賀麗潔 閆雨薇

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

中國的能源消費(fèi)仍以煤炭等傳統(tǒng)化石燃料為主，煤炭約占能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的70%。近年來，隨著煤礦資源的逐漸枯竭，國家“退二進(jìn)三”政策的實(shí)施，供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革以及去產(chǎn)能政策的推行，北京西部的門頭溝區(qū)(簡稱“京西”)眾多煤礦企業(yè)相繼關(guān)停，至2019年年底，京西煤礦產(chǎn)業(yè)已全部退出市場。但隨之產(chǎn)生的大量煤礦廢棄地帶來環(huán)境污染、資源閑置、土地占用等一系列的問題，其中洪澇災(zāi)害、缺水、水污染等礦區(qū)水生態(tài)問題日益嚴(yán)重，甚至成為了制約礦業(yè)廢棄地更新發(fā)展的重大障礙，環(huán)境治理迫在眉睫。

如何從生態(tài)視角解決上述問題，逐漸成為廢棄礦區(qū)改造的重點(diǎn)。西方國家在礦業(yè)廢棄地水生態(tài)修復(fù)與管理上的理論和實(shí)踐上的研究起步較早，現(xiàn)已相對成熟。美國科珀希爾(Copperhill)銅礦濕地在治理的過程中通過在水體上游構(gòu)建“模袋毯+分水壩+沉淀池”三種雨水處理設(shè)施[1]，減少污染物堆積，使其成為人工濕地凈化水體的范例。加拿大的阿爾伯特(Alberta)油砂礦山在進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)的同時，重點(diǎn)打造了排水體系與自然水系結(jié)合的水生態(tài)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)場地與周邊水文生態(tài)系統(tǒng)的完美結(jié)合[2]。美國利維坦(Leviathan)硫礦廢棄地則利用生物反應(yīng)器技術(shù)處理高污染的酸性廢水，通過微生物的分解達(dá)到凈化污染水體的目的。國內(nèi)關(guān)于礦業(yè)廢棄地水生態(tài)修復(fù)的相關(guān)研究起步較晚，理論和實(shí)踐相對較少。安徽蘆嶺采煤沉陷區(qū)打造了“引水湖+生態(tài)溝渠+供水湖”三級水生態(tài)模式，同時兼顧了“養(yǎng)殖+觀賞+凈化”三大功能[3]，這對實(shí)現(xiàn)采煤沉陷區(qū)水資源合理調(diào)蓄有很大價值。依托廢棄礦山改造的邯鄲紫山公園通過對地形、水體、植被、生境的共同處理，構(gòu)建水生態(tài)系統(tǒng)，同時解決了集水、凈水、蓄水三大問題[4]。這些理論和實(shí)踐為礦業(yè)廢棄地水生態(tài)研究和實(shí)踐提供了參考。實(shí)現(xiàn)礦業(yè)廢棄地的水生態(tài)修復(fù)與水資源管理已成為礦業(yè)廢棄地綠色更新以及礦業(yè)城市可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。針對北京市門頭溝區(qū)王平煤礦，圍繞雨洪災(zāi)害頻發(fā)、用水不足、水污染等問題展開研究，提出煤礦廢棄地水生態(tài)修復(fù)策略，以實(shí)現(xiàn)恢復(fù)場地生態(tài)系統(tǒng)的目標(biāo)。

1 王平煤礦場地概況與發(fā)展契機(jī)

王平煤礦位于北京市門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)(圖1)，地處太行山脈與燕山山脈交匯處，四面環(huán)山，毗鄰109國道和永定河，自然景觀優(yōu)美，曾是京西國有煤礦中重要的產(chǎn)煤區(qū)之一，現(xiàn)已關(guān)閉。北京市門頭溝區(qū)王平礦區(qū)煤礦開采歷史悠久，不但產(chǎn)量巨大而且地理范圍廣闊。自1994年停產(chǎn)后，這里的設(shè)備早已被清空，但是建筑卻被保存下來了；除了礦場之外，選矸樓、煤炭運(yùn)輸軌道、職工宿舍仍然保留著。同時，場地內(nèi)遺留下的大量采礦廢渣，大小礦坑依稀可見；致使場地破敗、植被稀疏、水資源污染嚴(yán)重，每到汛期，常發(fā)生洪澇地質(zhì)災(zāi)害，村莊和農(nóng)田飽受洪水侵襲。

a—王平煤礦區(qū)位；b—王平煤礦環(huán)境現(xiàn)狀。圖1 場地周邊及環(huán)境現(xiàn)狀Fig.1 Wangping Coal Mine’s location and environmental status

北京市門頭溝區(qū)曾是首都重要的能源基地，自2005年以來其功能定位被調(diào)整為生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)。全區(qū)充分利用綠色生態(tài)發(fā)展帶來的機(jī)遇，全力推進(jìn)門頭溝區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型調(diào)整。為推動生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)保護(hù)和綠色發(fā)展，保護(hù)好百年煤炭工業(yè)遺存，促進(jìn)區(qū)域協(xié)同發(fā)展，2021年9月18日，北京市門頭溝區(qū)人民政府等單位聯(lián)合舉辦了京西“一線四礦”及周邊區(qū)域協(xié)同發(fā)展概念規(guī)劃方案征集活動。該項目包括市郊鐵路門大線建設(shè)運(yùn)營，王平煤礦、大臺煤礦、木城澗煤礦、千軍臺煤礦產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，以及周邊區(qū)域鄉(xiāng)村振興和文化旅游、健康養(yǎng)老、戶外休閑產(chǎn)業(yè)培育等諸多具體內(nèi)容。王平煤礦將以此為契機(jī)，加快推進(jìn)礦區(qū)轉(zhuǎn)型和區(qū)域協(xié)同發(fā)展，打造出京西生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)綠色發(fā)展的“新名片”。

2 煤礦廢棄地水生態(tài)環(huán)境

受自然條件限制和煤礦開采的影響，煤礦廢棄地的水生態(tài)環(huán)境日益惡化，具體表現(xiàn)在以下方面：

1)地下水環(huán)境破壞，加劇了用水緊張。采煤塌陷造成大量的地表裂縫，煤礦廢棄地中的污染物通過降水沿地表裂縫污染淺層地下水，嚴(yán)重影響到以地下水為飲用水源的居民飲水安全。門頭溝地區(qū)本就面臨著水資源緊缺的問題，煤礦廢棄地水資源的污染和污水處理設(shè)施的不足，大大加劇了當(dāng)?shù)氐挠盟o張。

2)地表水污染嚴(yán)重，危害植被及土壤。廢棄礦區(qū)內(nèi)堆積了大量煤矸石、粉煤灰等采礦廢渣，經(jīng)雨水沖刷后使雨水中攜帶重金屬物質(zhì)。這些重金屬含量超標(biāo)的廢水流入河流等水域，污染了地表水；或排放至周邊地區(qū)，破壞礦區(qū)周圍的耕地、草地和林地，致使植被覆蓋率低下，甚至影響當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活。

3)地質(zhì)環(huán)境破壞，次生災(zāi)害頻發(fā)。煤炭過度開采導(dǎo)致當(dāng)?shù)刂脖黄茐暮痛罅客恋芈懵?，大大增加了土地被雨水侵蝕的機(jī)會和強(qiáng)度。同時，場地內(nèi)小水利設(shè)施相對缺乏，地表徑流攔蓄很少，加劇了水土流失。嚴(yán)重的水土流失一方面造成了土壤保肥保水能力的減弱，有機(jī)質(zhì)含量較低，不利于植被生長；另一方面造成大面積人工裸地，使其易在雨季發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全造成威脅。

3 煤礦廢棄地水生態(tài)修復(fù)策略

3.1 場地綜合布置，實(shí)現(xiàn)雨水管理

3.1.1引入海綿設(shè)施，建立雨水管理網(wǎng)絡(luò)

由于煤炭的過度開采，王平煤礦的生態(tài)環(huán)境遭到破壞，導(dǎo)致場地對雨水的消納能力減弱，水源短缺；加之礦區(qū)內(nèi)煤渣等廢棄物大量堆積，經(jīng)雨水沖刷后，地表徑流中污染物含量高；可以通過引入不同類型的海綿設(shè)施(表1)，由點(diǎn)到面，實(shí)現(xiàn)對雨水的 “滲、滯、蓄、凈、用”，并結(jié)合管道和植物的布置，形成一個綜合的雨水管理網(wǎng)絡(luò)(圖2)。將透水路面、植草溝、雨水花園等一系列海綿設(shè)施綜合布置，利用凈化后的雨水回補(bǔ)地下水，或者進(jìn)入地下管道，最終回收用于植物澆灌、沖廁、市政用水等，形成水資源高效利用網(wǎng)絡(luò)，使煤礦廢棄地水體景觀不僅有極高的生態(tài)價值，還兼具市政基礎(chǔ)設(shè)施功能，成為場地的一個用水來源[5]。

表1 不同類型的海綿設(shè)施Table 1 Different types of sponge facilities

圖2 海綿設(shè)施的綜合布局Fig.2 Comprehensive arrangement of sponge facilities

3.1.2優(yōu)化場地總平面布局，設(shè)計排水方案

王平煤礦廢棄地內(nèi)的地面塌陷和廢棄物堆積現(xiàn)狀，不利于雨水的收集和利用。合理的場地總平面布局不僅能促進(jìn)場地內(nèi)水循環(huán)的形成，減少水資源的污染和浪費(fèi)，還能大大減少輸送管線長度和管徑，從而節(jié)省材料[7]。一般的排水方案從場地規(guī)劃入手，結(jié)合建筑布局、地形、周邊用地現(xiàn)狀和功能等因素合理進(jìn)行設(shè)計，主要受到不同類型建筑布局的影響(表2)。獨(dú)棟建筑宜根據(jù)地形將單體建筑和周邊硬質(zhì)鋪裝的雨水匯集到附近的雨水滯蓄凈化設(shè)施中；行列式布局應(yīng)設(shè)計串聯(lián)每棟建筑的匯水路線，并統(tǒng)一匯集到雨水貯存設(shè)施中，后經(jīng)過濾凈化處理以便回用；周邊式布局可選擇利用周邊建筑圍合中央綠地，相對集中布置雨洪管理設(shè)施，實(shí)現(xiàn)水體景觀功能多樣化；混合式布局可將建筑分組，形成若干排水子系統(tǒng)，采用源頭分散處理的方式，減少管理成本[8]。

表2 不同總平面的布局形式比較Table 2 Comparisions of different layout plans

王平煤礦廢棄的生產(chǎn)廠區(qū)內(nèi)建筑布局混亂，應(yīng)分區(qū)分類的進(jìn)行老舊建筑的拆除、改造和更新，優(yōu)化場地平面布局，并結(jié)合地勢高差，設(shè)計場地排水方案(圖3)。對保留的員工宿舍進(jìn)行部分改造，使之成為具有工業(yè)特色的度假酒店。由于這部分建筑呈行列式排布，宜采用線性雨水管網(wǎng)布置，串聯(lián)每棟宿舍的雨水徑流并匯集到滯蓄凈化設(shè)施中，經(jīng)凈化后排入儲水設(shè)施以便回用。此外，保留場地內(nèi)大量煤炭生產(chǎn)和運(yùn)輸設(shè)備，打造成特色煤礦文化展示區(qū)。由于這部分建筑雜亂密集，呈混合式布局，宜采用源頭分散處理的方式，將場地內(nèi)相鄰的煤炭生產(chǎn)建筑和運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行分組，布置排水子系統(tǒng)，最后集中匯聚到雨水處理設(shè)施中，便于統(tǒng)一管理。

圖3 場地核心區(qū)雨水管網(wǎng)布置Fig.3 The layout of rainwater pipe networks in the core area of the site

3.1.3加強(qiáng)雨水豎向設(shè)計，組織地表徑流

對于地形復(fù)雜的礦區(qū)來說，地表徑流方向在很大程度上受豎向地形的影響。如地勢平坦的區(qū)域地表徑流緩慢，導(dǎo)致雨水較難排出，易產(chǎn)生地表積水；而地勢起伏較大的區(qū)域徑流量大、流向單一，難以管控，易對地表造成較大沖擊。王平煤礦廢棄的生產(chǎn)廠區(qū)總體地勢由西南向東北逐漸降低，東北方向分布有商業(yè)區(qū)和一處養(yǎng)老院，為避免雨洪災(zāi)害影響人們?nèi)粘Ｉ?，?yīng)因地制宜對場地進(jìn)行豎向設(shè)計(圖4)。根據(jù)場地現(xiàn)有地形條件，通過局部微地形的改造實(shí)現(xiàn)對地表徑流的管控。對于部分塌陷區(qū)域地勢較低，應(yīng)注重地形條件的利用，結(jié)合塌陷區(qū)營造多級匯水點(diǎn)，設(shè)計雨水花園等若干小型水體景觀，確保水流分散流向不同區(qū)域，避免雨水匯集；對于地勢平緩的區(qū)域應(yīng)營造緩坡、臺地等形式，并結(jié)合排水泵、加壓泵等設(shè)施，加速地表徑流，使雨水較快排出；對于地勢變化較大區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)有景觀要素設(shè)計分級階梯、圍擋、礫石墻等設(shè)施[9]，減緩或阻擋地表徑流。

圖4 場地雨水處理的豎向設(shè)計Fig.4 Vertical design of rainwater treatment in sites

3.2 建筑綠色改造，實(shí)現(xiàn)雨水回用

王平煤礦廢棄生產(chǎn)廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)遺留了采煤生產(chǎn)中心、選煤樓、宿舍樓等若干廢棄建筑，應(yīng)對其進(jìn)行合理改造，以適應(yīng)場地內(nèi)水循環(huán)管理。屋頂和外墻作為建筑的重要單體要素，加以改造可成為有效的綠色水循環(huán)設(shè)施。建筑屋頂是地表徑流的源頭，作為長期暴露在室外的建筑結(jié)構(gòu)，雨天屋頂上極易產(chǎn)生積水，而屋頂綠化能夠滯留60%～100%的雨水，對于充分收集雨水，減少表面徑流效果顯著。對于有條件的平屋頂建筑，可在屋頂依次鋪設(shè)防水層、排水層、種植層等(圖5)，通過屋頂?shù)臏?、滲透、過濾凈化、調(diào)蓄等作用，從源頭控制雨水進(jìn)入場地，使雨水與建筑接觸時或接觸前進(jìn)行控制管理，并在一定程度上過濾凈化其中的污染物。同時，采用綠色屋頂?shù)氖侄胃脑斓V區(qū)建筑，可使其延續(xù)礦區(qū)文脈的同時又能夠與周圍環(huán)境融為一體，大大提升景觀美感。

圖5 屋頂綠化示意Fig.5 A schematic diagram of roof greening

墻體綠化是對屋頂綠化的補(bǔ)充，它占地面積小，綠化面積隨著建筑高度的升高而增大，可利用的空間充足，對于調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候，恢復(fù)礦業(yè)廢棄地景觀環(huán)境有重要作用。墻體綠化可分為藤蔓式、鋪貼式、模塊式[7]，其中模塊式墻體綠化應(yīng)用范圍最廣。利用模塊化構(gòu)件種植植物，并在模塊中布置雨水回收利用設(shè)備，將其固定在墻面上，美化景觀的同時也實(shí)現(xiàn)對雨水重復(fù)利用。模塊式墻體綠化持久性好、便于拆卸，在當(dāng)下建筑綠色改造中的具有很大的發(fā)展?jié)摿?圖6)。

a—模塊式墻體綠化；b—詳細(xì)構(gòu)造。圖6 模塊式墻體綠化及其構(gòu)造Fig.6 Modular wall greening

3.3 提高水源涵養(yǎng)，恢復(fù)生態(tài)景觀

3.3.1進(jìn)行邊坡修復(fù)，避免雨洪災(zāi)害

邊坡穩(wěn)定是生態(tài)環(huán)境治理與恢復(fù)的基礎(chǔ)，是保持王平煤礦生態(tài)穩(wěn)定的重要組成部分。通過對礦區(qū)邊坡的修復(fù)與治理，可以提高土壤保水性，恢復(fù)植被生長，減少雨水沖刷造成的水土流失，避免滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。進(jìn)行邊坡修復(fù)首先應(yīng)注重邊坡的清理，即固定邊坡。煤礦的開采造成邊坡表層巖體的裸露和破壞，邊坡穩(wěn)定性受到威脅，這就需要對巖體進(jìn)行加固處理?？梢酝ㄟ^布置坡面掛網(wǎng)，降低邊坡崩塌、滑石等各類安全隱患，確保邊坡結(jié)構(gòu)的基本穩(wěn)定，達(dá)到后期邊坡綠化的基本要求，保障人員的生命財產(chǎn)安全。前期固坡工作完成后應(yīng)繼續(xù)將邊坡裸露的地貌形態(tài)覆土復(fù)綠，即邊坡綠化。利用植被、植物混凝土等材料和技術(shù)對裸露的邊坡進(jìn)行覆蓋，一方面能夠美化景觀，起到修復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的作用；另一方面還能保持水土，提高抗沖蝕能力，避免雨季地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。同時，要根據(jù)邊坡的形狀設(shè)置邊溝、截水溝和擋土墻等配套措施，防止雨水沖刷對邊坡造成影響(圖7)。

圖7 邊坡保護(hù)措施Fig.7 Protection measures of slope

3.3.2進(jìn)行土壤改良，防止水土流失

土壤是植被賴以生存的基礎(chǔ)，是涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)的關(guān)鍵要素。王平煤礦土壤存在營養(yǎng)元素低、保水能力差、有機(jī)質(zhì)較少和重金屬污染等問題，pH值偏低呈酸性。加上植被稀疏，生態(tài)破敗，極大地削弱了自然生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能，加劇了水土流失等災(zāi)害的發(fā)生；因此要進(jìn)行土壤改良，恢復(fù)植被生長。土壤改良的關(guān)鍵是改變土壤的性質(zhì)和理化條件，最直接的方法是土壤置換，將礦區(qū)被污染的土壤置換為適宜植被種植的新土，物理改良土壤質(zhì)量，確保植被正常生長。還可利用施肥法，在污染土壤中摻入20%雞糞，利用動物糞便中豐富的氮、磷等營養(yǎng)元素，調(diào)節(jié)土壤pH值；或?qū)⑼寥琅c適量堿性工業(yè)廢渣和粉煤灰混合，酸堿中和，提高土壤保肥保水能力。

此外，在土壤改良的過程中也可引入一些有益的動物和微生物，豐富生物多樣性的同時改善土壤環(huán)境。將蚯蚓、線蟲應(yīng)用于煤礦廢棄地土壤的恢復(fù)中，不僅能分解土壤中有機(jī)物，提高其養(yǎng)分循環(huán)速度，同時還可以富集土壤中的重金屬，從而實(shí)現(xiàn)煤礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)與景觀重建的目標(biāo)。土壤中的微生物可以吸收銅、鉻等污染物質(zhì)，通過引入一些抗污染型微生物，能夠有效改善礦區(qū)土壤環(huán)境，恢復(fù)植被生長環(huán)境。

3.3.3進(jìn)行植物遴選和種植，恢復(fù)植被生長

植物種類的選取對增加礦區(qū)植物覆蓋率、提高場地水源涵養(yǎng)功能十分重要。針對王平煤礦自身特性，植物遴選與種植應(yīng)遵循以下原則：1)選擇重金屬富集植物以及固氮植物。例如利用夏至草可以很好地富集土壤中的重金屬元素，修復(fù)污染土壤。通過種植紫穗槐、皂角樹、大豆等固氮植物來提高土壤的綜合肥力，改善土壤理化性質(zhì)。2)選擇生長快、抗逆性好、存活率高的植物。草本豆科植物不但有固氮功能，且更易存活，適宜種植在煤礦廢棄地環(huán)境中。3)選擇特色本土植物。植物品種的選擇是一項重要工作，應(yīng)考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤情況等各類因素，選擇適宜本地生長的植物。王平煤礦本土植物蒲公英、早熟禾、蒼耳等均為理想的植物種類[10]。4)遵循植物的生長時序，合理種植。由于場地惡劣的生態(tài)條件，植被需要多年的演替才能形成良好的景觀風(fēng)貌，要從地被植物開始種植，遵循“草本—灌木—喬木”的配置原則，最終實(shí)現(xiàn)場地景觀多樣性。

4 結(jié)束語

營造健康的水生態(tài)是煤礦廢棄地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的關(guān)鍵，是解決現(xiàn)有“水問題”的前提。通過梳理場地布局，合理組織地表徑流，進(jìn)行建筑綠色改造和場地生態(tài)修復(fù)等措施，力求實(shí)現(xiàn)王平煤礦廢棄地的水資源自然存貯凈化，消除場地生態(tài)危機(jī)和安全隱患，為推動煤礦廢棄地的生態(tài)恢復(fù)與景觀重建，實(shí)現(xiàn)廢棄礦區(qū)的順利轉(zhuǎn)型，提供一種可行性強(qiáng)的治理模式。