《大型矿区地表水-地下水耦合模拟及水资源预测》以我国北方大型煤炭基地采煤活动引发的矿区水环境问题为对象，构建“原型观测—机理解析—耦合模拟—趋势预测”的研究体系。围绕采动采空条件下围岩应力场、裂隙场与渗流场的协同演化，系统揭示应力-裂隙-渗流三场耦合机理，并建立渗透系数-应力-渗流场三维耦合模型与配套监测技术；进一步从地下水循环与水化学响应出发，阐明采煤驱动下含水层水环境演变过程。构建可动态刻画露天矿影响区的地表水模型，提出与实际生产相结合的变边界、变结构地表水-地下水动态耦合模拟框架，开发精准模拟采动采空条件下矿区岩溶含水层地下水位变化的数据驱动模型，并对未来地表径流量与地下水位变化趋势进行模拟预测，为矿区水资源保护、水害防控与煤-水协调开发提供理论依据与技术路径。《大型矿区地表水-地下水耦合模拟及水资源预测》部分插图附彩图二维码，扫码可见。

目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 3
1.2 研究区概况 3
1.2.1 平朔矿区 3
1.2.2 神府榆矿区 6
1.3 本书的主要内容 9
第2章 采煤驱动下围岩应力-裂隙-渗流三场耦合作用机制 11
2.1 概述 13
2.2 煤层覆岩三场的演变规律 13
2.2.1 地质模型建立 13
2.2.2 水文地质参数 15
2.2.3 采煤过程数值模拟 17
2.2.4 模拟结果 18
2.3 煤层覆岩水力及岩石力学监测技术 35
2.3.1 监测技术路线 36
2.3.2 研究方法 36
2.3.3 研究结果和监测结果 38
2.3.4 监测技术合理性验证 44
2.4 本章小结 46
第3章 采煤驱动下流域不同水体水化学变化规律 49
3.1 概述 51
3.2 数据来源 51
3.3 不同水体水化学变化规律及其控制因素 52
3.3.1 水化学综合性指标分析 52
3.3.2 水化学类型判别 55
3.3.3 吉布斯模型分析 58
3.3.4 离子组合比例分析 59
3.3.5 主成分分析 65
3.4 氢氧同位素变化特征及其指示意义 68
3.4.1 氢氧同位素变化特征 68
3.4.2 氢氧同位素关系及其指示意义 69
3.5 本章小结 70
第4章 采煤驱动下流域地表径流模拟 73
4.1 概述 75
4.2 SWAT模型概述 75
4.2.1 SWAT模型结构 75
4.2.2 SWAT模型原理 76
4.3 构建采煤驱动下流域SWAT模型 80
4.3.1 输入数据库的构建 81
4.3.2 流域空间离散化 84
4.3.3 参数率定与验证 86
4.3.4 流域边界动态缩减策略下的径流模拟 90
4.4 量化气候变化和人类活动对径流的影响 93
4.4.1 分离气候变化和人类活动对径流影响的方法 94
4.4.2 量化气候变化和采煤活动对径流的影响 95
4.5 本章小结 96
第5章 采煤驱动下流域地表水-地下水动态耦合模拟 99
5.1 概述 101
5.2 地下水数值模拟模型概述 101
5.2.1 MODFLOW介绍 101
5.2.2 MODFLOW计算流程 102
5.3 变结构、变边界的地下水数值模拟框架设计 104
5.3.1 不同采煤模式在模型中的概化 104
5.3.2 地下水动态模拟框架的设计 106
5.3.3 地下水动态模拟框架的实现方法 107
5.4 模型耦合原理及实现方法 108
5.4.1 模型耦合原理 108
5.4.2 模型耦合过程及实现方法 109
5.5 模型基础与概念概化 110
5.5.1 经验公式的确定 111
5.5.2 4#煤顶板垮裂带发育高度的分布特征 111
5.5.3 9#煤顶板垮裂带发育高度的分布特征 112
5.5.4 模型动态边界范围的确定 113
5.5.5 含水层结构概化 115
5.6 数学模型与数值实现 116
5.6.1 初始时刻地质模型建立及网格剖分 116
5.6.2 模型识别期、验证期的确定 117
5.6.3 边界条件 118
5.6.4 初始流场 118
5.6.5 水文地质参数确定 119
5.6.6 模型源、汇项设置 121
5.6.7 模型参数识别与优化 122
5.6.8 模型验证 124
5.7 本章小结 126
第6章 基于数据驱动模型模拟岩溶含水层地下水位 127
6.1 概述 129
6.2 数据和方法 129
6.2.1 数据 129
6.2.2 方法 131
6.3 模拟结果 135
6.3.1 仅使用气象因子模拟岩溶地下水位 135
6.3.2 仅使用人类扰动因子模拟岩溶地下水位 140
6.3.3 联合使用气象因子和人类扰动因子模拟岩溶地下水位 141
6.3.4 三种情景下模型性能对比 142
6.4 归因分析 143
6.4.1 模型模拟性能的空间差异分析 143
6.4.2 输入变量选择的析因分析 144
6.5 本章小结 145
第7章 未来流域水资源预测 147
7.1 概述 149
7.2 CMIP6气候模式 149
7.2.1 不同未来情景下气温的变化 150
7.2.2 不同未来情景下降水量的变化 150
7.3 开采情景的预先假设和设计原则 151
7.3.1 开采情景的预先假设 151
7.3.2 开采情景的设计原则 152
7.4 未来不同情景方案的构建 152
7.5 不同情景方案的地表水-地下水预测 154
7.5.1 未来地表径流量的预测 154
7.5.2 未来地下水位的预测 156
7.6 本章小结 162
参考文献 164

第1章绪论
　　1.1 研究背景及意义
　　煤炭的能源战略地位和我国资源赋存特点决定了解决中国的能源问题必须以煤为主体。我国煤炭资源主要集中在西部的晋陕蒙宁甘地区，已探明煤炭储量占全国的62.7%，富煤地区多处干旱半干旱地带，水资源仅占全国的3.9%，且年蒸发量是降水量的6倍，生态环境十分脆弱。随着煤炭资源的开发利用规模逐渐扩大，与煤有关的矿区水文和生态环境问题也愈发突出。
　　本书以矿区水文和环境生态演变对矿业活动的响应为基础，以采矿过程中地质环境生态效应为主线，运用水文学、地质学、环境科学、系统科学等多学科前沿理论和技术，通过原型观测、机理解析、数值模拟、信息融合等方法，针对我国北方大型煤炭基地不同采煤模式，系统识别采动采空条件下围岩应力场演化规律、裂隙分布规律和渗流场演化特征，查明围岩应力-裂隙-渗流三场耦合演化机理和采煤诱发的地质效应；探明采煤驱动下地下水循环作用机理和地下水水化学特征；构建可以动态刻画流域内露天矿影响区的地表水模型，提出可以与矿区实际生产相结合的变边界、变结构的地表水-地下水动态耦合模拟框架，开发精准模拟采动采空条件下矿区岩溶含水层地下水位变化的数据驱动模型，预测未来不同情景矿区流域地表水和地下水的发展趋势。本书将系统发展“采煤驱动下水文演变机理与地质环境生态效应”理论，整体提升我国在本领域的研究水平，支撑我国实行*严格水资源管理制度、实施国家节水行动、抢占国际水资源安全研究制高点及推动“一带一路”倡议等。
　　1.2 研究区概况
　　1.2.1 平朔矿区
　　平朔矿区位于山西省宁武煤田的北端，地跨朔州市平鲁区、朔城区，南北长23km，东西宽22km，勘探面积380km2，探明煤层储量127.5亿t，研究区内现存3个大型露天矿，23个井工矿。矿田主要含煤层为石炭系太原组，埋深130m左右，主要可采煤层有3层，总厚度26m，分别是4#中灰低硫煤、9#低灰中硫煤和11#高灰高硫煤。
　　1.气象
　　研究区气温较低，年平均气温为4.8～7.5℃，绝对*高气温为37.4℃，*低为-27.4℃，一般昼夜温差为18～25℃。根据井坪站1996～2005年气象资料，年平均降水量为374.3mm，*高为451.8mm，*低为330.9mm。降水量多集中于7～9月，占全年降水量的75%。日*大降水量25.7～44.5mm。年蒸发量为1708.3～2135.77mm，*大月份为4～6月，月*大蒸发量为382.7mm。年平均风速为2.3～4.7m/s，*大风速为20m/s，阵风*大风速为24m/s，风向多为西北向，集中于冬春两季，大风时砂土飞扬，遮天盖日。初霜期*早为9月14日，解冻日期*晚为次年4月21日，冻土*大深度为1.31m，积雪*大厚度为26cm。
　　2.地质条件
　　（1）区域地层。
　　平朔矿区地处宁武盆地，盆地东西边缘有呈条带状的新太古界变质岩系，新元古界震旦系环状出露。盆地的中心位于煤田中南部宁武—静乐一带，其上部有侏罗系含煤地层出露，新近系和第四系在煤田内的广大地区均有不同程度的分布。宁武煤田地处山西台背斜的中北部，属祁吕贺兰山字型构造东翼中段外侧，研究区内地层由老至新分别为下奥陶统冶里组、亮甲山组，中奥陶统马家沟组，中石炭统本溪组，上石炭统太原组，下二叠统山西组、下石盒子组，上二叠统上石盒子组，新近系，第四系。各地层岩性表述见表1-1。
　　（2）地质构造。
　　研究区内主要褶皱为宁武向斜，北从平番城村起，向南偏东，经北水上村，沿马关河至陶村，向南西偏转，延展9250m，其轴向330°。东翼地层*大倾角15.3°，向西趋于平缓，在向斜轴部地区倾角约5°；西翼地层产状较为复杂，伴生着次一级的波状起伏，地层倾角在10°以下，至西部边缘地层倾角剧增20°～30°。向斜轴北端有多处泉水出露，南端有地层露头产状。研究区内发育断层16条，断距在5m以上者6条，其中安家岭逆断层F19和马蹄沟断层F25规模较大。
　　3.水文地质条件
　　平朔矿区从属神头泉域水文地质单元，其边界条件受区域地层、构造及地貌特征等条件制约，南部边界为王万庄大断裂以南宁武向斜轴部，西部以管涔山脉地表分水岭为界，北界与三层洞泉域相隔，东北以洪涛山山脊为地表、地下分水岭，岩溶水由北、西、南向盆地径流，*后向神头泉域排泄。
　　根据地下水赋存空间的空隙性质，结合岩性组合特征，本区可划分为松散岩类空隙含水岩组、碎屑岩裂隙含水岩组和碳酸盐岩溶裂隙含水岩组。
　　（1）松散岩类空隙含水岩组。
　　松散岩类空隙含水岩组主要接受大气降水、地表水补给，局部可接受岩溶水的顶托补给。在北部丘陵区，地下水流向与地表水基本一致，顺河谷由北向南径流，向山前倾斜平原排泄，以地表蒸发和人工开采排泄为主。在担水沟断层以南的朔州平原区，地下水一般由平原向河谷汇集，再顺河谷径流。
　　（2）碎屑岩裂隙含水岩组。
　　碎屑岩裂隙含水岩组多被第四系黄土、新近系红土覆盖。南部的井工一、二矿仅沟谷地带露头部位可获得大气降水入渗补给，但补给量有限。朔南矿区，由于区内没有基岩露头，主要接受南部、西部山区的大气降水补给和局部新生界孔隙水的补给，以及较大断层附近的岩溶裂隙水的补给，补给条件一般。
　　裂隙水径流条件在担水沟断层以北的北部丘陵区，由东西两侧向宁武向斜汇集，后由北向南向山前平原径流；在担水沟断层以南的南部平原区，地下水由西向东经宁武向斜轴部向朔州平原汇集，自南向北径流，在担水沟断层作用下向东排泄。
　　裂隙水以点状排泄和矿坑排泄为主，一般于沟谷处以泉的形式排泄，但泉流量一般较小。与宁武向斜一致的马关河，其河床切割石盒子组，东西两侧碎屑岩裂隙水向河床排泄。担水沟断层以北丘陵山区地方煤矿众多，矿坑排水是碎屑岩裂隙水的主要排泄方式。
　　（3）碳酸盐岩溶裂隙含水岩组。
　　岩溶地下水补给来源主要为泉域的北、西、南灰岩裸露区及东部半裸露区大气降水入渗，面积约3839km2，补给方式为裸露区岩溶裂隙直接入渗补给和覆盖区间接入渗补给及河流线状渗漏补给。地表裂隙、溶隙为降水入渗提供了良好通道。受构造变动和风化剥蚀作用影响，岩溶裂隙（多为张性、垂直）十分发育，又由于降水入渗和地表径流的扩溶可形成溶蚀，沿构造裂隙方向进而形成溶洞。岩溶裂隙不仅成为降水入渗的良好通道，而且为岩溶地下水的汇集、运移提供了有利条件。
　　岩溶地下水的径流条件严格受地形和构造控制，本区北、西、南三面环山向东开阔平缓，似一簸箕状盆地，决定岩溶地下水由北、西、南向盆地径流的总趋势，并且构造裂隙控制使得地下水流向与构造发育方向一致，为地下水提供了良好的径流环境，本区属于神头泉域径流子系统。
　　（4）隔水层。
　　研究区内各含水层之间均有隔水层相间，主要隔水层有本溪组泥岩隔水层，二叠-石炭系泥岩隔水层和新近系红土隔水层。
　　1.2.2 神府榆矿区
　　神府榆矿区位于陕西省榆林市境内，包括榆神、神府、榆横北区三大矿区，面积约为11500km2。煤层埋深200～700m不等，含2号、3号、4号、5号、6号煤组，为区内主要含煤地层，开拓方式为井工开采。
　　1.气象
　　区内气候特征属于中温带半干旱大陆性季风气候，冬季持续长达近6个月，受北部蒙古寒流侵袭影响，严寒而干燥，夏季气温较为平和，且冷热多变，昼夜温差悬殊。每年11月至次年3月为冰冻期，冻土*大深度1.46m，全年无霜期短。1月初至5月初为季风期，多为西北风，多年平均风速2.3m/s，*大风速25m/s。春季时有沙尘暴天气，尤其是3～5月内，大风和沙尘暴、扬沙浮尘提前出现频繁，累计分别达15天和29天。年平均气温8.6℃，极端*高气温38.9℃，极端*低气温-28℃，从1985年至2012年，年平均降水量336.09mm，年*大降水量604.10mm（2012年），*小降水量150.20mm（2005年），雨季多集中在6～8月；年蒸发量1807.10～2737.0mm，平均蒸发量为2283.86mm，是降水量的5～7倍。
　　2.水文
　　神府榆矿区位于鄂尔多斯盆地内，区内水系主要分黄河水系和内陆水系，内陆水系主要分布于鄂尔多斯高原中西部，内陆水系外围属黄河水系。
　　黄河水系较大的支流自北向南有窟野河、秃尾河、无定河、清涧河、延河、渭河等22条地表水系，分布于黄河西岸。较大的三级水系有乌兰木伦河、悖牛川、榆溪河、泾河、洛河等。
　　区内水系不发育，井田东北角白水河自西向东流入榆西河，西南部海流兔河自西北向东南流入无定河，属于黄河水系，河流季节性变化显著，汛期径流量占全年总流量的40%～60%。其中主要河流丰水期的断面流量可达3～17m3/s，为枯水期流量的3～5倍。旱季大部分河流均枯竭断流。