郭巧玲,韓振英,楊琳潔,熊新芝

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454003; 2.河南黃河水文勘測(cè)設(shè)計(jì)院,河南 鄭州 450003)

煤礦開(kāi)采對(duì)窟野河地表徑流影響的水文模擬

郭巧玲1,韓振英1,楊琳潔2,熊新芝1

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454003; 2.河南黃河水文勘測(cè)設(shè)計(jì)院,河南 鄭州 450003)

為了探明煤炭開(kāi)采與窟野河河川徑流減少甚至斷流之間的關(guān)系,利用窟野河控制性水文站——溫家川站1953—2010年逐日流量資料及相關(guān)水文氣象資料,在對(duì)其徑流變化特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)黃河月水量平衡模型模擬定量評(píng)價(jià)煤礦開(kāi)采對(duì)地表徑流的影響。結(jié)果表明：1953年以來(lái),窟野河流域?qū)崪y(cè)徑流量以1979年和1999年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)總體上呈現(xiàn)階段性減少趨勢(shì);人類活動(dòng)對(duì)徑流減少影響的比例由1979—1998年的39.44%快速上升到1999—2010年的56.50%,其中,煤礦開(kāi)采對(duì)徑流的影響量年均值在1999—2010年間達(dá)到29.69 mm,約2.58億m3/a,成為影響窟野河地表徑流減少的主導(dǎo)因素。

窟野河;地表徑流;煤礦開(kāi)采;黃河月水量平衡模型;模型模擬

煤炭開(kāi)采誘發(fā)的地下水位下降、泉水流量銳減或干涸、河水減少甚至斷流、水污染加重等水環(huán)境問(wèn)題十分嚴(yán)重,其中河川徑流減少甚至斷流問(wèn)題尤為突出,已嚴(yán)重影響到礦區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和群眾的生活,使本來(lái)就已十分緊張的區(qū)域水資源供需矛盾更加尖銳,制約著礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。窟野河是黃土高原與毛烏素沙漠過(guò)渡區(qū)流量最大的河流,也是神府煤田開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境維系的主要水源。近年來(lái),隨著能源化工基地建設(shè)步伐的加快,水資源供需矛盾日益突出,窟野河流量不斷減少,甚至出現(xiàn)了連續(xù)斷流現(xiàn)象。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),2000年斷流75 d,2001年斷流106 d,2002年斷流220 d,2003—2005年每年斷流都超過(guò)100 d;2000—2008年與1956—2000年相比,窟野河年平均徑流量減少了71.5%。范立民[1]分析認(rèn)為,除氣候變化等自然原因外,20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始的煤炭開(kāi)發(fā),尤其是20世紀(jì)90年代以來(lái)的高強(qiáng)度采煤,是造成窟野河流量衰減和斷流的主要原因;劉二佳等[2]采用多元線性回歸方法分析認(rèn)為1997—2005年間煤炭開(kāi)采對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率達(dá)52.27%;蔣曉輝等[3]通過(guò)月水量平衡模擬發(fā)現(xiàn)1997—2006年間由于煤炭開(kāi)采導(dǎo)致的徑流減少占該階段徑流變化的54.8%;吳喜軍等[4]采用逐步回歸法分離了降雨、水保措施和煤炭開(kāi)采量對(duì)徑流的影響,指出1999—2010年煤炭開(kāi)采造成的徑流減少占該階段徑流減少的19%；邢肖鵬等[5]通過(guò)月水量平衡模型模擬了窟野河流域徑流過(guò)程,取得較好的效果。本文通過(guò)黃河月水量平衡模型模擬定量研究煤礦開(kāi)采對(duì)窟野河地表徑流的影響,以期為礦區(qū)流域水資源的合理開(kāi)采,實(shí)現(xiàn)水資源、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與煤炭資源開(kāi)發(fā)并舉的目標(biāo),提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 流域概況

窟野河是黃河中游河口鎮(zhèn)—龍門區(qū)間右岸一級(jí)支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的巴定溝，經(jīng)神木縣石圪臺(tái)進(jìn)入陜西境內(nèi)，于神木縣賀家川鄉(xiāng)沙峁頭村匯入黃河。流域地理位置在東經(jīng)109°28′～110°52′、北緯38°23′～39°52′之間,干流全長(zhǎng)241.8 km,流域面積約8 706 km2,其支流中流域面積在100～500 km2的有13條,1 000～5 000 km2的有2條[6]。支流餑牛川與干流的交匯口以上為烏蘭木倫河,交匯口以下稱窟野河[7]。流域氣候?qū)俑珊?、半干旱大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫7.9℃,多年平均降水量386 mm,汛期(6—9月)降水量占年降水量的78.7%,多以暴雨形式出現(xiàn)[8]。流域下墊面條件復(fù)雜,上游是風(fēng)沙草原區(qū),中下游是黃土溝壑區(qū),土質(zhì)疏松,土壤瘠薄,地表植被稀少,水土流失嚴(yán)重[9],是黃河中游水土流失嚴(yán)重的一條多沙粗沙支流[10]。

窟野河流域煤炭資源豐富,著名的神府東勝特大煤田貫穿流域中部。據(jù)地質(zhì)勘探部門查明,神府東勝煤田儲(chǔ)量占全國(guó)已探明的1/4[4],分布面積達(dá)26 565 km2,列入近期開(kāi)發(fā)的礦區(qū)面積為2 756 km2,其中位于窟野河流域的礦區(qū)面積2 482 km2,主要分布在轉(zhuǎn)龍灣至神木縣區(qū)間的干流及支流烏蘭木倫河兩側(cè)[11],礦區(qū)煤炭具有埋藏淺、易開(kāi)采、煤質(zhì)優(yōu)的特點(diǎn)[2]。

2 窟野河徑流變化與煤炭開(kāi)采量關(guān)系分析

窟野河流域出口控制站——溫家川站年徑流量呈遞減趨勢(shì),線性趨勢(shì)系數(shù)為-0.125(圖1)。繪制溫家川站降水-徑流雙累積曲線如圖2所示,由圖2可知人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的階段性變化:曲線的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是1979年,斜率從0.016 9減低到0.013 8,表明人類活動(dòng)對(duì)河川徑流產(chǎn)生一定影響;第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是1999年,斜率由0.0138降低為0.004 2,斜率的明顯減小說(shuō)明在此之后人類活動(dòng)的急劇增強(qiáng)。通過(guò)計(jì)算,1953—1978年平均年徑流量7.34億m3,1979—1998年為5.35億m3,而1999—2010年是1.66億m3,據(jù)此,可以將時(shí)間序列劃分為1953—1978年、1979—1998年和1999—2010年3 個(gè)時(shí)期。1979—1998年徑流的減少和該時(shí)期開(kāi)展大規(guī)模的水土流失治理有關(guān),20世紀(jì)60和70年代流域內(nèi)各種水土保持措施(梯田、造林、種草、壩地)年平均累積治理面積279 km2, 80和90年代迅速增長(zhǎng)到1 559 km2[12]。1999—2010年徑流的減少和流域內(nèi)煤礦開(kāi)采量大幅度增加有關(guān)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),1991年,窟野河流域原煤產(chǎn)量625萬(wàn)t,2010年為12 388萬(wàn)t,是1991年的19.82倍。年均原煤產(chǎn)量由20世紀(jì)90年代的900萬(wàn)t迅速增加到2000—2010年的5 548萬(wàn)t。20世紀(jì)90年代以來(lái)窟野河流域的原煤產(chǎn)量與徑流變化關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖1 溫家川站年徑流量變化趨勢(shì)

圖2 降水-徑流雙累計(jì)曲線

圖3 窟野河流域年徑流量與年煤產(chǎn)量

3 煤礦開(kāi)采對(duì)地表徑流影響模擬

3.1 煤礦開(kāi)采對(duì)徑流的影響機(jī)制

3.2 黃河月水量平衡模型

3.2.1 模型原理

黃河月水量平衡模型是以水量平衡原理為基礎(chǔ)研制的一種概念性水文模型。該模型以逐時(shí)段降水量、氣溫和水面蒸發(fā)等氣象因子為輸入,根據(jù)各水文要素間的關(guān)系,概化成經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)模擬流域水文過(guò)程,在黃河中游得到較好的應(yīng)用。模型考慮了3種徑流成分:地表徑流、地下徑流和融雪徑流。計(jì)算時(shí),首先計(jì)算3種水源,然后根據(jù)水量平衡原理計(jì)算時(shí)段下滲量、流域?qū)嶋H蒸散發(fā)和土壤蓄水量,具體計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。

3.2.2 模型參數(shù)率定

目標(biāo)函數(shù)選擇對(duì)參數(shù)優(yōu)選結(jié)果至關(guān)重要[15],在一定程度上決定了模型的擬合精度。為方便模型在不同流域內(nèi)應(yīng)用情況的比較,Nash-Sutcliffe提出了一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),其表達(dá)式[16]為

(1)

式中:R0為效率系數(shù);Qobsi為實(shí)測(cè)徑流量;Qsimi為模擬徑流量;Qbari為實(shí)測(cè)流量的平均值;N為樣本數(shù)。該系數(shù)在0～1之間變化。

模型的率定還需利用平均相對(duì)誤差Re,以保證模擬過(guò)程中的水量平衡[3]。其計(jì)算式為

(2)

式中:Qsim為模擬的平均年徑流量;Qobs為實(shí)測(cè)的平均年徑流量。

顯然,Nash-Sutcliff標(biāo)準(zhǔn)越接近1,同時(shí)相對(duì)誤差越接近0,則模擬效果越好。對(duì)于水文過(guò)程模擬,一般認(rèn)為R0>60%同時(shí)Re<10%時(shí),模型合格。

3.2.3 模型檢驗(yàn)

為消除人為給定模型狀態(tài)變量初始值的影響,將資料系列的第1年作為預(yù)熱期。預(yù)熱期后的資料分為率定期和檢驗(yàn)期,率定期用于模型參數(shù)優(yōu)選,檢驗(yàn)期用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐庋有Ч?只有在率定期和檢驗(yàn)期模擬精度都滿足要求的情況下才認(rèn)為模型合格。

降水、蒸發(fā)和氣溫等氣象資料利用中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中的榆林氣象站資料經(jīng)計(jì)算獲得,流量資料采用溫家川水文站實(shí)測(cè)月流量資料,對(duì)溫家川1953—1978年(代表天然狀況下流域產(chǎn)匯流狀況)月流量進(jìn)行模擬。以1953—1966年為率定期,1967—1978年為驗(yàn)證期。率定期和檢驗(yàn)期的月徑流模擬效率系數(shù)分別是71.42%和82.29%,都在70%以上;相對(duì)誤差分別為-4.14%和2.71%,控制在5%以內(nèi),模擬效果較好。

4 結(jié)果分析

根據(jù)前面降水-徑流雙累積曲線揭示的人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的階段性變化及實(shí)地調(diào)查情況,將1953—1978年(基準(zhǔn)期)認(rèn)為是沒(méi)有人類活動(dòng)影響時(shí)期,用于優(yōu)化模型參數(shù),利用得到的模型參數(shù)模擬出1979—2010年(影響期)的徑流量(表1)。影響期的實(shí)測(cè)徑流量與基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)徑流量之差包括兩部分:一是人類活動(dòng)影響部分,該部分由影響期還原的天然徑流量與相應(yīng)時(shí)期的實(shí)測(cè)徑流量計(jì)算;二是氣候影響部分,該部分為影響期還原的天然徑流量與基準(zhǔn)期的差值。在整個(gè)人類活動(dòng)影響期,人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面,一是造林種草、修建梯田和淤地壩等水土保持措施,二是大規(guī)模的煤礦開(kāi)采。在1979—1998年和1999—2010年2個(gè)時(shí)段,氣候變化對(duì)年徑流變化的影響量分別為13.16 mm和27.61 mm,貢獻(xiàn)率分別為60.56%和43.50%;而人類活動(dòng)對(duì)年徑流變化的影響量分別為8.57 mm和35.86 mm,貢獻(xiàn)率分別為39.44%和56.50%,氣候變化對(duì)徑流的影響呈減小趨勢(shì),而人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響呈增加趨勢(shì)。

表1 人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)窟野河年徑流量減少的貢獻(xiàn)程度估算

在窟野河流域,水土保持綜合治理在20世紀(jì)70年代進(jìn)入高潮,20世紀(jì)80和90年代水土保持對(duì)徑流減少起到重要作用[14]。20世紀(jì)90年代末以來(lái),神府東勝煤礦開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)采,導(dǎo)致了徑流的進(jìn)一步減少。以1979—1998年的水土保持期為基準(zhǔn)期,用黃河月水量平衡模型模擬1979—1998年的徑流量,再用此階段的參數(shù)還原1999—2010年煤炭開(kāi)發(fā)期的徑流(表2)?？梢钥闯?1999—2010年煤炭開(kāi)采對(duì)年徑流的平均影響量為29.69 mm,約2.58億m3/a,占該時(shí)段變化量的71.13%,成為影響窟野河地表徑流的主導(dǎo)因素。

表2 煤炭開(kāi)采對(duì)徑流的影響

5 結(jié) 語(yǔ)

自1953年以來(lái),窟野河流域徑流量呈明顯遞減趨勢(shì)。降水-徑流雙累積曲線揭示人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的階段性變化出現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),分別是1979年和1999年。導(dǎo)致徑流迅速遞減的主要原因是人類活動(dòng),人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的比例由1979—1998年的39.44%快速上升到1999—2010年的56.50%。人類活動(dòng)中的煤礦開(kāi)采是影響窟野河徑流銳減的主導(dǎo)因素,其對(duì)徑流的影響量平均值在1999—2010年達(dá)到29.69 mm,約2.58億m3/a,占該時(shí)段變化量的71.13%,成為影響窟野河地表徑流的主導(dǎo)因素。

模型模擬過(guò)程中,人類活動(dòng)僅考慮了水土保持和煤礦開(kāi)采。在實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)相關(guān)工業(yè)發(fā)展、河道采砂和農(nóng)業(yè)灌溉等也會(huì)對(duì)地表徑流產(chǎn)生一定的影響,因此,本研究結(jié)果只是一個(gè)粗略估算。為了探明煤礦開(kāi)采對(duì)地表徑流的影響,除了進(jìn)行模型模擬外,還應(yīng)加強(qiáng)機(jī)理研究,通過(guò)水化學(xué)分析及同位素示蹤等技術(shù),進(jìn)一步探明煤礦開(kāi)采對(duì)地表徑流影響的機(jī)理,為礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐。

[1] 范立民.陜北地區(qū)采煤造成的地下水滲漏及其防治對(duì)策分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2007,34(5):62-64.(FAN Limin.Analysis of groundwater seepage caused by coal mining and countermeasures for prevention and control in Northern Shaanxi Region[J].Mining Safety & Environmental Protection,2007,34(5):62-64.(in Chinese))

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Hydrological simulation of impacts of coal mining on surface runoff in Kuye River//

GUO Qiaoling1, HAN Zhenying1, YANG Linjie2, XIONG Xinzhi1
(1.InstituteofResourceandEnvironment,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China; 2.HenanYellowRiverHydrologicalSurveyandDesignInstitute,Zhengzhou450003,China)

In order to make clear the relationship between coal mining and runoff reduction or even drying-up of the Kuye River, China, we analyzed the variation characteristics of runoff with the daily runoff data and related hydrometeorology data from 1953 to 2010 of the Wenjiachuan station, a control hydrological station at the Kuye River. Then, the impacts of coal mining on surface runoff are quantitative simulated by using monthly water balance model of the Yellow River. The results indicate that the measured runoff data generally present a phase-decreasing trend over the last 60 years with turning points in 1979 and 1999. The runoff reduction ratio due to human activities was 39.44% during the period from 1979 to 1998, and it quickly increased to 56.50% during the period from 1999 to 2010, in which the annual average runoff value affected by coal mining reached 29.69 mm, which is equivalent to approximately 2.58×108m3/year. That is, human activities have become the dominant factor causing reduction of surface runoff in the Kuye River.

Kuye River; surface runoff; coal mining; monthly water balance model of Yellow River; model simulation

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(41201020)

郭巧玲(1978—),女,陜西華陰人,副教授,博士,主要從事水文水資源研究。E-mail:guoqiaoling@hpu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.04.005

TV121+.2

A

1006-7647(2015)04-0019-05

2014-08-24 編輯：熊水斌)