賀麗潔 黃震東 張玉坤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072；3.天津大學(xué)建筑文化遺產(chǎn)傳承信息技術(shù)文化和旅游部重點實驗室，天津 300072)

“雙碳”目標(biāo)不僅是一個巨大的挑戰(zhàn)，更是一項艱巨的任務(wù)。我國眾多工業(yè)城市以及工業(yè)區(qū)的轉(zhuǎn)型是“雙碳”目標(biāo)的必然選擇。廢棄工礦用地是工業(yè)發(fā)展過程中的副產(chǎn)品，隨著我國大量礦山的關(guān)閉，工礦廢棄地面積日益擴大。工礦用地閑置和使用不當(dāng)造成土地資源浪費、環(huán)境污染、誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響了城市的可持續(xù)發(fā)展。國土資源部、國家發(fā)展和改革委聯(lián)合發(fā)布《全國土地整治規(guī)劃(2016—2020年)》[1]，大力推進老舊工礦用地更新改造，積極開展老廠改造開發(fā)和功能置換，加強工礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)和景觀建設(shè)，鼓勵廢棄工礦區(qū)恢復(fù)和合理利用。因此，礦業(yè)廢棄地的更新是國家實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)以及城市可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。

針對廢棄礦區(qū)的轉(zhuǎn)型問題和困境出發(fā)，以生產(chǎn)性策略為視角，把生產(chǎn)性元素引入廢棄礦區(qū)的改造升級中，通過智能控制系統(tǒng)、綠色建筑技術(shù)、新能源合作系統(tǒng)、資源循環(huán)利用系統(tǒng)等進行廢棄礦區(qū)的更新設(shè)計，把綠色生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、能源生產(chǎn)、智能生產(chǎn)有機整合來探索礦業(yè)廢棄地轉(zhuǎn)型的優(yōu)化策略與實施路徑[2]，以期達到廢棄礦區(qū)再生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)；促進礦區(qū)及城市由從“消費”走向“生產(chǎn)”，從“碳排”走向“碳匯”，從“治理”走向“智理”。

1 生產(chǎn)性理念與礦業(yè)廢棄地更新研究

1.1 生產(chǎn)性理念國內(nèi)外相關(guān)研究

關(guān)于生產(chǎn)性理念，國內(nèi)外學(xué)者從不同視角提出了各自的觀點。加拿大城市發(fā)展專家Brugman提出了生產(chǎn)性城市的觀點：“我們需要以一種完全不同的方式看待城市和可持續(xù)性。與其節(jié)約能源，讓生活更加省吃儉用，不如使城市作為生產(chǎn)資源的地方。[3]”2005年，英國學(xué)者Bohn提出了連貫式生產(chǎn)性城市景觀，結(jié)合農(nóng)業(yè)和其他景觀元素，使城市空間聯(lián)系起來[4]。2009年，Nelson提出可持續(xù)的城市原有模式應(yīng)成為生產(chǎn)而非消費的根源，繁榮其邊界以外的自然環(huán)境，增加能源和材料的使用[5]。作為生產(chǎn)性理念的一個分支，生產(chǎn)性景觀一直是我國相關(guān)學(xué)者的研究重點。俞孔堅提出可持續(xù)景觀，將動態(tài)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程作為景觀體驗來設(shè)計[6]。張玉坤等提出了城市節(jié)地的新策略，即農(nóng)業(yè)、新能源和復(fù)合型生產(chǎn)性景觀的生態(tài)補償[7]；并對生產(chǎn)性城市的概念進行了詳細闡述，即以可持續(xù)發(fā)展為目的，以綠色生產(chǎn)為手段，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、能源生產(chǎn)、空間生產(chǎn)、綠色制造、廢棄物資源利用、社會文化資本保護等有機結(jié)合起來的理念。在每個層次的最小范圍內(nèi)，主動挖掘各種生產(chǎn)潛力，最大限度地滿足改造后土地的可持續(xù)發(fā)展需求[8]。

1.2 礦業(yè)廢棄地更新國內(nèi)外相關(guān)研究

關(guān)于礦業(yè)廢棄地的更新研究多集中在土地復(fù)墾、植被恢復(fù)、固體廢物再利用、酸性礦山排水、重金屬去除等[9]。美國是率先開展對礦業(yè)廢棄地進行生態(tài)恢復(fù)的國家之一，1975年關(guān)于受損土地的生態(tài)恢復(fù)會議在美國舉行，正式確立了“恢復(fù)生態(tài)學(xué)”，圍繞受損生態(tài)系統(tǒng)進行恢復(fù)機理和方法的深入探討[10]。英國作為第一個工業(yè)革命的國家，也是最早進行礦業(yè)廢棄地修復(fù)研究的國家。英國的生態(tài)恢復(fù)工作主要關(guān)注保護農(nóng)田、林地和水環(huán)境。在申請礦山復(fù)墾計劃時，法律要求礦業(yè)公司提交完整的生態(tài)恢復(fù)和土地恢復(fù)報告，土地復(fù)墾主要用于農(nóng)業(yè)或林業(yè)，以確保采礦不會造成環(huán)境污染。

我國學(xué)者對礦業(yè)廢棄地再生與綜合利用的研究開始于20世紀(jì)80年代。廖啟鵬等以綠色基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)優(yōu)化為導(dǎo)向，運用形態(tài)空間格局分析(MSPA)法，結(jié)合礦區(qū)土地空間分布，研究了生態(tài)、生活、生產(chǎn)三種類型礦區(qū)土地再生方式的改造[11]。李盛方等以武漢市江夏區(qū)靈山廢棄工礦用地為例，從自然景觀、人文景觀和經(jīng)濟景觀三個角度提出了廢棄工礦用地恢復(fù)改造為礦山公園的策略[12]。胡榮榮等研究了寧波市鎮(zhèn)海區(qū)21個廢棄礦山的生態(tài)環(huán)境治理模式和綜合利用方向，提出了削坡、固坡、噴播、植樹造林等多種常見礦山治理技術(shù)[13]?？v觀國內(nèi)外關(guān)于礦業(yè)廢棄地的研究，主要集中在生態(tài)修復(fù)與礦山公園的建設(shè)，而缺少將生產(chǎn)性元素植入礦區(qū)的更新方法與實踐。

1.3 礦業(yè)廢棄地礦區(qū)碳中和技術(shù)的應(yīng)用

碳中和技術(shù)具有多學(xué)科交叉的特點，在礦業(yè)廢棄地中主要應(yīng)用于生態(tài)碳匯、土地利用與碳減排、新能源與儲能、綠色建筑等碳中和的重要領(lǐng)域[14]。針對廢棄礦井的綜合開發(fā)利用，袁亮等提出建立多能融合綠色能源體系、利用碳匯碳儲技術(shù)以及安全與應(yīng)急救援技術(shù)等[15]。谷志民等為打造可持續(xù)低碳礦區(qū)，以焦作礦區(qū)為例，采用了保水開采、循環(huán)用水、資源再生煤矸石回填和余熱再利用等技術(shù)[16]。劉峰等從降碳、減碳角度出發(fā)，提出在雙碳背景下對礦區(qū)的綠色低碳改造升級重點應(yīng)立足于生態(tài)修復(fù)+碳增匯、礦井空間的再利用、地?zé)豳Y源的利用、煤與生物質(zhì)/廢棄物協(xié)同利用等多領(lǐng)域全方位的方式[17]。王國法等提出建設(shè)全覆蓋的礦區(qū)高速通信網(wǎng)絡(luò)，采用堆疊、以太網(wǎng)上的點對點協(xié)議、虛擬局域網(wǎng)等技術(shù)，打造智能化礦山綜合管控平臺和示范樣板[18]。彭蘇萍的科研團隊以內(nèi)蒙古鄂爾多斯和陜西榆林地區(qū)為研究對象，通過反哺政策進行生態(tài)修復(fù)，采用了全周期生態(tài)演變四維監(jiān)測等八項核心技術(shù)，將煤礦區(qū)轉(zhuǎn)變成宜居區(qū)[19-20]。

1.4 礦業(yè)廢棄地生產(chǎn)性更新實踐

德國著名的重工業(yè)基地埃森“魯爾區(qū)”，由于長年的礦產(chǎn)資源開采，帶來一系列環(huán)境、社會等問題，100多公頃的礦業(yè)廢棄地，經(jīng)過生態(tài)治理和土壤修復(fù)，恢復(fù)了再生產(chǎn)的能力?，F(xiàn)如今，一塊塊帶狀、綿延不絕的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性景觀(圖1)，伴隨著季節(jié)更替展現(xiàn)其不同的景觀效果。再如德國北杜伊斯堡公園的西北區(qū)域，原本是堆滿礦渣的廢棄地，經(jīng)過生態(tài)整治和土壤改良后，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粴夂驐l件種植樺樹和臭椿樹，為“鋼鐵叢林”增添了綠色。同時利用場地廢棄的紅磚、煤矸石等廢渣作為骨料混合混凝土制作成新的建筑材料，應(yīng)用到露天劇場的更新改造中(圖2)。

圖1 德國魯爾區(qū)生產(chǎn)性景觀[21]Fig.1 Productive landscape in Ruhr District of Germany

圖2 利用紅磚和煤矸石等廢料施工的劇場[22]Fig.2 The theater built by waste materials such as red bricks and coal gangue

位于我國浙江省長興縣煤山鎮(zhèn)的長廣廢棄礦區(qū)，經(jīng)過生態(tài)修復(fù)后引入生產(chǎn)性元素——小麥，使得復(fù)墾后的土地在秋季呈現(xiàn)一片金黃的景象(圖3)。杭州市良渚文化村南區(qū)是當(dāng)?shù)厥讉€利用廢棄礦坑建設(shè)的礦坑公園，在其更新改造的過程中，著重對礦坑遺留下來的地形地貌精心設(shè)計并巧妙利用，最后引入生產(chǎn)性元素——油菜花。在礦區(qū)內(nèi)打造了近百畝的油菜花觀賞體驗園，游客不僅能欣賞到美麗的油菜花景觀，還能體驗古法榨油的樂趣(圖4)。

圖3 長廣礦區(qū)生產(chǎn)性景觀[23]Fig.3 Productive landscape in Changguang mining area

圖4 良渚文化村南區(qū)油菜花景觀[24]Fig.4 Landscape of rape flowers in the south of Liangzhu Cultural Village

2 王平煤礦的現(xiàn)狀及生產(chǎn)性改造的態(tài)勢分析(SWOT分析)

2.1 王平煤礦的地理區(qū)位條件

王平煤礦位于北京市門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)，隸屬于京西煤礦群。東臨永定河，西靠九龍山系，地理位置和環(huán)境優(yōu)越，距天安門廣場直線距離約50 km，交通運輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)達，G109國道貫穿其礦區(qū)，也可通過S209省道和X004縣道與門頭溝新城進行互聯(lián)互通。鐵路運輸方面，大站臺24和豐沙線兩條鐵路橫貫其中。至于城市軌道交通方面，正在建設(shè)的地鐵S1線將會在門頭溝石門營地區(qū)設(shè)置站點，屆時將進一步加強王平煤礦與北京中心城區(qū)的互聯(lián)互通。

2.2 王平煤礦的現(xiàn)狀

王平煤礦作為“京西八大礦”之一，由于長期煤炭開采，導(dǎo)致礦產(chǎn)資源日漸衰竭，加上國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，王平煤礦于1994年全面停產(chǎn)并退出歷史舞臺。遺留下來的廢棄地常年風(fēng)吹日曬，加上缺乏專業(yè)人員的維護管理，導(dǎo)致礦區(qū)呈一片荒蕪衰敗的景象(圖5)。1)過度開采形成了大量礦坑，對地表造成了極大破壞，引起了地面沉降、地下水污染等問題。2)過度開采還造成土壤污染，重金屬含量遠遠超標(biāo)；生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重破壞，植被覆蓋率低。3)場地內(nèi)遺留的建筑物、構(gòu)筑物破損嚴(yán)重，早已廢棄或坍塌，加之許多隨意建造的臨建房、自建房，場地呈破敗不堪的景象。4)礦區(qū)中大宗固廢物如煤矸石隨意堆積的情況較為突出，不僅造成了生態(tài)和人居環(huán)境的嚴(yán)重破壞，還影響了場地內(nèi)的交通。

a—運煤廊道及周邊生產(chǎn)車間現(xiàn)狀；b—場地荒蕪破敗的景象；c—廢棄的辦公樓現(xiàn)狀；d—大宗固廢垃圾堆放現(xiàn)狀。圖5 王平煤礦現(xiàn)狀Fig.5 Status of Wangping Coal Mine

2.3 王平煤礦生產(chǎn)性改造的SWOT分析

利用SWOT分析法對王平煤礦生產(chǎn)性改造的優(yōu)勢、劣勢進行分析，指出目前及未來開發(fā)過程中生產(chǎn)性模式所面臨的機遇和挑戰(zhàn)(表1)。通過表1的分析，應(yīng)綜合利用王平煤礦生態(tài)修復(fù)后的土地資源、生態(tài)資源、能源資源，最大程度地發(fā)揮地理和區(qū)位優(yōu)勢。同時，全局把控改造過程中可能會出現(xiàn)的不穩(wěn)定性因素，比如安全隱患、融資困難和收益回報周期長等問題?；诖?，生產(chǎn)性更新改造應(yīng)積極響應(yīng)國家和北京市政府的政策號召，以“兩山論”為基礎(chǔ)、以“雙碳目標(biāo)”為支撐，以恢復(fù)礦區(qū)生產(chǎn)能力為目標(biāo)，探索具有穩(wěn)定產(chǎn)出、合理收益回報的綠色低碳的發(fā)展模式(圖6)。

表1 王平煤礦生產(chǎn)性更新策略的態(tài)勢分析Table 1 SWOT Analysis of Productive Renewal Strategies in Wangping Coal Mine

a—改造平面；b—改造效果。1—生態(tài)停車場；2—沿鐵軌透水鋪裝人行道；3—觀光小火車；4—創(chuàng)意農(nóng)園；5—智碳運營中心；6—礦區(qū)歷史展覽空間；7—垂直懸吊溫室大棚；8—蔬果種植園溫室大棚；9—低碳雕塑景觀；10—主入口集散廣場；11—中轉(zhuǎn)平臺；12—生態(tài)環(huán)廊；13—生態(tài)魚池；14—智能蘑菇溫室煤倉；15—觀光連廊(運煤廊道改造)；16—礦區(qū)蔬果博覽會展場；17—員工宿舍；18—礦區(qū)水處理智能控制云平臺；19—塊狀農(nóng)田。圖6 王平煤礦改造平面及效果Fig.6 The transformation plan and rendering effects of Wangping Coal Mine

3 “雙碳”目標(biāo)下王平煤礦廢棄地的生產(chǎn)性更新

王平煤礦的生產(chǎn)性更新須立足礦區(qū)現(xiàn)有資源，通過引入可修復(fù)土壤的生產(chǎn)性景觀、煤矸石再利用技術(shù)、被動式建筑節(jié)能技術(shù)、多重智能控制技術(shù)、水循環(huán)技術(shù)及多種新能源利用技術(shù)對王平煤礦廢棄地進行更新設(shè)計，以期把王平煤礦改造成低碳綠色、可持續(xù)發(fā)展的后工業(yè)園區(qū)。

對王平煤礦的更新改造，根據(jù)生產(chǎn)性更新用途、土壤受污染程度來劃分為七大分區(qū)，分別是：生態(tài)停車區(qū)、集散廣場區(qū)、工業(yè)遺跡改造區(qū)、低碳雕塑展示區(qū)、休閑綠地區(qū)、前沿技術(shù)研發(fā)辦公區(qū)和創(chuàng)意農(nóng)園及生產(chǎn)性種植園區(qū)(圖7)。礦區(qū)的四周邊緣土壤受污染程度相對較低，修復(fù)難度較小，土壤肥力高，因此將生產(chǎn)性種植園區(qū)布局于此，打造環(huán)繞礦區(qū)的生態(tài)廊道，提升人居環(huán)境質(zhì)量。

圖7 王平煤礦場地分區(qū)Fig.7 Zoning of Wangping Coal Mine

3.1 碳增匯目標(biāo)下的土壤生態(tài)修復(fù)方案

在碳增匯目標(biāo)下對王平煤礦廢棄地進行生產(chǎn)性改造，應(yīng)該把場地生態(tài)修復(fù)放在首位。礦區(qū)廢棄土地的碳匯能力較差，應(yīng)首先進行土壤性質(zhì)改良、增加土壤有機質(zhì)含量、恢復(fù)并提升土壤碳匯潛力，以期達到可再生產(chǎn)的能力，創(chuàng)造一個相對穩(wěn)定的土地利用和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)生態(tài)產(chǎn)品的輸出。對土壤的生態(tài)修復(fù)和處理，可以增強土壤儲碳量和植物的固氮能力，對碳中和的實現(xiàn)具有重要作用。

我國土壤修復(fù)技術(shù)大致分為物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)和復(fù)合修復(fù)技術(shù)[25]。修復(fù)的機理主要是通過直接去除土壤中的重金屬；改變土壤中金屬的存在形態(tài)來降低金屬的遷移性和生物有效性；改變種植方式來降低土壤中重金屬的含量。近幾年還出現(xiàn)了植物-微生物復(fù)合修復(fù)技術(shù)和熱解吸技術(shù)也廣泛應(yīng)用于污染土壤的修復(fù)中。為打造綠色、低碳、可持續(xù)的生態(tài)礦區(qū)，王平煤礦廢棄地的土壤修復(fù)可選擇植物-微生物復(fù)合修復(fù)技術(shù)。對王平礦區(qū)植物的選擇，可選擇本地的、適應(yīng)能力強的先鋒植物如狗牙草、百喜草、香根草等，固氮植物如豆科植物中的皂角樹、槐樹、大豆等，重金屬富集植物如蒲公英、早熟禾、蒼耳等，鄉(xiāng)土植物如狹葉珍珠菜、鳶尾、地膚[26]等(表2)。

表2 礦區(qū)土壤生態(tài)恢復(fù)的植物選取Table 2 Plant selection for soil ecological restoration in mining areas

同時，為增加土壤的碳匯能力，可選擇人工種植的狗尾草、早熟禾等根系發(fā)達的草本植物，來增加土壤中“碳輸入”；利用卡爾文循環(huán)、還原檸檬酸循環(huán)等微生物固碳途徑，來分解土壤中有機碳的“碳輸出”，促進土壤有機碳循環(huán)；通過種植刺槐和油松混交林，使土壤有機碳(SOC)密度最大，固氮速率最高。伴隨四季的更替，殘敗及死亡的植物能夠維持土壤的“碳輸入”，增加碳庫儲量。最后使用碳匯管理技術(shù)[27]，核算、分析、預(yù)測評估土壤的碳匯能力，及時調(diào)整種植方案，以選出廢棄地土壤修復(fù)的最優(yōu)策略。

3.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性景觀的低碳設(shè)計

充分發(fā)揮“雙碳”目標(biāo)的引導(dǎo)作用及廢棄地綠色更新的支撐作用，從糧食作物類、蔬果作物類、低碳創(chuàng)意類三類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性景觀入手對王平煤礦廢棄地進行生產(chǎn)性改造。

3.2.1糧食作物類生產(chǎn)性景觀設(shè)計

在王平煤礦廢棄地土壤修復(fù)的基礎(chǔ)上，以“節(jié)水、節(jié)藥、節(jié)肥”為準(zhǔn)則，種植糧食作物類景觀，可實現(xiàn)王平礦區(qū)糧食的自給自足。同時推行“節(jié)氮保碳”模式，通過完善和優(yōu)化耕作方式，合理的使用化肥和有機肥，添加抑制劑和微量元素，利用生物炭[28]，減少農(nóng)田溫室氣體排放。將礦區(qū)分割出來一部分土地作為農(nóng)業(yè)種植園，對種植園進行規(guī)劃分區(qū)，劃分出多塊種植田，分別種植小麥、玉米、馬鈴薯、紅薯等，形成田間景觀游覽路線(圖8)。同時，利用原來廢棄的軌道修建觀光小火車(圖9)，以此來增加景觀游覽路線的趣味性。

圖8 田間游覽景觀Fig.8 Tour landscapes in fields

圖9 觀光小火車Fig.9 Sightseeing train

3.2.2蔬果作物類生產(chǎn)性景觀設(shè)計

除劃分多塊種植田外，礦區(qū)種植園內(nèi)還可以設(shè)置蔬果作物類溫室，既可以保證四季有糧產(chǎn)，又可以提供全年的觀賞景觀。選擇羽衣甘藍、紫白菜、彩色甜椒、觀賞南瓜、櫻桃、番茄等種植觀葉型蔬菜或觀果型蔬菜，采用懸吊栽培槽，上層種植藤蔓植物，地面種植耐陰性蔬菜或花卉(圖10)。以此為平臺，每年舉辦不同主題的蔬果博覽會，進行農(nóng)產(chǎn)品的展示和相關(guān)種植技術(shù)的介紹，吸引游客前來探奇。

圖10 蔬果作物景觀示意Fig.10 The schematic diagram of vegetable and fruit landscape

為了實現(xiàn)種植溫室的低碳節(jié)能目標(biāo)，內(nèi)部照明系統(tǒng)可采用燈聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，僅通過一盞燈的節(jié)能智慧照明就可以讓種植園節(jié)能50%～90%，解決了運營成本高、管理效率低等問題。還可采用智能化溫室，對光照、澆灌、施肥、溫度等進行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，讓蔬菜瓜果種植在資源消耗大幅降低的同時，實現(xiàn)產(chǎn)量的大幅增長。

3.2.3低碳創(chuàng)意類生產(chǎn)性景觀設(shè)計

在王平礦區(qū)種植園中，還可在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)景觀中添加藝術(shù)元素，打造成為賦有創(chuàng)意的低碳生產(chǎn)性景觀。就地取材，利用礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)成農(nóng)產(chǎn)品廢料、建筑廢料以及煤矸石等進行景觀設(shè)計。如利用玉米秸稈等農(nóng)產(chǎn)品廢料設(shè)計礦區(qū)吉祥物或設(shè)立卡通類雕塑，贏得小孩子們的喜愛；建造農(nóng)具創(chuàng)意裝置，吸引游客的眼球(圖11)。設(shè)計低碳雕塑景觀，利用礦區(qū)中遺留下來的煤矸石等大宗固廢物，經(jīng)粉碎研磨后與水泥調(diào)配在一起，加上礦區(qū)中廢棄建筑拆解下來的玻璃和鋼材作為拉扯和支撐，混入各色廢料后就可以形成形態(tài)各異的雕塑景觀(圖12)。利用礦區(qū)內(nèi)的廢棄材料打造低碳雕塑，不僅成本低、取材方便、環(huán)保節(jié)能，體現(xiàn)了技術(shù)美和材料美，還利于與環(huán)境友好融合，凸顯藝術(shù)作品的“實在性”。

圖11 創(chuàng)意農(nóng)業(yè)景觀[29]Fig.11 Creative agricultural landscapes

圖12 低碳雕塑景觀效果Fig.12 The schematic diagram of low-carbon sculpture landscape

3.3 廢棄建筑的生產(chǎn)性綠色更新

在王平廢棄礦區(qū)內(nèi)遺留下大量廢舊建筑，如選煤樓、煉煤樓、辦公樓、職工宿舍以及平房住宅等。依據(jù)基地內(nèi)遺留建筑的結(jié)構(gòu)破損程度，對建筑質(zhì)量進行重新劃分，分為三個質(zhì)量等級(圖13)：一類建筑結(jié)構(gòu)性能較好，稍加裝飾改造就能重新使用，如原有辦公樓等，引入節(jié)能技術(shù)改造為綠色建筑；二類建筑須對建筑結(jié)構(gòu)進行維護才能利用，如選煤樓、運煤廊道等，須保留原有建筑特色的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)加固和功能置換；三類建筑結(jié)構(gòu)損毀嚴(yán)重，須推倒重建，如場地內(nèi)違建的大量平房住宅等，回收利用其拆除后的廢舊磚石、混凝土等建筑垃圾，制成再生材料，重新應(yīng)用到礦區(qū)的改造建設(shè)中。

一類質(zhì)量； 二類質(zhì)量； 三類質(zhì)量； 用地紅線。圖13 建筑質(zhì)量分析Fig.13 Quality analysis of buildings

1)利用原有辦公樓立面，大面積改造為可以進行表皮種植的夾層結(jié)構(gòu)(圖14)。在建筑表皮種植豆角、黃瓜、葡萄等垂吊植物，形成規(guī)?；木G色幕墻，一方面可以遮陽防曬，實現(xiàn)節(jié)能減排；另一方面可以凈化空氣，提供健康舒適的室內(nèi)環(huán)境。

圖14 垂直農(nóng)業(yè)景觀效果Fig.14 The schematic diagram of vertical agricultural landscape

2)將選煤樓結(jié)構(gòu)加固后改造為溫室農(nóng)園，利用煤倉空間密閉的特征，營造溫暖濕潤的環(huán)境條件，形成立體種植的蘑菇溫室(圖15)，實現(xiàn)生產(chǎn)增收及減碳降耗的目的。種植過程中施用緩釋肥、節(jié)水灌溉等技術(shù)，可減少溫室氣體的排放。同時引進秸稈綜合利用冷熱能轉(zhuǎn)化新技術(shù)、地下水循環(huán)利用冷熱能轉(zhuǎn)化技術(shù)，不僅使蘑菇溫室節(jié)能50%以上，還使食用菌質(zhì)量得到明顯提升。

圖15 煤倉溫室農(nóng)園Fig.15 A bunker greenhouse farm of coal bunkers

3)利用廢棄的建筑屋面，進行種植屋頂?shù)母脑?圖16)。在進行種植屋頂設(shè)計時，要同時考慮生產(chǎn)性景觀的生長周期和生長特性如生長高度、根系的深淺、喜光和耐陰等[30]?？蛇x擇種植如向日葵、半枝蓮、丹參、雞冠花等喜光、向陽、耐干熱的食用作物或藥用作物；也可以種植如枇杷、桃樹、葡萄、無花果等果樹，根據(jù)樹種的大小、姿態(tài)及相互距離，創(chuàng)造出富于變化的生產(chǎn)性景觀，增加屋頂?shù)募Z食生產(chǎn)和觀賞效果；同時在吸收熱量的同時也增加了固碳量，減少了食物里程和碳足跡，降低了建筑的城市熱島效應(yīng)。

圖16 種植屋頂示意Fig.16 The schematic diagram of planting roof

4)對于礦區(qū)內(nèi)新建建筑，本著可循環(huán)、可持續(xù)的原則，在礦區(qū)內(nèi)優(yōu)先選用綠色能源制造材料和廢棄物再利用材料，通過建筑信息建模數(shù)字化設(shè)計進行建筑物部件及生產(chǎn)性設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化制作，減少現(xiàn)場濕法作業(yè)和材料浪費，實現(xiàn)綠色低碳建造。

3.4 煤矸石等廢料的低碳處理和利用

煤矸石是煤炭開采過程中洗選產(chǎn)生的固體廢棄物，是一種堅硬的深灰色巖石，含碳量低、熱值低、利用價值低。王平礦區(qū)內(nèi)存有大量由煤矸石堆積而成的小山丘，如果處理不及時，氧化后會發(fā)生自燃并產(chǎn)生大量有毒氣體。大量煤矸石除了占用土地之外，還會造成地面沉降、水土流失、地質(zhì)荒漠化等危害，給生態(tài)環(huán)境帶來極大破壞。針對煤矸石對礦區(qū)環(huán)境的影響，我國制定了相關(guān)的法律法規(guī)。《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》中指出，促進煤矸石和粉煤灰在工程建設(shè)、塌陷區(qū)治理、礦山充填、鹽堿地和荒漠化土地生態(tài)恢復(fù)中的利用，引導(dǎo)煤矸石、粉煤灰在生產(chǎn)新型墻體材料、裝飾材料等綠色建材[31]方面的利用。在王平煤礦廢棄地中，煤矸石的再生利用主要分為以下幾個方面：1)回填采空區(qū)及塌陷地；2)制成新的建筑材料，用于加固和修補礦區(qū)中現(xiàn)有建筑；3)利用煤矸石中特有的化學(xué)元素(B、Zn、Cu、Co、Mn)，制作成微生物化肥或有機復(fù)合肥，用于礦區(qū)種植園。除此之外，剩余煤矸石的再生利用可分為三大類：能源、建筑材料、化工產(chǎn)品(表3)?！半p碳”目標(biāo)下，應(yīng)與生態(tài)建設(shè)相結(jié)合，實現(xiàn)煤矸石的綜合利用，推進工業(yè)固廢建材化利用在消納固廢的同時，減少資源消耗，推動煤矸石產(chǎn)業(yè)向綠色低碳發(fā)展。

表3 煤矸石的綠色低碳處理Table 3 Green and low-carbon treatment methods of coal gangue

4 碳中和技術(shù)與生產(chǎn)性策略的聯(lián)動應(yīng)用

4.1 建設(shè)地上地下一體化“清潔能源基地”

王平礦區(qū)擁有大量的土地、風(fēng)、光等自然資源，具有開發(fā)綠色能源的先天優(yōu)勢，可以全面建成地上地下一體化的風(fēng)、光、電、熱、氣多協(xié)調(diào)的清潔能源基地。堅持“清潔生產(chǎn)、綠色發(fā)展”的環(huán)保理念，推進資源節(jié)約集約利用；構(gòu)建以綠色能源為主體的電力系統(tǒng)，促進“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。首先，應(yīng)充分利用太陽能資源?？稍诓豢尚迯?fù)的礦坑上，鋪設(shè)太陽能光伏板，將太陽能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量；在有建筑群存在的礦業(yè)生產(chǎn)生活區(qū)的建筑上采用光伏屋面，或在其建筑表皮鋪設(shè)太陽能瓷磚形成太陽能集成立面，將收集的太陽能用于室內(nèi)發(fā)電和照明。其次，在地勢開闊、風(fēng)力較大的礦區(qū)廢棄地上，安裝發(fā)電風(fēng)車，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。再次，利用井下溫度高且穩(wěn)定的特點，開發(fā)利用地?zé)崮?，通過地源熱泵與冷熱泵相結(jié)合的中央空調(diào)系統(tǒng)，達到綠色、節(jié)能、減碳的目標(biāo)。還可以利用煤礦礦井垂直落差大的特點進行抽水蓄能，使其為可再生能源調(diào)峰。最后，針對礦區(qū)內(nèi)農(nóng)作物秸稈、落葉雜草等可回收垃圾，采用濕垃圾發(fā)酵法處理，就地發(fā)酵形成有機肥用于生產(chǎn)性作物，將濕垃圾變成綠色清潔能源返回生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，豐富土壤有機質(zhì)含量。同時發(fā)酵箱采用太陽能供電方式，能自動投加菌劑，進行通風(fēng)除臭。

4.2 建立全礦區(qū)全周期的“智碳運營中心”

為響應(yīng)國家“雙碳”目標(biāo)，打造創(chuàng)新型低碳綠色廢棄礦區(qū)場地，將原軌道旁邊的辦公樓改造成智碳運營中心。此中心以低碳智慧管理平臺為支撐，為來訪嘉賓提供全面的礦區(qū)低碳場景展示和游覽導(dǎo)視(圖17)。首先，將礦區(qū)所有用電設(shè)備包括低碳設(shè)備連接到智慧數(shù)據(jù)平臺，實時檢測礦區(qū)的能耗數(shù)據(jù)，包括水、電、氣和可再生能源在時間和空間區(qū)域的分布使用情況；展示碳排/減排趨勢全景圖，包括總量、年、月、日碳排、減排同比、環(huán)比變化趨勢；實時動態(tài)展現(xiàn)礦區(qū)能耗全景及碳排放全景，實現(xiàn)低碳建設(shè)的聯(lián)動。其次，建立全礦區(qū)的智慧運維和管理系統(tǒng)，展示礦區(qū)主要碳排放源以及減排措施，實施監(jiān)控礦區(qū)碳排放情況并進行數(shù)據(jù)化處理，方便礦區(qū)工作人員直觀化了解降碳現(xiàn)狀，采取相應(yīng)措施改革，實現(xiàn)礦區(qū)碳足跡數(shù)據(jù)化和碳處理智能化。最后，在王平礦區(qū)廢棄的建筑物內(nèi)安裝能源智能控制系統(tǒng)，用于監(jiān)測和調(diào)整建筑物的能源消耗，以優(yōu)化能源利用。如采用溫濕度獨立控制系統(tǒng)，能耗降低30%；采用混合式熱泵熱水器，其能耗是傳統(tǒng)熱水器的20%～50%；還可以采用智能照明系統(tǒng)、燈管、呼吸幕墻(圖18)，以實現(xiàn)節(jié)能。

a—光導(dǎo)管布置；b—光伏光導(dǎo)管在研發(fā)辦公樓中的應(yīng)用；c—光感調(diào)節(jié)器在溫室大棚照明中的應(yīng)用。圖18 智能照明系統(tǒng)Fig.18 Intelligent lighting systems

4.3 搭建低碳減污的“水處理生態(tài)系統(tǒng)”

城市污水處理主要通過市政管網(wǎng)收集到污水處理廠進行凈化處理，但對于王平煤礦這一類工礦廢棄地，由于排水不均，水質(zhì)、水量變化大，不便于通過市政污水管進行污水凈化處理。因此，在礦區(qū)內(nèi)建立離網(wǎng)式污水處理系統(tǒng)，直接在污水生產(chǎn)源頭和最小單元內(nèi)就地收集，及時凈化和處理礦區(qū)污水，避免了大規(guī)模因管網(wǎng)建設(shè)帶來的周期長、資金浪費等問題。離網(wǎng)式污水處理系統(tǒng)主要包含礦區(qū)污水收集設(shè)施、污水收集管網(wǎng)、污水處理設(shè)備、中水回流管網(wǎng)四個部分，依次實現(xiàn)污水收集和儲存、污水提升和凈化、中水回用等功能。首先，礦區(qū)內(nèi)職工宿舍的生活污水和農(nóng)業(yè)大棚等生產(chǎn)污水由截污管引入到檢查井，并依此通過截流井1、截流井2、閥門井，然后收集到調(diào)蓄池及物化處理裝置；其次，污水進入離網(wǎng)式污水處理系統(tǒng)管網(wǎng)后，引入到污水處理設(shè)備，運用小型膜-生物反應(yīng)器技術(shù)來實現(xiàn)污水處理及水循環(huán)利用；最后，達到回用標(biāo)準(zhǔn)的中水可用于生產(chǎn)設(shè)備清潔、種植園灌溉、生活用水等(圖19)。

圖19 水處理生態(tài)系統(tǒng)Fig.19 Water treatment ecosystems

離網(wǎng)式污水處理系統(tǒng)中，膜-生物反應(yīng)器是膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機結(jié)合的新型廢水處理設(shè)備[32]，主要利用微生物對污水的處理與膜對細菌等微生物的截留結(jié)合起來對污水、化工廢水等難降解的有機廢水進行處理，有利于提升水質(zhì)、節(jié)省能耗、節(jié)約用地。

同時，依托于礦區(qū)“智碳運營中心”，設(shè)置污水處理智能控制云平臺，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)遠程操控，根據(jù)水質(zhì)、水量特點，調(diào)整運行程序，增強適應(yīng)性。并且在管理平臺上可以直觀地展示污水源頭、排污量、中水量，形成一套成本低廉、建設(shè)自由、運維方便的新型水處理生態(tài)系統(tǒng)，有利于促進“雙碳”目標(biāo)下的工業(yè)區(qū)污水低碳減污運行、資源化可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)束語

王平煤礦及周邊區(qū)域作為未來首都的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，承擔(dān)著首都生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展的重任。對王平煤礦廢棄地的更新改造涉及了廢棄礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、廢棄建筑更新、煤矸石山處理利用等多項工作，依托于生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)與工程、地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、礦業(yè)工程、建筑學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，需要各專業(yè)協(xié)同設(shè)計，綜合運用于實際工程中。

以生產(chǎn)性策略為引領(lǐng)，以綠色低碳科技創(chuàng)新為支撐，在以礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)及減碳增匯的基礎(chǔ)上進行多功能、多元化的綠色低碳改造，同時結(jié)合碳中和、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能與云計算等技術(shù)，來打造綠色生產(chǎn)、低碳節(jié)能、智慧生態(tài)的礦業(yè)廢棄地改造示范區(qū)；促進礦業(yè)廢棄地從“消費”走向“生產(chǎn)”，從“碳排”走向“碳匯”，從“治理”走向“智理”。最終以王平煤礦為“點”，延伸到京西“一線四礦”，從而輻射到整個京西煤礦群，來促進城市區(qū)域“面”的低碳綠色發(fā)展，早日實現(xiàn)“兩山論”和“雙碳”目標(biāo)。

感謝2016級建筑學(xué)專業(yè)本科生張佳璇在圖紙繪制過程中所做的貢獻。