煤炭开采地区河道径流变化与生态基流研究——以陕北窟野河流域为例

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1、摘要I西安理工大学博士学位论文II摘要煤炭开采地区河道径流变化与生态基流研究—以陕北窟野河流域为例学科：环境工程作者姓名：吴喜军签字：导师姓名：李怀恩教授签字：答辩时间：2013年12月摘要随着近些年我国煤炭资源的大规模开发，在北方干旱半干旱资源富集区生态环境日趋恶化，河道径流大幅减少，这已经严重威胁到了煤炭开采地区经济、社会和环境的可持续发展。本文以陕北地区窟野河流域为例，采用多种方法定量识别了煤炭开采等各种因素对河道径流的影响，提出并应用基流比例法计算了河道的生态基础流量，分析了其盈亏状况。本研究的开展，对深入研究我国西北地区

2、煤炭开采对水资源的影响与水环境保护等具有重要的理论意义和应用价值，同时其研究成果可供其它类似地区和流域借鉴。本文的主要研究成果如下：1）在分析窟野河径流多年变化规律的基础上，采用多种统计学方法定量识别了主要因素对河道径流的影响程度。首先通过滑动平均法、距平累积法、Mann-kendall检验法和滑动t检验法等的对比分析，将窟野河径流的时间序列划分为1961～1979年、1980～1998年、1999～2010年等3个时期。利用逐步回归法分析计算了各个时期窟野河径流的主要影响因素及相应的减水量，结果表明：1961～2010年间主要影

3、响因素是降雨量、气温、水保措施和煤炭开采，1980～1998年和1999～2010年相对于基准期（1961～1979年），由煤炭开采造成的减水量分别是0.03×108m3和1.03×108m3。接着又采用主成分分析法（PCA）分析了窟野河径流各个时期的综合影响因素及贡献率，其中1980～2010年间的5个因素可综合为2个主成分，第一主成分主要反映了气温、用水量、水保措施、煤炭开采等影响因素，对径流的贡献率达到了65.42%；第二主成分则主要反映的是降水量，贡献率为20.73。%2）通过陕北地区及窟野河流域的水资源可利用量计算，重点

4、分析了煤炭开采对流域内水资源的影响机理及破坏程度。由计算结果可知：陕北地区水资源可利用量很少，只有16.00×108m3，其中窟野河流域为0.95×108m3，可利用率只有15%。窟野河流域由于开采的煤层埋藏浅，基岩薄，煤田持续开发造成的导水裂隙带破坏了上方的隔水层和萨拉乌苏含水层，致使含水层地下水位大幅下降，部分地表水渗漏至矿井采空区，矿井涌水又污染了地表水体，使得流域内水资源及其可利用量随之减少。通过窟野河流域各煤矿的统计资料计算可知，到2011年为止流域内煤炭开采造成的地下水静储量破坏约为1.38×108m3，I采空区形成了

5、2.72×108m3的积水，2011年各煤矿的排水量也达到了0.62×108m3。以秃尾河流域作为参证流域，采用面积比例法及二者基准期实测流量的比值，计算得出窟野河流域1980～1998年间煤炭开采造成的减水量约为0.44×108m3，1999～2010年间约为2.13×108m3。3）以分布式水文模型（SWAT）为工具，定量识别了不同阶段窟野河径流变化的主要影响因素，并分析了流域内不同时期径流等的空间分布规律。通过在SWAT模型中输入窟野河流域不同时期的气象、土地利用数据，计算了该时期相对与基准期由气候因素和水保措施造成的减水量

6、；之后模型模拟值与实测流量的差值，再减去该时期增加的用水量即为煤炭开采造成的减水量。结果表明：1980～1998年和1999～2010年相对于基准期，窟野河流域由煤炭开采造成的减水量分别是0.08×108m3和1.79×108m3。窟野河流域基准期和丰水年（1973）的降水量、蒸散发量及径流深的最大值基本都分布在神木以下地区，最小值则在流域的西北角伊金霍洛旗一带；1980～1998年、1999～2010年以及各典型年，窟野河流域的降水量、蒸散发量和径流深的分布规律与基准期基本相同，下游最大，中游次之，上游最小。4）提出并应用基流比

7、例法计算了窟野河的生态基流量，通过与其它方法计算结果的对比，给出了生态基流的推荐值，并进行了盈亏分析；分析了煤炭开采等因素对河道生态基流的影响。根据基流比例法、Tennat法、最小月平均流量法、生态流速法、改进湿周法，以及自净需水量法等计算结果的对比分析，确定窟野河干流王道恒塔、神木、温家川的生态基流推荐值分别为1.30m3/s、3.00m3/s、3.50m3/s，并进一步计算了各断面年内不同时期的生态基流。盈亏分析的结果显示：窟野河各个断面生态基流的缺失主要发生在2000年以后，即年内的1月、5月、6月和12月。1960～199

8、8年间窟野河3个断面的生态基流保障程度都能达到90%以上，2000年后快速下降到50%左右，特苦年（2007）则在45%左右。1999～2010年间由于煤炭开采使得温家川的生态基流保障程度降低了30%多，因此提出多种途径来保障河道的生态基流。关键词