高潜水位采煤沉陷区水资源梯级调控及水质生态净化方法

摘要

一种高潜水位采煤沉陷区水资源梯级调控及水质生态净化方法，属于采煤沉陷区水质生态净化方法。该水资源梯级调控及水质生态净化方法，高潜水位矿区开采后，由于地表沉陷、潜水位高，导致地表大量积水，水资源利用效率低且水质较差，根据已有的分析测试矿区水体水质一般存在重金属、硫化物污染和水体富营养化等问题。本发明主要是解决矿区沉陷积水的水量分配和水质的生态净化等问题，地表水资源的调控主要是通过矿区分布的骨干沟河建立节制，由于矿区沉陷后地表高程差异比较大，在骨干沟河上建立N级控制和N+1级水面，根据水体水质的测试分析结果，对应立体布局水生植物和动物，净化水体中的污染物和富营养化物质，实现高潜水位矿区积水水资源的水质净化的目标。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采煤沉陷区水质生态净化方法，特别是一种高潜水位采煤沉陷区水资 源梯级调控及水质生态净化方法。

背景技术

①采煤沉陷区水系紊乱和水资源空间分布的扰动：高潜水位矿区沉陷积水破坏了区域 内水系平衡，地表沉陷造成潜水位接近或达到地表时，耕作层土壤含水量接近或达到饱和， 致使土壤中缺乏空气，造成旱地农作物的逐渐死亡。由于地表沉陷区地势相对较低，雨季 降水将汇集沉陷区，造成原有的排水系统失效，农田受淹，甚至形成沼泽地。平原高潜水 位采煤塌陷土地地表及其设施破坏严重，原水系被打乱，导致塌陷土地地下水位偏高、长 期內涝、客水倒灌等，抵御自然灾害的能力严重不足。由于采煤区塌陷幅度不均匀，按照 挖深垫浅或粉煤灰回填进行土地复垦后，塌陷土地地势高程仍然存在较大差异，汛期区内 涝水越级串排，低洼地带的积涝压力很大；另外因为水系混乱和缺乏必要的工程措施，采 煤塌陷区丰富的水资源难以得到控制和科学配置。据统计，每万吨煤的开采地表塌陷 0.2hm²，采煤土地塌陷使矿区原有的陆生生态系统演替为水陆复合型生态系统，区域土地 资源的自然地形地貌、水热循环、物质能量交换等条件受到了影响和破坏。

采煤塌陷区地表沉降使桥涵断裂、房屋倒塌、道路塌陷等，原来的灌排体系几近报 废，区内径流自排无出路，涝水长期积压低洼区，塌陷土地周围土地径流会因串排而加重 洼地的防洪除涝压力。特别是在主汛期，因降水集中内导致农田受淹、受涝，外河水位相 对提高，存在外河水倒灌塌陷区内的威胁，洼地的防洪除涝形势严峻。地表塌陷使灌溉渠 道遭破坏，区内耕地有水难用，洼地常年积水一方面给区域造成了涝灾和渍害；另一方面 也没有为区内农业灌溉发挥水资源优势。

②采煤沉陷区地表水和浅层地下水的水质裂变：采煤排放的煤矸石量一般占原煤总 量的15％-20％左右，堆放矸石由于风化产生酸性物质，汛期集中降水期间被雨水淋溶，造 成水体和周围土壤的酸性污染和重金属污染；再加上矿井水和当地的生活污水无节制排 放，因雨污混流渗入土壤还会间接对浅层水造成二次污染。同时，于煤矸石和粉煤灰含有 大量的S及其他污染物，地表沉陷区积水由于受矿井水排放、矸石淋溶等的污染，形成地 下水和地表水污染物，水质较差，最终影响矿区的水体。采煤塌陷地水资源总量偏丰，为 塌陷区域的水资源开发和规划利用提供了良好的基础，如缺乏对地表水的控制，极易使采 煤塌陷区域向水质型缺水转变，引发水生态环境劣变，加大治理难度。

发明内容

本发明的目的是要提供一种高潜水位采煤沉陷区水资源梯级调控及水质生态净化方 法，解决高潜水位采煤沉陷区水系紊乱、水资源分布扰动和地表水质劣变的问题。

本发明的目的是这样实现的：该水资源梯级调控及水质生态净化方法，具体步骤包括 以下内容：

1)高潜水位采煤沉陷区地表水的分布相对集中，对于骨干沟河地表水的分布需要建 立节制分级控制、水资源梯级调控，形成一定级差的水资源空间分布，建立灌、排、控、 调综合为一体的人工水循环体系；

2)形成一定级差控制的河道属于相对静止的水体，在骨干河道形成梯级调控的基础 上，立体布局沉水植物、挺水植物和浮水植物，植被的生长周期内通过自然的物质交换， 吸附梯级控制河道中的污染物质，构建人工湿地空间体系，整个过程不采用任何试剂和化 学物质；

3)高潜水位采煤沉陷区还存在大量的积水水面，属于先谷底固定和静止的水体，根 据矿区积水区域的污染特征，构建积水区人工湿地生态体系，采用生态防护带、生态浮床 措施；水体净化方面构建立体布局生态陷阱、水下森林，利用纯生态技术解决水体的污染 和富营养化问题，不用试剂和化学物质，对水体不会造成二次污染。

水资源梯级调控中的级差数值的确定符合当地的水文、地势、地貌条件，使人工水循 环的建立满足水资源的利用和控制要求。

所述的建立人工水循环的相对性，利用水生态植被的方式净化水体，不用任何化学试 剂，其布局方式属于空间立体布局，其植物的种类包括挺水植物、浮水植物和沉水植物， 根据水质的净化要求，水体净化的周期一般为8个月至12个月。

所述的水生态植被的布局方式，包括生态浮床和生态陷阱的布局等生态工程布局，在 静止的大水面通过生态浮床、生态陷阱等相互配合实现水体净化，包括空间布局中其生物 种类、数量、位置与水体量和污染物比例等之间的相对协调性，在一个生物周期能可以实 现水体净化的明显效果。

具体的包括：水资源梯级调控方法、人工湿地的空间体系构建方法和构建积水区人工 湿地生态体系方法；

一、所述的水资源梯级调控方法：

高潜水位采煤沉陷矿区土地塌陷深度各异，地势高低的悬殊极易造成低洼地积水超量 致涝和地势高亢干旱并存。所以骨干排水沟宜结合复垦后的农田灌溉用水发挥蓄水作用， 按照1m—2m一个级差建立拦蓄分水节制闸，将骨干排水沟按地势从高到低进行梯级控 制，一般年份降水产流由节制闸拦蓄作为灌溉水源，降水径流超量时则提闸逐级泄洪，形 成塌陷区骨干沟洫拦、蓄、灌、排为一体综合水利工程。骨干排水沟汇集整个塌陷区涝水， 在骨干排水沟和矿区外河连接处修建灌排站，实现灌排结合，自排和机排结合。

根据高潜水位塌陷土地的地势、地貌条件，按照因地制宜的原则划分塌陷土地功能区， 并对不同功能区进行水资源的配置。塌陷土地需水量包括区内农业灌溉用水、工业用水、 人畜饮水、养殖用水、生态用水等；可供水量按照不同年型列出空间降水、地表径流积水、 地下水可用量和外调水量；为满足复垦后土地的农业生产需水要求，需要通过控制体系完 善煤矿区的人工水循环，复垦过程中理顺煤矿区灌溉排水系统时，对垂直等高线方向的骨 干排水系统进行层层拦蓄，按照一定的级差建立不同高程的蓄水水面，形成与排水系统蓄 水位相协调的调控体系，减少沉陷洼地的泄水压力，建立N级控制、N+1级水面梯级河网 蓄控模式，骨干排水沟的梯级调控，在搞潜水位采煤沉陷区所在水系形成完备的拦、蓄、 灌、排、调为一体的水资源调控体系。

二、所述的人工湿地的空间体系构建方法：

除了理顺高潜水位采煤沉陷区的灌溉排涝体系建立控制外，由于采煤沉陷区的特殊地 理环境，还存在大面积的积水区域，作为采煤沉陷区的承泄区，将梯级调控体系与采煤沉 陷区大面积水面建立联系，一般连接承泄区的骨干排水沟按照垂直煤矿区等高线进行规 划，承泄区与煤矿区外河的水资源的“输入-输出”也需要骨干排水沟来实现,并在骨干沟 河和人工湿地直接按规划建立循环流；将采煤沉陷积水区规划成生态湿地，借助沉陷区水 资源丰富优势，兼顾浅水农业种植和水面养殖，共划分特色农业区、深水景观生态建设区、 挖深垫浅粮基鱼塘复垦区、人工湿地、粉煤灰造林区等功能分区，建设浅水种植园、蔬菜 园两个精品工程园区；塌陷土地深水区、人工湿地还具有外河的“滞洪”功能，外河防洪 水位偏高时塌陷地深水区可以容纳、调节一部分水量，削减洪峰流量；当深水区水量偏枯 时，可抽引外河水进行补库，确保水面养殖不受影响。

三、所述的构建积水区人工湿地生态体系方法：

采煤沉陷区的大水面规划成人工湿地，其实现的功能目标主要是能够通过立体布局水 体的生物和动物，发挥水量、减缓水速、调节水量等功能，利用湿地自然的物理、化学、 生物特性以削减污染，是水质净化和补偿生态较为有效的方法，人工湿地可以吸附重金属， 去除N、P、有机物等营养物质，湿地系统对N、P的去除主要靠植物、微生物及物理化 学的作用来完成，保持物种多样性、净化水质量、调节洪水及缓冲弥补人类破坏的重要生 态体系；人工湿地规划是经过人为加工、设计和构造模仿自然湿地的功能，达到污水净化 和生态补偿的生态效益。

有益效果，由于采用了上述方案，本发明主要依据了资源系统理论、水文学等原理， 分析了煤矿区在流域内水土资源分布的演变特征，并在此基础上建立了“人工梯级调控的 水循环”模式；并且根据水体自身的生态净化原理，利用水生植物的对与水体重金属、硫 化物、富营养化的吸附作用，立体布局沉水、浮水和挺水植物，降解水体中的有害物质。

积极效果：通过建立梯级调控体系，改变了高潜水位采煤沉陷区的地表水的空间赋存 条件，空间分布呈现相对均匀的状态，减少了水体对土地的大面积占压，提高了水土资源 优化利用；另外地表水梯级调控将流动的水体变为相对静止水体，对与净化水体的有害物 质将发挥积极作用。

优点：传统的矿区复垦治理在处理地表水的方法主要是“疏排法”，通过排除矿区 的地表积水，恢复土地的利用功能。而本发明是将水体进行梯级调控，减少了排水成 本，而且还为水资源的优化利用提供了可操作条件，而不是单一的进行排除积水；以这 种梯级调控为基础，还能够实现矿区地表的水质净化，矿区地表水一般都存在重金属污 染，将大面积积水和骨干排水体系的地表水规划为生态湿地，通过生物措施实现水质的 生态吸附、净化，提高水质，改良矿区水生态环境。

附图说明

图1为本发明的高潜水位采煤沉陷区水资源梯级调控流程图。

图2为本发明的高潜水位采煤沉陷区骨干河道梯级调控生物措施布局图。

图3为本发明的高潜水位采煤沉陷区大水面生物措施布局图。

图4为本发明的高潜水位采煤沉陷区梯级调控和水体净化前图。

图5为本发明的高潜水位采煤沉陷区梯级调控和水体净化过程中图。

图6为本发明的高潜水位采煤沉陷区梯级调控和水体净化后图。

具体实施方式

为更好理解本发明，阐述该项发明专利的具体的实施过程和取得一定的成效，分别以 实证案例的方式加以说明。

实施例1：该水资源梯级调控及水质生态净化方法，包括以下内容：

1)高潜水位采煤沉陷区地表水的分布相对集中，对于骨干沟河地表水的分布需要建 立节制分级控制、水资源的梯级调控，形成一定级差的水资源空间分布，建立灌、排、控、 调综合为一体的人工水循环体系；

2)形成一定级差控制的河道属于相对静止的水体，在骨干河道形成梯级调控的基础 上，立体布局沉水植物、挺水植物和浮水植物，植被的生长周期内通过自然的物质交换， 吸附梯级控制河道中的污染物质，整个过程不采用任何试剂和化学物质；

3)高潜水位采煤沉陷区还存在大量的积水水面，属于先谷底固定和静止的水体，根 据矿区积水区域的污染特征，构建积水区人工湿地生态体系，采用生态防护带、生态浮床 措施；水体净化方面构建立体布局生态陷阱、水下森林，利用纯生态技术解决水体的污染 和富营养化问题，不用试剂和化学物质，对水体不会造成二次污染。

水资源的梯级调控中级差数值的确定符合当地的水文、地势、地貌条件，使人工水循 环的建立满足水资源的利用和控制要求；

所述的建立人工水循环的相对性，利用水生态植被的方式净化水体，不用任何化学试 剂，其布局方式属于空间立体布局，其植物的种类包括挺水植物、浮水植物和沉水植物， 根据水质的净化要求，水体净化的周期一般为8个月至12个月；

所述的水生态植被的布局方式，包括生态浮床和生态陷阱的布局等生态工程布局，在 静止的大水面通过生态浮床、生态陷阱等相互配合实现水体净化，包括空间布局中其生物 种类、数量、位置与水体量和污染物比例等之间的相对协调性，在一个生物周期能可以实 现水体净化的明显效果。

水资源梯级调控及水质生态净化方法具体包括：水资源梯级调控方法、人工湿地的空 间体系构建方法和构建积水区人工湿地生态体系方法；

一、所述的水资源梯级调控方法：

高潜水位采煤沉陷矿区土地塌陷深度各异，地势高低的悬殊极易造成低洼地积水超量 致涝和地势高亢干旱并存。所以骨干排水沟宜结合复垦后的农田灌溉用水发挥蓄水作用， 按照1m—2m一个级差建立拦蓄分水节制闸，将骨干排水沟按地势从高到低进行梯级控 制，一般年份降水产流由节制闸拦蓄作为灌溉水源，降水径流超量时则提闸逐级泄洪，形 成塌陷区骨干沟洫拦、蓄、灌、排为一体综合水利工程。骨干排水沟汇集整个塌陷区涝水， 在骨干排水沟和矿区外河连接处修建灌排站，实现灌排结合，自排和机排结合。

根据高潜水位塌陷土地的地势、地貌条件，按照因地制宜的原则划分塌陷土地功能区， 并对不同功能区进行水资源的配置。塌陷土地需水量包括区内农业灌溉用水、工业用水、 人畜饮水、养殖用水、生态用水等；可供水量按照不同年型列出空间降水、地表径流积水、 地下水可用量和外调水量。为满足复垦后土地的农业生产需水要求，需要通过控制体系完 善煤矿区的人工水循环，复垦过程中理顺煤矿区灌溉排水系统时，对垂直等高线方向的骨 干排水系统进行层层拦蓄，按照一定的级差建立不同高程的蓄水水面，形成与排水系统蓄 水位相协调的调控体系，减少沉陷洼地的泄水压力，建立N级控制、N+1级水面梯级河网 蓄控模式，骨干排水沟的梯级调控，在搞潜水位采煤沉陷区所在水系形成完备的拦、蓄、 灌、排、调为一体的水资源调控体系。

二、所述的人工湿地的空间体系构建方法：

除了理顺高潜水位采煤沉陷区的灌溉排涝体系建立控制外，由于采煤沉陷区的特殊地 理环境，还存在大面积的积水区域，作为采煤沉陷区的承泄区，将梯级调控体系与采煤沉 陷区大面积水面建立联系，一般连接承泄区的骨干排水沟按照垂直煤矿区等高线进行规 划，承泄区与煤矿区外河的水资源的“输入-输出”也需要骨干排水沟来实现,并在骨干沟 河和人工湿地直接按规划建立循环流。将采煤沉陷积水区规划成生态湿地，借助沉陷区水 资源丰富优势，兼顾浅水农业种植和水面养殖，共划分特色农业区、深水景观生态建设区、 挖深垫浅粮基鱼塘复垦区、人工湿地、粉煤灰造林区等功能分区，建设浅水种植园、蔬菜 园两个精品工程园区。塌陷土地深水区、人工湿地还具有外河的“滞洪”功能，外河防洪 水位偏高时塌陷地深水区可以容纳、调节一部分水量，削减洪峰流量；当深水区水量偏枯 时，可抽引外河水进行补库，确保水面养殖不受影响。

三、所述的构建积水区人工湿地生态体系方法：

采煤沉陷区的大水面规划成人工湿地，其实现的功能目标主要是能够通过立体布局水 体的生物和动物，发挥水量、减缓水速、调节水量等功能，利用湿地自然的物理、化学、 生物特性以削减污染，是水质净化和补偿生态较为有效的方法，人工湿地可以吸附重金属， 去除N、P、有机物等营养物质，湿地系统对N、P的去除主要靠植物、微生物及物理化 学的作用来完成，保持物种多样性、净化水质量、调节洪水及缓冲弥补人类破坏的重要生 态体系。人工湿地规划是经过人为加工、设计和构造模仿自然湿地的功能，达到污水净化 和生态补偿的生态效益，采煤沉陷区人工湿地植物的分布与效能见表1。

表1人工湿地植物的布局与效能表

实施例2：梯级调控措施：徐州城北矿区属于典型的高潜水位矿区，采煤沉陷区存在 大面积积水现象，该区为黄河故道水系和丁万河水系，建立骨干河道水资源梯级的缘由是 因为由于地表沉陷导致的地势高程差异较大，所以考虑水资源的分配、灌溉、泄洪等方面 的要求，建立节制闸，形成梯级控制。

1)按照1-2米为一个级差，建立三级控制四级水面，整个水系通过骨干河道联系采 煤沉陷区的大水面和丁万河，丁万河下泄京杭运河，在整个水系的控制当中，确保了灌溉 水位的涌高，同时灵活了汛期涝水的排放，在采煤沉陷区形成灌排一体的格局。

2)高潜水位采煤沉陷区由于地下潜水位比较高，并且采煤沉陷是土壤含水量过饱和， 形成土地的渍害，降低土地生产力，建立一定的水位级差控制，可以根据地下潜水位的分 布情况，控制骨干河道的水位，同时联通一起的大沟、斗沟和农沟等水位都可以降低，区 域明水水位的降低可以降低地下潜水位，缓解采煤沉陷区的渍害为题。

3)污染水的控制和治理的便利，有在采煤沉陷区的地表水水质受到重金属等多方面 污染物得污染，需要进行划段和划片治理，所以梯级的调控技术可以分配水量，并为改善 水质提供基础条件。

实施例3：人工湿地措施：

1)以煤矿区的承泄区作为人工湿地的规划主题，水来源主要依靠地表径流、灌溉回 归水和一些生活污水等。从承泄区的汇水模式分析，承泄区的汇水主要由地表和土壤渗流 补给，来水以地表水为主。煤矿区人工湿地按照表面流式人工湿地模式进行规划。水文条 件是人工湿地规划建设的基础条件，采煤沉陷区来水的骨干沟河由节制闸进行梯级调控水 资源，输入承泄区的水流并不是持续的，所以在采煤沉陷区进行人工湿地的规划建设时， 根据来水和流出人工湿地的水速、水量和来水规律等的情况，对Kadlec表面流式人工湿地 的结构进行修正。

2)徐州九里区内多年平均降水量为845.2mm，多年平均蒸发量为1082.9mm，由于降水 量和蒸发量在年内不同月份分布极不均衡，导致年内不同月份人工湿地可供水量的变化。 从降水和蒸发曲线图可以看出，汛期降水量大于蒸发量，补给人工湿地有充足的水资源量； 但在春季和秋季降水量小于蒸发量，除水资源的自然消耗外，还有农业用水、养殖用水和 工业用水，用水量集中，人工湿地持有水量将受到一定程度的影响，应该结合原有的煤矿 区与小流域之间的骨干沟河进行动态调控，来确保人工湿地水量相对平衡。遇到干旱年份 可供水量偏少、用水量集中，人工湿地的持水量会下降，即当Q≤Q_枯时，人工湿地运行 困难，可通过Q_补(开采地下水和外调水)进行补给；当遇到洪水年份，可供水量大于耗 水量的时候，人工湿地的持水量当Q≥Q_洪时，通过骨干排水系统的梯级拦蓄减少承泄区 的持水压力，并通过自排或机排多余水量，保持人工湿地的水量动态平衡。

3)采煤沉陷区水资源量得控制问题

水资源的有效补给是人工湿地规划建设的根本条件,假设能保证人工湿地正常生态循 环的最低枯水位时湿地水资源量为Q_枯，人工湿地最高警戒水位时湿地水量为Q_洪，人工湿 地可供水量为：

Q＝Q_供-Q_耗

汛期由于降水量集中，湿地的水量将会大大增长，当Q_供-Q_耗＞Q_洪时，湿地水位超过 警戒水位时，应该考虑排除多余涝水，因为采煤塌陷区地势低洼，涝水要通过抽水站抢排。

春季、秋季蒸发量大、降水量小，且春灌、秋灌用水量集中；或者遇到干旱年份，靠 降水量和其他水量补给难以满足湿地运行，人工湿地水位低于枯水位时，即Q_供-Q_耗＜Q_枯时，需要外调水资源进行补充。人工湿地规划所需水量应该控制在Q_洪≥Q_供-Q_耗≥Q_枯的 范围内，为提高人工湿地蓄水和排涝的保证率，配套相应的灌排站，抵御干旱缺水和超标 准洪水影响。

实施例4：水质生态净化措施：

1)梯级调控骨干河道的生物布局，采煤沉陷区属于半封闭特征的河流，可以立体布 局水生植物，按照挺水植物、浮水植物和沉水植物的布局方式，根据不同的生物清楚的污 染物的特征差异，立体布局植被可以清除水体内的重金属、硫化物等，实现生态净化水体 的目标。

2)徐州市城北高潜水位采煤沉陷区人工湿地规划的主要功能是生态景观功能，兼顾 治理当地污水和粉煤灰的重金属污染，发挥生态补偿、促进生物多样性的作用。在适合当 地气候、土壤等条件的情况下，植物群落的选择和布局应统筹考虑观赏价值和对污染物的 净化功能，形成水、陆植被的生态序列。

3)根据徐州市城北采煤沉陷区的不同断面的水质花样分析，水质在梯级调控和生态 净化中得到了提高，水质分析化验各水样主要指标(TN(总氮)、NH4-N(氨氮)、SS(悬 浮固体)、CODcr(重铬酸钾指数))及PH测定，根据不同时期的水质分析可以看出，梯级 调控实施之后污染物得到比较有效的控制，梯级调控上游至下游水质有所提高。同期相比， 由于断面9、断面10号点附近有多条河流汇集，污染物浓度稍高；同种指标不同期比较， 污染物浓度降低明显，湿地植物净化能力还受到季节因素、温度因素和水文因素等影响， 故水体中污染物的浓度和变化波动属于正常现象，不过根据测定结果可以看出人工湿地有 较强的净化能力，梯级调控跟湿地结合使水质改善效果明显。