本文是一篇土木工程论文，本文从“三水”相互作用、相互转化的角度出发，结合生态脆弱区“上三带”的形成过程、导水裂隙带发育数据与土壤的类型、侵蚀程度、含水率、电导率以及温度的变化，说明采煤导致地表塌陷、土壤持水能力减弱、地下水资源量减少等重要问题。利用、水质监测数据等资料，结合生态脆弱区的离子来源与氢氧同位素分析，说明采煤导致含水层沟通、河川径流减少等问题。
1绪论
1.1研究背景及意义
水是生命的基本元素，是人类不可缺少的自然资源。无论是自然的平衡还是生命的延续都需要水的参与。在众多的水资源中，只有地下水、湖泊淡水和河水可以被人类直接利用，却仅占了全球总水量的0.26%左右。这些有限的淡水资源随着经济的发展、人口的增长和生活方式的改变而被不断的开发利用[1]。人类活动不仅对水资源造成了正常的消耗，同时又存在着水资源浪费、水质污染、地下水过度开采等问题，且随着人类活动的增多，环境地质问题的日益明显，这也对水产生了巨大的影响[2-7]。水资源总量的是由地表水和地下水组成的。地表水和地下水作为可利用的水资源两大构成体[8]，可以说他们是有区别的，但是他们存在紧密的联系，密切相关。河流的基本生态系统由地表水和地下水互相作用的水、物、热交换维持着河流生态系统的基本功能[9]。地表水与地下水的相互转化关系类型复杂且多样，不同的地区环境下，有不同的水文地质地貌、河流特点、地下水动态变化以及不同的水资源开发利用、水资源饱和和水污染防治措施。这些因素的不同也导致了不同的研究区域有着不同的地表水与地下水的转化关系。这对研究神东矿区的水循环特征具有指导意义。
在我国，许多的产业发展都依托着煤炭产业的发展，可以说煤炭产业是我们国家的经济发展的支柱。我国东部煤炭资源枯竭，导致煤炭西战略已经成为事实。在中国西北部这样地下水资源并不丰富且又干旱少雨的生态脆弱区，已集中规划建设着14个现代化大型的煤炭生产基地。而神东矿区正位于晋蒙接壤的大型煤炭基地的集中区，这使得如何在该区域内进行科学的开发成为被生态脆弱这一条件制约的一大问题。生态环境恶化、河流断流等问题日益频发。随着煤炭开采规模的扩大，水资源短缺将成为未来制约神东矿区可持续发展的关键问题[10]。本次研究的乌兰木伦河是黄河支流窟野河的上源，而位于矿区内乌兰木伦河的支流基本上都已干涸[11]，此现象应该引起我们的重视，因为这不仅仅是一个地表水干涸的现象，而是关系到整个矿区的水循环过程已经受到影响从而发生了变化。
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1.2国内外研究现状
1.2.1采煤对地表水与地下水的影响分析
采煤对水循环过程的影响可以从煤炭开采对地下水影响研究这一方面入手，因为煤炭开采首先会对开采地区造成下垫面的破坏。而地表水受到的影响主要来自于采煤对地表形态的破坏造成的地面裂隙与塌陷。由于地表水的主要补给就是大气降雨，地表形态的改变影响了地表径流和地下径流的形成过程从而对地表水的汇流过程造成了影响。
（1）采煤对地表水的影响
煤炭开采活动首先对地表形态造成了直接的影响。1996年，杨农朝等人[12]通过对8个统配矿务局的调查，得出采煤造成的土地塌陷量具有大面广的特点，平均每采1亿吨煤地表的塌陷面积可达7平方公里左右。2001年，胡燕妮等人[13]对神东矿区大柳塔开采形成冒落带与裂隙带的过程进行模拟，研究地表在地下煤炭充分开采的情况下的移动变形规律。2005年，王晋丽[14]以太原西山西曲矿为例，研究了矿区开采对下山区地表裂缝的形成机理及分布规律。2012年，赵国平等人[15]根据神府煤田风沙区不同塌陷年限的地表环境变化建立了塌陷区地表环境变化评价指标体系，用于分析区域采煤塌陷区的地表环境变化过程。2016年，张艳娜等人[16]从地表移动变形在陕北脆弱生态区的分布的基础上从地表移动变形因素、地表沉陷预测等方面评述了该地区的地表变形的现状。2019年，陈少杰等人[17]以寨镇煤矿西部矿区为例，分析地表不连续变形特征进行了总结和研究，说明了松散的表土层厚度或强度不足以吸收坚硬和重复开采都会加剧地表塌陷的情况。Zhou Dawei等人[18]以补连塔煤矿12，406综采工作面采动地裂缝为例，结合理论分析和物理/数值模拟相结合的方法，发现地裂缝的发展规律是“双峰值-双周期”的“M”型。
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2研究矿区的自然环境和地质条件
2.1自然地理概况
2.1.1地理位置
如图2.1所示，神东矿区位于陕西省和内蒙古自治区接壤地带，神东矿区地处榆林市神木县北部，府谷县西部和鄂尔多斯市伊金霍洛旗的南部，分布于乌兰木伦河的两侧。
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2.1.2地形地貌
如图2.2所示为神东矿区的地形图，整体呈现为西高东低，北高南低之势。矿区最北部的煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗东南部，行政区划属于内蒙古自治区伊金霍洛旗布尔台乡。地貌上是黄土高原和高原沙漠的交汇地，受流水冲刷切割强烈，为侵蚀性丘陵地貌特征。西部地区的煤矿主要位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇，行政隶属乌兰木伦镇管辖。主要为沙漠、滩地、黄土丘陵沟壑。东部地区的煤矿井田大部分为风沙堆积区，沙丘连绵波状起伏，或为平缓沙地，地表植被稀疏，水土流失严重，沟谷狭窄，梁顶宽缓平坦，沟谷两侧基岩断续出露。南部为煤矿位于陕西省与内蒙古自治区交界处的陕西一侧，井田冲沟发育，以梁、峁、沟壑等地貌为主。
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2.2地质条件
2.2.1煤层上覆含水层水文地质类型
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如表2.1所示为神东矿区基本的含水层类型分布面积占比，其中萨拉乌苏组含水层的面积占比最高，可达46.4%。基于此可将神东矿区含水层组大致分为四个含水岩段。其中最上部白垩系志丹组含水层与延安组开采煤层之间存在侏罗系直罗组泥岩和砂岩泥质隔水层，故为间接充水水源。直罗组含水岩段与开采煤层之间也存在一个较好的隔水层，且地下水动态与下伏含煤层组地下水动态关系不明显，显示为一间接充水水源，但考虑到随着煤层开采的持续，顶板采动裂隙可能导通直罗组含水层，因此，可视为潜在充水水源。中侏罗统延安组为煤层顶板含水层，随着煤层采动将直接冒落下来，从而构成矿井的直接充水水源。煤层底板含水层，即三叠系延长组含水层。
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3采煤对矿区“三水”的影响分析...................................12
3.1采煤对地表水的影响途径与结果分析................................12
3.2采煤对土壤水及其赋存空间的影响..............................14
4采煤对水循环与河川径流的影响分析............................32
4.1采煤对水循环的影响.....................................32
4.2采煤对河川径流的影响.......................................40
5基于MIKE SHE构建神东矿区地表水-地下水模型..............................47
5.1模型介绍及原理................................................47
5.2模型框架及参数确定...........................................52
6河川径流模型的模拟结果与分析
6.1乌兰木伦河基流分割的结果分析
基流是地表径流的重要组成部分，径流可以根据径流成分的传播时间直接划分为径流和基流。地表产流和快速壤中流由于传播时间短可以组成直接径流，而慢速壤中流则由于传播时间过长和地下水组成基流。基流的的变化规律能够反映地下水水位、水量的变化情况，因此研究乌兰木伦河作为神东矿区最主要地表水乌兰木伦河的基流变化情况，对揭示地表水与地下水之间的转化关系起到重要的作用。
6.1.1长时间序列径流量基流分割
目前对于基流分割存在许多方法。总的来说，就我国而言，径流的划分主要有两步：先是从总径流过程中割去所谓的深层地下径流，采用的方法一般是取历年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水平线分割：然后再将剩下的径流划分为地面径流(又叫直接径流)和浅层地下径流，采用的方法一般是斜线分割法[63]。而国外的径流水源划分一般是将总径流直接划分为地面径流和基流两个部分，基流的分割方法有单线性水库法，双线性水库法、滑动最小值法、数字滤波法等[64]。在实践中常常使用自动分割技术来进行长时间序列的基流分割工作。数字滤波法是1990年Nathan和McMahon提出的模仿人工分割流量过程的数学方法，数字滤波法由于参数少且操作比较简单，在基流分割中的应用越来越广泛。
本文利用MIKE SHE在2000-2018年进行模拟，得到长时间序列的河川径流量，采用数字滤波法对河川径流进行基流分割。采用数字滤波法自动基流分割工具Nathan与McMahon经过对澳大利亚东南部186个流域进行研究后认为该值取f1值0.9~0.95拟合效果最好。
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7研究结论与展望
7.1主要结论
本文以神东矿区作为高强度开采的生态脆弱区的典型代表，采用定性与定量分析相结合，一方面结合资料分析与实地监测数据定性的分析采煤对神东矿区“三水”和水循环过程的影响机制，另一方面利用MIKE SHE对神东矿区水文过程进行模拟，将采煤与水循环的要素间的关系定量化表示。主要的研究结果如下：
（1）采煤对“三水”的影响机制
①神东矿区地表水资源量减少，主要原因是：采煤对地表形态影响间接导致地表水体的两个补给途径都发生改变。其一，采煤后地表裂隙使降雨入渗方式发生改变，从完全活塞式降雨方式，加入了捷径式降雨方式。降雨入渗系数增大。其二，采煤破坏了含水层系统，使得地下水原本补给给河流的水量被排入到矿坑中，减少河流的补给源。
②采煤对非饱和带结构、调蓄能力、以及土壤水的补给、运动、蒸发都产生一定影响。神东矿区土壤覆盖以壤砂土为主，只有少部分地区为粉砂壤土。土壤表面主要受到风力侵蚀与水利侵蚀，且风积沙分布不均匀导致非饱和带补给方式变得不均一。经实验结果分析可知沉陷区土壤渗透系数为1.368mm/min，非沉陷区土壤渗透系数为1.247mm/min，说明开采导致土壤孔隙性增加，降雨入渗系数增大。非沉陷区与沉陷区的土壤含水率、电导率、温度变化说明采煤导致土壤持水能力减弱、浅层土壤水蒸发量增加、深层土壤水不易蒸发，采煤导致神东矿区整体的蒸发量减少。
③采煤对神东矿区含水层有一定破坏。在H煤矿中北部地带和F煤矿，采煤将导通基岩和基岩上部的黄土隔水层，直接进入第四系地层。最大直接发育至地表。其他煤矿虽然都存在导水裂隙带，但带并未直接沟通至第四系地层，分布在上侏罗-下白垩志丹群、上覆延安组和直罗组，成为矿井的主要导水通道。
④采煤影响地下水赋存结构变化，导致了地下水补给、径流和排泄都发生了一定程度的改变。地下水接受降雨入渗和河道渗漏的补给量都有所增加，侧向补给量减少。矿坑排水导致地下水排泄量增加，采疏放水导致地下水资源量减少。
参考文献（略）