高潛水位礦區(qū)采煤沉陷前農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)決策研究

楊永均，陳 浮，王艷秋，韓方義，張紹良

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116；2.沛縣自然資源和規(guī)劃局，江蘇 沛縣 221600)

我國(guó)東部礦糧復(fù)合區(qū)地下水位高，采礦沉陷往往導(dǎo)致地表積水，農(nóng)用地生產(chǎn)功能喪失，耕地保護(hù)壓力巨大[1]。當(dāng)前，生態(tài)文明建設(shè)是社會(huì)發(fā)展的主旋律，國(guó)土空間生態(tài)系統(tǒng)性修復(fù)和近零生態(tài)損害的資源開(kāi)采已成為新目標(biāo)和新要求[2]。高潛水位礦區(qū)迫切需要轉(zhuǎn)變“先沉陷、再修復(fù)”的傳統(tǒng)思路，統(tǒng)籌考慮地上地下情況，實(shí)現(xiàn)全域保護(hù)性開(kāi)發(fā)[3-4]。近幾年針對(duì)高潛水位礦區(qū)農(nóng)用地保護(hù)和修復(fù)的技術(shù)取得了較大的進(jìn)展[4-5]，胡振琪等[4]提出了邊采邊復(fù)的理論和技術(shù)體系。在此基礎(chǔ)上，一些學(xué)者研發(fā)了挖深墊淺[6]、復(fù)墾時(shí)機(jī)優(yōu)選[7-8]、標(biāo)高控制[9]、泥沙充填[10]等關(guān)鍵技術(shù)。此外，還有學(xué)者開(kāi)發(fā)了疏水減損[11]、基于剩余變形的動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾[12]等技術(shù)。

通過(guò)在采煤沉陷全過(guò)程動(dòng)態(tài)實(shí)施這些技術(shù)，理論上能夠縮短修復(fù)時(shí)間、節(jié)省修復(fù)成本、搶救表土資源、有效地減少農(nóng)用地?fù)p毀面積、保護(hù)農(nóng)用地質(zhì)量和數(shù)量，具有較好的應(yīng)用潛力[4]。然而，實(shí)踐中這些技術(shù)的實(shí)施受到客觀條件的嚴(yán)重限制，如永久基本農(nóng)田在沉陷前不允許大規(guī)模工程措施破壞種植條件，因而無(wú)法預(yù)先通過(guò)挖深墊淺技術(shù)來(lái)?yè)尵缺硗梁蜏p少沉陷積水面積。為此，采煤沉陷前農(nóng)用地保護(hù)的技術(shù)實(shí)施需要系統(tǒng)性決策。本文系統(tǒng)分析高潛水位礦區(qū)農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)體系及其限制性因素，構(gòu)建決策方法，并應(yīng)用到2020—2030年沛北礦區(qū)農(nóng)用地保護(hù)規(guī)劃中，以期為推進(jìn)東部礦糧復(fù)合區(qū)的國(guó)土空間整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)與綜合治理提供技術(shù)支撐。

1 采煤沉陷對(duì)農(nóng)用地的影響

地下有用礦物被采出后，采區(qū)周圍巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)受到了破壞，使巖層發(fā)生了移動(dòng)、變形和破壞。當(dāng)開(kāi)采面積達(dá)到一定范圍之后，移動(dòng)和破壞將波及到地表，發(fā)生地面沉陷[1]。在東部高潛水位礦區(qū)，地面沉陷后，潛水位上升，土壤水分增加，硝化過(guò)程減少，造成無(wú)機(jī)養(yǎng)分減少，氮磷溶解，鹽漬化程度加重，影響農(nóng)作物根系的水分與養(yǎng)分供應(yīng)。當(dāng)沉陷深度大于潛水位埋深，地面形成積水區(qū)，農(nóng)用地產(chǎn)能喪失。此外，開(kāi)采沉陷還使得地面形成中心低、四周高的沉陷盆地，改變了地表地貌特征，地表坡度變大，侵蝕加重，土壤質(zhì)量下降，農(nóng)用地產(chǎn)能降低。最終，原有的農(nóng)用地生態(tài)系統(tǒng)逐漸演變成水陸相交互生態(tài)系統(tǒng)。

高潛水位地區(qū)農(nóng)用地實(shí)際上是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，在面臨擾動(dòng)時(shí)體現(xiàn)出一定程度的自組織和自調(diào)節(jié)能力，坡度、土壤含水量、地下潛水位、鹽堿度是農(nóng)用地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)開(kāi)采沉陷使得關(guān)鍵參數(shù)突破閾值，農(nóng)用地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變，原有生產(chǎn)能力減弱或者消失。因此，為維持高潛水位礦區(qū)農(nóng)用地生態(tài)系統(tǒng)的功能和質(zhì)量，必須在采煤沉陷過(guò)程中實(shí)施工程措施，增強(qiáng)農(nóng)用地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的恢復(fù)力，避免沉陷擾動(dòng)使得關(guān)鍵參數(shù)的閾值被突破，從而保持農(nóng)用地生態(tài)系統(tǒng)原有狀態(tài)[13]。

2 農(nóng)用地保護(hù)目標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)

高潛水位礦區(qū)采煤沉陷前農(nóng)用地保護(hù)是通過(guò)適宜的工程技術(shù)措施對(duì)農(nóng)用地進(jìn)行綜合整治，增強(qiáng)農(nóng)用地對(duì)沉陷擾動(dòng)的恢復(fù)力，提高農(nóng)用地質(zhì)量，從而減輕或避免沉陷對(duì)農(nóng)用地質(zhì)量和數(shù)量的影響。根據(jù)技術(shù)要點(diǎn)和對(duì)限制性條件要求的不同，高潛水位礦區(qū)采煤沉陷前農(nóng)用地保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)包括梯次整理、疏水減損、超前充填、挖深墊淺四種，見(jiàn)表1。

表1 高潛水位礦區(qū)采煤沉陷前農(nóng)用地保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)Table 1 Key technologies for agricultural land protection before coal mining subsidence in high ground-water level area

盡管梯次整理、疏水減損和挖深墊淺等技術(shù)也經(jīng)常被用于沉陷后農(nóng)用地修復(fù)，但高潛水位礦區(qū)采煤沉陷前農(nóng)用地保護(hù)與傳統(tǒng)技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別是在開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)施，即根據(jù)未來(lái)開(kāi)采沉陷的情況，控制地面和潛水位標(biāo)高，興建抗沉陷的基礎(chǔ)設(shè)施。保護(hù)技術(shù)的實(shí)施最佳時(shí)間是在農(nóng)用地生態(tài)系統(tǒng)突破生態(tài)閾值之前，即開(kāi)采沉陷對(duì)農(nóng)用地質(zhì)量、數(shù)量和功能造成顯著影響之前。與傳統(tǒng)的“先沉陷，再修復(fù)”相比，可以避免農(nóng)用地種植條件被破壞，節(jié)省沉陷后治理的修復(fù)成本，縮短修復(fù)時(shí)間，降低礦山企業(yè)對(duì)農(nóng)用地?fù)p毀的補(bǔ)償壓力。目前，山東和安徽等省在采煤沉陷區(qū)利用挖深墊淺技術(shù)開(kāi)展“邊采邊復(fù)”，較傳統(tǒng)的“先沉陷，再修復(fù)”技術(shù)可以提高耕地恢復(fù)率10%～40%[4]。

3 采煤沉陷前農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)決策方法

根據(jù)梯次整理、疏水減損、超前充填、挖深墊淺四種技術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)和限制性條件的不同，四種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)成本、工程量、限制條件的數(shù)量、實(shí)施難度依次增加。在農(nóng)用地保護(hù)規(guī)劃的過(guò)程中，需要根據(jù)農(nóng)用地地塊的限制性條件和影響因素進(jìn)行系統(tǒng)決策，選取適宜的技術(shù)。圖1給出了高潛水位礦區(qū)采煤沉陷前農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)的遞進(jìn)決策方法。

圖1 基于關(guān)鍵限制性條件的采煤沉陷前農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)遞進(jìn)決策方法Fig.1 Progressive decision-making method for agricultural land protection technologies before coal mining subsidence considering key constraints

一方面，依次考慮沉陷積水、疏水條件、充填物料、國(guó)土規(guī)劃四個(gè)關(guān)鍵限制性條件。首先，考察沉陷積水情況，當(dāng)沉陷深度小于潛水臨界深度，沉陷后不積水，則可以選擇梯次整理的方法，主要解決沉陷過(guò)程中的水土流失問(wèn)題；其次，若沉陷后積水，則考察地塊疏水條件，有無(wú)承泄和排水系統(tǒng)的興建條件，具備條件時(shí)，選擇疏水減損技術(shù)，避免大規(guī)模工程破壞農(nóng)用地種植條件；再次，若不具備疏水條件，考察湖泥、粉煤灰、矸石、建筑垃圾、客土等充填物料是否具備，具備條件時(shí)，選擇超前充填技術(shù)，保護(hù)全部農(nóng)用地；最后，若不具備充填物料，則考察地塊的國(guó)土規(guī)劃條件，當(dāng)?shù)貕K不屬于永久基本農(nóng)田保護(hù)范圍，且納入了土地整治專項(xiàng)規(guī)劃時(shí)，則可以部分調(diào)整土地類型并實(shí)施挖深墊淺工程，從而保護(hù)部分農(nóng)用地免于積水，若地塊屬于永久基本農(nóng)田，且沒(méi)有納入土地整治專項(xiàng)規(guī)劃，則應(yīng)及時(shí)申請(qǐng)土地變更，避免農(nóng)用地破壞等違法行為的產(chǎn)生。

另一方面，在農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)選定后，還必須考慮各種因素的影響，這些因素包括施工條件、沉陷特征、資金來(lái)源、保護(hù)意愿、效益情況和地塊質(zhì)量，根據(jù)這些影響因素來(lái)調(diào)整和布局保護(hù)技術(shù)實(shí)施的具體時(shí)間、地點(diǎn)、方式和工程量。對(duì)于施工條件，主要考慮工程實(shí)施的交通運(yùn)輸條件和施工成本，優(yōu)先選取運(yùn)輸便利和施工成本低的地塊實(shí)施農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)。對(duì)于沉陷特征，主要考察重復(fù)采動(dòng)、穩(wěn)沉?xí)r間和沉陷深度，當(dāng)穩(wěn)沉?xí)r間較長(zhǎng)，或存在多煤層重復(fù)采動(dòng)時(shí)，需要在沉陷全過(guò)程中多次實(shí)施農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)，還需要根據(jù)沉陷深度來(lái)控制地塊標(biāo)高。地塊質(zhì)量主要影響農(nóng)用地保護(hù)的地塊優(yōu)先順序和具體措施，應(yīng)考慮質(zhì)量提升潛力大和難度小的地塊優(yōu)先實(shí)施農(nóng)用地保護(hù)工程，以便節(jié)約成本和提高效益，質(zhì)量較差的地塊應(yīng)配合農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)開(kāi)展補(bǔ)充性的措施，如在超前充填后實(shí)施土壤改良工程。影響農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)實(shí)施的主要因素還有效益情況和保護(hù)意愿，當(dāng)農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)的投入高于效益時(shí)，農(nóng)民、政府、礦山企業(yè)參與農(nóng)用地保護(hù)的意愿低，農(nóng)用地保護(hù)受到制約而無(wú)法開(kāi)展，因此，實(shí)施農(nóng)用地保護(hù)必須克服這些因素的影響，實(shí)施農(nóng)田保護(hù)可以充分使用礦山企業(yè)投資、社會(huì)投資、土地整理專項(xiàng)資金、土地復(fù)墾預(yù)存款，通過(guò)農(nóng)用地提質(zhì)改造獲得耕地交易指標(biāo)和新增產(chǎn)能來(lái)提高效益，加強(qiáng)農(nóng)用地?fù)p毀監(jiān)測(cè)監(jiān)管來(lái)強(qiáng)化保護(hù)責(zé)任。

4 案例分析——沛北礦區(qū)農(nóng)用地保護(hù)

4.1 區(qū)域概況

沛北礦區(qū)位于江蘇省西北端，地處黃淮海平原，是典型的高潛水位礦區(qū)，已經(jīng)有50余年采煤歷史，現(xiàn)有沉陷土地約有5 520 hm2，目前有5座煤礦仍在開(kāi)采。根據(jù)開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)結(jié)果，到2030年，沛縣新增沉陷區(qū)位于張雙樓礦西部和北部、姚橋礦西北部、孔莊礦西部，新增沉陷土地面積總計(jì)為2 300 hm2。新增沉陷土地中，耕地、園地、林地、養(yǎng)殖水面等農(nóng)用地占85%，部分為國(guó)土空間規(guī)劃劃定的永久基本農(nóng)田，因此，沛北礦區(qū)面臨較大的農(nóng)用地保護(hù)壓力。

根據(jù)礦山開(kāi)采計(jì)劃，沛北礦區(qū)的煤炭開(kāi)發(fā)已經(jīng)進(jìn)入中后期，接近資源枯竭狀態(tài)，新增沉陷區(qū)域位于礦區(qū)核心開(kāi)采區(qū)的邊緣地帶，無(wú)重復(fù)擾動(dòng)，平均沉陷深度在1.5 m左右，屬于輕度沉陷和中度沉陷。沛北礦區(qū)地下水位呈西南高、東北低的態(tài)勢(shì)，潛水埋深在0.5～5.5 m之間。西南地區(qū)的土地利用現(xiàn)狀以旱地和果園為主，東北一側(cè)靠近微山湖，地勢(shì)較低，土地利用類型以水田和養(yǎng)殖水面為主。

為便于統(tǒng)籌實(shí)施各類保護(hù)技術(shù)，取得規(guī)模效益，將空間鄰近、開(kāi)采時(shí)間集中、土地利用現(xiàn)狀一致的采煤工作面沉陷區(qū)劃定為農(nóng)用地保護(hù)單元，如圖2所示。然后，搜集開(kāi)采計(jì)劃、開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)、水文地質(zhì)、國(guó)土空間規(guī)劃、社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料，分析沉陷積水、疏水條件、充填物料、國(guó)土規(guī)劃四個(gè)關(guān)鍵限制性條件，考察施工條件、沉陷特征、資金來(lái)源、保護(hù)意愿、效益情況和地塊質(zhì)量影響因素，利用本文提出的基于關(guān)鍵限制條件的遞進(jìn)決策方法，確定沛北礦區(qū)各個(gè)采煤沉陷單元的農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)及策略。

圖2 2020—2030年沛北礦區(qū)新增采煤沉陷區(qū)Fig.2 New mining subsidence areas in Peibei mining area from 2020 to 2030

4.2 農(nóng)用地保護(hù)策略

沛北礦區(qū)農(nóng)用地保護(hù)單元在沉陷之后都會(huì)產(chǎn)生部分積水問(wèn)題，僅依靠梯次整理無(wú)法實(shí)現(xiàn)農(nóng)用地保護(hù)目標(biāo)。根據(jù)基于關(guān)鍵限制條件的遞進(jìn)決策方法，首先確定保護(hù)技術(shù)，然后分析地塊的各項(xiàng)影響因素，確定技術(shù)目標(biāo)和措施等具體策略。沛北礦區(qū)2020—2030年新增采煤沉陷區(qū)農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)及策略見(jiàn)表2。

由表2可知，適宜疏水減損技術(shù)的有Z-5地塊、Z-6地塊、Z-7地塊、Z-8地塊、L-1地塊、L-2地塊。但由于地塊的土地利用現(xiàn)狀不同，疏水減損的具體措施和目標(biāo)不同。Z-5地塊、Z-6地塊、Z-7地塊的技術(shù)策略是利用疏水技術(shù)維持果園生產(chǎn)能力，保護(hù)果樹，其中，Z-8地塊的技術(shù)策略是利用疏水技術(shù)在沉陷前將旱地改造為水田，提升產(chǎn)能和質(zhì)量等級(jí)，L-1地塊和L-2地塊的技術(shù)策略是利用疏水技術(shù)保護(hù)水田，提升水田產(chǎn)能和質(zhì)量等級(jí)。適宜超前充填技術(shù)的是Z-3地塊，該地塊靠近礦山矸石堆放場(chǎng)地，具備充填物料條件，地面已經(jīng)發(fā)生積水，符合土地整治專項(xiàng)規(guī)劃，其具體技術(shù)策略是利用煤矸石或粉煤灰超前充填，修復(fù)現(xiàn)有積水農(nóng)用地。適宜挖深墊淺技術(shù)的是Z-1地塊、Z-2地塊、Y-3地塊、Y-4地塊、Y-5地塊、X-1地塊、Y-1地塊、L-3地塊、K-1地塊，其中，Y-1地塊、L-3地塊、K-1地塊由于地勢(shì)低，土地利用現(xiàn)狀為坑塘水面，具體技術(shù)策略是搶救表土，搬遷轉(zhuǎn)移現(xiàn)有附作物，開(kāi)展淺水-深水接力養(yǎng)殖，維持現(xiàn)有養(yǎng)殖水面的產(chǎn)能；其他地塊適宜采用挖深墊淺技術(shù)來(lái)建設(shè)養(yǎng)殖坑塘，從而保護(hù)部分水田，提升水田產(chǎn)能和質(zhì)量等級(jí)。

表2 2020—2030年沛北礦區(qū)新增采煤沉陷區(qū)農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)及策略Table 2 Agricultural land protection technologies and strategies for newly added mining subsidence areas in Peibei mining area from 2020 to 2030

農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)的最佳啟動(dòng)時(shí)間是在采煤沉陷積水前，且由于各沉陷單元穩(wěn)沉?xí)r間為3～5 a，因此需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)施各項(xiàng)技術(shù)。各項(xiàng)保護(hù)技術(shù)是針對(duì)各沉陷單元的總體策略，在沉陷單元內(nèi)部的不同地塊，適宜組合運(yùn)用多種技術(shù)，確保實(shí)現(xiàn)農(nóng)用地保護(hù)目標(biāo)。此外，在農(nóng)用地保護(hù)過(guò)程中，應(yīng)注重吸引礦山企業(yè)和社會(huì)力量共同參與，綜合利用新增耕地指標(biāo)、土地復(fù)墾保證金、耕地?fù)p毀補(bǔ)償金、旱改水指標(biāo)交易等資金保障措施，利用生態(tài)環(huán)溝等新型技術(shù)對(duì)采煤沉陷旱地進(jìn)行提質(zhì)改造，提高農(nóng)用地質(zhì)量和產(chǎn)能，增加農(nóng)用地保護(hù)的動(dòng)力和效益。在農(nóng)用地保護(hù)全過(guò)程實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)管，對(duì)于不能實(shí)現(xiàn)保護(hù)的農(nóng)用地，及時(shí)申請(qǐng)地類變更。

5 結(jié) 論

1) 本文研究表明農(nóng)用地保護(hù)是指在采煤沉陷前采取適宜的工程技術(shù)措施，增強(qiáng)農(nóng)用地對(duì)沉陷擾動(dòng)的恢復(fù)力，從而減輕或避免沉陷對(duì)農(nóng)用地質(zhì)量和數(shù)量的影響，關(guān)鍵技術(shù)包括梯次整理、疏水減損、超前充填和挖深墊淺。

2) 提出了采煤沉陷前農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)遞進(jìn)決策方法。農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)的實(shí)施可以基于沉陷積水、疏水條件、充填物料、國(guó)土規(guī)劃四個(gè)關(guān)鍵限制性條件進(jìn)行遞進(jìn)決策，同時(shí)考慮效益情況、保護(hù)意愿、地塊質(zhì)量、施工條件、資金投入、沉陷特征等影響因素的制約作用，來(lái)調(diào)整和布局各項(xiàng)農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)。

3) 沛北礦區(qū)各礦的生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入中后期，新增沉陷區(qū)域位于礦區(qū)邊緣地帶，屬于輕度和中度沉陷，有利于實(shí)施各類農(nóng)用地保護(hù)工程。綜合實(shí)施采煤沉陷前農(nóng)用地保護(hù)技術(shù)，有較大的農(nóng)用地減損和提質(zhì)改造潛力，有望減少礦山企業(yè)的補(bǔ)償費(fèi)用和增加農(nóng)民收入。