采煤沉陷區水資源綜合開發利用研究

許士國，劉 佳，張樹軍

（1.大連理工大學建設工程學部，遼寧大連116024；2.北京中水新華國際工程咨詢有限公司，北京100053）

煤炭資源的大規模開采和利用，給人類帶來巨大的經濟效益，同時也給人類的生存環境帶來一系列的消極影響。大規模的煤炭開采，常常造成大面積土地沉陷,開采沉陷在破壞地表地貌和地下水系統的同時，還引起房屋失穩等地表安全隱患。地面沉陷不僅使可利用土地面積減少、質量退化，而且加劇了地、礦之間的矛盾，極大地限制了礦區的經濟發展。針對已形成的采煤沉陷區，傳統的治理方法是挖深墊淺、復墾耕地，但是恢復耕地的積水問題制約了土地產出。因此，本文擬通過對采煤沉陷區疏挖整治，擴大蓄水能力，建設平原湖泊，從雨洪資源利用的角度來解決采煤沉陷區治理問題，實現土地復墾、水環境建設等綜合治理目標，同時提高地表水資源的開發利用率，為采煤沉陷區的綜合治理和水資源合理利用提供新的思路。

1 國內外研究現狀

由于能源需求的急劇增加，采礦業快速發展，19世紀中葉出現了開采沉陷問題，80年代末開始進入開采沉陷研究的熱門時期。1987年，Runkle和Singh等人開始對土地生態環境的影響機制與恢復進行研究。隨著3S技術的快速發展，三維數字化模型也逐漸使用于沉陷區對地面產生影響的研究當中，利用GIS對礦區開采沉陷區進行預測和損失估計也成為研究熱點之一。國外對沉陷區的治理，已經取得了良好的社會效益。英國和美國礦業與環境委員會將沉陷洼地開發為林地、草地、農地、娛樂場所、野生動物棲息地，德國科隆市西郊在采煤沉陷的地形上造成了一個既有沼澤也有林地的環境，目前已經聚集了野生水鳥和動物。近年來，美國、澳大利亞的一些學者提出把多種自然環境因素引進城市地域，城郊建水庫與河湖可以凈化空氣和吸收噪音；城郊建成大面積綠化帶，引來自然界的動物與人類共同生活于城市地域中。

我國對開采沉陷區的研究相對較晚，近年來，不少學者從景觀生態和可持續生態環境管理等方面對采煤沉陷區進行環境影響評價，利用多種評價方法如人工神經BP網絡、模糊綜合評價、多層加權綜合評價等對沉陷區的環境進行綜合評價、治理和利用[1-5]。另外，還有許多關于沉陷預測方法的研究，如Elman神經網絡[6]，三維動態模擬技術[7]。與國外相比我國的煤礦沉陷區開發利用率較低僅為5%～10%左右。本研究試圖將采煤沉陷區開發成以蓄水供水為主要功能，兼顧水生態環境治理的平原湖泊，從雨洪資源利用角度探討采煤沉陷區治理問題。

2 沉陷區治理措施

采煤沉陷區治理開發的主要目標是將其作為平原湖泊來引蓄洪水資源。通過對采煤沉陷區的整治并引入河流雨洪資源，建設平原湖泊，擴大蓄水能力，提高地表水資源開發利用率。水庫的調節能力是與水庫的蓄水容量密切相關的，如何提高調節能力和湖區生態治理就成為了關鍵問題。下面主要從工程措施和非工程措施兩個方面對對沉陷區的生態治理進行了分析。

2.1 工程措施

2.1.1 擴大沉陷區庫容

根據沉陷區下沉趨勢及周邊地區未來的農業發展要求，在現有水庫周邊待沉陷地區進行簡單的挖深處理以增加庫容，挖出的土，一部分可以堆積在湖中央形成綠地，擴大濕地治理面積，改善湖水水質；另一部分，可以用作新農村宅基地回填用土，提高居民的生活質量。

根據沉陷區的發展趨勢，可以利用溝渠將其眾多沉陷區溝通起來，構成調蓄水系統，提高調節能力。

修建庫區堤壩，在汛期通過泵站抽取來水流量到庫區存蓄起來，不僅可以增大蓄水容積提高澮河水資源利用率，還可以降低洪水災害風險。

2.1.2 構建人工濕地

礦區塌陷嚴重地改變了地貌結構，形成了條帶狀、斑塊狀的下陷地貌，在雨水季節，截留和儲存降水，自成河湖。礦區塌陷地大面積地積水，客觀上已經改變了當地的生態環境，使礦區原本單一的陸生生態系統演替為水-陸復合型生態系統。這對我國水資源相對短缺而言，無疑具有十分重要的意義。所以，因地制宜，將塌陷地改造成溝河湖泊，收集儲留降雨，并在這些溝河湖泊內建立各種類型的構造濕地，對區域內的工業廢水、生活廢水的尾水及農田退水等進行深度處理，既解決地區水資源短缺之矛盾，又可以資源化利用尾水，減少解決廢水的投資。根據沉陷區特點濕地構造原則，修建養殖型、景觀型和凈化型濕地，在一定保證率供水基礎上，充分發揮天然水域的生態作用。

1）養殖型濕地。對于一些孤立型深度塌陷地，周邊無過渡地帶，恢復多樣性的挺水植被、浮葉植被和沉水植被有一定難度，特別是沒有足夠的中度塌陷區構建凈化作用強的挺水植被。對于這類塌陷地，可以直接修復為養殖型構造濕地，引種一些沉水植物，這些植物對水質具有一定的改善作用，可以有效降低水體中氮、磷、葉綠素含量以及懸浮物濃度，對維持湖區生態系統穩定性具有重要的意義。

2）景觀型濕地。對于人類活動密集區的塌陷地，構建景觀型濕地或者濕地公園。將塌陷形成的狼藉地貌改造為景觀優美的小型河流湖泊，在這些小型河流湖泊周邊引種栽培觀賞植物，特別注意引種一些濕生植物，如鳶尾、菖蒲、香蒲、水竹等。景觀型濕地主要考慮在岸邊帶引種栽培既具有觀賞價值又具有凈化功能的濕地植物，岸邊帶栽種的濕地植物對地表徑流具有良好的過濾凈化作用，同時也可以營造親水環境。

3）凈化型濕地。利用塌陷地，構建尾水凈化型濕地，既解決了塌陷地復墾利用問題，又解決了尾水資源化利用問題，因此具有很強的實用性。在中度-輕度塌陷區常用來建設污水凈化型構造濕地，在長條帶狀的中度塌陷區（常年或季節性積水在0.5m左右），引種蘆葦、香蒲等挺水植物，構建蘆葦濕地。同時，可以將附近的污水尾水集中到該區域，一方面可以對尾水進行深度處理，另一方面可以保證干旱季節濕地土壤的含水量，維持濕地生態系統的穩定性。

2.2 非工程措施

1）建立采煤沉陷區動態管理信息系統。建立沉陷區動態監測系統，河湖水位、水質動態監測及水質預警監測系統，湖泊養殖、植被、生態動態信息監測系統，湖泊供水動態信息系統，礦井開采量及沉降信息系統，采煤沉陷區動態管理決策支持系統等。

2）編制調度方案，及時引水補缺。研究沉陷區水資源利用調度實施計劃，編制來水預報方案，結合信息系統，完善調度管理。增加沉陷區引水工程，補給沉陷區不能調蓄的缺水量。

3）重視水質變化，保證用水安全。環保部門應會同相關地區各級政府和部門，編制采煤沉陷區水質保護專項規劃或實施方案。確定地表水水質管理目標，明確界定治污對象，提出可行的治污方案和措施，確保水源地、輸水線路、受水區等水質保護區的水質符合供水要求。

3 研究實例

3.1 研究區概況

研究區位于華東地區的主要采煤基地，兩沉陷區相互隔離，長年積水，目前沉陷面積已達3.95km2且仍在不斷增加。沉陷區分布圖見圖1，該地區水資源嚴重短缺，多年平均降雨量為850mm。境內河流多為雨源型，隨機性明顯，大部分河流在枯水季節無水可蓄，自凈能力差。沉陷區無大型蓄水工程，豐水期洪水暴漲，大量洪水資源白白流走。同時，該地區水資源開發利用水平不高、效率低下，浪費嚴重，工業與生活、城市與農村爭水矛盾越來越突出，水資源短缺問題成為制約該區域發展的瓶頸。基于以上情況，擬利用沉陷區建立平原湖泊，把各采煤沉陷區連通串接，建立起兼景觀、供水和濕地構造于一體的沉陷區平原湖泊生態體系。利用沉陷區蓄積雨水和汛期洪水，容納部分水質達標的周邊地區的排水，并引入河流水資源，為平原湖泊尋找到水源補給，解決區域水資源短缺問題。

圖1 沉陷區空間分布示意圖

3.2 沉陷區可供水量計算

利用2007年實測的沉陷區高程點，使用SV300測繪成圖軟件生成三角網格的數值模型，對沉陷區現狀蓄水能力進行分析，計算平原湖泊容積為1190萬m3。兩沉陷區周圍現狀地面高程約27m，沉陷深度3～5m，沉陷面積分別為2.03km2和1.92km2，沉陷庫容分別為846萬m3和1793萬m3。根據兩區50年內的采煤規劃和地質條件分析推算，50年以后兩沉陷區面積將擴大到2.63km2和2.52km2，相應沉陷區庫容也將增大至1096萬m3和2353萬m3。

3.2.1 澮河可引水量分析

澮河是流經該地區河流中可利用水量最為豐富的一條河流，澮河流域多年平均降雨量為850mm，多年平均蒸發量為997.5mm，年徑流深約為130mm。降雨量的年內分配極不均衡，年雨量的60%～70%主要集中在汛期的6-9月；降水的另一個特點是年際變幅很大，豐水年份降雨量可達1300mm余，而枯水年僅500mm，年際最大差值近3倍。澮河的洪水特征是上中游匯流速度快，漲勢猛，而下游退水慢，汛期受洪水頂托倒灌，容易形成極嚴重的洪澇災害。根據澮河臨渙斷面的多年徑流資料，對澮河的水資源結構進行分解，從生態、利用與防洪角度出發，將河流水量分為生態水量、安全水量、風險水量和災害水量四部分[8]，四類水量多年平均值見表1。

表1 澮河水資源分類統計(1981-2008年)

結果表明除去澮河生態系統的支撐流量，由安全水量、風險水量兩部分組成的澮河可利用的水量占澮河總水量的86.78%，多年平均可利用水量達2×109m3，澮河水資源可利用量是相當可觀的。

3.2.2 可供水量計算

根據沉陷區歷年(1954-2008年)逐月降雨量資料，多年平均降雨量為851mm，降雨主要集中在6-8月，占全年的56%。煤礦日總排水量為20160m3/d，其中排入沉陷區水量為11500m3/d。從多年平均來看，沉陷區周邊地下水位年際變化不大，在1～2m之間波動。根據全年水量分析，沉陷區水滲漏補給地下水的水量要大于地下水補給沉陷區水的水量，但補給水量整體較小。根據降雨資料，對沉陷區集水量和澮河可引水量進行計算，加上礦坑排水量，得出沉陷區不同保證率下的可供水量，結果見表2。

表2 沉陷區年可供水量

3.3 綜合效果分析

3.3.1 供水效果分析

研究沉陷區主要為相鄰的工業園區供水，2007年在保證率為97%時總需水量為2500萬m3/a，規劃水平年2020年工業總需水量為7630萬m3/a。現狀條件下，一般澮河徑流在偏枯水年、平水年、豐水年可以滿足工業需水，特枯年份，沉陷區無法滿足工業需水。從供需分析可以看出澮河來水的流量過程變化大，總量大，但沉陷區調節能力低。因此考慮采取一定的調蓄工程，解決來水不均與相對均勻供水之間的矛盾，提高該系統的供水能力。

對沉陷區現狀湖泊進行整治，整治的范圍為生態蓄水位以上的區域，開挖的土方墊至最高限制水位以上的區域。依據確定的挖深墊淺整治原則，對沉陷區內22.0m和24.5m高程以上的區域進行開挖，挖出土方回填至26.0m以上的區域或小而獨立的沉陷區。在湖泊周邊建高0.5m的圍堤，并在圍堤周圍建200m寬的生態隔離帶。整治后沉陷區可供水量見表3。治理后工業園區近期、遠期規劃供水保證率分別可達到93.8%和61.2%。

3.3.2 生態效果分析

研究沉陷區與工業園區相臨，沉陷深度4m屬于中度沉陷類型。主要以凈化型濕地建設為主，輔生態景觀建設。該塌陷區早春季節區域水位較低，正好有利于蘆葦萌發，到春末雨季到來時，利用房亭河收集儲留流域內的降水，保持一定的水位，促進蘆葦的生長發育。采用蘆葦濕地對生活污水和工業污水集中深度處理，對BOD5，SS，VAS去除率可達90%以上；對氯苯、氯酚、農藥類、TN、TP去除率達到80%以上；細菌總數、蠕蟲卵、大腸菌群、沙門氏菌、噬菌體等99%。污水中的無機污染物（重金屬）和有機物最大限度地被濕地蘆葦吸附、吸收，充分利用自然凈化功能，使污水資源化達到漁業水質標準，即可徹底消除水污染隱患，又可改善與修復生態環境，使經濟效益、社會效益、環境效益達到最佳的統一。

表3 整治后沉陷區年可供水量

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