高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法
【專利摘要】一種高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法，屬于采煤沉陷區水質生態凈化方法。該水資源梯級調控及水質生態凈化方法，高潛水位礦區開采后，由于地表沉陷、潛水位高，導致地表大量積水，水資源利用效率低且水質較差，根據已有的分析測試礦區水體水質一般存在重金屬、硫化物污染和水體富營養化等問題。本發明主要是解決礦區沉陷積水的水量分配和水質的生態凈化等問題，地表水資源的調控主要是通過礦區分布的骨干溝河建立節制，由于礦區沉陷后地表高程差異比較大，在骨干溝河上建立N級控制和N+1級水面，根據水體水質的測試分析結果，對應立體布局水生植物和動物，凈化水體中的污染物和富營養化物質，實現高潛水位礦區積水水資源的水質凈化的目標。
【專利說明】高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種采煤沉陷區水質生態凈化方法，特別是一種高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法。
【背景技術】
[0002]①采煤沉陷區水系紊亂和水資源空間分布的擾動:高潛水位礦區沉陷積水破壞了區域內水系平衡，地表沉陷造成潛水位接近或達到地表時，耕作層土壤含水量接近或達到飽和，致使土壤中缺乏空氣，造成旱地農作物的逐漸死亡。由于地表沉陷區地勢相對較低，雨季降水將匯集沉陷區，造成原有的排水系統失效，農田受淹，甚至形成沼澤地。平原高潛水位采煤塌陷土地地表及其設施破壞嚴重，原水系被打亂，導致塌陷土地地下水位偏高、長期內澇、客水倒灌等，抵御自然災害的能力嚴重不足。由于采煤區塌陷幅度不均勻，按照挖深墊淺或粉煤灰回填進行土地復墾后，塌陷土地地勢高程仍然存在較大差異，汛期區內澇水越級串排，低洼地帶的積澇壓力很大；另外因為水系混亂和缺乏必要的工程措施，采煤塌陷區豐富的水資源難以得到控制和科學配置。據統計，每萬噸煤的開采地表塌陷0.2hm2，采煤土地塌陷使礦區原有的陸生生態系統演替為水陸復合型生態系統，區域土地資源的自然地形地貌、水熱 循環、物質能量交換等條件受到了影響和破壞。
[0003]采煤塌陷區地表沉降使橋涵斷裂、房屋倒塌、道路塌陷等，原來的灌排體系幾近報廢，區內徑流自排無出路，澇水長期積壓低洼區，塌陷土地周圍土地徑流會因串排而加重洼地的防洪除澇壓力。特別是在主汛期，因降水集中內導致農田受淹、受澇，外河水位相對提高，存在外河水倒灌塌陷區內的威脅，洼地的防洪除澇形勢嚴峻。地表塌陷使灌溉渠道遭破壞，區內耕地有水難用，洼地常年積水一方面給區域造成了澇災和潰害；另一方面也沒有為區內農業灌溉發揮水資源優勢。
[0004]②采煤沉陷區地表水和淺層地下水的水質裂變:采煤排放的煤矸石量一般占原煤總量的15% -20%左右，堆放矸石由于風化產生酸性物質，汛期集中降水期間被雨水淋溶，造成水體和周圍土壤的酸性污染和重金屬污染；再加上礦井水和當地的生活污水無節制排放，因雨污混流滲入土壤還會間接對淺層水造成二次污染。同時，于煤矸石和粉煤灰含有大量的S及其他污染物，地表沉陷區積水由于受礦井水排放、矸石淋溶等的污染，形成地下水和地表水污染物，水質較差，最終影響礦區的水體。采煤塌陷地水資源總量偏豐，為塌陷區域的水資源開發和規劃利用提供了良好的基礎，如缺乏對地表水的控制，極易使采煤塌陷區域向水質型缺水轉變，引發水生態環境劣變，加大治理難度。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是要提供一種高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法，解決高潛水位采煤沉陷區水系紊亂、水資源分布擾動和地表水質劣變的問題。
[0006]本發明的目的是這樣實現的:該水資源梯級調控及水質生態凈化方法，具體步驟包括以下內容:[0007]I)高潛水位采煤沉陷區地表水的分布相對集中，對于骨干溝河地表水的分布需要建立節制分級控制、水資源梯級調控，形成一定級差的水資源空間分布，建立灌、排、控、調綜合為一體的人工水循環體系；
[0008]2)形成一定級差控制的河道屬于相對靜止的水體，在骨干河道形成梯級調控的基礎上，立體布局沉水植物、挺水植物和浮水植物，植被的生長周期內通過自然的物質交換，吸附梯級控制河道中的污染物質，構建人工濕地空間體系，整個過程不采用任何試劑和化學物質；
[0009]3)高潛水位采煤沉陷區還存在大量的積水水面，屬于先谷底固定和靜止的水體，根據礦區積水區域的污染特征，構建積水區人工濕地生態體系，采用生態防護帶、生態浮床措施；水體凈化方面構建立體布局生態陷阱、水下森林，利用純生態技術解決水體的污染和富營養化問題，不用試劑和化學物質，對水體不會造成二次污染。
[0010]水資源梯級調控中的級差數值的確定符合當地的水文、地勢、地貌條件，使人工水循環的建立滿足水資源的利用和控制要求。
[0011]所述的建立人工水循環的相對性，利用水生態植被的方式凈化水體，不用任何化學試劑，其布局方式屬于空間立體布局，其植物的種類包括挺水植物、浮水植物和沉水植物，根據水質的凈化要求，水體凈化的周期一般為8個月至12個月。
[0012]所述的水生態植被的布局方式，包括生態浮床和生態陷阱的布局等生態工程布局，在靜止的大水面通過生態浮床、生態陷阱等相互配合實現水體凈化，包括空間布局中其生物種類、數量、位置與水體量和污染物比例等之間的相對協調性，在一個生物周期能可以實現水體凈化的明顯效果。
[0013]具體的包括:水資源梯級調控方法、人工濕地的空間體系構建方法和構建積水區人工濕地生態體系方法；
[0014]一、所述的水資源梯級調控方法:
[0015]高潛水位采煤沉陷礦區土地塌陷深度各異，地勢高低的懸殊極易造成低洼地積水超量致澇和地勢高亢干旱并存。所以骨干排水溝宜結合復墾后的農田灌溉用水發揮蓄水作用，按照Im — 2m —個級差建立攔蓄分水節制閘，將骨干排水溝按地勢從高到低進行梯級控制，一般年份降水產流由節制閘攔蓄作為灌溉水源，降水徑流超量時則提閘逐級泄洪，形成塌陷區骨干溝洫攔、蓄、灌、排為一體綜合水利工程。骨干排水溝匯集整個塌陷區澇水，在骨干排水溝和礦區外河連接處修建灌排站，實現灌排結合，自排和機排結合。
[0016]根據高潛水位塌陷土地的地勢、地貌條件，按照因地制宜的原則劃分塌陷土地功能區，并對不同功能區進行水資源的配置。塌陷土地需水量包括區內農業灌溉用水、工業用水、人畜飲水、養殖用水、生態用水等；可供水量按照不同年型列出空間降水、地表徑流積水、地下水可用量和外調水量；為滿足復墾后土地的農業生產需水要求，需要通過控制體系完善煤礦區的人工水循環，復墾過程中理順煤礦區灌溉排水系統時，對垂直等高線方向的骨干排水系統進行層層攔蓄，按照一定的級差建立不同高程的蓄水水面，形成與排水系統蓄水位相協調的調控體系，減少沉陷洼地的泄水壓力，建立N級控制、N+1級水面梯級河網蓄控模式，骨干排水溝的梯級調控，在搞潛水位采煤沉陷區所在水系形成完備的攔、蓄、灌、排、調為一體的水資源調控體系。
[0017]二、所述的人工濕地的空間體系構建方法:[0018]除了理順高潛水位采煤沉陷區的灌溉排澇體系建立控制外，由于采煤沉陷區的特殊地理環境，還存在大面積的積水區域，作為采煤沉陷區的承泄區，將梯級調控體系與采煤沉陷區大面積水面建立聯系，一般連接承泄區的骨干排水溝按照垂直煤礦區等高線進行規劃，承泄區與煤礦區外河的水資源的“輸入-輸出”也需要骨干排水溝來實現，并在骨干溝河和人工濕地直接按規劃建立循環流；將采煤沉陷積水區規劃成生態濕地，借助沉陷區水資源豐富優勢，兼顧淺水農業種植和水面養殖，共劃分特色農業區、深水景觀生態建設區、挖深墊淺糧基魚塘復墾區、人工濕地、粉煤灰造林區等功能分區，建設淺水種植園、蔬菜園兩個精品工程園區；塌陷土地深水區、人工濕地還具有外河的“滯洪”功能，外河防洪水位偏高時塌陷地深水區可以容納、調節一部分水量，削減洪峰流量；當深水區水量偏枯時，可抽引外河水進行補庫，確保水面養殖不受影響。
[0019]三、所述的構建積水區人工濕地生態體系方法:
[0020]采煤沉陷區的大水面規劃成人工濕地，其實現的功能目標主要是能夠通過立體布局水體的生物和動物，發揮水量、減緩水速、調節水量等功能，利用濕地自然的物理、化學、生物特性以削減污染，是水質凈化和補償生態較為有效的方法，人工濕地可以吸附重金屬，去除N、P、有機物等營養物質，濕地系統對N、P的去除主要靠植物、微生物及物理化學的作用來完成，保持物種多樣性、凈化水質量、調節洪水及緩沖彌補人類破壞的重要生態體系；人工濕地規劃是經過人為加工、設計和構造模仿自然濕地的功能，達到污水凈化和生態補償的生態效益。
[0021]有益效果，由于采用了上述方案，本發明主要依據了資源系統理論、水文學等原理，分析了煤礦 區在流域內水土資源分布的演變特征，并在此基礎上建立了“人工梯級調控的水循環”模式；并且根據水體自身的生態凈化原理，利用水生植物的對與水體重金屬、硫化物、富營養化的吸附作用，立體布局沉水、浮水和挺水植物，降解水體中的有害物質。
[0022]積極效果:通過建立梯級調控體系，改變了高潛水位采煤沉陷區的地表水的空間賦存條件，空間分布呈現相對均勻的狀態，減少了水體對土地的大面積占壓，提高了水土資源優化利用；另外地表水梯級調控將流動的水體變為相對靜止水體，對與凈化水體的有害物質將發揮積極作用。
[0023]優點:傳統的礦區復墾治理在處理地表水的方法主要是“疏排法”，通過排除礦區的地表積水，恢復土地的利用功能。而本發明是將水體進行梯級調控，減少了排水成本，而且還為水資源的優化利用提供了可操作條件，而不是單一的進行排除積水；以這種梯級調控為基礎，還能夠實現礦區地表的水質凈化，礦區地表水一般都存在重金屬污染，將大面積積水和骨干排水體系的地表水規劃為生態濕地，通過生物措施實現水質的生態吸附、凈化，提聞水質，改良礦區水生態環境。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控流程圖。
[0025]圖2為本發明的高潛水位采煤沉陷區骨干河道梯級調控生物措施布局圖。
[0026]圖3為本發明的高潛水位采煤沉陷區大水面生物措施布局圖。
[0027]圖4為本發明的高潛水位采煤沉陷區梯級調控和水體凈化前圖。
[0028]圖5為本發明的高潛水位采煤沉陷區梯級調控和水體凈化過程中圖。[0029]圖6為本發明的高潛水位采煤沉陷區梯級調控和水體凈化后圖。
【具體實施方式】
[0030]為更好理解本發明，闡述該項發明專利的具體的實施過程和取得一定的成效，分別以實證案例的方式加以說明。
[0031]實施例1:該水資源梯級調控及水質生態凈化方法，包括以下內容:
[0032]I)高潛水位采煤沉陷區地表水的分布相對集中，對于骨干溝河地表水的分布需要建立節制分級控制、水資源的梯級調控，形成一定級差的水資源空間分布，建立灌、排、控、調綜合為一體的人工水循環體系；
[0033]2)形成一定級差控制的河道屬于相對靜止的水體，在骨干河道形成梯級調控的基礎上，立體布局沉水植物、挺水植物和浮水植物，植被的生長周期內通過自然的物質交換，吸附梯級控制河道中的污染物質，整個過程不采用任何試劑和化學物質；
[0034]3)高潛水位采煤沉陷區還存在大量的積水水面，屬于先谷底固定和靜止的水體，根據礦區積水區域的污染特征，構建積水區人工濕地生態體系，采用生態防護帶、生態浮床措施；水體凈化方面構建立體布局生態陷阱、水下森林，利用純生態技術解決水體的污染和富營養化問題，不用試劑和化學物質，對水體不會造成二次污染。
[0035]水資源的梯級調控中級差數值的確定符合當地的水文、地勢、地貌條件，使人工水循環的建立滿足水資源的利用和控制要求；
[0036]所述的建立人工水循環的相對性，利用水生態植被的方式凈化水體，不用任何化學試劑，其布局方式屬于空間立體布局，其植物的種類包括挺水植物、浮水植物和沉水植物，根據水質的凈化要求，水體凈化的周期一般為8個月至12個月；
[0037]所述的水生態植被的布局方式，包括生態浮床和生態陷阱的布局等生態工程布局，在靜止的大水面通過生態浮床、生態陷阱等相互配合實現水體凈化，包括空間布局中其生物種類、數量、位置與水體量和污染物比例等之間的相對協調性，在一個生物周期能可以實現水體凈化的明顯效果。
[0038]水資源梯級調控及水質生態凈化方法具體包括:水資源梯級調控方法、人工濕地的空間體系構建方法和構建積水區人工濕地生態體系方法；
[0039]一、所述的水資源梯級調控方法:
[0040]高潛水位采煤沉陷礦區土地塌陷深度各異，地勢高低的懸殊極易造成低洼地積水超量致澇和地勢高亢干旱并存。所以骨干排水溝宜結合復墾后的農田灌溉用水發揮蓄水作用，按照Im — 2m—個級差建立攔蓄分水節制閘，將骨干排水溝按地勢從高到低進行梯級控制，一般年份降水產流由節制閘攔蓄作為灌溉水源，降水徑流超量時則提閘逐級泄洪，形成塌陷區骨干溝洫攔、蓄、灌、排為一體綜合水利工程。骨干排水溝匯集整個塌陷區澇水，在骨干排水溝和礦區外河連接處修建灌排站，實現灌排結合，自排和機排結合。
[0041] 根據高潛水位塌陷土地的地勢、地貌條件，按照因地制宜的原則劃分塌陷土地功能區，并對不同功能區進行水資源的配置。塌陷土地需水量包括區內農業灌溉用水、工業用水、人畜飲水、養殖用水、生態用水等；可供水量按照不同年型列出空間降水、地表徑流積水、地下水可用量和外調水量。為滿足復墾后土地的農業生產需水要求，需要通過控制體系完善煤礦區的人工水循環，復墾過程中理順煤礦區灌溉排水系統時，對垂直等高線方向的骨干排水系統進行層層攔蓄，按照一定的級差建立不同高程的蓄水水面，形成與排水系統蓄水位相協調的調控體系，減少沉陷洼地的泄水壓力，建立N級控制、N+1級水面梯級河網蓄控模式，骨干排水溝的梯級調控，在搞潛水位采煤沉陷區所在水系形成完備的攔、蓄、灌、排、調為一體的水資源調控體系。
[0042]二、所述的人工濕地的空間體系構建方法:
[0043]除了理順高潛水位采煤沉陷區的灌溉排澇體系建立控制外，由于采煤沉陷區的特殊地理環境，還存在大面積的積水區域，作為采煤沉陷區的承泄區，將梯級調控體系與采煤沉陷區大面積水面建立聯系，一般連接承泄區的骨干排水溝按照垂直煤礦區等高線進行規劃，承泄區與煤礦區外河的水資源的“輸入-輸出”也需要骨干排水溝來實現，并在骨干溝河和人工濕地直接按規劃建立循環流。將采煤沉陷積水區規劃成生態濕地，借助沉陷區水資源豐富優勢，兼顧淺水農業種植和水面養殖，共劃分特色農業區、深水景觀生態建設區、挖深墊淺糧基魚塘復墾區、人工濕地、粉煤灰造林區等功能分區，建設淺水種植園、蔬菜園兩個精品工程園區。塌陷土地深水區、人工濕地還具有外河的“滯洪”功能，外河防洪水位偏高時塌陷地深水區可以容納、調節一部分水量，削減洪峰流量；當深水區水量偏枯時，可抽引外河水進行補庫，確保水面養殖不受影響。
[0044]三、所述的構建積水區人工濕地生態體系方法:
[0045]采煤沉陷區的大水面規劃成人工濕地，其實現的功能目標主要是能夠通過立體布局水體的生物和動物，發揮水量、減緩水速、調節水量等功能，利用濕地自然的物理、化學、生物特性以削減污染，是水質凈化和補償生態較為有效的方法，人工濕地可以吸附重金屬，去除N、P、有機物等營養物質，濕地系統對N、P的去除主要靠植物、微生物及物理化學的作用來完成，保持物種多樣性、凈化水質量、調節洪水及緩沖彌補人類破壞的重要生態體系。人工濕地規劃是經過人為加工、設計和構造模仿自然濕地的功能，達到污水凈化和生態補償的生態效益，采煤沉陷區人工濕地植物的分布與效能見表1。
[0046]表1人工濕地植物的布局與效能表
[0047]
【權利要求】
1.一種高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法，其特征是:該水資源梯級調控及水質生態凈化方法，具體步驟包括以下內容: 1)高潛水位采煤沉陷區地表水的分布相對集中，對于骨干溝河地表水的分布需要建立節制分級控制、水資源梯級調控，形成一定級差的水資源空間分布，建立灌、排、控、調綜合為一體的人工水循環體系； 2)形成一定級差控制的河道屬于相對靜止的水體，在骨干河道形成梯級調控的基礎上，立體布局沉水植物、挺水植物和浮水植物，植被的生長周期內通過自然的物質交換，吸附梯級控制河道中的污染物質，構建人工濕地空間體系，整個過程不采用任何試劑和化學物質； 3)高潛水位采煤沉陷區還存在大量的積水水面，屬于先谷底固定和靜止的水體，根據礦區積水區域的污染特征，構建積水區人工濕地生態體系，采用生態防護帶、生態浮床措施；水體凈化方面構建立體布局生態陷阱、水下森林，利用純生態技術解決水體的污染和富營養化問題，不用試劑和化學物質，對水體不會造成二次污染。
2.根據權利要求1所述的高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法，其特征是:水資源梯級調控中的級差數值的確定符合當地的水文、地勢、地貌條件，使人工水循環的建立滿足水資源的利用和控制要求。
3.根據權利要求2所述的高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法，其特征是:所述的建立人工水循環，利用水生態植被的方式凈化水體，不用任何化學試劑，其布局方式屬于空間 立體布局，其植物的種類包括挺水植物、浮水植物和沉水植物，根據水質的凈化要求，水體凈化的周期一般為8個月至12個月。
4.根據權利要求3所述的高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法，其特征是:所述的水生態植被的布局方式，包括生態浮床和生態陷阱的布局等生態工程布局，在靜止的大水面通過生態浮床、生態陷阱等相互配合實現水體凈化，包括空間布局中其生物種類、數量、位置與水體量和污染物比例等之間的相對協調性，在一個生物周期能可以實現水體凈化的明顯效果。
5.根據權利要求1所述的高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法，其特征是:所述的水資源梯級調控方法:高潛水位采煤沉陷礦區土地塌陷深度各異，地勢高低的懸殊極易造成低洼地積水超量致澇和地勢高亢干旱并存；所以骨干排水溝宜結合復墾后的農田灌溉用水發揮蓄水作用，按照Im — 2m—個級差建立攔蓄分水節制閘，將骨干排水溝按地勢從高到低進行梯級控制，一般年份降水產流由節制閘攔蓄作為灌溉水源，降水徑流超量時則提閘逐級泄洪，形成塌陷區骨干溝洫攔、蓄、灌、排為一體綜合水利工程；骨干排水溝匯集整個塌陷區澇水，在骨干排水溝和礦區外河連接處修建灌排站，實現灌排結合，自排和機排結合； 根據高潛水位塌陷土地的地勢、地貌條件，按照因地制宜的原則劃分塌陷土地功能區，并對不同功能區進行水資源的配置；塌陷土地需水量包括區內農業灌溉用水、工業用水、人畜飲水、養殖用水、生態用水等；可供水量按照不同年型列出空間降水、地表徑流積水、地下水可用量和外調水量。為滿足復墾后土地的農業生產需水要求，需要通過控制體系完善煤礦區的人工水循環，復墾過程中理順煤礦區灌溉排水系統時，對垂直等高線方向的骨干排水系統進行層層攔蓄，按照一定的級差建立不同高程的蓄水水面，形成與排水系統蓄水位相協調的調控體系，減少沉陷洼地的泄水壓力，建立N級控制、N+1級水面梯級河網蓄控模式，骨干排水溝的梯級調控，在搞潛水位采煤沉陷區所在水系形成完備的攔、蓄、灌、排、調為一體的水資源調控體系。
6.根據權利要求1所述的高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法，其特征是:所述的人工濕地的空間體系構建方法:除了理順高潛水位采煤沉陷區的灌溉排澇體系建立控制外，由于采煤沉陷區的特殊地理環境，還存在大面積的積水區域，作為采煤沉陷區的承泄區，將梯級調控體系與采煤沉陷區大面積水面建立聯系，一般連接承泄區的骨干排水溝按照垂直煤礦區等高線進行規劃，承泄區與煤礦區外河的水資源的“輸入-輸出”也需要骨干排水溝來實現，并在骨干溝河和人工濕地直接按規劃建立循環流；將采煤沉陷積水區規劃成生態濕地，借助沉陷區水資源豐富優勢，兼顧淺水農業種植和水面養殖，共劃分特色農業區、深水景觀生態建設區、挖深墊淺糧基魚塘復墾區、人工濕地、粉煤灰造林區等功能分區，建設淺水種植園、蔬菜園兩個精品工程園區；塌陷土地深水區、人工濕地還具有外河的“滯洪”功能，外河防洪水位偏高時塌陷地深水區可以容納、調節一部分水量，削減洪峰流量；當深水區水量偏枯時，可抽引外河水進行補庫，確保水面養殖不受影響。
7.根據權利要求1所述的高潛水位采煤沉陷區水資源梯級調控及水質生態凈化方法，其特征是:所述的構建積水區人工濕地生態體系方法:采煤沉陷區的大水面規劃成人工濕地，其實現的功能目標主要是能夠通過立體布局水體的生物和動物，發揮水量、減緩水速、調節水量等功能，利用濕地自然的物理、化學、生物特性以削減污染，是水質凈化和補償生態較為有效的方法，人工濕地可以吸附重金屬，去除N、P、有機物等營養物質，濕地系統對N、P的去除主要靠植物、微生物及物理化學的作用來完成,保持物種多樣性、凈化水質量、調節洪水及緩沖彌補人類破壞的重要生態體系；人工濕地規劃是經過人為加工、設計和構造模仿自然濕地的功能，達到污水凈化和生態補償的生態效益。
【文檔編號】E02B1/00GK103936163SQ201410172839
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】渠俊峰, 陳浮, 李鋼, 王坤, 張紹良, 王輝, 趙華, 丁忠義 申請人:中國礦業大學