水系构建与生态修复技术在辽宁采煤沉陷区治理中的探索

2022-07-16汪浩

水利规划与设计 2022年8期

汪浩

(辽宁省铁岭水文局，辽宁铁岭 112000)

辽宁省采煤产业一直是政府的支柱产业，近年来，煤炭资源富含量随着开采逐年减少，如何探索修复采煤沉降区的生态环境问题，已经成为铁岭、康平、阜新、抚顺等资源枯竭型城市经济转型发展的迫切需求[1]。采煤沉降区域内由于地表沉降坑的存在，在一定程度上破坏水利工程，造成河道、渠系底部断裂，无法正常排出涝水，区域内涝频发[2]。因此，采煤沉降区水系整治既是恢复区域水利工程基础功能的迫切需求，也是实现区域生态环境综合治理的必经之路[3]。采煤沉降区水系综合治理是顺应国家大趋势、且符合生态文明建设的重要战略[4]。结合采煤沉降区实际情况，重点完善水系排水系统升级改造和湿地水系连通建设，将沉降区水域做好河湖连通，从而建成具有特色的沉降区湿地群[5]。近些年来，对于采煤沉降区的水系治理及生态修复技术取得一定研究成果[6-15]，但对于其水系和生态修复技术治理体系研究还相对较少，为分析北方采煤沉陷区内水利工程、河流及水生态所受影响分析，构建基于防洪、除涝、生态修复为目标的水系治理和生态修复为一体的综合技术体系，研究成果对于推动辽宁地区采煤沉陷区水系治理和生态修复工作的标准化以及类似工程治理具有指导意义。

1 沉陷区水系存在问题

1.1 区域总体问题

区域内由于煤矿开采带来了经济发展与生态环境保护之间的矛盾，多数地区区域内现有水利系统受到破坏，区域内形成了一定程度的防洪安全隐患，对区域防洪、治涝产生了不利影响，形成的沉降坑及积水没有得到充分利用。

1.2 防洪安全问题

由于矿区涉及的范围很广，煤矿采煤区域逐渐向周围地区扩展，采煤沉陷区域的变形和塌陷也逐年扩展和加深，沉陷区域地层要经过沉降初期、中期和稳定期，区域内水利工程的结构稳定性势必会受到影响，甚至损毁。部分区域内有中小型水库，如果水库坝体因此沉降，水库输水洞和溢洪道等主体设施也因沉降发生损毁，水库如果要处于正常运行状态，防洪安全必然存在隐患。区域内河流、排干等如果发生沉陷，可造成局部岸线沉降不连续，大水时可能有水流通过岸线豁口流出，威胁两岸地区人民生命财产安全。

1.3 区域排涝问题

部分采煤沉降区属于辽宁涝区地区。涝区的涝水主要通过排干排泄，涝区由于煤矿采矿导致局部地面坍塌，部分渠道塌陷破坏，丧失泄流能力，使得原有排水通道断裂，排干内原排水位对应的来水量无法正常排出，不能发挥原有排涝功能，导致内涝频发，周围居民和耕地受到内涝影响严重；部分地区旱田占用原有渠道内的泄流通道，导致断流；部分自排和机排工程老化，年久失修。

1.4 区域供水关系问题

部分区域内有中小型水库，多数为防洪、灌溉、养殖功能于一体的综合型水库。北方地区多数为水资源短缺区，水田种植区基本都需要河水或井水灌溉，水库下游的农田需要水库供水灌溉，如果水库处于采煤沉降区内，受地面沉陷影响水库蓄水就必然会影响水库的放水灌溉功能，造成无法供水的情况。

1.5 区域水生态问题

部分区域内河道滩地、湿地由于采煤区区域部分沉降，造成原有的水库水面积减小，河道断流、断面萎缩，湿地系统水生态系统服务功能受到影响。沉降坑的存在，在区域内形成大大小小的坑塘，但是坑塘之间缺少必要的水系连通工程，在枯水季节不具备调节能力。如何利用好现有沉降坑，增加区域水系面积，发展湿地面积，改善局部小气候，是需要解决的水生态环境问题。

1.6 区域水环境问题

区域内由于煤矿开采，矿区煤矸石产生量较大。由于运输成本等方面限制，在地表堆置大量煤矸石作为废弃物，矸石山逐步形成并对周围环境产生影响。矸石粉尘入河，通过河道向下游输送，会对本地及下游区域的水环境造成污染，减少矸石污染、开拓矿渣利用技术是解决区域环境污染的根本问题。

2 沉陷区内基于防洪、除涝目标的水系治理体系

2.1 沉陷区河网防洪、除涝目标

防洪、除涝目标是根据经济发展水平，确定科学的防洪、排涝体系，保证防护区、保护对象，从而避免洪水灾害对保护区内保护对象生命财产安全的影响，保障区域社会经济健康、和谐发展。防洪保护的是防洪保护区和防洪保护对象。防洪保护区分为城市防护区和乡村防护区。城市防护区根据政治、经济地位的重要性、常住人口或当量经济规模指标分为4个防护等级，并确定防洪标准。乡村防护区根据人口或耕地面积分为4个防护等级并确定防洪标准。保护对象根据《防洪标准》分为工矿企业、交通运输设施、电力设施、环境保护设施、通信设施、文物古迹和旅游设施、水工建筑物等保护对象。防洪工程措施主要是修建各类水利工程来抵御和控制洪水，是一种用于洪水防洪的直接手段。非工程措施主要是通过技术手段来较低洪水灾害损失。治涝保护的是涝区内的保护对象。包括农田、城市、乡镇和村庄、重要场(厂)区。根据各保护对象规模、价值等确定治涝标准。治涝工程体系包括：排涝沟渠、排涝河道、排涝泵站、滞(蓄)涝区、承泄区。煤沉陷区防洪、治涝除根据《防洪标准》、《治涝标准》中保护区和保护对象确定的防洪、治涝目标、防洪标准外，还要参照《煤炭工业矿井设计规范》中采煤矿井场地、主井、副井及中央回风井井口等对象确定对应防洪目标和标准。

2.2 水治理理念

对于防洪工程中保护区和保护对象，达到对其保护是指在一定的洪水或降雨情况下不受淹，这要求能够挡住洪水。对于排涝工程中保护对象，达到对其保护指对象所在位置在一定洪水或降雨情况下，洪水能顺利排出并保证淹没深度和时间不超过一定程度，这要求能泄出水。为保证水利工程能持久、稳定地为人类社会提供服务功能，还要保证建筑物安全。对于沉陷地区的保护对象，首先确定保护的目标和任务，保护应建立在自然地貌、人工建筑物和构筑物全面纳入，工程措施和非工程措施统筹布置，现在与未来全时段覆盖3方面之上。自然地貌、人工建筑物和构筑物全面纳入。把保护对象周边的边界条件全面考虑进来，不仅是人工修建的水利工程建筑物，还要考虑其他的构筑物、自然地势地貌等。对于防洪任务还要包括实际起挡水作用的山坳、土坎等自然地貌和起到挡水作用的构筑物；对于排涝还要考虑有调蓄能力的坑塘、阻水的河道地势变化等。把所有起到挡水作用的要素考虑进来，纳入防洪系统当中。把所有影响排涝的要素考虑进来，纳入到排涝系统内。随着时间流逝，各个时段的防洪对象、任务需要根据相关规划做出调整。同时，气象、降雨情势随气候而改变，地表附着物、下垫面条件随着人类的改造和自然生态的恢复会变化，地貌、地形随着地面沉降也有变化。对于采煤沉陷区来水，地貌、地形的变化影响较大，更需着重分析。

2.3 防洪、排涝影响因素分类

对于防洪，要考虑挡水高度不降低，考虑河内水位不上涨。挡水高度需要考虑建筑物建成后的本身沉降和区域内整体沉降；水位不上涨要考虑河流的来水、泄水情况，由于采煤沉陷，河道比降变化和产流的下垫面情况改变导致水文情势的变化，同时采煤影响了河道地势地貌，影响了过流能力和上下游水位，这些都将导致水位的变化。影响防洪挡水达标因素分类见表1。

表1 影响防洪挡水达标因素分类

对于排涝要考虑泄水能力不降低，来水流量不增加。泄水能力不降低要考虑沉陷区泄水渠道地形的改变将影响到过流泄水能力，地形改变也将影响上下游水流形态，间接影响到该段渠道的水力边界条件而影响过流。来水流量不增加考虑沉陷区内河道比降变化，汇流时间和产流的下垫面情况改变导致水文情势的变化；地势改变后局部汇流面积的变化等。影响排涝泄水达标因素分类见表2。

表2 影响排涝泄水达标因素分类

2.4 地面沉降对防洪挡水和排涝泄水的影响

地面沉降后区域整体沉降导致挡水建筑物最大挡水高程降低，从纵向上看，整个挡水的线性工程局部段称为短板，水流达到一定高程后即从此处满溢泄流，造成被保护对象受淹，如建筑物在过水水流冲刷情况下损毁，则保护区和保护对象面临受淹和受水流冲击双重影响。地面沉降后导致局部河槽降低，从河流纵断上看，该段河流凹陷，与上下游连接成起伏曲线，对于来水水流下泄不畅，将进一步增加该段河道行洪压力。地面沉降导致的地形地貌变化影响水流流态，地形地貌的剧烈变化会产生局部水头损失增加，产生壅水，抬高水位，降低过流能力。采煤沉陷区河道水深和上游来沙量的改变引起植被种类的变化，河道人工建筑物不合理布置和垃圾堆积形成了阻水障碍。这些都将改变河道过流能力，影响水位。

采煤沉陷区河段上下游水位的变化与沉陷前后河道变化特点有关，从能量损失上看，沉陷区下游边界处地形突变能量损失增大，上游断面大流速降低，故而沉陷区内水位增加。沉陷区上游边界损失增大，下游断面流速降低，故而沉陷区内水位降低。特殊情况需根据情况具体分析。沉陷区改变了局部河段比降，区内上游段比降变大，下游段变小，从汇流来看，洪峰到来时间更短，洪峰流量更大，对沉陷区内防洪是不利的。沉陷区改变了部分区域流域边界线的位置，对沉陷区内河流来水，增加了流域面积、洪量，同时也有增加洪峰流量的趋势。沉陷区内生态植被的破坏，上游矿渣肆意流淌，都将导致下垫面的变化。下垫面储水和渗水能力降低，是地表径流量有所增加，对防洪产生不利影响。

对人工修建的过流涵管、隧洞等泄流建筑物，地面沉降将导致建筑物进出口沉降不均匀，减小过流面积，严重情况可能改变过水时的水流状态，这两方面同时影响着沉降后的泄流能力。建筑物由地面沉降引起的损坏和其他原因引起的损坏都是挡水、泄水工程失效的重要原因。产生沉降后，建筑物所在位置的环境条件和边界条件发生变化。主要是工程水文、地质、上下游水利要素、毗邻建筑物和构筑物相对位置改变引起的荷载变化等。这些变化将导致建筑物结构失稳、设计功能实现受阻最终导致防洪和排涝功能无法实现，造成保护区和保护对象受损。

2.5 沉陷区内防洪与排涝的治理途径

从防洪、排涝系统出发，统筹考虑工程措施和非工程措施、兼顾全时段覆盖来探讨防洪与排涝的治理途径。通过对防洪、排涝影响因素和沉降影响特点，提出以下综合治理途径。影响防洪挡水与除涝泄水达标因素及治理途径见表3。

表3 影响防洪挡水与除涝泄水达标因素及治理途径

2.6 基于防洪、除涝目标的沉陷区河道治理措施

(1)调整河道纵比降。在小尺度的河段范围内，纵剖面能反映河床地貌特征，如深潭、浅滩和江心洲等，在河段尺度内包含人工拦河跨河建筑物，如坝、堰、闸和桥梁等。在流域尺度内，纵段根据海平面、湖平面和其他河流等基准面的变化和地壳上升速度进行调整。随着尺度的减小，泥沙淤积、地面沉陷等问题和人工建筑物的重要性会凸显出来。河道纵比降决定了水流能量、泥沙输移以及地貌变化等情况，因此河道纵比降的调整应给予足够重视，如果比降过小，可能产生泥沙淤积问题；对于比降过陡，可能导致河床下切问题。河道比降确定有如下几个途径：如河流水沙条件变化不大，可参照对修复河段有约束作用的上下游河段的相关资料；如修复河道工程附近存在一段天然河道，并具有近似的流量和泥沙特征，可以参考改河段；根据修复河段附近的河谷比降和蜿蜒度确定河道比降。沉降区纵比降调整要考虑进一步沉降后对纵段治理的难度，沉降量大、范围广的沉陷区，当超出一定的经济技术承受能力后，应综合采用治理方法保障防洪、除涝安全。随着上游来沙量在沉陷区的填充，比降也将逐年恢复至平衡状态。

(2)恢复河道断面。对河道宽度、深度进行确定，其大小取决于河流泥沙含量、径流模式和径流量以及河岸材料等因素。通常采用类比法、水力几何关系法和一些经验公式确定。对于沉降引起的断面变化剧烈而修复难度较大的河段，应综合采用治理方法保障防洪、除涝安全。

(3)河道地貌修复。河道断面之间地貌、地形起伏应平顺过渡无突变，土丘与深潭、岸坡与河槽尽量缓坡衔接，局部人造微地形不应太突兀。沉陷后断面间变化剧烈无法修复的，待沉降稳定后在变化处采取适当防护措施。

(4)垃圾移除、违规建筑物拆除。对河道内垃圾、山洪灾害产生的泥石流、违规建筑物应及时清除，恢复原有河道形态。

(5)上下游综合治理。对沉陷区上下游河段治理中不应造成特征流量下水位的明显抬高。

3 基于水生态修复的水系构建技术

3.1 水生态修复的目标

良好的水生态系统修复要具有以下目标：①生物具有多样性；②生态系统的结构完整；③外来物种少；④水域具备优雅的景观及水文化内涵；⑤水质良好，清澈见底，微生物、水草和鱼类齐全。水生态修复的目标的表述是“修复”、“自然化”，修复措施对应“保护”、“被动修复”、“主动修复”，是促使河湖生态系统恢复到较为自然的状态。着眼于河流生态系统的机构和功能，恢复目标把生物群落多样性作为恢复程度的主要衡量标准。将恢复河湖激流水生态系统、湿地生态系统的功能修复作为基本目标。

3.2 水生态修复技术

3.2.1河道空间形态恢复

河道空间形态恢复包括河道的横向、纵向及平面形态恢复几方面，河道空间形态恢复应采用生态水工学的理念，重点打造多自然河流形态，在平面形态恢复方面，平原区自然河流的平面形态往往表现为蜿蜒性、多样性及与河漫滩之间的连通性。山区丘陵区的自然河流的平面形态也多为蜿蜒性、呈“V”字形或“U”字形，其平面形态极为复杂，河岸线极不规则。沉陷区河道平面形态恢复应利用现有地形地势，遇弯则弯，遇直则直，遇坑塘则建设深潭、湿地等，尽力保持河流的自然蜿蜒形态，避免传统的直线化设计，可采用复制法、类比法、经验公式法和数值模拟等方法进行平面蜿蜒性构建，提高河流的空间异质性。可以采用直接改造的方式进行生态恢复，也可以自然方式通过修建河内建筑物修复河流弯曲的形态。河流生物多样性可以通过增加河流在沉陷区的形态进行改善，从而使得生物群落在河流中得到一定程度的改善。还可对河湾、蓄滞洪区、滩区连通性进行恢复，使得河流地貌单位得到进一步修复。

3.2.2水系连通构建

水生态5大完整性生态要素是河道水系连通的特征之一。水系内物质流、物种及信息流是水系连通的主要生态过程。河流上下游在不同时期的纵向连通、横向(河道与河漫滩连通)、垂向(地表水与地下水连通)和河湖(库)的物理连通和水文连通。物理连通是基础，反映河流地貌形态；河湖生态驱动需要依靠水文连通。栖息地和生物多样性需要通过物理、水文连通进行共同维系和结合。

工程和管理措施是河流水系连通恢复的主要措施。对于采煤沉陷区纵向水系连通层次，利用沉陷坑建设的鱼塘、湿地、沼泽等措施，由于坑塘之间缺乏水体连通交换和水力联系，在枯水季节不具备调节能力。应依据河道空间形态恢复的原则进行水系连通构建，水系连通构建宜在现有形态基础上因地制宜设计，各控制水位和流量应根据水生植物和坑塘容积合理设计。湿地最高、最低设计水位必须满足大部分湿地植物生理要求。应根据湿地中地表积水、季节性积水、常年积水等特点设置不同控制高程水位；建设水网连通工程来解决水网阻隔问题，水库、水闸群生态优化调度是其主要管理措施。建设河道连通工程是针对河道阻隔问题恢复侧向连通性的工程措施。可采取堤防后退来针对解决河流-河漫滩系统阻隔问题，将湿地、水塘和河漫滩进行连通。河岸线管理及行政执法是其主要的管理措施。地表水与地下水交换的问题可通过采用减渗控渗等措施来恢复垂向连通性进行有效解决。

3.2.3河道水体环境恢复

人工湿地建设是河道水体环境恢复的主要措施，在净化的工程中人工湿地自身性质具有特殊性，其可在生物、物理及化学多重作用下通过水体中的生态系统将径流中的携带的有害物质进行过滤和沉淀从而实现消除，降低水体中污染物的浓度，湿地适合于水生动植物生长，同时可以提供人类赖以生存和持续发展的事物和能源及材料。相比传统污水处理方式，人工湿地性价比更高，且水体净化效果总体好于传统污水处理方式。

3.2.4生物水生态环境

生物水生态环境修复包括水域岸线修复、河道内栖息地修复等。河漫滩和河岸植被相互作用是自然河岸系统稳定性的主要来源，也是河流栖息地修复的重要基础，河流自然功能修复是堤岸功能保护的主要目的，其基本条件是不妨碍水流的长期自然发生的过程。沉陷区水域岸线一般分为堤防和护岸2种防护型式。堤防沉陷后，河道行洪能力受到堤顶高程下降影响有所降低，不同程度的裂缝出现在堤防内部降低了堤防的安全度，影响其行洪安全。堤防修复一般主要采用工程措施从堤防尺寸和防渗2个方面进行修复。区河道堤防工程较少，多以护岸防护为主，水系岸坡防护工程修复主要可以采用2种方式：一是降低水流冲刷来提高河岸方案结构，减小水流流速来加强堤岸的防护，二是对河岸栖息地进行相应的恢复。自然型岸坡防护主要在天然植物等防护材料的基础上对其护岸的结构进行防护加固，且可以为水生动植物建立较好的栖息地环境，也可以改善河流自然景观。