黃土高原礦區生態化防洪規劃

高智偉，姚清寶，董朝暉

(中煤西安設計有限責任公司，陜西 西安 710054)

至20世紀末，在黃河流域中游已探明數座大型煤田，如內蒙古中部的準格爾煤田、蒙陜區域的神府東勝煤田，陜西中西部的黃隴煤田、山西的寧武煤田等，這些煤田分布在毛烏素沙漠與黃土高原接壤地帶和黃土高原范圍內。在對煤炭資源有序開發的前提下，將煤田劃分為諸多礦區，如內蒙古準格爾礦區，蒙陜交界的神東礦區，陜北的神府礦區、黃陵礦區、子長礦區，陜西中西部的彬長礦區，晉北的平朔礦區等。

根據礦區的井田劃分，基于安全適用、經濟合理等要求，綜合建設條件、企業特點、產品物流等諸多因素進行場址建設。在建設過程中，煤炭企業場地將不同程度地壓占地表，對場地以外土地造成損毀，或侵入行洪通道而改變河流或溝槽的原始狀態[1]，使得水土流失加劇、植被退化、河流生態改變，對礦區自然環境造成不同程度的破壞。

長期以來，相關參與各方也在不斷地探索和嘗試如何協調資源開發與生態保護的關系。本文從礦區防洪規劃的維度，對礦區在建設及開發過程中如何處理環境破壞與恢復、產業發展與生態保護的關系進行研究與探討。

1 黃土高原地形地貌、水文特性及煤礦選址

1.1 黃土高原的地形地貌及水文特征

世界上最大的黃土高原位于黃河上、中游流域，橫跨青、寧、甘、陜、晉、豫六省，黃土高原整體呈北高南低、西高東低之勢；依地勢、地形高差及地貌形態，分為山地區、黃土丘陵區、黃土塬區、黃土臺塬區、河谷平原區。從煤田賦存情況看，煤礦大多數位于黃土丘陵區，一部分位于黃土塬區及臺塬區。

黃土丘陵區約占整個黃土高原面積的56.8%，面積廣袤，各地之間差異較大，溝谷侵蝕程度不同；以佳縣、神木、府谷為典型的丘陵溝壑區地形尤為破碎。黃土塬區主要分布在陜甘寧盆地南部和西部、隴西盆地北部一帶，具塬面完整寬敞、土層厚、相對切割深度較大的特點。臺塬區主要分布在關中盆地、汾河谷地、豫西及晉南黃河沿岸。

黃土高原水文特征普遍表現為：河流及溝槽徑流主要來自于大氣降雨及上游補給，夏秋季節為汛期，洪水量直接受上游降雨強度及歷時影響，洪水泥沙含量與降雨強度正相關；雨季集中在每年7月至9月，降雨強度大、歷時較短。匯水面積不大的溝槽徑流主要來自大氣降雨或泉水，較長暴雨歷時下產生洪流，陡漲陡落，流速變化較大；平時水量極少或干涸。

黃土高原地區地下水埋藏較深，降雨量遠小于蒸發量，地表干旱缺水，植被成活率低，地表土體抗沖性較差，土壤侵蝕模數高，水害嚴重[2]。

1.2 煤礦企業地面設施的組成與選址特點

隨著經濟發展和改革的不斷深化，煤炭資源開發利用向著高質量發展目標穩步推進；在科技水平及工業制造能力提升的基礎上，煤礦生產與加工能力實現了跨越式發展，單一礦井核定生產能力及洗選能力從20世紀90年代的400萬t/a，提高到目前的1500萬t/a，新型煤化工產業迅速發展。

場地是企業設施、設備的載體，是煤礦生產的必備單元，煤炭開采后提升至地面，完成破碎、洗選等生產工序后，通過運輸通道至用戶終端。礦區的開發實體分為生產企業(礦井及選煤廠)、輔助企業(機電設備維修中心等)及附屬企業(如矸石電廠)等，諸企業協調運作，形成完整的煤礦工業體系。本文所表述的場地，為煤礦所屬各類企業場地的統稱。

現代化礦井產能大，生產系統及輔助生產設施規模與之配套，各種生產設備配合緊密，保養維護要求高，車間功能和體量不斷擴展，致使企業場地占地面積顯著增加。場地內部按照功能明確、工藝合理、保障安全、利于管理、物流順暢、投資合理、便于建設等要求，結合場址地形布局，在場地布置的短軸方向需足夠的寬度以滿足生產工藝要求，稱之為場地布置寬度。

當井田內有河流或寬度適宜的川道時，為減少資源壓覆與農田、林地的壓占，方便與外界聯系，場地常布設在河道一側的階地(或邊灘)或川道內。受地形條件限制，可用地不能滿足場地布置寬度時，則場地不可避免地壓占河道(或溝槽)。

2 不同地貌條件下的防洪規劃要素

2.1 場地在不同地形地貌的分布情況及影響

為剖析黃土高原不同地貌下企業場地與水流通道的關系，在煤礦企業場址調查的基礎上，結合煤田賦存區域的地表特征，分別選取涵蓋井工礦及露天礦的數座大型、超大型礦區，按地形地貌進行分類統計。為使場址數據充分代表黃土丘陵區、黃土塬區及臺塬區內不同地貌下的企業場地分布情況，樣本地域囊括寧、陜、晉的寧西、沙井子、彬長、神府、平朔等礦區，諸礦區內含生產場地、在建場地及規劃場地。根據樣本中的場址統計數據：場址位于塬峁上、緩坡或階地處，遠離河流沖溝的占57.5%；位于川道中或沖溝內，受洪水影響的占29.9%；場址臨河，受河洪影響的占12.6%。統計成果表明：

1)場址普遍位于井田內的梁峁、平緩坡地、川道內或河道旁。

2)臨河場地普遍布置在河道一側，川道內場地布置在溝槽一側或完全壓占川道內溝槽。壓占河道(溝槽)的場地對行洪產生影響。

3)場地侵入行洪通道，洪水影響場地布置且防護設施增加；場地對行洪產生不利影響。

4)位于川道內的場地，土地損毀相對嚴重，水土流失加劇。

文中的“行洪通道”指天然河道或溝槽在通過設計標準下的洪峰流量所需要的過水斷面，該斷面與洪水運動方向垂直，其斷面面積與洪峰流量值、河道或溝槽形態及糙率相關。該斷面也稱為行洪斷面，對應的水面寬度稱為行洪寬度。

2.2 臨河或臨溝場地防洪規劃目標與要求

臨河或位于溝槽內的場地，通過防洪規劃達到兩個目地：首先，保證在遭遇設計標準洪水時的場地安全，保障河道(或溝槽)正常行洪；其次，通過工程及生物措施，修復被損毀的土地，努力恢復原河道生態環境。

工程建設中有明確的強制性要求：在設計洪水時須保證生產人員及設備安全[3]。河道管理部門要求：工程建設要保持河勢穩定和行洪、航運通暢，防治水患，防止水土流失。環保保護管理條例明確要求：建設項目的環境保護設施須與主體工程同時設計、同時施工，防止造成流域環境惡化[4]。

2.3 不同空間布局類型及防洪規劃要素

當場地侵入河道或溝槽時，應明確場地與河道或溝槽之間的空間關系，以及協調兩者關系的方法，從而以減輕或消除對環境的不良影響。通過提取礦區內與行洪存在關聯的場地樣本，分析發現：依據場地及其周圍地形地貌、河流(或溝槽)的形態、用地寬度與場地布置寬度的關系、行洪通道與場地布置寬度的位置關系、防排洪措施等要素，可以將場地與河流(或溝槽)呈現出的相對位置關系分為三種空間布局類型，如圖1所示。

圖1 場地與河流(或溝槽)相對位置關系

1)侵入灘地型：場地侵入河道部分邊灘。用地寬度略顯不足，場地臨河布設并侵入河道部分灘地，行洪通道略有壓縮。

2)部分侵占型：場地局部侵占主槽及邊灘。用地寬度與場地布置寬度差距較大，川道中場地局部侵占河槽、邊灘及灘地。

3)完全侵占型：場地完全侵占行洪通道。川道內用地寬度嚴重不足，場地布置完全侵占河槽及灘地。

圖1中B為場地布置寬度。三種空間布局類型對應河流(或川道內溝槽)特征及排洪措施舉例見表1。

表1 空間布局類型及河溝主要特征表

不同的空間布局類型的防洪規劃要素分述如下：

2.3.1 侵入灘地型

場地侵入河流邊灘，發生設計洪水時，場地上下游一定范圍內水位略有升高、流速略增、河床沖刷加劇。防洪規劃需結合河道特點及場地臨河側邊界輪廓，順應河勢修筑堤壩，疏導水流；場地高程及生產設施的布設高程必須符合防洪要求。

2.3.2 部分侵占型

川道內場址范圍內用地寬度不足、河道較為穩定且邊灘發育、具備河道改移條件時，通過工程措施對局部河道進行改移或裁彎取直，將原洪水通道改造為企業用地。改移后的河道需符合既有的河相關系，不可一味地追求擴大用地寬度而壓縮行洪寬度。改移后的河道縱坡增大，攜帶泥沙能力增加，對改移段的下游自然河段產生影響。故在確定改河起終點、改移段河道橫斷面及護岸形式時，應充分尊重原河道的自然規律、避免水面線及流速產生較大變化。

基于環境與建設的視角，對上述兩種空間布局類型進行深入分析可以發現：場地侵入行洪通道占比越大，可用地寬度就越大，場地內部布局越趨于合理；相應地，河道壓縮程度則越高，行洪寬度越窄，對原始環境的破壞越大。場地的平場高程隨洪水位上抬而加高使得填方增加、防護高度增加；臨河側的防護設施因水流流速增大使得沖刷加劇、防護基礎埋深增加；間接影響到地面設施及建筑物的基礎深度增加。反之，場地侵入行洪通道占比越小，可用地寬度增幅越小，場地內布局難以完美；相應地，行洪通道壓縮程度越小，對原始環境破壞就越小。場地段的洪水位及流速均變化不大，場地平場高程與填方量增加有限，場地臨河側防護高度及基礎埋深均處于合理范圍內，對地面設施及建筑物的基礎規模影響不大。

上述關系可以近似地用模糊函數定性地表示為：

R=Σ(α×t+β×b+ξ×c)

(1)

式中，R為建設規模增加及環境破壞程度；t、b、c為河灘、邊灘及河槽的壓縮程度，與原始寬度、壓占寬度等因素相關；α、β、ζ為不同河段類型下與灘地、邊灘及河槽特征相關的參數，如植被、灘槽形態及土質、槽灘槽寬度比等因素。

規劃中過程中，宜根據上述關系，在壓占行洪寬度與環境影響、場地填高與基建規模之間尋求均衡。

2.3.3 完全侵占型

當川道寬度不大于場地布置寬度且無改移溝槽條件時，壓占川道及行洪通道為不二選擇，在場地下設置排洪暗涵保證正常泄洪。此時，場地上游端的填方高度須大于暗涵入口處壅水高度，場地下游端的平場高程不得受暗涵出口溝槽洪水位影響。另外，暗涵覆土厚度需同時滿足最小填土高度要求及地下管網布設要求。

當川道寬度大于場地布設寬度且滿足改溝條件時，可考慮將原溝槽改移至場地一側。此時，場地的平場高程及設施控制高程均受排洪溝水位控制，平場坡度宜坡向排洪溝一側，并宜將排洪溝與場地一側排水溝合并設置。

部分侵占型及完全侵占型的防洪規劃，均不得使場地上下游溝槽特征產生明顯變化，也要避免對上下游既有設施及農田等造成不利影響，合理可行的防排洪方案需在綜合性的技術經濟比較后確定。

3 生態化防洪規劃進程及推進

3.1 生態化防洪規劃的發展進程

在粗獷型經濟發展模式背景下，礦區規劃及建設過程中側重于場地安全性及企業效益，對場址周圍環境較為重視，對生態恢復及環境保護方面缺乏長遠視野[5]。主要體現在幾個方面：

1)受行政管理部門職能范圍及行政權限所限，礦區建設及開發雖需相關各部門審批、核準，然而礦區開發的行為主體較為單一。本著“誰開發、誰建設、誰破壞、誰治理”的原則，在礦區的前期咨詢、規劃過程中，很少兼顧各行業的近遠期發展目標，難以實現土地、林業、水利、環境等行業的協調發展規劃。

2)場地臨河或位于川道內，場地布置寬度不足時，基于減少坡體開挖、避免次生地質災害考慮，往往會較大幅度地侵入河道、甚至過度壓縮自然溝槽，致使在工程建設過程中，護岸、擋墻等支護措施被大量使用。河溝壓縮段的泓深演變、對臨溝坡體穩定及生態環境[6]的不良影響常被忽視。

3)場地內雨水力求盡快排出場外、匯入下游溝槽或附近的低洼地帶。水流對地表的沖蝕、對植被的破壞鮮有顧及。

在生態文明建設加速推進的時代背景下，礦區開發部門的生態保護意識在不斷提高[7]。建設和生產過程中努力減少對原始生態的破壞，降低對環境的不利影響，踐行綠色環保、與自然和諧共生的發展理念，已成為煤礦企業的共識[8]。另一方面，地方政府對當地經濟實現高質量發展充滿信心[9]，人民群眾對環境的改善與提升也有明確的目標。

3.2 生態化防洪規劃的推進

礦區各企業所處的位置及流域不同，場址所在微地貌千差萬別，河流或溝槽形態各異。在防洪規劃中，場地應少占農田或林地，減少工程建設對自然環境的破壞，貫徹注重生態效益、生態與工程相結合[10]、控制水土流失的建設思路[11]，根據不同的空間布局模式，因地制宜、分類施策，使傳統的工程型規劃逐步向生態型規劃轉變。

3.2.1 侵入灘地型

通過場地優化選址，少壓縮甚至不壓縮河道行洪斷面。臨河側場地邊坡適度放緩以利生態防護[12]的實施，通過采用石籠、格構護坡等利于種植的防護形式，減緩邊灘水流流速，降低洪水對河床的沖刷。場地上下游臨河側構筑導流壩，降低行洪通道壓縮對原始河床的影響。

3.2.2 部分侵占型

結合場地平面布設，以縱軸長度的增加代償場地布置寬度的縮減，降低場地對行洪通道的侵占。在保障正常行洪的前提下，以較低的場坪和較小的土石方工程滿足建設要求。視不同的地形及溝槽形態，對溝槽進行裁彎取直或溝槽整治，改善行洪條件。改移或整治后的溝槽不宜小于原河槽，防洪堤迎水面坡度宜緩不宜陡，根據水流流速及水位選擇適宜的防護措施。

3.2.3 完全侵占型

1)場地總體填挖方量不大且場地外部空間允許時，將原溝槽改移至場地一側，改移后的溝槽上游入口可略高于原溝底，以利泥沙淤積；場地下游段的改溝通過陡坡與原溝槽順接，在陡坡尾部設置消能構筑物降低水流對下游自然溝槽的沖刷。

2)若原溝槽與場地高差較大，宜在場地下大致順應原溝槽布設排洪暗涵，暗洞出入口分別與自然溝槽順接。結合水流狀態及地質條件、涵頂覆土厚度等要求確定涵洞結構形式。暗涵長度較大時，需合理協調涵前水位與洞內水深的關系，避免孔徑不合理造成投資增加；綜合地形、地質條件合理設置涵身縱坡，避免涵洞入口淤積及涵洞出口流速過大。

3)場地兩側山坡應避免大幅開挖而誘發地質災害；挖方邊坡采用適宜的坡率、坡高及平臺寬度，坡面采用便于綠化的防護型式。場地上下游填方邊坡采用骨架護坡或綠植覆蓋。

4)河溝改移宜優先選擇復式斷面，滿足不同重現期的洪水排泄需求，迎水面緩坡率、適度植被，縮小與天然河溝的斷面差異。場地附近結合上下游河勢，在低重現期水位控制線設生態水池，改善場區微環境、削減洪峰。

5)地表損毀后的坡面采用植被防護，場地填方邊坡選擇利于種植的斷面型式。

6)優化場地布置，減少場外截排水設施規模及數量；通過海綿型場地的構建，結合縱向布局實現雨水的綜合利用，減少徑流外排。通向自然溝槽段的排水溝視流速選擇護砌類型，接入溝槽部分應選擇適宜的縱坡及斷面形式。

4 礦區所在流域生態保護型防洪規劃思路

水土流失是黃土高原生態環境惡化的誘因，控制水土流失是黃河流域生態保護的核心要素[13]；增加地表植物覆蓋是改善生態環境的有效措施。在多年的不斷努力下，植樹造林，退耕還林、還草已初顯成效[14]。

4.1 生態保護型防洪規劃的基本思路

對礦區建設而言，洪水峰值的降低意味著防排洪工程規模的降低，進而降低場地對地表的損毀程度。針對產流過程與洪水形成機制，從源頭減少徑流量，控制產流區的水土流失，則可有效減小匯入河溝的洪水量，顯著降低礦區所在流域內乃至匯入下游河流洪水峰值，達到控制黃河中游段水土流失的目的[15]。

在礦區建設的總體規劃、咨詢階段，應以煤礦行業為主導，以傳統規劃內容為基礎，結合礦區地表水防治，將流域內水利、農林、環保等發展規劃內容納入礦區防洪規劃，形成礦區所在流域的綜合性防洪規劃。按中小流域分區分期實施，通過水患治理與增加地表植被覆蓋[16]，改善區域內的自然環境；通過生態修復與保護[17]，涵養水源、減少地面徑流、削減洪峰。

以全面改善小流域生態環境為前提，在小流域綜合治理成效的基礎上，結合場地選址及各行業規劃發展，進行所在河段(或川道)的流域綜合性防洪規劃，形成礦區流域內防排洪設施協同運作機制，從而實現礦區生態保護型防洪規劃目標[18]。

4.2 流域生態保護型規劃的步驟與內容

生態保護型規劃宜本著因地制宜、由點及面、點面兼顧的原則，有序推進、分步實施。

1)配合小流域治理規劃，發展林業種植，減少水土流失。結合當地自然條件，進行小流域水患治理及農田水利規劃，攔截上游泥沙、積淤造地，為增加地表植被覆蓋創造條件[19]；分級攔蓄地表水[20]，減少地表徑流，改善流域內的地表水排蓄環境[21]。

在此基礎上，改善生態環境。結合當地情況，退耕還草、植樹造林，增加地表覆蓋率，提高土地價值，改善局部微氣候，涵養水源[22]。

2)結合小流域治理，進行流域內的礦區生態防洪規劃。在小流域治理規劃的基礎上，進行礦區所在流域的綜合防洪規劃，形成流域內的生態保護型防洪規劃。

川道內的場地侵占行洪通道時，需重視溝槽整治或溝槽改移對上下游的影響，根據溝槽平面形態及縱坡，合理確定整治或改移范圍，防護設施規模。在場地上下游縱坡較緩、溝槽開闊段對地表水進行適度攔截、存蓄，形成親水平臺，削減洪峰、提升場地環境；攔蓄的水體可作為建設、綠化降塵等用水，實現場址環境與自然生態的協調。

建設場地宜充分利用荒地、坡地、灘地等經濟價值低的地表。臨河場地根據場地規模、性質、與外部聯系等要求，選擇在穩定河道的順直段、灘地發育或凸岸一側，適應河勢對臨河側進行防護，疏導水流。迎水面防護根據水流流態選用綠色、生態的防護措施。

5 結 語

礦區開發不可避免地對地表造成損毀，對生態環境造成破壞，地表裸露與地表徑流是造成黃土高原水土流失的主要因素，是黃河中游流域生態保護和治理的前沿陣地。以礦區防洪為主導的生態保護型防洪規劃，針對場地的不同空間布局類型采取對應的規劃策略，落實規劃要素，形成結合環保、水利、農林等相關行業發展的綜合性礦區防洪規劃，通過小流域治理與礦區所在流域綜合規劃的有機融合，削減洪水峰值，控制水土流失。由點及面、分區分步地進行生態型防洪規劃，彌補了單維度的礦區防洪工程規劃在生態保護及恢復方面的不足。生態保護型防洪規劃可顯著降低礦區防排洪設施的規模及投資，更是煤礦建設與生態修復、資源開發與經濟協調推進、礦區發展與環境保護和諧共生的有效模式之一，為提升礦區生態文明建設水平具有積極作用。