沉陷的疊加

研究沉陷區(qū)洼地在現(xiàn)狀地形的基礎(chǔ)上隨未來(lái)地表沉陷動(dòng)態(tài)發(fā)展的變化，需要把預(yù)測(cè)沉陷值疊加到現(xiàn)狀地形之上，獲得未來(lái)采煤影響下的預(yù)測(cè)地形，并以此提取預(yù)測(cè)地形沉陷區(qū)洼地的匯流范圍，然后才能對(duì)洼地匯流范圍的變化進(jìn)行比較分析。為了更方便地使用空間分析軟件，本研究從“國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(http://datamirror.csdb.cn/)”獲取了研究區(qū)域2010年30m×30m分辨率的DEM作為現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)。

規(guī)劃年地表沉陷根據(jù)煤炭開(kāi)采規(guī)劃采用概率積分法預(yù)測(cè)［4-5］。按概率積分法的基本原理，在傾斜煤層中開(kāi)采某單元i引起地表任意點(diǎn) (x，y)的下沉 (最終值)為:

圖1 研究區(qū)域范圍及現(xiàn)狀沉陷區(qū)分布

式中 W0——該地質(zhì)采礦條件下的最大下沉值，

W0=mqcosα，其中 m為煤層厚度，

q為下沉系數(shù)，α為煤層傾角;

D——積分區(qū)域，是煤層開(kāi)采范圍d在水平面的投影。

模型使用前需要量算的參數(shù)有:下沉系數(shù)q、水平移動(dòng)系數(shù)B、tanβ和最大下沉角θ。

開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)成果是在現(xiàn)狀地表的基礎(chǔ)上，以2020年、2030年地表沉陷等值線 (負(fù)值)的形式表現(xiàn)出來(lái)的，如圖2所示。沉陷邊界線的沉陷深度為10mm，小于10mm的沉陷不計(jì)入沉陷范圍;等值線

式中 r——主要影響半徑，r=H0/tanβ，其中 H0為平均采深，β為主要影響范圍角;

li=Hicotθ，其中Hi為i單元中心點(diǎn)的深度，θ為最大下沉角;

(xi，yi)——i單元中心點(diǎn)的平面坐標(biāo);

(x，y)——地表任意一點(diǎn)的平面坐標(biāo)。

圖2 規(guī)劃年地表沉陷等值線

設(shè)單層傾斜煤層開(kāi)采范圍為d，則地表任一點(diǎn)的下沉量為數(shù)值間隔為1m。預(yù)測(cè)2020年沉陷區(qū)總面積為240.48km2，最大沉陷等值線深度為12m;2030年沉陷區(qū)總面積擴(kuò)大為331.88km2，最大沉陷等值線深度為15m。

把現(xiàn)狀地形與預(yù)測(cè)的地表沉陷值在同一空間坐標(biāo)系內(nèi)疊加，形成各規(guī)劃年包括地表沉陷在內(nèi)的地形數(shù)據(jù)?，F(xiàn)狀地形與預(yù)測(cè)沉陷疊加的過(guò)程如圖3所示。該過(guò)程在ArcGIS上實(shí)現(xiàn)，具體操作過(guò)程分兩步:①將CAD沉陷等值線圖轉(zhuǎn)化為沉陷區(qū)柵格數(shù)據(jù);②將沉陷區(qū)柵格數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀DEM進(jìn)行疊加。

圖3 現(xiàn)狀地形與預(yù)測(cè)沉陷的疊加過(guò)程 (以2030年沉陷預(yù)測(cè)為例值)

4 地表沉陷對(duì)沉陷區(qū)洼地匯流范圍的影響

洼地和水庫(kù)的不同在于:水庫(kù)是在河道上建造攔河壩進(jìn)行徑流調(diào)蓄，大壩閘門關(guān)閉情況下能在壩體上游形成一定的水面和蓄水量，閘門開(kāi)啟后水位下降，可以逐漸恢復(fù)為原來(lái)的河道;而洼地一般獨(dú)立于河道存在，具有一定的面積和深度，即使在沒(méi)有人工的控制情況下，仍然能自動(dòng)從連通的河道中引入水量，自然滿溢，其蓄水量隨著豐枯季節(jié)的變化而增減。盡管如此，洼地匯流和水庫(kù)匯流仍具有一定的相似性。水庫(kù)的控制流域以攔河壩為流域出口，降水通過(guò)產(chǎn)匯流進(jìn)入水庫(kù)，在大壩閘門流出;洼地則以向河道的排水口為流域出口，降水也通過(guò)產(chǎn)匯流進(jìn)入洼地，最后在洼地排水口流出。這樣，隨著沉陷區(qū)面積的增大，洼地的排水口會(huì)發(fā)生變化，洼地匯流范圍則會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

本研究中的洼地匯流范圍借助ArcSWAT的集水區(qū)劃分工具確定［6-7］。集水區(qū)的確定主要是確定水系上的出水口，出水口一旦確定下來(lái)，ArcSWAT便會(huì)自動(dòng)生成該出水口以上的集水區(qū)。為了探究地表沉陷對(duì)河道匯流范圍的影響，計(jì)算沉陷區(qū)洼地的集水面積，本文提出一種沉陷區(qū)洼地集水區(qū)出水口的確定方法:單片沉陷區(qū)邊界線與河道有多個(gè)交點(diǎn)，取河道最下游的交點(diǎn)為出水口。通過(guò)該方法確定的出水口生成的匯流范圍，不但能夠體現(xiàn)沉陷發(fā)展對(duì)河流集水區(qū)變化的影響，而且能夠完整地確定沉陷區(qū)洼地的匯流范圍，使洼地匯流不丟失任何一塊面積。如果把該方法確定的出水口向下游移動(dòng)，則會(huì)把一部分不屬于洼地匯流范圍的面積包括進(jìn)去，而且不利于分辨沉陷區(qū)變化對(duì)河流匯流的影響;反之，若把該出水口向上游移動(dòng)，則會(huì)丟失一部分洼地的匯流面積，使洼地匯流計(jì)算失去可靠性。上述方法為研究地表沉陷影響下河道匯流的演變提供了基礎(chǔ)性的技術(shù)支持，具有理論上的合理性和實(shí)際上的可操作性。

現(xiàn)狀年沉陷區(qū)并未連成一片，因此需要分別確定各沉陷區(qū)洼地集水區(qū)的出水口，然后以此劃分集水區(qū)。以西淝河流域?yàn)槔F(xiàn)狀年西淝河流域有兩片尚未連接的地表沉陷洼地，分別位于干流及其支流濟(jì)河，按照上述方法分別提取集水區(qū)。西淝河流域面積1391.0km2，自流域出口上溯第一片沉陷區(qū)洼地為“洼地一”，其集水區(qū)出水口位于干流，集水區(qū)面積1325.85km2;第二片為“洼地二”，其集水區(qū)出水口位于支流，集水區(qū)只包含在支流濟(jì)河流域內(nèi)，面積524.31km2。

圖4 現(xiàn)狀年西淝河流域及各沉陷區(qū)洼地集水區(qū)

其他流域沒(méi)有連成一片的沉陷區(qū)洼地，可按照上述方法分別提取匯流范圍。在對(duì)各洼地進(jìn)行洪水調(diào)蓄時(shí)，可參考水庫(kù)群的調(diào)蓄方式。圖4中“洼地一集水區(qū)”為流域最下游洼地的集水區(qū)，其匯流面積最大，稱為最大集水區(qū)。最大集水區(qū)一般能夠覆蓋本流域內(nèi)的所有沉陷區(qū)，使用該集水區(qū)的面積可計(jì)算出每次降雨的最大洼地匯流量，而且能從整體上把握沉陷區(qū)擴(kuò)大、合并對(duì)河流匯流范圍的影響。各流域現(xiàn)狀年和規(guī)劃年沉陷區(qū)洼地最大集水區(qū)如圖5所示，各集水區(qū)面積見(jiàn)下頁(yè)表。

圖5 各流域現(xiàn)狀年和規(guī)劃年沉陷區(qū)洼地最大集水區(qū)

各流域沉陷區(qū)洼地最大集水區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表 單位:km2

地表沉陷導(dǎo)致沉陷區(qū)洼地的匯流范圍產(chǎn)生不同程度的變化，其中以永幸河沉陷區(qū)洼地的匯流范圍變化最大。由于地表大面積沉陷，西淝河通過(guò)其支流港河匯入永幸河，西淝河流域幾乎全部納入了永幸河流域，使得永幸河洼地的匯流范圍劇烈擴(kuò)大，從現(xiàn)狀年的219.98km2增大為2020年的1603.15km2。隨著沉陷區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展變化，永幸河沉陷區(qū)洼地最大集水區(qū)面積略有增加，到2030年，其洼地匯流范圍增大為1621.78km2。

盡管西淝河沉陷區(qū)洼地的匯流面積相對(duì)變化不大，但是洼地集水區(qū)的匯流方向和出水口發(fā)生了本質(zhì)的變化。現(xiàn)狀年洼地集水區(qū)與西淝河流域的匯流方向一致，但到了2020年和2030年，地形變化使西淝河下游段和支流港河下游段的匯流方向發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，出水口也變成了沉陷區(qū)邊界與港河的交點(diǎn)，匯水流出洼地后不是沿西淝河干流直接進(jìn)入淮河干流，而是通過(guò)西淝河支流港河“逆流”入永幸河，間接流入淮河干流。

架河流域沉陷區(qū)洼地最大集水區(qū)面積2020年之前相對(duì)穩(wěn)定，2020年之后有所增大，到2030年擴(kuò)大為68.47km2。泥河流域沉陷區(qū)的擴(kuò)展使得現(xiàn)狀年開(kāi)始的10年內(nèi)洼地最大集水區(qū)面積增大了40km2，之后十年又因黑河流域沉陷區(qū)洼地匯流范圍的擴(kuò)大，擠占了部分泥河沉陷區(qū)洼地集水區(qū)，使其面積又縮小了近20km2，可見(jiàn)泥河流域沉陷區(qū)的匯流范圍變化具有較大的隨機(jī)性?，F(xiàn)狀年黑河流域尚未出現(xiàn)地表沉陷，但是根據(jù)采礦部門的開(kāi)采計(jì)劃，預(yù)測(cè)到2020年，黑河流域也將出現(xiàn)一定程度的地表沉陷，其洼地集水區(qū)為51.07km2，這一數(shù)值將隨著該流域沉陷區(qū)面積的擴(kuò)大進(jìn)一步增大為75.60km2。

從上述分析可以看出，就單個(gè)洼地集水區(qū)而言，沉陷區(qū)的增大未必能使其匯流面積增大，還要看地表沉陷的分布形勢(shì);另外，地表大幅沉陷導(dǎo)致河道匯流范圍劇烈變化，必將引起洪峰洪量的大幅增加，給沉陷區(qū)洼地的防洪調(diào)蓄帶來(lái)巨大壓力。此時(shí)，沉陷區(qū)發(fā)展下的洼地匯流范圍變化研究就顯得極為重要。

5 結(jié)論與展望

煤炭開(kāi)采導(dǎo)致地表沉陷，對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)生產(chǎn)和居民生活產(chǎn)生不利影響，需要加強(qiáng)治理，盡量做到轉(zhuǎn)害為利變廢為寶。將地表沉陷形成的局部低洼地區(qū)改造成防洪除澇的水利工程，就是這種轉(zhuǎn)變的重要舉措。為實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變，首先需要研究洼地的調(diào)控能力和控制范圍。然而，沉陷區(qū)洼地是隨著采煤量的累加逐漸變化的，會(huì)使洼地匯流范圍發(fā)生相應(yīng)的改變。

5.1 研究結(jié)論

現(xiàn)狀地形與預(yù)測(cè)沉陷的疊加方法和ArcSWAT洼地集水區(qū)提取方法的聯(lián)合使用，為分析未來(lái)地表沉陷動(dòng)態(tài)發(fā)展對(duì)沉陷區(qū)洼地匯流范圍變化的影響提供了技術(shù)支持，是一種方法技術(shù)的創(chuàng)新。通過(guò)上述方法的應(yīng)用實(shí)踐，得出如下結(jié)論:

(1)利用空間分析軟件 (ArcGIS)把現(xiàn)狀地形(2010年)和預(yù)測(cè)地表沉陷值 (2020年、2030年)疊加起來(lái)，形成規(guī)劃年的預(yù)測(cè)地形數(shù)據(jù)，用于沉陷區(qū)洼地集水區(qū)的提取。該方法為地表起伏變動(dòng)情況下的地形預(yù)測(cè)提供了技術(shù)支持。

(2)本文提出的沉陷區(qū)洼地集水區(qū)出水口的確定方法，單片沉陷區(qū)邊界線與河道有多個(gè)交點(diǎn)，取河道最下游的交點(diǎn)為出水口。通過(guò)該方法確定的出水口生成的匯流范圍，不但能夠體現(xiàn)沉陷發(fā)展對(duì)河流集水區(qū)變化的影響，而且能夠保持洼地匯流面積的完整性。該方法為研究地表沉陷影響下河道匯流的演變提供了基礎(chǔ)性的技術(shù)支持，具有理論上的合理性和實(shí)際上的可操作性。

(3)借助ArcSWAT的集水區(qū)劃分工具，提取各洼地的匯流范圍，生成各流域洼地的最大集水區(qū)。結(jié)果表明:西淝河流域并入永幸河流域，導(dǎo)致永幸河洼地集水區(qū)劇增，從現(xiàn)狀年的219.98km2增大為2030年的1621.78km2;西淝河流域沉陷區(qū)洼地最大集水區(qū)面積相對(duì)變化不大，但集水區(qū)出水口移至其支流港河之上;架河洼地匯流面積規(guī)劃期前十年變化不大，后十年從52.47km2增大為68.47km2;泥河流域沉陷區(qū)匯流面積變化具有較大的隨機(jī)性，從現(xiàn)狀年的251.70km2增加為2020年的291.85km2，之后又減小為2030年的272.14km2;黑河流域自出現(xiàn)地表沉陷后，洼地集水區(qū)逐年增大，從2020年的51.07km2增大為2030年的75.60km2。洼地匯流面積的分析計(jì)算為洼地防洪調(diào)蓄以及洼地蓄水非點(diǎn)源污染分析提供了有用的資料。

5.2 展望

本文研究的地表沉陷動(dòng)態(tài)發(fā)展對(duì)沉陷區(qū)洼地匯流范圍的影響對(duì)其他類似地區(qū)具有參考價(jià)值。該研究借助了強(qiáng)大的空間分析工具，應(yīng)用了合理的分析處理方法，獲得了有價(jià)值的成果。但是仍有以下方面有待進(jìn)一步完善:

(1)研究區(qū)域處于平原區(qū)，河道水系縱橫交錯(cuò)，各大流域彼此相通，而通過(guò)ArcSWAT提取的不同集水區(qū)之間在匯流上沒(méi)有水力聯(lián)系，這與實(shí)際不符。因此，下一步的研究應(yīng)把流域間的河道連通考慮進(jìn)去，使沉陷區(qū)發(fā)展對(duì)洼地集水區(qū)的影響分析更貼近實(shí)際。

(2)沉陷區(qū)沉陷深度等值線每個(gè)規(guī)劃年只給出了一種情況 (一幅沉陷等值線圖)，對(duì)未來(lái)地形的預(yù)測(cè)僅能得到一種結(jié)果，這實(shí)際上是不妥當(dāng)?shù)?，因?yàn)橛绊懙乇沓料莸囊蛩厥謴?fù)雜，地表沉陷值不可能唯一確定，應(yīng)提供一定的沉陷值浮動(dòng)區(qū)間及其配套的若干張等值線圖。這樣，可生成多種可能的地形數(shù)據(jù)，使提取的洼地集水區(qū)盡可能涵蓋未來(lái)各種變化的可能。

(3)本研究分析計(jì)算得到的沉陷區(qū)洼地的匯流范圍作為防洪計(jì)算和非點(diǎn)源污染分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將在下一階段洼地的防洪除澇潛力研究和洼地蓄水非點(diǎn)源污染研究中得以應(yīng)用，使該研究的成果切實(shí)發(fā)揮作用。

［1］葉守澤，詹道江．工程水文學(xué)［M］．第三版．北京:中國(guó)水利水電出版社，2005:74-114．

［2］范麗麗，沈珍瑤，劉瑞民，等．基于SWAT模型的大寧河流域非點(diǎn)源污染空間特性研究［J］．水土保持通報(bào)，2008，28(4):133-137．

［3］邢可霞，郭懷成，孫延楓，等．流域非點(diǎn)源污染模擬研究——以滇池流域?yàn)槔跩］．地理研究，2005，24(4):549-558．

［4］劉寶琛，廖國(guó)華．煤礦地表移動(dòng)的基本規(guī)律［M］．北京:中國(guó)工業(yè)出版社，1965:138-175．

［5］何國(guó)清，楊倫，凌賡娣，等．礦山開(kāi)采沉陷學(xué)［M］．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991:118-147．

［6］NEITSCH S L，AMNOLD J G，KINIRY J R，等．SWAT 2009理論基礎(chǔ)［M］．龍愛(ài)華，鄒松兵，徐寶榮，等，譯．鄭州:黃河水利出版社，2012．

［7］WINCHELL M，SRINIVASAN R，DI LUZIO M，等．ArcSWAT 2009用戶指南［M］．鄒松兵，陸志翔，龍愛(ài)華，等，譯．鄭州:黃河水利出版社，2012:36-54．