安徽省淮北地區(qū)采煤沉陷水資源利用研究

安徽省淮北地區(qū)采煤沉陷水資源利用研究

1高效綜合利用水資源淮北平原是安徽省和淮河流域最缺水的地區(qū)之一。特別是近幾年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)和城市化快速發(fā)展,生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水對(duì)水資源的需求量大幅度增加,對(duì)供水保證率的要求越來(lái)越高,水資源供求矛盾日益突出。由于缺乏必要的地表水?dāng)r蓄和調(diào)蓄工程,雨洪資源利用率低,從而加劇了對(duì)巖溶水和中深層孔隙水的開(kāi)采,工業(yè)與生活、城市與農(nóng)村爭(zhēng)水的矛盾突出,已成為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素之一。當(dāng)前,迫切需要尋求地表水蓄水空間,最大限度地?cái)r蓄、調(diào)蓄和利用當(dāng)?shù)赜旰橘Y源,合理配置和綜合利用各類(lèi)水資源?；幢钡貐^(qū)兩淮一宿(淮南市、淮北市及宿州市)采煤沉陷現(xiàn)有積水面積達(dá)100km2,積水容積2.4×108m3,通過(guò)必要的工程和生態(tài)技術(shù),把采煤沉陷區(qū)連片串通,并與附近的河流相連,引蓄汛期雨洪資源,建成以供水為主要目的的蓄水湖泊,輔助開(kāi)發(fā)成景觀型、養(yǎng)殖型、植被型構(gòu)造濕地,對(duì)于有效解決本地區(qū)水資源短缺,置換超采的地下巖溶水資源,提高水資源的利用效益,改善生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境等具有重要的意義。2研究領(lǐng)域的總結(jié)和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀2.1制約因素及徑流分布安徽省淮北地區(qū)地處省域北部,全區(qū)總面積37437km2,耕地面積約占全省的一半,是華東重要的糧棉產(chǎn)區(qū)和煤電基地,又是安徽省水資源開(kāi)發(fā)利用程度最高的缺水地區(qū),水資源緊缺是該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要制約因素。年均降水量859.5mm,其中6～9月降水量占全年的62%,年均蒸發(fā)量為832.4mm,為半濕潤(rùn)半干旱氣候區(qū),淺層地下水位埋深年變幅在1.5～4.5m。農(nóng)村生活生產(chǎn)用水主要為淺層地下水,城市主要依賴(lài)于中深層孔隙水和巖溶地下水,且城區(qū)已形成了大面積超采漏斗。地表徑流多發(fā)生在汛期,地表水可利用系數(shù)僅35%左右,大半以洪水流走,僅淮北市多年平均出境水量為6.78×108m3。該區(qū)兩淮一宿分布大量的煤炭資源,煤田開(kāi)采已形成較大規(guī)模的沉陷洼地,充分利用這些沉陷區(qū)蓄積當(dāng)?shù)赜旰橘Y源,提高水資源的配置能力和利用價(jià)值,是當(dāng)前需要研究的重要課題之一。2.2德國(guó)科隆市西方國(guó)家煤礦學(xué)區(qū)采煤沉陷區(qū)大面積的積水改變了當(dāng)?shù)氐牡孛步Y(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境,使原來(lái)單一的陸生生態(tài)系統(tǒng)演變?yōu)樗?陸復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)。國(guó)外進(jìn)行過(guò)一些研究,取得了良好的社會(huì)效益。英國(guó)和美國(guó)礦業(yè)與環(huán)境委員會(huì)將沉陷洼地開(kāi)發(fā)為林地、草地、農(nóng)地、娛樂(lè)場(chǎng)所、野生動(dòng)物棲息地,德國(guó)科隆市西郊在采煤沉陷的人工地形上造成一個(gè)既有沼澤也有林地的環(huán)境,目前已經(jīng)聚集了野生水鳥(niǎo)和動(dòng)物。近年來(lái),在美國(guó)、澳大利亞有的學(xué)者提出把多種自然環(huán)境因素引進(jìn)城市地域,城郊建水庫(kù)和河湖可以?xún)艋諝夂臀赵胍?城郊建成大面積綠化帶,引來(lái)自然界的動(dòng)物與人類(lèi)共同生活于城市地域中,使城市地域在現(xiàn)代化設(shè)施和自然風(fēng)光中求得和諧統(tǒng)一。與英、美、俄、德等國(guó)家相比,我國(guó)的煤礦沉陷區(qū)開(kāi)發(fā)利用率僅為5%～10%左右。目前我國(guó)煤礦沉陷區(qū)開(kāi)發(fā)利用已具備了一定的基礎(chǔ)和條件,淮北市的采煤沉陷區(qū)得到了初步治理,本次提出將采煤沉陷區(qū)開(kāi)發(fā)為以蓄水供水為主要目的,在國(guó)內(nèi)尚未系統(tǒng)研究,具有較好的研究和開(kāi)發(fā)前景。3采區(qū)現(xiàn)狀及功能區(qū)劃分3.1苗木層沉陷區(qū)5個(gè)礦區(qū)據(jù)本項(xiàng)研究采用GPS方法,于2006年3月對(duì)淮北市100m×100m以上的沉陷區(qū)范圍進(jìn)行水下地形測(cè)量,現(xiàn)有采煤沉陷區(qū)110多km2,水面面積近31km2,有效庫(kù)容6996×104m3,平均水深為3～5.5m,最深達(dá)到6～12m。且在近15～20年內(nèi),平均每年以3%～5%的速度增加。沉陷區(qū)涉及14個(gè)礦區(qū),以市區(qū)為中心,將采煤沉陷區(qū)分成東湖、南湖、西湖、臨海童湖和朔里湖五大塊。其中,東湖水面面積為8.0km2,蓄水容積為1784×104m3;南湖水面面積為5.4km2,蓄水容積為1610×104m3;西湖水面面積為4.04km2,蓄水容積為682×104m3;臨海童湖水面面積為7.76km2,蓄水容積為2432×104m3。根據(jù)沉陷區(qū)規(guī)劃和預(yù)測(cè)成果,2010年和2020年有效庫(kù)容分別達(dá)到0.92×108m3和1.32×108m3(含自然沉陷和人工開(kāi)挖)。3.2沉陷區(qū)類(lèi)型煤田開(kāi)采沉陷區(qū)按沉陷地穩(wěn)定程度分為3種類(lèi)型:穩(wěn)定沉陷區(qū),動(dòng)態(tài)沉陷區(qū),待沉陷區(qū)。對(duì)于動(dòng)態(tài)沉陷區(qū)域,預(yù)測(cè)沉陷深度為0.70～0.75m的采煤層厚度?；幢笔胁擅撼料輩^(qū)的空間分布呈現(xiàn)出多種類(lèi)型,主要有以下3種:①單一型深度沉陷區(qū),水深一般在2～4m以上,局部地帶達(dá)到6～11m以上,如楊莊礦沉陷區(qū);②深淺結(jié)合型沉陷區(qū),在局部地區(qū)由于下沉程度不一,形成條帶狀的塌陷區(qū),由季節(jié)性積水區(qū)和常年積水區(qū)組成,積水深度由深到淺和深淺相間分布,如東湖和西湖沉陷區(qū);③中心區(qū)深度型沉陷區(qū),周?chē)兄卸瘸料輩^(qū)和輕度沉陷區(qū)包圍,由季節(jié)性積水區(qū)和坡地組成。其中,深度沉陷區(qū)和中度沉陷區(qū)平均下沉2.5～3.5m,常年積水或季節(jié)性積水較深,不宜復(fù)墾,適宜改造成平原人工湖泊,如東湖和南湖的部分沉陷區(qū)。上述②、③類(lèi)型,可結(jié)合挖深墊淺方案,深者作為蓄水湖泊,淺者開(kāi)發(fā)為濕地或耕地復(fù)墾。3.3通的功能組成基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論,采煤沉陷區(qū)主要按與河道串通作為平原湖泊的調(diào)蓄供水功能、土地復(fù)墾作為生態(tài)農(nóng)業(yè)的種植養(yǎng)殖功能和濕地、旅游資源開(kāi)發(fā)作為水生態(tài)旅游的水景觀娛樂(lè)功能三大功能開(kāi)發(fā)建設(shè)。(1)沉陷區(qū)空間特征據(jù)筆者實(shí)地調(diào)查研究,提出按以下3種情況劃分采煤沉陷區(qū)的功能:①根據(jù)采煤沉陷區(qū)的類(lèi)型、沉降深度、容積大小、空間位置劃定功能;②根據(jù)區(qū)域水文及水系特征,包括與附近主要河流及地下水體的補(bǔ)排關(guān)系、集水面積劃定功能;③根據(jù)作用和效益分析,包括滯蓄洪澇效益、調(diào)蓄當(dāng)?shù)厮Y源發(fā)揮供水效益等劃定功能。(2)按蓄泄兼籌的方針綜合考慮以上劃分依據(jù),淮北市采煤沉陷區(qū)功能劃分為以下4種類(lèi)型:①Ⅰ類(lèi)區(qū):一般3～4m以上的深度沉陷區(qū),蓄水庫(kù)容較大,距離城市或工業(yè)園區(qū)較近,一般為2～3km,可開(kāi)發(fā)建成平原湖泊,調(diào)蓄當(dāng)?shù)赜旰橘Y源和“淮水北調(diào)”水源,主要承擔(dān)蓄水和供水功能,本市主要分布在南湖、東湖和臨海童湖一帶。②Ⅱ類(lèi)區(qū):一般深度沉陷區(qū)或經(jīng)自然沉陷及挖深墊淺整治后,蓄水庫(kù)容較大,并靠近年均徑流量較大的河流旁邊或本身集水面積較大,可建成人工平原湖泊,攔蓄引當(dāng)?shù)氐乇碛旰橘Y源及過(guò)境地表徑流。蓄水以農(nóng)灌為主,兼顧附近工業(yè)區(qū)供水。同時(shí)按蓄排兼籌的方針,發(fā)揮其蓄洪、錯(cuò)峰、防洪除澇的功能?；幢笔袑倌媳边^(guò)渡地帶,洪澇干旱災(zāi)害交替頻繁發(fā)生。因此,必須按蓄泄兼籌的方針,在興建蓄水供水工程的同時(shí),必須配套防洪、除澇工程設(shè)施。所以,在上述Ⅰ、Ⅱ類(lèi)區(qū)湖泊中,要考慮一部分庫(kù)容作為防洪、除澇庫(kù)容。因此,采煤沉陷區(qū)經(jīng)挖深墊淺整治之后,在Ⅰ、Ⅱ類(lèi)區(qū)較大庫(kù)容的沉陷區(qū),還要發(fā)揮其防洪除澇的功能。③Ⅲ類(lèi)區(qū):一般1～3m以淺的中-淺度沉陷區(qū),距離城市區(qū)較遠(yuǎn),一般在6～8km以外,經(jīng)挖深墊淺整治后的中-淺-斜坡地帶,可進(jìn)行生態(tài)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)建設(shè)。Ⅲ-1模式:在中-淺度沉陷區(qū),經(jīng)挖深墊淺整治后的中-淺水區(qū)域,建立立體水產(chǎn)養(yǎng)殖及其深加工基地。Ⅲ-2模式:在淺度沉陷區(qū)或經(jīng)挖深墊淺整治后以恢復(fù)耕地為主,建立現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)模式,本市主要分布在西湖、東湖和臨海童湖部分沉陷區(qū)。④Ⅳ類(lèi)區(qū):作為生態(tài)濕地及水景觀加以開(kāi)發(fā)利用。沉陷區(qū)在進(jìn)行挖深墊淺整治的過(guò)程中,結(jié)合整治棄土條件,在沉陷區(qū)中部堆土,建成“生態(tài)綠島”,種植植被,成為鳥(niǎo)類(lèi)的棲息地;有的可在周邊建成濕地,按生物多樣性及其有關(guān)生物習(xí)性,進(jìn)行整治和配套建設(shè)。有的靠近城市或工業(yè)園區(qū),根據(jù)沉陷區(qū)的特點(diǎn)或經(jīng)整治后的空間分布及交通情況,可建水上休閑娛樂(lè)設(shè)施。對(duì)于深度較深的沉陷區(qū),可在水上建設(shè)生態(tài)浮島(或生態(tài)浮床),達(dá)到提高觀賞性和凈化水體的目的。這一類(lèi)型主要分布在西湖、南湖和東湖部分沉陷區(qū)。根據(jù)上述分析,南湖和臨海童湖近期的主體功能為蓄水和供水,南湖向市區(qū)供水用于置換工業(yè)企業(yè)所用的優(yōu)質(zhì)巖溶水,臨海童湖蓄水向臨渙工業(yè)園區(qū)供水,東湖、朔里湖和西湖近期的主體功能為濕地、水景觀及漁業(yè)養(yǎng)殖。4通過(guò)分析采井區(qū)與河流的連接，以及對(duì)水庫(kù)形成條件的分析以淮北市南湖和臨海童湖為例研究提出采煤沉陷區(qū)與河流的溝通連接方式,對(duì)沉陷區(qū)的特征蓄水位進(jìn)行研究,提出沉陷區(qū)的可引水量和可供水量。4.1渠內(nèi)共渠段,渠首要修建優(yōu)化連接形式為進(jìn)一步增加調(diào)節(jié)能力,減少河道棄水量,提高水資源(入境水、當(dāng)?shù)貜搅?的利用率,通過(guò)挖深擴(kuò)大蓄水庫(kù)容,建成平原湖泊,并與附近河道溝通。沉陷區(qū)與河道及淮水北調(diào)工程的串通連接可以采用直接修建明渠引水工程的方式,把地表徑流和外調(diào)水引入沉陷區(qū),在渠首要修建節(jié)制閘等控制工程。采煤沉陷區(qū)之間的連接形式:①對(duì)于相臨近的沉陷區(qū),可以把沉陷區(qū)之間的土地整體下挖1～3m直接串通連接,擴(kuò)大蓄水庫(kù)容,或修建明渠或暗渠串通連接,若沉陷區(qū)之間高差較大,則修建節(jié)制閘、滾水壩等梯級(jí)控制工程,如南湖和東湖諸多采煤沉陷區(qū)之間的溝通連接;②對(duì)于相距較遠(yuǎn)的沉陷區(qū)(包括礦內(nèi)和礦外沉陷區(qū)之間),沉陷區(qū)之間的土地整體下挖工程量較大,通過(guò)修建溝渠或暗渠串通連接,高差較懸殊的沉陷區(qū)之間修建梯級(jí)控制工程,如臨渙、海孜、童亭采煤沉陷區(qū),通過(guò)香順溝和孟溝溝通連接。沉陷區(qū)與河道及淮水北調(diào)工程的串通連接可以采用直接修建明渠引水工程的方式,把地表徑流和外調(diào)水引入沉陷區(qū),在渠首修建節(jié)制閘等控制工程。作為供水功能為主的南湖與蕭濉新河相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖1,西湖與王引河位置關(guān)系見(jiàn)圖2。4.2最低生態(tài)水位特征水位的合理確定對(duì)于提高沉陷區(qū)的可供水量和防洪排澇安全具有重要作用?；幢钡貐^(qū)50年一遇最大三日暴雨量為280～300mm,根據(jù)水文計(jì)算,南湖的汛期最高蓄水位為29.3m,非汛期最高蓄水位為29.5m。最低生態(tài)水位定義為:維持湖水文循環(huán)和地形系統(tǒng)功能不出現(xiàn)嚴(yán)重退化所需要的最低水位。用湖水位作為湖系統(tǒng)特征的指標(biāo),用水面面積作為水體功能指標(biāo)。隨著水位的降低,水體面積隨之減少。由于水位和面積之間為非線(xiàn)性的關(guān)系。當(dāng)水位不同時(shí),湖水位每減少一個(gè)單位,湖面面積的減少量是不同的。采用實(shí)測(cè)水位和面積資料,建立水位和面積的減少量的關(guān)系線(xiàn)。水面面積變化率為面積與水位關(guān)系函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)。在此關(guān)系線(xiàn)上,湖面面積變化率有一個(gè)最大值。此最大值意義是:最大值相應(yīng)水位向下,水位每降低一個(gè)單位,湖面面積的減少量將顯著增加,也即在此最大值向下,水位每降低一個(gè)單位,水體功能的減少量將顯著增加。若此最大值相應(yīng)的湖水位在天然最低水位附近,則表明此最大值向下,湖系統(tǒng)功能將出現(xiàn)嚴(yán)重退化。因此,此最大值相應(yīng)水位為最低生態(tài)水位。最低生態(tài)水位采用方程式聯(lián)立求解,經(jīng)分析計(jì)算,南湖生態(tài)蓄水位為27.0m。南湖特征水位指標(biāo)見(jiàn)表1,其他湖泊特征水位略。4.3沉陷區(qū)可引水量采煤沉陷區(qū)共分為東湖、朔里湖、南湖、西湖、臨海童湖五大片,其來(lái)水量包括沉陷區(qū)因降水自產(chǎn)水量、煤礦疏干排水量、周邊地下水補(bǔ)給量。沉陷區(qū)可引水量是河道徑流在滿(mǎn)足現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)上,并通過(guò)河道本身閘壩調(diào)蓄后仍有的余水量,但需滿(mǎn)足沉陷區(qū)與河道之間水量交換的水位及能力條件。河道可引水量和可供水量需要對(duì)來(lái)水量、來(lái)水過(guò)程、用水量、河道上節(jié)制閘本身可調(diào)蓄水量等進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算,本次根據(jù)水均衡原理,采用典型年旬時(shí)段調(diào)節(jié)編程計(jì)算,20%、50%、75%、95%四種頻率年來(lái)水情況下沉陷區(qū)可引水量及可供水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。4.4沉陷區(qū)降水效果分析(1)沉陷區(qū)蓄引水水源分析。沉陷區(qū)蓄水水源主要有豐水期引河道水、礦井疏排水、自身產(chǎn)水、周邊地下水補(bǔ)給水。根據(jù)上述來(lái)水量分析,在豐水年各沉陷區(qū)引水水源較豐,沉陷區(qū)引水可靠,能保證常年有水可蓄。(2)沉陷區(qū)蓄水對(duì)當(dāng)?shù)貎?nèi)澇水位影響分析。根據(jù)規(guī)劃研究,各沉陷蓄水水面至地面尚有0.5～0.7m以上的高差,沉陷區(qū)地處平原,除自身產(chǎn)水外,無(wú)匯水面積,按以上分析,各沉陷區(qū)在引蓄水后其自身產(chǎn)水量不會(huì)使沉陷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)澇。(3)沉陷區(qū)蓄水對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響分析。沉陷區(qū)蓄水水源為礦井疏排水、河道引水、自身產(chǎn)水和地下水補(bǔ)給水。礦井疏排水、自身產(chǎn)水、地下水補(bǔ)給水水質(zhì)較好。在豐水期所引河道水,除龍岱河為劣Ⅴ類(lèi)外,其他各河道水質(zhì)為Ⅲ～Ⅳ類(lèi)水,根據(jù)監(jiān)測(cè)資料,各沉陷區(qū)除南湖沉陷區(qū)水質(zhì)在Ⅱ～Ⅲ類(lèi)外,其他沉陷區(qū)水質(zhì)基本為Ⅳ類(lèi)水,因此目前在不從龍岱河引蓄水的情況下,不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境產(chǎn)生影響。能滿(mǎn)足水生和濕地生長(zhǎng)植物和動(dòng)物對(duì)水質(zhì)的要求。(4)沉陷區(qū)蓄水滲漏分析。根據(jù)各沉陷區(qū)域水文地質(zhì)工程地質(zhì)鉆探資料,沉陷區(qū)附近第四系沖積層厚度在100～200m之間,上部層粘土較厚,一般在10～15m以上,透水性不強(qiáng)。據(jù)實(shí)測(cè)資料分析,滲漏損失很小,主要消耗于蒸發(fā)和側(cè)向排泄,沉陷區(qū)蓄水條件可靠。(5)沉陷區(qū)與河道的串通及攔水工程修建的工程地質(zhì)條件通過(guò)論證和應(yīng)用,并已發(fā)揮供水效益。5濕地植被設(shè)計(jì)淮北平原采煤形成的沉陷洼地水面積越來(lái)越大,將其作為濕地開(kāi)發(fā)和利用已受到人們的廣泛關(guān)注。創(chuàng)造出豐富自然的水邊環(huán)境,建立起陽(yáng)光、植物、動(dòng)物、土壤、堤岸之間和諧共處的湖泊生態(tài)系統(tǒng),發(fā)揮沉陷洼地和河流調(diào)蓄洪水,調(diào)節(jié)氣候、凈化水體以及保護(hù)生物多樣性等自然生態(tài)和環(huán)境功能。濕地植被構(gòu)建的植物種類(lèi)包括挺水植物、浮葉植物、沉水植物,能反映生物多樣性和生境復(fù)雜性。挺水植物、浮葉植物各2種以上,并考慮景觀效果;沉水植物包括暖季型沉水植物與寒季型沉水植物。5.1濕地植物選擇(1)水生植物布置原則:①按景觀要求,配置不同高度、不同形式的植物;②滿(mǎn)足水體凈化的要求;③植物種類(lèi)應(yīng)適合濕地,并注重種類(lèi)的多樣性。(2)水生動(dòng)物選擇原則:①不會(huì)大量繁殖,不致失控;②不會(huì)對(duì)水體形成強(qiáng)烈的攪動(dòng)以致影響其他水體景觀,實(shí)現(xiàn)水生植物與水生動(dòng)物的自然協(xié)調(diào)修復(fù)。(3)自然繁殖與自然交替原則,種植的植物經(jīng)過(guò)越冬期或越夏期后,應(yīng)能自然繁殖;暖季植物與寒季植物能自然交替。5.2豐富濕地種類(lèi),分布在自然和生態(tài)兩大區(qū)域根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境、水系特點(diǎn)和水體深度,將水淺面小的沉陷區(qū)開(kāi)挖疏浚,連接到水深面大的沉陷區(qū),建設(shè)改造成平原蓄水湖泊,收集儲(chǔ)留利用雨洪資源,并在沉陷區(qū)內(nèi)建立各種類(lèi)型的植被構(gòu)建濕地。根據(jù)積水深淺和水面的大小,結(jié)合不同植被對(duì)水深的適應(yīng)性,主要有以下3種模式。(1)對(duì)于仍在沉陷的輕度沉陷區(qū),如常年水深在0.5~1.0m以下的水體,建設(shè)為以蘆葦為優(yōu)勢(shì)的濕地生態(tài)系統(tǒng);在靠近城市區(qū)或工業(yè)園區(qū)的重要地帶,還可以增加濕地植物的多樣性,建設(shè)為具有良好觀賞價(jià)值的濕地生態(tài)系統(tǒng),比如引種鳶尾(Irisjaponica)、菖蒲(AcoruscalamusLinn)、蓮花(Nymphaeaalba)、苔草(Carextristachya)等植物,此類(lèi)濕地主要分布在東湖和西湖一帶。(2)在水深1.0~2.0m的水域,根據(jù)本地區(qū)水生高等植物區(qū)水系特點(diǎn),種植菹草(Potamogetoncrispus)、苦草(Vallisnerianatan