礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用理論模式與工程應(yīng)用

武 強, 劉宏磊, 敖 嫩, 曾一凡, 溫挨樹, 趙 頔, 袁勝超, 韓貴雷

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083；2. 國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心,北京 100083；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查研究院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；4. 華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021)

我國探明的能源資源儲量中，煤炭、石油和天然氣分別占94.0%，5.4%和0.6%，呈現(xiàn)鮮明的富煤、缺油、貧氣的資源稟賦特點。隨著國家去產(chǎn)能進程加速和供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革推進，礦業(yè)行業(yè)發(fā)展承壓，在經(jīng)濟新常態(tài)和能源結(jié)構(gòu)改革背景下，我國以煤炭為主體的一次能源消費需求逐漸下降，大量礦山正面臨政策性關(guān)閉和廢棄的窘境。

礦業(yè)工程活動在推動社會經(jīng)濟進步的同時，擾動了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。這些擾動產(chǎn)生了諸多環(huán)境效應(yīng)，有些對生態(tài)環(huán)境造成顯著的負面效應(yīng)，但也有一部分擾動帶來的正面效應(yīng)。以往對礦山環(huán)境領(lǐng)域的研究著重于礦業(yè)開發(fā)活動對環(huán)境產(chǎn)生的不良影響和破壞，側(cè)重對礦山環(huán)境負面效應(yīng)的機理分析與綜合防治對策的研究，而對于正面效應(yīng)的關(guān)注度不夠、研究程度不高。針對閉坑礦山如何有效開發(fā)利用其采掘空間和地面設(shè)施及伴生資源等，文獻[4]提出了“礦山環(huán)境正效應(yīng)”的概念。截至2018年，我國已有各類廢棄礦山約99 000座，如果僅僅將這些礦山直接關(guān)閉，不僅難以避免礦山環(huán)境負效應(yīng)的二次出現(xiàn)，威脅周邊生產(chǎn)礦井的安全，還造成了正效應(yīng)資源的浪費。

圍繞礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用的途徑和方法，國內(nèi)外學(xué)者探索了廢棄礦山在地下空間利用、殘余資源開發(fā)、工業(yè)遺跡旅游、“三廢”回收等方面的優(yōu)勢以及存在問題，提出了土地資源、礦山工業(yè)遺跡與科教、礦渣地下儲存、風(fēng)電清潔能源場地、殘余熱能、尾礦回收利用等綜合開發(fā)利用對策。我國已有不少礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用的案例，如唐山南湖沉陷區(qū)將原有采煤沉陷區(qū)域改造為濕地、地震遺址、運動場等主題的城市中央生態(tài)公園；黃石國家礦山公園，利用落差450余米的露天采坑改造為以“礦冶大峽谷”為核心景觀的礦山公園，成為科普教育、教學(xué)和環(huán)保示范基地；上海佘山世茂深坑酒店修建于深約80 m的露天采坑內(nèi)，并在采坑內(nèi)開發(fā)了觀賞、娛樂休閑等項目。

雖然我國礦山環(huán)境研究進入了“市場化運作與開發(fā)式”治理3.0階段(2019年至今)，但現(xiàn)階段我國對礦山環(huán)境正效應(yīng)尚缺少系統(tǒng)的分類研究，對礦山的開發(fā)利用以單一策略為主，尚未對正效應(yīng)資源化開發(fā)利用從系統(tǒng)的、模式化的角度展開理論和實踐研究。筆者以礦山環(huán)境正效應(yīng)為研究對象，按照“對象-目標-技術(shù)-模式”的系統(tǒng)化思維，秉承“目標導(dǎo)向”思路，厘定適宜的子目標，并以可行的技術(shù)為支撐，經(jīng)技術(shù)的優(yōu)化組合構(gòu)建出發(fā)揮正效應(yīng)資源潛力和價值的礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用理論模式，為礦山環(huán)境正效應(yīng)的開發(fā)利用提供理論和方法支撐。提出的礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式，與文獻[20]研究的礦山環(huán)境負效應(yīng)修復(fù)治理模式相呼應(yīng)，分別探討礦山環(huán)境正、負2個方面效應(yīng)的研究方法和應(yīng)對策略，以期實現(xiàn)我國礦山環(huán)境研究正效應(yīng)資源化開發(fā)利用與負效應(yīng)系統(tǒng)化修復(fù)治理的“雙贏”目標。

1 礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式

礦山環(huán)境效應(yīng)是礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程中因擾動區(qū)域的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)所造成的影響。從生態(tài)平衡的視角看，這些影響有的短期內(nèi)可恢復(fù)，有的是長久的、甚至不可逆的。這些擾動產(chǎn)生的影響中，那些對生態(tài)系統(tǒng)造成的負面效應(yīng)，被稱作“礦山環(huán)境負效應(yīng)”，但也有一些擾動帶來的正面效應(yīng)，稱之為“礦山環(huán)境正效應(yīng)”。礦山環(huán)境負效應(yīng)修復(fù)治理的目的是減輕礦業(yè)開發(fā)活動對環(huán)境的負面影響，而礦山環(huán)境正效應(yīng)(以下簡稱“正效應(yīng)”)的研究旨在挖掘礦山的正效應(yīng)資源，趨利避害、化害為利，并使其得以資源化綜合利用，成為延長礦產(chǎn)開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵支撐點和后礦業(yè)時代發(fā)展的重要方向。

1.1 基本原理

基于筆者此前的相關(guān)積累和研究，筆者明確了礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式的定義，即以礦山環(huán)境中的正效應(yīng)作為對象，考慮區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型方向、資源供應(yīng)要求及服務(wù)終端范圍等因素，以科學(xué)的開發(fā)利用目標為導(dǎo)向，結(jié)合正效應(yīng)的資源種類、賦存條件、開發(fā)利用價值、技術(shù)經(jīng)濟能力以及風(fēng)險和后果等內(nèi)容，臻選合理的子目標，以行之有效的技術(shù)和方法為基礎(chǔ)，建立的一套正效應(yīng)開發(fā)利用優(yōu)化組合技術(shù)體系。

以正效應(yīng)作為模式研究的對象，秉承“目標導(dǎo)向”思路，厘定適宜的子目標，并以可行的技術(shù)為支撐，形成發(fā)揮正效應(yīng)資源潛力和價值的技術(shù)模式。其研究內(nèi)容分為目標導(dǎo)向與子目標分解、模式技術(shù)厘定及模式構(gòu)成3部分。首先選定適宜的一個或多個開發(fā)利用目標，將每個目標分解為數(shù)個可行的子目標，厘定子目標適宜的技術(shù)方法，最后優(yōu)化、組合技術(shù)構(gòu)建正效應(yīng)開發(fā)利用模式(圖1)?？梢钥闯觯瑥哪繕说侥Ｊ降倪^程中間出現(xiàn)了一對一、一對多、多對多等映射關(guān)系，而模式理論和實踐研究的意義則在于探索如何通過開發(fā)利用技術(shù)的有機組合來實現(xiàn)正效應(yīng)開發(fā)利用潛力的最大化。

圖1 礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式構(gòu)成原理Fig.1 Composition principle of the development and utilization models for PEIs in mines

1.2 礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用的目標

確立科學(xué)合理的開發(fā)利用目標是正效應(yīng)開發(fā)利用的前提。不論露天礦山或是井工礦山、煤炭礦山或是非煤礦山，均具有挖掘正效應(yīng)的潛力。根據(jù)正效應(yīng)屬性，其目標分為資源正效應(yīng)、能源正效應(yīng)、科普文娛正效應(yīng)、生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)4類(表1)。

(1)資源正效應(yīng)目標。資源正效應(yīng)包括土地資源、空間資源、殘留資源及“三廢”資源，其開發(fā)利用可擴充現(xiàn)有資源量，減少資源損失和浪費。土地資源包含未擾動的土地和受損修復(fù)(恢復(fù))的2類土地，可緩解城鎮(zhèn)土地資源緊缺，解決土地資源供需矛盾；空間資源指礦業(yè)工程活動直接或間接形成的地表和地下空間；殘留資源包括礦山水資源、伴生資源以及舊采殘留資源，其開發(fā)可降低資源勘探和開發(fā)成本，減少資源浪費及環(huán)境污染；“三廢”資源是指礦業(yè)活動的廢棄物和副產(chǎn)物中提取和釋放的有用的固、液、氣三相資源，如煤矸石、酸性礦井水、沼氣等。

(2)能源正效應(yīng)目標。能源正效應(yīng)以“清潔、低碳、安全、高效、可再生”為開發(fā)利用方向。礦山中可發(fā)掘的能源形式，除了礦物能源外，還有經(jīng)技術(shù)和場地改造后可開發(fā)的電能和熱能，如瓦斯發(fā)電、風(fēng)光互補發(fā)電、抽水蓄能發(fā)電，礦井殘存低溫?zé)崮艿?。要求盡量不開拓新空間、不占用新場地，利用礦山原有的通風(fēng)、運輸、供電等系統(tǒng)，嚴控對環(huán)境的二次擾動。

(3)科普文娛正效應(yīng)目標。礦山的生產(chǎn)場地與工業(yè)遺跡具有顯著的科學(xué)研究和文旅娛樂價值。將礦山深部空間改造為科學(xué)實驗場所，不但可滿足采礦、地質(zhì)、水文、巖石力學(xué)等研究對原位實驗的需求，而且因其屏蔽宇宙射線、恒溫、恒濕等特點，適合作為地下暗物質(zhì)探測、軍事試驗、核試驗等試驗場所。利用礦山特殊的工業(yè)景觀、礦業(yè)遺跡、地質(zhì)現(xiàn)象將其改造為礦山公園、礦山小鎮(zhèn)等，開發(fā)其旅游觀光價值和科普礦業(yè)知識、環(huán)保、節(jié)能減排等價值；此外，礦山特殊的地形為滑雪、攀巖等極限運動和體能訓(xùn)練提供了場地和環(huán)境條件。

(4)生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)目標。辯證地講，采礦對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的擾動并不完全等同于生態(tài)環(huán)境破壞。我國西部地區(qū)部分修復(fù)后的采煤沉陷區(qū)、排土場的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)于原始的自然生態(tài)環(huán)境，這使得部分資源開發(fā)活動間接改善了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)。礦山生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)的開發(fā)利用結(jié)合礦山生態(tài)在改善環(huán)境、生物多樣性、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益、地域氣候變化等方面的優(yōu)勢，運用生態(tài)修復(fù)技術(shù)方法和管理手段，將農(nóng)、林、牧、副、漁有機結(jié)合，獲得適應(yīng)礦山惡劣環(huán)境、具有較高經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的生態(tài)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)，以期達到生態(tài)資源的循環(huán)開發(fā)利用。

礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用目標包含內(nèi)容豐富的子目標，通過模式的技術(shù)輔助，既可開發(fā)為獨立的正效應(yīng)產(chǎn)品，也可成為其他正效應(yīng)目標的必要過程或者中間產(chǎn)品。如圖2所示，資源正效應(yīng)中的土地、空間為生態(tài)、能源、資源的開發(fā)提供必要的立地條件或場地空間；礦山水資源為農(nóng)業(yè)種植、植被恢復(fù)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖提供必要的水供給；生態(tài)服務(wù)中的農(nóng)牧業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖為礦山和周邊城鎮(zhèn)提供了大量的農(nóng)牧漁產(chǎn)品；風(fēng)電、光伏發(fā)電、瓦斯發(fā)電等電力能源可并入電網(wǎng)補給電力需求，在產(chǎn)出商品電的同時，升級能源結(jié)構(gòu)；礦山科普和旅游觀光均具有良好的社會和經(jīng)濟價值，應(yīng)將生態(tài)服務(wù)與文化旅游產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，依托修復(fù)后的生態(tài)環(huán)境、地形地勢、歷史文化、礦業(yè)文化等，發(fā)掘礦業(yè)生態(tài)產(chǎn)品、景觀產(chǎn)品等。

表1 礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用的目標和途徑

圖2 礦山環(huán)境正效應(yīng)目標與部分正效應(yīng)資源產(chǎn)品Fig.2 Utilization objectives of PEIs and their products

1.3 正效應(yīng)開發(fā)利用模式的技術(shù)方法

正效應(yīng)開發(fā)利用模式依托于相應(yīng)的技術(shù)得以落地應(yīng)用。筆者梳理了礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式常用的技術(shù)方法，見表2。開發(fā)利用目標的實現(xiàn)需要單項技術(shù)或者多項技術(shù)的有機組合，而子目標與技術(shù)之間亦呈現(xiàn)多對一的特點，因此開發(fā)利用技術(shù)的選取要盡可能多地與子目標對應(yīng)，從而優(yōu)化正效應(yīng)開發(fā)利用效果。

表2 礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式的常用技術(shù)方法

(1)資源正效應(yīng)開發(fā)利用技術(shù)。包括資源回收、水資源調(diào)蓄與利用、廢棄建筑加固與再利用、地下空間改造等技術(shù)類型。其中，資源回收技術(shù)如深度預(yù)裂爆破、水力割縫、水力壓裂、水力鉆孔等瓦斯回收抽采技術(shù)；廢棄建筑加固與再利用和地下空間改造技術(shù)的重點是提高其穩(wěn)定性和強度，如金屬礦山的巷道經(jīng)過空間結(jié)構(gòu)構(gòu)架支撐、錨噴支護等工程加固和修復(fù)，地下空間可作為倉儲、科研、地下城市、地下博物館等場所，再配合地下運輸和消防、供電、照明、通風(fēng)、排水、通信、報警、標識等輔助技術(shù)設(shè)施，改善地下空間適居性；水資源調(diào)蓄與利用技術(shù)旨在保護礦山水資源和解決水資源短缺問題，尤其在水資源緊缺、水土流失嚴重的礦區(qū)，滿足礦山生產(chǎn)和生態(tài)服務(wù)用水需求，提高植被存活率和生態(tài)修復(fù)效果。

(2)能源正效應(yīng)開發(fā)利用技術(shù)。能源正效應(yīng)主要包括電力能源和熱力能源2種形式。其中，電力能源的開發(fā)需要依托于修復(fù)后的采煤沉陷區(qū)、排土場等的礦山地表場地和空間實施的光伏、風(fēng)力和核能等可再生能源發(fā)電技術(shù)，也需要將具有勢能高差的礦山地表空間和地下穩(wěn)定空間改造為可儲能的抽水蓄能發(fā)電技術(shù)，以及通過抽取賦存關(guān)閉煤礦中的殘留資源以及壓占煤層內(nèi)賦存的瓦斯資源作為動力能源材料的瓦斯發(fā)電技術(shù)。熱力能源主要是利用低溫水源熱泵和空氣源熱泵技術(shù)，將礦坑及其中的礦井水作為蓄熱系統(tǒng)，利用礦山的水文觀測孔、地質(zhì)勘探鉆孔以及豎井、巷道等，提取礦井排水、設(shè)備冷卻水、廢棄井巷內(nèi)礦井水和乏風(fēng)中的熱量，用于洗浴供熱、建筑物室內(nèi)供熱以及農(nóng)業(yè)供熱等。

(3)科普文娛正效應(yīng)開發(fā)利用技術(shù)。主要包括科學(xué)實驗、旅游文化和體育娛樂3個方面。其中，利用實驗室設(shè)計和平臺模擬技術(shù)，將礦山的地表和地下穩(wěn)定的空間改造為適宜試驗和科學(xué)研究的場地；通過保留和修復(fù)場地的礦業(yè)特色，結(jié)合旅游資源的評價、預(yù)測，將礦山改造為科普教育和文化旅游功能的礦山公園、礦山遺跡博物館、科普基地等。

(4)生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)開發(fā)利用技術(shù)。主要用于實現(xiàn)土地功能修復(fù)、生態(tài)農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)殖以及礦業(yè)生態(tài)景觀開發(fā)3方面功能。其中，土壤改良使排土場、矸石山等固廢堆以及采煤沉陷區(qū)的土地功能在工程治理后得到進一步優(yōu)化，改善損毀土地的貧瘠情況，使其具有生態(tài)演替功能。生態(tài)農(nóng)牧養(yǎng)殖技術(shù)旨在將生態(tài)農(nóng)業(yè)觀光與立體化農(nóng)業(yè)、牧業(yè)活動結(jié)合，通過專門的育種、栽培選取出適宜礦山的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，并配合動物與農(nóng)業(yè)的立體化飼養(yǎng)，結(jié)合地下農(nóng)業(yè)、生態(tài)觀光農(nóng)業(yè)、立體農(nóng)業(yè)、特色農(nóng)業(yè)等先進技術(shù)，形成集水產(chǎn)養(yǎng)殖、家禽養(yǎng)殖、蔬果種植及農(nóng)副產(chǎn)品加工為一體的礦山農(nóng)牧養(yǎng)殖的生態(tài)立體循環(huán)系統(tǒng)。

1.4 礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用理論模式

正效應(yīng)開發(fā)利用模式的構(gòu)建以“目標”導(dǎo)向，尋找適宜的子目標，以對應(yīng)的子目標和技術(shù)的有機優(yōu)化組合為途徑，旨在因地制宜地、多元地開發(fā)礦山環(huán)境正效應(yīng)資源，使開發(fā)利用效果最大化。

根據(jù)正效資源的屬性，可選目標往往不唯一，且目標與子目標具有一對多的映射關(guān)系。為了明確模式的差異化特征，在目標的倒逼下就需要選擇適宜的主體與輔助目標之下的子目標及其技術(shù)方法，并將這種優(yōu)化組合構(gòu)建為正效應(yīng)開發(fā)利用模式，使技術(shù)方法的效益得以最優(yōu)表達(圖3)。

注：Ti為正效應(yīng)目標，分為主體目標和輔助目標；P1-i為正效應(yīng)目標的子目標分解；[PT1-1...PT1-m]M為主體目標技術(shù)優(yōu)化組合；[PTN-1...PTN-m]C為輔助目標技術(shù)優(yōu)化組合。圖3 礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式構(gòu)成Fig.3 Composition of the development and utilizationmodels for PEIs

從資源利用最大化的角度看，模式的目標選擇要實現(xiàn)多種資源的綜合利用，如地下和地上空間的組合利用；從我國未來能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和發(fā)展的角度看，要確保開發(fā)方式的可持續(xù)性和低碳環(huán)保性；從我國未來城市發(fā)展的結(jié)構(gòu)和功能要求看，要服務(wù)礦山周邊的經(jīng)濟和社會體系，推動城鎮(zhèn)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、服務(wù)城市發(fā)展。筆者結(jié)合我國礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用的現(xiàn)狀，通過開發(fā)利用對象分析、目標制定以及模式技術(shù)厘定，構(gòu)建了服務(wù)于不同的開發(fā)目標的礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用理論模式(表3)。

表3 礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用理論模式

續(xù)表

2 理論模式的工程應(yīng)用

筆者以生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)模式[TB+TB+ TB]+[TR/TR]為例，說明礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用理論模式在生產(chǎn)礦山中的工程應(yīng)用。

2.1 礦山環(huán)境背景

民達露天煤礦位于鄂爾多斯市東勝區(qū)銅川鎮(zhèn)，礦區(qū)面積20.71 km。該礦地處鄂爾多斯高原東部丘陵溝壑區(qū)，原始地貌溝多坡陡地形切割侵蝕強烈、沖溝發(fā)育，屬半干旱高原大陸性氣候，年平均降水量350 mm，年平均蒸發(fā)量為2 297.4～2 833.7 mm。礦區(qū)地處華北植物區(qū)系，地帶性植被為典型草原，原始地表多被第四系風(fēng)積砂與黃土覆蓋，土壤貧瘠，水土流失嚴重。

2.2 “生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)”開發(fā)利用工程

充足的土地資源、適宜的氣象水文條件是生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)模式使用的前提。但是，受地理條件和氣象水文影響，該礦區(qū)原始地表侵蝕強烈、沖溝發(fā)育，屬宜林宜牧地區(qū)，適宜農(nóng)業(yè)開發(fā)的土地資源極少。而在排土場達到設(shè)計標高、各平盤和坡面覆土修復(fù)后可形成大面積土地資源。根據(jù)生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)模式技術(shù)構(gòu)成，這些土地經(jīng)改良土壤、增加肥力后，結(jié)合農(nóng)業(yè)開發(fā)技術(shù)、立體飼養(yǎng)技術(shù)，輔以礦井水資源化利用和節(jié)水灌溉技術(shù)以及地下空間改造技術(shù)，可實現(xiàn)生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)、礦山水資源和地下空間的綜合開發(fā)利用(圖4)。

圖4 民達煤礦生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)開發(fā)利用工程Fig.4 Development and utilization of 3D ecological agriculture and animal husbandry projects in Minda Mine

(1)土地修復(fù)與土壤改良。在內(nèi)外排土場平臺和坡面上分別覆蓋0.7和0.5 m以上的表土，并在頂部修筑土埂和中間田埂網(wǎng)格減少水土流失，坡面修沙柳網(wǎng)格防風(fēng)固沙。重覆表土后，針對土壤質(zhì)量較低且保水、保肥性差的特點，添加生物炭、有機肥、風(fēng)化煤和秸稈等有機物料，將其改良為適宜玉米等農(nóng)作物生長的耕地。

(2)生態(tài)立體農(nóng)牧養(yǎng)殖。根據(jù)農(nóng)牧產(chǎn)品對空間位置需求不同的特點，在排土場地勢較高且平整連片的區(qū)域，利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)，種植玉米、小麥、蔬菜瓜果等農(nóng)作物，局部開發(fā)為人工灌木林地和草地，林下養(yǎng)殖雞、鴨等家禽；在地勢較低處構(gòu)筑淡水魚、蝦養(yǎng)殖區(qū)，形成耕地、林草地、禽畜、水產(chǎn)等立體化農(nóng)牧養(yǎng)殖布局。

(3)礦山水資源利用。礦區(qū)內(nèi)修建了截伏流和多處場外徑流攔蓄工程，設(shè)置了大量截水溝、引水渠用于回收自然降水，并建設(shè)了礦坑內(nèi)涌水澄清池、雨水回收池和排土場滴灌噴淋系統(tǒng)，確保生態(tài)用水。建成城市中水調(diào)蓄工程，與城鎮(zhèn)水中水處理系統(tǒng)聯(lián)通，每年可補充200 Mt生態(tài)用水。

(4)地下空間改造。利用廢棄石英巖礦洞，并配備冷藏、冷凍設(shè)施，用于存儲生產(chǎn)的瓜果蔬菜、肉類食品。

2.3 模式效益與討論

該礦區(qū)采用生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)開發(fā)利用模式，取得的生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)效益顯著，已修復(fù)耕地1.26 km，林地、灌木林地7.23 km，牧草地10.58 km，種植玉米、蠶豆等農(nóng)作物，楊、松樹等喬木，檸條、沙棘等灌木，苜蓿、草木樨等牧草。土壤改良與農(nóng)牧養(yǎng)殖組合后，修復(fù)的土地為牛棚、豬舍、雞舍、魚塘等提供建設(shè)場地，修建果蔬、花卉溫室大棚270余棟，養(yǎng)殖牛羊等家畜4 000余頭，家禽類3 000余只，建成數(shù)座水產(chǎn)養(yǎng)殖魚塘。動物排泄物、魚塘底泥為生態(tài)修復(fù)提供養(yǎng)分，而耕地、林草地的農(nóng)作物以及牧草可成為畜牧飼料，形成了生態(tài)資源循環(huán)開發(fā)利用，而廢棄石英巖礦洞的開發(fā)為農(nóng)林牧產(chǎn)品的儲存、加工提供了地下空間。

從以上可以看出，理論模式在工程應(yīng)用中，具有相同主體或輔助目標的正效應(yīng)模式可以組合、疊加。如圖5所示，多個模式組合開發(fā)利用應(yīng)注意模式目標和產(chǎn)品之間的彼此關(guān)聯(lián)、配合，地表、地下空間充分利用，減少獨頭目標的出現(xiàn)。例如，“生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)”與“生態(tài)景觀旅游”模式疊加，共享土壤改良、動植物培育和生態(tài)景觀等技術(shù)，打造具有觀賞價值的動、植物園區(qū)，形成礦山農(nóng)業(yè)與生態(tài)休閑一體化開發(fā)。再如，在以上為基礎(chǔ)，繼續(xù)疊加“光風(fēng)互補發(fā)電”模式，為農(nóng)牧養(yǎng)殖、副產(chǎn)品加工提供必要的電能，深化農(nóng)牧產(chǎn)品種養(yǎng)植和加工產(chǎn)業(yè)鏈。

圖5 礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式組合示意Fig.5 Combination of development and utilization models for the positive environmental impacts

3 機遇與展望

碳中和背景下，新的能源格局形勢和礦山環(huán)境“市場化運作和開發(fā)式”治理3.0階段使礦山環(huán)境研究面臨一系列新情況、新問題、新挑戰(zhàn)。

3.1 正效應(yīng)對能源格局演變的意義

國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和消費占比變化，勢必對國家資源和能源安全保障提出挑戰(zhàn)。同時，礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級加快和廢棄礦山數(shù)量持續(xù)增多，倒逼資源型城市轉(zhuǎn)型和礦山環(huán)境保護與修復(fù)要走市場化道路。而正效應(yīng)開發(fā)利用模式的研究為這些問題提供了可行的解決途徑。

3.1.1 礦山環(huán)境保護與資源安全保障

能源行業(yè)轉(zhuǎn)型的核心是低碳能源對化石能源的替代。但是，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整將增加資源安全的風(fēng)險，因此有必要在頂層設(shè)計層面，結(jié)合我國能源基礎(chǔ)與社會經(jīng)濟狀況，從能源消費格局演變、資源保障體系、能源替代技術(shù)等角度，建立礦山環(huán)境保護與資源安全保障體系，耦合資源供應(yīng)安全保障與正效應(yīng)資源開發(fā)利用?；诘V山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式，評估和利用礦山潛在的正效應(yīng)資源和產(chǎn)品， 如光、風(fēng)電產(chǎn)能、儲電能力、生態(tài)服務(wù)產(chǎn)品碳匯能力、地下空間開發(fā)潛力等，構(gòu)建低碳清潔能源產(chǎn)業(yè)，在推進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的同時保障能源安全和資源產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)定。

3.1.2 資源型城市轉(zhuǎn)型

我國以礦業(yè)為主的資源型城市數(shù)量在我國所有地級市占比超40%，這些城市大都面臨著資源枯竭、產(chǎn)業(yè)單一、人才流失等狀況，急需轉(zhuǎn)變城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。從負效應(yīng)修復(fù)治理的角度看，生態(tài)環(huán)境改善是城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。而正效應(yīng)的發(fā)掘?qū)Y源性城市的轉(zhuǎn)型起關(guān)鍵作用，正效應(yīng)開發(fā)利用模式從資源開發(fā)、能源利用、文化旅游、生態(tài)服務(wù)等方面為資源型城市的多元化發(fā)展提供方向、落地技術(shù)和方法，有助于優(yōu)化城鎮(zhèn)、礦業(yè)、生態(tài)等方面的國土空間布局，建設(shè)“礦-農(nóng)-城”的資源、經(jīng)濟、社會共同體，使礦業(yè)城市形成新的多元產(chǎn)業(yè)集群。

3.1.3 礦山環(huán)境市場化道路

礦山環(huán)境效應(yīng)的開發(fā)與修復(fù)是關(guān)乎能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和礦業(yè)城市升級的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，2者均需要資本市場和相關(guān)政策為其提供強有力的保障。雖然正效應(yīng)產(chǎn)出的生態(tài)、旅游、能源等產(chǎn)品收益可觀，但是從綠色循環(huán)經(jīng)濟的角度，其規(guī)劃、建設(shè)、運行及非技術(shù)成本集中在開發(fā)利用初期，影響礦山企業(yè)內(nèi)生動力。這些瓶頸問題的解決需要礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式在實踐中走市場化道路，堅持“誰修復(fù)治理、誰受益”和“誰開發(fā)、誰受益”原則，吸引市場各方資金以減輕財政和企業(yè)負擔(dān)。此外，碳排放權(quán)交易市場、交易品種和方式的成熟將激勵企業(yè)主動開發(fā)碳匯和低碳、清潔產(chǎn)品，節(jié)能降耗、減少碳排放。

3.2 礦山環(huán)境保護與治理3.0階段

礦山環(huán)境研究的目的是保護和修復(fù)治理環(huán)境并加以開發(fā)利用。我國礦山環(huán)境研究經(jīng)歷了“被動式”治理1.0階段(1999年前)、“主動式”治理2.0階段(1999—2019年)、“市場化運作與開發(fā)式”治理3.0階段(2019—至今)3個階段。3.0階段在“兩山”理論和綠色礦業(yè)體系的指導(dǎo)下，針對生產(chǎn)礦山，強調(diào)“邊開采—邊修復(fù)—邊恢復(fù)—邊開發(fā)”的礦山環(huán)境保護新模式，尋求基于自然的解決方案，建立前端規(guī)劃、中端修復(fù)、末端市場運行開發(fā)式治理的全生命周期礦山環(huán)境保護理念，將亡羊補牢式的修復(fù)治理轉(zhuǎn)變?yōu)槲从昃I繆的保護與開發(fā)利用；針對歷史遺留的廢棄礦山，在調(diào)查、設(shè)計、修復(fù)治理礦山環(huán)境負效應(yīng)、確保修復(fù)治理質(zhì)量的同時，調(diào)查、評估正效應(yīng)的資源潛力并將正效應(yīng)資源加以綜合開發(fā)利用，引入市場機制，進入正效應(yīng)資源開發(fā)利用與負效應(yīng)修復(fù)治理相互補償、協(xié)同實施的良性循環(huán)軌道，實現(xiàn)可持續(xù)性的開發(fā)式治理目標。而礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式不僅適用于生產(chǎn)礦山，也適用于廢棄礦山，其應(yīng)用將有助于礦山環(huán)境3.0階段發(fā)展期和全勝期的到來。

此外，礦山環(huán)境的研究要以“山水林田湖草砂(海)”生命共同體為理念，把礦山環(huán)境定位于山水林田湖草砂(海)大系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，以流域作為礦山環(huán)境研究和構(gòu)筑生態(tài)安全屏障的基本單元，統(tǒng)籌流域礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)及服務(wù)業(yè)對環(huán)境造成的點、線、面及體源負效應(yīng)和潛在的正效應(yīng)，開展多地區(qū)、多部分、多行業(yè)的系統(tǒng)性修復(fù)治理和開發(fā)利用工作。開展全流域水文長期動態(tài)監(jiān)測和評價模型研究，仿真模擬流域系統(tǒng)地表水、地下水的水量均衡過程和水質(zhì)演化規(guī)律，揭示礦業(yè)工程活動、氣候變化和地下水系統(tǒng)演化之間的耦合關(guān)系，結(jié)合礦山水“控制、處理、利用、回灌與生態(tài)環(huán)?！蔽逦灰惑w系統(tǒng)理論，實現(xiàn)流域內(nèi)礦業(yè)開采集中區(qū)域水資源精準調(diào)控與利用，打造流域單元的環(huán)境空間立體化、一體化生態(tài)廊道和水網(wǎng)格局。

3.3 正效應(yīng)開發(fā)利用示范引導(dǎo)和工程試點

基于模式理論的研究成果推廣正效應(yīng)示范應(yīng)用，根據(jù)正效應(yīng)資源種類、賦存條件、開發(fā)利用價值、技術(shù)經(jīng)濟水平和管理能力等，在神東、冀中、蒙東、寧東等14座煤炭基地推廣煤炭礦山正效應(yīng)工程試點，示范煤炭資源生產(chǎn)與正效應(yīng)開發(fā)利用協(xié)同管理技術(shù)，將大多數(shù)負效應(yīng)轉(zhuǎn)化為正效應(yīng)并將其資源化開發(fā)利用，并探索礦山環(huán)境正效應(yīng)差異化的開發(fā)利用規(guī)程、技術(shù)方法標準等。此外，利用在試點推行模式的工程數(shù)據(jù)可進一步改進和優(yōu)化正效應(yīng)開發(fā)利用模式，為在全國范圍內(nèi)推廣礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式提供參考和依據(jù)。

3.4 礦山環(huán)境研究的數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型

工業(yè)4.0是利用信息化技術(shù)促進產(chǎn)業(yè)變革的時代，也是智能化時代。推進礦山環(huán)境研究向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將元宇宙技術(shù)、虛擬交互、光學(xué)虛擬以及3D打印技術(shù)等引入礦山環(huán)境研究領(lǐng)域，通過模擬，可以更加直觀地展示正效應(yīng)開發(fā)利用的效果。此外，加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈和智能化等信息技術(shù)在礦山環(huán)境研究領(lǐng)域的應(yīng)用，有利于礦山環(huán)境正、負效應(yīng)動態(tài)監(jiān)測、碳排放和碳匯集能力監(jiān)測、正效應(yīng)模式產(chǎn)出效益的評估與預(yù)測，有助于正效應(yīng)開發(fā)利用模式得到最大化應(yīng)用。

4 結(jié) 語

礦產(chǎn)資源業(yè)正處于供給側(cè)改革和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，礦山環(huán)境研究也在經(jīng)歷一個由修復(fù)治理轉(zhuǎn)向開發(fā)利用的時代，礦山環(huán)境保護與開發(fā)由“人工修復(fù)”為主轉(zhuǎn)向了“自然恢復(fù)”為主、由“被動式”治理、“主動式”治理轉(zhuǎn)向了“市場化的開發(fā)式”治理，其本質(zhì)是人類運用自然科學(xué)研究對工程活動與自然生態(tài)環(huán)境關(guān)系認識的深化。

礦山環(huán)境正效應(yīng)研究建立在多學(xué)科理論交叉的基礎(chǔ)之上，筆者按照“對象-目標-技術(shù)-模式”的系統(tǒng)化思維，構(gòu)建出礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用技術(shù)模式，旨在為系統(tǒng)化、資源化開發(fā)利用礦山環(huán)境正效應(yīng)提供理論支撐，并以內(nèi)蒙古典型煤礦為例，示范和說明了模式的工程應(yīng)用和效果。在目標的導(dǎo)向下，規(guī)模化的正效應(yīng)開發(fā)利用會產(chǎn)生累積價值，要從綠色循環(huán)經(jīng)濟角度看待開發(fā)利用的投入和產(chǎn)出，從長遠的角度看待礦山環(huán)境正效應(yīng)深遠的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟和社會價值。要將正效應(yīng)的產(chǎn)品鏈、生態(tài)鏈與礦山環(huán)境負效應(yīng)研究聯(lián)結(jié)為完整的礦山環(huán)境效應(yīng)研究系統(tǒng)，既要實現(xiàn)各類負效應(yīng)的有效治理，又要實現(xiàn)正效應(yīng)資源的優(yōu)劣互補與循環(huán)利用。

在能源格局演變的形勢下，礦山環(huán)境正效應(yīng)研究與資源安全戰(zhàn)略保障、城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型以及市場化發(fā)展密切相關(guān)，是實現(xiàn)碳中和背景下能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要途徑。在礦山環(huán)境修復(fù)治理3.0階段，堅持“人與自然和諧共生的美麗中國”理念，推進礦山環(huán)境開發(fā)式修復(fù)治理、以流域為單元的系統(tǒng)化修復(fù)治理與開發(fā)利用，推動礦山環(huán)境正效應(yīng)開發(fā)利用模式的示范與工程落地，以及數(shù)字化、智能化研究，將有助于實現(xiàn)我國在礦山環(huán)境修復(fù)治理與開發(fā)利用的“雙贏”目標。