礦區(qū)土地與水域演變趨勢(shì)范文
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《煤炭學(xué)報(bào)》2015年第S2期
摘要:
淮南潘謝礦區(qū)為高潛水位煤層群開(kāi)采條件，隨著煤炭大規(guī)模開(kāi)發(fā)，引起地表大范圍的沉陷導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境發(fā)生嚴(yán)重變化，在現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦區(qū)生產(chǎn)規(guī)劃，應(yīng)用開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)技術(shù)、地理信息及遙感技術(shù)，對(duì)淮南礦區(qū)土地、水域演變趨勢(shì)進(jìn)行研究并提出治理對(duì)策。分析結(jié)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(nèi)(不包括留設(shè)煤柱保護(hù)的建筑用地)積水面積相當(dāng)于100個(gè)西湖，達(dá)597．6km2;蓄水容積相當(dāng)于3個(gè)太湖，達(dá)143．6億m3;生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由陸生生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗憦?fù)合生態(tài)系統(tǒng)。據(jù)此提出一套濕地生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)、生態(tài)農(nóng)業(yè)構(gòu)建等多種治理模式相結(jié)合的復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)體系，充分利用沉陷區(qū)并改善生態(tài)環(huán)境;結(jié)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(kāi)發(fā)為蓄水工程，為國(guó)家“引江濟(jì)淮”服務(wù)，改善區(qū)域水資源短缺現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞:
淮南潘謝礦區(qū);開(kāi)采沉陷;高潛水位;生態(tài)系統(tǒng)演變
淮南礦區(qū)位于淮河中游、華東經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)腹地，其地理坐標(biāo)為:116.35°E～117.18°E，32.53°N～33.00°N，是國(guó)家確定的14個(gè)大型煤炭基地和六大煤電一體化基地之一;礦區(qū)東西長(zhǎng)約100km，南北傾斜寬約30km，境內(nèi)湖泊洼地眾多，且河流水系交錯(cuò)，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(jì)河與沙潁河等［1］。淮南礦區(qū)的煤炭開(kāi)采對(duì)彌補(bǔ)我國(guó)東部能源缺口，保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guó)九大商品糧基地之一，糧食生產(chǎn)也是國(guó)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(dǎo)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(zhuǎn)變的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了農(nóng)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(kāi)采引起的重要環(huán)境問(wèn)題是土體的破壞和水系的紊亂［2－5］。國(guó)內(nèi)外對(duì)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(cè)、生態(tài)環(huán)境的修復(fù)以及環(huán)境影響的評(píng)價(jià)等方面［1－7］，但是對(duì)礦區(qū)土地資源演變趨勢(shì)的預(yù)測(cè)資料仍不夠詳實(shí)。隨著礦區(qū)生態(tài)問(wèn)題的日益突出，基于遙感技術(shù)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)礦區(qū)生態(tài)的變化以及建立地質(zhì)生態(tài)環(huán)境預(yù)測(cè)，對(duì)未來(lái)采煤塌陷地演變趨勢(shì)變化預(yù)測(cè)以及水環(huán)境治理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦區(qū)生產(chǎn)規(guī)劃，應(yīng)用開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)技術(shù)、地理信息及遙感技術(shù)，對(duì)淮南潘謝礦區(qū)土地、水域演變趨勢(shì)進(jìn)行研究并提出了治理對(duì)策。
1礦區(qū)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)況
淮南礦區(qū)自1903年開(kāi)采以來(lái)，已歷經(jīng)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(kāi)采重心向淮河以北轉(zhuǎn)移。淮河以北的潘謝礦區(qū)面積1571km2，含6個(gè)主采煤層，單層厚度2～6m，屬中厚～厚煤層，煤炭資源儲(chǔ)量達(dá)285億t，具有多煤層重復(fù)采動(dòng)特點(diǎn)。截止2014年淮南礦區(qū)已累計(jì)生產(chǎn)原煤約12億t，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)劃，潘謝礦區(qū)2015—2020年可累計(jì)生產(chǎn)原煤約3.5億t，2021—2030年可累計(jì)生產(chǎn)原煤約7.0億t［1］。
2土地演變趨勢(shì)
煤炭資源開(kāi)發(fā)對(duì)煤礦區(qū)的土地資源造成了嚴(yán)重的破壞，給礦區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了諸多負(fù)面影響，因此探討礦區(qū)土地的時(shí)空演變規(guī)律，預(yù)測(cè)礦區(qū)土地資源變化趨勢(shì)，對(duì)礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shí)空變化現(xiàn)狀對(duì)不同時(shí)相的礦區(qū)遙感影像進(jìn)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(zhì)的變化，有助于礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能轉(zhuǎn)化等內(nèi)容的進(jìn)一步研究［11－15］。在研究中，利用決策樹(shù)分類方法對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的淮南礦區(qū)1990年、2000年、2006年和2010年的TM圖像進(jìn)行了土地覆蓋分類，不同時(shí)期土地利用情況見(jiàn)表1。由表1可知，整個(gè)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(zhǎng)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(shì)如圖1所示。根據(jù)上述分析，隨著煤炭資源大規(guī)模開(kāi)采，耕地面積直線減少，水體面積直線增加;建筑用地呈現(xiàn)“先增加后減少”的規(guī)律，然而由于受到礦區(qū)開(kāi)發(fā)的影響，建筑用地發(fā)展空間較小，除了因煤炭開(kāi)采村莊搬遷導(dǎo)致建筑用地減小之外，礦區(qū)的建筑用地未來(lái)變化空間較小，主要是礦區(qū)耕地和水體的變化，會(huì)引起陸生生態(tài)系統(tǒng)向水陸復(fù)合生生態(tài)系統(tǒng)改變。地下煤炭資源開(kāi)采后，對(duì)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(jù)不同時(shí)相遙感影像的分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果并結(jié)合相應(yīng)原煤產(chǎn)量，可以得出耕地面積變化與累計(jì)原煤產(chǎn)量之間的關(guān)系，見(jiàn)表2。由表2和圖1(b)可知，隨著原煤產(chǎn)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(chǎn)礦井少，開(kāi)采強(qiáng)度低，原煤年產(chǎn)量?jī)H為1281萬(wàn)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(chǎn)，原煤年產(chǎn)量達(dá)到2475萬(wàn)t，耕地面積減少了11.67km2;2006—2014年原煤年產(chǎn)量增長(zhǎng)為5385萬(wàn)t，耕地面積減少趨勢(shì)大幅度增加，達(dá)16.21km2。總體上來(lái)看，淮南礦區(qū)耕地面積與累計(jì)原煤產(chǎn)量之間存在一定的關(guān)系，隨著產(chǎn)量不斷增加，耕地面積不斷減少，但根據(jù)2006—2014年的數(shù)據(jù)可知，隨著多煤層重復(fù)采動(dòng)情況增多，地表影響范圍增加并不明顯，每采萬(wàn)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(shì)地表沉陷預(yù)測(cè)是在調(diào)查和把握采煤沉陷現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行分時(shí)段、大面積的遠(yuǎn)期沉陷預(yù)計(jì)，是對(duì)未來(lái)礦區(qū)土地、水系演變趨勢(shì)的研究。經(jīng)預(yù)測(cè)，淮南潘謝礦區(qū)不同時(shí)期的沉陷情況見(jiàn)表3，2020和2030年沉陷情況如圖2所示。建筑用地一般都留設(shè)有保護(hù)煤柱(比如村鎮(zhèn)等)，因此，計(jì)算得到的沉陷區(qū)域應(yīng)為耕地和水體。根據(jù)實(shí)地調(diào)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(jìn)而統(tǒng)計(jì)出沉陷區(qū)的積水面積和耕地面積，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可知，淮南潘謝礦區(qū)隨著開(kāi)采的增加，沉陷面積逐漸增大，但土地占比呈下降趨勢(shì)，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(kāi)采完之后，沉陷區(qū)范圍內(nèi)土地所占比例僅為11.9%。
3水域的演變趨勢(shì)
淮南潘謝礦區(qū)潛水位高，地表下沉2m左右即出現(xiàn)積水，根據(jù)沉陷預(yù)測(cè)結(jié)果并結(jié)合淮南礦區(qū)的地理?xiàng)l件可得到2020年、2030年及最終開(kāi)采后礦區(qū)的積水范圍預(yù)測(cè)圖，如圖3所示。統(tǒng)計(jì)的沉陷區(qū)積水面積數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可知，礦區(qū)積水面積隨開(kāi)采逐年增加，占比也呈上升趨勢(shì)，目前積水面積為56.1km2，到煤炭資源開(kāi)采完畢后，最終積水面積將達(dá)597.6km2，相當(dāng)于100個(gè)西湖大小，占比也由現(xiàn)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(shí)，各滯留區(qū)是獨(dú)立的，相互之間不溝通;根據(jù)預(yù)測(cè)，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(jīng)是區(qū)域性連成一片，比如，濟(jì)河與西淝河沉陷滯留區(qū)已經(jīng)聯(lián)成一體，黑河與泥河的滯留區(qū)也聯(lián)成一片;形成了4個(gè)大的滯留區(qū)，但沒(méi)有構(gòu)成一個(gè)整體。根據(jù)預(yù)測(cè)，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(gè)礦區(qū)的沉陷積水區(qū)聯(lián)通一片，形成了2個(gè)大的積水滯留區(qū)，且與水系通(圖3(c))。根據(jù)預(yù)測(cè)，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(dāng)于3個(gè)太湖的蓄水庫(kù)容。大面積沉陷積水嚴(yán)重影響了淮南礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且這種影響是不可逆轉(zhuǎn)的，將使淮南礦區(qū)由陸生生態(tài)系統(tǒng)演變?yōu)樗憦?fù)合生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)環(huán)境綜合治理利用成為研究重點(diǎn)。
4沉陷區(qū)綜合治理對(duì)策
4.1多種治理模式相結(jié)合的復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)體系根據(jù)礦區(qū)高潛水位、煤層群重復(fù)開(kāi)采、疊加沉降、采煤沉陷區(qū)中積水面積大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的“挖深墊淺”等復(fù)墾方法已不適合該地區(qū)。針對(duì)由陸生環(huán)境演變?yōu)樗憦?fù)合環(huán)境的特殊條件，應(yīng)創(chuàng)建一套生態(tài)農(nóng)業(yè)構(gòu)建、濕地生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)等多種治理模式相結(jié)合的復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)體系。(1)采煤沉陷區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)構(gòu)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(fù)墾、煤矸石粉煤灰充填復(fù)墾等技術(shù)，恢復(fù)為可利用土地，發(fā)展為生態(tài)農(nóng)業(yè)、林業(yè)或建設(shè)用地。針對(duì)采煤穩(wěn)沉復(fù)墾區(qū)表土板結(jié)和養(yǎng)分貧瘠狀況，實(shí)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(fù)技術(shù)，建立林牧結(jié)合、蔬菜土壤改良、水肥耦合、種群自我更新的生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系。(2)沉陷區(qū)濕地構(gòu)建和生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖。在積水區(qū)，根據(jù)沉陷積水深度修復(fù)為湖泊或濕地，研發(fā)濕地生態(tài)系統(tǒng)輕度、中度和深度沉陷區(qū)濕地優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)行生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖。在常年水深2m以下的積水區(qū)，構(gòu)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(tǒng)，當(dāng)沉水植物蓋度超過(guò)70%時(shí)，引入經(jīng)濟(jì)水生動(dòng)物;在2m以上的積水區(qū)，需要對(duì)濕地建設(shè)進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建以沉水、挺水和浮葉植物為主的植物群落系統(tǒng)。通過(guò)多種植被的種植對(duì)濕地進(jìn)行景觀配置，既可優(yōu)化水域水質(zhì)，又能切實(shí)改善區(qū)域性生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，有效補(bǔ)充國(guó)家濕地生態(tài)建設(shè)。礦區(qū)大部分沉陷水域水質(zhì)良好，利于魚(yú)類生長(zhǎng)繁殖，且積水區(qū)無(wú)需建造攔魚(yú)設(shè)施，便于捕撈和管理，發(fā)展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖投入相對(duì)少，收效快，其經(jīng)濟(jì)效益比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益高。
4.2將沉陷區(qū)開(kāi)發(fā)為蓄水工程在高潛水位煤層群重復(fù)開(kāi)采區(qū)，地表大面積積水是必然趨勢(shì)，淮南潘謝礦區(qū)更具代表性。礦區(qū)被淮河穿過(guò)，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(kāi)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(kù)容約為15.6億m3，由此可見(jiàn)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(tǒng)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(yīng)從資源的角度看待沉陷區(qū)洼地積水，在水文過(guò)程和轉(zhuǎn)化規(guī)律摸清的基礎(chǔ)上，開(kāi)展未來(lái)不同水平年沉陷區(qū)洼地水資源量的預(yù)測(cè)模擬，定量評(píng)估其資源量、可更新性和周期規(guī)律，對(duì)采煤沉陷區(qū)水資源形成轉(zhuǎn)化進(jìn)行模擬研究。根據(jù)淮南礦區(qū)地勢(shì)為西高東低的天然優(yōu)勢(shì)，輔以水利設(shè)施規(guī)劃，建設(shè)蓄水工程。結(jié)合不同水平年的水資源需求預(yù)測(cè)以及蓄水工程的可供水量和其他水源情況，提出與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)的水資源合理配置方案和蓄水工程調(diào)控管理模式;采煤沉陷區(qū)洼地改造后，需要統(tǒng)籌兼顧、標(biāo)本兼治，協(xié)調(diào)好人、水、資源、生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，同時(shí)開(kāi)展減洪、除澇、水資源利用潛力評(píng)價(jià)，將成為具有綜合利用功能的蓄水源工程，同時(shí)為國(guó)家“引江濟(jì)淮”工程及淮河治理利用提供技術(shù)支撐。
5結(jié)論
(1)淮南礦區(qū)煤炭大規(guī)模開(kāi)發(fā)引起地表大范圍的沉陷導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境發(fā)生嚴(yán)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(zhǎng)了175.37%，所占比例由3.85%增至9.62%。土地未來(lái)演變趨勢(shì):淮南礦區(qū)耕地面積與累計(jì)原煤產(chǎn)量之間存在一定的關(guān)系，隨著產(chǎn)量不斷增加，耕地面積不斷減少;但隨著多煤層重復(fù)采動(dòng)情況的增多，地表影響范圍增加不明顯，每采萬(wàn)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(gè)礦區(qū)的沉陷積水區(qū)聯(lián)通一片，形成了2個(gè)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(dāng)于3個(gè)太湖的蓄水庫(kù)容。淮南礦區(qū)將由陸生生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗憦?fù)合生態(tài)系統(tǒng)，煤炭開(kāi)采改變了淮南礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且不可逆轉(zhuǎn)。(3)傳統(tǒng)的“挖深墊淺”等復(fù)墾方法已不適合淮南礦區(qū)沉陷區(qū)治理。針對(duì)由陸生環(huán)境演變?yōu)樗憦?fù)合環(huán)境的特殊條件，提出創(chuàng)建一套生態(tài)農(nóng)業(yè)構(gòu)建、濕地生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)等多種治理模式相結(jié)合的復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)體系;基于統(tǒng)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(kāi)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(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院 煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室