高潛水位采煤沉陷區(qū)人居環(huán)境與生態(tài)重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù):以安徽淮北綠金湖為例

劉 輝，朱曉峻，程 樺，蘇麗娟，戴良軍，鄭劉根，方申柱， 姜春露，張 瓊，孫慶業(yè)，李 玉，李棟衍

(1.安徽大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230601；2.安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實驗室，安徽 合肥 230601；3.安徽大學 數(shù)學科學學院，安徽 合肥 230601；4.安徽建工集團控股有限公司，安徽 合肥 230031；5.安徽省交通航務(wù)工程有限公司，安徽 合肥 230031；6.山東高速集團有限公司，山東 濟南 250000)

長期以來,煤炭在我國一次能源消費中占比高達60%以上,煤炭的高效、安全開采是國民經(jīng)濟健康可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。但煤炭資源開發(fā)與利用帶來一系列生態(tài)環(huán)境問題，同時影響人居環(huán)境，發(fā)展與保護的矛盾在經(jīng)濟高速發(fā)展背景下沖突日益顯著。在當前生態(tài)文明建設(shè)大背景下，煤炭資源“金山銀山”與生態(tài)環(huán)境“綠水青山”的和諧發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)成為研究熱點與焦點[1-3]。如何協(xié)調(diào)資源開發(fā)與持續(xù)利用的關(guān)系,做到既能最大限度地開發(fā)煤炭資源,又能保護人居環(huán)境,促進經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定增長和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán),一直是產(chǎn)煤區(qū)可持續(xù)發(fā)展所要長期奮斗的目標。近幾十年來，隨著我國經(jīng)濟的快速進步，城市迅速擴張，在一些資源型城市面臨著新城建設(shè)與采煤沉陷區(qū)空間交叉等問題，城市中生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞。

我國中東部高潛水位礦區(qū)歷經(jīng)幾十年大力開采，受到地下水滲流和大氣降水的耦合影響，地表形成大量采煤沉陷積水區(qū)，以兩淮礦區(qū)為例，目前已形成沉陷區(qū)面積580余km2，其中積水區(qū)域面積占60%～70%，最大積水深度達20 m以上。沉陷積水災(zāi)害已成為高潛水采煤沉陷區(qū)面臨的首要生態(tài)環(huán)境問題[4]。采煤沉陷區(qū)治理亟須結(jié)合城市發(fā)展規(guī)劃，人居環(huán)境改善和生態(tài)一體化重構(gòu)成為城中采煤沉陷區(qū)治理必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

針對高潛水位礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理，國內(nèi)外學者開展了大量理論與實踐研究，主要集中在：① “源頭減損”。通過改進開采方式來限制地表沉陷，以期達到減小沉陷土地面積、減少地表下沉和積水的目的，如充填開采、協(xié)調(diào)開采、條帶開采、離層注漿充填減沉等。此類方法工藝復(fù)雜、成本較高，推廣應(yīng)用難度大；② “末端治理”。在沉陷區(qū)開展了大量土地復(fù)墾工作，如采用煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物進行充填復(fù)墾，重塑耕地等。此類方法須在地表充分穩(wěn)沉后實施，土地閑置周期長，復(fù)墾率不高，損毀土地修復(fù)效果有限；③ “邊采邊復(fù)”。針對前2者成本高、效率較低、復(fù)墾率不高等缺點，我國學者提出了以提高土地恢復(fù)率、縮短土地撂荒時間和修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)為主要目標的“邊采邊復(fù)”綠色發(fā)展理念，并開展了大量理論與實踐研究，取得了良好的效果[5-7]。

然而，復(fù)墾時機的選取、復(fù)墾邊界的確定、水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)問題仍處于探索階段。在復(fù)墾過程中，由于沉陷積水災(zāi)害的復(fù)雜性，諸如積水邊界持續(xù)演變、復(fù)墾區(qū)再次淹沒、生態(tài)系統(tǒng)連續(xù)受損等問題不斷產(chǎn)生，給高潛水位礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)造成困擾。目前，相關(guān)研究工作仍相對滯后，難以系統(tǒng)解決煤炭資源型城市發(fā)展中的沉陷區(qū)人居環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的科學問題和技術(shù)瓶頸。

基于此，筆者及團隊在分析高潛水位采煤沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境損害現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了人居環(huán)境與生態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)解決方案；開展了沉陷積水區(qū)三維空間預(yù)測、水循環(huán)與水資源調(diào)控、沉陷區(qū)建筑分區(qū)設(shè)計、人居環(huán)境與生態(tài)一體化規(guī)劃等理論研究；研發(fā)了地形分區(qū)改造重構(gòu)、邊采邊復(fù)施工、水土流失控制技術(shù)和基質(zhì)改良、水陸生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)等“邊采邊復(fù)”關(guān)鍵技術(shù)；探索了“開采前預(yù)測規(guī)劃、開采中邊采邊復(fù)、治理后管控運營”的采煤沉陷區(qū)可持續(xù)發(fā)展“三步走”策略，并以綠金湖沉陷區(qū)為例，結(jié)合淮北市重大民生工程，開展了沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)工程實踐，形成了城中采煤沉陷區(qū)人居環(huán)境與生態(tài)一體化治理新模式。

1 高潛水位采煤沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境損害現(xiàn)狀

1.1 高潛水位礦區(qū)地表沉陷及環(huán)境損害特點

地下煤炭被采出后，周圍的巖體失去原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生應(yīng)力集中，上覆巖層的集中應(yīng)力超過強度極限時，巖層產(chǎn)生變形、斷裂和垮落，最終導(dǎo)致整個上覆巖層的移動和變形，在地表形成沉陷盆地，并產(chǎn)生大量地裂縫，在高潛水位地區(qū)，極易連通地下水形成沉陷區(qū)積水。沉陷區(qū)積水主要來自大氣降水、地表徑流及地下水滲流。

從全國煤炭資源的分布來看，我國共有23個省(市區(qū))151個縣(市區(qū))分布有采煤沉陷區(qū)，形成采煤沉陷區(qū)面積20 000 km2，部分資源型城市塌陷面積超過了城市總面積的10%。中東部主要煤炭基地包括兩淮、魯西、徐州、冀中、河南等，由于該區(qū)域普遍具有潛水位高、埋藏深、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，導(dǎo)致沉陷區(qū)地表大量積水，形成特有的采煤沉陷湖泊，生態(tài)系統(tǒng)由陸生演變?yōu)樗退憦?fù)合型，且地表穩(wěn)沉時間長，給礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展帶來重大挑戰(zhàn)[8-10]。

目前高潛水位礦區(qū)環(huán)境損害面臨以下問題[4]：

(1)千里良田被迫荒廢,數(shù)萬農(nóng)民失去土地。據(jù)預(yù)測，至2140年礦山服務(wù)年限結(jié)束時,兩淮礦區(qū)將累計塌陷耕地 17.67×104hm2左右，平均每年減少耕地1 000 hm2，增加失地農(nóng)民約10 000 人。

(2)水旱田在塌陷中交替，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)在漸變中失調(diào)。采煤造成的土地塌陷，輕者地表起伏不平，影響耕種和灌溉，重者則使地表下沉引起塌陷地積水，傳統(tǒng)高產(chǎn)旱作農(nóng)業(yè)退變?yōu)榈彤a(chǎn)乃至絕產(chǎn)水田。

(3)生存空間遭到破壞，陸地生態(tài)環(huán)境退變?yōu)樗鷳B(tài)環(huán)境。隨著采煤量的增加，煤層上覆的圍巖開始下沉變形，高潛水位地區(qū)沉陷區(qū)逐漸積水撂荒，從而形成大面積積水區(qū)域。

(4)地面設(shè)施嚴重受損，村莊搬遷矛盾重重，采煤塌陷造成的工農(nóng)矛盾已在資源重疊中長期矛盾積結(jié)。

1.2 高潛水位城中采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)面臨的關(guān)鍵問題

隨著人們對生存環(huán)境的重視，采煤沉陷區(qū)生態(tài)治理受到了廣泛的關(guān)注，沉陷區(qū)生態(tài)治理技術(shù)的理論研究和實踐也不斷開展。煤炭開采造成的地表下沉是礦區(qū)生態(tài)破壞的直接原因，尤其在高潛水位地區(qū)，煤炭資源開采不僅造成地表下沉，同時受到高潛水位和地表降水的綜合影響，塌陷區(qū)形成大量水域，原有陸生生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生顛覆性變化，轉(zhuǎn)變?yōu)樗鷳B(tài)系統(tǒng)和水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，大量沉陷區(qū)土地撂荒，對生態(tài)環(huán)境造成巨大的破壞。

隨著城市化的擴張，一些采煤沉陷區(qū)位于城市周邊，城市生態(tài)環(huán)境遭到采煤沉陷的破壞。長期以來，采煤沉陷區(qū)治理僅局限于土地復(fù)墾和水土資源利用，鮮有關(guān)注人居環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展[11-16]。由于城中采煤沉陷區(qū)具有新城與采煤沉陷區(qū)空間交叉、土地附加值高、治理周期短以及社會影響大等特點，因此，如何在沉陷區(qū)治理過程中兼顧人居環(huán)境改善成為難點。目前，相關(guān)研究工作仍相對滯后，難以系統(tǒng)解決人居環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展等方面的科學問題和技術(shù)瓶頸，所以，高潛水位城中采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)面臨如下關(guān)鍵問題：

(1)沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)缺乏人居環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的一體化空間規(guī)劃理念指導(dǎo)。常規(guī)土地復(fù)墾通過復(fù)墾技術(shù)減小土地損傷，提高土地利用率，而由于城中采煤沉陷區(qū)的特點，其生態(tài)環(huán)境治理要求更高，需要綜合考慮人居環(huán)境與生態(tài)環(huán)境的結(jié)合，將大量積水和撂荒土地的沉陷區(qū)規(guī)劃成集生態(tài)修復(fù)、資源保護、旅游休閑為一體的城市綜合片區(qū)。

(2)城中采煤沉陷區(qū)環(huán)境改善和土地價值提升面臨技術(shù)瓶頸。常規(guī)采煤沉陷區(qū)穩(wěn)沉時間長，大量土地撂荒周期長，導(dǎo)致治理時間滯后，而城中采煤沉陷區(qū)位于城市周邊，要求治理周期時間短，常規(guī)的土地復(fù)墾技術(shù)難以滿足城中采煤沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境治理需求。“采復(fù)一體化”理念提出：在土地沉陷發(fā)生之前或已發(fā)生，但未穩(wěn)定之前，通過選擇適宜的復(fù)墾時機和科學的復(fù)墾技術(shù)，實現(xiàn)土地復(fù)墾率高、成本低、經(jīng)濟效益、生態(tài)效益最大化[6]。然而，城中采煤沉陷區(qū)不僅考慮土地利用率問題，更多需要研究的是生態(tài)環(huán)境改善以及如何提升土地附加值等問題。

(3)城中采煤沉陷區(qū)新形成的水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值有待提升。高潛水位采煤沉陷區(qū)一方面造成原有陸生生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生顛覆性變化，轉(zhuǎn)變?yōu)樗鷳B(tài)系統(tǒng)和水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，另一方面煤炭開采產(chǎn)生的煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物含有大量氮、磷、銅、鋅、鎘等有害元素，通過地表徑流、土壤滲透、大氣揚塵等途徑遷移擴散，進入沉陷區(qū)，造成環(huán)境二次污染，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失，水體富營養(yǎng)化嚴重。常規(guī)沉陷區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)環(huán)境治理一般采用以下2種方式：一種是通過采用“表土翻出—深部充填—表層覆土”的傳統(tǒng)土地復(fù)墾模式，其缺點在于：成本較高、工藝復(fù)雜、復(fù)墾周期較長，復(fù)墾區(qū)表層土壤板結(jié)、貧瘠及重金屬污染嚴重等；一種是在積水區(qū)進行水生養(yǎng)殖、人工濕地構(gòu)建等模式，其缺點在于生物結(jié)構(gòu)單一，難以形成合理的生物鏈，積水區(qū)的過度養(yǎng)殖造成水體富營養(yǎng)化嚴重，且養(yǎng)殖成本較高，難以形成有效合理的生態(tài)系統(tǒng)。如何針對高潛水位沉陷區(qū)平整地、斜坡地、積水區(qū)進行系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境治理需要進一步研究。

2 高潛水位采煤沉陷區(qū)人居環(huán)境與生態(tài)重構(gòu)解決方案

2.1 研究區(qū)概況

筆者以淮北綠金湖采煤沉陷區(qū)為研究對象，綠金湖采煤沉陷區(qū)位于安徽省淮北市區(qū)中南部，隸屬淮北礦區(qū)，東北部為朱莊煤礦，中南部為楊莊煤礦。所涉及的楊莊煤礦于1966年投產(chǎn)，主采3，5，6煤層，朱莊煤礦1961年投產(chǎn)，主采3，4，5，6煤層，兩礦在該范圍內(nèi)累計39個工作面，平均開采深度為330～500 m，基巖以上覆蓋56.1～86.4 m厚的第四系沖積層，地表無基巖出露，地勢平坦，地面標高+29. 2～+33.2 m，如圖1所示。

由于朱莊、楊莊煤礦多年的采煤活動，已形成較大面積的采空區(qū)，受到多煤層開采的疊加效應(yīng)，造成地表沉陷嚴重。該沉陷區(qū)屬于我國東部典型高潛水地區(qū)，地下潛水埋深1～5 m，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，降雨量豐富，因此，受大氣降水與地下水滲流等多因素的綜合影響，形成了大面積的永久性積水區(qū)和季節(jié)性積水區(qū)，總治理面積達11.5 km2，最大積水深度達5.0 m。同時，隨著新城建設(shè)的不斷推進，綠金湖采煤沉陷區(qū)四周已由城市干道圍合，距離城市中心僅2.8 km。

綠金湖沉陷區(qū)的土地復(fù)墾工作面臨以下重大挑戰(zhàn)：① 如何將沉陷區(qū)治理與城市發(fā)展相結(jié)合，使之成為新城建設(shè)的重要組成部分；② 如何將煤炭資源開采與沉陷區(qū)改造相結(jié)合，在保證資源采出的同時，科學合理的進行土地復(fù)墾，避免再次沉陷和重復(fù)治理；③ 如何將新沉陷土地與老采空區(qū)進行統(tǒng)一規(guī)劃，保證沉陷區(qū)范圍內(nèi)所有水土資源得到合理利用；④ 如何將水土流失控制與水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)相結(jié)合，改善沉陷區(qū)人居環(huán)境，已達到人與自然和諧發(fā)展；⑤ 如何解決沉陷區(qū)短期治理與長期有效利用脫節(jié)問題，探索一條集科學治理與長期運營于一體的沉陷區(qū)可持續(xù)發(fā)展道路。因此，如何根據(jù)城市與采煤沉陷區(qū)空間交叉復(fù)合、土地附加值高的特點，開展科學合理的采復(fù)一體化工作，是該沉陷區(qū)亟待解決的重大技術(shù)難題。

2.2 解決方案

針對上述五大挑戰(zhàn)，筆者及團隊提出了高潛水位城中采煤沉陷區(qū)人居環(huán)境與生態(tài)重構(gòu)技術(shù)方案，如圖2所示。

圖2 高潛水位采煤沉陷區(qū)人居環(huán)境與生態(tài)重構(gòu)技術(shù)方案

具體思路為：① 結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)采礦條件、周邊城市環(huán)境以及水文條件，通過研究沉陷積水區(qū)三維空間預(yù)測、水循環(huán)與水資源調(diào)控、沉陷區(qū)建筑分區(qū)設(shè)計方法，形成基于人居環(huán)境與生態(tài)一體化規(guī)劃理念的技術(shù)方法，為工程施工提供理論依據(jù)；② 根據(jù)地表動態(tài)沉陷規(guī)律，研究沉陷區(qū)地形分區(qū)重構(gòu)方法，結(jié)合水陸復(fù)合地形條件，研發(fā)適合該區(qū)域的疏浚退水、底泥處置及機械操作技術(shù)工藝，形成邊采邊復(fù)施工技術(shù)體系；③ 針對采復(fù)過程中的水土流失、土壤質(zhì)量下降、生態(tài)系統(tǒng)演變等問題，研發(fā)采煤沉陷區(qū)生態(tài)重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合沉陷區(qū)整體規(guī)劃，采用上述關(guān)鍵技術(shù)將綠金湖采煤沉陷區(qū)打造成集資源利用、生態(tài)修復(fù)、旅游休閑于一體的城市中央公園。

3 人居環(huán)境與生態(tài)一體化規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)

3.1 沉陷積水區(qū)三維空間預(yù)測

沉陷積水區(qū)作為研究區(qū)需重點關(guān)注的區(qū)域，沉陷積水的精準預(yù)測是首先要解決的關(guān)鍵問題。筆者采用遙感技術(shù)，通過解譯2012—2017年的Landsat遙感數(shù)據(jù)，提取了五溝煤礦1031工作面(開采時間為2013年10月至2015年3月)上方沉陷積水邊界，研究了采動過程中沉陷積水的時空演化特征，研究發(fā)現(xiàn)：高潛水位采煤沉陷區(qū)積水演化分為未形成期、同步增長期、殘余增長期、相對穩(wěn)定期4個階段。未形成期，受采動影響，地表逐漸下沉，但地表積水區(qū)尚未形成；同步增長期，受大氣降水、蒸發(fā)及地下水補給，地表積水面積隨地下工作面采動范圍擴大逐漸增大；殘余增長期，地下采動結(jié)束，地表仍有殘余沉降，地表積水也呈緩慢增長趨勢；相對穩(wěn)定期，地表沉陷與積水面積趨于穩(wěn)定。積水演化主要受工作面采動、凈降水量、地下水埋深等因素影響，大氣降水、地下水補給分別占比84%,4%，在同步增長和殘余增長期，積水增長量與工作面采動距離、凈降水量呈明顯正相關(guān)，與地下水位埋深呈負相關(guān)[17]，如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵影響因素對沉陷積水演化影響

在此基礎(chǔ)上，利用基于Knothe時間函數(shù)的概率積分法[18-21]對不同時間地表沉陷盆地進行動態(tài)預(yù)計，計算下沉盆地的容積，結(jié)合沉陷區(qū)的降水量、蒸發(fā)量等影響因素，根據(jù)水量平衡原理，建立水量平衡迭代方程(式(1))，計算出不同時刻下沉盆地內(nèi)的積水體積，對沉陷盆地容積與盆地內(nèi)積水體積之間的關(guān)系模型求解。

(1)

(2)

工程應(yīng)用效果表明[22]：該模型預(yù)測的地表積水范圍與遙感圖像實測地表積水范圍演化趨勢基本一致，與實測值相對誤差為9.7%，如圖5所示。

圖5 預(yù)測積水面積與實測積水面積對比

3.2 沉陷區(qū)水循環(huán)與水資源調(diào)控

沉陷區(qū)大量水資源亟須合理開發(fā)與利用，因此，基于平原湖泊水量補給與排泄平衡分析[22]，建立了沉陷區(qū)分布式水循環(huán)MODCYCLE模型，模擬分析并預(yù)測了不同水位和不同降水保證率條件下的平衡水量；在此基礎(chǔ)上，基于模糊優(yōu)化理論，結(jié)合淮水北調(diào)工程規(guī)劃，構(gòu)建了沉陷區(qū)時序多目標系統(tǒng)模糊優(yōu)化決策模型，如圖6所示。工程實踐表明：沉陷區(qū)可提供3 680萬m3調(diào)蓄庫容，成為“引江濟淮”工程重要節(jié)點；區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水中降水和地下水占86%、客水占14%，生活用水中客水和地下水占92%、降水占8%。

圖6 時序多目標系統(tǒng)模糊優(yōu)化決策模型

3.3 沉陷區(qū)建筑分區(qū)設(shè)計

針對城中未穩(wěn)沉采煤沉陷區(qū)的特點，綜合考慮采空區(qū)巖體活化、地表殘余沉降、附加荷載以及飽和與非飽和填土固結(jié)沉降等關(guān)鍵因素對沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性的影響，建立了采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性評價模型，提出了城中未穩(wěn)沉采煤沉陷區(qū)建筑分區(qū)設(shè)計方法。

首先進行采空區(qū)巖體活化評價；然后針對采空區(qū)穩(wěn)定區(qū)，采用概率積分法與土體沉降公式預(yù)計地表沉陷殘余變形值，并計算采空區(qū)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度，以及地面建筑物載荷影響深度，從而對地標建筑物安全性進行評估，如圖7所示。

圖7 沉陷區(qū)建筑分區(qū)設(shè)計方法

根據(jù)淮北綠金湖沉陷區(qū)綜合地表殘余沉降(最大364 mm)、附加載荷、填土固結(jié)沉降(13.9 mm/m)等影響因素，將建筑區(qū)劃分為不受影響建筑區(qū)、殘余沉降影響區(qū)、限制建筑區(qū)、禁止建筑區(qū)4個區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，將不同區(qū)域劃分為住宅生活區(qū)、商業(yè)活動區(qū)、休閑區(qū)，如圖8所示。因地制宜在沉陷區(qū)開展城市道路連通、水系溝通、環(huán)湖道路、綜合管廊建設(shè)與旅游碼頭等基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施建設(shè)，為城中采煤沉陷區(qū)人居環(huán)境與生態(tài)一體化規(guī)劃提供理論依據(jù)。

圖8 綠金湖采煤沉陷區(qū)建筑分區(qū)規(guī)劃

3.4 人居環(huán)境與生態(tài)一體化規(guī)劃

在沉陷區(qū)穩(wěn)定性評價基礎(chǔ)上，針對城市與采煤沉陷區(qū)交叉融合的空間特點，基于“城市景觀核心、文化創(chuàng)意中心、生態(tài)旅游中心”的功能定位，以沉陷積水區(qū)為核心區(qū)，規(guī)劃建設(shè)人居與公共服務(wù)配套和濕地公園休閑兩大功能區(qū)，形成一條跨湖中心軸，配套城市交通和生態(tài)綠道2個交通環(huán)。集成現(xiàn)代商務(wù)、文化會展、情景居住、生態(tài)休閑“四位一體”的特色風貌區(qū)，打造集資源利用、生態(tài)修復(fù)、旅游休閑于一體的城市中央公園，構(gòu)建“一心、兩區(qū)、一軸、兩環(huán)”協(xié)同發(fā)展的空間格局，如圖9所示。

圖9 城中沉陷區(qū)人居環(huán)境與生態(tài)一體化規(guī)劃效果

4 城中采煤沉陷區(qū)“邊采邊復(fù)”關(guān)鍵技術(shù)

4.1 沉陷區(qū)地形分區(qū)改造與重構(gòu)

基于水土資源空間等效置換和資源、生態(tài)效益最大化原則，提出了高潛水位采煤沉陷區(qū)“采前設(shè)計—地形改造—分區(qū)治理”采復(fù)一體化方案：① 開采前，采用概率積分法進行地表沉陷預(yù)計，設(shè)計地表“挖深墊淺”邊界模型；② 地表積水前，構(gòu)建“挖深墊淺”分區(qū)地形改造模型，設(shè)計與計算沉陷盆地內(nèi)挖深墊淺區(qū)域與墊淺區(qū)域的挖填土高程與治理后的最終高程，進行工程施工；③ 地表穩(wěn)沉后，進行平整地、斜坡地和積水區(qū)分區(qū)治理。

在開采沉陷三維空間坐標系及地表沉陷主斷面方向上，以地表下沉邊界(下沉量10 mm)為治理邊界，基于挖填土方量平衡條件，將地表原始地表高程H0(x)減去地表下沉預(yù)計曲線W(x)及治理后的地表高程設(shè)計曲線H2(x)，得到地形重構(gòu)分區(qū)設(shè)計曲線H1(x)，即將治理區(qū)劃分為以最大下沉點為中心、兩側(cè)對稱的中央挖深、邊界墊淺4個特征區(qū)域，如圖10所示。其中，Ⅰ,Ⅱ區(qū)域為“墊淺”區(qū)，Ⅲ,Ⅳ區(qū)域為“挖深”區(qū)；Ⅰ區(qū)域為自下沉邊界(W(x)=0，H1(x)=H0(x))至治理后的地表斜坡上邊界(H2(x)=H0(x))，Ⅱ區(qū)域為自治理后的地表斜坡上邊界至“挖深墊淺”的分界線(H1(x)=0)，Ⅲ區(qū)域為自“挖深墊淺”分界線至治理后的地表斜坡下邊界(W(x)為最大下沉值)，Ⅳ區(qū)域為治理后的地表平底區(qū)域(H2(x)=Wmax(x))。同時，構(gòu)建了地形改造分區(qū)重構(gòu)數(shù)學模型，結(jié)果見表1。工程實踐表明[23]：單一工作面開采的沉陷區(qū)土地閑置時間由14個月縮短至8個月，沉陷邊界范圍內(nèi)100%土地得到有效利用，實現(xiàn)了高潛水位采煤沉陷區(qū)的采復(fù)一體化和無空白化治理。

圖10 地形改造與分區(qū)重構(gòu)模型

表1 沉陷區(qū)地形改造分區(qū)重構(gòu)數(shù)學模型

4.2 邊采邊復(fù)工程施工工藝

為了保證邊采邊復(fù)關(guān)鍵技術(shù)高效環(huán)保的實施，在施工過程中，研發(fā)了環(huán)保疏浚退水及人工濕地尾水處理系統(tǒng)、底泥一體化機械深度干化系統(tǒng)、高填筑圍埝多級裝配式退水系統(tǒng)、模板懸吊支撐體系、大直徑鋼管冷彎制作系統(tǒng)等成套施工關(guān)鍵技術(shù)，如圖11所示。實踐表明：應(yīng)用平潛表面復(fù)合流人工濕地處理環(huán)保疏浚尾水，水體中有機污染物去除效率提高了21%，增加濕地面積的同時改善周圍環(huán)境；將各工作單元有機組成底泥一體化機械深度干化系統(tǒng)，相較自然沉淀的效率提高了3.7倍；采用高填筑圍堰裝配式多級退水井架，避免退水井使用后期底部水土壓力過大，保證高填筑圍埝結(jié)構(gòu)安全，退水效率提高了17%，節(jié)約排泥場面積5 260 m2。

圖11 邊采邊復(fù)施工成套關(guān)鍵技術(shù)

5 采煤沉陷區(qū)生態(tài)重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

5.1 水土流失控制與基質(zhì)改良

針對開采沉陷斜坡地及施工過程中微地形重塑形成的以生土為主的斜坡水土流失嚴重的問題，研發(fā)了以當?shù)赝寥馈⑥r(nóng)作物秸稈和魔芋凝膠混合法植物定植塊(捆)制備技術(shù)，形成了適宜兩淮礦區(qū)土壤改良的“土壤-植物”關(guān)鍵技術(shù)，有效阻控了沉陷斜坡地和生土陡坡的水土流失，如圖12所示。

圖12 陡坡定植塊

種子層按土壤、營養(yǎng)土、稻草、魔芋凝膠、磷礦粉、生石灰適合比例混合，并添加定量固氮溶磷菌液(草螺菌屬)配制。保水層按土壤、稻草、蛭石、植物堆肥、稻殼炭、魔芋凝膠、磷礦粉適合比例混合，并添加定量固氮溶磷菌液(草螺菌屬)配制。種子層表層下0.2～0.5 cm內(nèi)撒播有種子，一起壓成塊狀，形成陡坡定植塊。結(jié)果表明，在35°坡面上該技術(shù)的蓄水效益達到55.3%、保土效益為72.9%、坡面植被蓋度達到90% 以上；表層土壤pH值平均降至7.75，有機質(zhì)含量增加至0.55%～0.74%，平均增加150%，改良土壤中總氮、有效磷、速效鉀等含量均比對照區(qū)增加20%以上[24]。

5.2 水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)

針對“表土翻出—深部充填—表層覆土”傳統(tǒng)土地復(fù)墾模式與積水區(qū)水生養(yǎng)殖、構(gòu)建人工濕地等模式中未考慮沉陷區(qū)邊緣斜坡地利用的問題，基于高潛水位采煤沉陷區(qū)地表分區(qū)重構(gòu)特點，研發(fā)了“平整地建筑-斜坡地水土保持-淺水區(qū)水生植被-深水區(qū)生態(tài)漁業(yè)”分區(qū)治理技術(shù)，如圖13所示。有效解決了沉陷區(qū)平整地、斜坡地、積水區(qū)綜合生態(tài)環(huán)境治理的技術(shù)問題，水土資源利用率達100%。綠金湖工程實踐表明：沉陷區(qū)內(nèi)累計54.69%的土地改造為可利用平整地，31.55% 的土地作為斜坡地進行喬灌草種植區(qū)，13.76% 的積水區(qū)作為養(yǎng)殖區(qū)，有效提高了土地復(fù)墾效率。

圖13 沉陷區(qū)水體修復(fù)與生態(tài)重建

6 城中采煤沉陷區(qū)綜合治理模式探索

面對資源枯竭的壓力和可持續(xù)發(fā)展的迫切要求，淮北市加快高質(zhì)量轉(zhuǎn)型崛起的歷程，主城區(qū)“東擴南移”，全面啟動東部新城建設(shè)、生態(tài)走廊、淮水北調(diào)等重大民生工程，積極打造“中國碳谷·綠金淮北”。綠金湖采煤沉陷區(qū)將沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)與引江濟淮、生態(tài)走廊、綠金城市等重大民生工程相結(jié)合，項目形成了可利用土地27 413畝，為引江濟淮工程提供中轉(zhuǎn)蓄水庫容達3 680萬m3，構(gòu)建了集建筑區(qū)(5 920畝)、綠地廣場(10 531畝)、水域(9 203畝)、道路(1 759畝)四大系統(tǒng)于一體的采煤沉陷區(qū)濕地公園系統(tǒng)，如圖14所示。

圖14 淮北綠金湖城市中央濕地現(xiàn)狀

經(jīng)上述技術(shù)改造與系統(tǒng)施工，綠金湖采煤沉陷區(qū)被打造成淮北西部老城與東部新城的核心銜接帶，成為“淮水北調(diào)”重大民生工程重要節(jié)點，擴大城市發(fā)展空間，提升城市土地利用潛力，形成了城中采煤沉陷區(qū)修復(fù)范式。

我國部分采煤沉陷區(qū)雖然進行了生態(tài)修復(fù)治理[25-26]，改善了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[27-28]，但是缺乏后期的維護[29]、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測[30]，導(dǎo)致治理好的生態(tài)環(huán)境惡化，治理成效大打折扣。針對沉陷區(qū)修復(fù)治理與后期有效利用脫節(jié)的重大難題，綠金湖采煤沉陷區(qū)摸索了社會資本參與生態(tài)保護修復(fù)的新模式，形成了政府主導(dǎo)、社會參與、市場運作、合作共贏的城中采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化模式。采用政府和社會資本合作模式(PPP模式)，充分發(fā)揮政-產(chǎn)-學-研-用合作優(yōu)勢，形成了政府和社會資本共享收益和承擔風險的資本運作模式，累積完成項目融資22億元，有效解決了采煤沉陷區(qū)治理資本投入。

基于“超前規(guī)劃—動態(tài)修復(fù)—長期運營”的3步走戰(zhàn)略，提出了開采前預(yù)測規(guī)劃、開采中邊采邊復(fù)、治理后管控運營的采煤沉陷區(qū)可持續(xù)發(fā)展策略，形成了城中采煤沉陷區(qū)人居環(huán)境與生態(tài)一體化治理新模式，促進了煤炭資源型城市人與自然和諧發(fā)展。綠金湖沉陷區(qū)，實現(xiàn)了從采煤沉陷區(qū)到城市“綠色金湖”的轉(zhuǎn)變。3 a運營結(jié)果表明：水土資源利用率達100%，土地直接收益可達300多億元，可容納人口8萬余人，發(fā)揮了良好的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益，項目成果入選2020年自然資源部《社會資本參與國土空間生態(tài)修復(fù)案例(第一批)》十大案例。

7 結(jié)論及展望

7.1 結(jié) 論

(1)針對我國中東部高潛水位礦區(qū)生態(tài)修復(fù)，提出了沉陷區(qū)積水三維空間預(yù)測方法，構(gòu)建了沉陷區(qū)水土資源空間等效置換模型，為采煤沉陷區(qū)國土空間規(guī)劃及修復(fù)治理奠定了理論基礎(chǔ)。

(2)基于城中采煤沉陷區(qū)人居環(huán)境與生態(tài)一體化規(guī)劃理念，構(gòu)建了城中采煤沉陷區(qū)人與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的空間格局，創(chuàng)新了沉陷區(qū)建筑分區(qū)設(shè)計方法。

(3)構(gòu)建了采煤沉陷區(qū)水資源調(diào)控模型，研發(fā)了邊采邊復(fù)施工、生土陡坡地水土流失控制與土壤改良、生態(tài)重構(gòu)成套關(guān)鍵技術(shù)。

(4)構(gòu)建了市場化運作、科學性修復(fù)、可持續(xù)運營于一體的城中采煤沉陷區(qū)綜合治理新模式，促進了煤炭資源城市人與自然的和諧發(fā)展。

7.2 展 望

(1)高潛水位采煤沉陷區(qū)的精準分區(qū)治理。采煤沉陷區(qū)環(huán)境復(fù)雜多變，單一或一個整體的生態(tài)環(huán)境治理難以滿足不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境治理要求。雖然筆者構(gòu)建了基于開采沉陷預(yù)計和土方量平衡條件的地表分區(qū)重構(gòu)模型，但在采煤沉陷區(qū)穩(wěn)沉之前，精確預(yù)測沉陷區(qū)地表開采變形量、殘余變形量以及積水區(qū)演化成為地表精準分區(qū)改造與重構(gòu)的關(guān)鍵，其涉及到采礦學、巖石力學、礦山測量、土地學等多學科交叉。沉陷區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)采礦環(huán)境和水文氣候條件導(dǎo)致地表沉陷的精確預(yù)計難度較大。同時，針對不同分區(qū)、不同受破壞的對象，精準制定不同的生態(tài)環(huán)境修復(fù)措施，以及治理后針對不同區(qū)域?qū)嵤┚珳实谋O(jiān)測方案等方面，仍有待進一步研究。

(2)大氣環(huán)境對沉陷區(qū)地表環(huán)境的影響及耦合關(guān)系。以中東部礦區(qū)典型高潛水位厚沖積層多煤層開采為背景，針對沉陷區(qū)一系列生態(tài)環(huán)境問題，需綜合考慮水體、土壤、大氣三大關(guān)鍵環(huán)境要素，同時結(jié)合地表沉陷、水循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)演化等開展理論研究，尤其是沉陷區(qū)大氣環(huán)境的改變對地表生態(tài)環(huán)境的影響，以及“大氣-水體-土壤-生態(tài)”之間的耦合關(guān)系仍需進一步研究。由于生態(tài)系統(tǒng)的演化是一個長期的過程，對采煤沉陷區(qū)生態(tài)過程變化的認識需要不斷深化。

(3)采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)多種關(guān)鍵技術(shù)的集成及綜合利用。目前，針對采煤沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境治理，國外內(nèi)研究者相繼研發(fā)了采煤沉陷區(qū)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)、廢棄物環(huán)境影響評價與利用技術(shù)、沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)與重構(gòu)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，但在治理高潛水位沉陷區(qū)造成生態(tài)環(huán)境問題過程中，如何將這些關(guān)鍵技術(shù)有機的集成在一起，形成沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理技術(shù)體系仍有待于深入研究。