榆林市煤礦開采對水資源影響的相對風險評價及分區保護

關鍵詞：煤礦開采；水資源風險；相對風險模型；風險分區；保護措施中圖分類號：TV211.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.09.012引用格式：，，，等.榆林市煤礦開采對水資源影響的相對風險評價及分區保護[J].人民黃河，2025，47（9）：85-89，127.

Relative Risk Assessment and Zoning Protection Measures for Water Resources Impact of Coal Mining in Yulin

JIANG Xiaohui1，2， CHEN Xingchi ^1，2 ， LIU Congcong1，2， ZHANG Lin ^1，2 （20 （1.ShaanxiKeyaboratoryofEarthSufaceysteandEnvromentalCaingCapacityorthestUnivesity，Xi'ani; 2.Xi'an Key Laboratory of Environmental Simulation and Ecological Health in Yellow River Basin， Northwest University，Xi’an 710127，China）

Abstract：YulininrtSanischinqualitoalrsoucsHoweverge-aleoalminingsausedveredgt gionalwaterresoucs.TakingYulincoalmines testudyrea，tisudybiltaRelativeRiskModel（RRM）toquantifytheffects ofrisksourcesiudingidustrialdevelopt，ngducdcoleadgoundaterdagofourtysofcetorsofoialter stres，underlingsurface，vegetationcologandwaterresouce.Bydividing84watershedriskuits，thesudyusedlog-noalizationof riskvaluesandnuralbreakclasificationtoethesdyeaintofiverisklevelsproosingdifretiatedprotetionstrategh sults show that the mining-induced collapse is the primary risk source（contributing 52% of the risk value）. The underlying surface and vegetation ecology are sensitive receptors （accounting for 35% and 28% of the risk value respectively）.Level I risk areas require prioritized surfacerestorationandcomprehensiveutilizationofdanedwater，hileLevelVareasnedtobegivenatention，andbuferzonesshouldbe delineated.

Key words： coal mining；water resources risk；Relative Risk Model （RRM）； risk zoning；protection measures

0 引言

陜北地處黃河流域生態脆弱帶，是我國重要的能源基地，煤炭資源儲量占全國 14% 以上[]。然而，該區域屬于干旱半干旱大陸性季風氣候區，年降水量300～500mm ，水資源總量匱乏且時空分布不均，地下水系統脆弱，受人類活動影響，地表徑流（如窟野河、無定河）近 50a 來呈顯著減少趨勢。煤礦開采作為區域主導產業，在創造經濟價值的同時，引發了一系列水文地質問題[2]：煤礦開采形成的導水裂隙帶穿透含水層，導致地下水漏失量達1.38億 m³ ，地下水位年下降0.5～1.2m ;地表沉陷面積超 1 387km² ，改變了地表水-地下水的循環路徑，河流生態流量減小，威脅區域用水安全。

當前，陜北地區水資源面臨“保供給”與“保生態”的雙重壓力，確保水資源安全是區域生態可持續發展的底線[3-4]。研究煤礦開采對水資源的影響，構建煤礦開采對水資源影響的風險評價體系，提出水資源分區分類保護措施，對落實水資源“三條紅線”（用水總量控制、用水效率控制、水功能區限制納污）管理、保障礦區生態安全、實現煤炭資源綠色開發具有重要意義[5-6]。具體體現：揭示采煤擾動下水資源演化規律，填補區域水文-生態耦合研究空白；構建適用于干旱半干旱礦區的水資源綜合風險評價模型，為同類地區提供方法借鑒；通過“分區分類”管理策略優化水資源配置，實現生態保護與能源開發的協同發展。

國外煤礦開發對水資源影響研究起步較早，聚焦于污染評價、礦井水回用及模型模擬。早期研究以地下水脆弱性評價為核心，如Margat首次提出“地下水脆弱性”概念，奠定了地下水風險評價的基礎。近年來，研究重點轉向開采擾動的水文過程量化，Newman等[7]利用數值模型模擬長壁開采對含水層的影響，發現地下水位下降與開采強度正相關;Helser等8基于同位素技術量化了煤礦排水對河流的影響，指出地下水抽取可使河流基流減少 30% 以上；Banerjee等9]研究發現，采礦導致森林覆蓋率下降 15% ，加劇了水土流失。發達國家推廣“礦區水資源循環利用”技術，如美國將礦井水處理后用于工業冷卻（回用率超 60% ），澳大利亞通過MODFLOW模型優化疏干水配置，減少采煤對地表水資源的依賴。我國以保水采煤和生態修復為核心，形成了“機理分析-風險評價-技術集成”的研究體系。王經明等[°系統分析了采礦對斷層的擾動，發現裂隙發育深度與地層產狀有關;范立民等[11]針對榆神府煤田，揭示淺埋煤層開采導致地下水流場重構，形成區域性地下水漏斗；呂新等[12]計算得出窟野河流域噸煤開采的基流損失量為 2.038m³ ;蔣曉輝等[13]利用YRWBM模型證實煤礦開采貢獻了窟野河流域徑流減少量的 54.8% ;顧大釗等[14 提出“地下水庫\"技術，并在神東礦區成功應用;張建民等[15倡導“煤-水仿生共采”模式，通過控制導水裂隙帶高度，可減少地下水流失量 40% 以上。盡管國內外煤礦開采對水資源影響研究取得了顯著進展，但針對陜北礦區的特殊性仍存在以下局限：現有研究多聚焦單一礦區或流域，缺乏對陜北“煤田-流域”系統的宏觀水資源綜合風險評估；側重對地下水影響研究，對地表水-土壤水-植被生態耦合效應研究不足，尤其缺乏地表徑流減少與采煤沉陷的定量關系研究；水資源綜合風險評價多停留在現狀分析，未形成基于空間分異的水資源“分區分類”保護措施，難以滿足精細化管理需求。

本研究立足陜北榆林煤礦開采與水資源保護的矛盾，通過多源數據融合與相對風險模型（RRM），系統解析“開采擾動-水文響應-生態效應”鏈條，構建覆蓋煤礦開采對水資源影響的風險識別、評價、管控的完整體系，以期為礦區水資源管理提供科學支撐。

1研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況

榆林市位于陜西省北部，地處黃河流域中游，毛烏素沙地、內蒙古高原和陜北黃土高原的過渡帶。冬季干旱寒冷，夏季干燥炎熱，降水量少且集中、年內和年際變化均較大。該市境內擁有豐富的煤炭資源，主采煤層具有埋藏淺、儲量大、煤層厚、品種多等特點[16-17] 。

1.2 數據來源

榆林市煤礦相關資料：榆林市煤礦企業、礦井涌水量、塌陷區面積來自于榆林市自然資源和規劃局和榆林市能源局，煤礦年產量、礦區邊界數據來自于全國礦業權人勘查開采信息管理系統（https：//kyqgs.mnr.gov.cn/： ），榆林市歷年用水量、地下水監測井數據來自于榆林市水利局。礦區地質數據：礦區煤厚、煤層埋深數據來源于中國地質調查局自然資源實物地質資料中心全國數字巖心平臺（https：//ndcp.cgsi.cn/）。歸一化植被指數（NDVI）數據采用國家青藏高原科學數據中心提供的歸一化植被指數數據（分辨率為 250m ），喬木覆蓋度采用中山大學中國年度樹木覆蓋率數據集，GRACE衛星數據來自于美國德克薩斯大學空間研究中心（CenterforSpaceResearch）。土壤濕度數據來源于國家青藏高原科學數據中心提供的基于站點觀測的中國土壤濕度日尺度數據集（分辨率為 1km ）。

2 研究方法

2.1 單元劃分

基于DEM流域分割算法[18-19]，劃分84個小流域作為水資源綜合風險評價的單元（見圖1），單元面積50～300km² ，確保每個單元包含完整水文過程。

圖1研究區單元劃分

Fig.1Study Area Units Division

2.2 風險源強度計算

采用最大值歸一化法量化風險源強度[20-22]。風險源包括產業發展、采空塌陷、地下水疏干三類，產業發展以產能表征、采空塌陷以塌陷面積表征、地下水疏干以疏干量表征。風險源強度計算公式：

式中： S_ij^' 為歸一化的第 i 個單元第 j 類風險源的強度，S_ij 為第 i 個單元第 j 類風險源的風險源實測值， S_maxj 為研究區第 j 類風險源的最大值。

2.3 風險受體響應系數

通過聯合熵計算水資源綜合風險受體和風險源的相關性，結合AHP法綜合確定社會用水壓力受體、下墊面受體、植被生態受體、水資源量受體對風險源的響應系數[23-24] O

2.4水資源綜合風險表征模型

風險表征模型是風險管理的核心工具，用于系統性描述、分析和量化風險，以便于決策者清晰理解風險的性質、嚴重性和優先級。它不是簡單的風險評估，而是更強調如何將復雜的風險信息有效傳達給決策者，計算公式[25-27]：

式中： RS_i 為第 i 個單元的風險值， H_ik 為第 i 個單元第 k 類生境的豐富度， X_ijk 為第 i 個單元第 k 類生境對第 j 類風險源的暴露系數， E_jkl 為第 k 類生境中第 ξ_l 類風險受體對第 j 類風險源的響應系數。

目前常用的計算暴露系數的方法有半定量分析法、污染物濃度分析法、區域壓力源密度分析法等。本研究選取榆林市最主要的兩種地貌類型，把風積沙灘區和黃土地貌區作為生境，以風險源中礦區和生境重疊為評價暴露程度的依據，由于風險源釋放的各類脅迫因子都是在礦區產生的，因此對產業發展、采空塌陷、地下水疏干三類風險源的暴露系數取相同值。采用區域壓力源密度分析法計算暴露系數，計算公式[28-29]：

式中： X_jk 為風險單元第 j 類風險源在第 k 類生境中的暴露系數， S_ajk 為暴露在第 j 類風險源中的生境 k 的面積， S_k 為第 k 類生境的總面積

3結果分析

3.1 水資源綜合風險受體響應系數

水資源綜合風險受體權重及響應系數（表1）表明，社會用水壓力對產業發展風險在黃土地貌區的響應系數為0.0757，大于風積沙灘區的0.0482，主要原因是前者工業用水占比大（達 48% ）；下墊面對采空塌陷響應系數在風積沙灘區的響應系數為0.0942，略大于黃土地貌區的0.0923，其與沙質土壤易塌陷特性有關；黃土地貌區植被生態對采空塌陷的響應系數為0.0887，顯著大于風積沙灘區的0.0555，主要原因是黃土地貌區地形破碎加劇植被脅迫；水資源量對地下水疏干的響應系數在黃土地貌區最大，其值為0.1079，這反映了黃土地貌區地下水系統的脆弱性。

表1水資源綜合風險受體權重及響應系數

Tab.1Weightand ResponseCoefficientofWaterResources

3.2 水資源綜合風險空間分布

研究區水資源綜合風險值為0～0.217，空間分異性顯著，為核心高風險區-邊緣中低風險區結構，見圖2。神府礦區（研究區北部）水資源綜合風險值為 0.027～ 0.217，占研究區總面積的 32% ，采空塌陷面積占研究區的 62% ，地下水漏斗面積占研究區的 68% 。榆神礦區（研究區中部）水資源綜合風險值為 0.008～0.118 ，占研究區總面積的 45% ，采空塌陷面積較小且分布較分散。榆橫礦區（研究區南部）水資源綜合風險值 lt;0.027 ，占研究區總面積的 23% ，多為在建礦區或未開采區，生態擾動輕微。

圖2水資源綜合風險

Fig.2 Comprehensive Risk Valueof Water Resources

從風險脅迫因子來看，采空塌陷貢獻 52% 的風險值，16號單元（大柳塔鎮）采空塌陷面積為 869km² ，風險值為0.123：地下水疏干貢獻 28% 的風險值，55號單元（錦界鎮）疏干量為3200萬 m³/a ，風險值為0.063；產業發展貢獻 20% 的風險值，33號單元（孫家岔鎮）產能超5000萬 ua ，風險值為0.030。

從受體來看，下墊面風險占比 35% ，導水裂隙平均高度超 100m 區域風險值提升 40% ;植被生態風險占比 28% ，NDVI小于0.2區域與一級風險區（風險分區見表2）重合率為 85% ；水資源量風險占比 22% ，GRACE反演地下水位下降超 20cm 區域集中于一級風險區；社會用水壓力風險值占比 15% ，工業用水率超 60% 的區域風險值增大 0.01～0.03 。

3.3 風險分區

采用對數歸一化消除重尾分布的影響，結合自然間斷點法將水資源綜合風險劃分為5級風險區（見圖3、表2）。一、二級風險區分別有11、22個單元，采空塌陷是一、二級風險區的主控風險脅迫因子，下墊面和植被生態則是一、二級風險區的主要風險受體，需要保護和修復；三級風險區有20個單元，三級風險區內煤礦企業密度小，采煤強度不大，但是下墊面狀況、植被生態、水資源量等仍然受到了采煤擾動影響；四級風險區有12個單元，主要為礦區邊緣，受采煤擾動較小；五級風險區有19個單元，主要處于礦區邊緣地帶或煤礦在建區域。

圖3水資源綜合風險分區

Fig.3Comprehensive Risk Zoning of Water Resources

3.4 各風險分區保護措施

一級風險區為重點修復區，通常采用工程修復、生態重建和疏干水利用等手段進行生態修復。工程修復一般采用煤矸石回填采空區（減少沉陷率 60% ）、覆巖離層注漿（減少地下水漏失 40% ）等方法，如23號單元實施覆巖離層注漿措施后，地下水位回升 0.5m 。生態重建通過篩選沙蒿、檸條等耐旱植物，結合滴灌和保水劑（用量 5kg/hm² ）等，提高區域植被蓋度， 5a 植被蓋度可恢復至0.4。疏干水利用則是通過建設跨區域輸配管網，將疏干水用于工業冷卻（利用率提升至70% ），如16號單元利用疏干水800萬 m³/a ，節約新鮮水 20% 。

表2煤礦開采對水資源影響風險分區

Tab.2 Risk Zoning of the Impact of Coal Mining o1

二級風險區為特別關注區，此類區域可以推廣“塌陷區修復 + 生態農業\"模式，如34號單元（永興街道）將沉陷區改造為梯田，種植耐旱作物，收益提升 ；實施礦井水梯級利用，優先滿足礦區周邊農業灌溉（灌溉率提升至 50% ）。

三級風險區域應重點發展“礦山修復 + 光伏產業”，如在74號單元（風積沙灘區）開展光伏治沙項目，年固沙量 5000t ，發電效益超500萬元/a；同時優化農業種植結構，減少高耗水作物種植面積，如28號單元（黃土地貌區）玉米種植面積減少 20% ，節水150萬 m³/a 。

四級風險區應持續監測，部署GNSS位移監測（精度 ±2mm ）和無人機高光譜監測預警系統，每季度更新地表形變和植被健康指數；控制新增煤礦開采強度，現有礦山采取“邊采邊復”措施。

五級風險區也應受到關注，新建煤礦應同步配套疏干水處理設施，疏干水利用率應不低于 80% ；同時劃定生態緩沖帶，禁止在距河流 500m 范圍內進行開采活動。

4討論

4.1 風險源主導性

采空塌陷成為首要風險源與榆林市淺埋煤層開采模式密切相關。統計顯示，研究區煤層埋深 lt;150m 的礦區占比 68% ，開采后形成導水裂隙帶貫通含水層，地下水漏失量占總疏干量的 73% 。例如16號單元（大柳塔煤礦）采用綜采工藝，導水裂隙高度達57.7m ，實測裂隙頂部距地表僅 15m ，遠小于安全閾值（40m）。地下水疏干風險在局部區域突出，如55號單元（錦界煤礦）因煤層埋深達 450m ，需大量疏干頂板水，年疏干量達3200萬 m³ ，導致區域地下水位年均下降1.2m ，地表植被退化面積增加 23% 。

4.2 受體敏感性

下墊面敏感性源于土壤結構差異，風積沙灘區沙粒占比 gt;80% ，塌陷后滲透率從 0.5mm/min 提升至1.8mm/min ，土壤含水率下降 25% ；黃土地貌區黏粒含量 gt;30% ，裂隙發育導致土壤侵蝕模數達 5000V（km²? ，a），是未開采區的5倍。植被對開采擾動響應顯著，NDVI與形變速率顯著負相關。一級風險區植被蓋度平均為0.22，較未開采區下降 41% ，優勢植物從喬木（小葉楊）轉向草本植物（狗尾草、黃花蒿），群落結構趨于簡單化。

4.3 研究局限性與展望

本研究未量化氣候變化（如降水減少）對水資源的疊加影響，未來需引入SPEI指數等氣候因子優化模型。此外，風險受體長期響應（如土壤退化過程）缺乏動態數據支撐，建議建立“地面監測 + 模型模擬”的長期觀測體系，提升水資源綜合風險預測精度。

5結論

以榆林市礦區為研究對象，構建相對風險模型，系統評估煤礦開采對水資源的影響，并提出水資源分區分類保護策略。取得以下成果：榆林市煤礦開采水資源綜合風險以采空塌陷和地下水疏干為主要脅迫因子，下墊面和植被生態為主要受體，風險值呈現顯著空間分異性；基于RRM模型劃分水資源綜合風險五級風險區，精準識別了不同區域的風險特征，提出一級風險區需優先實施工程修復與疏干水利用，五級風險區需受到關注，同時劃定生態緩沖帶

本研究揭示了煤礦開采與水資源響應的內在機制，量化了水資源綜合風險空間分異規律，提出的水資源分區分類保護措施兼顧生態保護與產業發展需求，對落實黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略、實現礦區“雙碳”目標具有重要意義。

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【責任編輯 呂艷梅】