許士國(guó)，劉 佳，張樹(shù)軍

（1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連116024；2.北京中水新華國(guó)際工程咨詢(xún)有限公司，北京100053）

煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)采和利用，給人類(lèi)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也給人類(lèi)的生存環(huán)境帶來(lái)一系列的消極影響。大規(guī)模的煤炭開(kāi)采，常常造成大面積土地沉陷,開(kāi)采沉陷在破壞地表地貌和地下水系統(tǒng)的同時(shí)，還引起房屋失穩(wěn)等地表安全隱患。地面沉陷不僅使可利用土地面積減少、質(zhì)量退化，而且加劇了地、礦之間的矛盾，極大地限制了礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。針對(duì)已形成的采煤沉陷區(qū)，傳統(tǒng)的治理方法是挖深墊淺、復(fù)墾耕地，但是恢復(fù)耕地的積水問(wèn)題制約了土地產(chǎn)出。因此，本文擬通過(guò)對(duì)采煤沉陷區(qū)疏挖整治，擴(kuò)大蓄水能力，建設(shè)平原湖泊，從雨洪資源利用的角度來(lái)解決采煤沉陷區(qū)治理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)土地復(fù)墾、水環(huán)境建設(shè)等綜合治理目標(biāo)，同時(shí)提高地表水資源的開(kāi)發(fā)利用率，為采煤沉陷區(qū)的綜合治理和水資源合理利用提供新的思路。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于能源需求的急劇增加，采礦業(yè)快速發(fā)展，19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了開(kāi)采沉陷問(wèn)題，80年代末開(kāi)始進(jìn)入開(kāi)采沉陷研究的熱門(mén)時(shí)期。1987年，Runkle和Singh等人開(kāi)始對(duì)土地生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)制與恢復(fù)進(jìn)行研究。隨著3S技術(shù)的快速發(fā)展，三維數(shù)字化模型也逐漸使用于沉陷區(qū)對(duì)地面產(chǎn)生影響的研究當(dāng)中，利用GIS對(duì)礦區(qū)開(kāi)采沉陷區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)和損失估計(jì)也成為研究熱點(diǎn)之一。國(guó)外對(duì)沉陷區(qū)的治理，已經(jīng)取得了良好的社會(huì)效益。英國(guó)和美國(guó)礦業(yè)與環(huán)境委員會(huì)將沉陷洼地開(kāi)發(fā)為林地、草地、農(nóng)地、娛樂(lè)場(chǎng)所、野生動(dòng)物棲息地，德國(guó)科隆市西郊在采煤沉陷的地形上造成了一個(gè)既有沼澤也有林地的環(huán)境，目前已經(jīng)聚集了野生水鳥(niǎo)和動(dòng)物。近年來(lái)，美國(guó)、澳大利亞的一些學(xué)者提出把多種自然環(huán)境因素引進(jìn)城市地域，城郊建水庫(kù)與河湖可以?xún)艋諝夂臀赵胍簦怀墙冀ǔ纱竺娣e綠化帶，引來(lái)自然界的動(dòng)物與人類(lèi)共同生活于城市地域中。

我國(guó)對(duì)開(kāi)采沉陷區(qū)的研究相對(duì)較晚，近年來(lái)，不少學(xué)者從景觀生態(tài)和可持續(xù)生態(tài)環(huán)境管理等方面對(duì)采煤沉陷區(qū)進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，利用多種評(píng)價(jià)方法如人工神經(jīng)BP網(wǎng)絡(luò)、模糊綜合評(píng)價(jià)、多層加權(quán)綜合評(píng)價(jià)等對(duì)沉陷區(qū)的環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、治理和利用[1-5]。另外，還有許多關(guān)于沉陷預(yù)測(cè)方法的研究，如Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]，三維動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)[7]。與國(guó)外相比我國(guó)的煤礦沉陷區(qū)開(kāi)發(fā)利用率較低僅為5%～10%左右。本研究試圖將采煤沉陷區(qū)開(kāi)發(fā)成以蓄水供水為主要功能，兼顧水生態(tài)環(huán)境治理的平原湖泊，從雨洪資源利用角度探討采煤沉陷區(qū)治理問(wèn)題。

2 沉陷區(qū)治理措施

采煤沉陷區(qū)治理開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)是將其作為平原湖泊來(lái)引蓄洪水資源。通過(guò)對(duì)采煤沉陷區(qū)的整治并引入河流雨洪資源，建設(shè)平原湖泊，擴(kuò)大蓄水能力，提高地表水資源開(kāi)發(fā)利用率。水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力是與水庫(kù)的蓄水容量密切相關(guān)的，如何提高調(diào)節(jié)能力和湖區(qū)生態(tài)治理就成為了關(guān)鍵問(wèn)題。下面主要從工程措施和非工程措施兩個(gè)方面對(duì)對(duì)沉陷區(qū)的生態(tài)治理進(jìn)行了分析。

2.1 工程措施

2.1.1 擴(kuò)大沉陷區(qū)庫(kù)容

根據(jù)沉陷區(qū)下沉趨勢(shì)及周邊地區(qū)未來(lái)的農(nóng)業(yè)發(fā)展要求，在現(xiàn)有水庫(kù)周邊待沉陷地區(qū)進(jìn)行簡(jiǎn)單的挖深處理以增加庫(kù)容，挖出的土，一部分可以堆積在湖中央形成綠地，擴(kuò)大濕地治理面積，改善湖水水質(zhì)；另一部分，可以用作新農(nóng)村宅基地回填用土，提高居民的生活質(zhì)量。

根據(jù)沉陷區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)，可以利用溝渠將其眾多沉陷區(qū)溝通起來(lái)，構(gòu)成調(diào)蓄水系統(tǒng)，提高調(diào)節(jié)能力。

修建庫(kù)區(qū)堤壩，在汛期通過(guò)泵站抽取來(lái)水流量到庫(kù)區(qū)存蓄起來(lái)，不僅可以增大蓄水容積提高澮河水資源利用率，還可以降低洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 構(gòu)建人工濕地

礦區(qū)塌陷嚴(yán)重地改變了地貌結(jié)構(gòu)，形成了條帶狀、斑塊狀的下陷地貌，在雨水季節(jié)，截留和儲(chǔ)存降水，自成河湖。礦區(qū)塌陷地大面積地積水，客觀上已經(jīng)改變了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，使礦區(qū)原本單一的陸生生態(tài)系統(tǒng)演替為水-陸復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)。這對(duì)我國(guó)水資源相對(duì)短缺而言，無(wú)疑具有十分重要的意義。所以，因地制宜，將塌陷地改造成溝河湖泊，收集儲(chǔ)留降雨，并在這些溝河湖泊內(nèi)建立各種類(lèi)型的構(gòu)造濕地，對(duì)區(qū)域內(nèi)的工業(yè)廢水、生活廢水的尾水及農(nóng)田退水等進(jìn)行深度處理，既解決地區(qū)水資源短缺之矛盾，又可以資源化利用尾水，減少解決廢水的投資。根據(jù)沉陷區(qū)特點(diǎn)濕地構(gòu)造原則，修建養(yǎng)殖型、景觀型和凈化型濕地，在一定保證率供水基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮天然水域的生態(tài)作用。

1）養(yǎng)殖型濕地。對(duì)于一些孤立型深度塌陷地，周邊無(wú)過(guò)渡地帶，恢復(fù)多樣性的挺水植被、浮葉植被和沉水植被有一定難度，特別是沒(méi)有足夠的中度塌陷區(qū)構(gòu)建凈化作用強(qiáng)的挺水植被。對(duì)于這類(lèi)塌陷地，可以直接修復(fù)為養(yǎng)殖型構(gòu)造濕地，引種一些沉水植物，這些植物對(duì)水質(zhì)具有一定的改善作用，可以有效降低水體中氮、磷、葉綠素含量以及懸浮物濃度，對(duì)維持湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要的意義。

2）景觀型濕地。對(duì)于人類(lèi)活動(dòng)密集區(qū)的塌陷地，構(gòu)建景觀型濕地或者濕地公園。將塌陷形成的狼藉地貌改造為景觀優(yōu)美的小型河流湖泊，在這些小型河流湖泊周邊引種栽培觀賞植物，特別注意引種一些濕生植物，如鳶尾、菖蒲、香蒲、水竹等。景觀型濕地主要考慮在岸邊帶引種栽培既具有觀賞價(jià)值又具有凈化功能的濕地植物，岸邊帶栽種的濕地植物對(duì)地表徑流具有良好的過(guò)濾凈化作用，同時(shí)也可以營(yíng)造親水環(huán)境。

3）凈化型濕地。利用塌陷地，構(gòu)建尾水凈化型濕地，既解決了塌陷地復(fù)墾利用問(wèn)題，又解決了尾水資源化利用問(wèn)題，因此具有很強(qiáng)的實(shí)用性。在中度-輕度塌陷區(qū)常用來(lái)建設(shè)污水凈化型構(gòu)造濕地，在長(zhǎng)條帶狀的中度塌陷區(qū)（常年或季節(jié)性積水在0.5m左右），引種蘆葦、香蒲等挺水植物，構(gòu)建蘆葦濕地。同時(shí)，可以將附近的污水尾水集中到該區(qū)域，一方面可以對(duì)尾水進(jìn)行深度處理，另一方面可以保證干旱季節(jié)濕地土壤的含水量，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 非工程措施

1）建立采煤沉陷區(qū)動(dòng)態(tài)管理信息系統(tǒng)。建立沉陷區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，河湖水位、水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，湖泊養(yǎng)殖、植被、生態(tài)動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，湖泊供水動(dòng)態(tài)信息系統(tǒng)，礦井開(kāi)采量及沉降信息系統(tǒng)，采煤沉陷區(qū)動(dòng)態(tài)管理決策支持系統(tǒng)等。

2）編制調(diào)度方案，及時(shí)引水補(bǔ)缺。研究沉陷區(qū)水資源利用調(diào)度實(shí)施計(jì)劃，編制來(lái)水預(yù)報(bào)方案，結(jié)合信息系統(tǒng)，完善調(diào)度管理。增加沉陷區(qū)引水工程，補(bǔ)給沉陷區(qū)不能調(diào)蓄的缺水量。

3）重視水質(zhì)變化，保證用水安全。環(huán)保部門(mén)應(yīng)會(huì)同相關(guān)地區(qū)各級(jí)政府和部門(mén)，編制采煤沉陷區(qū)水質(zhì)保護(hù)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃或?qū)嵤┓桨?。確定地表水水質(zhì)管理目標(biāo)，明確界定治污對(duì)象，提出可行的治污方案和措施，確保水源地、輸水線路、受水區(qū)等水質(zhì)保護(hù)區(qū)的水質(zhì)符合供水要求。

3 研究實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華東地區(qū)的主要采煤基地，兩沉陷區(qū)相互隔離，長(zhǎng)年積水，目前沉陷面積已達(dá)3.95km2且仍在不斷增加。沉陷區(qū)分布圖見(jiàn)圖1，該地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺，多年平均降雨量為850mm。境內(nèi)河流多為雨源型，隨機(jī)性明顯，大部分河流在枯水季節(jié)無(wú)水可蓄，自?xún)裟芰Σ睢３料輩^(qū)無(wú)大型蓄水工程，豐水期洪水暴漲，大量洪水資源白白流走。同時(shí)，該地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用水平不高、效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，工業(yè)與生活、城市與農(nóng)村爭(zhēng)水矛盾越來(lái)越突出，水資源短缺問(wèn)題成為制約該區(qū)域發(fā)展的瓶頸?；谝陨锨闆r，擬利用沉陷區(qū)建立平原湖泊，把各采煤沉陷區(qū)連通串接，建立起兼景觀、供水和濕地構(gòu)造于一體的沉陷區(qū)平原湖泊生態(tài)體系。利用沉陷區(qū)蓄積雨水和汛期洪水，容納部分水質(zhì)達(dá)標(biāo)的周邊地區(qū)的排水，并引入河流水資源，為平原湖泊尋找到水源補(bǔ)給，解決區(qū)域水資源短缺問(wèn)題。

圖1 沉陷區(qū)空間分布示意圖

3.2 沉陷區(qū)可供水量計(jì)算

利用2007年實(shí)測(cè)的沉陷區(qū)高程點(diǎn)，使用SV300測(cè)繪成圖軟件生成三角網(wǎng)格的數(shù)值模型，對(duì)沉陷區(qū)現(xiàn)狀蓄水能力進(jìn)行分析，計(jì)算平原湖泊容積為1190萬(wàn)m3。兩沉陷區(qū)周?chē)F(xiàn)狀地面高程約27m，沉陷深度3～5m，沉陷面積分別為2.03km2和1.92km2，沉陷庫(kù)容分別為846萬(wàn)m3和1793萬(wàn)m3。根據(jù)兩區(qū)50年內(nèi)的采煤規(guī)劃和地質(zhì)條件分析推算，50年以后兩沉陷區(qū)面積將擴(kuò)大到2.63km2和2.52km2，相應(yīng)沉陷區(qū)庫(kù)容也將增大至1096萬(wàn)m3和2353萬(wàn)m3。

3.2.1 澮河可引水量分析

澮河是流經(jīng)該地區(qū)河流中可利用水量最為豐富的一條河流，澮河流域多年平均降雨量為850mm，多年平均蒸發(fā)量為997.5mm，年徑流深約為130mm。降雨量的年內(nèi)分配極不均衡，年雨量的60%～70%主要集中在汛期的6-9月；降水的另一個(gè)特點(diǎn)是年際變幅很大，豐水年份降雨量可達(dá)1300mm余，而枯水年僅500mm，年際最大差值近3倍。澮河的洪水特征是上中游匯流速度快，漲勢(shì)猛，而下游退水慢，汛期受洪水頂托倒灌，容易形成極嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。根據(jù)澮河臨渙斷面的多年徑流資料，對(duì)澮河的水資源結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，從生態(tài)、利用與防洪角度出發(fā)，將河流水量分為生態(tài)水量、安全水量、風(fēng)險(xiǎn)水量和災(zāi)害水量四部分[8]，四類(lèi)水量多年平均值見(jiàn)表1。

表1 澮河水資源分類(lèi)統(tǒng)計(jì)(1981-2008年)

結(jié)果表明除去澮河生態(tài)系統(tǒng)的支撐流量，由安全水量、風(fēng)險(xiǎn)水量?jī)刹糠纸M成的澮河可利用的水量占澮河總水量的86.78%，多年平均可利用水量達(dá)2×109m3，澮河水資源可利用量是相當(dāng)可觀的。

3.2.2 可供水量計(jì)算

根據(jù)沉陷區(qū)歷年(1954-2008年)逐月降雨量資料，多年平均降雨量為851mm，降雨主要集中在6-8月，占全年的56%。煤礦日總排水量為20160m3/d，其中排入沉陷區(qū)水量為11500m3/d。從多年平均來(lái)看，沉陷區(qū)周邊地下水位年際變化不大，在1～2m之間波動(dòng)。根據(jù)全年水量分析，沉陷區(qū)水滲漏補(bǔ)給地下水的水量要大于地下水補(bǔ)給沉陷區(qū)水的水量，但補(bǔ)給水量整體較小。根據(jù)降雨資料，對(duì)沉陷區(qū)集水量和澮河可引水量進(jìn)行計(jì)算，加上礦坑排水量，得出沉陷區(qū)不同保證率下的可供水量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 沉陷區(qū)年可供水量

3.3 綜合效果分析

3.3.1 供水效果分析

研究沉陷區(qū)主要為相鄰的工業(yè)園區(qū)供水，2007年在保證率為97%時(shí)總需水量為2500萬(wàn)m3/a，規(guī)劃水平年2020年工業(yè)總需水量為7630萬(wàn)m3/a?，F(xiàn)狀條件下，一般澮河徑流在偏枯水年、平水年、豐水年可以滿(mǎn)足工業(yè)需水，特枯年份，沉陷區(qū)無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)需水。從供需分析可以看出澮河來(lái)水的流量過(guò)程變化大，總量大，但沉陷區(qū)調(diào)節(jié)能力低。因此考慮采取一定的調(diào)蓄工程，解決來(lái)水不均與相對(duì)均勻供水之間的矛盾，提高該系統(tǒng)的供水能力。

對(duì)沉陷區(qū)現(xiàn)狀湖泊進(jìn)行整治，整治的范圍為生態(tài)蓄水位以上的區(qū)域，開(kāi)挖的土方墊至最高限制水位以上的區(qū)域。依據(jù)確定的挖深墊淺整治原則，對(duì)沉陷區(qū)內(nèi)22.0m和24.5m高程以上的區(qū)域進(jìn)行開(kāi)挖，挖出土方回填至26.0m以上的區(qū)域或小而獨(dú)立的沉陷區(qū)。在湖泊周邊建高0.5m的圍堤，并在圍堤周?chē)?00m寬的生態(tài)隔離帶。整治后沉陷區(qū)可供水量見(jiàn)表3。治理后工業(yè)園區(qū)近期、遠(yuǎn)期規(guī)劃供水保證率分別可達(dá)到93.8%和61.2%。

3.3.2 生態(tài)效果分析

研究沉陷區(qū)與工業(yè)園區(qū)相臨，沉陷深度4m屬于中度沉陷類(lèi)型。主要以?xún)艋蜐竦亟ㄔO(shè)為主，輔生態(tài)景觀建設(shè)。該塌陷區(qū)早春季節(jié)區(qū)域水位較低，正好有利于蘆葦萌發(fā)，到春末雨季到來(lái)時(shí)，利用房亭河收集儲(chǔ)留流域內(nèi)的降水，保持一定的水位，促進(jìn)蘆葦?shù)纳L(zhǎng)發(fā)育。采用蘆葦濕地對(duì)生活污水和工業(yè)污水集中深度處理，對(duì)BOD5，SS，VAS去除率可達(dá)90%以上；對(duì)氯苯、氯酚、農(nóng)藥類(lèi)、TN、TP去除率達(dá)到80%以上；細(xì)菌總數(shù)、蠕蟲(chóng)卵、大腸菌群、沙門(mén)氏菌、噬菌體等99%。污水中的無(wú)機(jī)污染物（重金屬）和有機(jī)物最大限度地被濕地蘆葦吸附、吸收，充分利用自然凈化功能，使污水資源化達(dá)到漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，即可徹底消除水污染隱患，又可改善與修復(fù)生態(tài)環(huán)境，使經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益達(dá)到最佳的統(tǒng)一。

表3 整治后沉陷區(qū)年可供水量

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