王平煤矿废弃地水生态修复策略*

贺丽洁 闫雨薇

(中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083)

中国的能源消费仍以煤炭等传统化石燃料为主，煤炭约占能源消费结构的70%。近年来，随着煤矿资源的逐渐枯竭，国家“退二进三”政策的实施，供给侧结构性改革以及去产能政策的推行，北京西部的门头沟区(简称“京西”)众多煤矿企业相继关停，至2019年年底，京西煤矿产业已全部退出市场。但随之产生的大量煤矿废弃地带来环境污染、资源闲置、土地占用等一系列的问题，其中洪涝灾害、缺水、水污染等矿区水生态问题日益严重，甚至成为了制约矿业废弃地更新发展的重大障碍，环境治理迫在眉睫。

如何从生态视角解决上述问题，逐渐成为废弃矿区改造的重点。西方国家在矿业废弃地水生态修复与管理上的理论和实践上的研究起步较早，现已相对成熟。美国科珀希尔(Copperhill)铜矿湿地在治理的过程中通过在水体上游构建“模袋毯+分水坝+沉淀池”三种雨水处理设施[1]，减少污染物堆积，使其成为人工湿地净化水体的范例。加拿大的阿尔伯特(Alberta)油砂矿山在进行生态恢复的同时，重点打造了排水体系与自然水系结合的水生态系统，从而实现场地与周边水文生态系统的完美结合[2]。美国利维坦(Leviathan)硫矿废弃地则利用生物反应器技术处理高污染的酸性废水，通过微生物的分解达到净化污染水体的目的。国内关于矿业废弃地水生态修复的相关研究起步较晚，理论和实践相对较少。安徽芦岭采煤沉陷区打造了“引水湖+生态沟渠+供水湖”三级水生态模式，同时兼顾了“养殖+观赏+净化”三大功能[3]，这对实现采煤沉陷区水资源合理调蓄有很大价值。依托废弃矿山改造的邯郸紫山公园通过对地形、水体、植被、生境的共同处理，构建水生态系统，同时解决了集水、净水、蓄水三大问题[4]。这些理论和实践为矿业废弃地水生态研究和实践提供了参考。实现矿业废弃地的水生态修复与水资源管理已成为矿业废弃地绿色更新以及矿业城市可持续发展的重要内容。针对北京市门头沟区王平煤矿，围绕雨洪灾害频发、用水不足、水污染等问题展开研究，提出煤矿废弃地水生态修复策略，以实现恢复场地生态系统的目标。

1 王平煤矿场地概况与发展契机

王平煤矿位于北京市门头沟区王平镇(图1)，地处太行山脉与燕山山脉交汇处，四面环山，毗邻109国道和永定河，自然景观优美，曾是京西国有煤矿中重要的产煤区之一，现已关闭。北京市门头沟区王平矿区煤矿开采历史悠久，不但产量巨大而且地理范围广阔。自1994年停产后，这里的设备早已被清空，但是建筑却被保存下来了；除了矿场之外，选矸楼、煤炭运输轨道、职工宿舍仍然保留着。同时，场地内遗留下的大量采矿废渣，大小矿坑依稀可见；致使场地破败、植被稀疏、水资源污染严重，每到汛期，常发生洪涝地质灾害，村庄和农田饱受洪水侵袭。

a—王平煤矿区位；b—王平煤矿环境现状。图1 场地周边及环境现状Fig.1 Wangping Coal Mine’s location and environmental status

北京市门头沟区曾是首都重要的能源基地，自2005年以来其功能定位被调整为生态涵养发展区。全区充分利用绿色生态发展带来的机遇，全力推进门头沟区经济结构转型调整。为推动生态涵养区生态保护和绿色发展，保护好百年煤炭工业遗存，促进区域协同发展，2021年9月18日，北京市门头沟区人民政府等单位联合举办了京西“一线四矿”及周边区域协同发展概念规划方案征集活动。该项目包括市郊铁路门大线建设运营，王平煤矿、大台煤矿、木城涧煤矿、千军台煤矿产业转型，以及周边区域乡村振兴和文化旅游、健康养老、户外休闲产业培育等诸多具体内容。王平煤矿将以此为契机，加快推进矿区转型和区域协同发展，打造出京西生态涵养区绿色发展的“新名片”。

2 煤矿废弃地水生态环境

受自然条件限制和煤矿开采的影响，煤矿废弃地的水生态环境日益恶化，具体表现在以下方面：

1)地下水环境破坏，加剧了用水紧张。采煤塌陷造成大量的地表裂缝，煤矿废弃地中的污染物通过降水沿地表裂缝污染浅层地下水，严重影响到以地下水为饮用水源的居民饮水安全。门头沟地区本就面临着水资源紧缺的问题，煤矿废弃地水资源的污染和污水处理设施的不足，大大加剧了当地的用水紧张。

2)地表水污染严重，危害植被及土壤。废弃矿区内堆积了大量煤矸石、粉煤灰等采矿废渣，经雨水冲刷后使雨水中携带重金属物质。这些重金属含量超标的废水流入河流等水域，污染了地表水；或排放至周边地区，破坏矿区周围的耕地、草地和林地，致使植被覆盖率低下，甚至影响当地人民的生产生活。

3)地质环境破坏，次生灾害频发。煤炭过度开采导致当地植被破坏和大量土地裸露，大大增加了土地被雨水侵蚀的机会和强度。同时，场地内小水利设施相对缺乏，地表径流拦蓄很少，加剧了水土流失。严重的水土流失一方面造成了土壤保肥保水能力的减弱，有机质含量较低，不利于植被生长；另一方面造成大面积人工裸地，使其易在雨季发生滑坡、泥石流等地质灾害，对当地人民的生命财产安全造成威胁。

3 煤矿废弃地水生态修复策略

3.1 场地综合布置，实现雨水管理

3.1.1引入海绵设施，建立雨水管理网络

由于煤炭的过度开采，王平煤矿的生态环境遭到破坏，导致场地对雨水的消纳能力减弱，水源短缺；加之矿区内煤渣等废弃物大量堆积，经雨水冲刷后，地表径流中污染物含量高；可以通过引入不同类型的海绵设施(表1)，由点到面，实现对雨水的 “渗、滞、蓄、净、用”，并结合管道和植物的布置，形成一个综合的雨水管理网络(图2)。将透水路面、植草沟、雨水花园等一系列海绵设施综合布置，利用净化后的雨水回补地下水，或者进入地下管道，最终回收用于植物浇灌、冲厕、市政用水等，形成水资源高效利用网络，使煤矿废弃地水体景观不仅有极高的生态价值，还兼具市政基础设施功能，成为场地的一个用水来源[5]。

表1 不同类型的海绵设施Table 1 Different types of sponge facilities

图2 海绵设施的综合布局Fig.2 Comprehensive arrangement of sponge facilities

3.1.2优化场地总平面布局，设计排水方案

王平煤矿废弃地内的地面塌陷和废弃物堆积现状，不利于雨水的收集和利用。合理的场地总平面布局不仅能促进场地内水循环的形成，减少水资源的污染和浪费，还能大大减少输送管线长度和管径，从而节省材料[7]。一般的排水方案从场地规划入手，结合建筑布局、地形、周边用地现状和功能等因素合理进行设计，主要受到不同类型建筑布局的影响(表2)。独栋建筑宜根据地形将单体建筑和周边硬质铺装的雨水汇集到附近的雨水滞蓄净化设施中；行列式布局应设计串联每栋建筑的汇水路线，并统一汇集到雨水贮存设施中，后经过滤净化处理以便回用；周边式布局可选择利用周边建筑围合中央绿地，相对集中布置雨洪管理设施，实现水体景观功能多样化；混合式布局可将建筑分组，形成若干排水子系统，采用源头分散处理的方式，减少管理成本[8]。

表2 不同总平面的布局形式比较Table 2 Comparisions of different layout plans

王平煤矿废弃的生产厂区内建筑布局混乱，应分区分类的进行老旧建筑的拆除、改造和更新，优化场地平面布局，并结合地势高差，设计场地排水方案(图3)。对保留的员工宿舍进行部分改造，使之成为具有工业特色的度假酒店。由于这部分建筑呈行列式排布，宜采用线性雨水管网布置，串联每栋宿舍的雨水径流并汇集到滞蓄净化设施中，经净化后排入储水设施以便回用。此外，保留场地内大量煤炭生产和运输设备，打造成特色煤矿文化展示区。由于这部分建筑杂乱密集，呈混合式布局，宜采用源头分散处理的方式，将场地内相邻的煤炭生产建筑和运输设备进行分组，布置排水子系统，最后集中汇聚到雨水处理设施中，便于统一管理。

图3 场地核心区雨水管网布置Fig.3 The layout of rainwater pipe networks in the core area of the site

3.1.3加强雨水竖向设计，组织地表径流

对于地形复杂的矿区来说，地表径流方向在很大程度上受竖向地形的影响。如地势平坦的区域地表径流缓慢，导致雨水较难排出，易产生地表积水；而地势起伏较大的区域径流量大、流向单一，难以管控，易对地表造成较大冲击。王平煤矿废弃的生产厂区总体地势由西南向东北逐渐降低，东北方向分布有商业区和一处养老院，为避免雨洪灾害影响人们日常生活，应因地制宜对场地进行竖向设计(图4)。根据场地现有地形条件，通过局部微地形的改造实现对地表径流的管控。对于部分塌陷区域地势较低，应注重地形条件的利用，结合塌陷区营造多级汇水点，设计雨水花园等若干小型水体景观，确保水流分散流向不同区域，避免雨水汇集；对于地势平缓的区域应营造缓坡、台地等形式，并结合排水泵、加压泵等设施，加速地表径流，使雨水较快排出；对于地势变化较大区域，根据现有景观要素设计分级阶梯、围挡、砾石墙等设施[9]，减缓或阻挡地表径流。

图4 场地雨水处理的竖向设计Fig.4 Vertical design of rainwater treatment in sites

3.2 建筑绿色改造，实现雨水回用

王平煤矿废弃生产厂区内现遗留了采煤生产中心、选煤楼、宿舍楼等若干废弃建筑，应对其进行合理改造，以适应场地内水循环管理。屋顶和外墙作为建筑的重要单体要素，加以改造可成为有效的绿色水循环设施。建筑屋顶是地表径流的源头，作为长期暴露在室外的建筑结构，雨天屋顶上极易产生积水，而屋顶绿化能够滞留60%～100%的雨水，对于充分收集雨水，减少表面径流效果显著。对于有条件的平屋顶建筑，可在屋顶依次铺设防水层、排水层、种植层等(图5)，通过屋顶的滞留、渗透、过滤净化、调蓄等作用，从源头控制雨水进入场地，使雨水与建筑接触时或接触前进行控制管理，并在一定程度上过滤净化其中的污染物。同时，采用绿色屋顶的手段改造矿区建筑，可使其延续矿区文脉的同时又能够与周围环境融为一体，大大提升景观美感。

图5 屋顶绿化示意Fig.5 A schematic diagram of roof greening

墙体绿化是对屋顶绿化的补充，它占地面积小，绿化面积随着建筑高度的升高而增大，可利用的空间充足，对于调节区域小气候，恢复矿业废弃地景观环境有重要作用。墙体绿化可分为藤蔓式、铺贴式、模块式[7]，其中模块式墙体绿化应用范围最广。利用模块化构件种植植物，并在模块中布置雨水回收利用设备，将其固定在墙面上，美化景观的同时也实现对雨水重复利用。模块式墙体绿化持久性好、便于拆卸，在当下建筑绿色改造中的具有很大的发展潜力(图6)。

a—模块式墙体绿化；b—详细构造。图6 模块式墙体绿化及其构造Fig.6 Modular wall greening

3.3 提高水源涵养，恢复生态景观

3.3.1进行边坡修复，避免雨洪灾害

边坡稳定是生态环境治理与恢复的基础，是保持王平煤矿生态稳定的重要组成部分。通过对矿区边坡的修复与治理，可以提高土壤保水性，恢复植被生长，减少雨水冲刷造成的水土流失，避免滑坡等地质灾害的发生。进行边坡修复首先应注重边坡的清理，即固定边坡。煤矿的开采造成边坡表层岩体的裸露和破坏，边坡稳定性受到威胁，这就需要对岩体进行加固处理。可以通过布置坡面挂网，降低边坡崩塌、滑石等各类安全隐患，确保边坡结构的基本稳定，达到后期边坡绿化的基本要求，保障人员的生命财产安全。前期固坡工作完成后应继续将边坡裸露的地貌形态覆土复绿，即边坡绿化。利用植被、植物混凝土等材料和技术对裸露的边坡进行覆盖，一方面能够美化景观，起到修复矿区生态环境的作用；另一方面还能保持水土，提高抗冲蚀能力，避免雨季地质灾害的发生。同时，要根据边坡的形状设置边沟、截水沟和挡土墙等配套措施，防止雨水冲刷对边坡造成影响(图7)。

图7 边坡保护措施Fig.7 Protection measures of slope

3.3.2进行土壤改良，防止水土流失

土壤是植被赖以生存的基础，是涵养水源、净化水质的关键要素。王平煤矿土壤存在营养元素低、保水能力差、有机质较少和重金属污染等问题，pH值偏低呈酸性。加上植被稀疏，生态破败，极大地削弱了自然生态系统的碳汇功能，加剧了水土流失等灾害的发生；因此要进行土壤改良，恢复植被生长。土壤改良的关键是改变土壤的性质和理化条件，最直接的方法是土壤置换，将矿区被污染的土壤置换为适宜植被种植的新土，物理改良土壤质量，确保植被正常生长。还可利用施肥法，在污染土壤中掺入20%鸡粪，利用动物粪便中丰富的氮、磷等营养元素，调节土壤pH值；或将土壤与适量碱性工业废渣和粉煤灰混合，酸碱中和，提高土壤保肥保水能力。

此外，在土壤改良的过程中也可引入一些有益的动物和微生物，丰富生物多样性的同时改善土壤环境。将蚯蚓、线虫应用于煤矿废弃地土壤的恢复中，不仅能分解土壤中有机物，提高其养分循环速度，同时还可以富集土壤中的重金属，从而实现煤矿废弃地生态恢复与景观重建的目标。土壤中的微生物可以吸收铜、铬等污染物质，通过引入一些抗污染型微生物，能够有效改善矿区土壤环境，恢复植被生长环境。

3.3.3进行植物遴选和种植，恢复植被生长

植物种类的选取对增加矿区植物覆盖率、提高场地水源涵养功能十分重要。针对王平煤矿自身特性，植物遴选与种植应遵循以下原则：1)选择重金属富集植物以及固氮植物。例如利用夏至草可以很好地富集土壤中的重金属元素，修复污染土壤。通过种植紫穗槐、皂角树、大豆等固氮植物来提高土壤的综合肥力，改善土壤理化性质。2)选择生长快、抗逆性好、存活率高的植物。草本豆科植物不但有固氮功能，且更易存活，适宜种植在煤矿废弃地环境中。3)选择特色本土植物。植物品种的选择是一项重要工作，应考虑当地气候条件、土壤情况等各类因素，选择适宜本地生长的植物。王平煤矿本土植物蒲公英、早熟禾、苍耳等均为理想的植物种类[10]。4)遵循植物的生长时序，合理种植。由于场地恶劣的生态条件，植被需要多年的演替才能形成良好的景观风貌，要从地被植物开始种植，遵循“草本—灌木—乔木”的配置原则，最终实现场地景观多样性。

4 结束语

营造健康的水生态是煤矿废弃地生态系统恢复的关键，是解决现有“水问题”的前提。通过梳理场地布局，合理组织地表径流，进行建筑绿色改造和场地生态修复等措施，力求实现王平煤矿废弃地的水资源自然存贮净化，消除场地生态危机和安全隐患，为推动煤矿废弃地的生态恢复与景观重建，实现废弃矿区的顺利转型，提供一种可行性强的治理模式。