矿区土地与水域演变趋势范文

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《煤炭学报》2015年第S2期

摘要:

淮南潘谢矿区为高潜水位煤层群开采条件，随着煤炭大规模开发，引起地表大范围的沉陷导致生态环境发生严重变化，在现状调查的基础上，结合矿区生产规划，应用开采沉陷预测技术、地理信息及遥感技术，对淮南矿区土地、水域演变趋势进行研究并提出治理对策。分析结果表明沉陷区土地面积占比整体快速下降，而水体面积占比快速上升，到煤炭资源采毕后，淮南潘谢矿区范围内(不包括留设煤柱保护的建筑用地)积水面积相当于100个西湖，达597．6km2;蓄水容积相当于3个太湖，达143．6亿m3;生态系统结构由陆生生态系统转变为水陆复合生态系统。据此提出一套湿地生态系统重构、生态农业构建等多种治理模式相结合的复垦和生态修复体系，充分利用沉陷区并改善生态环境;结合沉陷积水区、天然湖泊洼地及水系相通的条件，将沉陷区开发为蓄水工程，为国家“引江济淮”服务，改善区域水资源短缺现状。

关键词:

淮南潘谢矿区;开采沉陷;高潜水位;生态系统演变

淮南矿区位于淮河中游、华东经济发达区腹地，其地理坐标为:116.35°E～117.18°E，32.53°N～33.00°N，是国家确定的14个大型煤炭基地和六大煤电一体化基地之一;矿区东西长约100km，南北倾斜宽约30km，境内湖泊洼地众多，且河流水系交错，最大地表水系为淮河水系，其支流主要有架河、泥黑河、西淝河、济河与沙颍河等［1］。淮南矿区的煤炭开采对弥补我国东部能源缺口，保证国民经济持续健康发展具有不可替代的战略意义，而江淮地区是全国九大商品粮基地之一，粮食生产也是国家的重要战略，但由于东部矿区第四系冲积层较厚，潜水位较高，地表沉陷后常形成大面积的沉陷积水区，导致水体逐渐增多，耕地和建筑用地逐渐减少，形成了土体向水体转变的趋势，严重影响了农业发展和居民生活。因此在东部矿区(如淮南矿区)煤炭开采引起的重要环境问题是土体的破坏和水系的紊乱［2－5］。国内外对矿区生态环境的研究集中在矿区地表沉陷的监测、生态环境的修复以及环境影响的评价等方面［1－7］，但是对矿区土地资源演变趋势的预测资料仍不够详实。随着矿区生态问题的日益突出，基于遥感技术准确的监测矿区生态的变化以及建立地质生态环境预测，对未来采煤塌陷地演变趋势变化预测以及水环境治理具有重要的现实意义。本文在现状调查的基础上，结合矿区生产规划，应用开采沉陷预测技术、地理信息及遥感技术，对淮南潘谢矿区土地、水域演变趋势进行研究并提出了治理对策。

1矿区开发简况

淮南矿区自1903年开采以来，已历经110余年，淮河以南煤矿的煤炭资源已接近枯竭，因此淮南矿区的开采重心向淮河以北转移。淮河以北的潘谢矿区面积1571km2，含6个主采煤层，单层厚度2～6m，属中厚～厚煤层，煤炭资源储量达285亿t，具有多煤层重复采动特点。截止2014年淮南矿区已累计生产原煤约12亿t，根据生产规划，潘谢矿区2015—2020年可累计生产原煤约3.5亿t，2021—2030年可累计生产原煤约7.0亿t［1］。

2土地演变趋势

煤炭资源开发对煤矿区的土地资源造成了严重的破坏，给矿区经济和社会发展带来了诸多负面影响，因此探讨矿区土地的时空演变规律，预测矿区土地资源变化趋势，对矿区土地复垦规划设计和土地资源合理利用模式研究等都具有重要意义［6－10］。

2.1矿区土地时空变化现状对不同时相的矿区遥感影像进行分类，能够获取矿区土地利用/覆盖的变化信息，研究土地覆盖类型及性质的变化，有助于矿区生态系统内部结构及功能转化等内容的进一步研究［11－15］。在研究中，利用决策树分类方法对经过预处理的淮南矿区1990年、2000年、2006年和2010年的TM图像进行了土地覆盖分类，不同时期土地利用情况见表1。由表1可知，整个淮南矿区从1990年至2010年，耕地所占比例由70.30%降至63.59%，面积约减少45km2;水体所占比例较小，但变化幅度较大，1990—2010年面积增长了175.37%，面积所占比例由3.85%增至9.62%;建筑用地的变化幅度较小，其面积所占比例一直保持在26%左右。其中建筑用地、耕地和水体的变化趋势如图1所示。根据上述分析，随着煤炭资源大规模开采，耕地面积直线减少，水体面积直线增加;建筑用地呈现“先增加后减少”的规律，然而由于受到矿区开发的影响，建筑用地发展空间较小，除了因煤炭开采村庄搬迁导致建筑用地减小之外，矿区的建筑用地未来变化空间较小，主要是矿区耕地和水体的变化，会引起陆生生态系统向水陆复合生生态系统改变。地下煤炭资源开采后，对地面造成最直接的影响就是地表沉陷，在高潜水位地区，则容易形成大范围沉陷积水区，从而造成耕地资源的损失。根据不同时相遥感影像的分类统计结果并结合相应原煤产量，可以得出耕地面积变化与累计原煤产量之间的关系，见表2。由表2和图1(b)可知，随着原煤产量的不断增加，淮南矿区的耕地面积不断减少。在1990—2000年，潘谢矿区投产矿井少，开采强度低，原煤年产量仅为1281万t，耕地面积减少了16.60km2;2000—2006年，随着张集、顾桥等煤矿陆续投产，原煤年产量达到2475万t，耕地面积减少了11.67km2;2006—2014年原煤年产量增长为5385万t，耕地面积减少趋势大幅度增加，达16.21km2。总体上来看，淮南矿区耕地面积与累计原煤产量之间存在一定的关系，随着产量不断增加，耕地面积不断减少，但根据2006—2014年的数据可知，随着多煤层重复采动情况增多，地表影响范围增加并不明显，每采万吨煤的耕地面积减少速度有所放缓。

2.2矿区土地演变趋势地表沉陷预测是在调查和把握采煤沉陷现状的基础上，对矿区进行分时段、大面积的远期沉陷预计，是对未来矿区土地、水系演变趋势的研究。经预测，淮南潘谢矿区不同时期的沉陷情况见表3，2020和2030年沉陷情况如图2所示。建筑用地一般都留设有保护煤柱(比如村镇等)，因此，计算得到的沉陷区域应为耕地和水体。根据实地调查，得到不同区域的潜水位线和不同沉陷区域的积水线，进而统计出沉陷区的积水面积和耕地面积，统计数据见表3。由表3可知，淮南潘谢矿区随着开采的增加，沉陷面积逐渐增大，但土地占比呈下降趋势，目前(2014年)沉陷面积为118.3km2，其中沉陷区土地占比为48.2%，到2050年土地占比降至37.6%，最终煤炭资源开采完之后，沉陷区范围内土地所占比例仅为11.9%。

3水域的演变趋势

淮南潘谢矿区潜水位高，地表下沉2m左右即出现积水，根据沉陷预测结果并结合淮南矿区的地理条件可得到2020年、2030年及最终开采后矿区的积水范围预测图，如图3所示。统计的沉陷区积水面积数据见表3。由表3可知，矿区积水面积随开采逐年增加，占比也呈上升趋势，目前积水面积为56.1km2，到煤炭资源开采完毕后，最终积水面积将达597.6km2，相当于100个西湖大小，占比也由现在的51.8%增加到最终的88.1%。矿区采煤沉陷区最终大部分为水体，土地只有很少一部分。图3显示了积水区域分布，由图3可得:(1)2020年沉陷积水区(图3(a))在淮河的各支流形成滞留区，比如:西淝河滞留区、泥河滞留区等;此时，各滞留区是独立的，相互之间不沟通;根据预测，到2020年矿区沉陷盆地蓄水容积约为7.2亿m3。(2)到2030年沉陷积水(图3(b))形成的各支流滞留区已经是区域性连成一片，比如，济河与西淝河沉陷滞留区已经联成一体，黑河与泥河的滞留区也联成一片;形成了4个大的滞留区，但没有构成一个整体。根据预测，到2030年淮南矿区沉陷盆地蓄水容积约为11.4亿m3。(3)到煤炭资源采毕后，整个矿区的沉陷积水区联通一片，形成了2个大的积水滞留区，且与水系通(图3(c))。根据预测，最终淮南潘谢矿区沉陷盆地蓄水容积约为143.6亿m3，相当于3个太湖的蓄水库容。大面积沉陷积水严重影响了淮南矿区的生态系统结构，并且这种影响是不可逆转的，将使淮南矿区由陆生生态系统演变为水陆复合生态系统，生态环境综合治理利用成为研究重点。

4沉陷区综合治理对策

4.1多种治理模式相结合的复垦和生态修复体系根据矿区高潜水位、煤层群重复开采、叠加沉降、采煤沉陷区中积水面积大等特点，传统的“挖深垫浅”等复垦方法已不适合该地区。针对由陆生环境演变为水陆复合环境的特殊条件，应创建一套生态农业构建、湿地生态系统重构等多种治理模式相结合的复垦和生态修复体系。(1)采煤沉陷区生态农业构建。在稳沉非积水区或浅积水区，采用表土剥离、疏排法复垦、煤矸石粉煤灰充填复垦等技术，恢复为可利用土地，发展为生态农业、林业或建设用地。针对采煤稳沉复垦区表土板结和养分贫瘠状况，实施“堆肥改良+林木+豆科牧草种植”及“绿肥改良+林木+禾本科牧草”等表土生态修复技术，建立林牧结合、蔬菜土壤改良、水肥耦合、种群自我更新的生态农业技术体系。(2)沉陷区湿地构建和生态渔业养殖。在积水区，根据沉陷积水深度修复为湖泊或湿地，研发湿地生态系统轻度、中度和深度沉陷区湿地优化技术，进行生态渔业养殖。在常年水深2m以下的积水区，构建以沉水植物定植为主，水陆交界处定植香蒲、芦苇、莲、苔草的植物群落系统，当沉水植物盖度超过70%时，引入经济水生动物;在2m以上的积水区，需要对湿地建设进行优化，构建以沉水、挺水和浮叶植物为主的植物群落系统。通过多种植被的种植对湿地进行景观配置，既可优化水域水质，又能切实改善区域性生态环境质量，有效补充国家湿地生态建设。矿区大部分沉陷水域水质良好，利于鱼类生长繁殖，且积水区无需建造拦鱼设施，便于捕捞和管理，发展渔业养殖投入相对少，收效快，其经济效益比传统农业种植业的经济效益高。

4.2将沉陷区开发为蓄水工程在高潜水位煤层群重复开采区，地表大面积积水是必然趋势，淮南潘谢矿区更具代表性。矿区被淮河穿过，且支流水系发育，天然洼地和湖泊众多。2030年后，各沉陷积水区已开始陆续连接成片，且部分已与天然湖泊相融合，加上天然洼地，总面积约为508km2，总库容约为15.6亿m3，由此可见在2030年后沉陷洼地将在减洪除涝及水资源综合利用等方面发挥重要作用。基于统筹考虑采煤沉陷区、淮河水系和生态环境治理的需要，应从资源的角度看待沉陷区洼地积水，在水文过程和转化规律摸清的基础上，开展未来不同水平年沉陷区洼地水资源量的预测模拟，定量评估其资源量、可更新性和周期规律，对采煤沉陷区水资源形成转化进行模拟研究。根据淮南矿区地势为西高东低的天然优势，辅以水利设施规划，建设蓄水工程。结合不同水平年的水资源需求预测以及蓄水工程的可供水量和其他水源情况，提出与当地经济社会发展相适应的水资源合理配置方案和蓄水工程调控管理模式;采煤沉陷区洼地改造后，需要统筹兼顾、标本兼治，协调好人、水、资源、生态环境的关系，同时开展减洪、除涝、水资源利用潜力评价，将成为具有综合利用功能的蓄水源工程，同时为国家“引江济淮”工程及淮河治理利用提供技术支撑。

5结论

(1)淮南矿区煤炭大规模开发引起地表大范围的沉陷导致生态环境发生严重变化。1990—2010年耕地面积所占比例由70.30%降至63.59%，减少约45km2;水体面积所占比例较小，但变化幅度较大:面积增长了175.37%，所占比例由3.85%增至9.62%。土地未来演变趋势:淮南矿区耕地面积与累计原煤产量之间存在一定的关系，随着产量不断增加，耕地面积不断减少;但随着多煤层重复采动情况的增多，地表影响范围增加不明显，每采万吨煤的耕地面积减少速度有所放缓。(2)淮南矿区到煤炭资源采毕后，整个矿区的沉陷积水区联通一片，形成了2个大的积水滞留区，且与水系相通;沉陷盆地蓄水容积约为143.6亿m3，相当于3个太湖的蓄水库容。淮南矿区将由陆生生态系统转变为水陆复合生态系统，煤炭开采改变了淮南矿区的生态系统结构，且不可逆转。(3)传统的“挖深垫浅”等复垦方法已不适合淮南矿区沉陷区治理。针对由陆生环境演变为水陆复合环境的特殊条件，提出创建一套生态农业构建、湿地生态系统重构等多种治理模式相结合的复垦和生态修复体系;基于统筹考虑采煤沉陷区、淮河水系和生态环境治理的需要，提出将淮南大面积沉陷区开发成具有综合利用功能的蓄水与水资源工程。

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作者：吴雪茜 周大伟 安士凯 陆春辉 单位：中国矿业大学 环境与测绘学院 煤矿生态环境保护国家工程实验室