采煤沉陷區(qū)水資源綜合開發(fā)利用研究

許士國，劉 佳，張樹軍

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

煤炭資源的大規(guī)模開采和利用，給人類帶來巨大的經(jīng)濟效益，同時也給人類的生存環(huán)境帶來一系列的消極影響。大規(guī)模的煤炭開采，常常造成大面積土地沉陷,開采沉陷在破壞地表地貌和地下水系統(tǒng)的同時，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)濟發(fā)展。針對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)耕地的積水問題制約了土地產(chǎn)出。因此，本文擬通過對采煤沉陷區(qū)疏挖整治，擴大蓄水能力，建設(shè)平原湖泊，從雨洪資源利用的角度來解決采煤沉陷區(qū)治理問題，實現(xiàn)土地復(fù)墾、水環(huán)境建設(shè)等綜合治理目標，同時提高地表水資源的開發(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世紀中葉出現(xiàn)了開采沉陷問題，80年代末開始進入開采沉陷研究的熱門時期。1987年，Runkle和Singh等人開始對土地生態(tài)環(huán)境的影響機制與恢復(fù)進行研究。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)對地面產(chǎn)生影響的研究當中，利用GIS對礦區(qū)開采沉陷區(qū)進行預(yù)測和損失估計也成為研究熱點之一。國外對沉陷區(qū)的治理，已經(jīng)取得了良好的社會效益。英國和美國礦業(yè)與環(huán)境委員會將沉陷洼地開發(fā)為林地、草地、農(nóng)地、娛樂場所、野生動物棲息地，德國科隆市西郊在采煤沉陷的地形上造成了一個既有沼澤也有林地的環(huán)境，目前已經(jīng)聚集了野生水鳥和動物。近年來，美國、澳大利亞的一些學(xué)者提出把多種自然環(huán)境因素引進城市地域，城郊建水庫與河湖可以凈化空氣和吸收噪音；城郊建成大面積綠化帶，引來自然界的動物與人類共同生活于城市地域中。

我國對開采沉陷區(qū)的研究相對較晚，近年來，不少學(xué)者從景觀生態(tài)和可持續(xù)生態(tài)環(huán)境管理等方面對采煤沉陷區(qū)進行環(huán)境影響評價，利用多種評價方法如人工神經(jīng)BP網(wǎng)絡(luò)、模糊綜合評價、多層加權(quán)綜合評價等對沉陷區(qū)的環(huán)境進行綜合評價、治理和利用[1-5]。另外，還有許多關(guān)于沉陷預(yù)測方法的研究，如Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]，三維動態(tài)模擬技術(shù)[7]。與國外相比我國的煤礦沉陷區(qū)開發(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)治理問題。

2 沉陷區(qū)治理措施

采煤沉陷區(qū)治理開發(fā)的主要目標是將其作為平原湖泊來引蓄洪水資源。通過對采煤沉陷區(qū)的整治并引入河流雨洪資源，建設(shè)平原湖泊，擴大蓄水能力，提高地表水資源開發(fā)利用率。水庫的調(diào)節(jié)能力是與水庫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)鍵問題。下面主要從工程措施和非工程措施兩個方面對對沉陷區(qū)的生態(tài)治理進行了分析。

2.1 工程措施

2.1.1 擴大沉陷區(qū)庫容

根據(jù)沉陷區(qū)下沉趨勢及周邊地區(qū)未來的農(nóng)業(yè)發(fā)展要求，在現(xiàn)有水庫周邊待沉陷地區(qū)進行簡單的挖深處理以增加庫容，挖出的土，一部分可以堆積在湖中央形成綠地，擴大濕地治理面積，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，可以利用溝渠將其眾多沉陷區(qū)溝通起來，構(gòu)成調(diào)蓄水系統(tǒng)，提高調(diào)節(jié)能力。

修建庫區(qū)堤壩，在汛期通過泵站抽取來水流量到庫區(qū)存蓄起來，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。

2.1.2 構(gòu)建人工濕地

礦區(qū)塌陷嚴重地改變了地貌結(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?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)。這對我國水資源相對短缺而言，無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，收集儲留降雨，并在這些溝河湖泊內(nèi)建立各種類型的構(gòu)造濕地，對區(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。對于一些孤立型深度塌陷地，周邊無過渡地帶，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，特別是沒有足夠的中度塌陷區(qū)構(gòu)建凈化作用強的挺水植被。對于這類塌陷地，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。對于人類活動密集區(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值又具有凈化功能的濕地植物，岸邊帶栽種的濕地植物對地表徑流具有良好的過濾凈化作用，同時也可以營造親水環(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)墾利用問題，又解決了尾水資源化利用問題，因此具有很強的實用性。在中度-輕度塌陷區(qū)常用來建設(shè)污水凈化型構(gòu)造濕地，在長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，可以將附近的污水尾水集中到該區(qū)域，一方面可以對尾水進行深度處理，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)動態(tài)管理信息系統(tǒng)。建立沉陷區(qū)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，河湖水位、水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測及水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，湖泊養(yǎng)殖、植被、生態(tài)動態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)，湖泊供水動態(tài)信息系統(tǒng)，礦井開采量及沉降信息系統(tǒng)，采煤沉陷區(qū)動態(tài)管理決策支持系統(tǒng)等。

2）編制調(diào)度方案，及時引水補缺。研究沉陷區(qū)水資源利用調(diào)度實施計劃，編制來水預(yù)報方案，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)保部門應(yīng)會同相關(guān)地區(qū)各級政府和部門，編制采煤沉陷區(qū)水質(zhì)保護專項規(guī)劃或?qū)嵤┓桨?。確定地表水水質(zhì)管理目標，明確界定治污對象，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)保護區(qū)的水質(zhì)符合供水要求。

3 研究實例

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，長年積水，目前沉陷面積已達3.95km2且仍在不斷增加。沉陷區(qū)分布圖見圖1，該地區(qū)水資源嚴重短缺，多年平均降雨量為850mm。境內(nèi)河流多為雨源型，隨機性明顯，大部分河流在枯水季節(jié)無水可蓄，自凈能力差。沉陷區(qū)無大型蓄水工程，豐水期洪水暴漲，大量洪水資源白白流走。同時，該地區(qū)水資源開發(fā)利用水平不高、效率低下，浪費嚴重，工業(yè)與生活、城市與農(nóng)村爭水矛盾越來越突出，水資源短缺問題成為制約該區(qū)域發(fā)展的瓶頸。基于以上情況，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)達標的周邊地區(qū)的排水，并引入河流水資源，為平原湖泊尋找到水源補給，解決區(qū)域水資源短缺問題。

圖1 沉陷區(qū)空間分布示意圖

3.2 沉陷區(qū)可供水量計算

利用2007年實測的沉陷區(qū)高程點，使用SV300測繪成圖軟件生成三角網(wǎng)格的數(shù)值模型，對沉陷區(qū)現(xiàn)狀蓄水能力進行分析，計算平原湖泊容積為1190萬m3。兩沉陷區(qū)周圍現(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，沉陷庫容分別為846萬m3和1793萬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)面積將擴大到2.63km2和2.52km2，相應(yīng)沉陷區(qū)庫容也將增大至1096萬m3和2353萬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；降水的另一個特點是年際變幅很大，豐水年份降雨量可達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，漲勢猛，而下游退水慢，汛期受洪水頂托倒灌，容易形成極嚴重的洪澇災(zāi)害。根據(jù)澮河臨渙斷面的多年徑流資料，對澮河的水資源結(jié)構(gòu)進行分解，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)險水量和災(zāi)害水量四部分[8]，四類水量多年平均值見表1。

表1 澮河水資源分類統(tǒng)計(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)險水量兩部分組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2×109m3，澮河水資源可利用量是相當可觀的。

3.2.2 可供水量計算

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。從多年平均來看，沉陷區(qū)周邊地下水位年際變化不大，在1～2m之間波動。根據(jù)全年水量分析，沉陷區(qū)水滲漏補給地下水的水量要大于地下水補給沉陷區(qū)水的水量，但補給水量整體較小。根據(jù)降雨資料，對沉陷區(qū)集水量和澮河可引水量進行計算，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%時總需水量為2500萬m3/a，規(guī)劃水平年2020年工業(yè)總需水量為7630萬m3/a?，F(xiàn)狀條件下，一般澮河徑流在偏枯水年、平水年、豐水年可以滿足工業(yè)需水，特枯年份，沉陷區(qū)無法滿足工業(yè)需水。從供需分析可以看出澮河來水的流量過程變化大，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，解決來水不均與相對均勻供水之間的矛盾，提高該系統(tǒng)的供水能力。

對沉陷區(qū)現(xiàn)狀湖泊進行整治，整治的范圍為生態(tài)蓄水位以上的區(qū)域，開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，對沉陷區(qū)內(nèi)22.0m和24.5m高程以上的區(qū)域進行開挖，挖出土方回填至26.0m以上的區(qū)域或小而獨立的沉陷區(qū)。在湖泊周邊建高0.5m的圍堤，并在圍堤周圍建200m寬的生態(tài)隔離帶。整治后沉陷區(qū)可供水量見表3。治理后工業(yè)園區(qū)近期、遠期規(guī)劃供水保證率分別可達到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屬于中度沉陷類型。主要以凈化型濕地建設(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)，到春末雨季到來時，利用房亭河收集儲留流域內(nèi)的降水，保持一定的水位，促進蘆葦?shù)纳L發(fā)育。采用蘆葦濕地對生活污水和工業(yè)污水集中深度處理，對BOD5，SS，VAS去除率可達90%以上；對氯苯、氯酚、農(nóng)藥類、TN、TP去除率達到80%以上；細菌總數(shù)、蠕蟲卵、大腸菌群、沙門氏菌、噬菌體等99%。污水中的無機污染物（重金屬）和有機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，使污水資源化達到漁業(yè)水質(zhì)標準，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)濟效益、社會效益、環(huán)境效益達到最佳的統(tǒng)一。

表3 整治后沉陷區(qū)年可供水量

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