永城市采煤塌陷積水區(qū)生態(tài)治理工程及相關(guān)問題探討

李再興 ,徐偉,蔣麗,姚嬌嬌

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪地理信息院,鄭州 450006;2.河南省天空地遙感智能監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心,鄭州 450006;3.河南省自然資源天空地遙感智能監(jiān)測(cè)研究科技創(chuàng)新中心,鄭州 450006;4.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，鄭州 451464)

淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)中西部的徐州、淮北、宿州及永城諸地，地處華北平原的南部邊緣，煤炭資源豐富，礦山多年的開采，形成了眾多的采空塌陷積水區(qū)，造成了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞。在充分利用積水區(qū)域的基礎(chǔ)上，結(jié)合專項(xiàng)規(guī)劃或城市發(fā)展需要等，采用建立濕地、生態(tài)湖泊、生態(tài)湖泊水上公園或生態(tài)魚塘等工程理念，恢復(fù)生態(tài)，構(gòu)建起環(huán)境優(yōu)美、風(fēng)景宜人的生態(tài)或休閑旅游生態(tài)新景觀等[1-3]。

以永城為例，以“生態(tài)水城”為指導(dǎo)思想，綜合考慮旅游產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展和環(huán)境效益等多個(gè)因素來進(jìn)行恢復(fù)治理。整體上其可分為四大模式：景觀治理模式、生態(tài)濕地模式、高效農(nóng)業(yè)模式及生態(tài)休閑觀光農(nóng)業(yè)治理模式[4]，而這些治理模式中常涉及魚塘、濕地及湖泊等蓄水工程。

以永城市東西城區(qū)間采煤塌陷區(qū)為例，采用“挖深墊淺”的治理思路，結(jié)合當(dāng)?shù)匕l(fā)展規(guī)劃，構(gòu)建“濕地+生態(tài)湖泊”的景觀治理復(fù)墾模式，即日月湖生態(tài)修復(fù)工程，現(xiàn)為國家級(jí)水利風(fēng)景區(qū)。2017年2月經(jīng)省林業(yè)廳批復(fù)永城市日月湖成為省級(jí)濕地公園建設(shè)試點(diǎn)。

盡管永城地區(qū)塌陷積水生態(tài)治理工程生態(tài)修復(fù)效果顯著，但其對(duì)蓄水工程岸坡的穩(wěn)定性和水體滲漏問題探討相對(duì)較少，本次擬以永城地區(qū)該類生態(tài)治理工程為例，探討蓄水后工程地質(zhì)問題，為同類地區(qū)的礦山生態(tài)修復(fù)及后期管護(hù)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 水文

永城市內(nèi)地表水系發(fā)育，主要有沱河、包河、澮河、王引河及其支河，由西北向東南展布，至安徽省境內(nèi)匯入淮河，各主要河流均有很多支流。

1.2 地形地貌

永城市位于黃淮海平原腹地，地貌類型單一，除東北部的芒碭山群外，黃淮沖積平原為本區(qū)的主要地貌類型，地勢(shì)西北高、東南低，地形平坦，總體標(biāo)高在31.9 m左右，高差不大。

1.3 地層巖性

永城煤田屬華北地層區(qū)，魯西分區(qū)徐州小區(qū)。除芒山及南部柏山出露零星的寒武系、奧陶系外，其余全被新近系、第四系厚層松散沉積物所覆蓋。第四系廣泛覆蓋于新近系之上，厚度近90.00 m，主要巖性為褐黃、棕黃色粘土、粉質(zhì)粘土以及黃色及灰褐色粉砂、細(xì)砂組成。

1.4 水文地質(zhì)

在鉆孔揭露的深度內(nèi)可劃分為[5]：松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、巖溶水3個(gè)含水層，又可細(xì)分為10個(gè)含水巖組。各含水層組之間都存在隔水層，使各含水層之間不存在或存在微弱的水力聯(lián)系。廣大平原區(qū)第四系含水層直接接受大氣降水補(bǔ)給，地下水位很淺，一般埋深3.0～5.0 m以內(nèi)，資源豐富，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉與農(nóng)民生活用水。

1.5 工程地質(zhì)

以某礦山塌陷區(qū)生態(tài)治理工程為例[4，6]，在勘探深度范圍內(nèi)其地層巖性自上而下主要由人工填土、粘性土、粉土及砂性土組成，為第四系全新統(tǒng)河流相沉積(Qhal)。據(jù)其工程地質(zhì)性質(zhì)，場(chǎng)地可劃分為4個(gè)工程地質(zhì)單元層，土承載力特征值為110～250 kPa，壓縮模量5.1～10.20 MPa。

2 地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害

該區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害類型為因煤炭開采而引起的地面塌陷及其伴生地裂縫。其在地表上表現(xiàn)為凹陷盆地形態(tài)，多為四周略高、中間稍低的碟型洼地。因不同礦山煤層埋深、厚度等因素的不同，塌陷深度深淺不一。據(jù)以往調(diào)查數(shù)據(jù)[6]，采煤區(qū)的塌陷中心深度一般為0.5～4 m，平均為2.25 m。

在地勢(shì)較低或塌陷中心區(qū)域，因地表高程低于潛水位，塌陷區(qū)域會(huì)常年積水；在一部分區(qū)域盡管地表高程高于潛水位，但因大氣降水的補(bǔ)給，也會(huì)季節(jié)性積水；對(duì)于塌陷積水區(qū)域的耕地恢復(fù)難度較大[4]。

3 治理工程

3.1 濕地與湖泊工程

結(jié)合當(dāng)?shù)鼐坝^規(guī)劃，按照“挖深墊淺”、“挖湖堆山”和“保留礦山塌陷遺跡”的總體治理思路，對(duì)于塌陷較深區(qū)域?qū)嵤╅_挖工程和蓄水工程，營造自然水域景觀體系；打造生態(tài)濕地區(qū)和湖泊風(fēng)景區(qū)。

3.1.1 濕地工程

利用塌陷區(qū)特征，結(jié)合規(guī)劃、科普、人文景觀的需要，建設(shè)不同主題的濕地公園：一是在距城市較遠(yuǎn)的塌陷區(qū)，由于塌陷深度較淺，且存在一定的季節(jié)性積水，結(jié)合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，為了涵養(yǎng)水源，建立生態(tài)濕地區(qū)，為科普、科學(xué)研究提供平臺(tái)；二是針對(duì)靠近城市的大面積塌陷區(qū)，利用其塌陷深淺位置的不同，較淺區(qū)建立生態(tài)濕地區(qū)(圖1)，與人文景觀相融合，起到凈化水源、美化市容和改善整個(gè)城市山水生態(tài)風(fēng)貌目的，為城市特色旅游建設(shè)提供平臺(tái)。

圖1 淺層生態(tài)濕地區(qū)

另外由于礦山大面積塌陷，不僅造成了耕地的大量損毀，而且造成了諸多房屋開裂，甚至不能居住，從而造成許多居民離開家園。為了讓更多的人了解、認(rèn)識(shí)和體驗(yàn)塌陷區(qū)風(fēng)貌，根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)劃，保留一部分塌陷區(qū)受損的原始房屋，建立生態(tài)濕地區(qū)(圖2)，且為礦山濕地公園的建立提供平臺(tái)。

圖2 房屋保留濕地區(qū)

總體來說，濕地區(qū)建設(shè)是利用現(xiàn)有的塌陷相對(duì)較淺的積水區(qū)域，進(jìn)行局部或少量的開挖，或者不再開挖，僅局部整飾后形成的生態(tài)景觀區(qū)，一般水深1～2 m，局部達(dá)到3 m左右，且該區(qū)水生植物往往大量繁殖。

3.1.2 湖泊工程

結(jié)合當(dāng)?shù)匾?guī)劃、充分發(fā)揮區(qū)位優(yōu)勢(shì)，將離城市中心較近的、靠近主干道的大面積采煤塌陷區(qū)及其積水區(qū)，開發(fā)成由淺到深、由外到內(nèi)水域景觀區(qū)，即形成淺部的濕地與深部的湖泊相結(jié)合，湖中小島與岸邊堆山相結(jié)合，把城市的人文風(fēng)貌融入到水域景觀治理中，起到既美化環(huán)境又展現(xiàn)城市的內(nèi)涵，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┮粋€(gè)生態(tài)休閑旅游的好去處。正如前面所述的“日月湖生態(tài)修復(fù)工程”是此方面最好的詮釋。

治理思路上，湖泊工程是采取的挖深墊淺的工作方法，在大面積塌陷積水的基礎(chǔ)上進(jìn)一步地開挖，以達(dá)到蓄水的深度合理、水域面積可觀的情況下，形成的湖泊景觀區(qū)(圖3)。一般水深達(dá)到3～5 m，汛期水量增加、水位會(huì)有所上升，但最高水位線不會(huì)超過湖岸線。

圖3 景觀湖泊區(qū)

3.2 魚塘工程

針對(duì)不同礦山的地質(zhì)環(huán)境的破壞程度不同，相應(yīng)的治理方法、治理措施、治理思路應(yīng)結(jié)合礦山實(shí)際情況確定。永城地區(qū)眾多塌陷區(qū)，應(yīng)當(dāng)?shù)卮迕窠M要求，盡可能的恢復(fù)耕地，在土源不足的情況下，在塌陷相對(duì)較深的區(qū)域進(jìn)一步開挖，開挖的土方回填至開挖取土區(qū)以往的相對(duì)較淺的區(qū)域，以達(dá)到耕種要求；而原取土區(qū)域形成的取土坑，改造成魚塘(圖4)，交與當(dāng)?shù)匕傩?，發(fā)展種植+養(yǎng)魚的綜合農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)。

圖4 魚塘工程區(qū)

魚塘的挖深和大小，一般考慮恢復(fù)耕地所需土方平衡的需要和當(dāng)?shù)佤~塘養(yǎng)魚所需積水深度的經(jīng)驗(yàn)等諸多因素來確定，一般來說開挖深度h在塌陷面以下3～5 m，地下常水位線下2～3 m；長寬在十幾米到數(shù)百米的規(guī)模；邊坡回填高度H一般為1～2 m，設(shè)計(jì)坡比多控制在1∶2～1∶1。

4 工程地質(zhì)問題

4.1 水體的補(bǔ)給

塌陷區(qū)水域治理工程蓄水水源主要來源于3個(gè)方面，大氣降水、淺層地下水和河流水。

(1) 大氣降水補(bǔ)給

塌陷區(qū)開挖形成地表水體后，可直接接受大氣降水的補(bǔ)給。永城地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，降水量年際變幅大，年內(nèi)分配不均，暴雨及連陰雨較多。根據(jù)永城氣象站多年的氣象資料分析，歷年平均降水量800 mm，是該地塌陷區(qū)地表水水體重要補(bǔ)給源之一。

(2) 淺層地下水補(bǔ)給

日月湖等治理工程實(shí)施期間，實(shí)測(cè)周邊區(qū)域地下水位埋深多在4.0～6.0 m，水位標(biāo)高多在27.00～29.00 m，在一個(gè)水文年里，有一定的變幅，總體上控制在27.50～28.50 m標(biāo)高左右。據(jù)調(diào)查，蓄水工程開挖的底標(biāo)高一般低于地下水位線標(biāo)高，接受地下水補(bǔ)給；尤其日月湖工程底標(biāo)高低于常水位線數(shù)米，地下水是湖泊的重要補(bǔ)給源。

(3) 河流補(bǔ)給

眾多蓄水工程周邊存在河流，河流亦是蓄水工程重要補(bǔ)給源之一。當(dāng)河流水位高于地下水位時(shí)，在一定條件下，可通過地下徑流補(bǔ)給蓄水工程。

4.2 工程水體的滲漏

本文所指的工程水體的滲漏是指治理后的湖(塘)水體通過一些通道(介質(zhì))排泄出去，使湖(塘)中的水位下降的現(xiàn)象。

以日月湖為例，治理工程開挖的地層主要為人工填土和粉質(zhì)粘土，其中湖底部位于粉質(zhì)粘土層內(nèi)。據(jù)鉆孔資料顯示，粉質(zhì)粘土層中含有透鏡體，巖性多為粉砂，這就意味著湖邊坡和底部局部地段有粉砂層的存在。

在綜合考慮降雨、蒸發(fā)及徑流補(bǔ)給的情況下，經(jīng)過計(jì)算，豐水年湖水充沛，湖水以補(bǔ)給地下水為主；枯水年和平水年湖水不足，以地下水補(bǔ)給湖水為主，部分月份(常在汛期)也存在湖水補(bǔ)給地下水。即在豐水年或在部分月份中，湖水水位高于地下水位時(shí)，存在水體滲漏現(xiàn)象。

4.3 岸坡的穩(wěn)定性

湖(塘)等工程開挖后，尤其湖泊和濕地開挖后，形成的岸坡線較長，其巖性為粉質(zhì)粘土、粉土，局部存在粉砂。工程蓄水后，采用何種坡比和護(hù)坡形式，直接影響了岸坡的穩(wěn)定性和工程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在不考慮湖內(nèi)水位降落影響下，以日月湖二期岸坡為例[7]，地面無超載現(xiàn)象，采用瑞典圓弧法，選擇最不利情況考慮，以地面超載20 kPa計(jì)，設(shè)計(jì)最陡(坡比1∶1)進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明(圖5)，穩(wěn)定系數(shù)Ks=1.626，大于規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 瑞典條分法穩(wěn)定性驗(yàn)算圖

其它湖段與該湖段地質(zhì)情況及工況情況類似，湖岸坡度更緩，更有利于湖岸穩(wěn)定。在工程實(shí)施過程中，考慮到工程效果和安全，在不同的地段采用不同的邊坡形式，諸如天然土質(zhì)邊坡、疊石邊坡、漿砌石護(hù)坡以及直立邊坡等等(圖6、圖7、圖8和圖9)。

圖6 疊石岸坡

圖7 漿砌石岸坡

圖8 砌石直立岸坡

圖9 自然土質(zhì)岸坡

5 探討與建議

5.1 工程問題探討

(1) 據(jù)勘查數(shù)據(jù)[6]，該類蓄水工程的底板和邊坡巖性一般以粉質(zhì)粘土為主體，滲透系數(shù)平均值為14.1×10-5cm/s，為相對(duì)隔水層，而地下水和臨近的河流水如何通過以粉質(zhì)粘土層為主體的地層中滲流成為其重要的補(bǔ)給源，需要進(jìn)一步研究。

(2) 不同位置的蓄水工程，其水文地質(zhì)條件存在差異，補(bǔ)徑排有所不同，故蓄水工程的挖深和常水位需因地而設(shè)，以確保工程得到有效水源，以保證其長久運(yùn)行。

(3) 湖(塘)岸坡巖性多為粉質(zhì)粘土，但局部存在含砂透鏡體，這必將影響邊坡的穩(wěn)定；同時(shí)湖(塘)的底蝕、側(cè)蝕作用和常水位線的上下波動(dòng)，都將影響了岸坡的穩(wěn)定性，需要進(jìn)一步研究。

(4) 護(hù)坡的形式有多種，有疊石、漿砌石和自然開挖邊坡的等等，需進(jìn)一步研究一種安全、經(jīng)濟(jì)和可靠的邊坡形式，既要考慮邊坡的穩(wěn)定性，又要兼顧其美觀生態(tài)性。

5.2 建議

(1) 華北平原南部、淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)西部的永城，地勢(shì)平坦、地下水埋藏淺，且煤炭資源豐富，多年的開采引起諸多的地質(zhì)環(huán)境問題，工程治理多采用“挖深墊淺”的涉水儲(chǔ)水工程。諸多的人工地表水工程的出現(xiàn)，必然對(duì)區(qū)域水環(huán)境發(fā)生影響。建議開展區(qū)域水環(huán)境調(diào)查，調(diào)查地下水與地表水、淺層地下水與中深層的水力聯(lián)系，研究水環(huán)境變化等等。

(2) 建議針對(duì)重大的湖泊景觀工程、濕地工程開展專門的水文地質(zhì)調(diào)查，調(diào)查補(bǔ)徑排途徑、水質(zhì)變化以及由此引起的周邊生態(tài)環(huán)境的變化，以保證治理工程高效安全生態(tài)運(yùn)行。