西淝河采煤沉陷區水環境特征分析及水質預測

摘要：引江濟淮工程的西淝河線路穿過潘謝礦區的西淝河采煤沉陷區（主要包括張集洼地、謝橋洼地等沉陷洼地）和港河下游的姬溝湖、西淝河下游的花家湖等天然湖泊，它是江水北送段的水量調蓄區之一。為保障西淝河線水質安全和水量充沛，根據引江濟淮工程前期研究，當西淝河線取水口水質達到地表水Ⅲ類標準時，優先利用淮河干流調蓄，啟用西淝河泵站直接從淮河干流抽水；當遭遇淮河干流污染團或水質不達標時，暫停從淮河干流抽水，利用西淝河采煤沉陷區所蓄清水，抽水北送。為了研究西淝河采煤沉陷區作為調蓄區的可能性，開展西淝河采煤沉陷區水環境特征分析，預測西淝河下游水質。采用一二維耦合水動力-水質數學模型，針對西淝河采煤塌陷區現狀地形沉陷情景，開展不同來流條件的塌陷區水質模擬預測，對采煤沉陷區水質進行分析，為引江濟淮江水北送段工程提供基礎數據支撐。

關鍵詞：西淝河采煤沉陷區；一二維耦合水動力-水質數學模型；水環境特征；水質預測

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-0-05

Analysis of Water Environment Characteristics and Water Quality Prediction in the Coal Mining Subsidence Area of Xifei River

Abstract： The Xifei River route of the Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project passes through the Xifei River coal mining subsidence area in the Panxie mining area （mainly including Zhangji Depression， Xieqiao Depression， and other subsidence depressions）， as well as natural lakes such as Jigou Lake in the lower reaches of the Ganghe River and Huajia Lake in the lower reaches of the Xifei River， it is one of the water regulation and storage areas in the North Water Diversion Section of Yangtze River. In order to ensure the water quality safety and abundant water volume of the Xifei River line， according to the preliminary research of the Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project， when the water quality at the water intake of the Xifei River line reaches the Class Ⅲ standard for surface water， priority will be given to using the main stream of the Huai River for regulation and storage， and the Xifei River pumping station will be used to directly pump water from the main stream of the Huai River; when encountering pollution or substandard water quality in the main stream of the Huai River， pumping water from the main stream of the Huai River will be suspended， and the water stored in the coal mining subsidence area of the Xifei River will be used to pump water northward. In order to study the possibility of using the Xifei River coal mining subsidence area as a storage area， an analysis of the water environment characteristics of the Xifei River coal mining subsidence area is conducted to predict the water quality downstream of the Xifei River. Using a one-dimensional and two-dimensional coupled hydrodynamic water quality mathematical model， different inflow conditions are used to simulate and predict the water quality of the subsidence area in the Xifei River coal mining subsidence zone， and the water quality of the subsidence area is analyzed to provide basic data support for the North Water Diversion Project from the Yangtze River to the Huaihe River.

Keywords： Xifei River coal mining subsidence area; one-dimensional and two-dimensional coupled hydrodynamic water quality mathematical model; water environmental characteristics; water quality prediction

西淝河采煤沉陷區包括張集礦、謝橋礦采煤活動形成的張集洼地、謝橋洼地等沉陷洼地，均位于淮南市潘謝礦區，其開采沉陷現狀及未來沉陷發展趨勢與潘謝礦區的資源稟賦、開采情況及計劃、地表沉陷規律等緊密相關[1-2]。潘謝礦區采煤沉陷在地表空間上是連續、漸變的，而且礦區內現狀沉陷洼地在空間分布上較為集中，對于西淝河采煤沉陷區，如果單獨考慮張集洼地、謝橋洼地未來的沉陷發展，難以準確把握沉陷范圍及其與周邊洼地的動態發展關系[3-4]。因此，有必要將西淝河采煤沉陷區所在的潘謝礦區作為研究區，調查礦區內現有洼地、水系的水質特征、沉陷情況及空間分布關系，采用一二維耦合水動力-水質數學模型，針對西淝河采煤塌陷區現狀地形沉陷情景，開展不同來流條件下塌陷區水質模擬預測，對采煤沉陷區水質進行分析，為引江濟淮江水北送段工程提供基礎數據支撐。

1 技術方法

MIKE11軟件是丹麥水力研究所開發的水動力學軟件，對于一維河網水動力水質仿真具有很好的模擬效果[5]。平面二維非恒定流計算的控制方程為沿水深積分平均的Navier-Stokes方程，包括連續方程和動量方程。

1.1 水動力模型控制方程

河道水動力過程可描述為符合有關物理定律的Saint-Venant方程組，包括連續方程（質量守恒定律）和動量方程（牛頓第二定律），如式（1）和式（2）所示。

式中：Q為斷面流量；x為河道縱向坐標；Bt為河寬與附加灘地寬度之和；Z為水位；t為時間；q為單位河長的旁側入流量；u為過水斷面平均流速；g為重力加速度；A為過水斷面面積；B為河寬；n為

1.2 一維河網水質模型計算方法

污染物進入水體后的遷移、擴散和轉化是通過污染物與水體之間復雜的物理、化學、生物等作用實現的。這一復雜的物理、化學與生物過程可用對流擴散反應方程來描述，對于橫、垂皆平均的縱向一維模型來說，其控制方程如式（3）所示。

式中：C為水深平均污染物濃度；D為各污染物彌散系數；K為污染物的衰減系數；C0為源匯污染物濃度。

2 西淝河采煤沉陷區水質預測

2.1 現狀沉陷分析及污染源設置

依據周邊湖洼沉陷狀況數據，西淝河采煤沉陷區主要包括謝橋洼地、張集洼地等沉陷洼地，如圖1所示。西淝河采煤沉陷區潛水埋藏深度約為1.5 m，煤炭開采后發生沉陷，地表極易形成積水。截至2019年底，張集礦區內沉陷面積約為37.4 km2，積水面積約為20.6 km2，積水面積占沉陷面積的55%；謝橋礦區內沉陷面積約為22.1 km2，積水面積約為14.5 km2，積水面積占沉陷面積的66%。基于一二維耦合水動力-水質數學模型，針對西淝河采煤塌陷區現狀地形沉陷情景，開展不同來流條件下塌陷區水質模擬預測。由于張集洼地及花家湖塌陷區邊界有姬溝湖及蘇郢孜兩條主要入湖溝渠，污染物釋放位置設定為2個；謝橋洼地邊界處有2處主要匯流通道，污染物釋放位置也設定為2個。化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）與氨氮（NH3-N）的釋放濃度執行Ⅴ類地表水標準，總釋放量分別為2 168.91、67.91 t/a。數據主要來源于第二次全國污染源普查，其他數據來源于相關環境統計公報及地市補充上報資料。模型水動力邊界工況設置如表1所示。

2.2 水質預測工況設置

西淝河泵站設計調水流量為85 m3/s，根據不同調水過程（實際流量分別為設計流量的0%、20%、60%、80%和100%）設置5個工況，如表1所示，其他邊界條件及初始條件設置同網格無關性驗證工況。一維模型計算時間步長取10 min，二維模型計算時間步長取6 min，總計算時長為1年，主要研究采煤塌陷區COD、NH3-N濃度分布及其隨時間的變化。

2.3 現狀沉陷地形下2030年水質預測分析

目前，西淝河采煤沉陷區沉陷水域的水質管理目標為Ⅲ類地表水。采煤沉陷區缺乏連續監測的水質數據，參照鄰近的西淝河閘下國控斷面2018—2021年水質逐月監測值，根據西淝河閘下水質數據分析采煤沉陷區的水質變化，考慮COD、NH3-N兩個水質指標。西淝河閘下斷面水質基本保持在Ⅲ～Ⅳ類，因此現狀西淝河采煤沉陷區水質可視為Ⅲ～Ⅳ類。

當西淝河不引水時（工況一），高濃度污染物主要分布在兩條主要入湖溝渠（姬溝湖、蘇郢孜附近）的污染物釋放點周圍，距離污染物釋放點越近，污染物濃度越高，2處點源污染會影響釋放點局部水體的水質，使其超過Ⅲ類地表水標準，但總體影響范圍有限。現狀西淝河沿線洼地呈狹長河道形態，對于各調水工況（工況二至工況五），引水流量的對流效應遠大于點源污染物釋放的擴散效應，因此張集洼地污染物濃度受調水流量水質影響較大，調水水質主導洼地水質，NH3-N及COD濃度均滿足Ⅲ類地表水要求。現狀情境下，謝橋洼地與張集洼地相對獨立，謝橋洼地水動力基本不受西淝河調水影響，各工況水體在兩處污染物釋放點附近的濃度大，遠離污染物釋放點的位置濃度有所降低，但總體水質較差。各工況謝橋洼地污染物濃度分布規律類似。

為量化分析現狀洼地水體的污染物濃度變化過程，設置18個水質監測點，并將其分成西淝河沿線組（1～9號）、張集洼地內部組（10～13號）、謝橋洼地內部組（16～18號）和濟河沿線組（14～15號），如圖1所示。根據數據分析結果，選取工況二、工況五分別代表小引水量和大引水量的情況，分析水質監測點處污染物濃度隨時間的變化，如圖2所示。

洼地出口水質情況以6號監測點和15號監測點為代表。對于張集洼地出口6號監測點，COD、NH3-N濃度先降低后趨于穩定，降低速度先慢后快，再緩慢降低，直到平穩。達到穩定后，地表水水質總體為Ⅲ類。流量為85 m3/s的工況下，快速降低點的時間要遠早于流量為17 m3/s的工況，趨于穩定后，COD濃度更大。對于謝橋洼地出口15號監測點，污染物濃度先降低，再趨于平緩。

洼地內部以5號（張集洼地中部）、3號（花家湖中部）和17號（謝橋洼地中部）3個點為代表。

5號監測點和3號監測點污染物濃度變化趨勢類似，水體同時受西淝河引水流速和污染物釋放點的影響，但由于工況五引水流量大，測點污染物濃度受引水流量影響，迅速降低，達到平穩狀態，洼地內部總體水質為Ⅲ類。17號監測點位于謝橋洼地西側的中部，不受外調水源的影響，測點水體水質受兩個點源的污染釋放影響明顯，污染物濃度先下降再上升，直至穩定，總體水質劣于Ⅲ類。闞疃南站（9號監測點）變化趨勢與塌陷區出口（6號監測點）類似，達到穩定后，總體水質為Ⅲ類。

統計現狀洼地水體污染物濃度平均值及出口處濃度值，模擬結果表明，各工況下闞疃南站、張集洼地內部、兩個洼地出口處的COD、NH3-N平均濃度均分別小于20、1 mg/L，達到Ⅲ類地表水標準。但是，謝橋洼地內部水體COD平均濃度均大于20 mg/L，為Ⅳ類地表水標準，謝橋洼地水體污染物濃度對西淝河調水量不敏感。

3 結論

西淝河采煤沉陷區現狀地表水水質為Ⅲ～Ⅳ類，現狀地形條件下，構建一二維耦合水質模型，模擬2030年西淝河泵站不同調水過程及特定污染物釋放情景下西淝河下游段（自闞疃南站至西淝河泵站）及塌陷區水體的COD、NH3-N濃度分布以及其與調水流量的關系。結果表明，各工況下闞疃南站、張集洼地內部和兩個洼地出口處的COD、NH3-N平均濃度均分別小于20、1 mg/L，可達到Ⅲ類地表水標準。但是，謝橋洼地內部水體COD平均濃度均大于20 mg/L，滿足Ⅳ類地表水標準，謝橋洼地水體污染物濃度對西淝河調水量不敏感。基于現狀沉陷條件，分析和預測2030年西淝河采煤沉陷區的水質，為引江濟淮江水北送段調水工程提供基礎數據支撐，這對加快引江濟淮工程沿線治污項目的建設，確定污染物削減指標和削減量有指導性意義，對保障調水工程水質具有重要作用。

參考文獻

1 張瑞婭.考慮原始地形的采煤沉陷積水范圍確定方法[J].中國礦業，2016（6）：144-147.

2 安士凱，李召龍，胡志勝，等.高潛水位礦區生態系統演變趨勢研究：以淮南潘謝礦區為例[J].中國礦業，2015（1）：40-44.

3 童柳華，劉勁松.謝橋礦區采煤塌陷積水區環境效應分析[J].環境工程學報，2009（6）：1144-1146.

4 董瑞瑞，陳和春，王繼保，等.漢江中下游突發性水污染事故預測模型研究[J].水力發電，2017（12）：1-5.

5 張美英.基于MIKE11模型構建的流域現狀年水量水質模擬[J].水科學與工程技術，2020（1）：5-7.