煤矿塌陷区深水域漂浮系统设计与应用

吴培艺,丁文清,许媛媛,张云彬

（安徽农业大学 林学与园林学院,安徽 合肥 230036）

0 引言

煤炭资源在中国的能源结构中占据十分重要的地位。[1]采煤作业后留下的采空区，长时间不回填将造成地面塌陷。目前全国塌陷区域已超过80万公顷[2]，其中塌陷积水区域约占70%[3]。煤矿塌陷区水域的水循环系统通常相对封闭[4]，与外界流通少，其水源、水质、水温等均利于鱼类的繁殖、生长和越冬，[5]因此常用于发展渔业养殖。对于塌陷区浅水域，通常采用以围网为主的养殖模式，[6]对于塌陷深水区，部分学者[7，8]认为网箱养殖是最合适的治理模式。但是随着养殖范围的逐渐扩大，其带来的水体富营养化程度日益加重，破坏了塌陷区水体生态系统的自净能力与稳定性。[9，10]因此对该区水质的保护和治理以及养殖模式的优化十分有必要。目前，国内外广泛运用的是人工湿地和生态浮床两种生态修复技术。[11]人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，通过植物、动物、微生物、基质填料等共同作用，净化出水水质。[12，13]但对于塌陷区深水域，游憩是非稳沉区域，固定的人工湿地会随着地表的沉陷而逐渐被破坏。此外，塌陷区域由于地形地质的特殊性，可利用的土地面积不断减少，人工湿地占地面积庞大，所以并不适合在此地运行。生态浮床又称生态浮岛，将植物种植于浮床载体中，通过植物根系对污染物的吸收，以及根系周围富集的生物膜和细胞外酶对水体中污染物质的降解，来达到净化水质的目的，[14，15]但其存在鱼类啃噬植物根系、产生二次污染、结构较不稳定等缺点。[16]

本文针对煤矿塌陷区特殊的地形地质及现有两种生态修复技术的不足，设计一种漂浮系统，能够自由、灵活地缓解养殖污染问题，同时促进水体微循环，改善传统浮床净化效率不高、鱼类啃噬植物根系、产生二次污染等问题。旨在通过对该系统的结构分析和应用探讨，更好地服务于塌陷区深水域综合治理，为塌陷区的生态修复提供新的解决方案。

1 漂浮系统结构设计

漂浮系统相较于人工湿地和生态浮床，虽然在操作和后期维护方面的任务较重，但是具有净化效率高、增强水体流动性、自由灵活、结构稳定、病虫害少等优点，应用在塌陷区深水域具有一定的优势，如表1所示。

表1 人工湿地、生态浮床和漂浮系统的比较

漂浮系统由复合型生态浮床、太阳能水泵系统、净水池和网箱组成，结构如图1所示。一系列模块化的复合型生态浮床排列固定在净水池上方，基于生物净化原理，对养殖废水进行净化处理；太阳能水泵系统分别固定在系统的4个角落，基于太阳能发电原理，提供漂浮系统所需动力；净水池和网箱构成系统的整体结构，基于虹吸原理，让水在净水池内部的流动中得到净化。

1.1 复合型生态浮床

一个复合型生态浮床模块的框架由4块PVC板组合而成。浮床框架上固定的弹性绳索垂直排列。在弹性绳索的交叉处悬挂水处理组合填料，植物固定于由绳索形成的方格中（图2）。浮床框架、弹性绳索和水处理组合填料均由耐腐蚀、耐水浸的轻质绿色环保材料组成，以免造成二次污染。浮床植物选用根系强大、净化能力强，且具有观赏价值的水生植物（美人蕉、菖蒲、风车草、水葱、空心菜等[17，18]）。

图1 漂浮系统的结构

图2 复合型生态浮床的结构

此复合型生态浮床的优点：

1）结构简单易操作，材料绿色环保。可以根据植物的大小自由改变网格间距，同时弹性绳索的伸缩性可以很好地适应植物的生长需求。

2）弹性绳索代替了传统浮岛泡沫板，可以减少水体覆盖面积，增加空气中的氧气与水面直接接触，从而提高水中溶解氧含量。[19]水中溶解氧不足会导致好氧微生物生长受限，水中有机污染物和营养物的降解效率降低，同时也会导致鱼类窒息死亡或生长迟缓。

3）微生物在水处理填料上形成生物膜，在新陈代谢的过程中转化和去除水中的污染物质。[20]同时，立体填料与根系缠绕在一起增强了根系对外界干扰的抵抗能力。[21，22]

1.2 太阳能水泵系统

太阳能水泵系统由光伏阵列、控制器、进水管和水泵组成，结构如图3所示。光伏阵列能吸收日照辐射能量，将太阳能转化为电能，为整个系统提供动力。控制器对产生的直流电进行控制和调节，并根据日照强度的变化调节输出频率，跟踪最大功率点从而驱动水泵，考虑到植物的净水速率较为缓慢，采用小功率来保证吸水速率小，工作原理如图4所示。进水管一端与净水池连通，另一端与水泵连通。选择容积式水泵深入网箱底部，将混有鱼粪、残余饵料、化学药剂等污染物质的水体吸入环形净水池中。太阳能最终转化为水的动力势能，水从出水口跌落的过程属于自然跌水爆气，跌落的水流与下一级水体接触后，液面的不断搅动使气液接触面更新，有利于水中溶解氧的不断增加。[23]

图3 太阳能水泵系统的结构

图4 太阳能水泵系统的工作原理

1.3 净水池与网箱

净水池的整体由耐腐蚀的亚克力板和聚乙烯泡沫板构成，置于网箱之上，结构如图5所示，平面如图6所示。净水池的4块内侧板面上均有凹槽，可固定生态浮床，内侧板带有倒U型的预置孔，预置孔较长端与净水池内部连通，较短端与外部连通，如图7所示。利用虹吸原理[24]，待倒U型的预置孔内充满液体后，最高点液体会在高度差的作用下，持续往低位洞口处流动，与此同时孔内将产生负压，导致高位洞口处的液体被吸进最高点，在液体压强和大气压强的双重作用下，进、出水交替进行，液体源源不断地流入网箱区域。

图5 净水池与网箱的结构

图6 净水池平面图

图7 净水池A-A剖面图

净水池底部的填料能够通过过滤、沉淀、吸附等作用拦截水中污染物。陶粒、麦饭石、沸石等均可作为填料。陈永裕等[25]发现沸石对氨氮的去除效果较好，裴亮等[26]研究发现麦饭石对水中COD的处理效果明显。实际操作过程可以通过不同填料的搭配组合来达到最佳效果。

该结构最突出的优点是促进水体微循环。由于煤矿塌陷区水循环系统相对封闭、流动性差，水体中各种形式的氮与植物和微生物的接触时间较短,植物的吸收和微生物的硝化以及反硝化作用都难以发挥较大的作用[27]。该结构在逐渐蓄水的过程中利用垂直流增加了水力停留时间，帮助水体与氧气较好的混合，并使得水中溶解氧含量增加，促进了硝化反应，提高了去除率。

2 漂浮系统工作流程及结构特点

2.1 工作流程

养殖废水通过太阳能水泵汇入净水池内，在其中逐渐蓄水。水流首先穿过填料区，经过填料的过滤、沉淀、吸附等作用后，复合型生态浮岛再发挥其净水功效。在此过程中，净水池内侧板的倒U型预置孔与水池水位同步上升。一段时间后，待水位超过预置孔高度，依据虹吸原理，水将从另一侧直接流出，跌落养殖水域。水流依次通过太阳能水泵系统——净水池——倒U型预置孔，最后回到养殖水域，如此循环净水，工作流程如图8所示。

图8 漂浮系统工作流程

2.2 结构特点

该漂浮系统采用生物净化方式，设计了交错排列的弹性绳索和悬挂的水处理组合填料，改善了传统生态浮床净水效率不高的问题。该系统能够化死水为活水，水在漂浮系统的流动中得到净化，促进了塌陷区深水域的水体微循环，增强了水体的自我调节能力。关于系统工作的动力来源，太阳能水泵和倒U型预置孔的设计低碳环保、绿色节能。漂浮系统中各个结构的特点如表2所示。

表2 结构特点

3 在塌陷区深水域的应用

3.1 应用方式

将漂浮系统在塌陷区深水域进行整体景观规划设计。首先固定方式上，漂浮系统单元与岸边以及单元之间的连接材料宜为可伸缩的锚链或废弃轮胎，以保证系统在风、雪、波浪等荷载作用下以及土地塌陷情况下的稳定性。[28]植物选择方面，一般考虑选择塌陷区本地物种，并且易于种植成活、产量高，便于后期维护与管理，还能产生一定经济效益的植物。通过链接固定多个漂浮系统板块，建立水上公园景观系统，打造水上采摘区、垂钓区、休闲区等新型景观，让人们可以置身水上漂浮系统，旅游观光、参与互动和享受自然，让废弃的塌陷区深水域在生态恢复的基础上，重新焕发生机与活力，并体现城市的地域特色。（图9）

图9 景观规划效果图

3.2 应用价值

3.2.1 生态效益

水体修复是煤矿塌陷区生态修复规划体系中的重要环节，漂浮系统使水体在循环过程中得到净化，通过植物定期收割转移水中污染物质。系统中的水生植物利用光合作用和蒸腾作用共同调节水面微气候，起到净化空气、调节温度等生态功效，如图10所示，为鸟类、两栖动物等提供良好的水上栖息场所[29]，增加塌陷区的生物多样性。除此之外，系统中的渔业生产活动促进水生植物对水中二氧化碳的吸收，从而达将碳移除水体的目的。

图10 生态修复示意图

3.2.2 经济效益

漂浮系统以渔业和水上种植业为基础产业，单个漂浮系统的成本预估如表3，按每立方米产鱼50 kg（1年收获1次）和每平方米收获5 kg蔬菜（1年收获6次）计算，年产值约2万元，除此之外，结合塌陷区当地人们的生活水平，在基础产业上形成的塌陷区观光旅游、休闲渔业体验、旅游服务发展等产业可以为塌陷区带来更多的经济效益。

表3 漂浮系统成本预估

3.2.3 社会效益

漂浮系统有效利用塌陷区水面资源，缓解土地复垦压力，结合前文所述的多种产业类型，促进当地社会经济发展。系统所采用的循环利用的环保思想能提高社会的文明程度。通过系统拼接组合，建成集休闲娱乐、观光、生态保护等功能于一体的水上公园，为人们提供生活娱乐、休闲度假的场所，在改善社会人群的精神面貌、提高生活质量和健康水平等方面都有积极的意义。

4 结语

本文从结构设计、工作流程与结构特点及实际应用三个方面论述了一种煤矿塌陷区深水域漂浮系统。该系统通过新型结构设计和太阳能水泵系统共同驱动水体在复合型生态浮床及净水池间的循环流动，在实现生物净化的同时，结合立体生态理念与景观规划设计实现系统的最大化应用，在塌陷区深水域特殊环境和困境中创造出生态、经济、社会三大方面的良好效益和实用价值。但该漂浮系统也有一定的局限性，主要是对水域面积的大小及岸线的形态有一定要求，其方形模块的组合方式需要较大的水域面积以及较平缓的岸线形态，这在较小的塌陷水域或岸线曲折不平的地区，难以实现较好的布局并产生集合效益，因此，下一步将继续优化结构和完善功能，并在实践中进一步探索广泛的适用性等问题。总体而言，目前该漂浮系统在当前几近荒废甚至面临严重污染的煤矿塌陷区深水域具有广阔的应用前景，并对未来塌陷区新产业的开发具有借鉴意义。