一种针对采煤沉陷区的蓄洪除涝作用评估方法与流程

本发明涉及水利技术领域，具体涉及一种针对采煤沉陷区的蓄洪除涝作用评估方法。

背景技术：

在煤炭开采过程中，当采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，地表从原有标高向下沉降，引起地表沉陷，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。研究沉陷洼地蓄滞洪涝水能力，针对的是淮河中游内涝的“关门淹”问题。沉陷区所处流域由于地势低洼，中游行洪不畅，以往在汛期遇大水年份，河流干流的水位往往高于支流，使得支流内洼地的积水没有出路，形成“关门淹”。“关门淹”是指汛期淮河干流水位高于沿淮支流水位的现象，有时长达一个月之久。此时支流洪涝水受干流水位阻挡无法自流排出，任何除涝设计标准的闸门均失效，除非支流入淮口处建有抽排泵站，否则所有内涝水只能暂存在支流河道内。这样“关门淹”的时间越长，发生支流河道圩堤溃决的风险越大。因此在发生“关门淹”时，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，支流河道是否具有足够的蓄滞能力就成为应对问题的关键。

技术实现要素：

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种针对采煤沉陷区的蓄洪除涝作用评估方法。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种针对采煤沉陷区的蓄洪除涝作用评估方法，其包括以下步骤：

s1：收集研究区域内雨量站的长系列降水数据，并用泰森多边形法加权求得研究区域内的面雨量；

s2：根据面雨量数据，用经验频率计算法计算逐年长系列设定一段时间内最大降水频率，并进行排频分析，选出最大降水量的年份作为研究降水的典型年；

s3：收集研究区域内长系列洪水量数据，计算长系列逐年设定时间段内最大的洪量频率，并进行排频分析，选出最大的洪水量年份作为研究洪水量的典型年；

s4：收集研究区域内河道中游汛期最高水位、河道下游支流警戒水位和河流干流高水位，并根据步骤s2中研究区的降水与步骤s3中的洪量进行组合对比分析，以及对河流中游汛期最高水位及超河道下游支流警戒水位历时时长和超河道干流高水位的历时时长进行对比分析，确定各研究典型年的危害性等级；

s5：对比分析各典型年的年降水特征，分析典型年的年降水总量及各月降水分布，确定典型年内降水高峰的时间段；

s6：收集研究区域内河道中各观测站洪量数据及水位数据，并绘制河道下游支流累计洪量过程线、河道下游支流水位过程线及河道下游支流入河口干流水位关系图；

s7：根据水位关系图确定“关门淹”状态的始末时刻；

s8：根据水位关系图中的“关门淹”状态的始末时刻，计算“关门淹”期间累计来水量、闸门下泄量、泵站抽排量、漫溢量、期间最高水位及采煤沉陷区拦蓄的涝水量；

s9：综合对比前后典型年内漫溢量，确定采煤沉陷区是否具有除涝作用，以及确定该研究区的采煤沉陷区各个汇流区的蓄滞库容及其分布能否应对各个典型年洪水。

进一步地，还包括步骤s10：在步骤s9中，若蓄滞库容能够应对典型年洪水，则计算出各典型年“关门淹”期间除涝最高水位，并根据除涝最高水位计算相应的对应库容；根据总库容及除涝最高水位对应库容计算可蓄洪库容。

进一步地，频率分析方法为：若有n年的最大30日降水，将n年的降水数据从大到小依次排列为x1、x2、x3……xn，并逐个累加次数，序号记为m，则降水频率pm＝m/n+1。

进一步地，“关门淹”状态的始末时刻包括“关门淹”状态开始时刻和“关门淹”状态解除时刻；“关门淹”状态开始时刻为汛期河流干流水位高于河道下游支流内水位的时刻，“关门淹”状态解除时刻为汛期河流干流水位低于支流内水位的时刻。

进一步地，步骤2中设定最大的降水量时间段为30日，选出降水量最大的5年做为研究降水的典型年。

进一步地，步骤3中最大洪量计算时间段为30日、最大60日或最大90日，选出最大的5年作为研究洪水量的典型年。

进一步地，“关门淹”期间累计来水量、闸门下泄量、泵站抽排量、漫溢量及期间最高水位均通过modcycle水循环模型模拟得到；闸门下泄量通过modcycle水循环模型采用平底堰流计算公式得到。

进一步地，蓄水库容采用分辨率为30m的数字高程模型(dem)为基本资料，基于arcgis软件平台，使用spatialanalysttools工具，计算出未来各年份的dem的数值；再进一步应用arcgis中的统计方法，求出各个部分沉陷区域的面积；应用gis软件计算下沉区各条等值线之间的面积，与相应区域的沉陷值相乘，计算出沉陷区蓄水容积。

本发明的有益效果为：本方案是对于采煤沉陷区蓄洪除涝作用的研究，先确定内涝和外洪的历史遭遇情况，可通过对内涝和外洪两者之间的历史遭遇情况进行排频分析，确定出内涝与外洪皆不利的组合年份，并挑选其中的代表年份作为评估分析用；再对除涝作用做出评价，具体以典型年为研究对象，分析各个研究典型年的降水特征，并确定各典型洪水年份的洪涝来水过程，再分析研究区采煤沉陷区形成的湖泊或洼地系统对“关门淹”水量的拦蓄表现，进而分析研究区不同汇流片的除涝作用并对除涝作用做出评价；最后为典型洪水的蓄洪能力评估，在除涝效果评估基础上，分析研究区除涝期间尚富余的蓄滞库容，作为评估蓄滞外洪潜力的基础，并确定沉陷洼地的蓄洪能力。

通过利用采煤沉陷区潜在的蓄滞构造，能够切合当地蓄洪除涝和水资源调蓄空间不足的迫切需求，趋利避害，在促进区域经济可持续发展的同时，提高区域防洪、除涝和水资源保障的能力，促进水资源的高效利用，并能一定程度的改善区域生态环境。

通过定量评估数据证明该治理模式可行性，则可破解研究区域面临的煤矿区发展与生态环境保护相矛盾的困局，通过上述评估结论和总结的工程建议也可为我国类似矿区的修复治理提供参考借鉴，产生重要的社会、经济及生态效益，具有很高的实践价值。

附图说明

图1为针对采煤沉陷区的蓄洪除涝作用评估方法的流程图。

图2为淮河中游洪水与研究区降水频率遭遇分析图。

图3为历次大洪水淮河中游凤台-峡山口站洪水水位。

图4为西淝河汇流片不同典型洪水年分月降水量。

图5为永幸河/架河汇流片不同典型洪水年分月降水量。

图6为泥黑河汇流片不同典型洪水年分月降水量。

图7为1991年汛期花家湖“关门淹”时期及累积来水量。

图8为1991年汛期泥河湖“关门淹”时期及累积来水量。

图9为1991年汛期城北湖“关门淹”时期及累积来水量。

图10为2003年汛期花家湖“关门淹”时期及累积来水量。

图11为2003年汛期泥河湖“关门淹”时期及累积来水量。

图12为2003年汛期城北湖“关门淹”时期及累积来水量。

图13为2003年淮河流域洪涝范围示意图。

图14为2007年汛期花家湖“关门淹”时期及累积来水量。

图15为2007年汛期泥河湖“关门淹”时期及累积来水量。

图16为2007年汛期城北湖“关门淹”时期及累积来水量。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本实施例以淮河流域为例作为研究区域，淮河流域地处我国南北气候过渡地带，气候变化复杂，降雨时空分布不均。流域内众多支流多为扇形网状水系结构，洪水集流迅速，洪涝灾害频繁。据历史文献记载统计，黄河夺淮初期的12、13世纪，平均每百年发生水灾35次；14、15世纪每百年水灾75次；16世纪至中华人民共和国初期的450年里每百年平均发生水灾94次；建国以来淮河流域共发生流域性和支流性大洪水数十次，尤以淮河中游较为严重。淮南采煤沉陷已经形成了规模化蓄滞库容，其汛期蓄洪除涝潜力凸显，可以对此作为研究区进行评估。

本方案中“蓄洪除涝作用”包含“蓄洪”和“除涝”两重含义，在是分开进行评价的，其中“蓄洪作用”指的是沉陷洼地蓄滞外洪，即研究区域河流干流洪水的作用；“除涝作用”指的是沉陷洼地蓄滞内洪，即研究区内洪涝水的作用。沉陷洼地除涝作用是将内涝水有效蓄滞住的能力。

如图1所示，针对淮河流域的采煤沉陷区的蓄洪除涝作用进行评估和分析，其包括以下步骤：

s1：收集研究区域内雨量站的长系列降水数据，并用泰森多边形法加权求得研究区域内的面雨量；

s2：根据面雨量数据，用经验频率计算法计算逐年长系列最大30日降水，并将降水数据进行排频频率分析，选出最大的5年作为研究降水的典型年。

s3：收集研究区域内长系列洪水量数据，计算长系列逐年最大30日、最大60日、最大90日洪水量，并将洪水量数据进行排频频率分析，选出最大的5年作为研究洪水量的典型年。

如图2所示，淮河中游鲁台子站1951～2010年逐年最大三十日洪量的频率图，以及根据研究区1951～2010年的降水资料统计的逐年最大三十日降水量频率之间对比。由图1对比分析可知，1954年、1956年、1968年、1991年、2003年和2007年共6年为外洪与内涝最不利组合的年份，其各年份内的最大三十日降水量和淮河中游最大三十日、六十日、九十日洪量的具体数据和频率如下表1所示。

表1淮河中游洪水与研究区强降水遭遇组合分析表

如图3和表1所示，由于和“关门淹”真正相关的是与外洪量相应的淮河水位，因此除了研究降水和外洪量还要研究相应水位，图3给出了历次洪水年份淮河中游凤台(峡山口)站(西淝河闸附近)的洪水位变化过程，并且表1中给出了淮河中游汛期最高水位、淮河水位超过西淝河下游花家湖警戒水位(23.2m)历时时长，以及淮河水位超24m高水位历时时长等数据。

s4：收集研究区域内河道中游汛期最高水位、河道下游支流警戒水位和河流干流高水位，并根据步骤2中研究区的降水量与步骤3中的洪水量遭遇后进行组合对比分析，以及对河流中游汛期最高水位及超河道下游支流警戒水位历时时长和超河道干流高水位的历时时长进行对比分析，对各研究典型年的危害性高低进行排序。

如表1所示，除1954年外，其它洪水年份淮河水位超西淝河花家湖警戒水位历时均在1个月左右，因此在对研究区发生“关门淹”危害大小进行初步定性排序时，参考研究区最大30日降水和淮河水位因素进行初步定性判断。排序结果应该是1954年关门淹危害最大，因为该年份淮河外洪水量和降水量的组合最不利。2003年虽然比1991年最大30日降水量要稍小，但2003年淮河水位超24m历时却比1991年长8天，同时1991年淮河水位超24m历时中间有间断，研究区内洪可择机抢排，因此2003年与1991年相比危害可能要更大；其它排序为1991年高于2007年；2007年高于1968年、1968年高于1956年。

s5：对对比分析各典型年的年降水特征，分析典型年的年降水总量及各月降水分布，确定典型年内降水高峰的时间段。

如下表2和图4至图6所示不同洪水年份三片汇流区分月降水数据，从降水分布特征来看，1991年主要降水发生在5、6、7三个月，6月份为降水高峰期。2003年和2007年主要降水分布在6、7、8三个月，都在7月份达到降水高峰期，但2003年降水比重主要偏向6月和7月，而2007年降水比重主要偏向7月和8月。分片降水进行统计，西淝河和永幸河/架河汇流片降水量符合2003年大于1991年，1991年大于2007年的规律，但泥黑河汇流片是1991年大约2003年，2003年大于2007年。可见1991年与2003年的降水强度分布还是有较大差别的，1991年偏东部，2003年偏西部。

表2典型洪水年分月降水量数据表

由于在淮河中游地区，内涝危害主要由“关门淹”洪涝量引起，因此采煤沉陷区形成的湖泊或洼地的除涝作用，主要体现在能否完整拦蓄住“关门淹”期间的洪涝量。只需要根据下游湖泊的来水过程统计“关门淹”状态开始时刻和“关门淹”状态解除时刻之间的来水量，即可确定“关门淹”期间的洪涝过程。通过“关门淹”期间洪涝量和湖泊或洼地的拦蓄情况，可对湖泊或洼地的除涝作用进行评估。

s6：收集研究区域内河道中各观测站洪量数据及水位数据，并绘制河道下游支流累计洪量过程线、河道下游支流水位过程线及河道下游支流入河口干流水位关系图。

s7：根据水位关系图确定“关门淹”状态的始末时刻；

s8：根据水位关系图中的“关门淹”状态的始末时刻，计算“关门淹”期间累计来水量、闸门下泄量、泵站抽排量、漫溢量、期间最高水位；进而计算采煤沉陷区拦蓄的涝水量；累计来水量、闸门下泄量、泵站抽排量、漫溢量、期间最高水位均来自modcycle水循环模型模拟得到，但数据并不局限于此模型计算，期间累积来水量即根据每天来研究区流域水量叠加，闸门下泄量通过modcycle水循环模型采用平底堰流计算公式得到。

s9：综合对比前后典型年内漫溢量，确定采煤沉陷区是否具有除涝作用，以及确定该研究区的采煤沉陷区各个汇流区的蓄滞库容及其分布能否应对各个典型年洪水。

s10：在步骤s9中，若蓄滞库容能够应对典型年洪水，则确定各典型年“关门淹”期间除涝最高水位，并根据除涝最高水位确定相应的对应库容，然后根据总库容及除涝最高水位对应库容确定可蓄洪库容。

本方案中蓄水库容采用分辨率为30m的数字高程模型(dem)为基本资料，基于arcgis软件平台，使用spatialanalysttools等工具，可以计算出未来各年份的dem的数值。进一步应用arcgis中的统计方法，求出各个部分沉陷区域的面积；应用gis软件中的calculategeometry等功能，计算下沉区各条等值线之间的面积，与相应区域的沉陷值相乘，即可以计算出沉陷区蓄水容积。

本方案中频率分析方法为：若有n年的最大30日降水，将n年的降水数据从大到小依次排列为x1、x2、x3……xn，并逐个累加次数，序号为m，则降水频率pm＝m/n+1。

“关门淹”状态的始末时刻包括“关门淹”状态开始时刻和“关门淹”状态解除时刻，“关门淹”状态开始时刻为汛期河流干流水位高于河道下游支流内水位的时刻，“关门淹”状态解除时刻为汛期河流干流水位低于支流内水位的时刻。

如图7至图9所示，给出了1991年典型洪水期间各湖泊水位(内水)变化过程线、湖泊入淮口处淮河水位(外水)变化过程线以及自2003年6月1日起的累积洪量(来水)过程线。其中“关门淹”状态开始时刻为汛期淮河水位高于湖泊内水位的时刻，“关门淹”状态解除时刻为汛期淮河水位低于湖泊内水位的时刻。

如下表3所示，2010年沉陷情景下，研究区在1991年典型洪水形成“关门淹”状态期间总累积来水量为8.02亿m³，通过泵站抽排3.1亿m³，闸门下泄1.53亿m³，其余水量主要依靠湖泊或洼地的库容进行拦蓄，统计拦蓄的涝水量为2.85亿m³。从除涝作用上看，2010年沉陷情景下研究区的蓄滞库容及其分布尚不能完整应对1991年典型洪水，因为除了泥河湖外，花家湖片和城北湖“关门淹”期间其水位均达到最大允许蓄水位，导致出现漫溢排水。统计的漫溢排水量约为0.52亿m³。需要注意的是，花家湖片在“关门淹”期间，其闸口对应的淮河水位有大概10天左右的短历时的下降，形成了西淝河闸抢排的机会，因此关门淹期间有一定水量通过闸门下泄。

表31991年典型洪水的除涝量模拟评估(2010沉陷)

如图10至图12所示，2003年典型洪水期间各湖泊水位(内水)变化过程线、湖泊入淮口处淮河水位(外水)变化过程线以及自2003年6月1日起的累积洪量(来水)过程线。如下表4的数据所示，2010年沉陷情景下，研究区在2003年典型洪水形成“关门淹”状态期间总累积来水量为7.65亿m³，泵站抽排2.53亿m³，湖泊或洼地拦蓄的涝水量为3.89亿m³。同1991年典型洪水，从除涝作用上看，2010年沉陷情景下研究区的蓄滞库容及其分布尚不能应对2003年典型洪水，主要在于花家湖片由于拦蓄空间不足出现水量漫溢。2003年典型洪水年总的漫溢量为0.85亿m³，大于1991年典型洪水漫溢0.52亿m³时的情景，说明前面在进行“关门淹”洪涝危害大小初步评估时的判断是正确的。虽然1991年“关门淹”期间花家湖片的来水量大于2003年的，同时“关门淹”起始水位也高于2003年，但由于1991年“关门淹”中途有抢排机会，通过闸门及时下泄了1.53亿m³的涝水，所以最终漫溢量较小。

表42003年典型洪水的除涝量模拟评估(2010沉陷)

如图13所示，2003年实际洪水年份下的淮河流域洪涝范围示意图，图中显示研究区所在位置存在大面积的淹没区，说明2003年实际年份研究区已经发生严重洪涝。

如图14至图16所示，2007年典型洪水期间各湖泊水位(内水)变化过程线、湖泊入淮口处淮河水位(外水)变化过程线以及自2007年6月1日起的累积洪量(来水)过程线。

如下表5所示，2010年沉陷情景下，研究区在2007年典型洪水形成“关门淹”状态期间总累积来水量为5.19亿m³，泵站抽排1.20亿m³，湖泊或洼地的拦蓄量为3.79亿m³。相对2003年典型洪水，2007年典型洪水“关门淹”历时明显缩短，这与2007年内涝来水量较少、淮河高水位期较短有关。2007年典型洪水“关门淹”期间花家湖仅略漫溢出0.02亿m³的水量。从除涝效果上看，2010年沉陷情景下研究区的蓄滞库容及其分布基本上能应对2007年典型洪水。

表52007年典型洪水的除涝量模拟评估(2010沉陷)

2010年沉陷情景下，对应1991、2003、2007三场典型洪水，湖泊或洼地在“关门淹”期间的除涝作用分别为2.85亿m³、3.89亿m³和3.79亿m³。同时发现2010年沉陷情景下，研究区湖泊或洼地的除涝能力尚不能应对1991和2003年典型洪水，蓄滞空间不足主要发生在西淝河下段。但研究区基本能够满足2007年典型洪水的除涝需求，因此认为，现状条件下研究区湖泊或洼地的除涝能力大约在10～15年一遇标准。

蓄洪潜力指在湖泊或洼地除涝基础上能够蓄滞外洪(淮河洪水)的潜力。对比西淝河汇流片1991、2003年典型洪水量来看，其湖泊或洼地总库容尚不足以完成“关门淹”期间的拦蓄任务，甚至还发生漫溢，因此这两个典型洪水年份无蓄洪潜力；2007年典型洪水年份虽然基本能蓄纳“关门淹”期间涝水，但花家湖最高水位已达24.5m的最大允许蓄水位，同时也超过花家湖片24.27m的周边平均地面高程，因此基本也无蓄洪潜力。

永幸河汇流片的三片人工沉陷洼地，包括丁集东、丁集西、顾北顾桥洼地等，目前沉陷规模甚小，合计总库容仅0.35亿m³，扣除汛期洼地自身积水所占库容后仅剩0.12亿m³，蓄洪利用意义不大；另外城北湖本身处在永幸河汇流片三个洼地的下游，与沉陷洼地之间也无空间联合关系，即使沉陷洼地有蓄洪库容，若无相应工程也利用不到。

泥河汇流区泥河片以20.6m高程作为最高允许水位控制时，对应的蓄滞库容为13465万m3，扣除三个典型洪水年除涝期间最高水位已用掉的库容，则1991年典型洪水蓄洪潜力为0.18亿m3，2003年典型洪水年蓄洪潜力为0.34亿m3，2007年典型洪水年蓄洪潜力为0.49亿m3，如下表6所示。以上核算结果说明，2010沉陷情景下研究区仅泥河汇流片湖泊或洼地有一定蓄洪潜力，但可利用库容有限，工程利用价值不大。

表62010年沉陷情景下的泥河片蓄洪潜力计算表