淮南采煤沉陷区水资源开发利用关键技术*

徐，陆垂裕，陆春辉，秦大庸，孙青言，李慧，王明娜

(1.煤矿生态保护国家工程实验室，安徽淮南 232001;2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

淮南煤炭为发展强劲的华东地区国民经济提供了重要的基础能源，但煤层开采形成的采空区破坏了开采区周围岩体原始应力平衡，造成大规模地面沉陷［1］。由于本地潜水埋深较浅，沉陷洼地大面积积水，不仅减少了可用土地资源，对地面设施、交通、生态环境和当地居民生活也有不同程度的影响［2］。另一方面，淮河中游本段地势平缓，排水不畅或水无出路，在汛期遇淮河大水年份常常内涝严重，同时区域气候多变，降雨量年际变化大，冬春干旱少雨，夏秋闷热多雨，不少年份洪涝旱灾并存，年际之间连涝连旱等情况也经常出现，而区域内蓄水空间不足，调蓄水资源的能力低，迫切需要改善。针对淮南煤田开采不可避免导致地面沉降的现实情况，以及区域蓄洪除涝、水资源调蓄的需求，利用淮河中段原有的天然洼地和开采沉陷形成的大面积积水区，建设具有综合利用功能的蓄洪与水源工程，趋利避害，发挥湖泊蓄滞洪涝水、调蓄水资源的作用，提高区域防洪、除涝和水资源保障的能力，改善区域生态环境，最大限度地减少煤炭开采沉陷的不利影响，是一个极具创新和现实意义的采煤沉陷区治理思路。

沉陷区蓄洪与水源工程的实施需要基础科学研究支撑。淮南煤田矿区地处淮河中游平原地带，地势低平，历史上黄河长期泛滥夺淮，区域内河流水系交错，湖泊洼地众多;区域水文气象为我国南北气候过渡带，年际年内变化大，淮河径流量年内分配严重不均且年径流量丰枯悬殊;水文地质条件受区域构造及新构造运动控制，地质分区特征明显，含水层结构复杂。在区域特定的水文气象及地质环境下，弄清区域内的水循环过程是一项重要研究任务，是蓄水工程实施的前提和基础。沉陷洼地蓄水与当地地表/地下水的转化关系、地表沉陷过程对地表汇流和地下水径流的影响、水源工程的可供水量规模等都需要通过区域水循环规律的研究来解答。另外，为充分发挥工程项目效益、优化工程项目的服务功能，还需开展水资源与水生态综合利用研究，包括蓄水工程与淮河洪水的联合调蓄，蓄水工程的需水预测、供水方案的优化、生态环境建设等多方面内容。

综上所述，该项研究工作具有重要的研究意义和科研价值，但综合性强、难度大，可借鉴的研究参考较少，目前正处于探索阶段。本文基于淮南采煤沉陷区蓄洪除涝与水资源开发利用研究关键需求，构建了较为系统的技术研究框架，以期为支撑实际的沉陷区治理与综合利用提供技术研究思路。

1 淮南采煤沉陷区现状

淮南煤田大部分位于华东腹地的安徽省中北部的淮南市 (见图1)，为淮河中游平原地区，是国家确定的14个大型煤炭基地和6大煤电一体化基地之一，东西长70km，南北宽25km，面积约1571km2，煤炭资源储量285亿t，具有煤层厚和分布集中的特点，可采煤层平均厚度约20～30m。目前矿区产能已经达到8000万t，“十二五”产能将达到1.0亿t。

图1 淮南市所在淮河流域位置

煤炭开采引起的地表沉陷，是指采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生沉陷 (移动和变形)。在开采影响波及到地表以后，受开采影响的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方地表形成一个比采空区面积大得多的沉陷区域。这种地表沉陷区域称为地表移动盆地，或称下沉盆地。在地表移动盆地形成的过程中，改变了地表原有的形态，引起了高低、坡度及水平位置的变化。因此，对位于影响范围内的道路，管路、河渠、建筑物、生态环境等，都带来不同程度的影响。此外在华东地区，由于地下潜水位很高，地表下沉1～2m左右，移动盆地内便可积水，造成矿区耕地大量减少，严重影响土地的使用和农业生产。2005年底淮南矿业集团对潘谢矿区的开采沉陷现状进行了实测，数据为:沉陷面积61.88 km2，积水面积16.9 km2，积水量0.587亿m3。中国矿业大学关于淮南采煤沉陷规律研究成果表明:2010年淮南采煤沉陷区最大下沉值达7.6m，沉陷面积达108.3km2(见图2)，积水面积达56.1km2。

图2 2010年淮南采煤沉陷区空间分布

2 采煤沉陷治理研究进展概述

开采沉陷问题出现于19世纪中叶，这是由于能源需求的急剧增加、采矿业快速发展造成的。在采煤沉陷区治理思路上，发达国家由于土地和人口压力不大，倾向于直接进行生态环境改造，即多从营造新的生态环境系统的思路出发进行治理和开发研究，如英国和美国矿业与环境委员会将沉陷洼地开发为林地、草地、农地、娱乐场所、野生动物栖息地;德国科隆市西郊在采煤沉陷的地形上造成了一个既有沼泽也有林地的环境以吸引水鸟和动物等［3］。国内限于土地资源的稀缺性以及生活、生产需要，治理和研究的主要思路集中在沉陷区土地的整理与重建，传统的治理方法是挖深垫浅，进行耕地复垦、改为建设用地等［4-7］，但该治理方法受诸多条件限制，如取土问题、排水问题、交通问题、治理投入问题等，目前有很多局限性。另外沉陷区治理技术研究方面比较零散和薄弱，主要是沉陷预测方法以及一些生态环境影响评价研究，深入程度不够，还没有形成整体的研究框架和有效的技术体系以支撑实际的沉陷区治理与综合利用。利用采煤形成的沉陷洼地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和环境建设是一个崭新的思路，具有重要研究意义和科研价值。

3 水资源利用研究问题

淮南采煤沉陷区水资源利用研究需要解决好三方面的科学问题:一是资源量规模的确定。这需要在沉陷区所在流域洪、涝规律及周边水文气象、下垫面及地质环境的基础上，摸清采煤沉陷对区域内地表/地下水循环过程的影响，研究沉陷洼地蓄水与当地地表/地下水的转化关系，评价沉陷区洼地的水量来源组成和水量，这是蓄水工程实施的前提和基础。二是沉陷区蓄水工程水资源的调配管理模式。这需要从充分发挥蓄水工程项目效益出发，优化工程项目的各项服务功能，如沉陷区蓄水工程与所在淮河干流本段洪水资源的联合调蓄，蓄水工程的供水范围、供水对象的确定，需水预测，供水方案的优化等。三是蓄水工程生态及水质安全保障。淮南沉陷区蓄水工程位于平原地区，人口密集，产业集中，污染源众多，各河道受点源、面源污染严重，需要在保障蓄水工程水质的情况下安全供水。另外由于蓄水过程对淮河干流本段的径流过程和径流量有一定程度的干预，还需考虑其对淮河干流本段以下的生态环境影响。三个科学问题的研究最终为摸清沉陷区蓄水工程水资源量、用好蓄水工程水资源、保护好蓄水工程水资源服务。

4 技术研究框架

围绕以上科学问题，按照“机制研究——过程模拟——科学定量——综合利用——目标响应”的总体思路进行研究。在机制研究部分，以淮南煤田采煤沉陷区动态发展趋势预测、沉陷区洼地与当地水循环体系水力联系分析为基础，评估沉陷区洼地的蓄洪除涝作用，识别地面沉陷对当地水循环系统要素的影响;在影响机制明晰的情况下进行过程模拟，构建研究区“河道—地下水—沉陷区洼地”联合过程的水循环综合模拟平台，结合地面沉陷数据、水文地质数据、水利工程数据和区域用水信息，实现对区域地表/地下水转化、地下水补给排泄、沉陷区洼地汇水等过程的仿真模拟和规律认知;在定量评价部分，利用水循环综合模拟平台，结合不同水平年的沉陷数据、典型水文年份进行情景分析，合理评价不同情景下沉陷区洼地水资源的形成转化量，包括水资源总量、其汇水组成来源、地表/地下水转化比例等;在综合利用部分，根据水循环模拟分析的结果，一方面研究蓄水工程在区域水利工程系统和用水格局中所起的作用，对区域供用水关系进行优化调整，提出充分发挥淮南采煤沉陷区蓄水工程效率效益的调控方案及控制性指标，另一方面定量评估蓄水工程的水量蓄滞过程可能带来的生态环境影响及水质影响，研究相关生态保护策略、污染控制指标与防范措施。通过以上四部分的研究工作，构建淮南采煤沉陷区水土资源综合利用体系框架，促进沉陷区“人—水—环境—经济”和谐建设，响应减轻沿淮渍涝灾害、提高淮北地区水资源保障能力、改善区域生态环境、促进区域经济发展等目标(见图3)。

图3 沉陷区水资源利用技术研究框架

5 技术研究内容

将采煤沉陷区洼地改造成为具有综合利用功能的蓄洪与水源工程，融入治淮体系，需要统筹兼顾、标本兼治，协调好人、水、资源、生态环境的关系，开发利用与保护的关系、近期建设与远期建设的关系等，以充分发挥工程效用。在以上技术研究框架为指导的总体思路下，可将技术研究过程细化为四个主体内容。

5.1 淮南采煤沉陷区蓄洪除涝功能与潜力评估研究

淮河中游行洪不畅，以往在汛期遇淮河大水年份，淮河干流的水位往往高于淮南矿区所处的淮北支流，使得支流内沿淮洼地的积水没有出路，形成“关门淹”。在沉陷区整体地势下沉的情况下，形成的大面积连片洼地使洪涝水有了固定存储空间，其蓄洪除涝的作用凸显，但目前缺乏定量评估数据。研究区洪涝过程具有一定的水文频率，同时洪涝程度与淮河干流的来水情况有关，沉陷区洼地的蓄滞能力也随着采煤过程的进行是一个动态发展的过程，定量评估需要从以下几个方面开展研究:

(1)淮南矿区水文演变及洪涝规律分析。根据流域内河流水系的基本情况，对主要河流的历史洪水、涝水灾害情况进行调查分析，对主要河流进行水文演变分析，计算不同典型或频率的洪、涝过程及洪涝量。

(2)采煤沉陷区蓄滞体系演变过程研究。结合不同水平年的沉陷区范围及沉陷深度等值线图，研究地势下沉对本地流域内河流地表水系的汇流影响，确定不同水平年份采煤沉陷区对应的汇流排水范围、与沉陷区有空间关联的地表水系状况及空间分布结构等。

(3)采煤沉陷区洪涝遭遇频率分析。分析淮河干流洪水的周期与演变规律，研究历史上不同规模洪水发生的频次与洪量，并结合本地流域内河流的洪涝规律分析成果，研究淮河干流洪水与本地流域河流洪涝过程的水文同步性、可能的组合情况等。

(4)采煤沉陷区防洪除涝效果评估。结合不同水平年沉陷区的蓄滞体系演变的定量研究成果，评估不同水平年沉陷区洼地对本地洪涝水和淮河干流洪水的双重滞蓄效果，包括可消除的洪涝量、可减少的洪涝损失、对淮河中游已有蓄滞洪区的影响、所能起到的替代作用等。

5.2 淮南采煤沉陷区水资源形成转化规律研究

采煤沉陷区形成的洼地不仅为防治区域洪涝灾害提供了调蓄空间，其蓄水功能也使其中的水量成为可被有效利用的水资源。从资源的角度看待沉陷区洼地蓄存的水，需要评估其资源量、可更新性和周期规律。沉陷区洼地的来水量具有多种来源和途径，除在汛期蓄滞洪涝水外，随着沉陷区洼地的持续下沉，在非汛期原本汇入周边河道的水量也可能改变汇流方向流入沉陷区洼地，同时沉陷区洼地形成的盆地效应也将影响区域地下径流的格局，成为当地潜水的汇入与出露区。摸清沉陷区洼地水资源来源、组成与补给规律是本次研究拟解决的主要问题之一，通过一般水文分析手段难以定量，需要借助水循环模型开展研究，包括以下研究内容:

(1)淮南矿区地表/地下水循环转化机制分析。收集水文地质单元分区、矿区划分、河流水系分布、土地利用分布、土壤分布、地面高程分布、含水层结构等信息，以采煤沉陷区所在的流域为整体，研究其水循环系统的内部关联及与边界外部的水力联系，概化水循环系统的循环转化模式。

(2)淮南煤田矿区分布式水循环模型研究。耦合地下水、土壤水、河道地表水和沉陷区洼地蓄水等水文过程，开发符合淮南煤田矿区当地水循环转化特征的分布式水循环模型，模拟流域内地下水补给/排泄关系、地表水/地下水相互转化关系、沉陷洼地蓄水与外界水分的转化关系，全面评价区域水循环形成转化的过程与各水循环分项，从区域整体水循环过程的角度定量认知沉陷区洼地蓄水的补给形成规律。

(3)沉陷区洼地不同水平年水资源量评价研究。在水文过程和转化规律摸清的基础上，开展未来不同水平年沉陷区洼地水资源量的预测模拟。结合不同水平年份的沉陷面积和沉陷深度数据设置对应的情景方案，通过模型研究沉陷区下沉过程对流域水资源转化过程的影响，定量评估不同水平年份沉陷区洼地的当地蓄滞水量、蓄滞水量的来源及其组成比例关系。

5.3 淮南采煤沉陷区蓄水工程水资源合理调配研究

以蓄水工程和淮南市供用水系统为研究对象，通过工程与非工程措施，协调水与社会经济之间的关系，提高水资源与土地等其他自然资源的匹配程度，对水资源开发、利用、整治、节约、保护等环节在更高层次上进行系统规划与统一管理，实现以水资源合理开发利用支撑经济社会和环境的协调发展。内容包括以下几个方面:

(1)不同蓄水期不同水文频率蓄水工程可供水量预测。根据不同水平年和来水频率情况，对相应洼地的蓄水规模进行分析计算。结合沉陷区水库调蓄状况，确定经济、合理的蓄水工程规模。以连续枯水年份和连续丰水年份为重点，预测不同情景下沉陷区蓄水工程可供水量状况。

(2)潜在供水区域水资源需求分析。根据当地经济社会发展的情况，将汇水区域和可能供水区域纳入统一研究范畴，开展区域经济社会发展趋势分析，通过不同行业发展及其用水规律等研究，分析不同水平年的需水结构，并进行水资源需求预测。

(3)蓄水工程水资源配置方案与调控模式研究。以蓄水工程为核心，结合不同水平年的水资源需求预测以及蓄水工程的可供水量和其他水源情况，进行水资源供需平衡分析，提出与当地经济社会发展相适应的水资源合理配置方案，研究不同典型年份蓄水工程的水量调控管理模式。

5.4 淮南采煤沉陷区水环境安全保障研究

针对淮南采煤沉陷区蓄水工程已经或可能面临的水污染问题与风险，开展沉陷区水环境安全保障研究。内容包括以下几个方面:

(1)蓄水工程对淮河干流下游生态环境影响评估研究。从功能上来说蓄水工程为具有较大调蓄能力的平原水库，在洼地自身蓄水及与本段淮干进行水量调蓄的情况下对淮干的径流过程和径流量有一定程度的干预，从而可能对下游生态环境产生影响，需要对其影响程度进行评估。

(2)沉陷区洼地蓄水工程纳污能力研究。蓄水工程位于平原地区，人口密集，产业集中，污染源众多，各河道受点源、面源污染严重，未来能否保障蓄水工程的供水水质安全值得研究。需要对区域内的环境污染状况、污染类型、重点污染源进行调查，并确定区域的污染负荷及其分布，结合蓄水工程的蓄滞规模研究纳污能力与污染负荷的关系，提出污染控制及消减方案等。

6 结语

淮南煤炭资源的大规模开采与利用，在带来巨大经济效益的同时，也引发了显著的地质生态环境劣变问题，给当地人民的生存环境产生了一系列的消极影响。采煤沉陷区的治理直接关系到淮南矿区的区域经济、社会稳定、生态环境等各个层面，关系到矿区的可持续发展，是平原矿区面临的一个亟待解决的难题。目前国外的治理修复模式与技术与我国基本国情不相适应，而国内相关研究的基础又十分薄弱，现行理论和技术难以有效满足我国东部地区煤炭开采中地质灾害防治和生态环境保护的实践需求。本项研究拟从沉陷洼地与当地水循环体系的水力联系、采煤沉陷区地面沉降动态发展过程对沉陷区水循环系统演化的影响内在关联的科学基础出发对其开展机理性研究，并在定量评价的基础上构建沉陷区水土资源综合利用体系框架，将为破解我国东部地区煤炭行业发展面临的自然—环境—社会矛盾，改善沉陷区水土资源利用、增强我国地质生态环境劣变地区生态环境安全保障提供基础科学支持能力。另外，本项目还将通过典型沉陷区水资源调配管理和水环境综合治理策略的研究，为我国东部类似地区生态环境综合治理工作提供实践应用参考。

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