西淝河采煤沉陷區(qū)水環(huán)境特征分析及水質(zhì)預(yù)測(cè)

摘要：引江濟(jì)淮工程的西淝河線路穿過潘謝礦區(qū)的西淝河采煤沉陷區(qū)（主要包括張集洼地、謝橋洼地等沉陷洼地）和港河下游的姬溝湖、西淝河下游的花家湖等天然湖泊，它是江水北送段的水量調(diào)蓄區(qū)之一。為保障西淝河線水質(zhì)安全和水量充沛，根據(jù)引江濟(jì)淮工程前期研究，當(dāng)西淝河線取水口水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，優(yōu)先利用淮河干流調(diào)蓄，啟用西淝河泵站直接從淮河干流抽水；當(dāng)遭遇淮河干流污染團(tuán)或水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時(shí)，暫停從淮河干流抽水，利用西淝河采煤沉陷區(qū)所蓄清水，抽水北送。為了研究西淝河采煤沉陷區(qū)作為調(diào)蓄區(qū)的可能性，開展西淝河采煤沉陷區(qū)水環(huán)境特征分析，預(yù)測(cè)西淝河下游水質(zhì)。采用一二維耦合水動(dòng)力-水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，針對(duì)西淝河采煤塌陷區(qū)現(xiàn)狀地形沉陷情景，開展不同來流條件的塌陷區(qū)水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)，對(duì)采煤沉陷區(qū)水質(zhì)進(jìn)行分析，為引江濟(jì)淮江水北送段工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：西淝河采煤沉陷區(qū)；一二維耦合水動(dòng)力-水質(zhì)數(shù)學(xué)模型；水環(huán)境特征；水質(zhì)預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）01-0-05

Analysis of Water Environment Characteristics and Water Quality Prediction in the Coal Mining Subsidence Area of Xifei River

Abstract： The Xifei River route of the Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project passes through the Xifei River coal mining subsidence area in the Panxie mining area （mainly including Zhangji Depression， Xieqiao Depression， and other subsidence depressions）， as well as natural lakes such as Jigou Lake in the lower reaches of the Ganghe River and Huajia Lake in the lower reaches of the Xifei River， it is one of the water regulation and storage areas in the North Water Diversion Section of Yangtze River. In order to ensure the water quality safety and abundant water volume of the Xifei River line， according to the preliminary research of the Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project， when the water quality at the water intake of the Xifei River line reaches the Class Ⅲ standard for surface water， priority will be given to using the main stream of the Huai River for regulation and storage， and the Xifei River pumping station will be used to directly pump water from the main stream of the Huai River; when encountering pollution or substandard water quality in the main stream of the Huai River， pumping water from the main stream of the Huai River will be suspended， and the water stored in the coal mining subsidence area of the Xifei River will be used to pump water northward. In order to study the possibility of using the Xifei River coal mining subsidence area as a storage area， an analysis of the water environment characteristics of the Xifei River coal mining subsidence area is conducted to predict the water quality downstream of the Xifei River. Using a one-dimensional and two-dimensional coupled hydrodynamic water quality mathematical model， different inflow conditions are used to simulate and predict the water quality of the subsidence area in the Xifei River coal mining subsidence zone， and the water quality of the subsidence area is analyzed to provide basic data support for the North Water Diversion Project from the Yangtze River to the Huaihe River.

Keywords： Xifei River coal mining subsidence area; one-dimensional and two-dimensional coupled hydrodynamic water quality mathematical model; water environmental characteristics; water quality prediction

西淝河采煤沉陷區(qū)包括張集礦、謝橋礦采煤活動(dòng)形成的張集洼地、謝橋洼地等沉陷洼地，均位于淮南市潘謝礦區(qū)，其開采沉陷現(xiàn)狀及未來沉陷發(fā)展趨勢(shì)與潘謝礦區(qū)的資源稟賦、開采情況及計(jì)劃、地表沉陷規(guī)律等緊密相關(guān)[1-2]。潘謝礦區(qū)采煤沉陷在地表空間上是連續(xù)、漸變的，而且礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀沉陷洼地在空間分布上較為集中，對(duì)于西淝河采煤沉陷區(qū)，如果單獨(dú)考慮張集洼地、謝橋洼地未來的沉陷發(fā)展，難以準(zhǔn)確把握沉陷范圍及其與周邊洼地的動(dòng)態(tài)發(fā)展關(guān)系[3-4]。因此，有必要將西淝河采煤沉陷區(qū)所在的潘謝礦區(qū)作為研究區(qū)，調(diào)查礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)有洼地、水系的水質(zhì)特征、沉陷情況及空間分布關(guān)系，采用一二維耦合水動(dòng)力-水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，針對(duì)西淝河采煤塌陷區(qū)現(xiàn)狀地形沉陷情景，開展不同來流條件下塌陷區(qū)水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)，對(duì)采煤沉陷區(qū)水質(zhì)進(jìn)行分析，為引江濟(jì)淮江水北送段工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 技術(shù)方法

MIKE11軟件是丹麥水力研究所開發(fā)的水動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)于一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)仿真具有很好的模擬效果[5]。平面二維非恒定流計(jì)算的控制方程為沿水深積分平均的Navier-Stokes方程，包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程。

1.1 水動(dòng)力模型控制方程

河道水動(dòng)力過程可描述為符合有關(guān)物理定律的Saint-Venant方程組，包括連續(xù)方程（質(zhì)量守恒定律）和動(dòng)量方程（牛頓第二定律），如式（1）和式（2）所示。

式中：Q為斷面流量；x為河道縱向坐標(biāo)；Bt為河寬與附加灘地寬度之和；Z為水位；t為時(shí)間；q為單位河長(zhǎng)的旁側(cè)入流量；u為過水?dāng)嗝嫫骄魉伲籫為重力加速度；A為過水?dāng)嗝婷娣e；B為河寬；n為

1.2 一維河網(wǎng)水質(zhì)模型計(jì)算方法

污染物進(jìn)入水體后的遷移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化是通過污染物與水體之間復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物等作用實(shí)現(xiàn)的。這一復(fù)雜的物理、化學(xué)與生物過程可用對(duì)流擴(kuò)散反應(yīng)方程來描述，對(duì)于橫、垂皆平均的縱向一維模型來說，其控制方程如式（3）所示。

式中：C為水深平均污染物濃度；D為各污染物彌散系數(shù)；K為污染物的衰減系數(shù)；C0為源匯污染物濃度。

2 西淝河采煤沉陷區(qū)水質(zhì)預(yù)測(cè)

2.1 現(xiàn)狀沉陷分析及污染源設(shè)置

依據(jù)周邊湖洼沉陷狀況數(shù)據(jù)，西淝河采煤沉陷區(qū)主要包括謝橋洼地、張集洼地等沉陷洼地，如圖1所示。西淝河采煤沉陷區(qū)潛水埋藏深度約為1.5 m，煤炭開采后發(fā)生沉陷，地表極易形成積水。截至2019年底，張集礦區(qū)內(nèi)沉陷面積約為37.4 km2，積水面積約為20.6 km2，積水面積占沉陷面積的55%；謝橋礦區(qū)內(nèi)沉陷面積約為22.1 km2，積水面積約為14.5 km2，積水面積占沉陷面積的66%。基于一二維耦合水動(dòng)力-水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，針對(duì)西淝河采煤塌陷區(qū)現(xiàn)狀地形沉陷情景，開展不同來流條件下塌陷區(qū)水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)。由于張集洼地及花家湖塌陷區(qū)邊界有姬溝湖及蘇郢孜兩條主要入湖溝渠，污染物釋放位置設(shè)定為2個(gè)；謝橋洼地邊界處有2處主要匯流通道，污染物釋放位置也設(shè)定為2個(gè)?；瘜W(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）與氨氮（NH3-N）的釋放濃度執(zhí)行Ⅴ類地表水標(biāo)準(zhǔn)，總釋放量分別為2 168.91、67.91 t/a。數(shù)據(jù)主要來源于第二次全國(guó)污染源普查，其他數(shù)據(jù)來源于相關(guān)環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)及地市補(bǔ)充上報(bào)資料。模型水動(dòng)力邊界工況設(shè)置如表1所示。

2.2 水質(zhì)預(yù)測(cè)工況設(shè)置

西淝河泵站設(shè)計(jì)調(diào)水流量為85 m3/s，根據(jù)不同調(diào)水過程（實(shí)際流量分別為設(shè)計(jì)流量的0%、20%、60%、80%和100%）設(shè)置5個(gè)工況，如表1所示，其他邊界條件及初始條件設(shè)置同網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證工況。一維模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取10 min，二維模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取6 min，總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為1年，主要研究采煤塌陷區(qū)COD、NH3-N濃度分布及其隨時(shí)間的變化。

2.3 現(xiàn)狀沉陷地形下2030年水質(zhì)預(yù)測(cè)分析

目前，西淝河采煤沉陷區(qū)沉陷水域的水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類地表水。采煤沉陷區(qū)缺乏連續(xù)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，參照鄰近的西淝河閘下國(guó)控?cái)嗝?018—2021年水質(zhì)逐月監(jiān)測(cè)值，根據(jù)西淝河閘下水質(zhì)數(shù)據(jù)分析采煤沉陷區(qū)的水質(zhì)變化，考慮COD、NH3-N兩個(gè)水質(zhì)指標(biāo)。西淝河閘下斷面水質(zhì)基本保持在Ⅲ～Ⅳ類，因此現(xiàn)狀西淝河采煤沉陷區(qū)水質(zhì)可視為Ⅲ～Ⅳ類。

當(dāng)西淝河不引水時(shí)（工況一），高濃度污染物主要分布在兩條主要入湖溝渠（姬溝湖、蘇郢孜附近）的污染物釋放點(diǎn)周圍，距離污染物釋放點(diǎn)越近，污染物濃度越高，2處點(diǎn)源污染會(huì)影響釋放點(diǎn)局部水體的水質(zhì)，使其超過Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)，但總體影響范圍有限?，F(xiàn)狀西淝河沿線洼地呈狹長(zhǎng)河道形態(tài)，對(duì)于各調(diào)水工況（工況二至工況五），引水流量的對(duì)流效應(yīng)遠(yuǎn)大于點(diǎn)源污染物釋放的擴(kuò)散效應(yīng)，因此張集洼地污染物濃度受調(diào)水流量水質(zhì)影響較大，調(diào)水水質(zhì)主導(dǎo)洼地水質(zhì)，NH3-N及COD濃度均滿足Ⅲ類地表水要求?，F(xiàn)狀情境下，謝橋洼地與張集洼地相對(duì)獨(dú)立，謝橋洼地水動(dòng)力基本不受西淝河調(diào)水影響，各工況水體在兩處污染物釋放點(diǎn)附近的濃度大，遠(yuǎn)離污染物釋放點(diǎn)的位置濃度有所降低，但總體水質(zhì)較差。各工況謝橋洼地污染物濃度分布規(guī)律類似。

為量化分析現(xiàn)狀洼地水體的污染物濃度變化過程，設(shè)置18個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并將其分成西淝河沿線組（1～9號(hào)）、張集洼地內(nèi)部組（10～13號(hào)）、謝橋洼地內(nèi)部組（16～18號(hào)）和濟(jì)河沿線組（14～15號(hào)），如圖1所示。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，選取工況二、工況五分別代表小引水量和大引水量的情況，分析水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處污染物濃度隨時(shí)間的變化，如圖2所示。

洼地出口水質(zhì)情況以6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為代表。對(duì)于張集洼地出口6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，COD、NH3-N濃度先降低后趨于穩(wěn)定，降低速度先慢后快，再緩慢降低，直到平穩(wěn)。達(dá)到穩(wěn)定后，地表水水質(zhì)總體為Ⅲ類。流量為85 m3/s的工況下，快速降低點(diǎn)的時(shí)間要遠(yuǎn)早于流量為17 m3/s的工況，趨于穩(wěn)定后，COD濃度更大。對(duì)于謝橋洼地出口15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，污染物濃度先降低，再趨于平緩。

洼地內(nèi)部以5號(hào)（張集洼地中部）、3號(hào)（花家湖中部）和17號(hào)（謝橋洼地中部）3個(gè)點(diǎn)為代表。

5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度變化趨勢(shì)類似，水體同時(shí)受西淝河引水流速和污染物釋放點(diǎn)的影響，但由于工況五引水流量大，測(cè)點(diǎn)污染物濃度受引水流量影響，迅速降低，達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，洼地內(nèi)部總體水質(zhì)為Ⅲ類。17號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于謝橋洼地西側(cè)的中部，不受外調(diào)水源的影響，測(cè)點(diǎn)水體水質(zhì)受兩個(gè)點(diǎn)源的污染釋放影響明顯，污染物濃度先下降再上升，直至穩(wěn)定，總體水質(zhì)劣于Ⅲ類。闞疃南站（9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）變化趨勢(shì)與塌陷區(qū)出口（6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）類似，達(dá)到穩(wěn)定后，總體水質(zhì)為Ⅲ類。

統(tǒng)計(jì)現(xiàn)狀洼地水體污染物濃度平均值及出口處濃度值，模擬結(jié)果表明，各工況下闞疃南站、張集洼地內(nèi)部、兩個(gè)洼地出口處的COD、NH3-N平均濃度均分別小于20、1 mg/L，達(dá)到Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)。但是，謝橋洼地內(nèi)部水體COD平均濃度均大于20 mg/L，為Ⅳ類地表水標(biāo)準(zhǔn)，謝橋洼地水體污染物濃度對(duì)西淝河調(diào)水量不敏感。

3 結(jié)論

西淝河采煤沉陷區(qū)現(xiàn)狀地表水水質(zhì)為Ⅲ～Ⅳ類，現(xiàn)狀地形條件下，構(gòu)建一二維耦合水質(zhì)模型，模擬2030年西淝河泵站不同調(diào)水過程及特定污染物釋放情景下西淝河下游段（自闞疃南站至西淝河泵站）及塌陷區(qū)水體的COD、NH3-N濃度分布以及其與調(diào)水流量的關(guān)系。結(jié)果表明，各工況下闞疃南站、張集洼地內(nèi)部和兩個(gè)洼地出口處的COD、NH3-N平均濃度均分別小于20、1 mg/L，可達(dá)到Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)。但是，謝橋洼地內(nèi)部水體COD平均濃度均大于20 mg/L，滿足Ⅳ類地表水標(biāo)準(zhǔn)，謝橋洼地水體污染物濃度對(duì)西淝河調(diào)水量不敏感?；诂F(xiàn)狀沉陷條件，分析和預(yù)測(cè)2030年西淝河采煤沉陷區(qū)的水質(zhì)，為引江濟(jì)淮江水北送段調(diào)水工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，這對(duì)加快引江濟(jì)淮工程沿線治污項(xiàng)目的建設(shè)，確定污染物削減指標(biāo)和削減量有指導(dǎo)性意義，對(duì)保障調(diào)水工程水質(zhì)具有重要作用。

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