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| 編輯推薦： |
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本书有一定的学术参考价值，研究成果有助于提升对富煤流域地表水-地下水交互过程的理解及洪水预测预报的准确性。
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| 內容簡介： |
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本书针对大规模的、群体的煤矿开采导致的采动裂隙与采煤沉陷区问题，探讨了这些区域地表水与地下水交互过程的复杂变化。由于采煤沉陷区条件下两者交互作用的具体规律和相互作用机制尚不清晰，且传统水文模型难以准确模拟这一特定环境下的水系统演变，本书致力于研究采煤沉陷区的空间特征识别以及地表水与地下水之间的交互机制。研究旨在为理解和预测在气候变异和人类活动共同影响下，富煤流域内地表水与地下水交互过程的动态变化提供科学依据和技术支持，进而提升洪水预测预报的准确性。
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| 關於作者： |
李祥，中国煤炭地质总局勘查研究总院研究人员。长期从事能矿资源-水资源协同利用、煤矿矿井水深部地质封存、流域水循环模拟等方面的研究。
杜松，中国煤炭地质总局勘查研究总院地质封存技术研究所所长，长期从事煤矿矿井水处理研究。
林刚，中国科学院地理科学与资源研究所副研究员，硕士生导师。长期从事资源可持续利用研究，侧重能矿资源-水资源协同利用、资源耦合系统建模与分析。
董东林，中国矿业大学教授、博士生导师。长期从事矿山水害防治与资源化利用、废弃矿井地下水污染防治、煤矿采空区积水水害孕育机理研究工作。
江东，中国科学院大学教授、资源利用与环境修复重点实验室主任，中国自然资源学会理事。
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| 目錄：
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1 绪论·····1
1.1 研究背景与意义·····1
1.2 国内外研究进展及存在的问题·····4
1.3 拟解决的关键科学问题·····13
1.4 研究内容与技术路线·····14
1.5 创新点·····17
2 研究区概况·····19
2.1 自然地理概况·····19
2.2 社会经济概况·····24
2.3 地质与水文地质概况·····25
2.4 煤炭资源开采现状·····27
2.5 水资源开发利用现状·····29
2.6 本章小结·····31
3 研究技术方法 ·····32
3.1 采煤沉陷区空间特征识别方法 ·····32
3.2 地表水-地下水耦合模拟模型 ·····34
3.3 地表水-地下水交互过程预测方法 ·····40
3.4 本章小结 ·····50
4 采煤沉陷区空间特征遥感识别 ·····51
4.1 数据收集 ·····51
4.2 基于SBAS-InSAR技术的数据处理 ·····55
4.3 煤炭开采影响下地表形变演变特征分析 ·····64
4.4 采煤沉陷区空间特征识别与提取 ·····71
4.5 本章小结 ·····73
5 采煤沉陷区地表水文模型构建 ·····75
5.1 数据收集和数据库构建 ·····75
5.2 地表水文过程影响要素演变特征分析 ·····81
5.3 地表水文模型构建 ·····94
5.4 地表水文模型模拟结果分析 ·····97
5.5 本章小结 ·····100
6 采煤沉陷区地表水-地下水耦合模型构建 ·····103
6.1 地表水-地下水交互过程概念框架 ·····103
6.2 地下水系统概念模型构建 ·····104
6.3 地下水系统数值模型构建 ·····107
6.4 地表水—地下水耦合模型构建·····121
6.5 模型的识别和检验·····122
6.6 流域水均衡分析·····125
6.7 本章小结·····126
7 未来地表水—地下水交互过程多情景模拟预测·····129
7.1 情景设计·····129
7.2 未来气象要素演变特征分析·····133
7.3 未来下垫面时空演变特征模拟预测·····137
7.4 未来地表径流模拟预测·····141
7.5 未来地下水流场模拟预测·····146
7.6 采煤沉陷区地表水—地下水交互机制总结·····156
7.7 未来水资源规划和管理建议·····158
7.8 本章小结·····160
8 结论与展望·····163
8.1 主要研究结果·····163
8.2 研究不足与展望·····167
参考文献·····169
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| 內容試閱：
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图片1文字内容：
煤矿开采活动诱发形成了大量的采动裂隙，并产生了大范围的采煤沉陷区，改变了地表水一地下水的交互过程。然而，采煤沉陷区条件下地表水一地下水的交互作用规律和互馈机制尚未完全探明，传统的水文模型难以实现对采煤沉陷区地表水一地下水交互系统演变过程的准确模拟。针对以上问题，本书开展采煤沉陷区空间特征识别及地表水一地下水交互机制研究，以期为气候变异、人类活动共同影响下富煤流域地表水一地下水交互过程的精确模拟和洪水的预测预报提供技术支撑。围绕研究目标，全书取得的主要研究成果如下。
(1)动态监测分析了窟野河流域地表形变空间分布特征，识别提取了采煤沉陷区914处，总面积345.76km2。
采用SBAS-InSAR技术对窟野河流域的252景Sentinel-1A雷达图像数据进行了处理，包括基线解算、差分干涉、相干性计算、相位解缠等，有效降低了斑点噪声的干扰，提高了数据的信噪比，并通过提取高相干点，
图片2文字内容：
识别了2017—2020年窟野河流域地表形变的空间分布和动态演变特征。识别结果显示，煤炭开采导致窟野河流域地表经历了快速沉陷的形变过程，最大沉陷速率达139.71mm/a，累计最大沉陷量达607.88mm；通过时序监测点的地表形变动态监测分析和沉陷区与煤炭开采区范围的对比分析，验证了煤炭开采形成采空区并引发工作面顶部自然垮落是大规模地表沉陷的主要原因；通过设置累计沉陷量≥50mm阈值，提取了窟野河流域采煤沉陷区914处，累计面积345.76km2，最大采煤沉陷区面积可达10.01km2。
（2）分析了窟野河流域地表径流时空演变特征，构建了采煤沉陷区地表水文模型。
系统地分析了窟野河流域历史气象要素、地表径流的动态演变规律，结果显示在水文干旱和大规模煤炭开采的影响下，窟野河流域地表径流演变呈现明显的时空差异性，下游干流的多年平均地表径流量约为7.85m3/s，而上游流量较小且呈现季节性断流特征。基于SWAT构建了采煤沉陷区地表水文模型，模型验证期的实测径流和模拟径流平均值分别为9.53m3/s和9.29m3/s，NSE和R2均为0.73（>0.65），PBIAS为2.5%（<5%），模型较好地模拟了采煤沉陷区条件下地表径流的动态演变过程；采煤沉陷区发育造成了地表水—地下水水力贯通和河道渗漏，导致地表径流变化敏感性最高的参数是TRNSRCH（河道传输损耗）。
（3）提出了采煤沉陷区“地表水—采空区—地下水”耦合概念框架，构建了采煤沉陷区地表水—地下水耦合模拟模型。
考虑采空区发育对地表水—地下水交互方式、强度和规律的影响，提出了采煤沉陷区“地表水—采空区—地下水”耦合概念框架；收集了窟野河流域48个钻孔数据和101个水文观测孔数据，基于SWAT-FEFLOW精
图片3文字内容：
细化构建了采煤沉陷区“含水层+煤层”多层交互和“河流+采空区”联合分割影响下的地表水一地下水耦合模拟模型，并通过对水文地质参数的分区赋值和采空区的分层识别，实现了对采煤沉陷区条件下地表水一地下水交互过程的定量化表达。模型的识别和检验结果显示，模拟与实际的地下水流场基本吻合，地下水流向基本一致，地下水动态过程基本相似，均方根误差RMS为0.748m，模型性能良好；窟野河流域地下水处于负均衡状态，年均地下水补给量与排泄量差值为 -11.55\imes10^{8}m^{3}/a ，煤炭开采造成的矿井排水量占地下水总排泄量的比例高达61.72%。
（4）开展了多要素变化和多情景集合的采煤沉陷区地表水一地下水交互过程模拟预测，揭示了采煤沉陷区条件下地下水一地表水交互作用机制。
综合考虑气候、下垫面和煤炭开采活动对地表水一地下水交互过程的影响，制定了未来窟野河流域的煤矿阶段性关闭路径，结合GCM未来气候变化情景和GA-PLUS下垫面预测情景，开展了煤炭逐步退出（PCM）、煤炭停止开采（NCM）、煤炭持续开采（ACM）三种情景对比下的采煤沉陷区地表水一地下水交互过程模拟预测。研究结果显示，煤炭开采是流域地表水一地下水交互方式和转换过程变化的主要驱动力：①气候变化和煤炭开采共同主导了地表径流的动态变化过程，未来多年平均地表径流量为PCM（2.46m3/s）＞ACM（2.28m3/s）＞NCM（1.99m3/s），平均年际径流量波动变化趋势为PCM（0.0394m3/s）＞NCM（0.0175m3/s）＞ACM（-0.014m3/s）；②煤炭开采主导了地下水流场的动态变化过程，矿井涌（突）水、采空区疏排水对地下水位具有明显消减作用，未来地下水储量为NCM（5099.3×10 ^{8}m^{3} ）＞PCM（4955.7×10 ^{8}m^{3} ）＞ACM（4949.6×10 ^{8}m^{3} ），地下水补排差为NCM（3.68×10 ^{8}m^{3}/a ）＜PCM（7.32×10 ^{8}m^{3}/a ）＜ACM
图片4文字内容：
（7.57×10 {^8} m {^3} /a），地下水位为NCM＞PCM＞ACM，与基准期2020年相比大部分地区的地下水位均有所降低。地下水流场和水位动态演变特征显示，PCM和ACM情景下，采煤沉陷区条件下区域性地下水漏斗发育特征明显；NCM情景下，煤炭开采停止且采空区得到有效治理，区域性地下水漏斗消失，地下水位逐渐回升。
基于以上研究结果，本书最后提出富煤流域未来的水资源规划和管理建议：①开展总量控制，坚持以水定煤；②加强政策约束，完善水资源管理制度；③提高水资源利用效率，推进矿井水等非常规水资源的资源化利用。
1 绪论
我国是世界第一的煤炭生产和消费大国，2024年煤炭在我国的能源消费总量中占比高达53.2%!。(MISSING)煤炭产业支撑了我国社会经济高质量发展，但高度耗水的煤炭开采、洗选等过程也对水资源造成了巨大的影响[3-8]。众所周知，我国的煤炭资源和水资源在空间上通常表现为逆向分布的特征，煤炭资源“北富南贫”和水资源“南丰北缺”的分布模式导致了区域“煤一水”矛盾突出、水资源供需不平衡和分配不合理等一系列问题[6-11]。尤其在黄河流域，我国14个大型煤炭基地中的9个都位于黄河流域，除了现有的生产煤矿外，历史遗留的废弃矿山总面积高达1500多万亩，占全国的近50%!；(MISSING)然而，黄河流域水资源总量仅占全国的2.56%!，(MISSING)人均水资源量约408m3，仅为全国平均水平的1/4，水资源短缺问题十分严峻[13-16]。同时，煤炭资源长期规模化的开采形成了大量的煤矿采空区，引发了区域应力场的破坏和水文地质条件的变化，导致了地面沉降、采动裂隙和地裂缝，形成了区域大规模的采煤沉陷区，影响了地表水的产汇流过程和地下水的补径排条件，改变了地表水一地下水的交互方式、强度和规律，传统水文模型难以准确模拟采煤沉陷区条件下地表水一地下水的交互过程（图1.1），为采空区治理、矿井水害防治、水资源规划和管理等带来了极大的难度与不确定性 ^{[17-22]} 。
在采煤沉陷区影响下，地表水和地下水之间的交互作用过程主要表现为：采煤沉陷导致地表形态变化，改变了地表径流的路径和流速，大气降水补给地表水后沿采空区上覆岩层的采动裂隙不断渗漏至地下含水层，导致地下径流量增加，地表径流量减少，影响了大气降水产流过程（图1.1-①）；采空区覆岩破坏改变了矿井周围的水文地质条件，采煤沉陷区条件下导水裂隙极度发育甚至贯穿地表，增加了地表水和地下水的水力联系，影响了地下水运移规律和补给、排泄模式（图1.1-②） ^{[23-26]} 。以黄河中游“几”字弯地区为例，区域地形地貌复杂，河谷切割深，河网发育但地表径流量小，多为季节性河流，区域煤炭资源极其丰富且煤层埋藏较浅，煤层上方形成的导水裂隙已波及地表 ^{[27-28]} ；随着煤炭开采活动的持续进行，原有的导水裂隙将进一步扩大，并增加了局部地段采矿“三带”（冒落带、裂隙带、弯曲下沉带）与地表水之间的水力联系，甚至可能发生水力贯通，导致地表水和地下水发生直接的相互转化，改变了原有自然状态下的水文循环过程。
目前，关于煤炭开采对地表径流影响的研究相对丰富，但地下水动力过程常被过度概化；煤炭开采造成采空区上覆岩层移动和破坏，产生的采动裂隙改变了原有地层的渗透性，传统的地表水一地下水耦合模型也较少有考虑这种采煤沉陷区应力条件变化对地表水一地下水交互过程的影响，严重降低了模型的模拟精度。有研究表明，不考虑煤炭开采形成的导水裂隙发育特征，传统的水文模型在洪水过程的预测预报中误差会放大至70%!以(MISSING)上，甚至会完全失效 ^{[29]} ，地下水数值模型的精度和效率也会大大降低 ^{[30-31]} 。因此，采煤沉陷区条件下地表水文过程和地下水动力过程的耦合模拟和定量化表达需要进一步深入研究。
在国家需求牵引下，群矿开采驱动下采煤沉陷区地表水—地下水交互过程的精确模拟和地表水—地下水交互机制的定量化表达已成了流域水循环过程研究新的科学问题之一。针对以上问题，本书聚焦群矿开采驱动下采煤沉陷区地表水—地下水耦合模拟模型的构建，开展采煤沉陷区空间特征识别及地表水—地下水交互机制研究，通过识别分析、模型构建、预测总结，为探讨气候变化、人类活动与水循环过程的互馈机制研究提供理论依据，为群矿开采影响下富煤流域地表水—地下水交互过程的精确模拟和洪水的预测预报提供技术支撑，为流域“煤—水”水资源规划、管理和水安全保障提供决策支持。
1.2 国内外研究进展及存在的问题
1.2.1 地表水一地下水交互作用研究进展
地表水和地下水是自然界紧密关联的水文连续体，其交互方式、强度和规律对维持流域水环境质量、水量平衡和生态系统稳定性有着至关重要的作用[32-34]。近年来，在全球性气候变化、高强度人类活动的影响下，流域地表水一地下水交互作用过程发生了重大改变[35-38]。例如，大规模的煤炭开采改变了区域水文地质条件和下垫面结构，形成了大范围的采煤沉陷区，导致地表径流量减少和地下水位下降，造成了水资源短缺和供需矛盾等问题[39，40]。在气候变化和人类活动等环境变化的影响下，单独的地表水文过程或地下水动力过程研究已经难以揭示地表水和地下水的复杂交互过程[41-43]。目前，为了进一步探明变化环境下的水文循环过程及水资源系统的演变特征，
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