论文部分内容阅读
煤炭开采造成采空区上方岩层和地表塌陷及裂缝,随着采空区导水裂隙带和地面沉陷范围的扩大,在许多地区,河川径流、洪水的形成与采空区地表水和地下水的水力贯通联系息息相关,所以深入理解采空区产汇流机制,对准确预报采空区特殊下垫面洪水过程是很有必要的。本文以山西省采煤破坏较为严重的汾河水库控制流域为研究区域,首先进行了实地调研,查明了研究流域内土壤质地类型及采空区特殊下垫面裂隙发育特征,以此为依据,设计了采空区特殊下垫面产汇流试验,分析采空区特殊下垫面对产汇流过程的影响机制,并将该机制参数化,将汾河水库控制流域按照采空区破坏程度划分为静乐水文站控制流域,上静游水文站控制流域与娄烦水文站控制流域进行了水文模拟,其中娄烦水文站控制流域内受煤矿开采影响较小,作为对照流域评价所建水文模型在汾河水库控制流域内的适用性。得到以下重要结论:（1）汾河水库控制流域范围内,在水平方向上,采空区面裂隙率取值范围为0～2%;在垂直方向上,裂隙发育深浅不一,总体可以分为两大类:一类裂缝没有导通隔水层发育在地表,另一类裂缝导通隔水层直接联通至地下采空区。当裂隙不导通至地下采空区时:在坡面产汇流过程中,降雨前期裂隙的产生使地表径流减少,壤中流出流时间变长,但不会影响壤中流稳定后的出流量;在河道汇流过程中,水流灌入裂隙导致前期河道汇流量减少,但河道汇流量最终会维持在没有裂隙发育下的水平。当裂隙导通至地下采空区时:裂隙成为地表径流、壤中流及河道流量补给采空区地下水流的通道,使地表径流量、各层壤中流量及河道流量在整个产汇流过程中受到削减。（2）将裂隙影响期地表径流量、地表径流减少量与地表径流减少率与裂隙率相关关系进行线性拟合,得到裂隙影响期面裂隙率与地表径流量呈极强的负相关关系,与地表径流减少量及地表径流减少率呈极强的正相关关系,且裂隙对地表径流量以及地表径流减少量在不同时刻影响程度不一,是一个随时间而发生改变的量,对地表径流减少率在不同时刻影响程度较为稳定;将裂隙影响期壤中流量、壤中流减少量与壤中流减少率与裂隙率相关关系进行线性拟合,得到裂隙影响期面裂隙率与壤中流量呈极强的负相关关系,与壤中流减少量及壤中流减少率呈极强的正相关关系,且裂隙对壤中流量以及壤中流减少量在不同时刻影响程度不一,是一个随时间而发生改变的量,对壤中减少率在不同时刻影响程度较为稳定;将裂隙影响期河道流量、河道流量减少量与河道流量减少率与裂隙率相关关系进行线性拟合,得到裂隙影响期面裂隙率与河道流量呈极强的负相关关系,与河道流量减少量及河道流量减少率呈极强的正相关关系,且裂隙对河道流量、河道流减少量及河道流量减少率在不同时刻影响程度不一,是一个随着时间而发生改变的量,导通至地下采空区的裂隙对河道流量减少率的影响随着时间推移逐渐减少并趋于稳定。（3）在采空区特殊下垫面进行水文模拟时,可认为地表径流峰值到达前为降雨前期,用峰前地表径流减少率表示在降雨前期不导通至地下采空区的裂隙对地表径流量的削减作用;可用地表径流减少率表示导通至地下采空区的裂隙在整个降雨产流过程中对地表径流的削减作用;可用壤中流蓄滞时间表示降雨前期裂隙的产生对壤中流的蓄滞作用;可用壤中流减少率表示导通至地下采空区的裂隙在整个降雨过程中对壤中流量的削减;可用峰前河道流量减少率表示不导通至地下采空区的裂隙对河道汇流前期河道流量的削减作用;可用河道流量减少率表示导通至地下采空区的裂隙在整个河道汇流过程中对河道流量的削减作用。（4）在静乐水文站控制流域内,以1951～1990年为研究时段,降雨表现出较高的周期性,且周期稳定差异化小,以1991～2017年为研究时段,即流域内大规模采煤后,静乐水文站控制流域内降雨的周期性变化稳定且差异化小,而径流不再具备周期性变化规律。静乐水文站控制流域内降雨径流相关系数在1951～2017年、1951～1990年及1991～2017年总体上分别呈现相关系数年均下降0.0052、0.0002及0.0082;上静游水文站控制流域内降雨径流相关系数在1959～2017年、1959～1990年及1991～2017年总体上分别呈现相关系数年均下降0.0034、0.0016及0.0057。1990年大规模煤矿开采后静乐与上静游水文站控制流域内降雨径流相关性显著降低。（5）以娄烦水文站控制流域为算例,选取娄烦水文站控制流域25场洪水进行模拟,得到HEC-HMS模型模拟场次洪水总体合格率为80.00%,双超分布式模型模拟场次洪水总体合格率84.00%;HEC-HMS模型与双超分布式模型模拟洪峰流量、峰现时间及径流深合格率都分别为96.00%、92.00%与100%;HEC-HMS模型确定性系数DC值达到0.5的场次洪水占总模拟场次洪水的80.00%,双超分布式模型确定性系数DC值达到0.5的场次洪水占总模拟场次洪水的84.00%。本文所构建的双超分布式模型在娄烦水文站模拟场次洪水总体优于HEC-HMS模型。（6）选取静乐水文站控制流域25场洪水进行模拟,1990年前的13场洪水模拟结果中,模拟合格率为76.92%,1990年后的洪水12场洪水模拟结果较差达不到水情预报规范的要求,考虑采空区特殊下垫面对产汇流过程的影响,引入本文所概化的参数重新计算静乐水文站控制流域1990年之后的12场洪水过程,得到重新模拟的12场洪水模拟结果总体合格率由0提升为了66.67%;选取上静游水文站控制流域25场洪水进行模拟。1990年前的14场洪水模拟结果中,模拟合格率为85.71%,1990年后的洪水11场洪水模拟结果较差达不到水情预报规范的要求,考虑采空区特殊下垫面对产汇流过程的影响,引入本文所概化的参数重新计算上静游水文站控制流域1990年之后的11场洪水过程,得到重新模拟的11场洪水模拟结果总体合格率由0提升为了81.82%,1990年大规模采煤后采空区参数的引入有效提高了静乐与上静游水文站控制流域内场次洪水模拟精度。