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
【专利摘要】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。
【专利说明】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
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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、长期内涝、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。
[0003]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溃害；另一方面也没有为区内农业灌溉发挥水资源优势。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]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:[0007]I)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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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；
[0014]一、所述的水资源梯级调控方法:
[0015]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Im — 2m —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。
[0016]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。
[0017]二、所述的人工湿地的空间体系构建方法:[0018]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。
[0019]三、所述的构建积水区人工湿地生态体系方法:
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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，提闻水质，改良矿区水生态环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。[0029]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】
[0030]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。
[0031]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:
[0032]I)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；
[0033]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；
[0034]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。
[0035]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；
[0036]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；
[0037]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。
[0038]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；
[0039]一、所述的水资源梯级调控方法:
[0040]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Im — 2m—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。
[0041] 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。
[0042]二、所述的人工湿地的空间体系构建方法:
[0043]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。
[0044]三、所述的构建积水区人工湿地生态体系方法:
[0045]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。
[0046]表1人工湿地植物的布局与效能表
[0047]
【权利要求】
1.一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，其特征是: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。
2.根据权利要求1所述的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，其特征是: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。
3.根据权利要求2所述的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，其特征是:所述的建立人工水循环，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。
4.根据权利要求3所述的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，其特征是: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。
5.根据权利要求1所述的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，其特征是: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Im — 2m—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。
6.根据权利要求1所述的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，其特征是: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。
7.根据权利要求1所述的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，其特征是: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。
【文档编号】E02B1/00GK103936163SQ201410172839
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】渠俊峰, 陈浮, 李钢, 王坤, 张绍良, 王辉, 赵华, 丁忠义 申请人:中国矿业大学