近郊采煤沉陷積水區(qū)人工濕地構(gòu)建技術(shù)
——以唐山南湖濕地建設(shè)為例

魯葉江 李樹志

(1.中國煤炭科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

近郊采煤沉陷積水區(qū)人工濕地構(gòu)建技術(shù)
——以唐山南湖濕地建設(shè)為例

魯葉江1，2李樹志1，2

(1.中國煤炭科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

為了近郊采煤沉陷積水區(qū)生態(tài)治理問題，在綜合分析近郊采煤沉陷破壞特點(diǎn)和城市發(fā)展需求的基礎(chǔ)上，以唐山南湖人工濕地建設(shè)為例，對近郊采煤沉陷積水區(qū)人工濕地構(gòu)建過程中的水域不穩(wěn)定、水源不足、水體污染等問題進(jìn)行了研究，通過擴(kuò)湖形成了穩(wěn)定水域面積；通過水平衡分析為人工濕地建設(shè)提供了可靠的水源保障；通過采取排污口封堵、固廢造景綠化和濕地內(nèi)部水循環(huán)模式建立等技術(shù)措施提高了濕地水維系能力，使唐山市南部采煤沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了根本改善。研究成果為類似近郊采煤沉陷區(qū)的生態(tài)治理提供了借鑒。

唐山南湖濕地 采煤沉陷積水區(qū) 高潛水位 水維系

煤炭是我國主要能源，東部地區(qū)是我國傳統(tǒng)的煤炭產(chǎn)區(qū)，為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出過突出貢獻(xiàn)。東部地區(qū)地勢平坦，屬中高潛水位地區(qū)，人口密集，煤炭井工開采引發(fā)地表大面積沉陷積水，導(dǎo)致開采區(qū)土地資源和生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞[1-2]，給礦區(qū)群眾的生產(chǎn)、生活及社會穩(wěn)定帶來了極大困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國東部采煤沉陷累計(jì)損毀土地47余萬hm2，每年還以3萬hm2的速度遞增，煤礦區(qū)面臨著巨大的生態(tài)環(huán)境治理壓力。

因煤炭開發(fā)形成城市是東部煤礦區(qū)城市發(fā)展的一個(gè)重要組成部分，因此，很多采煤沉陷區(qū)緊鄰城市，隨著現(xiàn)代城市發(fā)展步伐的加快，采煤沉陷區(qū)反過來嚴(yán)重制約著煤炭資源型城市的拓展空間和投資環(huán)境，成為城市持續(xù)發(fā)展的重要阻力[3]。采煤沉陷積水區(qū)靠近城市區(qū)域，是城市化發(fā)展?jié)撛谝?guī)劃區(qū)，采取傳統(tǒng)的耕地復(fù)墾治理方法又缺乏足夠的充填物料，近郊采煤沉陷積水區(qū)進(jìn)行耕地復(fù)墾缺乏現(xiàn)實(shí)可行性和必要性。在生態(tài)領(lǐng)域，采煤沉陷積水區(qū)屬于濕地的一種類型，濕地是一種獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，具有調(diào)節(jié)氣候、美化環(huán)境、生物多樣性保護(hù)等多種功能，且具有潛在的城市服務(wù)功能。近年來，城市生態(tài)文明建設(shè)一直是國家關(guān)注熱點(diǎn)，也是城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，因此，近郊采煤沉陷積水區(qū)進(jìn)行人工濕地建設(shè)是煤炭型城市生態(tài)治理的優(yōu)先選擇之一。

唐山市是東部煤炭型城市的典型代表[4]，全唐山市因煤礦開采造成沉陷地累計(jì)面積達(dá)2萬多hm2，位于市中心城區(qū)南部采煤沉陷區(qū)總面積達(dá)3 000 hm2，其中最大季節(jié)性積水和常年積水面積700 hm2。經(jīng)過長期采煤沉陷，地表高低不平，水洼遍布，不僅浪費(fèi)了大量土地資源，而且嚴(yán)重破壞了城市生態(tài)環(huán)境，制約了城市可持續(xù)發(fā)展[5]。為把唐山建成科學(xué)發(fā)展示范區(qū)、人民群眾的幸福之都，唐山市從2007年起開展了采煤沉陷積水區(qū)人工濕地生態(tài)治理工作。水是人工濕地建設(shè)的核心內(nèi)容，是維持濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的第一要素，本研究以唐山南湖人工濕地建設(shè)為例，對濕地建設(shè)過程中的水域構(gòu)建和水維系問題和治理措施進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究，以期對類似資源型城市的采煤沉陷區(qū)生態(tài)治理具有一定借鑒意義。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

1.1 采煤沉陷區(qū)自然地貌

唐山市位于河北省東北部，屬于冀東平原腹部，地勢平坦。唐山南湖采煤沉陷區(qū)位于唐山市主城區(qū)的南部約2 km處，屬于開灤集團(tuán)唐山礦開采沉陷范圍，區(qū)內(nèi)局部地勢北高南低、東高西低，地面高程5～13 m，地面自然坡度一般在3‰以下，地勢平緩，地下水埋深較淺，地表潛水埋深6～16 m不等，是典型的東部高潛水位地區(qū)。

唐山市境內(nèi)河流主要在灤河與薊運(yùn)河2個(gè)較大水系之間，由北向南縱貫全境，主要河流有青龍河、陡河、沙河等10多條，其中以陡河為流經(jīng)本地區(qū)的最長河流，陡河水庫就座落在礦區(qū)的東北部，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水的主要水源地。這些地表水系中與項(xiàng)目區(qū)密切相關(guān)的有陡河、青龍河，陡河從項(xiàng)目區(qū)東側(cè)自北向南流過，據(jù)項(xiàng)目區(qū)距離3～5 km。青龍河從項(xiàng)目區(qū)西側(cè)自北向南穿過沉陷區(qū)(圖1)。

1.2 采煤沉陷破壞特點(diǎn)

項(xiàng)目區(qū)位于唐山礦采空區(qū)范圍內(nèi)，唐山礦于1881年投入生產(chǎn)，至今有130多年的開采歷史，主要開采5、8、9、12-1和12-2共5個(gè)煤層，各煤層厚度0.9～7.2 m不等，煤層采深110～700 m不一。由于長期的地下采煤活動，地表發(fā)生大面積沉陷，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)微地形地貌發(fā)生根本改變，采煤沉陷產(chǎn)生的地表附加坡度改變了原有農(nóng)田灌溉渠系，農(nóng)業(yè)灌溉困難；雨季自然降水在地表易形成地表徑流，損壞肥沃的耕作層土壤，造成土壤養(yǎng)分流失，土壤質(zhì)地變差，土地退化，農(nóng)作物減產(chǎn)；沉陷較大區(qū)域形成季節(jié)性或常年積水區(qū)，積水區(qū)的存在會根本改變原土地利用功能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，百年來，唐山礦開采范圍內(nèi)總計(jì)近2 000 hm2耕地遭受破壞。土地資源破壞呈現(xiàn)多次重復(fù)塌陷、塌陷時(shí)間跨度大、難以治理的特點(diǎn)。

圖1 人工濕地項(xiàng)目區(qū)范圍

由于開灤唐山礦屬多煤層開采，開采強(qiáng)度大，累積總開采厚度接近14 m，經(jīng)過上百年連續(xù)不間斷開采，地表發(fā)生了大幅下沉，最大累積下沉達(dá)12 m，當(dāng)沉陷深度大于潛水埋深時(shí)，導(dǎo)致潛水出露形成地表積水現(xiàn)象。截止到2005年，唐山礦開采范圍內(nèi)形成沉陷積水坑多達(dá)49處，面積0.33～24.91 hm2不等，其中較大的沉陷積水坑有6個(gè)(圖1)，最大積水深度達(dá)7.1 m，平均積水深度為1.2 m，常年積水面積303.03 hm2。沉陷積水坑相對封閉，水質(zhì)惡化，導(dǎo)致蚊、蠅等有害生物大量滋生，破壞了項(xiàng)目區(qū)原生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。開采沉陷的出現(xiàn)也深刻改變了原地表水文條件：一方面阻斷了青龍河水系，青龍河水流由向南流動改變?yōu)橄虺料菘訁R集；另一方面，沉陷坑也改變了項(xiàng)目區(qū)的地表徑流方向，地表徑流由沉陷前的順地表地勢由西北向東南流動，變?yōu)榈乇韽搅飨虺料菘訁R流。從以上分析可以看出，采煤地表沉陷改變了原有的生態(tài)水循環(huán)格局，隔斷了原有地表水系，沉陷積水坑的存在破壞了地表水流動更新過程，限制了沉陷次生濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。

1.3 采煤沉陷區(qū)污染物排放及環(huán)境影響分析

采煤沉陷區(qū)大范圍的采煤沉陷、積水使原本肥沃的土地廢棄、荒蕪，變成堆放垃圾、工業(yè)廢棄物的垃圾場，在唐山礦開采沉陷區(qū)內(nèi)形成了2個(gè)較大的垃圾排放場堆積生活垃圾和建筑垃圾800萬m3，133 hm2土地變成了電廠粉煤灰的排灰場，堆積粉煤灰800萬m3，煤礦生產(chǎn)所產(chǎn)生的矸石、尾礦等固體廢棄物占地6 hm2多，堆積煤矸石400萬m3，大量的煤矸石露天堆放，其中的有害成分和化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入大氣、土壤、地表、地下水造成生態(tài)環(huán)境污染[6]。垃圾堆放、發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷等有害氣體，使空氣質(zhì)量惡化，粉煤灰和煤矸石造成大量的大氣揚(yáng)塵，使本已非常脆弱的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，破壞了礦區(qū)生態(tài)和諧。

2 采煤沉陷區(qū)人工濕地構(gòu)建

2.1 人工濕地水域構(gòu)建

唐山礦開采沉陷次生濕地水域比例低，單個(gè)水域面積小、分散封閉，平均水深淺、變化大，水體難以維系、易污染。為了使沉陷積水區(qū)實(shí)現(xiàn)基本的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能和城市服務(wù)功能，根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃要求和人工濕地生態(tài)需水要求，有必要對采煤沉陷積水區(qū)進(jìn)行水域改造，擴(kuò)大穩(wěn)定水域面積。根據(jù)沉陷積水現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)不同的濕地水深，滿足多樣的濕地生物生長需求。在唐山南湖濕地建設(shè)過程中，對積水坑相對集中的6號坑和8-10號坑進(jìn)行了擴(kuò)湖和修整，擴(kuò)湖后原來分散的積水坑相對集中，沉陷積水坑數(shù)由49個(gè)降低到5個(gè)大的濕地水域，水域面積從303.03 hm2增加到467.78 hm2，新增水域面積164.75 hm2，為濕地功能穩(wěn)定提供了基礎(chǔ)(表1)。擴(kuò)湖后的濕地水域也為唐山市創(chuàng)造了一個(gè)城市濱水生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了防洪排澇安全、水資源高效配置、水生態(tài)自然健康、水景觀秀美宜人的目標(biāo)。

表1 擴(kuò)湖前后水域面積變化

2.2 濕地建設(shè)區(qū)水資源平衡分析

人工濕地建設(shè)需要相對穩(wěn)定的水資源量。根據(jù)收集資料和規(guī)劃資料分析，大南湖濕地可供水源主要有西郊污水處理廠中水、礦井排水、陡河引水和大氣降水，水源損失主要為大氣蒸發(fā)、地下徑流滲漏損失等。

(1)西郊污水處理廠中水。處理廠中水主要通過青龍河輸入人工濕地，青龍河為季節(jié)性河流，自然徑流量很小，青龍河向南流經(jīng)擴(kuò)湖區(qū)域的8號坑，目前主要承擔(dān)西郊污水處理廠中水外排，所以青龍河是南湖的補(bǔ)排水道。目前，西郊污水處理廠日處理污水8萬m3，年處理污水可達(dá)2 920萬m3，這些處理中水是大南湖次生濕地重要的補(bǔ)給水源。

(2)礦井排水。唐山礦排水口位于6號坑?xùn)|北側(cè)的唐山礦風(fēng)井處，根據(jù)唐山礦排水量監(jiān)測，唐山礦全礦井涌水量多年來一直穩(wěn)定在3萬m3/d左右。唐山礦礦井排水除了工業(yè)用水、生活用水外，其他處理中水就近排入6號坑濕地水域，日排入量可達(dá)7 000 m3，預(yù)計(jì)年排水量為255.5萬m3。

(3)大氣降水和蒸發(fā)。唐山地區(qū)多年平均降雨量為610 mm、蒸發(fā)量為1 796 mm。根據(jù)擴(kuò)湖后項(xiàng)目區(qū)水域面積監(jiān)測數(shù)據(jù)(表1)，南湖人工濕地水域面積為467.78 hm2，每年通過降水補(bǔ)給濕地水量為285.34萬m3，而通過蒸發(fā)濕地?fù)p失水量為840.13萬m3。

(4)地下徑流滲漏。未動工程的沉陷積水區(qū)水底有厚40～50 m的沖積層隔水層，由黏土、砂質(zhì)黏土組成，隔水性能好，對積水下滲起到阻礙作用[7]，而擴(kuò)湖區(qū)域的工程施工則會破壞原有相對隔水層，因此，人工濕地水體徑流滲漏損失主要考慮擴(kuò)湖區(qū)的下滲損失水量。根據(jù)擴(kuò)湖區(qū)域工勘孔觀測試驗(yàn)結(jié)果，擴(kuò)湖區(qū)域附近表土層中黏粒含量(顆粒直徑<0.005 mm)占2%～8.7%，平均含黏量約為5%；極細(xì)砂和粉土含量(顆粒直徑為0.005～0.075 mm)占70%～90%。擴(kuò)湖區(qū)域湖底按原狀或碾壓粉土考慮，結(jié)合國內(nèi)“三下”采煤經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式粉土條件下的滲透系數(shù)取0.011 m/d，擴(kuò)湖區(qū)域主要為6號和8-10號濕地區(qū)域，面積合計(jì)3 914 893 m2，則擴(kuò)湖區(qū)水域滲漏量為每年3 914 893 m2×0.011 m/d×365 d=1 571.83萬m3。

(5)陡河引水?？紤]到未來采煤沉陷會導(dǎo)致濕地水域面積不斷擴(kuò)大，人工濕地對水資源需求也會逐步增加，或者遭遇極端干旱氣候時(shí)，項(xiàng)目區(qū)西側(cè)陡河水作為人工濕地必要備用水源，暫不列入水平衡分析中。

從水平衡分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)中可以看出，南湖人工濕地水源補(bǔ)給量每年可達(dá)3 460.84萬m3，而每年損失量為2 411.96萬m3，供給量大于損失量，為人工濕地建設(shè)提供了可靠水源保障。

表2 水平衡分析結(jié)果

2.3 人工濕地水維系

一個(gè)健康的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，必須保持健康的水環(huán)境水平，從以下3個(gè)方面采取治理措施增強(qiáng)人工濕地水維系能力。

(1)水體污染源治理。唐山礦采煤沉陷區(qū)受重復(fù)采動影響，且靠近中心城區(qū)，水體污染呈垃圾山、矸石粉煤灰堆場、工業(yè)廢水、生活污水等點(diǎn)源、面源相結(jié)合的特點(diǎn)，污染成分來源復(fù)雜。針對這些污染源，采取的針對性治理措施主要有：①對青龍河沿線排污口進(jìn)行封閉，污水統(tǒng)一收集進(jìn)入西郊污水處理廠處理達(dá)標(biāo)后通過青龍河排入濕地；②在濕地水域設(shè)置兼具凈化和觀賞功能的蘆葦、美人蕉、荷花等景觀水生植被區(qū)，提高水體凈化能力；③在濕地水域周圍邊坡進(jìn)行植被護(hù)岸減少水土流失，降低營養(yǎng)物質(zhì)輸入濕地；④對項(xiàng)目區(qū)內(nèi)6號坑濕地水域西南側(cè)的垃圾山、2號坑濕地和6號坑濕地之間的矸石山和粉煤灰場地通過堆山造景、封閉覆蓋和植被綠化處理。通過以上治理措施，項(xiàng)目區(qū)污染源基本得以清除。

(2)水系連通。根據(jù)水平衡分析結(jié)果，除了降雨外，人工濕地可利用水源有3部分(圖2)，采取的水源溝通措施主要有：青龍河治理措施主要是在原有河道基礎(chǔ)上進(jìn)行清淤、防滲、兩側(cè)綠化植被；唐山礦風(fēng)井排水口位于6號坑濕地水域附近，礦井水通過凈化處理后通過埋管直接排入6號坑濕地水域；陡河引水主要是通過修建的陡河生態(tài)渠引入10號坑濕地區(qū)域，進(jìn)入南湖濕地水域。人工濕地與水源連通使?jié)竦厣鷳B(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和生態(tài)功能正常發(fā)揮得到了水源保證。

圖2 唐山南湖人工濕地水源補(bǔ)給示意

(3)水循環(huán)模式建立。唐山南湖人工濕地由5個(gè)相對獨(dú)立的濕地水域構(gòu)成，各濕地水域通過節(jié)制閘、水泵等水利設(shè)施構(gòu)成為一個(gè)整體。根據(jù)濕地生態(tài)功能維持和防洪需要，在各濕地水域間采取2種水循環(huán)模式：①汛期水循環(huán)模式(圖3)，在7—9月的雨季，為減輕濕地防洪壓力，陡河引水渠關(guān)閉，水體流動路徑為2號坑濕地水域多余水量流入青龍河，進(jìn)入8號坑濕地水域，從濕地南部出水口排出；②非汛期水循環(huán)模式(圖4)，在冬秋等非汛期，關(guān)閉南部出水口閘門，8-10號坑濕地水域通過泵站進(jìn)入6號坑濕地水域、再進(jìn)入2號坑濕地水域，然后通過青龍河回流8-10號坑濕地水域，形成一次水循環(huán)過程。通過采取上述措施，基本消除了濕地水體污染源、保障了濕地水源穩(wěn)定性、增強(qiáng)了水體流動性，提高了濕地水體自凈能力。

圖3 汛期自然水循環(huán)模式

圖4 非汛期人工提水水循環(huán)模式

3 結(jié) 語

東部平原高潛水位采煤沉陷區(qū)，水土資源豐富，又緊鄰城市區(qū)域，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，生態(tài)環(huán)境治理需求大，而近郊采煤沉陷區(qū)因其具有的獨(dú)特地理位置，開展人工濕地景觀建設(shè)具有先天的自然條件和良好的社會經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。唐山礦采煤沉陷區(qū)是典型的東部平原高潛水位采煤沉陷區(qū)，通過水域構(gòu)建、污染治理、景觀建設(shè)等工程建設(shè)形成的唐山南湖人工濕地面積達(dá)9.5 km2，人工濕地建設(shè)徹底改變了沉陷區(qū)土地沉陷、積水、生態(tài)荒蕪的狀況，形成了改善唐山區(qū)域氣候和生態(tài)環(huán)境的“綠肺”，2010年4月榮獲國家4A級景區(qū)，每年接待國內(nèi)外游客可達(dá)300余萬人次。此外，人工濕地建設(shè)對改善唐山市居民的宜居性，提高城鎮(zhèn)居民的生活質(zhì)量水平、提升唐山市的城市形象和投資環(huán)境等方面均具有重要貢獻(xiàn)，為類似資源型城市的沉陷積水區(qū)生態(tài)治理提供了示范和可借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Constructed Wetlands Technologies in Suburb Mining Subsidence Seeper Area：A Case Study in South Lake of Tangshan

Lu Yejiang1,2Li Shuzhi1,2

(1.TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Tangshan063012,China；2.Tiandi(Tangshan)MiningTechnologyCo.，Ltd.，Tangshan063012，China)

In order to solve problems of ecological treatment in suburb mining subsidence seeper area，the characteristics of suburb mining subsidence damage and the requirement for city development are comprehensively analyzed.Taking construction of Tangshan Nanhu artificial wetland as a case，some issues including unstable water areas，lack of water resource and water pollution during the construction processes of artificial wetland are solved，and lake is enlarged to form stable wetland area.Water balance analysis indicates that the construction of artificial wetland provides reliable water resources.The water holding ability can be improved by adopt such technical measures as plugging the sewage draining，landscape greening on wastes，internal water cycling models in wetland.So，ecological environment in south mining subsidence area of Tangshan is profoundly improved.The research results provide a reference for ecological treatment in similar suburb mining subsidence seeper area.

Tangshan Nanhu wetland，Mining subsidence seeper area，High underground water，Water holding ability

2015-02-01

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(編號：2012BAC13B03)，唐山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號：14130212B)。

魯葉江(1977—)，男，副研究員，碩士。

TD88

A

1001-1250(2015)-04-056-05