青海高原高寒地区生态环境修复治理中的水系连通技术

杨 创， 王 佟， 李聪聪， 赵 欣

(1. 中国煤炭地质总局航测遥感局，西安 710199； 2.中国煤炭地质总局，北京 100038；3.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

随着新时代生态文明思想的提出，我国将生态文明建设上升到了国家战略高度。在生态文明、美丽中国建设和绿色发展的理念下，矿山生态环境保护成为生态文明建设的重要内容。我国的资源禀赋特征决定了煤炭在相当长的一段时期内仍占据主要地位[1]。煤炭资源开发易造成的一系列生态环境地质问题，如何统筹保障国家能源供给和矿山生态环境的保护是绿水青山建设中面临的主要挑战。矿山生态环境修复治理是解决矿山地质环境问题的主要途径[2]。

2021年10月发布的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》，要求强化水资源刚性约束，牢固树立量水而行、节水优先的底线思维，对黄河上游要有效增强水源涵养功能，故在黄河流域矿山生态修复治理中水资源的修复和保护是重要内容。矿山生态环境的修复要遵循“山水林田湖草”生命共同体理念[3]，因地制宜，在修复中最大程度的保护水资源。

青海木里矿区生态位置极为重要，修复治理中面临的综合问题较多，前人对木里矿区生态环境修复方面的研究，主要是生态地质背景[4-6]、土壤重建[7-10]和种草复绿[11]等，对露天采矿造成的水系破坏修复研究较少，因此，有必要从水资源修复的角度，探讨矿区整体生态环境的修复。

1 背景条件

木里矿区地处青藏高原东北部，黄河上游重要支流大通河源头(图1)。既是青海湖和祁连山水源涵养地，又是我国西部生态安全屏障的重要组成部分，生态地位极其重要。多年冻土连续分布，为典型的高原高寒缺氧地区，自然条件非常严酷，是高寒湿地分布区，以高寒沼泽类和高寒草甸为主，主要生长小嵩草和大黄等草本植物，草甸覆盖率超过50%，高原生态环境脆弱，很容易被破坏，且不容易恢复。经多年的露天开采，出现天然草甸损毁、水系湿地与冻土层破坏和边坡不稳定等一系列问题[12-13]，从水文地质环境地质工程地质角度出发，可划分为生态景观破坏、采坑及渣山边坡稳定性问题、采坑积水三类[14]。对矿区原生态环境造成了一定程度的扰动和破坏，影响了区域生态安全屏障、水源涵养能力和土壤保持及生物多样性保护功能。

图1 木里矿区在黄河流域中的位置Figure 1 Muri coalfield position in Yellow River catchment

黄河流域矿山生态修复中要“依水而定、量水而行”[15]。针对木里矿区存在的矿山生态问题和生态功能的分析，在矿区生态修复治理中需要重点对水系破坏进行专项修复治理，以便恢复矿区的水源涵养功能，以人工修复推进自然修复的进程，最终实现人工修复与自然的有机融合，进一步恢复黄河上游“中央水塔”的水源涵养能力。

1.1 水文地质特征

木里矿区位于青藏高原高寒地区，海拔普遍在4 000m以上，气候异常多变，地表水资源丰富，而地下水资源相对贫乏。区内发育多年冻土层，由于多年冻土层的存在，地下水和地表水之间的水力联系较微弱，只能通过融区进行局部补给和排泄。

1.1.1 地表水

区内地表水系较发育，主干水系大通河发源于海西州木里祁连山脉东段托来南山和大通山之间的沙杲林那穆吉木岭。经过木里镇汇入大通河。区内大通河支流水流量较小，河水清澈，次级水系多为季节性流水。河水流量随着气候的变化变幅较大，夏季季节性冻土融化，在山坡阳面形成泉流，以下降泉形式溢出，为季节性河流及地表湖泊补充水量，泉流量为 0.1～2.17L/s，水化学类型多为 HCO3+SO4-Na+Mg与 HCO3+Cl-Na+Mg。聚乎更区主要有上、下哆嗦河等支流。江仓区主要有江仓曲等支流。

地表湖泊发育，小湖泊较多，面积超过 1km2的湖泊只有措喀莫日湖。湖泊大多为降水、冻土层上水汇集所成。此外，区内有许多小型热融湖塘，大多为冻土融冻形成，面积不大，在冬天大部分会完全冻结。

1.1.2 地下水

根据以往煤田地质勘查资料，地下水系统按照赋存空间各异、含水介质不同、多年冻土(岩)的分布范围可分为冻结层上水，冻结层下水。

冻土层上水划分为第四系冻结层上水、基岩冻土层上水、湖泊融区水三个类型；冻结层上水主要补给来源为大气降水，以泉及地表蒸发的方式排泄，局部以地下径流的形式向地形低洼的方向径流。冻结层上水水量与季节变化有明显的联系，春、冬季除融区水，其它形式的冻结层上水基本消失，夏、秋季有明显排泄。冻土层上水同时也受到气候因素的影响，主要为地表水、大气降水以及冰雪融水补给，丰水年含水量增大，枯水年含水量降低。

冻结层下水划分为红层承压水，侏罗系碎屑岩类孔隙裂隙承压水，二叠系、三叠系碎屑岩类孔隙裂隙承压水和碳酸盐岩裂隙水四种类型。冻土下层水是地表水体、大气降水、冰雪融水通过湖泊融区、构造断裂带补给，同时又通过融区、断裂带形成上升泉排泄和蒸发。

1.2 采坑积水

1.2.1 分布

煤矿露天开采形成采坑，地表水直排或通过下渗潜流、地下含水层被揭露，不同水源的水汇聚到采坑，在部分采坑内形成积水。

木里矿区聚乎更区采坑总积水面积130.08万m2，总积水量1 476.51万m3。除聚乎更九号井采坑基本无水外，其余大部分采坑有积水(表1)。

表1 木里矿区聚乎更区采坑积水情况

采坑积水补给来源主要为大气降水和草甸湿地水，积水受季节性影响明显，一般夏季富水，冬季少水或无水。

1.2.2 形成规律分析

区内采坑破坏了冻结层隔水层，使得地表水、冻结层上水和冻结层下水产生了水力联系。采坑积水水源直接因素为大气降水补给，间接因素为矿区地表水、冻结层上水、构造裂隙水及河流融区水补给。因各井田所处位置有差异，不同水源的补给贡献占比有所差异。

从采坑与地表水系的空间关系可以看出，聚乎更区积水量最大的两个采坑是四号和八号井采坑均是哆嗦河穿越的位置，而无积水的聚乎更九号井采坑所处位置高，处于上哆嗦河源头的分水岭部位、哆嗦贡玛采坑地势最高且位于分水岭处；说明采坑积水大小和采坑与地表河流相对位置关系密切相关。凡处于河流处的采坑积水量就越大，远离地表水系，或处于地势相对高的分水岭位置，采坑积水量就小，甚至无水。

聚乎更四号和八号井采坑跨越哆嗦河，为减少采坑积水，满足开采技术条件，前期开采过程中人为对天然河道进行了改造。八号井在河流上游方向实施了拦坝+河流改道。说明虽然采坑截挡了地表水，但地下潜水(冻结层上水)仍会在融雪季和雨季源源不断地侧向补给采坑积水。聚乎更四号井采坑位于上哆嗦河下游方向，八号井采坑位于上哆嗦河上游方向，上哆嗦河由上游向下游流量逐渐增大，聚乎更四号采坑积水量大于八号采坑积水量，进一步说明采坑积水与地表水关系密切。

1.2.3 水质监测

依据2020年9月青海省生态环境监测中心发布的《木里矿区环境质量现状监测报告(2020年)》，地表水监测项目包括《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)表1中22项(除大肠杆菌和总氮)和表2中铁、锰共计24项。经对措喀莫日湖和措喀莫日湖下游断面、上哆嗦河、下哆嗦河等8个监测点进行水质监测，该区地表水水质均达到III类标准，水质良好。对聚乎更区各采坑积水水质进行监测，除聚乎更三号采坑、五号采坑水中锰高于《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)集中式生活饮用水地表水源地补充项目限值1.1和1.7倍之外，其余监测项目均达到II类或以上标准。综合水质监测结果，聚乎更区各采坑积水水质均达到II类或以上标准，满足水系连通的水质基本条件。

2 水系连通技术

木里矿区聚乎更区水系连通的治理模式分两种情况：一种是采坑积水已经成规模，但积水坑杂乱无序分布，边坡滑塌现象严重，雨季时积水通过低洼处漫溢，经常淹没周边原有的草甸等，针对这种类型的积水采坑，可采用积水采坑保留形成高原湖泊的治理方法；另一种情况是形成的采坑已经规模很大，采用渣土回填工程量很大，而且很难彻底治理。此类采坑坑底面积巨大，采矿局部揭露导水断裂使地下水沿断裂带上溢出，形成人工泉眼，地下水和大气降水共同作用使坑内不断形成积水，一方面造成采坑边坡不稳定，另一方面积水对坑底的复绿造成破坏或淹没，采用“引水代填”能够有效解决此类采坑的修复治理与景观协调问题。

2.1 积水采坑保留高原湖泊

木里矿区聚乎更区除个别采坑(聚乎更九号井、哆嗦贡玛井田采坑)基本无水外，其余大部分采坑有积水。积水量较大的是四号井和八号井，积水量较小的是三号井和五号井。若采用采坑全部回填的方法进行治理，工程量与费用投入是巨大的，不符合木里当地矿山环境修复治理的实际情况。在修复治理中充分考虑施工效率、经济性和与自然景观的融合，以最小的工程投入达到最佳的修复治理效果为原则，对积水量较大的聚乎更三号井、四号井、七号井、八号井都因地制宜， “宜湖则湖”，将采坑治理整形保留高原湖泊的治理方案。

采坑改造形成的高原湖泊可与周边沼泽、湿地、河流及天然湖泊等水源涵养系统融合，调节并辅助区域水源涵养能力的提升，有助于木里地区整体生态环境的恢复。积水采坑改造的主要技术方法：首先对采坑边坡削坡整形，清除崩塌浮石等灾害，并对采坑周边形成的超高渣山进行降高减载，消除裂缝、滑塌等灾害，为便于下一步覆土复绿，将渣山边坡坡度控制在25°以下；其次对历史水文地质环境进行分析，经水质检测合格、生态径流保障等满足的前提下，采用人工措施将周边的河流与采坑湖泊连通，对照地表破坏之前的水系条件恢复，形成天然河流、湖泊与采坑湖泊的融合，后期做好常态化的水文地质观测(图2)。

图2 聚乎更区各采坑水系连通示意Figure 2 Schematic diagram of hydrographic net connection in Juhugeng pits

2.2 引水代填

对于形成的采坑容积大但积水范围与深度小的采坑，如聚乎更三号井，采用引水代填的方法：枯水期，保障生态径流；丰水期，通过人工引水措施，将采坑周边地表河水引入采坑形成湖泊，坑底积水灌注到控制的标高之后与地表水系连通。

聚乎更三号井自2003年至2020年进行露天采煤，形成了一个采坑，两座渣山。在三号井坑底局部有少量积水，主要有两个积水坑，一个位于采坑中部南帮边坡坡脚，一个位于采坑东部坡脚。坑底中部残留22万m2的煤层已露出地表。据2014—2017年7—10月份采坑排水量统计显示，每年排水量在100万m3左右，故推测该采坑积水主要来自地表水。

综合对聚乎更三号井采坑特征、坑底暴露的煤炭资源、积水来源及周边水系条件的分析，采取引水代填的技术方案，坑底注水形成采坑湖泊，在减少工程投入的同时，保护了坑底煤炭资源。主要措施：采坑整治完成后，南北渣山边坡与采坑边坡形成“U”形断面，坑底基本保持原有坡度，从采坑东侧开挖渣山埋设主水管道，从下哆嗦河引水注入采坑，积水现在东段坑底最低处汇集，东段采坑低洼处注满水后，以溢流方式向西段采坑流入，随着水位逐渐抬升，最终形成湖水面高程3 975m，面积为153.1万m2的高原湖泊，总注水总量2 728万m3，在保障下哆嗦河正常生态径流的前提下，年实际注水量约为360万m3，预计8a可注满水(图3)。

图3 聚乎更三号井引水代填示意Figure 3 Schematic diagram of water diversion filling in Juhugeng pit No.3

2.3 采坑周边水系连通

由于采矿的人为扰动，采坑周边河滨地带的湿地萎缩植被出现退化。道路左侧的植被正常生长，而由于道路的修建，右侧湿地出现萎缩，植被出现退化。究其原因， 木里矿区土壤类型主要以高山草甸土、沼泽草甸土为主，土壤母质为第四系冲积、 洪积物，砂砾质和砂壤质为土壤主要质地。土壤层厚度随地形坡度的变化明显，在平缓区厚度变大，在边坡区厚度变小，厚度0～50cm，平均厚25cm，自上而下大致分为腐殖层和母质层。腐殖层为草甸生长层，厚度5～10cm，富含有机质，粉质黏土，呈灰黑色粉末状，级配较好，土质中等紧密，几乎不含砾石，草的长度一般不超过4cm，主根长2～3cm，侧根发达，可延伸至10cm深度，植物根系繁多交织生长。因此，土壤腐殖层厚度非常薄，道路修建之后破坏了上部的腐殖层，从微观上来看，阻隔了土壤内部水系的连通性，进而影响了微观尺度上湿地的内在连通性，出现了湿地萎缩植被退化的现象。

针对采坑周边的水系治理采用的技术措施是：因地制宜，采用少量的工程措施对简易道路实施修复，同时在道路下方埋设螺纹管使道路两侧湿地与河流、湖泊重新连通，以人工连通措施为基础， 结合复绿土壤结构恢复与植被根系的毛细涵养功能，逐步恢复因道路阻隔而受损的沼泽湿地生态系统(图4)。

图4 采坑周边水系连通示意Figure 4 Schematic diagram of hydrographic net connection in pit peripheries

3 治理效果

木里矿区修复治理中充分将“水”作为重要要素进行修复，采取依坡就势造就高原湖泊，引入上哆嗦河地表水自流进入聚乎更八号井采坑湖泊，出湖泊后汇入上哆嗦河，沿途接纳支流后，通过人工河道，引流进入四号井形成湖泊，出四号井湖泊后流入上哆嗦河。最终形成宏观尺度自西向东的水系自然连通。

经过综合整治，聚乎更三号井引水代填形成高原湖泊，四号井保留高原湖泊，五号井形成沟谷梯田景观，八号井形成高原湖泊并与上哆嗦河自然连通，七号井西部形成串珠状湖泊并与措喀莫日湖自然连通，九号井和哆嗦贡玛依山就势，与周边景观有机融合，总体形成单井有特色，整体交相辉映，河湖交错，湿地发育一体的高原景观，实现了资源保护与生态环境治理的统筹协调，逐步恢复木里地区水源涵养和生态系统功能(图5)。

图5 整体水系连通治理效果示意Figure 5 Schematic diagram of integrated hydrographicnet connection governance effect

4 结论

1)木里矿区煤矿露天开采形成的采坑，破坏了冻结层隔水层，使得地表水、冻结层上水和冻结层下水产生了水力联系，不同水源的水汇聚到采坑，在部分采坑内形成积水。

2)木里矿区各个采坑积水量的大小与原始地表水系的空间关系密切，处于上、下哆嗦河天然河道流经位置的聚乎更四号和八号井积水量最大，其余采坑积水量相对较小。

3)木里矿区生态修复治理中， 在水文地质条件分析和水质检测的基础上，因地制宜，模拟自然地表水系状态，河湖一体化修复，对采坑积水的治理采取了积水整治形成高原湖泊和引水代填的两种水系连通修复治理技术，经济高效，取得了良好的修复治理效果。