国内外采煤塌陷地整治研究进展及述评

张 伟，邓艳梅，蔡安宁，王蔚哲

（1.安徽科技学院 建筑学院，安徽 蚌埠 233000；2.西安外国语大学 旅游学院，西安 710000；3.南京晓庄学院 旅游与社会管理学院，南京 211171）

受煤层埋藏条件的限制，我国成为了全球第一大井工煤矿开采国，采煤破坏土地的外在表现为塌陷和煤矸石压地；而欧美发达国家大多采用露天开采方式，对土地造成的负面影响突出表现为挖损和占用。虽然中外采煤破坏土地的形式和机理、经济社会制度、发展阶段等因素都不相同，但煤炭开采给矿区经济社会发展、生态建设和环境保护带来的负面影响，以及人们期盼通过整治采煤塌陷地，促进矿区可持续发展，这两方面则是相近的。采煤塌陷地是矿区土地复垦的重要对象之一，有关采煤塌陷地整治的研究大多散见于矿山土地复垦的文献中。欧美发达国家的采煤塌陷问题早于中国，他们在塌陷地整治领域总结了很多成功经验，为了更好地借鉴国外经验，加快我国采煤塌陷地整治进度与扩大规模，本文从国外与国内的采煤塌陷地整治概念阐释、规划编制、工程技术、城市发展等视角，全面回顾并评述采煤塌陷地整治研究进展。

1 采煤塌陷地整治的概念阐释

井工采煤使得原来处于平衡状态的覆岩失去支撑，致使土方及覆岩先后冒落、断裂、弯曲和变形，直至反映到地表，形成一个比采空区面积大得多的近似椭圆形的沉陷盆地，即采煤塌陷地。[1]学术界对采煤塌陷地的概念没有异议，但对“整治”概念的理解，不同国家的含义是有差异的，如英国常用Restoration，美国常用Reclamation、澳大利亚常用Rehabilitation，另外还有revegetation（复绿）、reconstruction（重建）和Rehabilitation（复原）等术语。为了规范科学术语的应用，1974年美国科学院对这三个术语进行了描述，后来广被研究者采用[2]：Restoration是指将采矿损毁的场地最大化地复原到采矿前的状态，主要包括地形、地表和地下水系、生物群落等，多被翻译为“复原”。Reclamation是指将被破坏的地区恢复到近似破坏前的状态，不仅尽量恢复破坏前的地形，还尽量恢复生物群落的栖息场所，多译为“恢复”，在中国常将其译为“复垦”。Rehabilitation是指将采矿损毁的地区恢复到与采矿前编制规划目标相一致的形式和生产力，若与采矿前不一致，那么新用途必须对社会更有利且与周围环境美学价值相一致，多被翻译为“重建”。

在我国，“整治”曾被表述为造地、复田、复耕、垦复和综合治理等概念[3]，其中“复垦”一词得到了大多数研究者的支持，但从上述释义可以看出，“复垦”这一概念偏重于植被恢复和环境保护，功能过于单调。当前，为适应我国经济社会发展的新形势，土地复垦不仅注重生态功能恢复，还应突出目标用途多元化，直接为经济社会发展提供用地支持，提高废弃土地利用价值；土地复垦甚至还可以作为促进矿区经济社会发展的机遇和载体，在地区扶贫开发工作中发挥应有的功能。在此背景下，我国推出了“土地整治”这一概念。[4]为了规避概念和理解上的混乱，当前我国普遍统一使用“整治”的概念，比如：原“国土资源部土地整理中心”更名为“自然资源部国土整治中心”。可见，矿区土地整治的概念随着经济社会发展而不断丰富。

2 采煤塌陷地整治研究进展

2.1 “3S”应用视角的采煤塌陷地整治研究

在借助计算机辅助方面，欧美国家开始得很早。早在1979年，Michael 等就认为，在塌陷地整治规划中，借助计算机辅助功能，不仅可以建立详细的数据库，还可以进行定量化评估，甚至可以到达可视化效果。[5]Darmody 应用GIS 技术评估伊利诺伊州采煤塌陷对农业发展造成的影响，为煤矿设计者和监管机构提供参考。[6]World Coal Association 通过记录开矿前周围环境的状况，然后观察煤矿开采对地表水、地下水、土壤、原生植被和野生动物种群的影响，以此建立数据库，设计数学模型，用计算机模拟煤炭开采对当地环境的影响，从而为其他煤炭企业治理环境提供参考。[7]

在RS、GPS和GIS（3S）中，遥感技术RS（Remote Sensing）技术最早应用到我国矿区土地整治监测和治理领域。1986年原国家煤炭部应用法国SPOT卫星遥感图像，监测唐山开滦范各庄矿采煤塌陷地的演变过程，绘制了塌陷区多时像图和塌陷地类型分区专题图，为编制塌陷地整治规划及实际施工提供了科学依据。[8]全球定位系统GPS（Global Position System）技术具有布网灵活方便、作业周期短、劳动强度低和全天候实时监测等优点，所以迅速被应用到矿区土地整治测量领域，其中精密单点定位技术更是提高了塌陷地整治测量的外业效率和精度。[9]地理信息系统GIS（Geographic Information System）具有的缓冲区分析功能可以为决策者理性选择开采方案、确定塌陷边界和预算补偿修复费用提供帮助；叠加分析功能可以科学评价塌陷地整治潜力，拟定和优化塌陷地整治方案；数字地理模型DTM（Digital Terrain Model）分析功能可以在计算塌陷地平整土方量、防治水利流失等方面提供技术支持，所以构建基于GIS的矿区土地整治信息系统，对塌陷地预测、整治及管理工作具有重要作用。[10]针对GIS的空间分析缺乏从整体上解决问题的特点，许多学者将GIS与模糊综合评价模型[11]、人工神经网络技术[12]等相结合，以拓展GIS的应用功能。“3S”技术不仅能够独立运用，同时相互之间还具有互补性，三者之间的相互作用形成了“2只眼睛和1个大脑”的框架，即RS从大尺度的“面上”提供来了监测区域的变化和塌陷信息，GPS则在“点上”提供了塌陷区精准的控制点信息，GIS则作为信息处理平台，通过空间分析与决策支持功能，管理塌陷地整治工作。可见，“3S”集成技术在塌陷地整治、监测、管理和调控中的集成和应用是大势所趋，也是未来建设“数字矿山”的重要组成部分。

2.2 工程技术视角的采煤塌陷地整治研究

国外把塌陷地看作是采煤活动的一部分，主要关注环境问题，偏重于采用生物措施，对塌陷地进行生态重建。通过在塌陷地和矸石压占地上培养微生物，栽种树木、灌木或草类等多种植物[13]；在复垦的植被里，放养兔子、羊、蚂蚁、蚯蚓等各类动物，增加本土物种数量，重建自维持和功能生态系统[14]；充分利用土壤中的某些微生物对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用，降解土壤重金属的有毒物质，如革兰氏阳性菌可吸收Cd、Cu、Ni和Pb等[15]-[16]。利用某些植物能够忍耐重金属毒性，或能够适应干旱和贫瘠的基质条件，如印度芥菜可吸收Zn，高秆牧草能吸收Cu，等等。[17]另外，柳树、刺槐、杨树等树种对有毒元素都有较强的吸收力；增加土壤氮含量及有机质，恢复土地生产力，逐渐改善和提高环境质量。[18]-[19]

采煤塌陷地的差异性决定了具体施工技术的多样化。我国地域广阔，煤炭分布较广，受地形、气候、地质、煤炭储量、埋藏深度、塌陷时间等多种因素影响，塌陷地类型多样，通过总结一系列典型地区、典型塌陷地整治试点的经验，我国已形成工程、生物和化学等多种科技含量高的整治技术。其中，工程技术主要包括平整土地、修筑梯田、疏排积水、填充凹坑、夯实地基、直接利用等措施[20]，其作用是构建植物生境，或为后续整治工程做好前期准备。生物技术主要包括土壤培肥、生物改良、植被重建等方法[21]，其作用是恢复土壤肥力，实现复垦土地生态系统可持续发展；化学技术主要针对有土壤或水质污染的塌陷区，采用化学电解、化学沉淀、离子交换、生物絮凝、生物吸附、植物修复等方法[22]，使土壤或水中的重金属缓慢氧化或化合，吸收或降解塌陷土壤中的重金属。在这三项技术中，从时间上看，工程措施是最早被应用在采煤塌陷地整治活动中，其次是生物技术，最后是化学技术；但就重要性而言，三者功能各异，不分伯仲，贯穿于每个实际整治项目之中，是综合使用的。另外，这些技术手段大多适用于稳沉塌陷地，而非稳沉塌陷地整治的技术应用太少，特别是适用于建设用地的技术。[23]

2.3 城市发展视角的采煤塌陷地整治研究

根据城市地租理论，位于煤炭城市内部和郊区的塌陷地代表了一种资源——具有发展潜力的大量闲置低效土地为未来城市发展提供了生存和发展空间。[24]整治后的塌陷地具有承载功能，可以用作商服、居住、工业、农业、娱乐、野生物栖息、水利与水产养殖、应急避难场所以及其他综合用途等[25]，在一定程度上能够满足城市经济社会发展和基础设施建设用地的空间需求；整治后的塌陷地具有生产功能，可以重新作为农业生产的基本生产资料，在一定程度上满足城市需要的粮食、蔬果、渔畜、花卉、农业观光体验等物质或精神需求；整治后的塌陷地具有生态环境服务功能，可以作为城市湿地生态公园，发挥生物栖息、维持生物多样性、调节气候、释氧固碳、降污解毒等功用，在一定程度上改善了城市生态和人居环境；整治后的塌陷地具有景观功能，把塌陷地与周边地物、历史文化整合后，形成了独特的煤炭城市景观，水域和绿地构成了城市自然景观，矿井、矸石山、铁路、厂房等构成了城市人工景观，采矿、工业、城市发展历程构成了城市文化景观[26]，这些景观在一定程度上提升了城市推介形象和城市软实力。

在承载功能方面，捷克从1950 年代初便开始整治采煤塌陷地，根据矿区和城市经济社会和环境发展需要，不仅把整治后的塌陷地用作良田、人造森林，还因地制宜进行多种开发经营，如兴建养鱼池、游泳场、牧马场、体育场、赛车场、狩猎场以及水上乐园、森林公园等，仅1952-1985年便累计整治塌陷地1万hm2，取得了显著的经济社会效益和环境效益。[27]Gentcheva-Kostadinova 认为，塌陷地的特性决定了在其上面进行农业耕种，不仅管理难度大，还费用高昂，相比之下，如果用作林地，不仅整治工程量会有所减少，维护方便，还可以活化土壤，为将来用作农业耕种打好了基础。[28]-[29]根据美国自然资源部官网的数据，1999-2010年肯塔基州东部420hm2塌陷地已被指定用作发展商业、工业或住宅，自2001年10月以来西弗吉尼亚州402.3hm2塌陷地已被指定用作工业、商业、公共服务或住宅发展。[30]可见，欧美国家将塌陷地整治再利用与生态低碳产业相结合，达到了社区所需要的环境与经济共同发展的心理预期。

在生产功能方面，采煤活动损坏了大量的优质耕地，造成区域粮食产量减少，为了维护粮食安全，把采煤塌陷地整治为耕地是国家土地复垦的重要任务之一。南非的姆普马兰加省（Mpumalanga），采煤损毁的50%土地都是高潜力的耕地，为了把塌陷地恢复到高产状态，在采矿前，先把没有塌陷土地的50cm厚的耕作表土剥离，然后填覆到计划复垦稳沉的塌陷地的表面，通过培肥、灌溉等手段，用作播种牧草，以控制土壤侵蚀，促进土壤微生物生长发育，经过若干年后，在土壤肥力达到耕地的标准后，再恢复为农田。[31]美国的德克萨斯州（Texas），针对塌陷程度不一的采煤塌陷地，采取回填、压实、重置表土、建造梯田等不同的工程方式，重塑塌陷土地外观，配备田间道路、灌溉等几处设施，然后种植草类、树木或者小麦、稻谷等草本植物，最后移交给土地所有者。[32]我国《土地复垦条例》（以下简称“《条例》”）明确指出“土地复垦应当坚持科学规划、因地制宜、综合治理、经济可行、合理利用的原则”，这为塌陷地多元化利用提供了指导方向。需要说明的是，我国煤炭资源与耕地资源分布重合区域占我国耕地总面积的42.7%[33]，且重合区域的人口密度较大，采煤塌陷严重损毁耕地，致使失地农民数量上升，为保障国家粮食安全和地方社会安全，《土地管理法》专门指出“复垦土地应当优先用于农业”，而事实上，采煤废弃地复垦为农业地的比例约90%[34]，实现了立法的预期目的。

长久以来，开采自然资源往往是以牺牲环境质量为代价的，城市居民和矿工遭受生态破坏与环境污染之苦，所以国外更偏重于把采煤塌陷视为环境问题，从而大多采用生物与化学技术，主要包括生物改良、植被重建、化学沉淀、生物吸附、植物修复等方法。为了保证复垦土地中的生物多样性，欧美国家充分利用地形，增加景观基质，突出人工设施的渗透性，促进水分、养分等循环；控制和预防场地中已知的入侵植物，降低其对当地的生态系统和植物群落的影响；尽可能利用本土植物，保护场地生态区域的本土植物群落以维持区域的植物多样性，为小动物营造良好的栖息地。从实践上看，比如，美国绝大多数的塌陷地已被指定用作鱼类和野生动物的栖息地、森林或牧场。[35]

随着人们价值取向、心理状态和审美情趣等精神层面的要求逐步提高，塌陷地整治必然引入借鉴景观学和景观建筑学的思想理论，具体而言，在挖深垫浅、植树种草、筑路修渠等工程中应尽可能地认识、维护、重建和延续原地域景观特征[36]，从而既能满足景观美学的要求，又能顾及休闲用地的功能。“斑块—廊道—基质”景观结构理论在编制采煤塌陷地整治规划与具体项目施工中有着重要的应用价值，通过保护和设计农用地块、坑塘水面、片状林草地等“斑块”，可以发挥其生态涵养和景观美学等功能，通过设计和新建田间道路、水利沟渠等“廊道”，可以发挥其连接隔断、沟通运输和景观美学等功能，而维护和重构自然生态与人文历史空间等“基质”，可以发挥其生物生产和提供生态服务的功能。[37]在实践方面，由于塌陷地用于建筑的难度较大、风险较高，欧美国家甚至将废弃空置土地用于城市耕作、生态涵养和艺术公园，不仅为城市提供了新鲜食物与花卉，还增加了城市绿地面积，重塑城市绿地景观，方便了城市居民休闲娱乐。安徽省淮北市将矿区塌陷水域、残留煤柱、煤矸石山、废弃矿井等资源整合，规划建设水生植物园、水上游乐园、垂钓园及水禽园等娱乐设施，构建水域—绿地—山体相融合的城市绿色空间，大大改善了原有的重工业城市形象。[38]

需要指出的是，塌陷地整治具有的承载、生产、生态和景观等多重功能，往往会综合运用到某个区域。在德国勃兰登堡（Brandenburg）南部的褐煤矿区，1990年该区关闭了80%的矿点，科学编制整个矿区整治规划，采取分期分片的推进方式，首先将15%的矿区整治为生态居住区，在塌陷水域上建设人工湖20余个；在废弃矿区上打造煤炭深加工基地，适时推进产业转移，让下岗矿工在原地再就业；为了解决无煤发电的问题，该区投资5000万欧元建立大型风力发电厂；为了快速解决水污染和水资源短缺的问题，该区引用外来水源向矿区注水，尽快让地下水位恢复均衡状态，并采用化学方法改良水质；通过对外招商形式，建立生态环境保护区；另外还有相当面积的土地被整理为耕地、草地。[39]德国鲁尔区面对煤炭资源枯竭，环境污染严重，人口大量失业的残酷现实，实施了为期20年的经济恢复发展和重建计划——鲁尔区发展规划，把塌陷严重的土地转变成为绿化带和公园，把新商业和产业园区布局在稳沉的塌陷地上，增强了文化和休闲领域的吸引力，塌陷地再利用为鲁尔区的复兴作出了巨大贡献。[40]可见，整治后的土地利用多元性，为整个地区协调发展创造了有利的条件和良好的空间。

2.4 规划编制视角的采煤塌陷地整治研究

塌陷地整治规划是整治工程得以实施的前提，其编制是否科学、可行，是直接决定整治工作能否取得良好成效的关键。通常，塌陷地整治规划都会涉及划分整治类型、调查整治潜力、提出整治模式、评价适宜性、估算整治效益等多个环节。塌陷地分类明确是实现因地制宜分类整治的前提和依据[41]，不同的采煤塌陷地类型决定了整治模式的各式各样，即使同一类型的塌陷地在不同地区的整治模式也会有所差异[42]。调查和评价采煤塌陷地整治潜力是科学编制土地整治规划及其整治项目设计的重要基础，对潜力调查结果进行科学评价，并划分不同的潜力类型区，针对不同的潜力类型区的限制条件提出了相应的复垦方向和措施。[43]卞正富综合评定了我国主要煤矿区的土地生产力破坏和生态类型，将全国采煤塌陷地根据复垦条件分为东北蒙东区、黄淮海区、晋陕蒙西区、华东南区、西南区和新甘宁青藏区6个大区及东北区、蒙东区、高潜水位区等12个亚区，并分别详细阐述了6个大区的采煤特点、损毁土地类型和整治对策[44]，这为编制采煤塌陷地整治规划提供了重要参考。由于我国采煤发生地本底条件差异很大，整治用途通常应与周边经济社会发展相适宜，且待整治的塌陷地都有多宜性，这就决定了全国采煤塌陷地整治很难有通用的一般模式。[45]适宜性评价涉及待复垦区域自然因素和社会经济因素的影响，地形、地貌、地质、土壤、积水条件、塌陷坡度、与城市的相对距离等条件共同决定着土地利用的适宜性。塌陷地的适宜性是相对的，随着经济社会的发展，即使同一斑块塌陷地的适宜性也是不断变化的。评估整治效益是编制采煤塌陷地整治规划的重要环节，已由初期的单纯经济效益向多目标的生态效益和社会效益兼得转变。[46]可见，采煤塌陷地整治是兼顾整治污染源、保护环境、改善与重建生态，提高土地生产力、利用率和耕地垦殖率的一项综合性工程，具有十分明显的综合效应。

在编制整治规划时，引入模糊综合评价、灰色聚类分析、开采沉陷理论、环境系统工程理论等方法与理论，做好煤炭开采后的塌陷形态、景观格局等区域调查工作，总体上评价整治条件[47]；在前期的基础上，运用层次分析、线性规划、灰色决策等方法[48]，科学确定整治土地用途，优化整治区域用地结构，合理选择整治工程措施，这些工作都是整治规划的核心任务。基于不同的出发点，研究者可以编制不同的矿区土地复垦规划，如仅从煤矿开采时间上看，可以分为采前规划和采后规划；根据矿区地貌可分为山区规划和平原规划[49]；而根据矿区地理位置的差异，可分为“城郊—矿区型”规划和“农业区—矿区型”规划，前者规划方向是恢复区域的生态环境和自然景观面貌，后者规划方向是发展区域的生态农业[50]；根据规划内容的重点不同，可以分为生态工程规划、经济效果规划及生态与经济效果综合规划[51]。在这里需要重点介绍中国矿业大学卞正富的《矿区土地复垦规划的理论与实践》一书，该书系统地介绍了矿区土地复垦规划原理和方法的应用，并结合具体实际案例，已成为我国矿区土地复垦规划编制的教科书，为我国矿区土地复垦工作的规范化管理与技术示范提供了宝贵的经验，对我国矿区土地复垦向纵深发展具有很好的指导意义。[52]

3 采煤塌陷地整治研究述评

近年来我国采煤塌陷地整治成果颇丰，研究领域也较为全面，为下一步开展采煤塌陷地整治提供了重要的借鉴意义。与欧美发达国家比较，我国在采煤塌陷地整治的理论引入、功能定位、管理机制等研究方面仍处于比较落后的阶段，有待于进一步加强。

3.1 国外理论体系相对完善，国内相关学科间融合不够

通过国外采煤塌陷地整治相关研究进展的综述，可以看出：国外采煤塌陷地整治理论体系相对较为完善，参与研究的学科较为齐全，目前已经形成了融合采矿学、地质学、人文地理学、自然资源与环境经济学、城市规划、社会学等跨学科、多角度研究的格局。

反观国内采煤塌陷地整治主要在采矿学、地质学、生态学等学科领域展开，重视采矿安全、地质稳定、土壤修复、生态绿化等工程技术的实践应用，而从人文地理学、区域规划学、自然资源与环境经济学等相关学科角度的研究成果偏少，且相关学科之间的交叉融合不够，特别缺乏从城市发展需求的视角来展开采煤塌陷地整治研究。

3.2 国外注重发挥塌陷地综合功能，国内以农业开发为主

国外把采煤塌陷地整治作为煤炭型城市转型发展的重要内容之一，将采煤塌陷地整治视为区域发展的有效途径和手段，即：把塌陷地整治与地方社会经济发展、城市化进程、城镇规划等因素有机结合起来，充分发挥塌陷地的经济产出价值、生态环境价值、历史文化价值和科学教育价值，促进塌陷地及其周边土地再开发，而实现调整区域产业结构、促进城市转型发展的远大目标。

我国把采煤塌陷视为狭隘的土地再利用问题，忽视了探讨人、土地、环境、资源之间的多元耦合关系，本着“就复垦论复垦”原则，整治项目大多在农村地区开展，整治后的土地大多用于种植业、林业、畜牧业和渔业等传统农业，整治动力明显不足。采煤塌陷地整治成为了地方政府追求增加耕地面积、置换建设用地指标、加速城市规模非理性扩张的政绩工程，且整治后的部分土地质量堪忧。功能定位与目标用途不一样，采煤塌陷地整治的立法目的、管理措施、复垦手段、整治效益则会有所差异。

3.3 国外管理坚持市场调节与政府干预相结合，国内管理以政府为主导

国外采用市场激励性政策和政府管制性政策有机结合的方法，激发了市场或社会投资意愿，提高了采煤塌陷地整治效率。国外政府部门仅负责整治项目的组织、审查和监督，具体工程的设计、施工和验收则交付专业人员，并引入公众参与监督机制，贯穿于整治项目的全部流程，从而避免发生权力寻租行为，保证了整治项目的高质量。

受经济体制还不健全、政策法规存有缺陷等因素的影响，我国的政府和市场相结合的管理方式没有得到有效实践，政府管理仍占有支配地位。地方国土部门负责整治项目的设计、施工、监督和验收等全部流程，这为权力寻租、复垦质量较低等问题留下了隐患。所以，国外市场与政府有机结合的整治模式，以及多方参与、分工明确的管理方式，对我国采煤塌陷地整治具有非常重要的借鉴意义。

3.4 国外重视经济社会问题研究，国内注重工程技术研究

采煤塌陷问题具有空间关联性，对煤炭城市经济社会发展带来了负面作用。国外重视采煤塌陷地整治的经济社会问题研究，将采煤塌陷地整治视为实现城市发展的有效手段之一，消除或压减塌陷及其负面效应，为城市转型发展提供有效载体。国内注重采煤塌陷地整治的工程技术研究，大多处于场地试验阶段，对采煤塌陷带来经济社会问题还没有引起足够的重视。