采煤沉陷区水资源综合开发利用研究

许士国，刘 佳，张树军

（1.大连理工大学建设工程学部，辽宁大连116024；2.北京中水新华国际工程咨询有限公司，北京100053）

煤炭资源的大规模开采和利用，给人类带来巨大的经济效益，同时也给人类的生存环境带来一系列的消极影响。大规模的煤炭开采，常常造成大面积土地沉陷,开采沉陷在破坏地表地貌和地下水系统的同时，还引起房屋失稳等地表安全隐患。地面沉陷不仅使可利用土地面积减少、质量退化，而且加剧了地、矿之间的矛盾，极大地限制了矿区的经济发展。针对已形成的采煤沉陷区，传统的治理方法是挖深垫浅、复垦耕地，但是恢复耕地的积水问题制约了土地产出。因此，本文拟通过对采煤沉陷区疏挖整治，扩大蓄水能力，建设平原湖泊，从雨洪资源利用的角度来解决采煤沉陷区治理问题，实现土地复垦、水环境建设等综合治理目标，同时提高地表水资源的开发利用率，为采煤沉陷区的综合治理和水资源合理利用提供新的思路。

1 国内外研究现状

由于能源需求的急剧增加，采矿业快速发展，19世纪中叶出现了开采沉陷问题，80年代末开始进入开采沉陷研究的热门时期。1987年，Runkle和Singh等人开始对土地生态环境的影响机制与恢复进行研究。随着3S技术的快速发展，三维数字化模型也逐渐使用于沉陷区对地面产生影响的研究当中，利用GIS对矿区开采沉陷区进行预测和损失估计也成为研究热点之一。国外对沉陷区的治理，已经取得了良好的社会效益。英国和美国矿业与环境委员会将沉陷洼地开发为林地、草地、农地、娱乐场所、野生动物栖息地，德国科隆市西郊在采煤沉陷的地形上造成了一个既有沼泽也有林地的环境，目前已经聚集了野生水鸟和动物。近年来，美国、澳大利亚的一些学者提出把多种自然环境因素引进城市地域，城郊建水库与河湖可以净化空气和吸收噪音；城郊建成大面积绿化带，引来自然界的动物与人类共同生活于城市地域中。

我国对开采沉陷区的研究相对较晚，近年来，不少学者从景观生态和可持续生态环境管理等方面对采煤沉陷区进行环境影响评价，利用多种评价方法如人工神经BP网络、模糊综合评价、多层加权综合评价等对沉陷区的环境进行综合评价、治理和利用[1-5]。另外，还有许多关于沉陷预测方法的研究，如Elman神经网络[6]，三维动态模拟技术[7]。与国外相比我国的煤矿沉陷区开发利用率较低仅为5%～10%左右。本研究试图将采煤沉陷区开发成以蓄水供水为主要功能，兼顾水生态环境治理的平原湖泊，从雨洪资源利用角度探讨采煤沉陷区治理问题。

2 沉陷区治理措施

采煤沉陷区治理开发的主要目标是将其作为平原湖泊来引蓄洪水资源。通过对采煤沉陷区的整治并引入河流雨洪资源，建设平原湖泊，扩大蓄水能力，提高地表水资源开发利用率。水库的调节能力是与水库的蓄水容量密切相关的，如何提高调节能力和湖区生态治理就成为了关键问题。下面主要从工程措施和非工程措施两个方面对对沉陷区的生态治理进行了分析。

2.1 工程措施

2.1.1 扩大沉陷区库容

根据沉陷区下沉趋势及周边地区未来的农业发展要求，在现有水库周边待沉陷地区进行简单的挖深处理以增加库容，挖出的土，一部分可以堆积在湖中央形成绿地，扩大湿地治理面积，改善湖水水质；另一部分，可以用作新农村宅基地回填用土，提高居民的生活质量。

根据沉陷区的发展趋势，可以利用沟渠将其众多沉陷区沟通起来，构成调蓄水系统，提高调节能力。

修建库区堤坝，在汛期通过泵站抽取来水流量到库区存蓄起来，不仅可以增大蓄水容积提高浍河水资源利用率，还可以降低洪水灾害风险。

2.1.2 构建人工湿地

矿区塌陷严重地改变了地貌结构，形成了条带状、斑块状的下陷地貌，在雨水季节，截留和储存降水，自成河湖。矿区塌陷地大面积地积水，客观上已经改变了当地的生态环境，使矿区原本单一的陆生生态系统演替为水-陆复合型生态系统。这对我国水资源相对短缺而言，无疑具有十分重要的意义。所以，因地制宜，将塌陷地改造成沟河湖泊，收集储留降雨，并在这些沟河湖泊内建立各种类型的构造湿地，对区域内的工业废水、生活废水的尾水及农田退水等进行深度处理，既解决地区水资源短缺之矛盾，又可以资源化利用尾水，减少解决废水的投资。根据沉陷区特点湿地构造原则，修建养殖型、景观型和净化型湿地，在一定保证率供水基础上，充分发挥天然水域的生态作用。

1）养殖型湿地。对于一些孤立型深度塌陷地，周边无过渡地带，恢复多样性的挺水植被、浮叶植被和沉水植被有一定难度，特别是没有足够的中度塌陷区构建净化作用强的挺水植被。对于这类塌陷地，可以直接修复为养殖型构造湿地，引种一些沉水植物，这些植物对水质具有一定的改善作用，可以有效降低水体中氮、磷、叶绿素含量以及悬浮物浓度，对维持湖区生态系统稳定性具有重要的意义。

2）景观型湿地。对于人类活动密集区的塌陷地，构建景观型湿地或者湿地公园。将塌陷形成的狼藉地貌改造为景观优美的小型河流湖泊，在这些小型河流湖泊周边引种栽培观赏植物，特别注意引种一些湿生植物，如鸢尾、菖蒲、香蒲、水竹等。景观型湿地主要考虑在岸边带引种栽培既具有观赏价值又具有净化功能的湿地植物，岸边带栽种的湿地植物对地表径流具有良好的过滤净化作用，同时也可以营造亲水环境。

3）净化型湿地。利用塌陷地，构建尾水净化型湿地，既解决了塌陷地复垦利用问题，又解决了尾水资源化利用问题，因此具有很强的实用性。在中度-轻度塌陷区常用来建设污水净化型构造湿地，在长条带状的中度塌陷区（常年或季节性积水在0.5m左右），引种芦苇、香蒲等挺水植物，构建芦苇湿地。同时，可以将附近的污水尾水集中到该区域，一方面可以对尾水进行深度处理，另一方面可以保证干旱季节湿地土壤的含水量，维持湿地生态系统的稳定性。

2.2 非工程措施

1）建立采煤沉陷区动态管理信息系统。建立沉陷区动态监测系统，河湖水位、水质动态监测及水质预警监测系统，湖泊养殖、植被、生态动态信息监测系统，湖泊供水动态信息系统，矿井开采量及沉降信息系统，采煤沉陷区动态管理决策支持系统等。

2）编制调度方案，及时引水补缺。研究沉陷区水资源利用调度实施计划，编制来水预报方案，结合信息系统，完善调度管理。增加沉陷区引水工程，补给沉陷区不能调蓄的缺水量。

3）重视水质变化，保证用水安全。环保部门应会同相关地区各级政府和部门，编制采煤沉陷区水质保护专项规划或实施方案。确定地表水水质管理目标，明确界定治污对象，提出可行的治污方案和措施，确保水源地、输水线路、受水区等水质保护区的水质符合供水要求。

3 研究实例

3.1 研究区概况

研究区位于华东地区的主要采煤基地，两沉陷区相互隔离，长年积水，目前沉陷面积已达3.95km2且仍在不断增加。沉陷区分布图见图1，该地区水资源严重短缺，多年平均降雨量为850mm。境内河流多为雨源型，随机性明显，大部分河流在枯水季节无水可蓄，自净能力差。沉陷区无大型蓄水工程，丰水期洪水暴涨，大量洪水资源白白流走。同时，该地区水资源开发利用水平不高、效率低下，浪费严重，工业与生活、城市与农村争水矛盾越来越突出，水资源短缺问题成为制约该区域发展的瓶颈。基于以上情况，拟利用沉陷区建立平原湖泊，把各采煤沉陷区连通串接，建立起兼景观、供水和湿地构造于一体的沉陷区平原湖泊生态体系。利用沉陷区蓄积雨水和汛期洪水，容纳部分水质达标的周边地区的排水，并引入河流水资源，为平原湖泊寻找到水源补给，解决区域水资源短缺问题。

图1 沉陷区空间分布示意图

3.2 沉陷区可供水量计算

利用2007年实测的沉陷区高程点，使用SV300测绘成图软件生成三角网格的数值模型，对沉陷区现状蓄水能力进行分析，计算平原湖泊容积为1190万m3。两沉陷区周围现状地面高程约27m，沉陷深度3～5m，沉陷面积分别为2.03km2和1.92km2，沉陷库容分别为846万m3和1793万m3。根据两区50年内的采煤规划和地质条件分析推算，50年以后两沉陷区面积将扩大到2.63km2和2.52km2，相应沉陷区库容也将增大至1096万m3和2353万m3。

3.2.1 浍河可引水量分析

浍河是流经该地区河流中可利用水量最为丰富的一条河流，浍河流域多年平均降雨量为850mm，多年平均蒸发量为997.5mm，年径流深约为130mm。降雨量的年内分配极不均衡，年雨量的60%～70%主要集中在汛期的6-9月；降水的另一个特点是年际变幅很大，丰水年份降雨量可达1300mm余，而枯水年仅500mm，年际最大差值近3倍。浍河的洪水特征是上中游汇流速度快，涨势猛，而下游退水慢，汛期受洪水顶托倒灌，容易形成极严重的洪涝灾害。根据浍河临涣断面的多年径流资料，对浍河的水资源结构进行分解，从生态、利用与防洪角度出发，将河流水量分为生态水量、安全水量、风险水量和灾害水量四部分[8]，四类水量多年平均值见表1。

表1 浍河水资源分类统计(1981-2008年)

结果表明除去浍河生态系统的支撑流量，由安全水量、风险水量两部分组成的浍河可利用的水量占浍河总水量的86.78%，多年平均可利用水量达2×109m3，浍河水资源可利用量是相当可观的。

3.2.2 可供水量计算

根据沉陷区历年(1954-2008年)逐月降雨量资料，多年平均降雨量为851mm，降雨主要集中在6-8月，占全年的56%。煤矿日总排水量为20160m3/d，其中排入沉陷区水量为11500m3/d。从多年平均来看，沉陷区周边地下水位年际变化不大，在1～2m之间波动。根据全年水量分析，沉陷区水渗漏补给地下水的水量要大于地下水补给沉陷区水的水量，但补给水量整体较小。根据降雨资料，对沉陷区集水量和浍河可引水量进行计算，加上矿坑排水量，得出沉陷区不同保证率下的可供水量，结果见表2。

表2 沉陷区年可供水量

3.3 综合效果分析

3.3.1 供水效果分析

研究沉陷区主要为相邻的工业园区供水，2007年在保证率为97%时总需水量为2500万m3/a，规划水平年2020年工业总需水量为7630万m3/a。现状条件下，一般浍河径流在偏枯水年、平水年、丰水年可以满足工业需水，特枯年份，沉陷区无法满足工业需水。从供需分析可以看出浍河来水的流量过程变化大，总量大，但沉陷区调节能力低。因此考虑采取一定的调蓄工程，解决来水不均与相对均匀供水之间的矛盾，提高该系统的供水能力。

对沉陷区现状湖泊进行整治，整治的范围为生态蓄水位以上的区域，开挖的土方垫至最高限制水位以上的区域。依据确定的挖深垫浅整治原则，对沉陷区内22.0m和24.5m高程以上的区域进行开挖，挖出土方回填至26.0m以上的区域或小而独立的沉陷区。在湖泊周边建高0.5m的围堤，并在围堤周围建200m宽的生态隔离带。整治后沉陷区可供水量见表3。治理后工业园区近期、远期规划供水保证率分别可达到93.8%和61.2%。

3.3.2 生态效果分析

研究沉陷区与工业园区相临，沉陷深度4m属于中度沉陷类型。主要以净化型湿地建设为主，辅生态景观建设。该塌陷区早春季节区域水位较低，正好有利于芦苇萌发，到春末雨季到来时，利用房亭河收集储留流域内的降水，保持一定的水位，促进芦苇的生长发育。采用芦苇湿地对生活污水和工业污水集中深度处理，对BOD5，SS，VAS去除率可达90%以上；对氯苯、氯酚、农药类、TN、TP去除率达到80%以上；细菌总数、蠕虫卵、大肠菌群、沙门氏菌、噬菌体等99%。污水中的无机污染物（重金属）和有机物最大限度地被湿地芦苇吸附、吸收，充分利用自然净化功能，使污水资源化达到渔业水质标准，即可彻底消除水污染隐患，又可改善与修复生态环境，使经济效益、社会效益、环境效益达到最佳的统一。

表3 整治后沉陷区年可供水量

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