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,隨著經(jīng)濟社會和城市化快速發(fā)展,生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水對水資源的需求量大幅度增加,對供水保證率的要求越來越高,水資源供求矛盾日益突出。由于缺乏必要的地表水攔蓄和調(diào)蓄工程,雨洪資源利用率低,從而加劇了對巖溶水和中深層孔隙水的開采,工業(yè)與生活、城市與農(nóng)村爭水的矛盾突出,已成為當?shù)厣鐣?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素之一。當前,迫切需要尋求地表水蓄水空間,最大限度地攔蓄、調(diào)蓄和利用當?shù)赜旰橘Y源,合理配置和綜合利用各類水資源。淮北地區(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100km2,積水容積2.4×108m3,通過必要的工程和生態(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,輔助開發(fā)成景觀型、養(yǎng)殖型、植被型構(gòu)造濕地,對于有效解決本地區(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)濟社會發(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?shù)赜旰橘Y源,提高水資源的配置能力和利用價值,是當前需要研究的重要課題之一。2.2德國科隆市西方國家煤礦學區(qū)采煤沉陷區(qū)大面積的積水改變了當?shù)氐牡孛步Y(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境,使原來單一的陸生生態(tài)系統(tǒng)演變?yōu)樗?陸復合型生態(tài)系統(tǒng)。國外進行過一些研究,取得了良好的社會效益。英國和美國礦業(yè)與環(huán)境委員會將沉陷洼地開發(fā)為林地、草地、農(nóng)地、娛樂場所、野生動物棲息地,德國科隆市西郊在采煤沉陷的人工地形上造成一個既有沼澤也有林地的環(huán)境,目前已經(jīng)聚集了野生水鳥和動物。近年來,在美國、澳大利亞有的學者提出把多種自然環(huán)境因素引進城市地域,城郊建水庫和河湖可以凈化空氣和吸收噪音;城郊建成大面積綠化帶,引來自然界的動物與人類共同生活于城市地域中,使城市地域在現(xiàn)代化設施和自然風光中求得和諧統(tǒng)一。與英、美、俄、德等國家相比,我國的煤礦沉陷區(qū)開發(fā)利用率僅為5%～10%左右。目前我國煤礦沉陷區(qū)開發(fā)利用已具備了一定的基礎和條件,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)開發(fā)為以蓄水供水為主要目的,在國內(nèi)尚未系統(tǒng)研究,具有較好的研究和開發(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個礦區(qū)據(jù)本項研究采用GPS方法,于2006年3月對淮北市100m×100m以上的沉陷區(qū)范圍進行水下地形測量,現(xiàn)有采煤沉陷區(qū)110多km2,水面面積近31km2,有效庫容6996×104m3,平均水深為3～5.5m,最深達到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)劃和預測成果,2010年和2020年有效庫容分別達到0.92×108m3和1.32×108m3(含自然沉陷和人工開挖)。3.2沉陷區(qū)類型煤田開采沉陷區(qū)按沉陷地穩(wěn)定程度分為3種類型:穩(wěn)定沉陷區(qū),動態(tài)沉陷區(qū),待沉陷區(qū)。對于動態(tài)沉陷區(qū)域,預測沉陷深度為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),周圍有中度沉陷區(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類型,可結(jié)合挖深墊淺方案,深者作為蓄水湖泊,淺者開發(fā)為濕地或耕地復墾。3.3通的功能組成基于循環(huán)經(jīng)濟理論,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、旅游資源開發(fā)作為水生態(tài)旅游的水景觀娛樂功能三大功能開發(fā)建設。(1)沉陷區(qū)空間特征據(jù)筆者實地調(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?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種類型:①Ⅰ類區(qū):一般3～4m以上的深度沉陷區(qū),蓄水庫容較大,距離城市或工業(yè)園區(qū)較近,一般為2～3km,可開發(fā)建成平原湖泊,調(diào)蓄當?shù)赜旰橘Y源和“淮水北調(diào)”水源,主要承擔蓄水和供水功能,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?shù)氐乇碛旰橘Y源及過境地表徑流。蓄水以農(nóng)灌為主,兼顧附近工業(yè)區(qū)供水。同時按蓄排兼籌的方針,發(fā)揮其蓄洪、錯峰、防洪除澇的功能。淮北市屬南北過渡地帶,洪澇干旱災害交替頻繁發(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,必須配套防洪、除澇工程設施。所以,在上述Ⅰ、Ⅱ類區(qū)湖泊中,要考慮一部分庫容作為防洪、除澇庫容。因此,采煤沉陷區(qū)經(jīng)挖深墊淺整治之后,在Ⅰ、Ⅱ類區(qū)較大庫容的沉陷區(qū),還要發(fā)揮其防洪除澇的功能。③Ⅲ類區(qū):一般1～3m以淺的中-淺度沉陷區(qū),距離城市區(qū)較遠,一般在6～8km以外,經(jīng)挖深墊淺整治后的中-淺-斜坡地帶,可進行生態(tài)農(nóng)業(yè)開發(fā)建設。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類區(qū):作為生態(tài)濕地及水景觀加以開發(fā)利用。沉陷區(qū)在進行挖深墊淺整治的過程中,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,成為鳥類的棲息地;有的可在周邊建成濕地,按生物多樣性及其有關(guān)生物習性,進行整治和配套建設。有的靠近城市或工業(yè)園區(qū),根據(jù)沉陷區(qū)的特點或經(jīng)整治后的空間分布及交通情況,可建水上休閑娛樂設施。對于深度較深的沉陷區(qū),可在水上建設生態(tài)浮島(或生態(tài)浮床),達到提高觀賞性和凈化水體的目的。這一類型主要分布在西湖、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通過分析采井區(qū)與河流的連接，以及對水庫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,對沉陷區(qū)的特征蓄水位進行研究,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?shù)貜搅?的利用率,通過挖深擴大蓄水庫容,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,擴大蓄水庫容,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對于相距較遠的沉陷區(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)之間修建梯級控制工程,如臨渙、海孜、童亭采煤沉陷區(qū),通過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位置關(guān)系見圖1,西湖與王引河位置關(guān)系見圖2。4.2最低生態(tài)水位特征水位的合理確定對于提高沉陷區(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,用水面面積作為水體功能指標。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性的關(guān)系。當水位不同時,湖水位每減少一個單位,湖面面積的減少量是不同的。采用實測水位和面積資料,建立水位和面積的減少量的關(guān)系線。水面面積變化率為面積與水位關(guān)系函數(shù)的一階導數(shù)。在此關(guān)系線上,湖面面積變化率有一個最大值。此最大值意義是:最大值相應水位向下,水位每降低一個單位,湖面面積的減少量將顯著增加,也即在此最大值向下,水位每降低一個單位,水體功能的減少量將顯著增加。若此最大值相應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)嚴重退化。因此,此最大值相應水位為最低生態(tài)水位。最低生態(tài)水位采用方程式聯(lián)立求解,經(jīng)分析計算,南湖生態(tài)蓄水位為27.0m。南湖特征水位指標見表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、周邊地下水補給量。沉陷區(qū)可引水量是河道徑流在滿足現(xiàn)狀開發(fā)利用的基礎上,并通過河道本身閘壩調(diào)蓄后仍有的余水量,但需滿足沉陷區(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來水量、來水過程、用水量、河道上節(jié)制閘本身可調(diào)蓄水量等進行調(diào)節(jié)計算,本次根據(jù)水均衡原理,采用典型年旬時段調(diào)節(jié)編程計算,20%、50%、75%、95%四種頻率年來水情況下沉陷區(qū)可引水量及可供水量計算結(jié)果見表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、周邊地下水補給水。根據(jù)上述來水量分析,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)蓄水對當?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)水量不會使沉陷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)澇。(3)沉陷區(qū)蓄水對當?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)水和地下水補給水。礦井疏排水、自身產(chǎn)水、地下水補給水水質(zhì)較好。在豐水期所引河道水,除龍岱河為劣Ⅴ類外,其他各河道水質(zhì)為Ⅲ～Ⅳ類水,根據(jù)監(jiān)測資料,各沉陷區(qū)除南湖沉陷區(qū)水質(zhì)在Ⅱ～Ⅲ類外,其他沉陷區(qū)水質(zhì)基本為Ⅳ類水,因此目前在不從龍岱河引蓄水的情況下,不會對當?shù)厮h(huán)境產(chǎn)生影響。能滿足水生和濕地生長植物和動物對水質(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。據(jù)實測資料分析,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)條件通過論證和應用,并已發(fā)揮供水效益。5濕地植被設計淮北平原采煤形成的沉陷洼地水面積越來越大,將其作為濕地開發(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,建立起陽光、植物、動物、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滿足水體凈化的要求;③植物種類應適合濕地,并注重種類的多樣性。(2)水生動物選擇原則:①不會大量繁殖,不致失控;②不會對水體形成強烈的攪動以致影響其他水體景觀,實現(xiàn)水生植物與水生動物的自然協(xié)調(diào)修復。(3)自然繁殖與自然交替原則,種植的植物經(jīng)過越冬期或越夏期后,應能自然繁殖;暖季植物與寒季植物能自然交替。5.2豐富濕地種類,分布在自然和生態(tài)兩大區(qū)域根據(jù)當?shù)氐淖匀画h(huán)境、水系特點和水體深度,將水淺面小的沉陷區(qū)開挖疏浚,連接到水深面大的沉陷區(qū),建設改造成平原蓄水湖泊,收集儲留利用雨洪資源,并在沉陷區(qū)內(nèi)建立各種類型的植被構(gòu)建濕地。根據(jù)積水深淺和水面的大小,結(jié)合不同植被對水深的適應性,主要有以下3種模式。(1)對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,建設為以蘆葦為優(yōu)勢的濕地生態(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,建設為具有良好觀賞價值的濕地生態(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,種植菹草(Potamogetoncrispus)、苦草(Vallisnerianatan