青海高原高寒地區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理中的水系連通技術(shù)

楊 創(chuàng)， 王 佟， 李聰聰， 趙 欣

(1. 中國(guó)煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局，西安 710199； 2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100038；3.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

隨著新時(shí)代生態(tài)文明思想的提出，我國(guó)將生態(tài)文明建設(shè)上升到了國(guó)家戰(zhàn)略高度。在生態(tài)文明、美麗中國(guó)建設(shè)和綠色發(fā)展的理念下，礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)成為生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。我國(guó)的資源稟賦特征決定了煤炭在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)仍占據(jù)主要地位[1]。煤炭資源開(kāi)發(fā)易造成的一系列生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，如何統(tǒng)籌保障國(guó)家能源供給和礦山生態(tài)環(huán)境的保護(hù)是綠水青山建設(shè)中面臨的主要挑戰(zhàn)。礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理是解決礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的主要途徑[2]。

2021年10月發(fā)布的《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》，要求強(qiáng)化水資源剛性約束，牢固樹(shù)立量水而行、節(jié)水優(yōu)先的底線思維，對(duì)黃河上游要有效增強(qiáng)水源涵養(yǎng)功能，故在黃河流域礦山生態(tài)修復(fù)治理中水資源的修復(fù)和保護(hù)是重要內(nèi)容。礦山生態(tài)環(huán)境的修復(fù)要遵循“山水林田湖草”生命共同體理念[3]，因地制宜，在修復(fù)中最大程度的保護(hù)水資源。

青海木里礦區(qū)生態(tài)位置極為重要，修復(fù)治理中面臨的綜合問(wèn)題較多，前人對(duì)木里礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)方面的研究，主要是生態(tài)地質(zhì)背景[4-6]、土壤重建[7-10]和種草復(fù)綠[11]等，對(duì)露天采礦造成的水系破壞修復(fù)研究較少，因此，有必要從水資源修復(fù)的角度，探討礦區(qū)整體生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。

1 背景條件

木里礦區(qū)地處青藏高原東北部，黃河上游重要支流大通河源頭(圖1)。既是青海湖和祁連山水源涵養(yǎng)地，又是我國(guó)西部生態(tài)安全屏障的重要組成部分，生態(tài)地位極其重要。多年凍土連續(xù)分布，為典型的高原高寒缺氧地區(qū)，自然條件非常嚴(yán)酷，是高寒濕地分布區(qū)，以高寒沼澤類(lèi)和高寒草甸為主，主要生長(zhǎng)小嵩草和大黃等草本植物，草甸覆蓋率超過(guò)50%，高原生態(tài)環(huán)境脆弱，很容易被破壞，且不容易恢復(fù)。經(jīng)多年的露天開(kāi)采，出現(xiàn)天然草甸損毀、水系濕地與凍土層破壞和邊坡不穩(wěn)定等一系列問(wèn)題[12-13]，從水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)工程地質(zhì)角度出發(fā)，可劃分為生態(tài)景觀破壞、采坑及渣山邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題、采坑積水三類(lèi)[14]。對(duì)礦區(qū)原生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的擾動(dòng)和破壞，影響了區(qū)域生態(tài)安全屏障、水源涵養(yǎng)能力和土壤保持及生物多樣性保護(hù)功能。

圖1 木里礦區(qū)在黃河流域中的位置Figure 1 Muri coalfield position in Yellow River catchment

黃河流域礦山生態(tài)修復(fù)中要“依水而定、量水而行”[15]。針對(duì)木里礦區(qū)存在的礦山生態(tài)問(wèn)題和生態(tài)功能的分析，在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理中需要重點(diǎn)對(duì)水系破壞進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)修復(fù)治理，以便恢復(fù)礦區(qū)的水源涵養(yǎng)功能，以人工修復(fù)推進(jìn)自然修復(fù)的進(jìn)程，最終實(shí)現(xiàn)人工修復(fù)與自然的有機(jī)融合，進(jìn)一步恢復(fù)黃河上游“中央水塔”的水源涵養(yǎng)能力。

1.1 水文地質(zhì)特征

木里礦區(qū)位于青藏高原高寒地區(qū)，海拔普遍在4 000m以上，氣候異常多變，地表水資源豐富，而地下水資源相對(duì)貧乏。區(qū)內(nèi)發(fā)育多年凍土層，由于多年凍土層的存在，地下水和地表水之間的水力聯(lián)系較微弱，只能通過(guò)融區(qū)進(jìn)行局部補(bǔ)給和排泄。

1.1.1 地表水

區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，主干水系大通河發(fā)源于海西州木里祁連山脈東段托來(lái)南山和大通山之間的沙杲林那穆吉木嶺。經(jīng)過(guò)木里鎮(zhèn)匯入大通河。區(qū)內(nèi)大通河支流水流量較小，河水清澈，次級(jí)水系多為季節(jié)性流水。河水流量隨著氣候的變化變幅較大，夏季季節(jié)性凍土融化，在山坡陽(yáng)面形成泉流，以下降泉形式溢出，為季節(jié)性河流及地表湖泊補(bǔ)充水量，泉流量為 0.1～2.17L/s，水化學(xué)類(lèi)型多為 HCO3+SO4-Na+Mg與 HCO3+Cl-Na+Mg。聚乎更區(qū)主要有上、下哆嗦河等支流。江倉(cāng)區(qū)主要有江倉(cāng)曲等支流。

地表湖泊發(fā)育，小湖泊較多，面積超過(guò) 1km2的湖泊只有措喀莫日湖。湖泊大多為降水、凍土層上水匯集所成。此外，區(qū)內(nèi)有許多小型熱融湖塘，大多為凍土融凍形成，面積不大，在冬天大部分會(huì)完全凍結(jié)。

1.1.2 地下水

根據(jù)以往煤田地質(zhì)勘查資料，地下水系統(tǒng)按照賦存空間各異、含水介質(zhì)不同、多年凍土(巖)的分布范圍可分為凍結(jié)層上水，凍結(jié)層下水。

凍土層上水劃分為第四系凍結(jié)層上水、基巖凍土層上水、湖泊融區(qū)水三個(gè)類(lèi)型；凍結(jié)層上水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，以泉及地表蒸發(fā)的方式排泄，局部以地下徑流的形式向地形低洼的方向徑流。凍結(jié)層上水水量與季節(jié)變化有明顯的聯(lián)系，春、冬季除融區(qū)水，其它形式的凍結(jié)層上水基本消失，夏、秋季有明顯排泄。凍土層上水同時(shí)也受到氣候因素的影響，主要為地表水、大氣降水以及冰雪融水補(bǔ)給，豐水年含水量增大，枯水年含水量降低。

凍結(jié)層下水劃分為紅層承壓水，侏羅系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓水，二疊系、三疊系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓水和碳酸鹽巖裂隙水四種類(lèi)型。凍土下層水是地表水體、大氣降水、冰雪融水通過(guò)湖泊融區(qū)、構(gòu)造斷裂帶補(bǔ)給，同時(shí)又通過(guò)融區(qū)、斷裂帶形成上升泉排泄和蒸發(fā)。

1.2 采坑積水

1.2.1 分布

煤礦露天開(kāi)采形成采坑，地表水直排或通過(guò)下滲潛流、地下含水層被揭露，不同水源的水匯聚到采坑，在部分采坑內(nèi)形成積水。

木里礦區(qū)聚乎更區(qū)采坑總積水面積130.08萬(wàn)m2，總積水量1 476.51萬(wàn)m3。除聚乎更九號(hào)井采坑基本無(wú)水外，其余大部分采坑有積水(表1)。

表1 木里礦區(qū)聚乎更區(qū)采坑積水情況

采坑積水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和草甸濕地水，積水受季節(jié)性影響明顯，一般夏季富水，冬季少水或無(wú)水。

1.2.2 形成規(guī)律分析

區(qū)內(nèi)采坑破壞了凍結(jié)層隔水層，使得地表水、凍結(jié)層上水和凍結(jié)層下水產(chǎn)生了水力聯(lián)系。采坑積水水源直接因素為大氣降水補(bǔ)給，間接因素為礦區(qū)地表水、凍結(jié)層上水、構(gòu)造裂隙水及河流融區(qū)水補(bǔ)給。因各井田所處位置有差異，不同水源的補(bǔ)給貢獻(xiàn)占比有所差異。

從采坑與地表水系的空間關(guān)系可以看出，聚乎更區(qū)積水量最大的兩個(gè)采坑是四號(hào)和八號(hào)井采坑均是哆嗦河穿越的位置，而無(wú)積水的聚乎更九號(hào)井采坑所處位置高，處于上哆嗦河源頭的分水嶺部位、哆嗦貢瑪采坑地勢(shì)最高且位于分水嶺處；說(shuō)明采坑積水大小和采坑與地表河流相對(duì)位置關(guān)系密切相關(guān)。凡處于河流處的采坑積水量就越大，遠(yuǎn)離地表水系，或處于地勢(shì)相對(duì)高的分水嶺位置，采坑積水量就小，甚至無(wú)水。

聚乎更四號(hào)和八號(hào)井采坑跨越哆嗦河，為減少采坑積水，滿足開(kāi)采技術(shù)條件，前期開(kāi)采過(guò)程中人為對(duì)天然河道進(jìn)行了改造。八號(hào)井在河流上游方向?qū)嵤┝藬r壩+河流改道。說(shuō)明雖然采坑截?fù)趿说乇硭叵聺撍?凍結(jié)層上水)仍會(huì)在融雪季和雨季源源不斷地側(cè)向補(bǔ)給采坑積水。聚乎更四號(hào)井采坑位于上哆嗦河下游方向，八號(hào)井采坑位于上哆嗦河上游方向，上哆嗦河由上游向下游流量逐漸增大，聚乎更四號(hào)采坑積水量大于八號(hào)采坑積水量，進(jìn)一步說(shuō)明采坑積水與地表水關(guān)系密切。

1.2.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

依據(jù)2020年9月青海省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心發(fā)布的《木里礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)報(bào)告(2020年)》，地表水監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)表1中22項(xiàng)(除大腸桿菌和總氮)和表2中鐵、錳共計(jì)24項(xiàng)。經(jīng)對(duì)措喀莫日湖和措喀莫日湖下游斷面、上哆嗦河、下哆嗦河等8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，該區(qū)地表水水質(zhì)均達(dá)到III類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)良好。對(duì)聚乎更區(qū)各采坑積水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，除聚乎更三號(hào)采坑、五號(hào)采坑水中錳高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目限值1.1和1.7倍之外，其余監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均達(dá)到II類(lèi)或以上標(biāo)準(zhǔn)。綜合水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，聚乎更區(qū)各采坑積水水質(zhì)均達(dá)到II類(lèi)或以上標(biāo)準(zhǔn)，滿足水系連通的水質(zhì)基本條件。

2 水系連通技術(shù)

木里礦區(qū)聚乎更區(qū)水系連通的治理模式分兩種情況：一種是采坑積水已經(jīng)成規(guī)模，但積水坑雜亂無(wú)序分布，邊坡滑塌現(xiàn)象嚴(yán)重，雨季時(shí)積水通過(guò)低洼處漫溢，經(jīng)常淹沒(méi)周邊原有的草甸等，針對(duì)這種類(lèi)型的積水采坑，可采用積水采坑保留形成高原湖泊的治理方法；另一種情況是形成的采坑已經(jīng)規(guī)模很大，采用渣土回填工程量很大，而且很難徹底治理。此類(lèi)采坑坑底面積巨大，采礦局部揭露導(dǎo)水?dāng)嗔咽沟叵滤財(cái)嗔褞弦绯觯纬扇斯と郏叵滤痛髿饨邓餐饔檬箍觾?nèi)不斷形成積水，一方面造成采坑邊坡不穩(wěn)定，另一方面積水對(duì)坑底的復(fù)綠造成破壞或淹沒(méi)，采用“引水代填”能夠有效解決此類(lèi)采坑的修復(fù)治理與景觀協(xié)調(diào)問(wèn)題。

2.1 積水采坑保留高原湖泊

木里礦區(qū)聚乎更區(qū)除個(gè)別采坑(聚乎更九號(hào)井、哆嗦貢瑪井田采坑)基本無(wú)水外，其余大部分采坑有積水。積水量較大的是四號(hào)井和八號(hào)井，積水量較小的是三號(hào)井和五號(hào)井。若采用采坑全部回填的方法進(jìn)行治理，工程量與費(fèi)用投入是巨大的，不符合木里當(dāng)?shù)氐V山環(huán)境修復(fù)治理的實(shí)際情況。在修復(fù)治理中充分考慮施工效率、經(jīng)濟(jì)性和與自然景觀的融合，以最小的工程投入達(dá)到最佳的修復(fù)治理效果為原則，對(duì)積水量較大的聚乎更三號(hào)井、四號(hào)井、七號(hào)井、八號(hào)井都因地制宜， “宜湖則湖”，將采坑治理整形保留高原湖泊的治理方案。

采坑改造形成的高原湖泊可與周邊沼澤、濕地、河流及天然湖泊等水源涵養(yǎng)系統(tǒng)融合，調(diào)節(jié)并輔助區(qū)域水源涵養(yǎng)能力的提升，有助于木里地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。積水采坑改造的主要技術(shù)方法：首先對(duì)采坑邊坡削坡整形，清除崩塌浮石等災(zāi)害，并對(duì)采坑周邊形成的超高渣山進(jìn)行降高減載，消除裂縫、滑塌等災(zāi)害，為便于下一步覆土復(fù)綠，將渣山邊坡坡度控制在25°以下；其次對(duì)歷史水文地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析，經(jīng)水質(zhì)檢測(cè)合格、生態(tài)徑流保障等滿足的前提下，采用人工措施將周邊的河流與采坑湖泊連通，對(duì)照地表破壞之前的水系條件恢復(fù)，形成天然河流、湖泊與采坑湖泊的融合，后期做好常態(tài)化的水文地質(zhì)觀測(cè)(圖2)。

圖2 聚乎更區(qū)各采坑水系連通示意Figure 2 Schematic diagram of hydrographic net connection in Juhugeng pits

2.2 引水代填

對(duì)于形成的采坑容積大但積水范圍與深度小的采坑，如聚乎更三號(hào)井，采用引水代填的方法：枯水期，保障生態(tài)徑流；豐水期，通過(guò)人工引水措施，將采坑周邊地表河水引入采坑形成湖泊，坑底積水灌注到控制的標(biāo)高之后與地表水系連通。

聚乎更三號(hào)井自2003年至2020年進(jìn)行露天采煤，形成了一個(gè)采坑，兩座渣山。在三號(hào)井坑底局部有少量積水，主要有兩個(gè)積水坑，一個(gè)位于采坑中部南幫邊坡坡腳，一個(gè)位于采坑?xùn)|部坡腳?？拥字胁繗埩?2萬(wàn)m2的煤層已露出地表。據(jù)2014—2017年7—10月份采坑排水量統(tǒng)計(jì)顯示，每年排水量在100萬(wàn)m3左右，故推測(cè)該采坑積水主要來(lái)自地表水。

綜合對(duì)聚乎更三號(hào)井采坑特征、坑底暴露的煤炭資源、積水來(lái)源及周邊水系條件的分析，采取引水代填的技術(shù)方案，坑底注水形成采坑湖泊，在減少工程投入的同時(shí)，保護(hù)了坑底煤炭資源。主要措施：采坑整治完成后，南北渣山邊坡與采坑邊坡形成“U”形斷面，坑底基本保持原有坡度，從采坑?xùn)|側(cè)開(kāi)挖渣山埋設(shè)主水管道，從下哆嗦河引水注入采坑，積水現(xiàn)在東段坑底最低處匯集，東段采坑低洼處注滿水后，以溢流方式向西段采坑流入，隨著水位逐漸抬升，最終形成湖水面高程3 975m，面積為153.1萬(wàn)m2的高原湖泊，總注水總量2 728萬(wàn)m3，在保障下哆嗦河正常生態(tài)徑流的前提下，年實(shí)際注水量約為360萬(wàn)m3，預(yù)計(jì)8a可注滿水(圖3)。

圖3 聚乎更三號(hào)井引水代填示意Figure 3 Schematic diagram of water diversion filling in Juhugeng pit No.3

2.3 采坑周邊水系連通

由于采礦的人為擾動(dòng)，采坑周邊河濱地帶的濕地萎縮植被出現(xiàn)退化。道路左側(cè)的植被正常生長(zhǎng)，而由于道路的修建，右側(cè)濕地出現(xiàn)萎縮，植被出現(xiàn)退化。究其原因， 木里礦區(qū)土壤類(lèi)型主要以高山草甸土、沼澤草甸土為主，土壤母質(zhì)為第四系沖積、 洪積物，砂礫質(zhì)和砂壤質(zhì)為土壤主要質(zhì)地。土壤層厚度隨地形坡度的變化明顯，在平緩區(qū)厚度變大，在邊坡區(qū)厚度變小，厚度0～50cm，平均厚25cm，自上而下大致分為腐殖層和母質(zhì)層。腐殖層為草甸生長(zhǎng)層，厚度5～10cm，富含有機(jī)質(zhì)，粉質(zhì)黏土，呈灰黑色粉末狀，級(jí)配較好，土質(zhì)中等緊密，幾乎不含礫石，草的長(zhǎng)度一般不超過(guò)4cm，主根長(zhǎng)2～3cm，側(cè)根發(fā)達(dá)，可延伸至10cm深度，植物根系繁多交織生長(zhǎng)。因此，土壤腐殖層厚度非常薄，道路修建之后破壞了上部的腐殖層，從微觀上來(lái)看，阻隔了土壤內(nèi)部水系的連通性，進(jìn)而影響了微觀尺度上濕地的內(nèi)在連通性，出現(xiàn)了濕地萎縮植被退化的現(xiàn)象。

針對(duì)采坑周邊的水系治理采用的技術(shù)措施是：因地制宜，采用少量的工程措施對(duì)簡(jiǎn)易道路實(shí)施修復(fù)，同時(shí)在道路下方埋設(shè)螺紋管使道路兩側(cè)濕地與河流、湖泊重新連通，以人工連通措施為基礎(chǔ)， 結(jié)合復(fù)綠土壤結(jié)構(gòu)恢復(fù)與植被根系的毛細(xì)涵養(yǎng)功能，逐步恢復(fù)因道路阻隔而受損的沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)(圖4)。

圖4 采坑周邊水系連通示意Figure 4 Schematic diagram of hydrographic net connection in pit peripheries

3 治理效果

木里礦區(qū)修復(fù)治理中充分將“水”作為重要要素進(jìn)行修復(fù)，采取依坡就勢(shì)造就高原湖泊，引入上哆嗦河地表水自流進(jìn)入聚乎更八號(hào)井采坑湖泊，出湖泊后匯入上哆嗦河，沿途接納支流后，通過(guò)人工河道，引流進(jìn)入四號(hào)井形成湖泊，出四號(hào)井湖泊后流入上哆嗦河。最終形成宏觀尺度自西向東的水系自然連通。

經(jīng)過(guò)綜合整治，聚乎更三號(hào)井引水代填形成高原湖泊，四號(hào)井保留高原湖泊，五號(hào)井形成溝谷梯田景觀，八號(hào)井形成高原湖泊并與上哆嗦河自然連通，七號(hào)井西部形成串珠狀湖泊并與措喀莫日湖自然連通，九號(hào)井和哆嗦貢瑪依山就勢(shì)，與周邊景觀有機(jī)融合，總體形成單井有特色，整體交相輝映，河湖交錯(cuò)，濕地發(fā)育一體的高原景觀，實(shí)現(xiàn)了資源保護(hù)與生態(tài)環(huán)境治理的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，逐步恢復(fù)木里地區(qū)水源涵養(yǎng)和生態(tài)系統(tǒng)功能(圖5)。

圖5 整體水系連通治理效果示意Figure 5 Schematic diagram of integrated hydrographicnet connection governance effect

4 結(jié)論

1)木里礦區(qū)煤礦露天開(kāi)采形成的采坑，破壞了凍結(jié)層隔水層，使得地表水、凍結(jié)層上水和凍結(jié)層下水產(chǎn)生了水力聯(lián)系，不同水源的水匯聚到采坑，在部分采坑內(nèi)形成積水。

2)木里礦區(qū)各個(gè)采坑積水量的大小與原始地表水系的空間關(guān)系密切，處于上、下哆嗦河天然河道流經(jīng)位置的聚乎更四號(hào)和八號(hào)井積水量最大，其余采坑積水量相對(duì)較小。

3)木里礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理中， 在水文地質(zhì)條件分析和水質(zhì)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，因地制宜，模擬自然地表水系狀態(tài)，河湖一體化修復(fù)，對(duì)采坑積水的治理采取了積水整治形成高原湖泊和引水代填的兩種水系連通修復(fù)治理技術(shù)，經(jīng)濟(jì)高效，取得了良好的修復(fù)治理效果。