白銘波,浮耀坤,馮澤偉,石國(guó)牟,王建文,胡振琪
(1.陜西陜煤陜北礦業(yè)公司 韓家灣煤炭有限公司,陜西 榆林 719300;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所,北京 100083;3.陜西陜煤陜北礦業(yè)公司 檸條塔礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719300)
西部礦區(qū)已成為我國(guó)能源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略中心,其煤礦開(kāi)采機(jī)械化水平和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷提升,勢(shì)必?fù)p傷本已脆弱的礦區(qū)環(huán)境[1],造成土地資源損毀。對(duì)開(kāi)采損毀的土地進(jìn)行土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù),是改善西部礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要手段之一,而科學(xué)、合理的土地復(fù)墾方案是實(shí)施土地復(fù)墾的重要依據(jù)[2]。
許多學(xué)者對(duì)礦山開(kāi)采導(dǎo)致的土地?fù)p毀、環(huán)境破壞及其修復(fù)進(jìn)行了分析研究,趙艷玲、黃琴煥研究了礦山土地破壞程度分析方法,對(duì)土地破壞分析因子的選擇、破壞等級(jí)和分析單元的劃分進(jìn)行了詳細(xì)的描述[3];李偉對(duì)神府礦區(qū)進(jìn)行了采動(dòng)沉陷損害程度的分區(qū)分級(jí)界定,劃定了評(píng)價(jià)神府礦區(qū)開(kāi)采損害分級(jí)與判定條件,提出了基于陜北神府礦區(qū)地貌類型,確認(rèn)生態(tài)修復(fù)區(qū)特殊土壤環(huán)境生長(zhǎng)植物種類的土地復(fù)墾與生態(tài)重建模式[4];胡海峰、何萬(wàn)龍等對(duì)山西的土地破壞程度分級(jí)指標(biāo)進(jìn)行了研究[5]。余學(xué)義針對(duì)礦區(qū)因礦產(chǎn)資源開(kāi)采造成的受損土地,基于神東礦區(qū)近10a土地復(fù)墾監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)土地復(fù)墾影響因素等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建以礦區(qū)土地復(fù)墾效益為指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系,對(duì)神東礦區(qū)榆家梁煤礦土地復(fù)墾綜合效益進(jìn)行評(píng)價(jià),其研究表明實(shí)施土地復(fù)墾使礦區(qū)土地類型得到大幅改善[6]。由于西部生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)環(huán)境本底脆弱,目前高強(qiáng)度的煤炭開(kāi)采導(dǎo)致大量地面沉降、地質(zhì)災(zāi)害、水土流失、植被衰退等災(zāi)害,致使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境更加惡劣。本文以檸條塔煤礦為研究區(qū),基于礦區(qū)自然地理特征,整理采煤塌陷土地?fù)p毀環(huán)節(jié)與形式,確定復(fù)墾區(qū)及復(fù)墾責(zé)任范圍,劃定評(píng)價(jià)單元,采用綜合分析方法對(duì)研究區(qū)土地復(fù)墾的適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià),并得出最終評(píng)價(jià)結(jié)果和復(fù)墾方向。
檸條塔礦區(qū)位于晉陜蒙能源“金三角”區(qū)域,陜北黃土高原與毛烏素沙地東南緣接壤處。礦區(qū)地貌以風(fēng)沙灘、黃土丘陵溝壑為主,溝谷縱橫,梁峁交錯(cuò),地形破碎,溝谷陡峻,植被稀少,以考考烏素溝為界,其北為黃土丘陵溝壑,南部為風(fēng)沙灘地貌。礦井地處考考烏素溝附近,屬于風(fēng)沙地貌向黃土溝壑地貌過(guò)渡區(qū)間。檸條塔礦采用斜井開(kāi)拓,綜合機(jī)械化采煤,全部垮落式管理頂板,井下煤炭開(kāi)采造成礦區(qū)地表塌陷、壓占損毀,地質(zhì)環(huán)境、土地資源受到破壞。研究區(qū)自然地理情況分述如下:
1)地層巖性及構(gòu)造。礦區(qū)南部大部覆蓋著風(fēng)積沙及薩拉烏蘇組沙層,北部地表大部出露第四系黃土及新近系紅土,考考烏素溝兩側(cè)零星出露基巖層。區(qū)內(nèi)地層由老至新依次有三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y),侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a),新近系上新統(tǒng)保德組(N2b),第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l),第四系上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3m)和薩拉烏蘇組(Q3s),第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙(Q4eol)和沖積層(Q4al)[7]。礦區(qū)地層大致為向西傾斜的單斜層構(gòu)造,局部見(jiàn)有波狀起伏,傾角小于2°,未見(jiàn)斷層及巖漿巖,構(gòu)造簡(jiǎn)單。
2)水文地質(zhì)條件。檸條塔礦屬于黃河流域中游地區(qū)窟野河流域,廟溝、考考烏素溝及其支溝由北向南形成地表水系。井田南翼地表水系主要為考考烏素溝及其支溝肯鐵嶺河、小侯家母河溝,最南部為麻家塔溝的支溝蘆草溝。地下水主要是接受大氣降水補(bǔ)給,雖屬干旱半干旱大陸性氣候,降水集中在7月—9月,沙層降水滲入率高,成為地下水補(bǔ)給的有利因素。
3)氣候特征。檸條塔煤礦氣候特點(diǎn)為冬季寒冷,春季多風(fēng),夏季炎熱,秋季涼爽,四季冷熱多變,晝夜溫差懸殊,干旱少雨,蒸發(fā)量大,年平均降雨量在380~415mm,多集中在7、8、9三個(gè)月[8]。全年無(wú)霜期短,為11月份至次年3月份。
4)土壤特征。研究區(qū)內(nèi)出露的主要地層包括基巖、黃綿土和風(fēng)沙土。黃綿土是北翼最主要地面物質(zhì),分布面積約占63.63%以上。南翼為風(fēng)沙土,其土質(zhì)地粗,細(xì)砂粒占土壤礦質(zhì)部分重量的80%~90%以上,而粗砂粒、粉砂粒及粘粒的含量甚微。
5)植被特征。研究區(qū)植被類型按區(qū)劃分,北翼盤區(qū)為黃土丘陵地區(qū),植被以灌木為主;南翼盤區(qū)植被主要為沙生植被類型,以沙蒿、沙柳。
6)土地利用類型。研究區(qū)內(nèi)以草地和林地為主,草地面積3674.23hm2,占45.16%,林地面積3262.08hm2,占40.1%,耕地面積1082.96hm2,占13.32%,工礦用地、住宅用地、交通運(yùn)輸用地及其他用地面積116.58hm2,占1.42%,研究區(qū)內(nèi)基本農(nóng)田面積為834.6hm2。
7)賦存特征。檸條塔礦含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組,自下而上劃分為五個(gè)中級(jí)旋回巖段,分別含5個(gè)煤組。區(qū)內(nèi)延安組地層含煤層11層,可采煤層6層,其中主要可采煤層為2-2、3-1、5-2上、5-2煤層4層[7]。
西部礦區(qū)生態(tài)本底脆弱,陜北煤炭開(kāi)發(fā)基地是我國(guó)大型重點(diǎn)煤炭開(kāi)采和能源化工基地的核心區(qū)域,該地區(qū)處于黃土高原和毛烏素沙漠的過(guò)渡地帶地表植被稀少,水土流失及土地荒漠化程度嚴(yán)重。煤炭資源大規(guī)模開(kāi)采,土地?fù)p毀越發(fā)嚴(yán)重,產(chǎn)生大量的塌陷坑、地表裂縫、堆積物,特別是黃土區(qū)的崩塌、坡體滑移等,對(duì)土地資源的影響十分嚴(yán)重,因此對(duì)該地區(qū)的土地復(fù)墾具有以下特點(diǎn):
1)沉陷損毀土地具有損毀土地面積廣、損毀類型多樣性、分散性、損毀程度嚴(yán)重等特征,壓占損毀土地具有污染嚴(yán)重、分布集中、負(fù)荷大等特征[9]。沉陷區(qū)土地?fù)p毀,造成土壤質(zhì)地改變,土壤有機(jī)質(zhì)流失,加劇水土流失,含水層被破壞,影響地表植被生長(zhǎng);區(qū)域內(nèi)損毀形式和損毀程度都有所不同,造成的損毀區(qū)域較為分散,復(fù)墾成本增大;壓占區(qū)損毀土地分布集中,堆積物及工業(yè)建筑體積大,改變?cè)镜孛玻迯?fù)難度大。
2)土地復(fù)墾過(guò)程需要時(shí)間與空間耦合。在時(shí)間上,應(yīng)將礦區(qū)土地復(fù)墾工作劃分為采前規(guī)劃、復(fù)墾實(shí)施和后期監(jiān)管三個(gè)階段,提高復(fù)墾效率,減少?gòu)?fù)墾周期和資金投入;在空間上,需要井上井下協(xié)同,進(jìn)行采復(fù)一體化研究,同時(shí)考慮區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型,提高環(huán)境脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能。
采礦對(duì)土地的損毀形式存在有四種,分別是塌陷、壓占、污染和挖損,研究區(qū)域煤炭開(kāi)采對(duì)土地的破壞主要有采空區(qū)塌陷破壞土地、煤矸石和表土場(chǎng)壓占土地以及部分取土場(chǎng)、道路挖損土地。
1)沉陷。地下煤層采出后,圍巖應(yīng)力被打破,覆巖垮落形成的采空區(qū),導(dǎo)致上覆巖層垮落、產(chǎn)生裂隙和巖層移動(dòng),形成地表移動(dòng)盆地。出現(xiàn)臺(tái)階、裂縫和塌陷坑等不連續(xù)變形。
2)排矸場(chǎng)、表土場(chǎng)壓占。煤矸石對(duì)矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)土地壓占以及表土的堆放,使得原有的表土層將變?yōu)樯钔翆?,原地表植被將不?fù)存在,排矸形成的自然表面將無(wú)植被覆蓋,容易導(dǎo)致?lián)P塵和水土流失,惡化當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境。
3)取土場(chǎng)、道路挖損。取土場(chǎng)與道路挖損對(duì)土地的損毀在于改變了原有的土壤理化性質(zhì),破壞了原有的地表植被,改變了原始地形地貌,易導(dǎo)致水土流失并產(chǎn)生揚(yáng)塵,原有的表土層失去,復(fù)墾時(shí)將對(duì)土地進(jìn)行翻耕和土壤改良。
井工開(kāi)采是造成地面塌陷的主要環(huán)節(jié),排矸場(chǎng)、表土堆放以及道路臨時(shí)占地是造成壓占損毀的主要環(huán)節(jié)?;ㄆ趽p毀土地主要是排矸場(chǎng)、表土場(chǎng)、排矸道路和進(jìn)礦道路引起的壓占土地?fù)p毀,生產(chǎn)期沉陷和裂縫的損毀時(shí)序是伴隨各盤區(qū)和各煤層的開(kāi)采時(shí)序安排而發(fā)生。土地?fù)p毀時(shí)序如圖1所示。
圖1 研究區(qū)土地?fù)p毀時(shí)序
研究區(qū)內(nèi)每種破壞形式對(duì)土地的損毀程度都存在差異,采取基于實(shí)際情況的因地制宜的復(fù)墾措施,需要對(duì)土地破壞程度進(jìn)行評(píng)價(jià),綜合考慮多年降雨量、松散層厚度分布、礦區(qū)塌陷面積、每單元格礦山分布密度、裂縫寬度、深厚比、采動(dòng)次數(shù)、采煤方法與水資源破壞程度等評(píng)價(jià)因素,將評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為輕度、中度、重度3個(gè)等級(jí)[10,11]。輕度損害:土地破壞輕微,基本不影響土地功能;中度損害:土地破壞比較嚴(yán)重,影響土地功能;重度損害:土地嚴(yán)重破壞,喪失原有功能。
土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)是依據(jù)相關(guān)土地利用規(guī)劃,區(qū)域自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ),調(diào)查分析原土地利用類型、土地?fù)p毀情況、公眾參與意見(jiàn)及周邊項(xiàng)目復(fù)墾案例,在經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)合理的條件下,確定擬復(fù)墾土地的最佳利用方向[12]。
1)復(fù)墾區(qū)面積。分析土地?fù)p毀狀況,結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀和實(shí)際需求,復(fù)墾區(qū)面積為永久性建設(shè)用地和損毀土地面積之和[13],即復(fù)墾區(qū)面積=永久性建設(shè)用地面積+損毀土地面積=8135.85hm2。研究區(qū)永久性建設(shè)用地面積為67.83hm2;土地?fù)p毀總面積8068.02hm2,已損毀土地面積為1332.83hm2,擬損毀土地面積為6735.19hm2。
2)復(fù)墾責(zé)任范圍面積。復(fù)墾責(zé)任范圍是指復(fù)墾區(qū)中已損毀和擬損毀的土地及土地復(fù)墾方案設(shè)計(jì)的生產(chǎn)年限結(jié)束后不再繼續(xù)使用的永久性建設(shè)用地共同構(gòu)成的區(qū)域。復(fù)墾責(zé)任范圍總面積為8068.02hm2,包括開(kāi)采沉陷損毀土地8052.57hm2和臨時(shí)壓占用地15.45hm2。
圖2 復(fù)墾區(qū)和復(fù)墾責(zé)任范圍各用地單元土地面積關(guān)系
1)評(píng)價(jià)范圍。評(píng)價(jià)范圍主要是開(kāi)采所導(dǎo)致的沉陷區(qū)的沉陷地、裂縫地和排矸場(chǎng),表土場(chǎng)、道路臨時(shí)用地區(qū),其中沉陷土地在風(fēng)沙區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)都有分布,排矸場(chǎng)、表土臨時(shí)堆放場(chǎng)和道路臨時(shí)用地位于南部風(fēng)沙區(qū)。
2)評(píng)價(jià)單元的劃分。評(píng)價(jià)單元是進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)的基本工作單位,同一評(píng)價(jià)單元內(nèi)土地的基本屬性、土地特征、土地復(fù)墾利用方向和改良途徑應(yīng)基本一致,同時(shí)評(píng)價(jià)單元之間具有一定差異性,能客觀反映出土地在一定時(shí)期和空間上的差異[13,14]。
研究區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)對(duì)象包括擬損毀土地,其評(píng)價(jià)單元應(yīng)具有一定特征,便于對(duì)未來(lái)土地狀況的評(píng)價(jià)分析。首先,礦區(qū)原土地利用類型是長(zhǎng)期在自然條件下所形成的,具有一定的適應(yīng)性,因此土地利用現(xiàn)狀應(yīng)作為評(píng)價(jià)的重要依據(jù);其次,煤礦開(kāi)采對(duì)土地原始地貌造成損毀,土壤狀況和類型等都將受到影響。因此,應(yīng)充分考慮煤炭開(kāi)采對(duì)土地造成的影響;最后,人為的土地復(fù)墾措施在一定條件下能夠改善并幫助礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重建,所以,人為復(fù)墾措施也是重要的考慮因素,檸條塔煤礦土地復(fù)墾適宜性典型評(píng)價(jià)單元類型劃分詳見(jiàn)表1。
表1 土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)單元類型劃分表
1)沉陷區(qū)土地適宜性評(píng)價(jià)。礦區(qū)內(nèi)沉陷地和裂縫地采用指數(shù)法進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)。設(shè)每一評(píng)價(jià)單元有n個(gè)單因子加權(quán)評(píng)價(jià)指數(shù),則加權(quán)指數(shù)和可表示為:
式中,Rj表示第j個(gè)評(píng)價(jià)單元最后所得到的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù);αi表示該評(píng)價(jià)單元在第i個(gè)評(píng)價(jià)因素中所得到的分值;bi表示第i個(gè)評(píng)價(jià)因素所占的權(quán)重。
根據(jù)以上分析,綜合考慮研究區(qū)的主要評(píng)價(jià)因子,可得土地主要限制因素的農(nóng)、林、牧等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及其指標(biāo)權(quán)重。分別對(duì)宜耕、宜林和宜草的土地進(jìn)行評(píng)價(jià),得到檸條塔煤礦在剩余年限15.25a沉陷區(qū)土地適宜性評(píng)價(jià)表,詳見(jiàn)表2。評(píng)價(jià)等級(jí)分值在12~54之間,為了更好地表明分類,把分值乘上修正系數(shù)1.8,讓分值分布在37.8~98之間,土地適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)分值及評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。
表2 沉陷地、裂縫地評(píng)價(jià)體系表
表3 評(píng)價(jià)等級(jí)分值及評(píng)價(jià)結(jié)果表
檸條塔礦區(qū)沉陷土地復(fù)墾為三種類型,分別為宜耕、宜林和宜草?;谕辉u(píng)價(jià)單元,宜耕評(píng)價(jià)得分高于宜林、宜草。陜北地區(qū)自然環(huán)境、氣候因素對(duì)草、樹(shù)木和農(nóng)作物生境條件影響的差異性,從而導(dǎo)致得分不同原因[15-17]。耕地屬于人工生態(tài)系統(tǒng),受人為因素影響極強(qiáng),更有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)與加強(qiáng)抗災(zāi)能力[18]。耕地主要分布在北翼盤區(qū),少量分布在南翼盤區(qū)。北翼盤區(qū)為黃土溝壑區(qū),耕地分布比較零散,以小塊面積分布居多,南翼盤區(qū)為風(fēng)沙區(qū),耕地?cái)?shù)量分布有限,并且大面積集中分布。林地大多數(shù)分布在耕地附近,在河流溝谷處較多,南翼盤區(qū)的西南角是林地主要分布的地區(qū),并與井田界線以外的天然林形成大面積的林地。
2)排矸場(chǎng)土地適宜性評(píng)價(jià)。排矸場(chǎng)土地適宜性評(píng)價(jià)采用簡(jiǎn)易評(píng)價(jià)法,檸條塔礦井生產(chǎn)所產(chǎn)生矸石量很少,大部分矸石已經(jīng)作科學(xué)的綜合處理,所以排矸場(chǎng)的規(guī)模有限;矸石的灰分、粒徑和水解能力具有自身的特點(diǎn),加上堆存方式及相應(yīng)的防護(hù)措施,大大降低了矸石自燃的可能性。但是矸石本身對(duì)作物等的生長(zhǎng)具有較大的限制作用,同時(shí)考慮恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的因素,排矸場(chǎng)復(fù)墾一般考慮宜林和宜草地,評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 礦區(qū)矸石場(chǎng)土地適宜性評(píng)價(jià)
3)表土場(chǎng)土地適宜性評(píng)價(jià)。表土場(chǎng)土地適宜性評(píng)價(jià)采用簡(jiǎn)易評(píng)價(jià)法。表土臨時(shí)堆放場(chǎng)設(shè)計(jì)于工業(yè)廣場(chǎng)和排矸場(chǎng)的中間,方便表土剝離和運(yùn)送。根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況,表土臨時(shí)堆放場(chǎng)利用結(jié)束后,將其復(fù)墾成草地,面積為2.93hm2。
綜合考慮復(fù)墾區(qū)自然條件、經(jīng)濟(jì)因素與工程施工難易程度,結(jié)合各適宜性評(píng)價(jià)單元復(fù)墾為原地類的可行性分析結(jié)果,最終確定各評(píng)價(jià)單元復(fù)墾方向,基于便于工程設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)督管理,在確定各損毀單元復(fù)墾方向的基礎(chǔ)上,對(duì)復(fù)墾方向相同、主要復(fù)墾工程和技術(shù)措施一致的損毀單元進(jìn)行歸并,確定損毀土地的復(fù)墾單元。各評(píng)價(jià)單元的最終復(fù)墾方向及復(fù)墾措施詳見(jiàn)表5。
表5 土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)最終結(jié)果及復(fù)墾措施表
1)在分析檸條塔礦區(qū)自然地理特征、水文氣候、植被、土地利用類型的基礎(chǔ)上,研究該區(qū)域土地復(fù)墾特征。研究表明該區(qū)域沉陷損毀土地面積廣、損毀類型多樣性、損毀程度嚴(yán)重等特征,壓占損毀土地分布集中、負(fù)荷大等特征。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行土地復(fù)墾需要階段性、一體化研究,并考慮其空間特征。
2)通過(guò)分析礦區(qū)土地?fù)p毀環(huán)節(jié)與形式,表明塌陷和壓占是陜北煤礦開(kāi)采造成土地?fù)p毀的主要方式,井工開(kāi)采是造成地面塌陷的主要環(huán)節(jié),排矸場(chǎng)、表土堆放以及道路臨時(shí)占地是造成壓占損毀的主要環(huán)節(jié)。
3)通過(guò)綜合分析法劃分土地評(píng)價(jià)單元,對(duì)研究區(qū)土地復(fù)墾適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果表明:研究區(qū)土地復(fù)墾責(zé)任范圍總面積為8068.02hm2,包括開(kāi)采沉陷損毀土地和臨時(shí)壓占用地區(qū)域;對(duì)排矸場(chǎng)、表土場(chǎng)采用簡(jiǎn)易評(píng)價(jià)法,對(duì)礦區(qū)內(nèi)沉陷地和裂縫地采用指數(shù)法進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià),綜合考慮研究區(qū)的主要評(píng)價(jià)因子,得到土地主要限制因素的農(nóng)、林、牧等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)權(quán)重與分值,得出檸條塔煤礦在剩余年限15.25a沉陷區(qū)土地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果;綜合國(guó)家政策和區(qū)域地方規(guī)劃、區(qū)域自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)因素、土地權(quán)利人意愿以及工程施工難易程度分析,并考慮復(fù)墾區(qū)各評(píng)價(jià)單元原地類,因地制宜,宜林則林、宜耕則耕、宜草則草,給出各評(píng)價(jià)單元的最終復(fù)墾方向,并提出各復(fù)墾單元適宜的復(fù)墾措施,主要包括土壤重構(gòu)、植被重建、監(jiān)測(cè)與管護(hù)等。