礦區(qū)土地與水域演變趨勢范文

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《煤炭學報》2015年第S2期

摘要:

淮南潘謝礦區(qū)為高潛水位煤層群開采條件，隨著煤炭大規(guī)模開發(fā)，引起地表大范圍的沉陷導致生態(tài)環(huán)境發(fā)生嚴重變化，在現狀調查的基礎上，結合礦區(qū)生產規(guī)劃，應用開采沉陷預測技術、地理信息及遙感技術，對淮南礦區(qū)土地、水域演變趨勢進行研究并提出治理對策。分析結果表明沉陷區(qū)土地面積占比整體快速下降，而水體面積占比快速上升，到煤炭資源采畢后，淮南潘謝礦區(qū)范圍內(不包括留設煤柱保護的建筑用地)積水面積相當于100個西湖，達597．6km2;蓄水容積相當于3個太湖，達143．6億m3;生態(tài)系統結構由陸生生態(tài)系統轉變?yōu)樗憦秃仙鷳B(tài)系統。據此提出一套濕地生態(tài)系統重構、生態(tài)農業(yè)構建等多種治理模式相結合的復墾和生態(tài)修復體系，充分利用沉陷區(qū)并改善生態(tài)環(huán)境;結合沉陷積水區(qū)、天然湖泊洼地及水系相通的條件，將沉陷區(qū)開發(fā)為蓄水工程，為國家“引江濟淮”服務，改善區(qū)域水資源短缺現狀。

關鍵詞:

淮南潘謝礦區(qū);開采沉陷;高潛水位;生態(tài)系統演變

淮南礦區(qū)位于淮河中游、華東經濟發(fā)達區(qū)腹地，其地理坐標為:116.35°E～117.18°E，32.53°N～33.00°N，是國家確定的14個大型煤炭基地和六大煤電一體化基地之一;礦區(qū)東西長約100km，南北傾斜寬約30km，境內湖泊洼地眾多，且河流水系交錯，最大地表水系為淮河水系，其支流主要有架河、泥黑河、西淝河、濟河與沙潁河等［1］。淮南礦區(qū)的煤炭開采對彌補我國東部能源缺口，保證國民經濟持續(xù)健康發(fā)展具有不可替代的戰(zhàn)略意義，而江淮地區(qū)是全國九大商品糧基地之一，糧食生產也是國家的重要戰(zhàn)略，但由于東部礦區(qū)第四系沖積層較厚，潛水位較高，地表沉陷后常形成大面積的沉陷積水區(qū)，導致水體逐漸增多，耕地和建筑用地逐漸減少，形成了土體向水體轉變的趨勢，嚴重影響了農業(yè)發(fā)展和居民生活。因此在東部礦區(qū)(如淮南礦區(qū))煤炭開采引起的重要環(huán)境問題是土體的破壞和水系的紊亂［2－5］。國內外對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的研究集中在礦區(qū)地表沉陷的監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境的修復以及環(huán)境影響的評價等方面［1－7］，但是對礦區(qū)土地資源演變趨勢的預測資料仍不夠詳實。隨著礦區(qū)生態(tài)問題的日益突出，基于遙感技術準確的監(jiān)測礦區(qū)生態(tài)的變化以及建立地質生態(tài)環(huán)境預測，對未來采煤塌陷地演變趨勢變化預測以及水環(huán)境治理具有重要的現實意義。本文在現狀調查的基礎上，結合礦區(qū)生產規(guī)劃，應用開采沉陷預測技術、地理信息及遙感技術，對淮南潘謝礦區(qū)土地、水域演變趨勢進行研究并提出了治理對策。

1礦區(qū)開發(fā)簡況

淮南礦區(qū)自1903年開采以來，已歷經110余年，淮河以南煤礦的煤炭資源已接近枯竭，因此淮南礦區(qū)的開采重心向淮河以北轉移。淮河以北的潘謝礦區(qū)面積1571km2，含6個主采煤層，單層厚度2～6m，屬中厚～厚煤層，煤炭資源儲量達285億t，具有多煤層重復采動特點。截止2014年淮南礦區(qū)已累計生產原煤約12億t，根據生產規(guī)劃，潘謝礦區(qū)2015—2020年可累計生產原煤約3.5億t，2021—2030年可累計生產原煤約7.0億t［1］。

2土地演變趨勢

煤炭資源開發(fā)對煤礦區(qū)的土地資源造成了嚴重的破壞，給礦區(qū)經濟和社會發(fā)展帶來了諸多負面影響，因此探討礦區(qū)土地的時空演變規(guī)律，預測礦區(qū)土地資源變化趨勢，對礦區(qū)土地復墾規(guī)劃設計和土地資源合理利用模式研究等都具有重要意義［6－10］。

2.1礦區(qū)土地時空變化現狀對不同時相的礦區(qū)遙感影像進行分類，能夠獲取礦區(qū)土地利用/覆蓋的變化信息，研究土地覆蓋類型及性質的變化，有助于礦區(qū)生態(tài)系統內部結構及功能轉化等內容的進一步研究［11－15］。在研究中，利用決策樹分類方法對經過預處理的淮南礦區(qū)1990年、2000年、2006年和2010年的TM圖像進行了土地覆蓋分類，不同時期土地利用情況見表1。由表1可知，整個淮南礦區(qū)從1990年至2010年，耕地所占比例由70.30%降至63.59%，面積約減少45km2;水體所占比例較小，但變化幅度較大，1990—2010年面積增長了175.37%，面積所占比例由3.85%增至9.62%;建筑用地的變化幅度較小，其面積所占比例一直保持在26%左右。其中建筑用地、耕地和水體的變化趨勢如圖1所示。根據上述分析，隨著煤炭資源大規(guī)模開采，耕地面積直線減少，水體面積直線增加;建筑用地呈現“先增加后減少”的規(guī)律，然而由于受到礦區(qū)開發(fā)的影響，建筑用地發(fā)展空間較小，除了因煤炭開采村莊搬遷導致建筑用地減小之外，礦區(qū)的建筑用地未來變化空間較小，主要是礦區(qū)耕地和水體的變化，會引起陸生生態(tài)系統向水陸復合生生態(tài)系統改變。地下煤炭資源開采后，對地面造成最直接的影響就是地表沉陷，在高潛水位地區(qū)，則容易形成大范圍沉陷積水區(qū)，從而造成耕地資源的損失。根據不同時相遙感影像的分類統計結果并結合相應原煤產量，可以得出耕地面積變化與累計原煤產量之間的關系，見表2。由表2和圖1(b)可知，隨著原煤產量的不斷增加，淮南礦區(qū)的耕地面積不斷減少。在1990—2000年，潘謝礦區(qū)投產礦井少，開采強度低，原煤年產量僅為1281萬t，耕地面積減少了16.60km2;2000—2006年，隨著張集、顧橋等煤礦陸續(xù)投產，原煤年產量達到2475萬t，耕地面積減少了11.67km2;2006—2014年原煤年產量增長為5385萬t，耕地面積減少趨勢大幅度增加，達16.21km2。總體上來看，淮南礦區(qū)耕地面積與累計原煤產量之間存在一定的關系，隨著產量不斷增加，耕地面積不斷減少，但根據2006—2014年的數據可知，隨著多煤層重復采動情況增多，地表影響范圍增加并不明顯，每采萬噸煤的耕地面積減少速度有所放緩。

2.2礦區(qū)土地演變趨勢地表沉陷預測是在調查和把握采煤沉陷現狀的基礎上，對礦區(qū)進行分時段、大面積的遠期沉陷預計，是對未來礦區(qū)土地、水系演變趨勢的研究。經預測，淮南潘謝礦區(qū)不同時期的沉陷情況見表3，2020和2030年沉陷情況如圖2所示。建筑用地一般都留設有保護煤柱(比如村鎮(zhèn)等)，因此，計算得到的沉陷區(qū)域應為耕地和水體。根據實地調查，得到不同區(qū)域的潛水位線和不同沉陷區(qū)域的積水線，進而統計出沉陷區(qū)的積水面積和耕地面積，統計數據見表3。由表3可知，淮南潘謝礦區(qū)隨著開采的增加，沉陷面積逐漸增大，但土地占比呈下降趨勢，目前(2014年)沉陷面積為118.3km2，其中沉陷區(qū)土地占比為48.2%，到2050年土地占比降至37.6%，最終煤炭資源開采完之后，沉陷區(qū)范圍內土地所占比例僅為11.9%。

3水域的演變趨勢

淮南潘謝礦區(qū)潛水位高，地表下沉2m左右即出現積水，根據沉陷預測結果并結合淮南礦區(qū)的地理條件可得到2020年、2030年及最終開采后礦區(qū)的積水范圍預測圖，如圖3所示。統計的沉陷區(qū)積水面積數據見表3。由表3可知，礦區(qū)積水面積隨開采逐年增加，占比也呈上升趨勢，目前積水面積為56.1km2，到煤炭資源開采完畢后，最終積水面積將達597.6km2，相當于100個西湖大小，占比也由現在的51.8%增加到最終的88.1%。礦區(qū)采煤沉陷區(qū)最終大部分為水體，土地只有很少一部分。圖3顯示了積水區(qū)域分布，由圖3可得:(1)2020年沉陷積水區(qū)(圖3(a))在淮河的各支流形成滯留區(qū)，比如:西淝河滯留區(qū)、泥河滯留區(qū)等;此時，各滯留區(qū)是獨立的，相互之間不溝通;根據預測，到2020年礦區(qū)沉陷盆地蓄水容積約為7.2億m3。(2)到2030年沉陷積水(圖3(b))形成的各支流滯留區(qū)已經是區(qū)域性連成一片，比如，濟河與西淝河沉陷滯留區(qū)已經聯成一體，黑河與泥河的滯留區(qū)也聯成一片;形成了4個大的滯留區(qū)，但沒有構成一個整體。根據預測，到2030年淮南礦區(qū)沉陷盆地蓄水容積約為11.4億m3。(3)到煤炭資源采畢后，整個礦區(qū)的沉陷積水區(qū)聯通一片，形成了2個大的積水滯留區(qū)，且與水系通(圖3(c))。根據預測，最終淮南潘謝礦區(qū)沉陷盆地蓄水容積約為143.6億m3，相當于3個太湖的蓄水庫容。大面積沉陷積水嚴重影響了淮南礦區(qū)的生態(tài)系統結構，并且這種影響是不可逆轉的，將使淮南礦區(qū)由陸生生態(tài)系統演變?yōu)樗憦秃仙鷳B(tài)系統，生態(tài)環(huán)境綜合治理利用成為研究重點。

4沉陷區(qū)綜合治理對策

4.1多種治理模式相結合的復墾和生態(tài)修復體系根據礦區(qū)高潛水位、煤層群重復開采、疊加沉降、采煤沉陷區(qū)中積水面積大等特點，傳統的“挖深墊淺”等復墾方法已不適合該地區(qū)。針對由陸生環(huán)境演變?yōu)樗憦秃檄h(huán)境的特殊條件，應創(chuàng)建一套生態(tài)農業(yè)構建、濕地生態(tài)系統重構等多種治理模式相結合的復墾和生態(tài)修復體系。(1)采煤沉陷區(qū)生態(tài)農業(yè)構建。在穩(wěn)沉非積水區(qū)或淺積水區(qū)，采用表土剝離、疏排法復墾、煤矸石粉煤灰充填復墾等技術，恢復為可利用土地，發(fā)展為生態(tài)農業(yè)、林業(yè)或建設用地。針對采煤穩(wěn)沉復墾區(qū)表土板結和養(yǎng)分貧瘠狀況，實施“堆肥改良+林木+豆科牧草種植”及“綠肥改良+林木+禾本科牧草”等表土生態(tài)修復技術，建立林牧結合、蔬菜土壤改良、水肥耦合、種群自我更新的生態(tài)農業(yè)技術體系。(2)沉陷區(qū)濕地構建和生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖。在積水區(qū)，根據沉陷積水深度修復為湖泊或濕地，研發(fā)濕地生態(tài)系統輕度、中度和深度沉陷區(qū)濕地優(yōu)化技術，進行生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖。在常年水深2m以下的積水區(qū)，構建以沉水植物定植為主，水陸交界處定植香蒲、蘆葦、蓮、苔草的植物群落系統，當沉水植物蓋度超過70%時，引入經濟水生動物;在2m以上的積水區(qū)，需要對濕地建設進行優(yōu)化，構建以沉水、挺水和浮葉植物為主的植物群落系統。通過多種植被的種植對濕地進行景觀配置，既可優(yōu)化水域水質，又能切實改善區(qū)域性生態(tài)環(huán)境質量，有效補充國家濕地生態(tài)建設。礦區(qū)大部分沉陷水域水質良好，利于魚類生長繁殖，且積水區(qū)無需建造攔魚設施，便于捕撈和管理，發(fā)展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖投入相對少，收效快，其經濟效益比傳統農業(yè)種植業(yè)的經濟效益高。

4.2將沉陷區(qū)開發(fā)為蓄水工程在高潛水位煤層群重復開采區(qū)，地表大面積積水是必然趨勢，淮南潘謝礦區(qū)更具代表性。礦區(qū)被淮河穿過，且支流水系發(fā)育，天然洼地和湖泊眾多。2030年后，各沉陷積水區(qū)已開始陸續(xù)連接成片，且部分已與天然湖泊相融合，加上天然洼地，總面積約為508km2，總庫容約為15.6億m3，由此可見在2030年后沉陷洼地將在減洪除澇及水資源綜合利用等方面發(fā)揮重要作用。基于統籌考慮采煤沉陷區(qū)、淮河水系和生態(tài)環(huán)境治理的需要，應從資源的角度看待沉陷區(qū)洼地積水，在水文過程和轉化規(guī)律摸清的基礎上，開展未來不同水平年沉陷區(qū)洼地水資源量的預測模擬，定量評估其資源量、可更新性和周期規(guī)律，對采煤沉陷區(qū)水資源形成轉化進行模擬研究。根據淮南礦區(qū)地勢為西高東低的天然優(yōu)勢，輔以水利設施規(guī)劃，建設蓄水工程。結合不同水平年的水資源需求預測以及蓄水工程的可供水量和其他水源情況，提出與當地經濟社會發(fā)展相適應的水資源合理配置方案和蓄水工程調控管理模式;采煤沉陷區(qū)洼地改造后，需要統籌兼顧、標本兼治，協調好人、水、資源、生態(tài)環(huán)境的關系，同時開展減洪、除澇、水資源利用潛力評價，將成為具有綜合利用功能的蓄水源工程，同時為國家“引江濟淮”工程及淮河治理利用提供技術支撐。

5結論

(1)淮南礦區(qū)煤炭大規(guī)模開發(fā)引起地表大范圍的沉陷導致生態(tài)環(huán)境發(fā)生嚴重變化。1990—2010年耕地面積所占比例由70.30%降至63.59%，減少約45km2;水體面積所占比例較小，但變化幅度較大:面積增長了175.37%，所占比例由3.85%增至9.62%。土地未來演變趨勢:淮南礦區(qū)耕地面積與累計原煤產量之間存在一定的關系，隨著產量不斷增加，耕地面積不斷減少;但隨著多煤層重復采動情況的增多，地表影響范圍增加不明顯，每采萬噸煤的耕地面積減少速度有所放緩。(2)淮南礦區(qū)到煤炭資源采畢后，整個礦區(qū)的沉陷積水區(qū)聯通一片，形成了2個大的積水滯留區(qū)，且與水系相通;沉陷盆地蓄水容積約為143.6億m3，相當于3個太湖的蓄水庫容。淮南礦區(qū)將由陸生生態(tài)系統轉變?yōu)樗憦秃仙鷳B(tài)系統，煤炭開采改變了淮南礦區(qū)的生態(tài)系統結構，且不可逆轉。(3)傳統的“挖深墊淺”等復墾方法已不適合淮南礦區(qū)沉陷區(qū)治理。針對由陸生環(huán)境演變?yōu)樗憦秃檄h(huán)境的特殊條件，提出創(chuàng)建一套生態(tài)農業(yè)構建、濕地生態(tài)系統重構等多種治理模式相結合的復墾和生態(tài)修復體系;基于統籌考慮采煤沉陷區(qū)、淮河水系和生態(tài)環(huán)境治理的需要，提出將淮南大面積沉陷區(qū)開發(fā)成具有綜合利用功能的蓄水與水資源工程。

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作者：吳雪茜 周大偉 安士凱 陸春輝 單位：中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院 煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室