采煤塌陷区受损农田整理与修复

近几年，我国对于工矿区受损农田修复和土地整理技术不仅逐渐向生态恢复、精细整治和信息化方向转变，还对修复和整理后的土壤质量以及各项指标进行了研究，使我国的工矿区废弃农田修复和整理工作逐渐迈上了系统化、整体化和高效化相结合的生态发展阶段。但是与发达国家相比，我国的工矿区受损农田修复和整理在技术、规模、水平等方面都有相当大的差距。

中国是世界重要的矿产资源大国截至2017 年底, 国内已发现矿产种类达到173 种,在矿产资源储量中, 煤炭为16 666. 73 亿t, 石油为35. 42 亿t, 天然气为55 220. 96 亿m ,铁矿为848. 88 亿t, 铜矿为10 607. 75 亿t, 铅矿为8967. 00 亿t, 锌矿为18 493. 85 亿t其中, 煤炭储量仅次于美国和俄罗斯, 但年开采量排在世界首位目前,全国煤炭产量的96% 为井工开采, 煤炭资源开采会引起上覆岩层的移动变形, 导致地面不同程度的破坏和塌陷

据测算, 在我国, 每开采1 万t 煤炭平均造成0. 25 hm的土地塌陷以中华人民共和国成立以来煤炭产量376 亿t 来计算, 目前采煤塌陷破坏土地面积约为75. 2 万hm 不仅如此, 我国矿产和粮食主产区复合面积达40. 13 万km , 占我国耕地面积的30. 9% 其中, 黄淮海平原90% 以上的采煤塌陷区为高产农业区, 华北和华东的采煤塌陷地也多位于基本农田保护区内采煤塌陷导致大面积优质耕地积水, 产生附加坡度及裂缝, 继而直接或间接地引起土壤物理、化学、生物特性的变化, 最终导致耕地生产力的急剧下降甚至丧失, 大大加剧了矿区人多地少的紧张局面, 成为影响区域社会经济稳定发展的突出因素

▲ 塌陷引起的裂缝和台阶状耕地

• 采煤塌陷对农田质量损毁的程度如何?

• 怎样有针对性地进行采煤塌陷区受损农田整治的规划设计?

• 受损农田整治后的耕地质量是否提升?

• 工程施工如何优化组合?

• 如何实现修复和整理的信息化监测?

这些都是当前采煤塌陷区受损农田修复和整理中亟待解决的关键问题

在“十二五” 国家科技支撑计划项目“农田修复和土地整理关键技术研究与示范”(2011BAD04 ) 课题“工矿区受损农田修复和精细化整理技术集成与示范”(2011BAD04B03) 资助下, 在中国地质大学( 北京)、北京农业信息技术研究中心、江苏省土地开发整理中心、重庆大学的通力合作下,《采煤塌陷区受损农田整理与修复》编写组围绕工矿区农田损毁类型和机理、农田状况调查与评价技术、受损农田损毁特征的技术需求、受损农田规划设计技术、受损农田修复和土地整理技术、受损农田精细化整理施工技术、信息化管理关键技术以及技术集成和示范等方面, 开展了系统研究研究技术体系完整, 在工矿区受损农田的水体循环系统的修复技术、耕地质量等级提升集成技术、精细化整理施工协同组合和优化配置技术等方面特色鲜明, 实用性强, 能够为我国类似工矿区的农田修复和整理及相关领域提供借鉴

▲ 研究技术路线

通过基础研究、技术研究和技术集成等系统研究，形成了面向工矿区受损农田的精细化整理和修复的技术体系。

具体而言，本研究在前期基础研究和模拟试验的基础上，结合示范区实地调研和试验分析，重点进行了以下几个方面的研究，获取如下成果和结论。

1. 针对工矿区土地利用的主要矛盾及问题寻找相应的规划设计方法，分别进行表土保护与利用、土体重构、损毁水系修复和生态型工程四项非传统性工矿区农田整理规划设计方法的研究。

与传统的田、水、路、林四大工程规划设计方法进行有机集成融合，形成适用于工矿区受损农田整理的规划设计方法。一定程度上反映了工矿区受损农田整理规划设计方法的特点，适用于工矿区土地整理规划设计工作。同时在此基础上，结合工矿区受损农田资料调查技术、工矿区受损农田整理可行性分析技术等研究，构建了工矿区受损农田整理规划设计技术体系。以工矿区受损农田整理规划设计方法与技术体系研究为支撑，完成了项目约束性指标“采煤塌陷区受损农田整理规划设计技术要求(征求意见稿)” 的制定，作为标准用以指导和规范采煤塌陷区受损农田整理规划设计。

2.针对工矿区农田水利设施损毁严重、地面积水严重、排水不畅等问题，基于水循环调控角度进行地表水、地下水和土壤水三位一体修复工作。

研究受损农田水利设施修复与再利用技术包括圩堤建造技术、抗塌陷技术等，提出灌排渠系等线性工程和构筑物的优化布局与设计技术，为工矿区农田水利设施整治与修复提供技术支撑。同时，基于对高潜水位采煤塌陷区农田排水沟混凝土材料研究，包括透水性试验分析、抗压强度试验分析以及在室内进行模拟农田排水沟模拟试验。发明出一种高潜水位采煤塌陷区农田排水沟混凝土材料。发明的混凝土材料以粉煤灰替代部分水泥、煤矸石替代部分碎石，提高了粉煤灰、煤矸石的资源化利用率，可以控制地下水位的上升，改善生态环境，降低成本，取得较好的经济效益和生态效益。

▲ 采煤塌陷区受损农田规划设计思路

3.结合工矿区土地利用变化的驱动机制，以及土地外在损毁机理，构建压力-状态-响应分析框架，基于农用地分等技术，从影响农田质量的因素入手，明确工矿区受损农田存在的质量提升问题，并探讨各种损毁问题影响下耕地质量的因素表征状态，结合土柱试验数据提出提升工矿区受损农田质量的技术方法，将对应技术归并整合完成对提升耕地质量等级和生产能力的工程修复集成技术的研究。

该技术体系集成表土保护与利用技术、土体重构技术、水系修复技术、农地保育和利用技术、土地整治工程技术5 项一级技术和14项二级技术。另外，查询相关文献资料，整理分析出影响五大矿区一般耕地质量的因素，进而分析工矿区受损农田修复存在的问题，并从种植制度、灌溉技术和施肥技术三方面对解决这些问题提出方案，在此基础上构建农地保育和利用技术模式体系，为工矿区受损农田整理后期管护工作提供参考和指导。

4.运用网络计划方法从工期、成本的角度，对土地整理施工方案进行优化设计，合理确定各分部分项工程的施工顺序及时间安排，完成施工时序组合优化配置技术。

组合施工类型区的划分技术，研究示范区土地复垦精细化整理施工技术，内容涵盖土地整理施工类型划分技术，土地整理工程施工时序组合与安排以及土地平整、生产道、田间路、沟、渠、桥、涵、渡槽、拦水堰、泵站等各个单项工程的精细化整理施工技术，并根据工程特点，结合工程实际，多方借鉴先进、成熟的施工技术，使技术上的可行性同经济上的合理性统一起来，形成“工矿区受损农田精细化整理施工技术指南”，用于指导全国的工矿区土地整理的建设，填补了工程建设实践中技术上的不足，避免或减少施工不合理使生态环境和农用地破坏严重、重复性操作和资源浪费，从根本上提高施工的生产效率，达到以最少投入获得最大效益的目的。

▲ 工矿区受损农田工程修复集成技术研究思路

5.研究兼容规划、设计、施工、监管等的土地整理数据库，开发工矿区受损农田精细化整理信息化管理系统，能够完成插件的加载、卸载、管理、UI 自动生成等功能，同时提供了插件开发的手册。

该成果申报了软件著作权登记1 项。在实际的应用中，用户可以以此为二次开发平台，来开发设计满足自己实地特殊工作需求的软件功能，不再需要完成整个软件框架的设计和开发，从而大大降低功能扩展和本地化开发的技术成本与时间成本。通过软件系统的实地应用，可解决实际应用中数据管理的难题，同时通过系统的地图和布局功能，可提供各类型的专题图输出，提高数据的利用效率。系统二维设计功能针对地块、道路、沟渠和防护林四种主要设计对象，实现了绘制、属性编辑、图形节点编辑操作，以三维地形为基础的土方量计算大大提高了计算精度，同时针对农田修复整理中地块的土体重构计算功能，能够极大地方便实际项目应用。系统三维浏览功能可对现状数据、规划设计成果进行三维展示，为用户提供直观的数据浏览视角，能够很大程度提高公众对土地整治项目的参与度。

6.在示范区建设上，利用研究的各项关键技术，对示范区进行综合整治。

通过工矿区受损农田质量等级提升技术以及高潜水位采煤塌陷区土地整理农田水利设施整治技术的应用，妥善处理当前因采煤塌陷造成的农田受损和环境恶化等突出矛盾，协调各种利益关系，取得良好的社会、经济、生态效益。通过采煤塌陷区耕地质量等级评定研究解决目前我国农用地分等的指标体系未能充分体现煤矿区塌陷耕地以及整治后耕地质量的特点，难以衡量采煤塌陷区耕地在“未扰动-塌陷-整治” 这一动态过程中质量变化，不能实现采煤塌陷区不同状态下耕地质量与全国耕地质量的横向对比(即与农用地分等体系对接) 的重大难题。根据测算，研究区内受损农田质量上升1 ~2 等。另外，研究区通过工矿区受损农田水利设施整治与修复，使工矿区农田地表水利用效率提高了8. 81%，超过5%，达到了项目预期目标。可见工矿区受损农田水利设施整治与修复技术能够有效解决工矿区农田水利设施损毁严重、区域水循环紊乱、农田水利用低下等问题，大大提高了研究区地表水的利用率。

（a）

（b）

▲ 示范区建设前（a）、后（b）对比

本文摘编自《采煤塌陷区受损农田整理与修复》（吴克宁等著. 北京: 科学出版社,2020. 3）一书“前言”“第12章 工矿区受损农田修复和精细化整理研究的结论与探讨”，有删减 ，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-064715-3

责任编辑: 周 杰 王勤勤

本书基于系统科学、景观生态学、恢复生态学、可持续发展等理论,结合工矿区农田损毁类型及整治分区, 在工矿区, 尤其是采煤塌陷区受损农田的调查评价、规划设计技术、水利设施整治与修复技术、质量等级提升评价、精细化整理施工技术和精细化整理信息化平台研发等方面进行系统研究, 有关理论、方法和技术内容对开展工矿区尤其是采煤塌陷区的国土整治和生态保护修复工作具有重要借鉴价值本书可供土地科学、生态学、资源与环境、环境科学和农业工程等学科的科研及教学人员研究和学习

（本文编辑：刘四旦）