山西省王庄煤矿生态恢复模式研究

王庆林,朱宗泽,张永领

（河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作 454000）

矿区生态系统都是对原有农林生态系统进行一定程度破坏之后建立起来的,由于其在生产和建设过程中农林植被绝大部分被破坏,才导致了生态系统平衡失调、人类生存环境恶化,需要一定程度的修复或重建才能适宜人们生活或居住[1-2]。自20世纪30年代,西欧及北美各国已经开始在矿区的植被恢复方面进行深入研究[3-4];80年代始,澳大利亚、新西兰等着重强调废矿地的恢复和治理[5-6]。

自20世纪90年代,我国才开始对矿山废弃地复垦及有毒有害物质污染后的植被修复研究[7-8]。由于大部分煤矿系统具有基本相似的生态破坏和环境污染问题及其产生机理[9],所以寻求区域适宜的、又对其它地区有一定借鉴意义的环境整治或治理模式就成为恢复煤矿脆弱生态系统的必要方法之一[10]。本研究就是以自然、社会、经济复合生态系统理论为指导,在深刻辨识研究区所面临的主要生态与环境问题的基础上,提出了适合于山西省王庄煤矿的土地系统生态恢复模式。该研究不仅为王庄煤矿生态恢复工作的开展提供科学依据,也力争为全国其它矿区生态恢复工作提供借鉴。

1 研究区概况及生态环境问题

1.1 研究区概况

王庄煤矿建于1958年,正式投产于1966年12月,经过两次改扩建,2008年实际生产能力接近750万 t/a;现有井田南北长11 km,东西宽4.6 km,面积51 km2。由于王庄煤矿地处上党盆地中部,属巨厚冲积层高潜水位矿区。随着煤炭资源的持续开采,从而引发了一系列生态破坏和环境污染问题,如果不加强治理与恢复,将严重影响矿区的可持续发展。

1.2 生态环境问题辨析

王庄煤矿的开采主要引起两方面的生态与环境问题:一是采煤沉陷,二是废弃物压占土地,主要包括矸石山压占土地和电厂的粉煤灰堆放占地。

1.2.1 采煤沉陷 王庄煤矿属冲积层矿区,冲击层厚度达300～400 m。煤层开采后,上覆岩层整体下沉,采空区上方的地表出现变形和沉陷。因上覆岩层下沉速度较快,下沉区域较为集中,深度从边缘向中心部逐渐加深,最深处一般为采出煤层厚度的60%～70%,一般为1 m左右,最深可达2.5 m。另外,王庄煤矿属于高潜水位矿区,地表沉陷后,埋藏不深的浅层地下水露出地表,或地面流水线遭到破坏,地表水汇集到沉陷盆地中部,形成常年积水或季节性积水。据实地勘察,常年积水面积约1/5,季节性积水面积约1/4。总之,至少有一半的沉陷耕地会大幅度的减产或绝产,农业生产受到极大影响。

截至2008年底,王庄煤矿采煤已造成的沉陷土地面积约1 409.52 hm2,其中经过治理,成效较为显著的面积为263.63 hm2,另外1 145.89 hm2的沉陷土地没有进行治理或治理成效不明显,其沉陷程度和所占比例见表1。据预测,到2010年底矿区沉陷地将超过1 450 hm2,治理任务十分艰巨。

表1 2008年底王庄煤矿采煤沉陷地面积

1.2.2 废弃物压占土地 在采煤和煤洗选加工过程中产生的煤矸石是王庄煤矿主要的采矿废弃物,每年接近70万 t,约占煤炭产量的10%。目前共有4座矸石场:旧矸石山、西矸石山、西风井矸石山及新排矸系统。其中前三者分别占地4.30 hm2、6.00 hm2、1.50 hm2,新排矸系统矸石直接排入东古村北部山沟,不再平地起堆,也不再占用耕地,占地面积约 7 hm2。2008年底累计矸石存放量为563万 t,占地面积18.80 hm2;如果只是增加生产量而不增加消耗量,预计到2010年将新增占地7.40 hm2。虽然近年来的治理力度和效果较好,但造成自然环境的污染、不同程度的危害人体健康还在所难免。

煤电集团坑口电厂排放的粉煤灰、废渣等也压占了大量的土地。截止到2008年底粉煤灰堆放占地2.13 hm2,据预测至 2010年底其占地将达到 2.60 hm2。另外,截止到2008年底,矿区由于煤炭开采沉陷引起的搬迁村庄个数已达12个,占地面积约13.00 hm2。矿区主要废弃地及其所占面积及2010年的预测数值见表2。由此可见,其村庄废弃地的治理与利用也是矿区环境整治工作重点之一。

表2 2008年底及2010年底王庄煤矿废弃地面积 hm2

2 生态恢复与重建模式配置

针对煤矿存在的主要生态与环境问题,本研究以生态学和生态经济学原理为指导,实施现代集约型生态农业的技术体系,以期达到土地整治与利用的效果。

2.1 立体种植/养殖模式

此类模式包括设施农业建设模式和农渔禽生态利用模式两种。前者一般是在距离居民集聚区较近的非积水稳定沉陷区,借助人工建筑的设施,以可调控的技术手段,实施生产要素的全方位调控,为农业生物生长提供良好的环境条件,实现高产、高效的现代农业生产方式,如小拱棚、大拱棚或地膜覆盖栽培蔬菜和食用菌种植等。后者则强调充分利用沉陷区形成有积水的优势,根据多层次的生物种群的生活规律和食性以及它们所处的生态位不同,利用生物间“互利共生”的关系,按照生态学的食物链原理,实现农-渔-禽综合经营的生态农业模式,如水岸种植耐湿经济作物、水面养鸭、水下养鱼。依据实地考察结果,此两种立体土地恢复模式的适宜区面积可以接近350 hm2,约相当于急需治理沉陷地面积的30%。

2.2 物质循环利用模式

亦称充填恢复模式,包括煤矸石和粉煤灰充填,不仅可以把煤矸石和粉煤灰变废为宝,亦可以使沉陷地得以治理,适宜区域主要是沉陷程度较小的稳定沉陷区。利用煤矸石作为沉陷区土地的充填材料,既可使采煤破坏的土地得到恢复,又可减少矸石堆放占地,消除矸石山对环境的污染。电厂发电要排放大量的粉煤灰,如仅仅堆弃在自然界中,不仅压占大片土地,而且污染环境。若能利用沉陷区形成的巨大容积来解决粉煤灰堆放问题,则不仅可化解两害(沉陷区、粉煤灰),而且对三方(电厂、煤矿、农民)都有利。根据实地考察,这种充填恢复模式的适宜区面积可以达到520 hm2,超过急需治理沉陷区面积的45%。

2.3 矿区废弃地林灌草模式

王庄煤矿是一个老矿区,在长期的生产过程中产生了一些难以治理的废弃地,如排土场、粉煤灰堆积场、尾矿坝等。它们是一种极端裸地,土壤表土常常缺失、植被稀少。排到地面的矿井水渗入土壤后,也可能引起其pH值过低,危害陆生植物及微生物的生存等。这一切均可造成矿区水体、土壤和大气的严重污染,进而引发一系列经济、社会、生态等方面的问题。因此,在此类区域内主要利用生物恢复技术,采用林灌草种植相结合的方式改善植被状况。此模式在此矿区有较广的适宜区域,总面积约15 hm2,约占现有矿区废弃地的70%。

2.4 村庄废弃地“林果-畜禽”模式

由于采煤沉陷的影响,导致一些村民住房和基础设施遭受不同程度的破坏,地面、屋顶、墙体出现裂缝或整个建(构)筑物发生倾斜、变形等,导致村民不得不整体搬迁。这种村庄废弃遗址的复垦,要根据地面下沉深度,采取简单的充填式或非充填式复垦技术和必要的整平措施,将其恢复为具有可耕种能力的土地。由于该类型区复垦后的土壤肥力较差,土地生产能力较弱,可以选择栽种对土壤条件要求不高、生命力强的林木,并在林地或果园内放养一些经济动物,以野生取食为主,辅以必要的人工饲养。研究表明,禽畜的粪便返回土壤,明显提高了土壤肥力。因此这种模式对于采煤沉陷地复垦后的土地而言,既能增加土壤肥力,又带来可观的经济效益,同时也可以保护和美化环境。这种模式适合绝大部分村庄废弃地。

3 模式效益评价

为说明问题,本研究2007年、2008年以矿区内的一块沉陷地为例进行效益评价示范。该沉陷区位于屯留县上村镇东司徒村,面积接近50 hm2,其原始土地类型有非积水稳定沉陷区和季节性积水沉陷区,各约占75%和25%。其原土地利用方式以粗放式粮食耕作占绝对优势,现在的土地恢复模式是立体种植/养殖模式。

3.1 沉陷区经济效益评价

沉陷区治理后土地利用率将由原来的55%提高到95%;治理后耕地28.10 hm2,蔬菜用地9.36 hm2,渔塘用地10.04 hm2。按照发展高产高效生态农业的思路,种植品种以采摘相配套的果蔬品种和粮食作物为主,同时发展多种经营。按生态恢复规划方案,单位面积平均投资6万元/hm2,共计投资300万元。根据上村镇2007年和2008年工农业生产统计数据,以小麦、苹果套种为例,每年平均比治理前多增6 000元/hm2;种植大棚蔬菜,年收益约 27 000元/hm2,鱼塘年收益达18 000元/hm2,预计5 a内就可将全部投资收回。

3.2 沉陷区社会效益评价

方案实施后,有效土地增加近20 hm2,约占沉陷地总面积的40%。不仅满足了沉陷区居民的耕地需求,据估算粮食年产达3.0万kg,彻底改变了沉陷区内吃粮难的问题。另外,该方案实施预计将动用7万个劳工日,可解决近1 500人的劳动就业问题,基本消除了沉陷区内剩余劳动力的就业难问题,矿区和农民的关系得到了极大改善。

3.3 沉陷区生态效益评价

矿区沉陷造成原有生态系统失调,自然景观破坏、水土流失加剧。通过应用立体种植/养殖模式的实施,区内太阳能、水、地形等自然要素将得到最充分的利用,耕地、淡水、粮食作物、经济作物、水生生物等农业自然资源得到合理的开发和利用。可以预言,区域内生态系统各组成要素更加相互适应、相互协调,最终将形成一个较为稳定、良性、高效循环的生态系统。

由上可知,本实施方案的经济效益、社会效益和生态效益均较为明显。因此,至少本研究所提出的立体种植/养殖模式在研究区域内有较强的适宜性。

4 结论

基于山西省王庄煤矿的主要生态与环境问题,本研究重点筛选了4种主要生态恢复模式,并对立体种植/养殖模式在典型样区内进行了经济、社会和生态效益评价。据此,初步得出如下三点结论。

(1)采煤沉陷面积增大和大量废弃地的不断产生是王庄煤矿的主要生态和环境问题。

(2)实施立体种植/养殖模式、物质循环利用模式、矿区废弃地林灌草模式和村庄废弃地“林果-畜禽”模式等4种模式是解决王庄煤矿现今主要生态和环境问题的重要途径之一。

(3)立体种植/养殖模式在研究区有较强的适宜性,而且经济效益、社会效益和生态效益明显。

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