采煤沉陷区分布式水循环模型研究

发布时间：2018-03-20 03:21

  本文选题：采煤沉陷区　切入点：分布式水循环模型　出处：《中国水利水电科学研究院》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：利用采煤形成的沉陷区建设平原区蓄水工程,从矿业发展和水资源开发利用两方面取得双赢的思路进行采煤沉陷区的综合治理是一个崭新的思路。但由于研究的综合性强、难度大,且正处于探索阶段,相关基础研究比较薄弱和零散,可借鉴的成果不多。特别是对采煤沉陷区积水机制和水循环整体过程缺乏清晰的认识,尚未形成十分可靠的理论基础和定量技术体系以指导沉陷区治理与水资源综合利用实践。本文以煤炭储量丰富且洪涝灾害频发的淮河流域浅地下水埋深采煤沉陷区——淮南矿区为例,从沉陷区水循环模拟研究出发,建立了分布式水循环模拟模型,对采煤沉陷区水循环机理及蓄洪除涝效应开展相关研究,以明晰采煤沉陷区水分转化过程及规律、沉陷区积水机制等,并评估采煤沉陷区的发展对区域防洪除涝效应的影响,为采煤沉陷区的综合治理和水资源利用提供理论支持及定量依据。论文的主要研究成果如下：(1)构建了淮南采煤沉陷区分布式“河道-沉陷区-地下水”耦合模拟模型从采煤沉陷区水平衡机制出发,全面考虑了沉陷区积水区与未积水区的各水循环分项过程,开发了物理机制较强的分布式“河道-沉陷区-地下水”耦合模拟模块,该模块耦合了河道地表水、沉陷区积水、地下水及土壤水等水文过程。以淮南采煤沉陷区为研究对象,通过空间数据和水循环驱动因素的处理,开展了淮南采煤沉陷区分布式模拟。结合资料掌握情况,分别从研究区地表水位模拟值与实测值的对比、地下水位模拟值与实测值的对比、水循环水量平衡检验、宏观水文特征参数与已有研究成果的对比等四个方面对模拟结果进行了全面的检验。检验表明,模型的模拟结果与实际情况吻合良好,说明本文建立的采煤沉陷区分布式水循环模型能够合理反映采煤沉陷区的积水机制,且具有较强的实用性。(2)解析了淮南采煤沉陷区的积水来源并对其水资源量进行了评价从淮南采煤沉陷区的补给比例看,河道汇流量为其主要的水量来源,占84.6%；其次为水面降水,约8.8%；地下水补给沉陷区的水量比例较小,含积水区和未积水区补给在内的总和也仅占3.6%,总量仅约0.32亿m~3/yr;未积水区降水产流量约占3%。可见在研究区现状水系格局下,沉陷区来水量组成中,来源于沉陷区自身沉陷范围内的地下水补给所占来水量的比例较小,主要是与沉陷区相关联的河道汇流量为沉陷区提供了积水来源。对2010年沉陷情景下淮南采煤沉陷区进行水资源评价,认为总的水资源量约为9.05亿m~3/yr,扣减沉陷区水面蒸发后研究区采煤沉陷区可利用的总水资源量为8.31亿m~3/yr。(3)辨析了淮南采煤沉陷区的积水机理根据模型模拟分析和理论推导,给出了孤立沉陷区积水的补给／排泄特征,并剖析了其沉陷区积水与地下水间的作用关系。定量分析表明其地下水补给量仅占其总补给量的4.0%,而水面降水占87%,未积水区产流汇入约占9%;排泄量中,水面蒸发占总排泄量的92.6%,沉陷区向地下水的渗漏占7.4%。研究表明,淮南采煤沉陷区容易大面积积水的原因,主要是由当地较接近的降水、蒸发量气象条件决定的,孤立沉陷区的水量补给来源绝大部分来自于降水而非地下水补给；当地较高的潜水位环境的主要功能是对沉陷区积水提供涵养环境,限制沉陷区积水向含水层漏失。(4)评估了2010年及2030年沉陷情景下采煤沉陷区的蓄洪除涝效用淮南地处淮河中游,“关门淹”是当地汛期主要的洪涝问题,即汛期淮河洪水位长时间高于沿岸支流的水位,导致沿岸涝水难以自流排出。“关门淹”时间越长,蓄积的涝水越多,造成的洪涝危害也越大。对于“关门淹”地区,减灾主要依赖当地的蓄滞能力,因此采煤沉陷形成的蓄滞空间具有重要的利用价值。本文根据淮南采煤沉陷区的气象及水文数据,对研究区外洪内涝组合进行了频率遭遇研究,并根据发生“关门淹”危害的大小,对不利组合的年份进行了排序。最后选择了1991年、2003年、2007年三个典型洪水年对2010年和2030年采煤沉陷情景下的蓄洪除涝作用进行了评估。主要结论为：2010年沉陷情景下,研究区内的沉陷区和自然湖泊的除涝能力尚不能应对1991年和2003年典型洪水,蓄滞空间的不足主要发生在西淝河下段。但研究区内的沉陷区和自然湖泊基本能够满足2007年典型洪水的除涝需求,除涝能力大约在10-15年一遇标准。在除涝之外,2010年由于沉陷库容较小,蓄洪(指为淮河干流分洪)的潜力不大,仅泥河汇流区有部分蓄滞库容可利用,三个典型洪水年份蓄洪能力约在0.18-0.49亿m~3之间。在2030年沉陷情景下,由于沉陷库容增大,同时部分闸门、泵站工程重建、新建等因素,三场典型洪水均能够被成功应对,研究区内的沉陷区和自然湖泊的除涝能力将提高到25-30年一遇水平。除涝之外,研究区内的沉陷区和自然湖泊整体蓄洪潜力在1991年、2003年、2007年三个典型洪水年分别为2.76亿m~3,2.70亿m~3和4.07亿m~3,其中采煤沉陷区在三个年份的蓄洪潜力分别为2.22亿m~3,2.17亿m~3和3.15亿m~3。最后,从充分发挥采煤沉陷区蓄洪除涝联防能力考虑,结合研究区地形及沉陷区空间的分布提出了当地蓄洪除涝工程设想。
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【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV213.9;TD327
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本文编号：1637291