淮南大通采煤沉陷湿地水循环特征及水文状态研究

蒯 洋，邹 海，陈永春，安士凯，郑刘根*

(1.安徽大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601；2.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南 232001)

在资源枯竭矿区生态环境修复过程中，鉴于生态修复目标的不同，提出人工湿地、地质公园等修复方案[1-2]。其中采用人工湿地控制沉陷水域水质具有低成本、高生态环境效益、易操作等特点[3-4]，建立湿地修复是通过对采矿沉陷区及矿坑积水区的综合整治，营造湿地的自然生态系统，具有消减污染、调节气候、美化环境、维护生物多样性保护且具有潜在的城市服务功能[5-6]。为维护大通湿地系统的稳定需对湿地的水文过程展开进一步研究，本文根据大通湿地的水文气象特征，建立湿地水循环模型，分析湿地水文状态指标对地表径流来水量变化的响应，从而为湿地水资源综合管理提供了支持。

1 研究区概况

大通湿地是在原大通煤矿开采地下煤炭资源而造成的地表沉陷坑基础上逐渐发展和演变而来的封闭型水域，促使陆生生态系统向水生生态系统的转变，满足湿地的水、土和植物特征，属于湿地的范畴[7]。所在地位于淮河中游南岸，地形南高北低，高程30～200m，属淮河冲积平原与江淮丘陵交接地带，区域上地貌类型多样，有丘陵、山前斜地、阶地、岗地、漫滩等，本区处于亚热带与暖温带的过渡地带，属暖温带半湿润季风气候区。气候温和，日照充足，雨量适中，四季分明[8]。研究区地理位置如图1所示。

图1 研究区地理位置图

2 大通湿地水循环

2.1 湿地自然水循环要素特性分析

为了建立合理的大通湿地水循环模型，通过对湿地主要的自然水循环要素特性进行分析与研究，由于大通湿地属于封闭型湿地，因此水循环要素主要包括地表径流来水量、地表径流出水量、降雨量、蒸散发量、地表水补给地下水量、人工取水量。

由于湿地上游没有水源的直接补给，所以湿地的来水量主要取决于大气降水及来自于南边舜耕山北坡、西部斜坡以及北侧非采煤沉区坡地上降雨产生的汇水，并以地表径流方式汇入湿地，湿地的来水量明显表现出季节性特点，每年的6～8月份径流量较大，12月至次年的2月份径流量较小。由于大通煤矿属倾斜或急倾斜煤层开采，湿地区域为一不对称漏斗状，且湿地四周发育有厚度15～25m的微-极微透水性粘土层，形成一相对独立的封闭区域，因此湿地基本没有地表水补给地下水的现象，其地表径流出水量取决于湿地内水面面积或水面高程。通过对淮南地区多年年蒸散发量数据统计，该地区年蒸散发量为1 603mm，且年内变化较大，主要集中在5～9月份，由于气温较高且植被处于生长旺盛阶段，约占全年蒸散量的60%，每年的12月和1月是全年蒸散量的最低时期。湿地周边分布着少量的居民区，但湿地内的水质较差，导致人工取水量较少，可以不计入湿地的水循环过程。

2.2 人类活动对湿地的影响

在湿地的东南侧，有一家尚在生产开采的小煤井，小煤井的长期开采并抽排地下水，使得该区域的地下水水位大幅度下降，且矿井水的排放给该地区地表水造成了相当程度的污染，使得地表水水质恶化。

研究区内的部分区域由于人工沟渠或道路的隔断使雨水及地表径流流出，而不进入湿地内。此外有一人工取土坑，地势较低，汇集了东北方向一片区域的雨水及地表径流，且长青煤井抽排地下水汇入其中，造成水面抬升，于是水流上溯，沿北部的人工水沟倒流进入洞山公路旁的城市雨水收集管网。

由于化工厂产生的化工垃圾及居民区产生的生活垃圾，给湿地内的地表水体造成了相当程度的污染，使得湿地内的水体水质变差，生态环境恶化。

3 大通湿地水循环模型

3.1 水文状态指标的选取

湿地水文状态是湿地各水文特征在某一时期的表征，状态指标主要包括湿地水深、水面面积、蓄水量、地下水位等。这里以湿地水面面积和蓄水量作为大通湿地的水文状态指标。湿地内植被以芦苇为主，芦苇的生长环境需要适当的水面面积和水深。因此，选取湿地水面面积和蓄水量为本湿地典型的水文状态指标，研究湿地水文状态指标对湿地地表径流入水量变化的响应关系。

3.2 湿地水循环模型构建

本文研究的一个重要目标是湿地水面面积、蓄水量与湿地入流量之间的响应关系。以大通采煤沉陷区封闭型湿地独有的水量平衡方程为基础，探讨湿地水面面积和湿地入流量之间的关系式。

(1)水量平衡方程的建立。基于上述湿地的水循环过程分析和所选取的湿地水文状态指标，得到如下的大通采煤沉陷区湿地的水量平衡方程

ΔV/Δt=Q+AP-AE-q

(1)

式中：ΔV/Δt为Δt时间内湿地的蓄水量变化量为ΔV；Q为入流量(包括大气降水，地表径流)；A为湿地水面面积；P为降雨量；q为出流量；E为蒸散发量。

(2)水循环模型构建及各参数分析。由上述公式可以得出湿地水面面积与湿地入流量关系方程，从而建立湿地水循环模型：

A=f(Q)=(ΔV-Q+q)/(P-E)

(2)

1) 地表径流入流量。淮南大通湿地流域范围较小，且降雨与径流关系密切，所降雨资料较全。雨水径流量的计算在此采用径流系数法进行计算。计算公式如下

Q=C×P×F

(3)

式中：Q为径流量，m3；C为年径流系数；P为降雨量，mm；F为集水面积，m2。

2) 降雨量。降雨量数据采用2003～2012年共计10年的统计值，并用曲线拟合方法获得降雨量P与时间t的函数关系。

3 )蒸散发量。本文的蒸散发量数据采用多年的平均值1 603mm。

4) 蓄水量年际变化量。蓄水量年际变化量取2011～2013年的年际变化量的平均值，采用这三年的湿地水面面积、DEM高程，利用ArcGIS的3D分析工具进行计算求出。

5) 出水量。出水量主要包括人工取水量和流入道取土坑的水量。由于这部分数据难以准确获取，主要采用经验估算值。

(3)模型参数标定与检验

1)地表径流集水量参数标定。利用径流系数法，计算出2003～2012年间年地表径流集水量，计算结果如表1所示。

表1 2003～2012年间年地表径流集水量

由于2003年大通遭遇洪涝，而洪涝后的次年又遇大旱。这里以2003～2005年地表径流量进行二次曲线拟合，2006～2012年再进行二次曲线拟合，拟合结果如图2所示。

图2 2003～2005年和2006～2012年地表径流汇水量

2003～2005年地表径流汇水量曲线的拟合方程为

y=2.94×104x2-1.0×108x+1.0×1011，

R2=1

(4)

2006～2012年地表径流汇水量曲线的拟合方程为

y=-112.7x2+4.48×104x-4.0×108，

R2=0.889

(5)

式中：x(x=2006，2007，…，2012)，y为年径流量。

拟合的Nash系数R2可达到要求，拟合效果较好。

2)降雨量参数标定。以2003～2012年间年降雨量进行参数标定，2003～2012年间年降雨量数据，如表2所示。

表2 2003～2012年间年降雨量

这里采用分段拟合，对2003～2005年降雨量采用二次拟合，再对2005～2012年降雨量采用二次拟合。得到的拟合曲线如图3所示。

图3 2003～2005年和2005～2012年降雨量拟合曲线

2003～2005年和2005～2012年降雨量拟合的曲线方程分别为

y=369.15x2-1.0×106x+1.0×109

(6)

y=-4.46x2+1.79×104x-2.0×107

(7)

式中：x(x=2006，2007，…，2012)，y为年降雨量。

分段拟合的结果可以看出，Nash系数R2可达到要求，拟合效果较好。

考虑到淮南地区年内各月降雨量分布极不均匀，明有明显的波峰，7月份降雨量最多，12月份降雨量最少。以1～7月份进行二次曲线拟合，7～12月份再进行二次曲线拟合，拟合结果如图4所示。

图4 淮南地区多年1～7月和7～12平均降雨量拟合曲线

得到的1～7月和7～12月平均降雨量拟合方程分别为

y=6.631x2-26.36x+53.42，R2=0.936

(8)

y=7.589x2-173.4x+1.03×103，

R2=0.965

(9)

式中：x(x1，x2，…，x12)为月份，y为月平均降雨量。

从上面的拟合结果可以发现，拟合的Nash系数R2可达到要求，相关性好，拟合效果较好。

3)湿地蓄水量年际变化参数标定。利用2010～2012年间湿地水面面积和DEM数据，利用GIS的3D分析工具，可以求出这3年内湿地的蓄水量年际变化量ΔV，结果如表3所示。

表3 大通采煤沉陷区湿地2010～2012年蓄水量年际变化

(4)水面面积与蓄水量的检验。湿地水面面积是水循环模型中一个重要的水循环要素，因此对湿地水面面积进行检验，以验证水循环模型的合理性。将各参数代入式(2)，计算出2013年湿地水面面积A=17 467m2，通过实地观测得到相对的湿地水面面积A0=17 154m2。从模拟与观测结果来看，湿地水面面积计算值与观测值吻合较好。

(5)蓄水量对降雨及地表径流量变化的响应关系。大通采煤沉陷区湿地的主要特征是地表长期或周期性的有水存在，湿地地表水特性(如水深、水面面积)是支撑湿地生态系统及其功能效益正常发挥的关键，湿地的生态系统随着地表水的丰枯变化而发生波动甚至演替。地表水的丰枯变化规律很大程度上取决于其水源的稳定性。水源主要包括大气降水和地表径流。由于人类活动和湿地周边上资源的开发，湿地的自然丰枯规律可能产生变化，导致湿地的入流量减少，地下水水位下降，在湿地水量不断减少的过程中，生物生境逐渐恶化，生态系统的生物完整性遭到破坏。

1)来水频率的选取。湿地生态系统较适应于高频率的洪水，而特大洪水或特大干旱对湿地生态系统来说往往意味着破坏，因此，最佳的湿地水文状态是去除特大洪水年和特大干旱年之后的近自然状态。这里考虑25%、50%、75%自然来水频率下的上游来水径流量。由于大通采煤沉陷区湿地的地表径流量取决于降雨量，所以在此采用降雨量替代，然后通过径流系数法将降雨量转换径流量。考虑到湿地往往具有多年调节特性，因此在选取各频率典型年时尽量选取连续的系列。

据国内研究成果，由于P-III型分布适应性较强，认为就我国情况而言，可以用P-III分布配合各种水文变量[9]。假定总体服从P-III型分布，经过适线得到降水频率分布曲线图。适线选用的统计参数E(x)=919.36、Cv=0.25、Cs=0.67。从适线图可确定丰水年、平水年和枯水年，相应于概率P1=25%、P2=50%、P3=75%水平年的年降水量分别为1 057.35mm、893.87mm、753.66mm。

频率25，50，75Hz时，径流量分别为5.17×104m3,4.37×104m3,3.69×104m3。

2)湿地水面面积对径流量变化的响应关系。由水循环模型计算不同来水频率下的水面面积。

频率为25，50，75Hz时，水面面积分别为2.28×104m3，2.07×104m3,1.89×104m3。

4 结论

4.1 湿地蓄水量少的原因分析

1)湿地的来水量主要来源于南部和西部由大气降水所形成的地表径流量。来水频率P=20%，年降雨量在1 050mm，湿地内的水量近似处于平衡状态。

2)研究区整体地形处于舜耕山的半包围之中，地势南高北低，西高东低，因此造成舜耕山北坡甚至是部分山脊线上的降雨产生的汇水，基本都以径流的方式流入湿地内。但是存在部分区域由于人工沟渠或道路的隔断而使雨水及地表径流修复区外流，未进入湿地内。

3)由于研究区地势西南高，东北低，在湿地的东北部存在一个范围较大的取土坑，与湿地形成了一个落差较大的阶地，由于人为原因，在湿地的东北角形成了一个从湿地流向取土坑的明渠，使得湿地内的水体流出到取土坑中。

4.2 水系修复对策与措施

1)由于湿地的来水量主要来源于舜耕山北坡甚至部分山脊线上的降雨产生的径流集水量和西部坡地降雨产生的径流集水量，在汇流面积难以增加的情况下，应尽可能的改善径流条件，使得由于降雨产生的地表径流量能够全部汇集到湿地内。

2)大通湿地的降雨分布具有明显的季节性特征，主要集中在6～8月份，约占全年降雨量的50%或以上。近几年由于降雨量偏小，湿地的水面面积有逐年减少的趋势，湿地内的生物生境逐渐恶化，因此，为维护湿地生态系统及其功能效益得到发挥，最为有效的办法是采用人工补水，具体补水量的大小建议以湿地水面面积不低于20 747m3为标准，补水时机建议选择在枯水季节，每年的9～10月份。

3)舜耕山北坡由于人工采石工业带来的负面响应，自然植被受到破坏，大量的基岩裸露，严重破坏了自然径流状态，使得有相当的降水向东北方向径流出湿地，最终进入城市雨水收集管网，建议沿舜耕山北坡的公路下方修建引水沟，将雨水引入到湿地内。

4)湿地的东北部一个范围较大的取土坑，且与湿地形成了一个落差较大的阶地，使得湿地内的水体流出到取土坑中。为此，需要加固和加高堤坝，建议堤坝材料采用渗透性极低的粘性土质，加固高度在现有基础上增加0.5～0.8m为宜。

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