煤矿区土地复垦适宜性评价及治理措施研究

2022-09-13尚红霞陈朋磊倪云鹏

能源与环保 2022年8期

尚红霞，陈朋磊，倪云鹏

（1.河南省航空物探遥感中心，河南郑州 450000； 2.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南郑州 450001）

土地资源是人类赖以生存的基础，对土地资源不科学、不合理的利用是制约社会经济发展的桎梏问题。煤矿开采过程虽然为人类发展提供了重要的能源支撑，但与此同时也给生态文明造成了严重破坏，两者之间的矛盾尤其突出[1]。如果可以基于先进的技术对煤矿矿区土地进行复垦，则可以较好地解决以上矛盾问题。在我国大力推进生态文明建设的大背景下，矿区土地复垦方面的研究越来越受到社会各界的关注[2]。通过开展土地复垦工作，能对宝贵的耕地资源进行保护，提升土地的利用效率，使之更好地为人们的生活和生产服务[3]。开展土地复垦前需要结合实际情况，对矿区土地的适宜性进行评价分析，找到土地最好的开发方向。在此基础上，提出针对性措施对土地资源进行治理[4]。本文主要结合某煤矿矿区土地复垦情况进行分析，对复垦适宜性进行了综合评价，提出了有效的治理措施，对于促进煤矿矿区生态文明建设具有重要的理论和现实意义。

1 研究区及其土地利用概况

1.1 研究区域概述

某煤矿于20世纪70年代开始建设，并于80年代正式进行煤矿开采。截至目前已经运行几十年，整个矿区的面积达到了340 hm2。矿区附近有2条大型河流经过，水资源比较丰富，距离市区只有8 km左右，附近有多条国道或高速公路，交通方面比较便利。煤矿所在地区属于暖温带气候区，平均温度15 ℃，年平均风速2.5 m/s，全年日照时间2 221 h。每年7—9月属于雨季，占到全年降雨量的67%左右，年平均降水量为832 mm。

1.2 矿区土地利用情况

在土地自然资源管理局提供数据的基础上，配合使用遥感影像数据，根据《土地利用现状分类》标准，可以将整个矿区范围内的土地利用类型划分成为9种。矿区土地的分类及占据比例的统计情况如图1所示。由图1中数据可知，耕地和商服用地占据的面积相对最大，占据总面积的比例依次为26.42%和28.39%。煤矿在建设阶段及后期的开采运行阶段，都对附近的土地资源造成了一定的损坏，部分损坏严重的区域导致土地已经完全丧失了原有的功能，地形和地貌都出现了极大的改变。土地轻则出现了地表水平变形，更严重的出现了倾斜变形，最严重的地表出现了严重的塌陷现象。

图1 矿区的主要土地类型及其占比统计Fig.1 Statistics of the main land types and their proportions in the mining area

1.3 土地复垦的必要性

所谓煤矿塌陷区指的是在地底下开展煤矿开采工作时，将地下掏空，导致地表岩石和土壤出现悬空现象。地表原有的受力平衡被打破，地表土壤和岩石向下塌陷[5]。一旦出现塌陷现象，会对地表的农业生产活动产生严重影响，甚至导致地表地质结构发生变化，给地质安全埋下安全隐患。对于煤矿矿区土地如果不加以处理，时间长久后就会荒废。所以有必要对矿区土地进行复垦，提升土地资源的利用效率。在我国大力开展生态文明建设的背景下，此项工作特别有意义。

2 矿区土地复垦适宜性评价

2.1 评价指标确定

研究基于层次分析法建立土地复垦适宜性评价指标体系。根据煤矿所在区域的实际情况，矿区土地可以复垦利用的方向主要有3个，分别为农业用地、建设用地和生态用地，此为整个指标体系的第1层。第2层指标体系同样有3个指标，分别为适宜因素、驱动因素和制约因素。根据第2层指标可以确定第3层指标，为具体的适宜性评价。其中，适宜因素主要从交通因素、自然生物因素等方面反映土地是否适合进行复垦，驱动因素主要描述地区人口和经济水平等对不同的复垦方向的影响情况，制约因素主要反映土地复垦活动可能对本地区人们生活和经济、环境的影响。结合实际情况构建的具体评价指标体系以及不同复垦方向对应的指标如图2所示。

确定好具体的评价指标后，还需要从土地质量、土地限制以及土地适宜等多个层面出发，结合《土地复垦条例》文件，根据每个指标的复垦适宜性，将其划分成为不同的等级[6]。研究将其分为4个等级，分别为高度适宜、重度适宜、基本适宜和不适宜，为了方便对不同指标进行定量计算，以上4个等级对应的分数分别取100、75、50、25分。以地形坡度指标为例，根据《土地复垦技术标准（试行）》中的要求，地形坡度不超过6°时最佳，属于高度适宜，计算时取100分，地形坡度分别在6°～15°、15°～25°以及>25°时，对应的适宜等级分别为重度适宜、基本适宜和不适宜，定量计算时所取分值依次为75、50、25分。

2.2 各指标权重的确定

考虑到各个具体指标对不同复垦方向的影响程度存在差异，并且差异性相对较大，因此需要结合实际情况确定不同复垦方向对应指标的权重大小。指标权重大小确定的科学性与合理性，会直接影响复垦适宜性评价的质量和效果。基于AHP方法确定各影响因素之间的权重大小，根据不同指标对复垦方向的影响程度，将其划分成为5个等级，从高到低依次为绝对重要、十分重要、比较重要、稍微重要、不重要，5个等级对应的取值分数依次为9、7、5、3、1[7]。具体打分时制作调查问卷表，邀请领域内专家和学者打分后取平均值，最后根据不同复垦方向各指标的分数计算其权重大小。不同复垦方向对应指标的权重计算结果见表1。

图2 土地复垦适宜性评价指标体系Fig.2 Land reclamation suitability evaluation index system

2.3 土地复垦适宜性评价结果

按照式（1）对土地复垦适宜性进行评价计算：

（1）

式中，n为不同复垦方向对应指标的数量；S为不同复垦方向的综合得分；Si和Wi分别为具体指标的得分及对应的权重。

基于上文所述的评价方法并结合式（1），可以计算得到3个土地复垦方向对应的评价分数，结果如图3所示。由图3中数据可知，农业用地、建设用地和生态用地3个复垦方向的适宜性评价分数依次为77.57、67.11、62.04分。说明此煤矿塌陷区土地最适合作为农业用地进行复垦开发。基于此，决定将矿区土地复垦为农业用地。

3 矿区土地复垦治理措施研究

3.1 土地复垦工程措施

对煤矿矿区土地进行农业复垦时，需要对整个矿区范围内的土地进行土壤重构，主要包括废弃矿井填封、塌陷区填充、土壤剥覆及平整、土壤培肥等工程项目[8]。对于已经关闭的矿井，可以利用地表中的无害垃圾进行回填，回填至井筒时利用细小碎石进行回填，为了防止地表水过快向下渗透，回填至地表位置时需要利用水泥砂浆对其进行封堵，然后利用种植土进行填充。开展土地复垦工作时必然会开挖一些池塘并疏通河流区域，开挖获得的土方可以运输至塌陷区进行填充，以避免农业种植区域出现过大的地势变化。土壤剥覆工程包含表土剥离和表土覆盖。表土剥离主要是对其他位置适合植物种植的熟化土壤进行收集，然后运输至土地复垦区域进行覆盖，以改善矿区土壤的物理和化学性质，使之更适合植物种植。通常土壤剥覆工程的厚度在0.4 m以下。平整工程同样包含2方面工作：①对地面塌陷较小的区域进行平整；②对原本高低不平的区域利用土方进行回填平整。最后，为了防止复垦区域表层土壤肥力的流失，还需要开展土壤培肥工程项目，以提升土壤的肥力以及有机质的含量。

表1 不同复垦方向对应指标的权重计算结果Tab.1 Calculation results of corresponding index weights for different reclamation directions

图3 不同土地复垦方向适宜性评价分数Fig.3 Suitability evaluation scores for different land reclamation directions

土壤重构基本流程及其影响因素如图4所示。

图4 土壤重构基本流程及其影响因素Fig.4 Basic process of soil reconstruction and its influencing factors

由图4可知，除上文所述的基本工程外，还需要做好后期的水土保持和人工管护工作。另外，整个过程中还会受到很多其他方面因素的影响，需要结合实际情况对过程进行优化调整。基于土地复垦工程，使得复垦区域土壤的生物化学环境得到了较好改善，土壤中的生物活性及其熟化程度都得到了提升，土壤理化性质及内部包含的生物多样性也得到了强化。

3.2 生物化学措施

所谓生物化学措施，主要是基于化学和生物的方法对土壤的环境进行优化改善，提升土壤的肥力以及生物多样性，以达到改善矿区土壤环境的效果[9]。为了加快土壤优化速度，此过程需要通过人工干预的方式进行，主要是选择合适的植被进行种植，使植被与土壤之间发生复杂的相互影响和作用，从而改善土壤的理化性质。植被与复垦土壤之间的相互作用关系如图5所示。

采取措施时需要重点从2个方面着手：①选择适合矿区土壤的耕作技术；②选择适合土壤的植被类型。耕作技术主要是采取措施提升土壤的肥力，在合理选择肥料构成的基础上还要使用科学的施肥技术。选择植被类型时必须遵循因地制宜的方法，通常豆科植物能够适应矿区复垦土壤复杂的环境，同时还能提升土壤中氮元素的含量。已有的研究表明，豆科植物在矿区土壤修复方面具有非常好的效果[10]。考虑到本土植物对本地区气候条件具有很好的适应性，在矿区修复植被类型选择方面，最好选择本地区的植被。选择本土植被更加有利于形成完善的生态系统。

结合本文所述煤矿的地质条件和气候条件，选择的植被需满足以下几点：①对复杂地质条件和气候条件具有良好的适应性，且具有很好的抗逆境能力；②具有相对较好的固氮性能；③资源比较丰富，容易获得，成活率相对较高；④水土保持能力相对较好，可以有效降低地表径流、存储水分，防止发生水土流失现象。本案例中，结合不同生态系统的实际需要，最终选定的植被类型如图6所示。

4 矿区土地复垦效益分析

4.1 经济效益

矿区土地复垦经济效益可从2个方面进行计算：①土地重构以及植被重建带来的生态系统服务功能；②为农作物种植的销售效益。根据土地复垦的实践效果，可以将其划分成为3个时期，分别为初期、中期和后期，其中前3年为初期，后5年为中期和后期。在3个时期，土壤的生产力分别可以恢复到普通情况的30%、80%和120%。在土地复垦初期为了改善土壤性质种植的为先锋植物，将土地作为林地使用。预计生态系统服务功能部分每年的经济效益为2 244元/hm2，在中期经济效益有所提升，每年可以达到5 984元/hm2，后期经济效益更加显著，每年可以达到8 976元/hm2。本案例中，煤矿土地复垦面积大约为47.5 hm2。基于此，可以计算得到第1部分经济效益在初期、中期和后期的经济效益依次为10.66、28.43、42.65万元。

图5 植被与复垦土壤之间的相互作用关系Fig.5 Interaction between vegetation and reclaimed soil

图6 不同生态系统选用的植被类型Fig.6 Vegetation types selected for different ecosystems

对矿区范围内的土地进行复垦后，耕种面积有所提升，使平均耕作成本大幅度降低，生产效率也得到改善。矿区复垦土地中，农作物种植土地类型包括水田和旱地，主要种植水稻、小麦、玉米和大豆等，不同农作物的种植比例及其平均产量如图7所示。

图7 不同农作物的种植比例及其平均产量Fig.7 Planting ratios of different crops and their average yields

考虑到土地复垦初期农作物的长势非常不好，不适合进行农作物种植，因此农作物的销售效益主要从中期和后期开始考虑。假设水稻、小麦、玉米、大豆的收购价格为2.5、2.3、2.4、3.8元/kg，则每年的农作物销售额度可以达到65万元。不同农作物的收购价格及平均销售收益如图8所示。

4.2 社会效益

通过对煤矿矿区土地进行复垦，从微观层面改变了土壤的理化性质，从宏观层面给当地居民的生产和生活带来了巨大的促进作用。土地复垦工程本身可以为当地居民提供很多就业岗位，提升了劳动力的利用效率。通过土地复垦极大地增加了当地的农业种植面积，使得人均耕作面积有了大幅度提升，

图8 不同农作物的收购价格及平均销售收益Fig.8 Purchase prices and average sales revenue of different crops

很好地处理了农村劳动力过多的现象，解决了就业问题。通过复垦，该地区的生态环境得到了有效的改善，特别是空气中的悬浮颗粒含量大幅度降低，居民呼吸道疾病及肺病患者的数量减少，为保障居民过上更好的生活奠定了坚实的基础。综上，矿区土地复垦为该地区创造了良好的社会效益，提升了社会的稳定性。

4.3 生态效益

通过此次矿区土地复垦，将原先的塌陷区等对生态环境会产生不良影响的用地全部转变成为了耕地。通过矿井回填、塌陷区填充、土地平整和增肥等一系列措施，目前塌陷区的土地以水田、旱地、林地等为主，植被覆盖率以及生物多样性大幅度提升。矿区抵御灾害的能力以及保持水土流失的能力均得到显著加强，这些都是生态效益的重要体现形式。