近郊采煤沉陷积水区人工湿地构建技术——以唐山南湖湿地建设为例

鲁叶江 李树志

(1.中国煤炭科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)矿业科技有限公司，河北 唐山 063012)

近郊采煤沉陷积水区人工湿地构建技术
——以唐山南湖湿地建设为例

鲁叶江1，2李树志1，2

(1.中国煤炭科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)矿业科技有限公司，河北 唐山 063012)

为了近郊采煤沉陷积水区生态治理问题，在综合分析近郊采煤沉陷破坏特点和城市发展需求的基础上，以唐山南湖人工湿地建设为例，对近郊采煤沉陷积水区人工湿地构建过程中的水域不稳定、水源不足、水体污染等问题进行了研究，通过扩湖形成了稳定水域面积；通过水平衡分析为人工湿地建设提供了可靠的水源保障；通过采取排污口封堵、固废造景绿化和湿地内部水循环模式建立等技术措施提高了湿地水维系能力，使唐山市南部采煤沉陷区生态环境得到了根本改善。研究成果为类似近郊采煤沉陷区的生态治理提供了借鉴。

唐山南湖湿地 采煤沉陷积水区 高潜水位 水维系

煤炭是我国主要能源，东部地区是我国传统的煤炭产区，为我国的经济发展做出过突出贡献。东部地区地势平坦，属中高潜水位地区，人口密集，煤炭井工开采引发地表大面积沉陷积水，导致开采区土地资源和生态环境遭到严重破坏[1-2]，给矿区群众的生产、生活及社会稳定带来了极大困难。据统计，我国东部采煤沉陷累计损毁土地47余万hm2，每年还以3万hm2的速度递增，煤矿区面临着巨大的生态环境治理压力。

因煤炭开发形成城市是东部煤矿区城市发展的一个重要组成部分，因此，很多采煤沉陷区紧邻城市，随着现代城市发展步伐的加快，采煤沉陷区反过来严重制约着煤炭资源型城市的拓展空间和投资环境，成为城市持续发展的重要阻力[3]。采煤沉陷积水区靠近城市区域，是城市化发展潜在规划区，采取传统的耕地复垦治理方法又缺乏足够的充填物料，近郊采煤沉陷积水区进行耕地复垦缺乏现实可行性和必要性。在生态领域，采煤沉陷积水区属于湿地的一种类型，湿地是一种独特的生态系统，具有调节气候、美化环境、生物多样性保护等多种功能，且具有潜在的城市服务功能。近年来，城市生态文明建设一直是国家关注热点，也是城市可持续发展的关键，因此，近郊采煤沉陷积水区进行人工湿地建设是煤炭型城市生态治理的优先选择之一。

唐山市是东部煤炭型城市的典型代表[4]，全唐山市因煤矿开采造成沉陷地累计面积达2万多hm2，位于市中心城区南部采煤沉陷区总面积达3 000 hm2，其中最大季节性积水和常年积水面积700 hm2。经过长期采煤沉陷，地表高低不平，水洼遍布，不仅浪费了大量土地资源，而且严重破坏了城市生态环境，制约了城市可持续发展[5]。为把唐山建成科学发展示范区、人民群众的幸福之都，唐山市从2007年起开展了采煤沉陷积水区人工湿地生态治理工作。水是人工湿地建设的核心内容，是维持湿地生态系统稳定的第一要素，本研究以唐山南湖人工湿地建设为例，对湿地建设过程中的水域构建和水维系问题和治理措施进行了系统分析研究，以期对类似资源型城市的采煤沉陷区生态治理具有一定借鉴意义。

1 项目区概况

1.1 采煤沉陷区自然地貌

唐山市位于河北省东北部，属于冀东平原腹部，地势平坦。唐山南湖采煤沉陷区位于唐山市主城区的南部约2 km处，属于开滦集团唐山矿开采沉陷范围，区内局部地势北高南低、东高西低，地面高程5～13 m，地面自然坡度一般在3‰以下，地势平缓，地下水埋深较浅，地表潜水埋深6～16 m不等，是典型的东部高潜水位地区。

唐山市境内河流主要在滦河与蓟运河2个较大水系之间，由北向南纵贯全境，主要河流有青龙河、陡河、沙河等10多条，其中以陡河为流经本地区的最长河流，陡河水库就座落在矿区的东北部，是工农业生产和居民生活用水的主要水源地。这些地表水系中与项目区密切相关的有陡河、青龙河，陡河从项目区东侧自北向南流过，据项目区距离3～5 km。青龙河从项目区西侧自北向南穿过沉陷区(图1)。

1.2 采煤沉陷破坏特点

项目区位于唐山矿采空区范围内，唐山矿于1881年投入生产，至今有130多年的开采历史，主要开采5、8、9、12-1和12-2共5个煤层，各煤层厚度0.9～7.2 m不等，煤层采深110～700 m不一。由于长期的地下采煤活动，地表发生大面积沉陷，导致矿区内微地形地貌发生根本改变，采煤沉陷产生的地表附加坡度改变了原有农田灌溉渠系，农业灌溉困难；雨季自然降水在地表易形成地表径流，损坏肥沃的耕作层土壤，造成土壤养分流失，土壤质地变差，土地退化，农作物减产；沉陷较大区域形成季节性或常年积水区，积水区的存在会根本改变原土地利用功能。据统计，百年来，唐山矿开采范围内总计近2 000 hm2耕地遭受破坏。土地资源破坏呈现多次重复塌陷、塌陷时间跨度大、难以治理的特点。

图1 人工湿地项目区范围

由于开滦唐山矿属多煤层开采，开采强度大，累积总开采厚度接近14 m，经过上百年连续不间断开采，地表发生了大幅下沉，最大累积下沉达12 m，当沉陷深度大于潜水埋深时，导致潜水出露形成地表积水现象。截止到2005年，唐山矿开采范围内形成沉陷积水坑多达49处，面积0.33～24.91 hm2不等，其中较大的沉陷积水坑有6个(图1)，最大积水深度达7.1 m，平均积水深度为1.2 m，常年积水面积303.03 hm2。沉陷积水坑相对封闭，水质恶化，导致蚊、蝇等有害生物大量滋生，破坏了项目区原生生态系统的结构和功能。开采沉陷的出现也深刻改变了原地表水文条件：一方面阻断了青龙河水系，青龙河水流由向南流动改变为向沉陷坑汇集；另一方面，沉陷坑也改变了项目区的地表径流方向，地表径流由沉陷前的顺地表地势由西北向东南流动，变为地表径流向沉陷坑汇流。从以上分析可以看出，采煤地表沉陷改变了原有的生态水循环格局，隔断了原有地表水系，沉陷积水坑的存在破坏了地表水流动更新过程，限制了沉陷次生湿地生态系统功能的正常发挥。

1.3 采煤沉陷区污染物排放及环境影响分析

采煤沉陷区大范围的采煤沉陷、积水使原本肥沃的土地废弃、荒芜，变成堆放垃圾、工业废弃物的垃圾场，在唐山矿开采沉陷区内形成了2个较大的垃圾排放场堆积生活垃圾和建筑垃圾800万m3，133 hm2土地变成了电厂粉煤灰的排灰场，堆积粉煤灰800万m3，煤矿生产所产生的矸石、尾矿等固体废弃物占地6 hm2多，堆积煤矸石400万m3，大量的煤矸石露天堆放，其中的有害成分和化学物质进入大气、土壤、地表、地下水造成生态环境污染[6]。垃圾堆放、发酵产生的甲烷等有害气体，使空气质量恶化，粉煤灰和煤矸石造成大量的大气扬尘，使本已非常脆弱的矿区生态环境进一步恶化，破坏了矿区生态和谐。

2 采煤沉陷区人工湿地构建

2.1 人工湿地水域构建

唐山矿开采沉陷次生湿地水域比例低，单个水域面积小、分散封闭，平均水深浅、变化大，水体难以维系、易污染。为了使沉陷积水区实现基本的人工湿地生态系统结构功能和城市服务功能，根据城市发展规划要求和人工湿地生态需水要求，有必要对采煤沉陷积水区进行水域改造，扩大稳定水域面积。根据沉陷积水现状，设计不同的湿地水深，满足多样的湿地生物生长需求。在唐山南湖湿地建设过程中，对积水坑相对集中的6号坑和8-10号坑进行了扩湖和修整，扩湖后原来分散的积水坑相对集中，沉陷积水坑数由49个降低到5个大的湿地水域，水域面积从303.03 hm2增加到467.78 hm2，新增水域面积164.75 hm2，为湿地功能稳定提供了基础(表1)。扩湖后的湿地水域也为唐山市创造了一个城市滨水生态环境，实现了防洪排涝安全、水资源高效配置、水生态自然健康、水景观秀美宜人的目标。

表1 扩湖前后水域面积变化

2.2 湿地建设区水资源平衡分析

人工湿地建设需要相对稳定的水资源量。根据收集资料和规划资料分析，大南湖湿地可供水源主要有西郊污水处理厂中水、矿井排水、陡河引水和大气降水，水源损失主要为大气蒸发、地下径流渗漏损失等。

(1)西郊污水处理厂中水。处理厂中水主要通过青龙河输入人工湿地，青龙河为季节性河流，自然径流量很小，青龙河向南流经扩湖区域的8号坑，目前主要承担西郊污水处理厂中水外排，所以青龙河是南湖的补排水道。目前，西郊污水处理厂日处理污水8万m3，年处理污水可达2 920万m3，这些处理中水是大南湖次生湿地重要的补给水源。

(2)矿井排水。唐山矿排水口位于6号坑东北侧的唐山矿风井处，根据唐山矿排水量监测，唐山矿全矿井涌水量多年来一直稳定在3万m3/d左右。唐山矿矿井排水除了工业用水、生活用水外，其他处理中水就近排入6号坑湿地水域，日排入量可达7 000 m3，预计年排水量为255.5万m3。

(3)大气降水和蒸发。唐山地区多年平均降雨量为610 mm、蒸发量为1 796 mm。根据扩湖后项目区水域面积监测数据(表1)，南湖人工湿地水域面积为467.78 hm2，每年通过降水补给湿地水量为285.34万m3，而通过蒸发湿地损失水量为840.13万m3。

(4)地下径流渗漏。未动工程的沉陷积水区水底有厚40～50 m的冲积层隔水层，由黏土、砂质黏土组成，隔水性能好，对积水下渗起到阻碍作用[7]，而扩湖区域的工程施工则会破坏原有相对隔水层，因此，人工湿地水体径流渗漏损失主要考虑扩湖区的下渗损失水量。根据扩湖区域工勘孔观测试验结果，扩湖区域附近表土层中黏粒含量(颗粒直径<0.005 mm)占2%～8.7%，平均含黏量约为5%；极细砂和粉土含量(颗粒直径为0.005～0.075 mm)占70%～90%。扩湖区域湖底按原状或碾压粉土考虑，结合国内“三下”采煤经验和经验公式粉土条件下的渗透系数取0.011 m/d，扩湖区域主要为6号和8-10号湿地区域，面积合计3 914 893 m2，则扩湖区水域渗漏量为每年3 914 893 m2×0.011 m/d×365 d=1 571.83万m3。

(5)陡河引水。考虑到未来采煤沉陷会导致湿地水域面积不断扩大，人工湿地对水资源需求也会逐步增加，或者遭遇极端干旱气候时，项目区西侧陡河水作为人工湿地必要备用水源，暂不列入水平衡分析中。

从水平衡分析统计结果(表2)中可以看出，南湖人工湿地水源补给量每年可达3 460.84万m3，而每年损失量为2 411.96万m3，供给量大于损失量，为人工湿地建设提供了可靠水源保障。

表2 水平衡分析结果

2.3 人工湿地水维系

一个健康的人工湿地生态系统，必须保持健康的水环境水平，从以下3个方面采取治理措施增强人工湿地水维系能力。

(1)水体污染源治理。唐山矿采煤沉陷区受重复采动影响，且靠近中心城区，水体污染呈垃圾山、矸石粉煤灰堆场、工业废水、生活污水等点源、面源相结合的特点，污染成分来源复杂。针对这些污染源，采取的针对性治理措施主要有：①对青龙河沿线排污口进行封闭，污水统一收集进入西郊污水处理厂处理达标后通过青龙河排入湿地；②在湿地水域设置兼具净化和观赏功能的芦苇、美人蕉、荷花等景观水生植被区，提高水体净化能力；③在湿地水域周围边坡进行植被护岸减少水土流失，降低营养物质输入湿地；④对项目区内6号坑湿地水域西南侧的垃圾山、2号坑湿地和6号坑湿地之间的矸石山和粉煤灰场地通过堆山造景、封闭覆盖和植被绿化处理。通过以上治理措施，项目区污染源基本得以清除。

(2)水系连通。根据水平衡分析结果，除了降雨外，人工湿地可利用水源有3部分(图2)，采取的水源沟通措施主要有：青龙河治理措施主要是在原有河道基础上进行清淤、防渗、两侧绿化植被；唐山矿风井排水口位于6号坑湿地水域附近，矿井水通过净化处理后通过埋管直接排入6号坑湿地水域；陡河引水主要是通过修建的陡河生态渠引入10号坑湿地区域，进入南湖湿地水域。人工湿地与水源连通使湿地生态结构稳定和生态功能正常发挥得到了水源保证。

图2 唐山南湖人工湿地水源补给示意

(3)水循环模式建立。唐山南湖人工湿地由5个相对独立的湿地水域构成，各湿地水域通过节制闸、水泵等水利设施构成为一个整体。根据湿地生态功能维持和防洪需要，在各湿地水域间采取2种水循环模式：①汛期水循环模式(图3)，在7—9月的雨季，为减轻湿地防洪压力，陡河引水渠关闭，水体流动路径为2号坑湿地水域多余水量流入青龙河，进入8号坑湿地水域，从湿地南部出水口排出；②非汛期水循环模式(图4)，在冬秋等非汛期，关闭南部出水口闸门，8-10号坑湿地水域通过泵站进入6号坑湿地水域、再进入2号坑湿地水域，然后通过青龙河回流8-10号坑湿地水域，形成一次水循环过程。通过采取上述措施，基本消除了湿地水体污染源、保障了湿地水源稳定性、增强了水体流动性，提高了湿地水体自净能力。

图3 汛期自然水循环模式

图4 非汛期人工提水水循环模式

3 结 语

东部平原高潜水位采煤沉陷区，水土资源丰富，又紧邻城市区域，经济发达，生态环境治理需求大，而近郊采煤沉陷区因其具有的独特地理位置，开展人工湿地景观建设具有先天的自然条件和良好的社会经济基础。唐山矿采煤沉陷区是典型的东部平原高潜水位采煤沉陷区，通过水域构建、污染治理、景观建设等工程建设形成的唐山南湖人工湿地面积达9.5 km2，人工湿地建设彻底改变了沉陷区土地沉陷、积水、生态荒芜的状况，形成了改善唐山区域气候和生态环境的“绿肺”，2010年4月荣获国家4A级景区，每年接待国内外游客可达300余万人次。此外，人工湿地建设对改善唐山市居民的宜居性，提高城镇居民的生活质量水平、提升唐山市的城市形象和投资环境等方面均具有重要贡献，为类似资源型城市的沉陷积水区生态治理提供了示范和可借鉴的宝贵经验。

[1] 杨居荣，田润浓，赵玉霞，等.采煤塌陷地的生态复垦──以唐山开滦煤矿为例.中国环境科学[J]，1999，19(1):85-90. Yang Jurong，Tian Runnong，Zhao Yuxia，et al.The ecological reclamation of subsided land aroused by coal mine：a case study from Kailuan Coal Mine in Tangshan[J].China Environmental Science，1999，19(1)：85-90.

[2] 鲁叶江，李树志，高均海，等.东部高潜水位采煤沉陷区破坏耕地生产力评价研究[J].安徽农业科学，2010，38(1)：292-294. Lu Yejiang，Li Shuzhi，Gao Junhai，et al.Study on damage farmland productivity evaluation in the eastern part of coal mining subsidence area with the high phreatic water level[J]，Journal of Anhui Agricultural Sciences，2010，38(1)：292-294.

[3] 万 会，沈 镭.矿业城市发展的影响因素及可持续发展对策[J].资源科学，2005，27(1)：20-25. Wan Hui，Shen Lei.Major determinates and countermeasures for sustainable development of mining cities[J].Resources Science，2005，27(1)：20-25.

[4] 胡 魁.中国矿业城市基本问题[J].资源产业性城市可持续发展，2001(5)：8-10. Hu Kui.The principal problems of mineral cities in China[J].Sustainable Development of Resource Industrial Cities，2001(5)：8-10.

[5] 殷作如，邓智毅，董荣泉.开滦矿区采煤塌陷地生态环境综合治理途径[J].矿山测量，2003(3)：21-24. Yin Zuoru，Deng Zhiyi，Dong Rongquan.Approach of comprehensively harnessing ecological environment in mining-induced Subsidence area of Kailuan Coal Mine[J].Mine Surveying，2003，(3)：21-24.

[6] 陈利生，李学良.采煤塌陷区煤矸石回填复垦技术[J].金属矿山，2014(9):137-141. Chen Lisheng，Li Xueliang.Techniques of gangue backfilling and reclamation in subsidence region of coal mined[J].Metal Mine，2014(9)：137-141.

[7] 高怀军.唐山市南湖采煤沉陷区蓄水安全分析与评估[J].金属矿山，2014(11)：156-160. Gao Huaijun.Analysis and evaluation of water conservancy security in Nanhu mining subsidence lands of Tangshan[J].Metal Mine,2014(11)：156-160.

(责任编辑 石海林)

Constructed Wetlands Technologies in Suburb Mining Subsidence Seeper Area：A Case Study in South Lake of Tangshan

Lu Yejiang1,2Li Shuzhi1,2

(1.TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Tangshan063012,China；2.Tiandi(Tangshan)MiningTechnologyCo.，Ltd.，Tangshan063012，China)

In order to solve problems of ecological treatment in suburb mining subsidence seeper area，the characteristics of suburb mining subsidence damage and the requirement for city development are comprehensively analyzed.Taking construction of Tangshan Nanhu artificial wetland as a case，some issues including unstable water areas，lack of water resource and water pollution during the construction processes of artificial wetland are solved，and lake is enlarged to form stable wetland area.Water balance analysis indicates that the construction of artificial wetland provides reliable water resources.The water holding ability can be improved by adopt such technical measures as plugging the sewage draining，landscape greening on wastes，internal water cycling models in wetland.So，ecological environment in south mining subsidence area of Tangshan is profoundly improved.The research results provide a reference for ecological treatment in similar suburb mining subsidence seeper area.

Tangshan Nanhu wetland，Mining subsidence seeper area，High underground water，Water holding ability

2015-02-01

“十二五”国家科技支撑计划重点项目(编号：2012BAC13B03)，唐山市科技计划项目(编号：14130212B)。

鲁叶江(1977—)，男，副研究员，硕士。

TD88

A

1001-1250(2015)-04-056-05