水系構建與生態(tài)修復技術在遼寧采煤沉陷區(qū)治理中的探索

汪 浩

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

遼寧省采煤產業(yè)一直是政府的支柱產業(yè)，近年來，煤炭資源富含量隨著開采逐年減少，如何探索修復采煤沉降區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題，已經成為鐵嶺、康平、阜新、撫順等資源枯竭型城市經濟轉型發(fā)展的迫切需求[1]。采煤沉降區(qū)域內由于地表沉降坑的存在，在一定程度上破壞水利工程，造成河道、渠系底部斷裂，無法正常排出澇水，區(qū)域內澇頻發(fā)[2]。因此，采煤沉降區(qū)水系整治既是恢復區(qū)域水利工程基礎功能的迫切需求，也是實現區(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合治理的必經之路[3]。采煤沉降區(qū)水系綜合治理是順應國家大趨勢、且符合生態(tài)文明建設的重要戰(zhàn)略[4]。結合采煤沉降區(qū)實際情況，重點完善水系排水系統(tǒng)升級改造和濕地水系連通建設，將沉降區(qū)水域做好河湖連通，從而建成具有特色的沉降區(qū)濕地群[5]。近些年來，對于采煤沉降區(qū)的水系治理及生態(tài)修復技術取得一定研究成果[6-15]，但對于其水系和生態(tài)修復技術治理體系研究還相對較少，為分析北方采煤沉陷區(qū)內水利工程、河流及水生態(tài)所受影響分析，構建基于防洪、除澇、生態(tài)修復為目標的水系治理和生態(tài)修復為一體的綜合技術體系，研究成果對于推動遼寧地區(qū)采煤沉陷區(qū)水系治理和生態(tài)修復工作的標準化以及類似工程治理具有指導意義。

1 沉陷區(qū)水系存在問題

1.1 區(qū)域總體問題

區(qū)域內由于煤礦開采帶來了經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾，多數地區(qū)區(qū)域內現有水利系統(tǒng)受到破壞，區(qū)域內形成了一定程度的防洪安全隱患，對區(qū)域防洪、治澇產生了不利影響，形成的沉降坑及積水沒有得到充分利用。

1.2 防洪安全問題

由于礦區(qū)涉及的范圍很廣，煤礦采煤區(qū)域逐漸向周圍地區(qū)擴展，采煤沉陷區(qū)域的變形和塌陷也逐年擴展和加深，沉陷區(qū)域地層要經過沉降初期、中期和穩(wěn)定期，區(qū)域內水利工程的結構穩(wěn)定性勢必會受到影響，甚至損毀。部分區(qū)域內有中小型水庫，如果水庫壩體因此沉降，水庫輸水洞和溢洪道等主體設施也因沉降發(fā)生損毀，水庫如果要處于正常運行狀態(tài)，防洪安全必然存在隱患。區(qū)域內河流、排干等如果發(fā)生沉陷，可造成局部岸線沉降不連續(xù)，大水時可能有水流通過岸線豁口流出，威脅兩岸地區(qū)人民生命財產安全。

1.3 區(qū)域排澇問題

部分采煤沉降區(qū)屬于遼寧澇區(qū)地區(qū)。澇區(qū)的澇水主要通過排干排泄，澇區(qū)由于煤礦采礦導致局部地面坍塌，部分渠道塌陷破壞，喪失泄流能力，使得原有排水通道斷裂，排干內原排水位對應的來水量無法正常排出，不能發(fā)揮原有排澇功能，導致內澇頻發(fā)，周圍居民和耕地受到內澇影響嚴重；部分地區(qū)旱田占用原有渠道內的泄流通道，導致斷流；部分自排和機排工程老化，年久失修。

1.4 區(qū)域供水關系問題

部分區(qū)域內有中小型水庫，多數為防洪、灌溉、養(yǎng)殖功能于一體的綜合型水庫。北方地區(qū)多數為水資源短缺區(qū)，水田種植區(qū)基本都需要河水或井水灌溉，水庫下游的農田需要水庫供水灌溉，如果水庫處于采煤沉降區(qū)內，受地面沉陷影響水庫蓄水就必然會影響水庫的放水灌溉功能，造成無法供水的情況。

1.5 區(qū)域水生態(tài)問題

部分區(qū)域內河道灘地、濕地由于采煤區(qū)區(qū)域部分沉降，造成原有的水庫水面積減小，河道斷流、斷面萎縮，濕地系統(tǒng)水生態(tài)系統(tǒng)服務功能受到影響。沉降坑的存在，在區(qū)域內形成大大小小的坑塘，但是坑塘之間缺少必要的水系連通工程，在枯水季節(jié)不具備調節(jié)能力。如何利用好現有沉降坑，增加區(qū)域水系面積，發(fā)展?jié)竦孛娣e，改善局部小氣候，是需要解決的水生態(tài)環(huán)境問題。

1.6 區(qū)域水環(huán)境問題

區(qū)域內由于煤礦開采，礦區(qū)煤矸石產生量較大。由于運輸成本等方面限制，在地表堆置大量煤矸石作為廢棄物，矸石山逐步形成并對周圍環(huán)境產生影響。矸石粉塵入河，通過河道向下游輸送，會對本地及下游區(qū)域的水環(huán)境造成污染，減少矸石污染、開拓礦渣利用技術是解決區(qū)域環(huán)境污染的根本問題。

2 沉陷區(qū)內基于防洪、除澇目標的水系治理體系

2.1 沉陷區(qū)河網防洪、除澇目標

防洪、除澇目標是根據經濟發(fā)展水平，確定科學的防洪、排澇體系，保證防護區(qū)、保護對象，從而避免洪水災害對保護區(qū)內保護對象生命財產安全的影響，保障區(qū)域社會經濟健康、和諧發(fā)展。防洪保護的是防洪保護區(qū)和防洪保護對象。防洪保護區(qū)分為城市防護區(qū)和鄉(xiāng)村防護區(qū)。城市防護區(qū)根據政治、經濟地位的重要性、常住人口或當量經濟規(guī)模指標分為4個防護等級，并確定防洪標準。鄉(xiāng)村防護區(qū)根據人口或耕地面積分為4個防護等級并確定防洪標準。保護對象根據《防洪標準》分為工礦企業(yè)、交通運輸設施、電力設施、環(huán)境保護設施、通信設施、文物古跡和旅游設施、水工建筑物等保護對象。防洪工程措施主要是修建各類水利工程來抵御和控制洪水，是一種用于洪水防洪的直接手段。非工程措施主要是通過技術手段來較低洪水災害損失。治澇保護的是澇區(qū)內的保護對象。包括農田、城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村莊、重要場(廠)區(qū)。根據各保護對象規(guī)模、價值等確定治澇標準。治澇工程體系包括：排澇溝渠、排澇河道、排澇泵站、滯(蓄)澇區(qū)、承泄區(qū)。煤沉陷區(qū)防洪、治澇除根據《防洪標準》、《治澇標準》中保護區(qū)和保護對象確定的防洪、治澇目標、防洪標準外，還要參照《煤炭工業(yè)礦井設計規(guī)范》中采煤礦井場地、主井、副井及中央回風井井口等對象確定對應防洪目標和標準。

2.2 水治理理念

對于防洪工程中保護區(qū)和保護對象，達到對其保護是指在一定的洪水或降雨情況下不受淹，這要求能夠擋住洪水。對于排澇工程中保護對象，達到對其保護指對象所在位置在一定洪水或降雨情況下，洪水能順利排出并保證淹沒深度和時間不超過一定程度，這要求能泄出水。為保證水利工程能持久、穩(wěn)定地為人類社會提供服務功能，還要保證建筑物安全。對于沉陷地區(qū)的保護對象，首先確定保護的目標和任務，保護應建立在自然地貌、人工建筑物和構筑物全面納入，工程措施和非工程措施統(tǒng)籌布置，現在與未來全時段覆蓋3方面之上。自然地貌、人工建筑物和構筑物全面納入。把保護對象周邊的邊界條件全面考慮進來，不僅是人工修建的水利工程建筑物，還要考慮其他的構筑物、自然地勢地貌等。對于防洪任務還要包括實際起擋水作用的山坳、土坎等自然地貌和起到擋水作用的構筑物；對于排澇還要考慮有調蓄能力的坑塘、阻水的河道地勢變化等。把所有起到擋水作用的要素考慮進來，納入防洪系統(tǒng)當中。把所有影響排澇的要素考慮進來，納入到排澇系統(tǒng)內。隨著時間流逝，各個時段的防洪對象、任務需要根據相關規(guī)劃做出調整。同時，氣象、降雨情勢隨氣候而改變，地表附著物、下墊面條件隨著人類的改造和自然生態(tài)的恢復會變化，地貌、地形隨著地面沉降也有變化。對于采煤沉陷區(qū)來水，地貌、地形的變化影響較大，更需著重分析。

2.3 防洪、排澇影響因素分類

對于防洪，要考慮擋水高度不降低，考慮河內水位不上漲。擋水高度需要考慮建筑物建成后的本身沉降和區(qū)域內整體沉降；水位不上漲要考慮河流的來水、泄水情況，由于采煤沉陷，河道比降變化和產流的下墊面情況改變導致水文情勢的變化，同時采煤影響了河道地勢地貌，影響了過流能力和上下游水位，這些都將導致水位的變化。影響防洪擋水達標因素分類見表1。

表1 影響防洪擋水達標因素分類

對于排澇要考慮泄水能力不降低，來水流量不增加。泄水能力不降低要考慮沉陷區(qū)泄水渠道地形的改變將影響到過流泄水能力，地形改變也將影響上下游水流形態(tài)，間接影響到該段渠道的水力邊界條件而影響過流。來水流量不增加考慮沉陷區(qū)內河道比降變化，匯流時間和產流的下墊面情況改變導致水文情勢的變化；地勢改變后局部匯流面積的變化等。影響排澇泄水達標因素分類見表2。

表2 影響排澇泄水達標因素分類

2.4 地面沉降對防洪擋水和排澇泄水的影響

地面沉降后區(qū)域整體沉降導致擋水建筑物最大擋水高程降低，從縱向上看，整個擋水的線性工程局部段稱為短板，水流達到一定高程后即從此處滿溢泄流，造成被保護對象受淹，如建筑物在過水水流沖刷情況下損毀，則保護區(qū)和保護對象面臨受淹和受水流沖擊雙重影響。地面沉降后導致局部河槽降低，從河流縱斷上看，該段河流凹陷，與上下游連接成起伏曲線，對于來水水流下泄不暢，將進一步增加該段河道行洪壓力。地面沉降導致的地形地貌變化影響水流流態(tài)，地形地貌的劇烈變化會產生局部水頭損失增加，產生壅水，抬高水位，降低過流能力。采煤沉陷區(qū)河道水深和上游來沙量的改變引起植被種類的變化，河道人工建筑物不合理布置和垃圾堆積形成了阻水障礙。這些都將改變河道過流能力，影響水位。

采煤沉陷區(qū)河段上下游水位的變化與沉陷前后河道變化特點有關，從能量損失上看，沉陷區(qū)下游邊界處地形突變能量損失增大，上游斷面大流速降低，故而沉陷區(qū)內水位增加。沉陷區(qū)上游邊界損失增大，下游斷面流速降低，故而沉陷區(qū)內水位降低。特殊情況需根據情況具體分析。沉陷區(qū)改變了局部河段比降，區(qū)內上游段比降變大，下游段變小，從匯流來看，洪峰到來時間更短，洪峰流量更大，對沉陷區(qū)內防洪是不利的。沉陷區(qū)改變了部分區(qū)域流域邊界線的位置，對沉陷區(qū)內河流來水，增加了流域面積、洪量，同時也有增加洪峰流量的趨勢。沉陷區(qū)內生態(tài)植被的破壞，上游礦渣肆意流淌，都將導致下墊面的變化。下墊面儲水和滲水能力降低，是地表徑流量有所增加，對防洪產生不利影響。

對人工修建的過流涵管、隧洞等泄流建筑物，地面沉降將導致建筑物進出口沉降不均勻，減小過流面積，嚴重情況可能改變過水時的水流狀態(tài)，這兩方面同時影響著沉降后的泄流能力。建筑物由地面沉降引起的損壞和其他原因引起的損壞都是擋水、泄水工程失效的重要原因。產生沉降后，建筑物所在位置的環(huán)境條件和邊界條件發(fā)生變化。主要是工程水文、地質、上下游水利要素、毗鄰建筑物和構筑物相對位置改變引起的荷載變化等。這些變化將導致建筑物結構失穩(wěn)、設計功能實現受阻最終導致防洪和排澇功能無法實現，造成保護區(qū)和保護對象受損。

2.5 沉陷區(qū)內防洪與排澇的治理途徑

從防洪、排澇系統(tǒng)出發(fā)，統(tǒng)籌考慮工程措施和非工程措施、兼顧全時段覆蓋來探討防洪與排澇的治理途徑。通過對防洪、排澇影響因素和沉降影響特點，提出以下綜合治理途徑。影響防洪擋水與除澇泄水達標因素及治理途徑見表3。

表3 影響防洪擋水與除澇泄水達標因素及治理途徑

2.6 基于防洪、除澇目標的沉陷區(qū)河道治理措施

(1)調整河道縱比降。在小尺度的河段范圍內，縱剖面能反映河床地貌特征，如深潭、淺灘和江心洲等，在河段尺度內包含人工攔河跨河建筑物，如壩、堰、閘和橋梁等。在流域尺度內，縱段根據海平面、湖平面和其他河流等基準面的變化和地殼上升速度進行調整。隨著尺度的減小，泥沙淤積、地面沉陷等問題和人工建筑物的重要性會凸顯出來。河道縱比降決定了水流能量、泥沙輸移以及地貌變化等情況，因此河道縱比降的調整應給予足夠重視，如果比降過小，可能產生泥沙淤積問題；對于比降過陡，可能導致河床下切問題。河道比降確定有如下幾個途徑：如河流水沙條件變化不大，可參照對修復河段有約束作用的上下游河段的相關資料；如修復河道工程附近存在一段天然河道，并具有近似的流量和泥沙特征，可以參考改河段；根據修復河段附近的河谷比降和蜿蜒度確定河道比降。沉降區(qū)縱比降調整要考慮進一步沉降后對縱段治理的難度，沉降量大、范圍廣的沉陷區(qū)，當超出一定的經濟技術承受能力后，應綜合采用治理方法保障防洪、除澇安全。隨著上游來沙量在沉陷區(qū)的填充，比降也將逐年恢復至平衡狀態(tài)。

(2)恢復河道斷面。對河道寬度、深度進行確定，其大小取決于河流泥沙含量、徑流模式和徑流量以及河岸材料等因素。通常采用類比法、水力幾何關系法和一些經驗公式確定。對于沉降引起的斷面變化劇烈而修復難度較大的河段，應綜合采用治理方法保障防洪、除澇安全。

(3)河道地貌修復。河道斷面之間地貌、地形起伏應平順過渡無突變，土丘與深潭、岸坡與河槽盡量緩坡銜接，局部人造微地形不應太突兀。沉陷后斷面間變化劇烈無法修復的，待沉降穩(wěn)定后在變化處采取適當防護措施。

(4)垃圾移除、違規(guī)建筑物拆除。對河道內垃圾、山洪災害產生的泥石流、違規(guī)建筑物應及時清除，恢復原有河道形態(tài)。

(5)上下游綜合治理。對沉陷區(qū)上下游河段治理中不應造成特征流量下水位的明顯抬高。

3 基于水生態(tài)修復的水系構建技術

3.1 水生態(tài)修復的目標

良好的水生態(tài)系統(tǒng)修復要具有以下目標：①生物具有多樣性；②生態(tài)系統(tǒng)的結構完整；③外來物種少；④水域具備優(yōu)雅的景觀及水文化內涵；⑤水質良好，清澈見底，微生物、水草和魚類齊全。水生態(tài)修復的目標的表述是“修復”、“自然化”，修復措施對應“保護”、“被動修復”、“主動修復”，是促使河湖生態(tài)系統(tǒng)恢復到較為自然的狀態(tài)。著眼于河流生態(tài)系統(tǒng)的機構和功能，恢復目標把生物群落多樣性作為恢復程度的主要衡量標準。將恢復河湖激流水生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能修復作為基本目標。

3.2 水生態(tài)修復技術

3.2.1河道空間形態(tài)恢復

河道空間形態(tài)恢復包括河道的橫向、縱向及平面形態(tài)恢復幾方面，河道空間形態(tài)恢復應采用生態(tài)水工學的理念，重點打造多自然河流形態(tài)，在平面形態(tài)恢復方面，平原區(qū)自然河流的平面形態(tài)往往表現為蜿蜒性、多樣性及與河漫灘之間的連通性。山區(qū)丘陵區(qū)的自然河流的平面形態(tài)也多為蜿蜒性、呈“V”字形或“U”字形，其平面形態(tài)極為復雜，河岸線極不規(guī)則。沉陷區(qū)河道平面形態(tài)恢復應利用現有地形地勢，遇彎則彎，遇直則直，遇坑塘則建設深潭、濕地等，盡力保持河流的自然蜿蜒形態(tài)，避免傳統(tǒng)的直線化設計，可采用復制法、類比法、經驗公式法和數值模擬等方法進行平面蜿蜒性構建，提高河流的空間異質性?？梢圆捎弥苯痈脑斓姆绞竭M行生態(tài)恢復，也可以自然方式通過修建河內建筑物修復河流彎曲的形態(tài)。河流生物多樣性可以通過增加河流在沉陷區(qū)的形態(tài)進行改善，從而使得生物群落在河流中得到一定程度的改善。還可對河灣、蓄滯洪區(qū)、灘區(qū)連通性進行恢復，使得河流地貌單位得到進一步修復。

3.2.2水系連通構建

水生態(tài)5大完整性生態(tài)要素是河道水系連通的特征之一。水系內物質流、物種及信息流是水系連通的主要生態(tài)過程。河流上下游在不同時期的縱向連通、橫向(河道與河漫灘連通)、垂向(地表水與地下水連通)和河湖(庫)的物理連通和水文連通。物理連通是基礎，反映河流地貌形態(tài)；河湖生態(tài)驅動需要依靠水文連通。棲息地和生物多樣性需要通過物理、水文連通進行共同維系和結合。

工程和管理措施是河流水系連通恢復的主要措施。對于采煤沉陷區(qū)縱向水系連通層次，利用沉陷坑建設的魚塘、濕地、沼澤等措施，由于坑塘之間缺乏水體連通交換和水力聯系，在枯水季節(jié)不具備調節(jié)能力。應依據河道空間形態(tài)恢復的原則進行水系連通構建，水系連通構建宜在現有形態(tài)基礎上因地制宜設計，各控制水位和流量應根據水生植物和坑塘容積合理設計。濕地最高、最低設計水位必須滿足大部分濕地植物生理要求。應根據濕地中地表積水、季節(jié)性積水、常年積水等特點設置不同控制高程水位；建設水網連通工程來解決水網阻隔問題，水庫、水閘群生態(tài)優(yōu)化調度是其主要管理措施。建設河道連通工程是針對河道阻隔問題恢復側向連通性的工程措施。可采取堤防后退來針對解決河流-河漫灘系統(tǒng)阻隔問題，將濕地、水塘和河漫灘進行連通。河岸線管理及行政執(zhí)法是其主要的管理措施。地表水與地下水交換的問題可通過采用減滲控滲等措施來恢復垂向連通性進行有效解決。

3.2.3河道水體環(huán)境恢復

人工濕地建設是河道水體環(huán)境恢復的主要措施，在凈化的工程中人工濕地自身性質具有特殊性，其可在生物、物理及化學多重作用下通過水體中的生態(tài)系統(tǒng)將徑流中的攜帶的有害物質進行過濾和沉淀從而實現消除，降低水體中污染物的濃度，濕地適合于水生動植物生長，同時可以提供人類賴以生存和持續(xù)發(fā)展的事物和能源及材料。相比傳統(tǒng)污水處理方式，人工濕地性價比更高，且水體凈化效果總體好于傳統(tǒng)污水處理方式。

3.2.4生物水生態(tài)環(huán)境

生物水生態(tài)環(huán)境修復包括水域岸線修復、河道內棲息地修復等。河漫灘和河岸植被相互作用是自然河岸系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要來源，也是河流棲息地修復的重要基礎，河流自然功能修復是堤岸功能保護的主要目的，其基本條件是不妨礙水流的長期自然發(fā)生的過程。沉陷區(qū)水域岸線一般分為堤防和護岸2種防護型式。堤防沉陷后，河道行洪能力受到堤頂高程下降影響有所降低，不同程度的裂縫出現在堤防內部降低了堤防的安全度，影響其行洪安全。堤防修復一般主要采用工程措施從堤防尺寸和防滲2個方面進行修復。區(qū)河道堤防工程較少，多以護岸防護為主，水系岸坡防護工程修復主要可以采用2種方式：一是降低水流沖刷來提高河岸方案結構，減小水流流速來加強堤岸的防護，二是對河岸棲息地進行相應的恢復。自然型岸坡防護主要在天然植物等防護材料的基礎上對其護岸的結構進行防護加固，且可以為水生動植物建立較好的棲息地環(huán)境，也可以改善河流自然景觀。

4 結語

(1)采煤沉陷區(qū)河道斷面恢復中河道寬度、深度大小取決于河流泥沙含量、徑流模式和徑流量以及河岸材料等因素。通常采用類比法、水力幾何關系法和一些經驗公式確定。對于沉降引起的斷面變化劇烈而修復難度較大的河段，應綜合采用治理方法保障防洪、除澇安全。

(2)對于沉陷區(qū)河道平面形態(tài)恢復應盡力保持河流的自然蜿蜒形態(tài)，避免傳統(tǒng)的直線化設計，可采用復制法、類比法、經驗公式法和數值模擬等方法進行平面蜿蜒性構建，提高河流的空間異質性。

(3)為加快沉降區(qū)水系建設，后續(xù)還應結合工程實踐對其相關理論和技術更新和覆蓋程度進行深入研究，從而為實現安全、生態(tài)、文明的流域水系提供更加全面的指導和借鑒。