楊 創(chuàng)， 王 佟， 李聰聰， 趙 欣

(1. 中國煤炭地質總局航測遙感局，西安 710199； 2.中國煤炭地質總局，北京 100038；3.中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

隨著新時代生態(tài)文明思想的提出，我國將生態(tài)文明建設上升到了國家戰(zhàn)略高度。在生態(tài)文明、美麗中國建設和綠色發(fā)展的理念下，礦山生態(tài)環(huán)境保護成為生態(tài)文明建設的重要內容。我國的資源稟賦特征決定了煤炭在相當長的一段時期內仍占據(jù)主要地位[1]。煤炭資源開發(fā)易造成的一系列生態(tài)環(huán)境地質問題，如何統(tǒng)籌保障國家能源供給和礦山生態(tài)環(huán)境的保護是綠水青山建設中面臨的主要挑戰(zhàn)。礦山生態(tài)環(huán)境修復治理是解決礦山地質環(huán)境問題的主要途徑[2]。

2021年10月發(fā)布的《黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展規(guī)劃綱要》，要求強化水資源剛性約束，牢固樹立量水而行、節(jié)水優(yōu)先的底線思維，對黃河上游要有效增強水源涵養(yǎng)功能，故在黃河流域礦山生態(tài)修復治理中水資源的修復和保護是重要內容。礦山生態(tài)環(huán)境的修復要遵循“山水林田湖草”生命共同體理念[3]，因地制宜，在修復中最大程度的保護水資源。

青海木里礦區(qū)生態(tài)位置極為重要，修復治理中面臨的綜合問題較多，前人對木里礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復方面的研究，主要是生態(tài)地質背景[4-6]、土壤重建[7-10]和種草復綠[11]等，對露天采礦造成的水系破壞修復研究較少，因此，有必要從水資源修復的角度，探討礦區(qū)整體生態(tài)環(huán)境的修復。

1 背景條件

木里礦區(qū)地處青藏高原東北部，黃河上游重要支流大通河源頭(圖1)。既是青海湖和祁連山水源涵養(yǎng)地，又是我國西部生態(tài)安全屏障的重要組成部分，生態(tài)地位極其重要。多年凍土連續(xù)分布，為典型的高原高寒缺氧地區(qū)，自然條件非常嚴酷，是高寒濕地分布區(qū)，以高寒沼澤類和高寒草甸為主，主要生長小嵩草和大黃等草本植物，草甸覆蓋率超過50%，高原生態(tài)環(huán)境脆弱，很容易被破壞，且不容易恢復。經多年的露天開采，出現(xiàn)天然草甸損毀、水系濕地與凍土層破壞和邊坡不穩(wěn)定等一系列問題[12-13]，從水文地質環(huán)境地質工程地質角度出發(fā)，可劃分為生態(tài)景觀破壞、采坑及渣山邊坡穩(wěn)定性問題、采坑積水三類[14]。對礦區(qū)原生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的擾動和破壞，影響了區(qū)域生態(tài)安全屏障、水源涵養(yǎng)能力和土壤保持及生物多樣性保護功能。

圖1 木里礦區(qū)在黃河流域中的位置Figure 1 Muri coalfield position in Yellow River catchment

黃河流域礦山生態(tài)修復中要“依水而定、量水而行”[15]。針對木里礦區(qū)存在的礦山生態(tài)問題和生態(tài)功能的分析，在礦區(qū)生態(tài)修復治理中需要重點對水系破壞進行專項修復治理，以便恢復礦區(qū)的水源涵養(yǎng)功能，以人工修復推進自然修復的進程，最終實現(xiàn)人工修復與自然的有機融合，進一步恢復黃河上游“中央水塔”的水源涵養(yǎng)能力。

1.1 水文地質特征

木里礦區(qū)位于青藏高原高寒地區(qū)，海拔普遍在4 000m以上，氣候異常多變，地表水資源豐富，而地下水資源相對貧乏。區(qū)內發(fā)育多年凍土層，由于多年凍土層的存在，地下水和地表水之間的水力聯(lián)系較微弱，只能通過融區(qū)進行局部補給和排泄。

1.1.1 地表水

區(qū)內地表水系較發(fā)育，主干水系大通河發(fā)源于海西州木里祁連山脈東段托來南山和大通山之間的沙杲林那穆吉木嶺。經過木里鎮(zhèn)匯入大通河。區(qū)內大通河支流水流量較小，河水清澈，次級水系多為季節(jié)性流水。河水流量隨著氣候的變化變幅較大，夏季季節(jié)性凍土融化，在山坡陽面形成泉流，以下降泉形式溢出，為季節(jié)性河流及地表湖泊補充水量，泉流量為 0.1～2.17L/s，水化學類型多為 HCO3+SO4-Na+Mg與 HCO3+Cl-Na+Mg。聚乎更區(qū)主要有上、下哆嗦河等支流。江倉區(qū)主要有江倉曲等支流。

地表湖泊發(fā)育，小湖泊較多，面積超過 1km2的湖泊只有措喀莫日湖。湖泊大多為降水、凍土層上水匯集所成。此外，區(qū)內有許多小型熱融湖塘，大多為凍土融凍形成，面積不大，在冬天大部分會完全凍結。

1.1.2 地下水

根據(jù)以往煤田地質勘查資料，地下水系統(tǒng)按照賦存空間各異、含水介質不同、多年凍土(巖)的分布范圍可分為凍結層上水，凍結層下水。

凍土層上水劃分為第四系凍結層上水、基巖凍土層上水、湖泊融區(qū)水三個類型；凍結層上水主要補給來源為大氣降水，以泉及地表蒸發(fā)的方式排泄，局部以地下徑流的形式向地形低洼的方向徑流。凍結層上水水量與季節(jié)變化有明顯的聯(lián)系，春、冬季除融區(qū)水，其它形式的凍結層上水基本消失，夏、秋季有明顯排泄。凍土層上水同時也受到氣候因素的影響，主要為地表水、大氣降水以及冰雪融水補給，豐水年含水量增大，枯水年含水量降低。

凍結層下水劃分為紅層承壓水，侏羅系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水，二疊系、三疊系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水和碳酸鹽巖裂隙水四種類型。凍土下層水是地表水體、大氣降水、冰雪融水通過湖泊融區(qū)、構造斷裂帶補給，同時又通過融區(qū)、斷裂帶形成上升泉排泄和蒸發(fā)。

1.2 采坑積水

1.2.1 分布

煤礦露天開采形成采坑，地表水直排或通過下滲潛流、地下含水層被揭露，不同水源的水匯聚到采坑，在部分采坑內形成積水。

木里礦區(qū)聚乎更區(qū)采坑總積水面積130.08萬m2，總積水量1 476.51萬m3。除聚乎更九號井采坑基本無水外，其余大部分采坑有積水(表1)。

表1 木里礦區(qū)聚乎更區(qū)采坑積水情況

采坑積水補給來源主要為大氣降水和草甸濕地水，積水受季節(jié)性影響明顯，一般夏季富水，冬季少水或無水。

1.2.2 形成規(guī)律分析

區(qū)內采坑破壞了凍結層隔水層，使得地表水、凍結層上水和凍結層下水產生了水力聯(lián)系。采坑積水水源直接因素為大氣降水補給，間接因素為礦區(qū)地表水、凍結層上水、構造裂隙水及河流融區(qū)水補給。因各井田所處位置有差異，不同水源的補給貢獻占比有所差異。

從采坑與地表水系的空間關系可以看出，聚乎更區(qū)積水量最大的兩個采坑是四號和八號井采坑均是哆嗦河穿越的位置，而無積水的聚乎更九號井采坑所處位置高，處于上哆嗦河源頭的分水嶺部位、哆嗦貢瑪采坑地勢最高且位于分水嶺處；說明采坑積水大小和采坑與地表河流相對位置關系密切相關。凡處于河流處的采坑積水量就越大，遠離地表水系，或處于地勢相對高的分水嶺位置，采坑積水量就小，甚至無水。

聚乎更四號和八號井采坑跨越哆嗦河，為減少采坑積水，滿足開采技術條件，前期開采過程中人為對天然河道進行了改造。八號井在河流上游方向實施了攔壩+河流改道。說明雖然采坑截擋了地表水，但地下潛水(凍結層上水)仍會在融雪季和雨季源源不斷地側向補給采坑積水。聚乎更四號井采坑位于上哆嗦河下游方向，八號井采坑位于上哆嗦河上游方向，上哆嗦河由上游向下游流量逐漸增大，聚乎更四號采坑積水量大于八號采坑積水量，進一步說明采坑積水與地表水關系密切。

1.2.3 水質監(jiān)測

依據(jù)2020年9月青海省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心發(fā)布的《木里礦區(qū)環(huán)境質量現(xiàn)狀監(jiān)測報告(2020年)》，地表水監(jiān)測項目包括《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)表1中22項(除大腸桿菌和總氮)和表2中鐵、錳共計24項。經對措喀莫日湖和措喀莫日湖下游斷面、上哆嗦河、下哆嗦河等8個監(jiān)測點進行水質監(jiān)測，該區(qū)地表水水質均達到III類標準，水質良好。對聚乎更區(qū)各采坑積水水質進行監(jiān)測，除聚乎更三號采坑、五號采坑水中錳高于《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)集中式生活飲用水地表水源地補充項目限值1.1和1.7倍之外，其余監(jiān)測項目均達到II類或以上標準。綜合水質監(jiān)測結果，聚乎更區(qū)各采坑積水水質均達到II類或以上標準，滿足水系連通的水質基本條件。

2 水系連通技術

木里礦區(qū)聚乎更區(qū)水系連通的治理模式分兩種情況：一種是采坑積水已經成規(guī)模，但積水坑雜亂無序分布，邊坡滑塌現(xiàn)象嚴重，雨季時積水通過低洼處漫溢，經常淹沒周邊原有的草甸等，針對這種類型的積水采坑，可采用積水采坑保留形成高原湖泊的治理方法；另一種情況是形成的采坑已經規(guī)模很大，采用渣土回填工程量很大，而且很難徹底治理。此類采坑坑底面積巨大，采礦局部揭露導水斷裂使地下水沿斷裂帶上溢出，形成人工泉眼，地下水和大氣降水共同作用使坑內不斷形成積水，一方面造成采坑邊坡不穩(wěn)定，另一方面積水對坑底的復綠造成破壞或淹沒，采用“引水代填”能夠有效解決此類采坑的修復治理與景觀協(xié)調問題。

2.1 積水采坑保留高原湖泊

木里礦區(qū)聚乎更區(qū)除個別采坑(聚乎更九號井、哆嗦貢瑪井田采坑)基本無水外，其余大部分采坑有積水。積水量較大的是四號井和八號井，積水量較小的是三號井和五號井。若采用采坑全部回填的方法進行治理，工程量與費用投入是巨大的，不符合木里當?shù)氐V山環(huán)境修復治理的實際情況。在修復治理中充分考慮施工效率、經濟性和與自然景觀的融合，以最小的工程投入達到最佳的修復治理效果為原則，對積水量較大的聚乎更三號井、四號井、七號井、八號井都因地制宜， “宜湖則湖”，將采坑治理整形保留高原湖泊的治理方案。

采坑改造形成的高原湖泊可與周邊沼澤、濕地、河流及天然湖泊等水源涵養(yǎng)系統(tǒng)融合，調節(jié)并輔助區(qū)域水源涵養(yǎng)能力的提升，有助于木里地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境的恢復。積水采坑改造的主要技術方法：首先對采坑邊坡削坡整形，清除崩塌浮石等災害，并對采坑周邊形成的超高渣山進行降高減載，消除裂縫、滑塌等災害，為便于下一步覆土復綠，將渣山邊坡坡度控制在25°以下；其次對歷史水文地質環(huán)境進行分析，經水質檢測合格、生態(tài)徑流保障等滿足的前提下，采用人工措施將周邊的河流與采坑湖泊連通，對照地表破壞之前的水系條件恢復，形成天然河流、湖泊與采坑湖泊的融合，后期做好常態(tài)化的水文地質觀測(圖2)。

圖2 聚乎更區(qū)各采坑水系連通示意Figure 2 Schematic diagram of hydrographic net connection in Juhugeng pits

2.2 引水代填

對于形成的采坑容積大但積水范圍與深度小的采坑，如聚乎更三號井，采用引水代填的方法：枯水期，保障生態(tài)徑流；豐水期，通過人工引水措施，將采坑周邊地表河水引入采坑形成湖泊，坑底積水灌注到控制的標高之后與地表水系連通。

聚乎更三號井自2003年至2020年進行露天采煤，形成了一個采坑，兩座渣山。在三號井坑底局部有少量積水，主要有兩個積水坑，一個位于采坑中部南幫邊坡坡腳，一個位于采坑東部坡腳?？拥字胁繗埩?2萬m2的煤層已露出地表。據(jù)2014—2017年7—10月份采坑排水量統(tǒng)計顯示，每年排水量在100萬m3左右，故推測該采坑積水主要來自地表水。

綜合對聚乎更三號井采坑特征、坑底暴露的煤炭資源、積水來源及周邊水系條件的分析，采取引水代填的技術方案，坑底注水形成采坑湖泊，在減少工程投入的同時，保護了坑底煤炭資源。主要措施：采坑整治完成后，南北渣山邊坡與采坑邊坡形成“U”形斷面，坑底基本保持原有坡度，從采坑東側開挖渣山埋設主水管道，從下哆嗦河引水注入采坑，積水現(xiàn)在東段坑底最低處匯集，東段采坑低洼處注滿水后，以溢流方式向西段采坑流入，隨著水位逐漸抬升，最終形成湖水面高程3 975m，面積為153.1萬m2的高原湖泊，總注水總量2 728萬m3，在保障下哆嗦河正常生態(tài)徑流的前提下，年實際注水量約為360萬m3，預計8a可注滿水(圖3)。

圖3 聚乎更三號井引水代填示意Figure 3 Schematic diagram of water diversion filling in Juhugeng pit No.3

2.3 采坑周邊水系連通

由于采礦的人為擾動，采坑周邊河濱地帶的濕地萎縮植被出現(xiàn)退化。道路左側的植被正常生長，而由于道路的修建，右側濕地出現(xiàn)萎縮，植被出現(xiàn)退化。究其原因， 木里礦區(qū)土壤類型主要以高山草甸土、沼澤草甸土為主，土壤母質為第四系沖積、 洪積物，砂礫質和砂壤質為土壤主要質地。土壤層厚度隨地形坡度的變化明顯，在平緩區(qū)厚度變大，在邊坡區(qū)厚度變小，厚度0～50cm，平均厚25cm，自上而下大致分為腐殖層和母質層。腐殖層為草甸生長層，厚度5～10cm，富含有機質，粉質黏土，呈灰黑色粉末狀，級配較好，土質中等緊密，幾乎不含礫石，草的長度一般不超過4cm，主根長2～3cm，側根發(fā)達，可延伸至10cm深度，植物根系繁多交織生長。因此，土壤腐殖層厚度非常薄，道路修建之后破壞了上部的腐殖層，從微觀上來看，阻隔了土壤內部水系的連通性，進而影響了微觀尺度上濕地的內在連通性，出現(xiàn)了濕地萎縮植被退化的現(xiàn)象。

針對采坑周邊的水系治理采用的技術措施是：因地制宜，采用少量的工程措施對簡易道路實施修復，同時在道路下方埋設螺紋管使道路兩側濕地與河流、湖泊重新連通，以人工連通措施為基礎， 結合復綠土壤結構恢復與植被根系的毛細涵養(yǎng)功能，逐步恢復因道路阻隔而受損的沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)(圖4)。

圖4 采坑周邊水系連通示意Figure 4 Schematic diagram of hydrographic net connection in pit peripheries

3 治理效果

木里礦區(qū)修復治理中充分將“水”作為重要要素進行修復，采取依坡就勢造就高原湖泊，引入上哆嗦河地表水自流進入聚乎更八號井采坑湖泊，出湖泊后匯入上哆嗦河，沿途接納支流后，通過人工河道，引流進入四號井形成湖泊，出四號井湖泊后流入上哆嗦河。最終形成宏觀尺度自西向東的水系自然連通。

經過綜合整治，聚乎更三號井引水代填形成高原湖泊，四號井保留高原湖泊，五號井形成溝谷梯田景觀，八號井形成高原湖泊并與上哆嗦河自然連通，七號井西部形成串珠狀湖泊并與措喀莫日湖自然連通，九號井和哆嗦貢瑪依山就勢，與周邊景觀有機融合，總體形成單井有特色，整體交相輝映，河湖交錯，濕地發(fā)育一體的高原景觀，實現(xiàn)了資源保護與生態(tài)環(huán)境治理的統(tǒng)籌協(xié)調，逐步恢復木里地區(qū)水源涵養(yǎng)和生態(tài)系統(tǒng)功能(圖5)。

圖5 整體水系連通治理效果示意Figure 5 Schematic diagram of integrated hydrographicnet connection governance effect

4 結論

1)木里礦區(qū)煤礦露天開采形成的采坑，破壞了凍結層隔水層，使得地表水、凍結層上水和凍結層下水產生了水力聯(lián)系，不同水源的水匯聚到采坑，在部分采坑內形成積水。

2)木里礦區(qū)各個采坑積水量的大小與原始地表水系的空間關系密切，處于上、下哆嗦河天然河道流經位置的聚乎更四號和八號井積水量最大，其余采坑積水量相對較小。

3)木里礦區(qū)生態(tài)修復治理中， 在水文地質條件分析和水質檢測的基礎上，因地制宜，模擬自然地表水系狀態(tài)，河湖一體化修復，對采坑積水的治理采取了積水整治形成高原湖泊和引水代填的兩種水系連通修復治理技術，經濟高效，取得了良好的修復治理效果。