彭蘇萍，畢銀麗

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083; 2.中國礦業(yè)大學(北京) 礦山生態(tài)修復研究院，北京 100083)

黃河流域是我國重要經濟地帶，也是我國重要的生態(tài)屏障。2019年9月，習近平總書記對黃河流域的生態(tài)環(huán)境與經濟發(fā)展進行考察并發(fā)表重要講話，要求我們堅持“綠水青山就是金山銀山”的理念，堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，以水而定、量水而行，因地制宜、分類施策，上下游、干支流、左右岸統(tǒng)籌謀劃，共同抓好大保護，協同推進大治理[1]。

黃河流域也是能源流域，上游地區(qū)是水資源涵養(yǎng)地，水能資源比較豐富;中游煤炭資源豐富，是我國最重要的煤炭生產基地;下游富含石油和天然氣資源。黃河流域的煤炭資源經濟可采量和煤炭生產產量，目前均居全國首位，因此，促進煤炭生產與環(huán)境保護的協調發(fā)展，是黃河流域生態(tài)環(huán)境保護與高質量發(fā)展的重大要求！

我國14個大型煤炭基地中有9個煤炭基地分布在黃河流域[2]，該區(qū)域主要土地類型為黃土地，風沙地及黃河沖積平原地。黃土區(qū)占黃河流域總面積85%(包括陜北、晉北、晉中、晉東、黃隴)，煤炭開采加劇水土流失;風沙區(qū)占黃河流域總面積的9.3%(包括神東、寧東)，煤炭開發(fā)加速了該區(qū)沙漠化;湖泊區(qū)占黃河流域總面積的5.6%(包括魯西、河南)，煤炭開采活動加重了耕地生產力的下降。因此，筆者針對黃河流域煤礦區(qū)3類土地類型所在的地理環(huán)境特征和社會需求迥異的特點，采用不同治理方法與手段。

1 黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)修復面臨的主要問題

我國目前的煤炭經濟可采量和產能主要聚焦在黃河流域。據2019中國能源統(tǒng)計年鑒數據，2017年黃河流域煤炭產量27.685 3億t，占全國煤炭產量的78%，而且煤種齊全，煤質好，地質賦存條件好，與經濟生產區(qū)距離近，是我國煤炭資源最具經濟價值和開發(fā)潛力的地區(qū)。黃河流域中上游的晉陜蒙寧甘地區(qū)(即山西、陜西、內蒙古、寧夏和甘肅5省區(qū))的煤炭產業(yè)是該區(qū)域的主要經濟支柱行業(yè)，分布有晉北、晉東、晉中、黃隴、陜北、神東和寧東7大國家大型煤炭基地，是我國目前主要煤炭生產區(qū)和調出區(qū)。2011年，我國西部晉陜蒙寧甘地區(qū)煤炭產量23.91億t，占全國總產量的60.5%，2015年煤炭產量上升至25.25億t，占全國煤炭總產量67.4%，2017年煤炭產量為24.63億t，占全國煤炭總產量的69.7%以上，并呈繼續(xù)增加趨勢。由于我國國內油氣生產難以保障國民經濟發(fā)展的需求，更進一步促使煤炭資源開發(fā)重心向黃河流域中上游的轉移！

黃河流域中上游處于干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱。煤炭資源開采不可避免引發(fā)生態(tài)環(huán)境損傷，加劇水土流失、耕地損失、植被退化。如何在該流域加強生態(tài)環(huán)境保護的同時又能開發(fā)煤炭資源以保障國家能源安全和促進經濟發(fā)展，已成為目前我國亟待解決的重大難題。

(1)黃河流域生態(tài)脆弱區(qū)水資源短缺是煤炭規(guī)模開發(fā)的瓶頸。

水資源是支撐煤炭資源開發(fā)、區(qū)域經濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境協調的基礎資源。隨著我國大型能源基地建設和煤炭資源開發(fā)向西部生態(tài)脆弱區(qū)轉移，煤炭規(guī)模開發(fā)進一步加劇了本已脆弱的黃河流域生態(tài)環(huán)境的惡化，導致有限的水資源短缺，并成為制約我國煤炭工業(yè)科學發(fā)展的關鍵因素。位于黃河流域的晉陜蒙寧甘地區(qū)，探明煤炭資源保有儲量占全國的2/3，但水資源不到全國水資源的1/25。其核心區(qū)——“能源金三角”(寧東、陜北和蒙西)煤炭儲量占全國27%，水資源僅占全國的0.37%[3]，且年蒸發(fā)量是降雨量的6倍左右，礦區(qū)及周邊環(huán)境沙漠化、荒漠化傾向十分嚴重。保護地下水資源建設生態(tài)礦區(qū)是黃河流域煤炭開發(fā)的重大戰(zhàn)略需求。

晉陜蒙寧甘地區(qū)地下水資源按含水介質類型可劃分為新生界松散含水層，中生界碎屑巖類裂隙含水層、煤系燒變巖含水層和古生界碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層，其賦存分布規(guī)律主要受地貌、構造、地層巖性、水文氣象等多種因素綜合制約。我國不同煤田水文地質及開采條件的礦井，每開采1 t煤炭平均要產生2 t礦井水[3]，在煤炭采動影響下礦區(qū)地下水系統(tǒng)的補、徑、排發(fā)生劇烈的變化，產生地下水水位大幅度下降、地表河流量衰竭、地表生態(tài)環(huán)境破壞等一系列難題。如果在煤炭開采過程中不對水資源加以有效保護和利用，將進一步加劇水資源短缺，并嚴重制約煤炭開發(fā)利用的規(guī)模，這對嚴重缺水的西部煤礦區(qū)是難以承受的。由于氣候干旱，降雨量少，本區(qū)生態(tài)閾值較低，抗擾動能力差，煤炭規(guī)模開采引起了地表沉陷、地面塌陷和裂縫，導致礦區(qū)地下水位大范圍和大幅度疏降，導致大面積的喬、灌、草等荒漠植被衰敗減少，草場退化，加速了荒漠化進程，形成了資源與生態(tài)環(huán)境之間的惡性循環(huán)。

(2)現有方法和技術難以支撐黃河流域煤炭開采與生態(tài)環(huán)境的協調發(fā)展。

如前所述，九大煤炭基地分布于黃河流域黃土區(qū)、風積沙區(qū)和沖積平原區(qū)3種地貌中(圖1)，煤炭開采對黃土區(qū)水土流失、風積沙區(qū)土壤進一步干燥沙化、沖積平原區(qū)地表塌陷積水使土地生產力下降是突出問題。

圖1 黃河流域九大煤炭基地戰(zhàn)略分布示意Fig.1 Diagram of strategic distribution of 9 large coal bases on Yellow River basin

因此，針對黃河流域不同生態(tài)環(huán)境條件、區(qū)域煤炭資源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境損傷特征及生態(tài)環(huán)境修復的可行性，直接關系到煤炭開發(fā)的戰(zhàn)略布局和開發(fā)強度。過去，由于對黃河中上游地區(qū)煤炭開發(fā)的土地復墾多借鑒我國華北地區(qū)煤礦區(qū)的土地復墾方法，煤炭大規(guī)模開采后，生態(tài)環(huán)境惡化，增加了流入黃河的泥沙淤積。毛烏素沙漠的東部邊緣地帶由于煤炭過度開發(fā)，采礦造成了地形地貌的改變，加速了土地沙漠化的進程。在下游地區(qū)，煤炭開采沉陷使陸地生態(tài)系統(tǒng)轉變?yōu)樗憙上嗌鷳B(tài)系統(tǒng)，耕地減少、濕地增加。不同煤礦開采方式對黃河流域生態(tài)環(huán)境的影響也不容忽視，在黃河中上游地區(qū)，露天開采因采區(qū)巖土剝離造成原有地貌的破壞和植被的消失。開采沉陷損傷根系，降低土壤環(huán)境容量。在下游地區(qū)，井工開采對生態(tài)環(huán)境的影響主要為地表沉陷所引發(fā)的環(huán)境變化，形成封閉式的湖泊，造成土壤水漬積水，產生次生鹽堿化。因此，黃河流域不同區(qū)域的煤炭開采導致生態(tài)損毀的特征和機理與我國華北礦區(qū)有很大差異，采用的修復策略也會大不相同。為了促進區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，急需協同生態(tài)環(huán)境保護的煤炭開采技術，研究和掌握煤炭開采損傷特征與修復機理，實現黃河流域的高質量發(fā)展。

(3)理論和技術創(chuàng)新是黃河流域生態(tài)環(huán)境修復戰(zhàn)略實施的迫切需求。

黃河流域煤炭基地的生態(tài)環(huán)境修復要堅持“兩山”理念，理論與技術創(chuàng)新是前提。要結合礦區(qū)煤層賦存特點(煤層厚度、埋藏深度、煤層開采工程地質條件等)和煤層開采工藝技術等，對煤炭開采過程中上覆巖層產生的裂隙發(fā)育特征、展布格局及其與地表導通關系，裂隙與地表水和礦井水的耦合關系，裂隙對地表生態(tài)發(fā)育與退化作用與影響，開采沉陷對地形地貌的影響等開展系統(tǒng)的研究(圖2)。并要針對黃土區(qū)的水土流失問題，深入研究煤炭開采造成的裂隙與地表土層的風化分解關系，并抓好水土保持和土壤提質增容技術研究;風沙區(qū)要著重注意對煤礦開采與地下水位變化觀測，探討地下水變化與土壤沙化的關系，以修復煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng);在沖積平原區(qū)，要研究和完善單一煤層、多煤層開采造成開采沉陷與地下水潛水位的關系，研究因地制宜協調水陸兩相生態(tài)系統(tǒng)的重構方法，保護和復墾耕地，構造人工濕地，提高生物多樣性，達到生態(tài)穩(wěn)定的效果。通過系統(tǒng)監(jiān)測與技術研發(fā)，著力加強生態(tài)保護，保障黃河長治久安，促進全流域高質量發(fā)展，改善人民群眾生活，傳承弘揚黃河文化，讓黃河成為造福人民的幸福河，維護和實現我國生態(tài)安全，促進美麗中國的建設與發(fā)展。

圖2 煤礦開采對地質環(huán)境的影響Fig.2 Effects of coal mining on geological environment

2 黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)修復研究現狀

2.1 黃河流域上游煤礦區(qū)生態(tài)修復研究現狀

黃河流域上游地區(qū)分布著20余個煤礦，包括青海大通礦、木里礦及甘肅窯街礦、靖遠礦。青海由于地處高海拔地區(qū)，干旱少雨，生態(tài)環(huán)境脆弱。該區(qū)煤炭生產技術水平較低，由于煤炭資源的過度開采使環(huán)境問題急劇惡化。因此，政府逐漸加大對于青海地區(qū)乃至整個黃河上游煤礦區(qū)的治理力度。以大通煤礦為示范點，興建了一批治理示范工程，并檢測治理前、中和后的生態(tài)環(huán)境變化，為示范工程的效果評價奠定基礎。實現了生態(tài)治理效果的可視化表達，來約束煤炭開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的破壞，促進煤礦區(qū)生態(tài)的恢復。在木里煤礦使用多期、多源遙感影像數據開展了荒漠化遙感監(jiān)測及變化趨勢與采礦相關性分析研究，動態(tài)監(jiān)測礦業(yè)活動區(qū)內開采造成的地表變化，阻止煤炭開發(fā)對土地荒漠化造成的影響[4]。

2.2 黃河流域中上游黃土區(qū)和風沙區(qū)生態(tài)修復研究現狀

黃河流域中上游屬于氣候干旱半干旱地帶，年降雨量300～500 mm，而蒸發(fā)量在1 400 mm以上，它是我國大型煤炭基地集中分布區(qū)，我國14個大煤炭基地中7個位于該流域段。煤炭大規(guī)模開發(fā)與脆弱的生態(tài)環(huán)境疊加，生態(tài)環(huán)境更為脆弱，制約了該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。數10 a來，針對煤炭開采與水資源生態(tài)保護關系的研究與工程實踐一直是人們關注重點，具體表現在以下3個方面。

2.2.1煤巖層結構及采動裂隙演化規(guī)律研究

煤巖層結構及采動裂隙是地下水滲流的基本因素。國內外學者在煤巖層結構及覆巖采動裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究方面開展了大量工作。PALCHIK[5]和YAVUZ[6]等分析了煤層開采后覆巖存在的移動分帶特征，初步揭示了覆巖裂隙分布規(guī)律。劉天泉、錢鳴高、宋振騏等[7-9]對煤礦開采巖層破壞與導水裂隙分布做了大量的實測和理論研究，建立了采場巖層移動破斷與采動裂隙分布的“橫三區(qū)”、“豎三帶”的總體認識，即沿工作面推進方向覆巖將分別經歷煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實區(qū)，由下往上巖層移動分為冒落帶、裂隙帶和整體彎曲下沉帶，取得了“三帶”理論和“零位破壞與原位張裂”等重要成果，統(tǒng)計得出了計算導水裂隙帶高度的經驗公式，對礦井水害防治起到很好的指導作用。

20世紀90年代，隨著我國神府東勝煤田的開發(fā)，國內學者對淺埋深厚煤層開采造成的煤層頂板裂隙發(fā)生與演化規(guī)律開展了大量研究工作。宋世杰等[10]結合陜北榆神府礦區(qū)煤巖層結構，研究了煤層上覆隔水巖組不同厚度與采高比的覆巖垮落特征和采動裂隙貫通情況。張杰等[11]采用相似材料模擬試驗，獲得越厚的基巖在垮落過程中裂隙越容易閉合的認識，認為上覆基巖厚度是影響裂隙貫通的重要因素。黃慶享等[12]研發(fā)了固液耦合模擬裝置和覆巖裂隙帶分段觀測系統(tǒng)，發(fā)現了淺埋煤層覆巖“臺階下沉”規(guī)律，提出了覆巖“臺階巖梁”結構模型，發(fā)現了“上行裂隙”和“下行裂隙”發(fā)育規(guī)律。孟召平等[13]采用理論分析、數值模擬與物理模擬實驗、現場試驗與工程探測等方法，對覆巖采動裂隙的發(fā)育規(guī)律及分析方法進行了系統(tǒng)總結。王雙明等[14]在研究生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開采與生態(tài)水位保護時，探討了該地區(qū)的開采沉陷規(guī)律，提出了開采沉陷損害分區(qū)分級評價體系。范立民等[15]則以陜西榆神府礦區(qū)為例，初步揭示了淺埋煤層高強度開采條件下不同的地貌特征，并認為地裂縫在地表展布具有明顯的分帶性;胡振琪等[16]通過采用地表沉陷移動方法，對風積沙礦區(qū)現代煤炭開采(超大工作面)不同擾動程度下地表變形和裂縫分布特征與發(fā)生發(fā)育規(guī)律持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，揭示了地表動態(tài)裂縫自修復周期規(guī)律。畢銀麗等[17]在現場觀測基礎上，模擬研究了地裂縫發(fā)育對植物的影響，發(fā)現地裂縫可顯著降低植物地上部和根系生物量，擾亂了根系內源激素平衡。但總的看來，在煤巖層結構及采動裂隙演化規(guī)律方面還是初步的，有關作用機理仍不清楚，分析預測方法還不完善，特別是與現代開采方法的關系分析不夠，需要對黃河流域煤礦生態(tài)脆弱區(qū)煤巖層結構及煤炭規(guī)模開采覆巖采動裂隙演化規(guī)律進行更深入的研究。

2.2.2地下水資源保護研究

黃河流域生態(tài)脆弱地區(qū)的煤炭開采與水資源保護是極具挑戰(zhàn)性的重大課題。自20世紀80年代，國內外學者開始重視煤層開采引發(fā)的地下水資源破壞問題。對礦井水的研究由單純礦井水治理向礦井水利用型轉變，提出了礦山地下水資源保護和綜合利用的思路。歐洲學者結合礦山關閉后水位恢復和排泄對環(huán)境帶來許多負面影響的問題，加強了礦井水處理技術的研究，并對礦井水資源的保護進行了立法。

我國學者在進行礦井突水防治的同時也越來越注重地下水資源保護的研究，針對北方礦區(qū)水資源保護問題，提出了“排供結合”的地下水保護措施和技術。武強等[18]針對華北型煤田提出了排-供-生態(tài)環(huán)保三位一體優(yōu)化結合解決系統(tǒng)中因排水子系統(tǒng)水量變化而引起供水子系統(tǒng)供水不穩(wěn)的問題?？妳f興等[19]通過研究建立了保水采煤的隔水關鍵層礦壓模型。HUANG等[20]為保護淺層地下水，通過防治或減小上覆巖層的破損和裂隙貫通含水層的程度，對煤層的開采方式和方法、煤柱間距和尺寸、采空區(qū)充填和降低采高、利用和再造隔水關鍵層來實現保水開采。但這樣的保水開采模式對于我國黃河流域中上游生態(tài)脆弱區(qū)煤炭規(guī)模開發(fā)表現出一定的被動性和局限性，限高開采會大幅度降低煤炭資源采出率，充填開采會大大增加開采成本降低煤炭開采效率。

對于黃河流域中上游生態(tài)脆弱區(qū)上覆薄基巖的開采條件，煤層規(guī)模開采所形成的導水裂隙帶可直接貫通地表，保水開采不可能保護含水層不受開采影響，也不允許放棄大量的煤炭資源，只能是通過轉移存貯水的方式，將上覆含水層中的地下水轉移至適當的貯水空間內，構成煤礦地下水庫，來保持水資源的開發(fā)利用價值。煤礦地下水庫概念與20世紀80年代提出的地下水庫的概念有很大不同[21]。80年代的地下水庫概念主要是利用第四系含水層和巖溶含水層來形成地下水庫，一種是在河谷松散層中做防滲灌漿帷幕或防滲墻來截滲地下水，一種是對于巖溶區(qū)通過灌注混凝土等堵塞通道來形成地下水庫。這些方式都是通過減緩地下水流速來形成地下水相對富集的區(qū)域，方便于集中開采和利用。而煤礦地下水庫則是利用采空區(qū)通過建造地下壩體來形成儲水空間，并進行人工調蓄控制來實現礦井安全生產，實現地下水資源保護和利用[22]。憑借煤礦地下水庫建設這一思路，顧大釗[3]開展了煤礦采空區(qū)儲水的理論和技術研究，在神東礦區(qū)大柳塔建立了煤礦采空區(qū)儲水工程，并取得了良好效果。

自2010年開始，神華集團與中國礦業(yè)大學(北京)合作，針對神東礦區(qū)現代開采技術煤炭開發(fā)實踐，進行了大量的本地調查和工程試驗研究，探索了現代開采技術條件下，煤炭開采對地表水和地下含水層的影響作用機理、地下水在開采擾動區(qū)的運移規(guī)律、以及利用采空區(qū)儲水的安全性與可行性，是對我國西部干旱-半干旱地區(qū)煤炭大規(guī)模開發(fā)過程中水資源保護理論與方法較為系統(tǒng)的研究，獲得了很多有益的成果，特別是針對西部生態(tài)脆弱區(qū)煤層埋藏淺、厚度大、保水開采地質條件較差等特點，成果突破了以往以采用限高開采和充填開采等以“堵截”地下水滲漏為主要技術手段的被動保水開采理念，轉為采用煤礦地下采空區(qū)存儲地下水，形成以采空區(qū)儲水為主要方式的地下水資源保護與利用的理論與技術體系，具有重要的意義。

2.2.3煤炭開采對水和生態(tài)環(huán)境影響研究

美國懷俄明州北部、蒙大拿州東南部和北達科他州是世界最著名的露天煤礦基地，煤炭資源豐富，是美國主要的煤炭產區(qū)，煤炭產量占全美總產量70%，他們地處美國西部干旱半干旱地區(qū)，與我國黃河中上游煤礦區(qū)大體相近。他們在煤炭開采中采取“邊開采、邊復墾”一體化技術和表土的剝離與堆存技術等生態(tài)環(huán)境保護方法，解決了煤炭規(guī)模開采水資源和地表生態(tài)的保護問題，并對黃石河流域采礦引起的河床疏干、水質惡化、水生生態(tài)系統(tǒng)破壞等進行了系統(tǒng)研究[23-24]。這些研究為美國西部煤炭開發(fā)提供了理論依據，也為我國煤炭開發(fā)戰(zhàn)略西移提供借鑒。

我國在西部煤炭開發(fā)對區(qū)域水資源及生態(tài)影響研究的成果主要有王雙明等[25]對陜北侏羅紀煤田生態(tài)脆弱區(qū)煤層～含(隔)水層～生態(tài)環(huán)境的空間配置特征的研究。該研究工作調查了采煤引起的地表生態(tài)效應，發(fā)現了地下水位埋深與不同植物生長之間的相關性，劃分出不同植物生長的水位埋深范圍。馬雄德等[26]分析了采煤后典型泉域地下徑流量的變化特征，并從采煤后上覆巖層移動變形規(guī)律、地下水流場變化和地下水位變化3個方面提出了采煤造成含水層結構破壞，使得地下水補排平衡狀態(tài)發(fā)生改變并造成地下水位下降，最終使泉水斷流，生態(tài)環(huán)境發(fā)生退化的認識。卞正富等[27]結合實地調查并輔以高分辨率與高光譜遙感數據解譯,對西部重點煤礦區(qū)土地退化的影響因素進行了評估，表明不同區(qū)域、不同采煤方法造成的土地退化形式及退化程度不同，應根據礦區(qū)生態(tài)承載力確定不同的開發(fā)強度和修復策略。彭蘇萍[28]、顧大釗等[29]針對我國西部生態(tài)脆弱區(qū)煤巖層結構特點，從2006年開始，組織研究團隊對神東礦區(qū)的水文地質及環(huán)境地質情況開展了長達8 a的本底調查研究工作，應用現代地質、高分辨地震、電法、滲流監(jiān)測等參數全周期同步觀測系統(tǒng)，對煤炭開采下覆巖結構變化、地下水賦存環(huán)境與地表生態(tài)環(huán)境變化進行四維監(jiān)測(圖3)，獲得了煤炭開采全過程(采前—采中—采后—穩(wěn)定期)覆巖、礦井水和地表生態(tài)環(huán)境多屬性數據體，得到了其采動后裂隙結構變化、覆巖和地表層含水性的動態(tài)變化規(guī)律，為地下水保護利用和地表生態(tài)保護提供了依據。杜濤等[30]對西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開采過程中生態(tài)環(huán)境進行了大量長期定位的系統(tǒng)監(jiān)測研究，系統(tǒng)揭示了采前—采中—采后，不同植物類型的生長、根系發(fā)育及根際微環(huán)境等受損規(guī)律，發(fā)現了生態(tài)脆弱區(qū)煤炭規(guī)?；_采中地表生態(tài)具有自修復趨勢。利用微生物復墾多年后生態(tài)系統(tǒng)的多樣性提高，生態(tài)系統(tǒng)次生演替的速率加快[31]。

圖3 煤礦區(qū)高精度、多層次、多屬性全周期四維監(jiān)測模型Fig.3 Model of 4D comprehensive monitoring methods in coal mine areas

煤炭開采破壞了原來處于自然狀態(tài)的水循環(huán)，導致區(qū)域潛水位下降和植被退化，對地表生態(tài)造成不良影響[32-33]。對黃河流域中上游厚煤層、薄基巖地區(qū)來說，煤炭開采從本質上改變了包氣帶土壤理化性質，采動誘發(fā)的裂縫強化了包氣帶垂向排水疏干機制，使地表降雨入滲與蒸發(fā)過程、地下水的補給過程、地表植被水分的吸收過程發(fā)生改變，從而對包氣帶土壤水分產生重要影響[33]。采礦引起地面沉陷和地表裂縫造成礦區(qū)潛水位的下降，同時也會對植物根系產生拉傷，對植物水分吸收和利用產生影響。因此，綜合考慮地表植被與水土環(huán)境之間的相互作用關系，研究煤炭開采對地下水系統(tǒng)及其生態(tài)環(huán)境的影響，是開采沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)調控、重建與管理的基礎，也是恢復生態(tài)系統(tǒng)功能結構，實現生態(tài)自修復的基礎。

2.3 黃河流域下游沖積平原煤礦區(qū)生態(tài)修復研究現狀

黃河下游沖積平原是我國糧食主產區(qū)，該區(qū)域分布著河南和魯西兩個煤炭基地，這兩大煤炭基地的煤炭儲量超過200億t。大規(guī)模煤炭開發(fā)使該地區(qū)土地資源銳減，土地生產力下降，下游河道、河口三角洲濕地破壞，水資源利用和耕地保護成為主要問題。隨著煤炭開發(fā)范圍和強度的加大，黃河流域生態(tài)背景下，煤炭開發(fā)的生態(tài)環(huán)境影響日益突出。

黃河下游沖積平原煤炭開發(fā)導致沉陷濕地的生物種群發(fā)生變化，生物多樣性降低[34]。引黃河泥沙充填復墾采煤沉陷地是減輕黃河淤積和提升礦區(qū)復墾率的有效途徑之一,引黃河泥沙作為采煤沉陷地充填復墾材料，有助于河流和煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境改善，濟寧市針對部分采煤沉陷地可取土量不足問題，提出利用當地表土、心土和黃河泥沙組配作為覆土材料研究，以達到增加覆蓋土壤厚度和改良當地土壤質地的目的，為黃河下游煤礦區(qū)的生態(tài)恢復起到重要作用[35]。黃河流域下游的焦作市煤礦區(qū)，地下采煤引起的大面積土地沉陷及矸石山壓占土地較為嚴重，他們在低山丘陵沉陷區(qū)土地修筑梯田或改為緩坡地，在平原沉陷區(qū)采用排水、煤矸石或粉煤灰充填、挖深墊淺等工程措施。種植大豆、花生等豆科植物或禾本科植物、增施有機肥等措施提高復墾土壤質量，取得較好的生態(tài)效果[36]。

3 黃河流域煤礦區(qū)環(huán)境與生態(tài)修復今后的研究重點與目標

黃河流域煤礦區(qū)環(huán)境與生態(tài)修復必須以煤炭開采為主線進行梳理，以黃河流域煤炭開發(fā)與生態(tài)保護協同發(fā)展為研究目的，從含煤地層煤巖層結構及采動裂隙演化規(guī)律分析入手，研究煤炭規(guī)模開采對水資源的重大影響、煤巖層結構與地應力場及地下水系統(tǒng)的動態(tài)變化規(guī)律和耦合關系、煤炭規(guī)模開采條件下地下水系統(tǒng)變化及其對生態(tài)環(huán)境影響規(guī)律，深入揭示黃河流域不同自然生態(tài)環(huán)境中的煤炭開采對生態(tài)環(huán)境損傷特征與規(guī)律，并研究相應的生態(tài)修復機理和人為促進方法，構建黃河流域煤礦區(qū)環(huán)境與生態(tài)安全評價及調控模式(圖4)。

圖4 黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復的總體研究思路與內容Fig.4 General research thought and content for environmental ecological restoration in coal mine areas of the Yellow River region

3.1 重點研究內容

流域生態(tài)環(huán)境保護和煤炭開發(fā)利用是推動黃河流域經濟和社會發(fā)展的兩個重要方面，它們相互促進、相互制約，協調發(fā)展是關鍵。因此，筆者在布局該流域煤炭產能時，必須基于區(qū)域環(huán)境與生態(tài)承載力和煤炭開采損傷特征，采取科學的環(huán)境與生態(tài)修復措施，實現開采與生態(tài)修復的同步，以保障區(qū)域社會經濟和生態(tài)環(huán)境的協調發(fā)展。要以采礦工程學、開采沉陷學、地質學、水文學、土壤學、生態(tài)學環(huán)境學和地球物理勘探技術等交叉學科為基礎，針對黃河流域環(huán)境和生態(tài)修復中的關鍵問題開展多學科聯合攻關，形成不同礦區(qū)、不同類型環(huán)境生態(tài)修復模式與關鍵技術體系，當前研究重點如下:

(1)黃河流域生態(tài)脆弱區(qū)煤巖層結構及采動裂隙演化規(guī)律。

要在原有地質勘查和煤礦開采工程資源基礎上，進一步采用地質與地球物理研究方法，分析目標區(qū)煤巖層沉積巖性、結構及其巖石(體)力學特性，揭示煤巖層厚度、巖性、結構和構造以及含水層、隔水層分布規(guī)律，建立不同煤巖層結構地質模型;研究采動巖體結構及采動裂隙演化規(guī)律及其影響因素，分析采動巖體應力場、應變場和滲透系數場及滲流演化規(guī)律，揭示上覆巖體采動破壞的受控機制，為分析煤炭開采地下水系統(tǒng)變化及其對生態(tài)環(huán)境影響和制定水資源保護方法提供理論依據。

(2)煤炭規(guī)模開采地下水系統(tǒng)變化及其對生態(tài)環(huán)境影響。

要綜合分析黃河流域生態(tài)脆弱區(qū)地下水系統(tǒng)及地下水補、徑、排特征，劃分典型水文地質單元類型，系統(tǒng)研究煤炭規(guī)模開采(采前、采中和采后)各含水層(組)地下水位變化及地下水資源量的變化規(guī)律。在此基礎上，研究煤炭規(guī)模開采對地表生態(tài)環(huán)境的影響，揭示生物的生長發(fā)育及生存環(huán)境的變化規(guī)律，建立煤炭規(guī)模開采地下水系統(tǒng)變化與生態(tài)環(huán)境耦合關系，揭示煤炭開采過程中地下水系統(tǒng)變化及其對生態(tài)環(huán)境的影響規(guī)律及作用機理。

(3)煤-水協調開發(fā)的水資源保護理論與方法。

系統(tǒng)研究黃河流域中上游干旱半干旱生態(tài)脆弱礦區(qū)“三水”(地表水、地下水和大氣降水)轉化機制和典型水循環(huán)模式，掌握礦區(qū)裂隙巖體、孔隙-裂隙-采空區(qū)多流態(tài)地下水滲流規(guī)律，采用煤礦采空區(qū)存儲地下水，建立采動過程中、“四水”(降雨入滲、地表水補排、地下水、采空區(qū)儲存水)動態(tài)響應與演化模型，揭示水資源動態(tài)演變規(guī)律及規(guī)模開采對水資源演變的影響機制。研究煤礦采空區(qū)儲水與巖體地下水補排機制和水量水位調節(jié)原理,建立煤礦采空區(qū)儲水的理論與調控方法。

(4)黃河流域煤炭開發(fā)對地表變形損傷機理和沉陷規(guī)律。

分別從黃土區(qū)、風沙區(qū)、沖積平原區(qū)研究煤炭開采對地表地形(貌)的影響，重點研究黃土區(qū)、風沙區(qū)和沖積平原區(qū)的地表塌陷裂縫發(fā)育規(guī)律，構建巖層移動與地表變形時空關系模型，塌陷盆地邊緣裂縫產生的應力特征及其定量分析，邊緣裂縫帶寬度及其產生機理;研究采煤頂板覆巖移動與地表裂縫發(fā)育之間關系以及動態(tài)裂縫發(fā)育規(guī)律;揭示開采過程對地表土地質量的影響程度及損傷機理，揭示地表變形損傷機理和沉陷自我修復的能力和機制。

(5)黃河流域煤炭開發(fā)的生態(tài)修復機制與關鍵技術。

分別從黃土區(qū)、風沙區(qū)、沖積平原區(qū)研究煤炭開采對生態(tài)環(huán)境因子以及生態(tài)系統(tǒng)功能與結構的影響過程及演變規(guī)律?；邳S河流域不同區(qū)域煤炭開發(fā)的生態(tài)環(huán)境影響特征，結合區(qū)域地理環(huán)境特征及社會需求，研究流域煤礦脆弱區(qū)開發(fā)過程對水土流失、水沙運移、土壤提質、生態(tài)重構的影響程度與范圍，沖積平原煤礦區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的修復原理與方法、耕地生產力受損特征和修復方法。形成黃河流域煤礦開發(fā)的生態(tài)修復機制與關鍵技術。

(6)黃河流域煤炭開發(fā)的生態(tài)安全評價及調控模式。

基于黃河流域煤炭開發(fā)對生態(tài)環(huán)境影響及生態(tài)修復的可行性，科學評價生態(tài)環(huán)境的損毀程度、生態(tài)風險、生態(tài)承載力和生態(tài)安全性，構建黃河流域煤炭開發(fā)的生態(tài)安全評價體系，探討生態(tài)承載力約束下的煤炭開發(fā)布局和強度。揭示生態(tài)穩(wěn)定性維持機理、生態(tài)穩(wěn)定性與生態(tài)承載力評價方法、區(qū)域生態(tài)安全評價及調控作用。揭示生態(tài)穩(wěn)定性維持和生態(tài)安全協調機制;創(chuàng)建耦合生態(tài)承載力與穩(wěn)定性的區(qū)域生態(tài)安全評價及調控模式。

通過上述關鍵技術的研究與建立，要取得下面顯示性效果:

(1)通過揭示出黃河流域煤礦區(qū)覆巖結構、地下水空間、地表生態(tài)環(huán)境的時空演變規(guī)律，建立起黃河流域煤炭開采、覆巖結構、水文地質、生態(tài)環(huán)境演變的信息化系統(tǒng)和環(huán)境與生態(tài)安全評價方法，為實現黃河流域煤炭開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃奠定基礎。

(2)實現產業(yè)鏈重構與修復。從煤礦開采—覆巖結構—地下水—開采沉陷—地表生態(tài)，實現從源頭監(jiān)測到生態(tài)環(huán)境治理的全周期全產業(yè)鏈的立體重構與修復，做到源頭控制與末端治理相結合，實現黃河流域煤礦區(qū)的高質量發(fā)展。

(3)實現裝備研發(fā)與產品生產。研發(fā)出針對地下水、地表水不同監(jiān)測條件下的地球物理探測裝備與信息系統(tǒng)，研制出適合不同土質、不同氣候的生態(tài)修復產品，如微生物修復劑、有機生物修復劑等。為黃河流域環(huán)境與生態(tài)治理提供先進的裝備和產品支持，更好地滿足于區(qū)域高質量發(fā)展需要。

(4)實現科技聯合攻關。以采礦學、開采沉陷學、地質學、地球物理學、水文學、土壤學、生態(tài)學和環(huán)境學等交叉學科為基礎，多學科聯合攻關，形成滿足黃河流域不同礦區(qū)類型的水資源保護與生態(tài)修復關鍵技術體系。

要改變原先人們認為煤炭開采是環(huán)境破壞的原因的舊觀念(圖5)，充分利用煤炭開采過程對上覆巖層產生裂隙這一如同耕種過程中的松土作用動力，減緩干旱半干旱地區(qū)極易形成的次生鹽堿化現象，通過水資源的保護與綜合利用，將人工修復技術和自然界本身的自修復作用一起，使黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理從被動防治到主動治理，使煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理成為黃河流域生態(tài)環(huán)境治理的典范，并被其他行業(yè)借鑒和推廣應用。

圖5 黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復的主動修復思維模式Fig.5 Mode of initiative thinking of environmental ecological restoration in coal mine areas of the Yellow River basin

3.2 今后工作重點與發(fā)展模式

黃河流域環(huán)境與生態(tài)修復要堅持科技創(chuàng)新為基礎，并要分別依據不同區(qū)域的環(huán)境與生態(tài)現狀進行總體規(guī)劃與工程實施。

黃河流域上游青海地區(qū)，地勢高峻，生態(tài)環(huán)境脆弱，生態(tài)恢復困難。該區(qū)域本身煤炭資源量少且賦存條件較差，建議國家在保障企業(yè)轉型發(fā)展條件下，讓煤炭企業(yè)逐漸退出。并充分利用該區(qū)域水能資源豐富這一特點，重點關注水資源涵養(yǎng)與生態(tài)協調發(fā)展，生態(tài)修復要以還草為重點，并注重三江源、祁連山、甘南等地區(qū)水源涵養(yǎng)能力的恢復、提高生物多樣性。

黃河流域中上游是煤礦基地集中分布區(qū)，煤炭開采強度大，但煤炭開采對生態(tài)環(huán)境的影響與破壞作用機理還不全面掌握，因此當前需要采用先進方法對該流域的土壤、水資源和生態(tài)特征進行系統(tǒng)的本底調查，用四維地球物理探測和監(jiān)測方法對煤炭開采過程中上覆巖層和第四紀地層的破(開)裂、發(fā)育、后期閉合過程、地下水流動方向和流量進行精細描述，分析上述過程對不同植物類型的傷害程度和影響范圍，并分析它們與煤礦開采之間的關系。通過掌握煤礦開采前后礦井水徑流和匯聚特征，在合適的地方構筑地下或地面水庫，使水資源得到有效保護。在黃土高原地帶，通過土地整治，建立起大面積人工林或經濟作物基地；在風積沙地區(qū)土地治理過程中，早期以種植草本植物和灌木植物養(yǎng)地為主，在適當時候增加種植喬木和經濟作物增效。黃河流域下游地下潛水位高、厚煤層或多煤層地區(qū)，建設地面人工湖泊或濕地。

以黃河流域中上游的神東煤炭基地和陜北煤炭基地為例，兩大煤炭基地所在區(qū)域城市榆林和鄂爾多斯是我國近年來發(fā)展起來的兩個新型能源城市，由于煤炭開發(fā)使得該地區(qū)居民的生活條件得到了極大改善，因此居民生活城市化水平極高，礦區(qū)和農村原居民大幅減少，廣大礦區(qū)及相聯地帶土地資源沒有得到有效利用，土地流轉便宜和容易。由于該地區(qū)夏季氣候干燥、涼爽，有利于避暑，同時近十多年來人們對環(huán)境生態(tài)的高度重視與治理，礦區(qū)環(huán)境與生態(tài)得到極大的改善，很多地方已經從原先的沙土飛揚環(huán)境變成了綠地和叢林，野生動物也繁多起來。因此我們可以充分利用這一現狀進行資源整合，以榆林、鄂爾多斯為中心進行環(huán)境和生態(tài)連片治理，建立我國西北地區(qū)生態(tài)公園。并利用該區(qū)域距北京、西安、天津等大型城市近、交通便捷等優(yōu)勢，在生態(tài)公園建設基礎上，逐步打造成我國夏、秋季休閑城市圈。在榆林北部神木的人工湖泊濕地區(qū)，建設成生態(tài)療養(yǎng)休閑區(qū);將生態(tài)公園的主體部分，建設成國家野生動物園;向北延伸至鄂爾多斯，可將元蒙文化作為中華民族優(yōu)秀文化的一部分，進行主題設計，建立元蒙文化區(qū);榆林向南部延伸至延安黃陵一帶，建立紅色文化旅游區(qū)。引入建設現代游藝場和國際現代購物區(qū)，實現我國煤礦資源型大型城市發(fā)展過程中的華麗“轉身”(圖6)。

圖6 黃河流域鄂-陜煤炭基地生態(tài)休閑旅游功能區(qū)規(guī)劃格局Fig.6 Planning pattern of ecological leisure tourism functional area in erdos-Yulin coal basement in Yellow River

4 結 語

黃河流域煤炭基地的生態(tài)環(huán)境修復要堅持“綠水青山就是金山銀山”的理念，以水而定、量水而行，因地制宜，結合煤層賦存特點和煤層開采工藝技術，形成黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)修復關鍵技術及調控模式。充分利用煤礦開發(fā)過程中生態(tài)環(huán)境的自修復作用特征，并通過科技創(chuàng)新，將被動的煤礦區(qū)土地復墾治理方式轉換為水資源保護和生態(tài)環(huán)境修復的主動防治思路，促進我國煤礦資源型大型城市發(fā)展過程的轉型升級，實現黃河流域生態(tài)保護和煤礦資源高質量發(fā)展。