采煤塌陷區(qū)環(huán)境恢復(fù)治理措施研究

雷薪雍，陳拓其，張海榮

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

能源是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基石，煤炭資源是能源結(jié)構(gòu)體系中非常重要的構(gòu)成部分，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了非常重要的貢獻(xiàn)[1]。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，每年都需要開采大量的煤炭資源。煤炭資源的開發(fā)利用雖然為我國各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入了很大活力，但與此同時煤炭開采過程也給附近區(qū)域的生態(tài)環(huán)境造成了不良的影響[2]。輕則影響周圍的空氣、水質(zhì)、土壤等生態(tài)環(huán)境，對于開采比較嚴(yán)重的地方已經(jīng)出現(xiàn)了非常大的采煤塌陷區(qū)。塌陷區(qū)的形成會給地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的正常生活帶來一系列問題，已經(jīng)成為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素[3]。黨的十八大以來，中共中央越來越關(guān)注生態(tài)環(huán)境問題，因此各地區(qū)的政府部門越來越重視采煤塌陷區(qū)的治理工作，都在積極采取措施對塌陷區(qū)進(jìn)行治理，取得了很大的成效[4]。本文在充分借鑒已有成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對某地區(qū)采煤塌陷區(qū)的環(huán)境恢復(fù)治理工作進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，提出了對應(yīng)的治理措施，并分析了產(chǎn)生的效益。對于生態(tài)環(huán)境保護(hù)、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具一定的實(shí)踐意義。

1 采煤塌陷區(qū)基本情況

1.1 塌陷區(qū)概述

經(jīng)過前期的地質(zhì)勘查，發(fā)現(xiàn)某井田存儲的煤礦資源超過了20 000萬t。礦井設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力為每年240萬t，根據(jù)該開采速度，井田需要通過65年左右時間開采完畢。該煤礦已經(jīng)經(jīng)過多年的開采，為地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了非常重要的貢獻(xiàn)。由于部分采區(qū)的煤礦已經(jīng)開采完畢，受地質(zhì)擾動的影響，很多采煤區(qū)域出現(xiàn)了塌陷的問題，給地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了惡劣影響。經(jīng)過前期測量發(fā)現(xiàn)整個礦井范圍內(nèi)超過2 667 hm2土地出現(xiàn)了塌陷問題，并且絕大部分沒有得到妥善處理，塌陷區(qū)域內(nèi)積累了大量的雨水。經(jīng)過科學(xué)的預(yù)測，認(rèn)為井田每年將會有400 hm2左右的區(qū)域發(fā)生塌陷現(xiàn)象?；诖耍斜匾扇〈胧Σ擅核輩^(qū)進(jìn)行綜合整治，避免對附近生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。

1.2 塌陷區(qū)主要特征

利用先進(jìn)的RS/GIS塌陷信息識別診斷技術(shù)，可以對礦區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的塌陷情況進(jìn)行識別判斷[5]，塌陷區(qū)局部區(qū)域的遙感信息識別如圖1所示?；趫D像信息可以判斷塌陷區(qū)的一些重要特征，比如水量不同對遙感信號的吸收程度不同，因此不同顏色可以代表不同位置水的儲存量。目前礦區(qū)地表塌陷面積非常大，并且沉陷速度很快，通常情況下工作面推進(jìn)60 m后，地表就開始出現(xiàn)了沉降的趨勢，沉降整體上表現(xiàn)出很大的不均勻性，沉降速度每日最高可達(dá)60 mm。截至目前，采空區(qū)沉陷的深度平均值為3 m。

圖1 遙感信息識別Fig.1 Remote sensing information recognition map

2 生態(tài)功能重構(gòu)模式分析

目前針對采煤塌陷區(qū)的生態(tài)功能重構(gòu)方面的研究很多，學(xué)者們提出了很多重建模式。對于塌陷區(qū)存在大量積水的情況，進(jìn)行水陸交換幾乎是所有重構(gòu)模式的核心內(nèi)容。目前人們討論較多的模式主要有3種[6-7]：①旅游生態(tài)集鎮(zhèn)配置模式。這種模式比較適合塌陷區(qū)面積非常大并且塌陷區(qū)存儲了大量積水的區(qū)域，因?yàn)檫@些區(qū)域進(jìn)行水陸交換難度較大，會受很多方面因素的制約。②農(nóng)漁禽獸生態(tài)配制模式。這種模式充分遵循生物多樣性的特點(diǎn)，按照食物鏈原理進(jìn)行生物的配制。適合在塌陷面積相對較大但是深度不是特別大的區(qū)域?；诓擅核輩^(qū)農(nóng)漁禽獸生態(tài)配制模式的結(jié)構(gòu)如圖2所示，在此生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部，消費(fèi)者、生產(chǎn)者以及還原者之間實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)和能量的循環(huán)利用。比如禽類養(yǎng)殖中產(chǎn)生的糞便可以作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的肥料，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的副產(chǎn)品可以作為魚類的食物等。采用這種生態(tài)模式進(jìn)行配制時，需要結(jié)合塌陷區(qū)不同塌陷深度合理選擇不同的物種，不同深度需要配置的物種類型如圖3所示。③農(nóng)林漁配制模式。這種模式適合塌陷區(qū)面積較大但是塌陷深度非常淺的位置。因?yàn)闇\的塌陷區(qū)可以通過回填的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)墾，以擴(kuò)大農(nóng)業(yè)和林業(yè)的種植面積。

圖2 農(nóng)漁禽獸生態(tài)配制模式結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of ecological configuration model structure of farming，fishery，poultry and beasts

圖3 采礦塌陷區(qū)不同深度的物種配置情況Fig.3 Species configuration at different depths in mining subsidence area

3 塌陷區(qū)土地復(fù)墾適宜性評價分析

3.1 評價方向和單元劃分

結(jié)合采煤塌陷區(qū)實(shí)際情況，擬在塌陷區(qū)中開展農(nóng)業(yè)種植、林業(yè)種植和漁業(yè)養(yǎng)殖。因此，在對塌陷區(qū)復(fù)墾適宜性進(jìn)行評價時，主要從以上3個方向進(jìn)行評價。

在對整個塌陷區(qū)進(jìn)行評價時，需要根據(jù)不同區(qū)域的特點(diǎn)進(jìn)行單元劃分。單元劃分時需要基于GIS軟件平臺，充分利用該區(qū)域的土壤圖、地形圖以及地下水位圖等。單元劃分最重要的依據(jù)就是塌陷程度，本案例中可以將塌陷區(qū)劃分成為4個單元，分別為塌陷深水區(qū)、塌陷淺水區(qū)、盆緣沼澤區(qū)、盆緣外緣區(qū)，采煤塌陷區(qū)單元劃分情況如圖4所示。為了方便描述，以上4個單元可以命名為深積水塌陷區(qū)、淺積水塌陷區(qū)、非積水塌陷區(qū)A、非積水塌陷區(qū)B。

圖4 采煤塌陷區(qū)單元劃分情況Fig.4 Unit division of coal mining subsidence area

3.2 評價指標(biāo)及其權(quán)重的確定

采煤塌陷區(qū)擬從農(nóng)業(yè)種植、林業(yè)種植和漁業(yè)養(yǎng)殖3個方向?qū)ζ溥M(jìn)行評價，不同方向評價指標(biāo)存在一定程度差異，不同方向內(nèi)部不同指標(biāo)之間的權(quán)重也會存在差異，需要結(jié)合實(shí)際情況來合理確定[8]。在充分借鑒已有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并考慮實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，3個方向上制定的評價指標(biāo)及權(quán)重關(guān)系分別見表1、表2、表3。

表1 農(nóng)業(yè)種植方向評價指標(biāo)及權(quán)重Tab.1 Evaluation index and weight of agricultural planting direction

表2 林業(yè)種植方向評價指標(biāo)及權(quán)重Tab.2 Evaluation index and weight of forestryplanting direction

表3 漁業(yè)養(yǎng)殖方向評價指標(biāo)及權(quán)重Tab.3 Evaluation indicators and weights of fishery aquaculture direction

3.3 評價方法及結(jié)果

將以上3個方向上設(shè)置的指標(biāo)等級分別賦予不同的分?jǐn)?shù)。其中，一級、二級、三級、四級分別對應(yīng)3分、2分、1分和0分，將每個指標(biāo)所得分值乘以權(quán)重系數(shù)，然后將所有指標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行相加，即可得到綜合分?jǐn)?shù)。根據(jù)綜合分?jǐn)?shù)大小可以將其分成4個適宜性等級，分?jǐn)?shù)越高表示適宜性越好，等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ對應(yīng)的綜合分?jǐn)?shù)范圍分別為2.25～3.00、1.50～2.25、0.75～1.50、0～0.75?；谝陨蠑?shù)據(jù)可以計(jì)算得到采煤塌陷區(qū)4個單元在3個方向上的適宜性結(jié)果(表4)。

表4 采煤塌陷區(qū)4個單元在3個方向的適宜性結(jié)果Tab.4 Suitability results of four units in three directionsin coal mining subsidence area

從統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果可以看出，此次擬治理恢復(fù)的總面積為641 hm2。其中，非積水塌陷區(qū)A和B適合進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植，面積為508 hm2；淺積水塌陷區(qū)適合進(jìn)行林業(yè)種植，面積為71 hm2；深積水塌陷區(qū)適合進(jìn)行漁業(yè)養(yǎng)殖，面積為62 hm2。

4 塌陷區(qū)復(fù)墾主要技術(shù)研究

4.1 土方回填技術(shù)

土地如果想達(dá)到耕地的標(biāo)準(zhǔn)，有效土層厚度需要超過0.1 m[9]。在進(jìn)行塌陷區(qū)土方回填前，需要結(jié)合實(shí)際情況確定合理的耕地標(biāo)高，標(biāo)高的合理確定不僅會影響農(nóng)作物和林業(yè)種植的質(zhì)量，也會影響整個工程的投資。在充分分析實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，最終確定的耕地標(biāo)高為+34.3 m，與塌陷前的地面相比較降低了0.5 m。由于耕地標(biāo)高比原有標(biāo)高要低，為了防止土地在后續(xù)的使用過程中產(chǎn)生鹽堿化現(xiàn)象，需要對排水系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計(jì)。

對于耕地區(qū)域進(jìn)行回填的同時涉及到取土問題，將取土深度設(shè)置為4 m，取土面積需根據(jù)回填實(shí)際情況確定。取土后考慮到該區(qū)域的美觀性，將土坑坡比設(shè)置為1.0∶1.5左右，具體數(shù)值可以根據(jù)土壤性質(zhì)微調(diào)。結(jié)合實(shí)際情況，最終確定的取土區(qū)域?yàn)闄E圓形，橢圓形的長邊和短邊長度分別為720 m和470 m，取土后形成一個人工湖。經(jīng)過計(jì)算，可以取得的土方量為103.5萬 m3，而實(shí)際需要回填的土方量為99.9萬 m3，可見取土量能夠滿足回填量。

4.2 塌陷區(qū)生物性復(fù)墾技術(shù)

對于塌陷面積非常大并且尚不是非常穩(wěn)定的區(qū)域，可以不對其進(jìn)行特殊處理加以直接利用[10]。比如可以利用網(wǎng)箱進(jìn)行養(yǎng)鴨、養(yǎng)魚或者在淺水區(qū)域種植水藕作物，通過生物方式實(shí)現(xiàn)塌陷區(qū)的緩慢修復(fù)。對于適合林業(yè)種植的區(qū)域，可以結(jié)合該地區(qū)實(shí)際情況，包括地理位置和氣候條件等選擇最適合的品種進(jìn)行種植，提高存活率。在復(fù)墾區(qū)域適當(dāng)位置修建人工湖，湖周圍修砌環(huán)湖公路，公路可以利用煤礦開采中產(chǎn)生的矸石直接回填。研究中回填的矸石量達(dá)到了1.3萬m3。公路的兩側(cè)種植楊樹、柳樹等，間距控制在3 m左右，形成環(huán)湖綠化帶。采取多種措施提升整個復(fù)墾區(qū)域內(nèi)的生物多樣性，使之形成一個可以實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)、環(huán)境優(yōu)美的生態(tài)系統(tǒng)。

4.3 農(nóng)田水利設(shè)計(jì)

完善的水利設(shè)施是實(shí)現(xiàn)復(fù)墾的基礎(chǔ)和前提，在進(jìn)行塌陷區(qū)復(fù)墾的同時，需要將地表中積累大量水進(jìn)行排除，研究中主要采用的是疏排法進(jìn)行治理，即通過修建大量的溝渠，將塌陷區(qū)的積水引入到附近的河流和湖泊中，部分區(qū)域采用水泵進(jìn)行強(qiáng)排。通過對地表積水的控制，可以顯著降低土壤中的含水量，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)業(yè)作物和各種樹木的健康成長。工程中修建了大量的斗溝、農(nóng)溝和毛溝。其中，斗溝長1.5 ～ 3.0 km，間距1.0～1.5 km，溝深1.88～2.22 m，底部寬1.5～2.0 m，邊坡為1.0∶1.5～1.0∶2.0；農(nóng)溝長0.5～1.0 km，間距0.3～0.5 km，溝深1.5 m，底部寬1 m，邊坡為1.0∶1.0～1.0∶1.5；毛溝長0.2～0.5 km，間距0.2～0.3 km，溝深1 m，底部寬0.5 m，邊坡為1.0∶1.0。

5 塌陷區(qū)治理結(jié)果與效益分析

5.1 塌陷區(qū)治理結(jié)果

此次治理的采煤塌陷區(qū)整體面積超過了700 hm2，整個項(xiàng)目投資將近8 000萬元。通過對塌陷區(qū)的綜合治理，增加了耕地面積近470 hm2，養(yǎng)殖面積增加超過40 hm2，新建立的人工湖泊面積約為20 hm2，有將近140 hm2的面積可以用于工業(yè)建設(shè)和新農(nóng)村建設(shè)。

5.2 產(chǎn)生的效益分析

通過對采煤塌陷區(qū)的綜合整治，產(chǎn)生了非常顯著的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，以下主要從以上3種效益層面進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

(1)社會效益。整個區(qū)域范圍內(nèi)增加了耕地面積470 hm2，在這些耕地面積上有超過92%以上的面積真正實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)種植，占據(jù)整個塌陷區(qū)面積的60%以上，塌陷區(qū)治理恢復(fù)用地占比情況如圖5所示。農(nóng)民獲得了更多的土地種植農(nóng)業(yè)，社會穩(wěn)定性得到顯著提升。另外，通過此次治理恢復(fù)新增了近60 hm2的水域面積，其中2/3的面積可以進(jìn)行養(yǎng)殖，1/3的面積可以作為湖泊景觀。水域面積的增加，不僅為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┝舜罅康酿B(yǎng)殖場地，而且極大地改善了生態(tài)環(huán)境。最后，還恢復(fù)了140 hm2的新農(nóng)村建設(shè)以及工業(yè)建設(shè)用地，在一定程度上改善了人們的居住環(huán)境。

圖5 塌陷區(qū)治理恢復(fù)用地占比情況Fig.5 Proportion of land used for treatmentand restoration of subsided areas

(2)經(jīng)濟(jì)效益。通過對塌陷區(qū)進(jìn)行復(fù)墾產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)濟(jì)效益主要有2個方面的來源，第1為土地復(fù)耕，第2為漁業(yè)養(yǎng)殖，經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì)計(jì)算見表5。

表5 農(nóng)漁業(yè)收益情況計(jì)算Tab.5 Calculation table of income from agriculture and fishery

上文已述，此次新增加的耕地面積達(dá)到了470 hm2，在這些土地上冬天可以種植小麥、夏天可以種植玉米，通過農(nóng)作物的輪作可以最大限度地發(fā)揮土地的效果，實(shí)現(xiàn)一年兩熟的目的。根據(jù)農(nóng)作物的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，平均每年可以生產(chǎn)的小麥和玉米質(zhì)量分別為5 250、6 750 kg/hm2。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，整個復(fù)墾區(qū)域每年種植農(nóng)作物的收入為768.45萬元；在漁業(yè)養(yǎng)殖方面，養(yǎng)殖面積大約為40 hm2，每年可以創(chuàng)造的凈收入為54.40萬元，農(nóng)業(yè)種植和漁業(yè)養(yǎng)殖每年創(chuàng)造的總凈收入為822.85萬元。此次采煤塌陷區(qū)復(fù)墾治理修復(fù)共投入資金8 000萬元，10年內(nèi)就可以收回投入的成本。

(3)生態(tài)效益。采煤塌陷區(qū)在治理前存在嚴(yán)重的環(huán)境問題，給該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境治理造成了極大的困難。通過投入大量資金對塌陷區(qū)進(jìn)行復(fù)墾修復(fù)治理之后，形成了新農(nóng)村、生態(tài)景觀、湖泊以及農(nóng)田等多種形態(tài)的景觀。此次復(fù)墾修復(fù)中將原本散亂分布的居民點(diǎn)全部搬遷重建，使居民聚集在一起，同時也確保了農(nóng)田的連續(xù)性，產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)。特別是在居民區(qū)附近建設(shè)的人工湖泊，使周圍的居住環(huán)境得到極大改善，產(chǎn)生了非常好的生態(tài)效益。

6 結(jié)論

主要以某采煤塌陷區(qū)為研究對象，分析了環(huán)境恢復(fù)治理的主要措施及其產(chǎn)生的效益，所得結(jié)論主要如下。

(1)礦井每年的產(chǎn)量在240萬t左右，經(jīng)過長時間的煤炭開采，很多區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)了塌陷問題。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，超過2 667 hm2的區(qū)域產(chǎn)生了塌陷問題，給生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重不良影響。

(2)將整個塌陷區(qū)分為4個單元，分別為深積水塌陷區(qū)、淺積水塌陷區(qū)、非積水塌陷區(qū)A、非積水塌陷區(qū)B，經(jīng)過科學(xué)的分析評價，前2個區(qū)域分別適合進(jìn)行漁業(yè)養(yǎng)殖和林業(yè)種植，后2個區(qū)域適合進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植。

(3)通過土方回填技術(shù)、塌陷區(qū)生物性復(fù)墾技術(shù)和農(nóng)田水利設(shè)計(jì)手段的應(yīng)用，達(dá)到了塌陷區(qū)環(huán)境恢復(fù)治理的預(yù)期效果，該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到極大改善，同時為地區(qū)帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益。