黄土高原矿区生态化防洪规划

高智伟，姚清宝，董朝晖

(中煤西安设计有限责任公司，陕西 西安 710054)

至20世纪末，在黄河流域中游已探明数座大型煤田，如内蒙古中部的准格尔煤田、蒙陕区域的神府东胜煤田，陕西中西部的黄陇煤田、山西的宁武煤田等，这些煤田分布在毛乌素沙漠与黄土高原接壤地带和黄土高原范围内。在对煤炭资源有序开发的前提下，将煤田划分为诸多矿区，如内蒙古准格尔矿区，蒙陕交界的神东矿区，陕北的神府矿区、黄陵矿区、子长矿区，陕西中西部的彬长矿区，晋北的平朔矿区等。

根据矿区的井田划分，基于安全适用、经济合理等要求，综合建设条件、企业特点、产品物流等诸多因素进行场址建设。在建设过程中，煤炭企业场地将不同程度地压占地表，对场地以外土地造成损毁，或侵入行洪通道而改变河流或沟槽的原始状态[1]，使得水土流失加剧、植被退化、河流生态改变，对矿区自然环境造成不同程度的破坏。

长期以来，相关参与各方也在不断地探索和尝试如何协调资源开发与生态保护的关系。本文从矿区防洪规划的维度，对矿区在建设及开发过程中如何处理环境破坏与恢复、产业发展与生态保护的关系进行研究与探讨。

1 黄土高原地形地貌、水文特性及煤矿选址

1.1 黄土高原的地形地貌及水文特征

世界上最大的黄土高原位于黄河上、中游流域，横跨青、宁、甘、陕、晋、豫六省，黄土高原整体呈北高南低、西高东低之势；依地势、地形高差及地貌形态，分为山地区、黄土丘陵区、黄土塬区、黄土台塬区、河谷平原区。从煤田赋存情况看，煤矿大多数位于黄土丘陵区，一部分位于黄土塬区及台塬区。

黄土丘陵区约占整个黄土高原面积的56.8%，面积广袤，各地之间差异较大，沟谷侵蚀程度不同；以佳县、神木、府谷为典型的丘陵沟壑区地形尤为破碎。黄土塬区主要分布在陕甘宁盆地南部和西部、陇西盆地北部一带，具塬面完整宽敞、土层厚、相对切割深度较大的特点。台塬区主要分布在关中盆地、汾河谷地、豫西及晋南黄河沿岸。

黄土高原水文特征普遍表现为：河流及沟槽径流主要来自于大气降雨及上游补给，夏秋季节为汛期，洪水量直接受上游降雨强度及历时影响，洪水泥沙含量与降雨强度正相关；雨季集中在每年7月至9月，降雨强度大、历时较短。汇水面积不大的沟槽径流主要来自大气降雨或泉水，较长暴雨历时下产生洪流，陡涨陡落，流速变化较大；平时水量极少或干涸。

黄土高原地区地下水埋藏较深，降雨量远小于蒸发量，地表干旱缺水，植被成活率低，地表土体抗冲性较差，土壤侵蚀模数高，水害严重[2]。

1.2 煤矿企业地面设施的组成与选址特点

随着经济发展和改革的不断深化，煤炭资源开发利用向着高质量发展目标稳步推进；在科技水平及工业制造能力提升的基础上，煤矿生产与加工能力实现了跨越式发展，单一矿井核定生产能力及洗选能力从20世纪90年代的400万t/a，提高到目前的1500万t/a，新型煤化工产业迅速发展。

场地是企业设施、设备的载体，是煤矿生产的必备单元，煤炭开采后提升至地面，完成破碎、洗选等生产工序后，通过运输通道至用户终端。矿区的开发实体分为生产企业(矿井及选煤厂)、辅助企业(机电设备维修中心等)及附属企业(如矸石电厂)等，诸企业协调运作，形成完整的煤矿工业体系。本文所表述的场地，为煤矿所属各类企业场地的统称。

现代化矿井产能大，生产系统及辅助生产设施规模与之配套，各种生产设备配合紧密，保养维护要求高，车间功能和体量不断扩展，致使企业场地占地面积显著增加。场地内部按照功能明确、工艺合理、保障安全、利于管理、物流顺畅、投资合理、便于建设等要求，结合场址地形布局，在场地布置的短轴方向需足够的宽度以满足生产工艺要求，称之为场地布置宽度。

当井田内有河流或宽度适宜的川道时，为减少资源压覆与农田、林地的压占，方便与外界联系，场地常布设在河道一侧的阶地(或边滩)或川道内。受地形条件限制，可用地不能满足场地布置宽度时，则场地不可避免地压占河道(或沟槽)。

2 不同地貌条件下的防洪规划要素

2.1 场地在不同地形地貌的分布情况及影响

为剖析黄土高原不同地貌下企业场地与水流通道的关系，在煤矿企业场址调查的基础上，结合煤田赋存区域的地表特征，分别选取涵盖井工矿及露天矿的数座大型、超大型矿区，按地形地貌进行分类统计。为使场址数据充分代表黄土丘陵区、黄土塬区及台塬区内不同地貌下的企业场地分布情况，样本地域囊括宁、陕、晋的宁西、沙井子、彬长、神府、平朔等矿区，诸矿区内含生产场地、在建场地及规划场地。根据样本中的场址统计数据：场址位于塬峁上、缓坡或阶地处，远离河流冲沟的占57.5%；位于川道中或冲沟内，受洪水影响的占29.9%；场址临河，受河洪影响的占12.6%。统计成果表明：

1)场址普遍位于井田内的梁峁、平缓坡地、川道内或河道旁。

2)临河场地普遍布置在河道一侧，川道内场地布置在沟槽一侧或完全压占川道内沟槽。压占河道(沟槽)的场地对行洪产生影响。

3)场地侵入行洪通道，洪水影响场地布置且防护设施增加；场地对行洪产生不利影响。

4)位于川道内的场地，土地损毁相对严重，水土流失加剧。

文中的“行洪通道”指天然河道或沟槽在通过设计标准下的洪峰流量所需要的过水断面，该断面与洪水运动方向垂直，其断面面积与洪峰流量值、河道或沟槽形态及糙率相关。该断面也称为行洪断面，对应的水面宽度称为行洪宽度。

2.2 临河或临沟场地防洪规划目标与要求

临河或位于沟槽内的场地，通过防洪规划达到两个目地：首先，保证在遭遇设计标准洪水时的场地安全，保障河道(或沟槽)正常行洪；其次，通过工程及生物措施，修复被损毁的土地，努力恢复原河道生态环境。

工程建设中有明确的强制性要求：在设计洪水时须保证生产人员及设备安全[3]。河道管理部门要求：工程建设要保持河势稳定和行洪、航运通畅，防治水患，防止水土流失。环保保护管理条例明确要求：建设项目的环境保护设施须与主体工程同时设计、同时施工，防止造成流域环境恶化[4]。

2.3 不同空间布局类型及防洪规划要素

当场地侵入河道或沟槽时，应明确场地与河道或沟槽之间的空间关系，以及协调两者关系的方法，从而以减轻或消除对环境的不良影响。通过提取矿区内与行洪存在关联的场地样本，分析发现：依据场地及其周围地形地貌、河流(或沟槽)的形态、用地宽度与场地布置宽度的关系、行洪通道与场地布置宽度的位置关系、防排洪措施等要素，可以将场地与河流(或沟槽)呈现出的相对位置关系分为三种空间布局类型，如图1所示。

图1 场地与河流(或沟槽)相对位置关系

1)侵入滩地型：场地侵入河道部分边滩。用地宽度略显不足，场地临河布设并侵入河道部分滩地，行洪通道略有压缩。

2)部分侵占型：场地局部侵占主槽及边滩。用地宽度与场地布置宽度差距较大，川道中场地局部侵占河槽、边滩及滩地。

3)完全侵占型：场地完全侵占行洪通道。川道内用地宽度严重不足，场地布置完全侵占河槽及滩地。

图1中B为场地布置宽度。三种空间布局类型对应河流(或川道内沟槽)特征及排洪措施举例见表1。

表1 空间布局类型及河沟主要特征表

不同的空间布局类型的防洪规划要素分述如下：

2.3.1 侵入滩地型

场地侵入河流边滩，发生设计洪水时，场地上下游一定范围内水位略有升高、流速略增、河床冲刷加剧。防洪规划需结合河道特点及场地临河侧边界轮廓，顺应河势修筑堤坝，疏导水流；场地高程及生产设施的布设高程必须符合防洪要求。

2.3.2 部分侵占型

川道内场址范围内用地宽度不足、河道较为稳定且边滩发育、具备河道改移条件时，通过工程措施对局部河道进行改移或裁弯取直，将原洪水通道改造为企业用地。改移后的河道需符合既有的河相关系，不可一味地追求扩大用地宽度而压缩行洪宽度。改移后的河道纵坡增大，携带泥沙能力增加，对改移段的下游自然河段产生影响。故在确定改河起终点、改移段河道横断面及护岸形式时，应充分尊重原河道的自然规律、避免水面线及流速产生较大变化。

基于环境与建设的视角，对上述两种空间布局类型进行深入分析可以发现：场地侵入行洪通道占比越大，可用地宽度就越大，场地内部布局越趋于合理；相应地，河道压缩程度则越高，行洪宽度越窄，对原始环境的破坏越大。场地的平场高程随洪水位上抬而加高使得填方增加、防护高度增加；临河侧的防护设施因水流流速增大使得冲刷加剧、防护基础埋深增加；间接影响到地面设施及建筑物的基础深度增加。反之，场地侵入行洪通道占比越小，可用地宽度增幅越小，场地内布局难以完美；相应地，行洪通道压缩程度越小，对原始环境破坏就越小。场地段的洪水位及流速均变化不大，场地平场高程与填方量增加有限，场地临河侧防护高度及基础埋深均处于合理范围内，对地面设施及建筑物的基础规模影响不大。

上述关系可以近似地用模糊函数定性地表示为：

R=Σ(α×t+β×b+ξ×c)

(1)

式中，R为建设规模增加及环境破坏程度；t、b、c为河滩、边滩及河槽的压缩程度，与原始宽度、压占宽度等因素相关；α、β、ζ为不同河段类型下与滩地、边滩及河槽特征相关的参数，如植被、滩槽形态及土质、槽滩槽宽度比等因素。

规划中过程中，宜根据上述关系，在压占行洪宽度与环境影响、场地填高与基建规模之间寻求均衡。

2.3.3 完全侵占型

当川道宽度不大于场地布置宽度且无改移沟槽条件时，压占川道及行洪通道为不二选择，在场地下设置排洪暗涵保证正常泄洪。此时，场地上游端的填方高度须大于暗涵入口处壅水高度，场地下游端的平场高程不得受暗涵出口沟槽洪水位影响。另外，暗涵覆土厚度需同时满足最小填土高度要求及地下管网布设要求。

当川道宽度大于场地布设宽度且满足改沟条件时，可考虑将原沟槽改移至场地一侧。此时，场地的平场高程及设施控制高程均受排洪沟水位控制，平场坡度宜坡向排洪沟一侧，并宜将排洪沟与场地一侧排水沟合并设置。

部分侵占型及完全侵占型的防洪规划，均不得使场地上下游沟槽特征产生明显变化，也要避免对上下游既有设施及农田等造成不利影响，合理可行的防排洪方案需在综合性的技术经济比较后确定。

3 生态化防洪规划进程及推进

3.1 生态化防洪规划的发展进程

在粗犷型经济发展模式背景下，矿区规划及建设过程中侧重于场地安全性及企业效益，对场址周围环境较为重视，对生态恢复及环境保护方面缺乏长远视野[5]。主要体现在几个方面：

1)受行政管理部门职能范围及行政权限所限，矿区建设及开发虽需相关各部门审批、核准，然而矿区开发的行为主体较为单一。本着“谁开发、谁建设、谁破坏、谁治理”的原则，在矿区的前期咨询、规划过程中，很少兼顾各行业的近远期发展目标，难以实现土地、林业、水利、环境等行业的协调发展规划。

2)场地临河或位于川道内，场地布置宽度不足时，基于减少坡体开挖、避免次生地质灾害考虑，往往会较大幅度地侵入河道、甚至过度压缩自然沟槽，致使在工程建设过程中，护岸、挡墙等支护措施被大量使用。河沟压缩段的泓深演变、对临沟坡体稳定及生态环境[6]的不良影响常被忽视。

3)场地内雨水力求尽快排出场外、汇入下游沟槽或附近的低洼地带。水流对地表的冲蚀、对植被的破坏鲜有顾及。

在生态文明建设加速推进的时代背景下，矿区开发部门的生态保护意识在不断提高[7]。建设和生产过程中努力减少对原始生态的破坏，降低对环境的不利影响，践行绿色环保、与自然和谐共生的发展理念，已成为煤矿企业的共识[8]。另一方面，地方政府对当地经济实现高质量发展充满信心[9]，人民群众对环境的改善与提升也有明确的目标。

3.2 生态化防洪规划的推进

矿区各企业所处的位置及流域不同，场址所在微地貌千差万别，河流或沟槽形态各异。在防洪规划中，场地应少占农田或林地，减少工程建设对自然环境的破坏，贯彻注重生态效益、生态与工程相结合[10]、控制水土流失的建设思路[11]，根据不同的空间布局模式，因地制宜、分类施策，使传统的工程型规划逐步向生态型规划转变。

3.2.1 侵入滩地型

通过场地优化选址，少压缩甚至不压缩河道行洪断面。临河侧场地边坡适度放缓以利生态防护[12]的实施，通过采用石笼、格构护坡等利于种植的防护形式，减缓边滩水流流速，降低洪水对河床的冲刷。场地上下游临河侧构筑导流坝，降低行洪通道压缩对原始河床的影响。

3.2.2 部分侵占型

结合场地平面布设，以纵轴长度的增加代偿场地布置宽度的缩减，降低场地对行洪通道的侵占。在保障正常行洪的前提下，以较低的场坪和较小的土石方工程满足建设要求。视不同的地形及沟槽形态，对沟槽进行裁弯取直或沟槽整治，改善行洪条件。改移或整治后的沟槽不宜小于原河槽，防洪堤迎水面坡度宜缓不宜陡，根据水流流速及水位选择适宜的防护措施。

3.2.3 完全侵占型

1)场地总体填挖方量不大且场地外部空间允许时，将原沟槽改移至场地一侧，改移后的沟槽上游入口可略高于原沟底，以利泥沙淤积；场地下游段的改沟通过陡坡与原沟槽顺接，在陡坡尾部设置消能构筑物降低水流对下游自然沟槽的冲刷。

2)若原沟槽与场地高差较大，宜在场地下大致顺应原沟槽布设排洪暗涵，暗洞出入口分别与自然沟槽顺接。结合水流状态及地质条件、涵顶覆土厚度等要求确定涵洞结构形式。暗涵长度较大时，需合理协调涵前水位与洞内水深的关系，避免孔径不合理造成投资增加；综合地形、地质条件合理设置涵身纵坡，避免涵洞入口淤积及涵洞出口流速过大。

3)场地两侧山坡应避免大幅开挖而诱发地质灾害；挖方边坡采用适宜的坡率、坡高及平台宽度，坡面采用便于绿化的防护型式。场地上下游填方边坡采用骨架护坡或绿植覆盖。

4)河沟改移宜优先选择复式断面，满足不同重现期的洪水排泄需求，迎水面缓坡率、适度植被，缩小与天然河沟的断面差异。场地附近结合上下游河势，在低重现期水位控制线设生态水池，改善场区微环境、削减洪峰。

5)地表损毁后的坡面采用植被防护，场地填方边坡选择利于种植的断面型式。

6)优化场地布置，减少场外截排水设施规模及数量；通过海绵型场地的构建，结合纵向布局实现雨水的综合利用，减少径流外排。通向自然沟槽段的排水沟视流速选择护砌类型，接入沟槽部分应选择适宜的纵坡及断面形式。

4 矿区所在流域生态保护型防洪规划思路

水土流失是黄土高原生态环境恶化的诱因，控制水土流失是黄河流域生态保护的核心要素[13]；增加地表植物覆盖是改善生态环境的有效措施。在多年的不断努力下，植树造林，退耕还林、还草已初显成效[14]。

4.1 生态保护型防洪规划的基本思路

对矿区建设而言，洪水峰值的降低意味着防排洪工程规模的降低，进而降低场地对地表的损毁程度。针对产流过程与洪水形成机制，从源头减少径流量，控制产流区的水土流失，则可有效减小汇入河沟的洪水量，显著降低矿区所在流域内乃至汇入下游河流洪水峰值，达到控制黄河中游段水土流失的目的[15]。

在矿区建设的总体规划、咨询阶段，应以煤矿行业为主导，以传统规划内容为基础，结合矿区地表水防治，将流域内水利、农林、环保等发展规划内容纳入矿区防洪规划，形成矿区所在流域的综合性防洪规划。按中小流域分区分期实施，通过水患治理与增加地表植被覆盖[16]，改善区域内的自然环境；通过生态修复与保护[17]，涵养水源、减少地面径流、削减洪峰。

以全面改善小流域生态环境为前提，在小流域综合治理成效的基础上，结合场地选址及各行业规划发展，进行所在河段(或川道)的流域综合性防洪规划，形成矿区流域内防排洪设施协同运作机制，从而实现矿区生态保护型防洪规划目标[18]。

4.2 流域生态保护型规划的步骤与内容

生态保护型规划宜本着因地制宜、由点及面、点面兼顾的原则，有序推进、分步实施。

1)配合小流域治理规划，发展林业种植，减少水土流失。结合当地自然条件，进行小流域水患治理及农田水利规划，拦截上游泥沙、积淤造地，为增加地表植被覆盖创造条件[19]；分级拦蓄地表水[20]，减少地表径流，改善流域内的地表水排蓄环境[21]。

在此基础上，改善生态环境。结合当地情况，退耕还草、植树造林，增加地表覆盖率，提高土地价值，改善局部微气候，涵养水源[22]。

2)结合小流域治理，进行流域内的矿区生态防洪规划。在小流域治理规划的基础上，进行矿区所在流域的综合防洪规划，形成流域内的生态保护型防洪规划。

川道内的场地侵占行洪通道时，需重视沟槽整治或沟槽改移对上下游的影响，根据沟槽平面形态及纵坡，合理确定整治或改移范围，防护设施规模。在场地上下游纵坡较缓、沟槽开阔段对地表水进行适度拦截、存蓄，形成亲水平台，削减洪峰、提升场地环境；拦蓄的水体可作为建设、绿化降尘等用水，实现场址环境与自然生态的协调。

建设场地宜充分利用荒地、坡地、滩地等经济价值低的地表。临河场地根据场地规模、性质、与外部联系等要求，选择在稳定河道的顺直段、滩地发育或凸岸一侧，适应河势对临河侧进行防护，疏导水流。迎水面防护根据水流流态选用绿色、生态的防护措施。

5 结 语

矿区开发不可避免地对地表造成损毁，对生态环境造成破坏，地表裸露与地表径流是造成黄土高原水土流失的主要因素，是黄河中游流域生态保护和治理的前沿阵地。以矿区防洪为主导的生态保护型防洪规划，针对场地的不同空间布局类型采取对应的规划策略，落实规划要素，形成结合环保、水利、农林等相关行业发展的综合性矿区防洪规划，通过小流域治理与矿区所在流域综合规划的有机融合，削减洪水峰值，控制水土流失。由点及面、分区分步地进行生态型防洪规划，弥补了单维度的矿区防洪工程规划在生态保护及恢复方面的不足。生态保护型防洪规划可显著降低矿区防排洪设施的规模及投资，更是煤矿建设与生态修复、资源开发与经济协调推进、矿区发展与环境保护和谐共生的有效模式之一，为提升矿区生态文明建设水平具有积极作用。