采煤塌陷地的生态复垦_以唐山开滦煤矿为例.pdf

采煤塌陷地的生态复垦 ── 以唐山开滦煤矿为例 杨居荣,田润浓,赵玉霞,张 平,刘 虹北京师范大学环境科学研究所,环境模拟与污染控制国家重点实 验室,北京 100875 摘要以生态学及生态经济学理论为指导,对唐山市开滦煤矿古冶区塌陷地的生态复垦进行了试验研究.介绍了复垦规划的制定、 适宜于不同塌陷类型土地复垦的典型模式,提出了从生态合理及生态经济可行双向选优和完善复垦模式的思路和方法. 关键词生态复垦;环境治理;塌陷地 中图分类号 X24 文献标识码 A 文章编号 1000 - 6923199901 - 0085 - 06 The ecological reclamation of subsided landaroused by coal mine──a case study from K ailuan Coal Mine in Tangshan. YAND Ju2rong ,TIAN Run2nong ,ZHAO Yu2xia ,ZHANG Ping , LIU Hong The State Key Laboratory of Environmen2 tal Simulating and Pollution Control , Institute of Environmental Sciences , Beijing Normal University , Beijing 100875 , China .China Environmental Science.1999 ,191 85～90 Abstract In this article , ecology and ecological economy are used to study the ecological reclamation of subsided land in Guye ,Kailuan Coal Mine ,Tangshan. The ulating of reclamation planning and the typical style fitted to differ2 ent land type are introduced. The thought and to select and improve the reclamation style from the respect of eco2 logical rationality and ecological economic feasibility are put forward. Key words ecological reclamation; environmental control ; subsided land 地下煤层的开采可引起上覆岩层的移动和 变形,造成大面积地表塌陷、 积水,自然生态和 地貌景观受到破坏.农田弃耕,村庄搬迁,严重地 障碍着矿区经济的发展.为此,解决矿区塌陷地 的复垦问题迫在眉睫,成为人们关注的焦点.近 年来,我国在矿山废弃地的利用方面开展了一些 研究,特别是在复垦土地植被恢复技术方面,给 予了更多的关注[1 ,2].本文在已有工作的基础 上,从复垦的生态合理性和经济可行性的双重角 度,探讨了采煤塌陷地生态复垦总体规划的制 定、 典型复垦模式的选择.以开滦煤矿的吕家 坨、 范各庄矿塌陷地为基点,进行了试验研究. 1 试验区概况 开滦煤矿已有百余年的开采历史.地处唐山 市中南部冲积平原区,属暖温带湿润季风型大陆 性气候,四季分明.年降水量648. 1mm.光照资 源丰富,年日照总时数为2650. 2h ,无霜期182d. 土壤类型以潮褐土为主,土质肥沃,呈微碱性,适 宜粮食作物种植,是唐山市重要商品粮基地之 一,属城郊型高产平原农业区. 试验区位于范各庄矿和吕家坨矿的井田范 围,总面积2739. 4hm2,其中塌陷地面积840 hm2,常年积水面积466. 7hm2,塌陷波及地 373. 3hm2,属平缓下沉盆地型塌陷,过程缓慢. 当盆地中央塌陷深度超过潜水位时,会导致常年 积水.塌陷积水区在枯水期的积水量可达579. 9 万m3,积水最大深度达7. 1m ,水面标高25. 5m. 2 理论指导、 技术路线与方法 以生态学、 生态经济学理论为指导,实施开 发性生态复垦方针.根据矿区受干扰的程度、 类 型确定复垦方向;依据群落演替规律恢复植被; 进行复垦系统的能流、 物流分析,修改复垦模式 以提高生态效率. 在评价复垦经济效益时,引入了西方福利经 收稿日期 1998206225 中国环境科学 1999 ,191 85～90 China Environmental Science 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 济学思想,从投资者及全社会角度,分别计算了 财务效益和经济效益,全面地评价不同复垦模式 的利与弊.具体考虑的因素有计入复垦的生态效 益、 复垦前后土地资源价值的变化、 进行了复垦 财务效益对市场价格的灵敏度分析、 考虑了资 金的时间价值等.其研究方法主要有6种应用 综合指数法对煤矿开采的生态影响进行综合评 价.选取土地类型、 耕地状况、 人口状况、 环境 污染等代表生态环境状况的18个指标计算干扰 指数,定量评价生态环境受破坏的程度和等级、 确定塌陷地的可恢复性. 采用土地资源分类法进行塌陷地复垦的适 宜性分析,确定宜农、 宜林、 宜牧、 宜渔等复垦 方向的面积,为制定总体规划提供依据. 采用模糊层次综合评价法计算塌陷区水面 的最优保留率. 绘制典型复垦模式的生态结构图,计算能 流、 物流以N素为代表的输入、 输出量、 流通 量及生态效率[3 ,4]. 对复垦后土壤、 水、 农作物中的主要污染物 质进行监测,包括鱼池水中COD、pH值、 溶解 氧、 重金属和氟等,土壤及农作物中的重金属、 氟等. 生态经济分析选取了投资回收期、 净现值 财务净现值和经济净现值、 净现值率、 内部收 益率等指标[5]. 财务净现值反映复垦项目在计算期内获利 能力的动态指标的计算公式为 FNPV 6 n t 1 C I- C0t I iC 2t 1 式中FNPV为财务净现值; CI为财务现金流入 量; C0为财务现金流出量; CI-C0t为第t年的 净现金流量; n为计算期项目有效期 ; i c为基 准收益率. 经济净现值反映复垦项目对国民经济所做 贡献的动态指标的计算公式为 EN PV 6 n t 1 C I- C0t1 is 2t 2 式中 EN PV为经济净现值; CI为经济投入; C0 为经济产出; CI-C0t为第t年的经济净收 益; is为社会折现率. 净现值率的计算公式 财务净现值率FN PV RFN PV / Ip3 经济净现值率EN PV REN PV / Ip4 式中 Ip为投资的现值. 财务内部收益率的计算公式 6 n t1 C I- C0t1 FIRR 2t 05 当财务内部收益率大于或等于基准收益率 ic时,方案可接受 经济内部收益率的计算公式为 6 n t 1 C I- C0t1 EIRR 2t 06 当经济内部收益率大于或等于社会折现率 is时,项目可接受. 非市场因素的量化方法对复垦中涉及的环 境外部效益的量化,采用影子价格法,包括市场 价值或生产率法、 替代市场法、 费用分析法. 3 结果及讨论 3. 1 复垦总体规划的制定 3. 1. 1 按上述方法计算得到矿区生态干扰指数 E1为75 ,对照国内其它矿区情况进行干扰程度 分级,本试验区属受 “重度” 干扰,难以恢复到采 前原貌,需进行生态重建,确定采取开发性复垦 方针,将受破坏的土地视为新的资源类型,在复 垦适宜性分析的基础上,进行开发、 重建. 3. 1. 2 按上述方法,计算复垦区最优水面保持 率为塌陷区总面积的15. 3 ,现已有塌陷水面 466. 7hm2,为塌陷区总面积的17 ,略大于最优 水面保持率,可适当围垦,但不宜扩大围垦面积, 以减少复垦资金的投入和洪涝灾害的产生. 3. 1. 3 对塌陷地复垦适宜性评价结果表明,在 2739.4hm2的塌陷区内,宜农、 宜林、 宜牧及宜 渔的面积分别为373. 3、24、6、466. 7hm2,约占 总面积的1/ 3.宜作建筑用地面积39. 5hm2.其它 68中 国 环 境 科 学 19卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 波及地可在原基础上进行改造. 3. 1. 4 采取以下措施对适宜不同复垦方向的塌 陷地进行复垦对宜渔水面进行规整,开挖精养 鱼池,开阔水面进行网箱养鱼、 开挖蟹池;进行 波及地整治,挖深垫浅,建设猪、 鸡、 渔综合养殖 场;对动态塌陷地及中、 低产农田进行改造,建 设蔬菜保护地;进行宜林地及鱼池边坡的植被重 建与保护;利用矸石充填塌陷坑,复土造田或造 建筑用地;实施以建农田道路、 地下管道、 机井 及扬水站为内容的管线工程. 3. 2 典型生态复垦模式的试验 根据复垦适宜性分析,选择3种适宜不同类 型塌陷地的典型生态复垦模式进行了试验研究, 即稳定塌陷地的综合养殖场建设模式简称综合 养殖场、 稳定塌陷地矸石充填塌陷坑复土造田 模式简称矸石田、 动态塌陷地可移动大棚蔬 菜栽培模式简称蔬菜保护地 . 3. 2. 1 各类模式的生态工程技术特点 综合养 殖场建立在南范乡甘义庄的稳定塌陷区.利用已 有积水水面开挖精养鱼塘,挖出的土方回填浅塌 陷坑,波及地经平整建鸡、 猪场,鱼塘波及边角 地种植农作物,形成鸡粪喂猪、 猪粪养鱼、 塘泥 肥田的物质良性循环模式.猪、 鸡舍采用抗变形 基础设施,用钢筋网作地梁以抗变形.猪场粪肥 通过地下输管排入鱼池. 矸石田建于范各庄矿的南排矸场.矸石就近 回填塌陷坑,经平整后复土,种植农作物.其工程 特点是采用石灰渣末作中和剂,对酸性矸石进行 中和处理;通过复土厚度的对比试验,确定复土 厚度为500mm;采用全面复土的操作工艺;进行 植物种植试验,筛选出适宜种植的苏丹草、 铁扫 帚、 沙打旺等牧草、 泡桐、 山海关杨、 洋槐、 紫 穗槐、 臭椿、 火炬树等乔木及豆科作物. 蔬菜保护地模式在西赵各庄村,是对动态塌 陷地进行整治、 保护原有农地,提高土地生产力 的复垦工程.为适应地表动态变化,除采取平整 土地,保护水土等农业耕作措施外,还研制了可 拆装式钢架双膜大棚和可移动式加苫塑料小棚, 为无柱钢筋拱棚,适合于在动态塌陷地上使用. 3. 2. 2 典型复垦模式的生态合理性分析 3种 典型生态复垦模式在试运行期主要的能流、 物 流指标的分析结果见表1.从表1可以看出,3种 复垦模式在生态上基本合理,其中尤以基础较好 的蔬菜保护地为突出.其能量产投比高达5. 10 , 约为当地平均水平的5倍.光能利用效率也较 高,为1. 95 ,约为当地平均水平的4倍.系统 的投氮结构基本合理.氮素产投比较高,平衡状 态良好,土壤库中N略有盈余.该模式适宜在未 严重破坏的动态塌陷地上推广. 表1 试运行期3种复垦模式的能流、 物流 N 素分析及环境污染状况 Table 1 The materiel flow ,materiel flow rate nitrogen and environmental condition in pilot run 项 目综合养殖场矸石田蔬菜保护地 复垦前土地状况稳定塌陷地 撂荒,少量岩地 矸石堆 塌陷坑 地表基本无积水的动态塌陷地 面积 hm 2 11. 7310. 005. 33 能量产投比0. 361. 045. 10 光能利用率0. 27 0. 02 1. 95 氮素产投比0. 930. 550. 78 系统内氮素自给率23. 0 7. 6 12. 2 水质状况良好基本未受污染基本未受污染 土壤质量状况良好F、As、Pb、Cd含量偏高F、As、Pb、Cd含量偏高 农作物质量状况F、As、Pb、Cd含量偏高,部分蔬菜有 超标现象 As含量偏高 综合养殖场原基础为破坏较严重的弃耕地 是采用物质、 能量多级、 多层次循环利用的原理 设计.因处于试运行期,鸡的养殖尚未运行,农作 物种植面积也较小.即使如此,该模式仍显示出 781期 杨居荣等采煤塌陷地的生态复垦 以唐山开滦煤矿为例 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 具有生态合理性.能量产投比达0. 36.光能利用 率虽低于当地0. 51 的平均水平,但由于处于 建设初期,在土壤肥力偏低的情况下,该值已不 低.特别是系统的氮素自给率是3种模式中最高 的,可达23. 3 .存在的问题是种植业面积小, 加之试运行期,猪粪肥、 塘泥尚未还田,种植业 子系统的氮素来源主要靠化肥,有机氮与无机氮 的比例仅为0. 3.受种植业比重偏低、 生产力不 高的影响,猪饲料主要靠系统外供给,障碍着整 个系统生态效率的提高. 在3种复垦模式中,矸石田的光能利用率最 低,仅为0. 02 ,氮素产投比及氮素自给率也较 低.但考虑其是在立地条件极端恶劣的条件下建 成,土层薄,土壤养分含量低,保水、保肥能力 差.在此基础上,系统的能量、 物质转化效率仍 属良好,已接近当地一般水平,仍有较大开发潜 力.其主要问题是农作物中部分金属元素超标. 3. 2. 3 典型复垦模式的生态经济分析 3种复 垦模式的生态经济分析结果见表2.从表2可以 看出,综合养殖场模式具有良好的财务效益,属 高投入、 高产出类型.以20年项目期、1995年 现价计算,其财务内部收益率可达33. 2 ,在 12 折现率下,每万元投资1995年现值可带 来2704. 60元现值收益,是很可观的.初期投 资较高每公顷需投入38. 4万元 , 但回收期在 4. 94年.加之该模式在生态上基本合理,对环境 无明显不良影响,其实施还可极大地缓解当地 农、 副、 渔产品的供应,并可提供就业机会,具有 积极的社会影响.可见,该模式值得推广. 但该模式种植业比重太低,饲料多依赖系统 外供给.表现在财务经济结构上,饲料占常规财 务成本的90 以上,其结果造成对饲料市场的 过度依赖.通过内部收益率对饲料价格的灵敏度 分析表 3 可以看出,由于该场产品有较好的财 务收益,故其饲料成本价格或用量可允许在 30 上下波动,即在产品价格不变的情况下,只 要饲料价格或用量上涨不超过30 ,该项目 还是赢利的,说明其对饲料价格的变动具有一定 弹性实际上如果考虑产品价格下降与成本上升 影响,其弹性低于此值 . 但饲料价格涨幅若超过 40 ,其经济效益将明显下降.然而在市场经济 体制下,难免会出现价格变幅,由此说明综合养 殖场对饲料价格有很大的依赖性.一旦饲料缺 乏,或价格涨幅过大,将会影响整个养殖场的运 转,重者可使其瘫痪. 表2 3种复垦模式的生态经济分析 Table 2 Ecological economic analysis of three reclamation style 项 目综合养殖场矸石田蔬菜保护地 公顷均投资万元38. 404. 76无工程投资 公顷均收入万元34. 651. 0711. 08 净收益万元152. 900. 7556. 38 投资回收期年4. 9419. 222 财务内部收益率 33. 207. 083 10. 673 32 财务产投比1. 472. 142. 03 7 折现率下万元投资净收益元3502842 类型高投入、 高产出低投入、 低产出低投入、 高产出 主要限制因子投资产出地力和技术 对策适度发展,或鼓励农户联营粗放经营、 改善生态环境大力推广 注 3财务内部收益率 3 3经济内部收益率 此外,综合养殖场的财务内部收益率对产品 猪肉价格的灵敏度分析表 4 表明相对于饲 料价格的灵敏度分析,养殖场财务内部收益率对 猪肉价格的变动不甚敏感. 88中 国 环 境 科 学 19卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表3 综合养殖场的财务内部收益率对饲料价格 或用量的灵敏度分析 Table 3 Sensitivity analysis of financial internal profit rateto feed priceor quantity in multiple 2producing farm 饲料增量FIRR饲料增量FIRR 22044. 901027. 32 21038. 972021. 57 2536. 033015. 83 2234. 284010. 04 2133. 07504. 11 033. 12 表4 综合养殖场财务内部收益率对猪肉价格变动 的灵敏度分析 Table 4 Sensitivity analysis of financial internal profit rate to pork price in multiple2producing farm 猪肉产量提高FIRR猪肉产量提高FIRR 2803. 9023021. 73 2707. 4622025. 44 26010. 9921029. 23 25014. 53033. 12 24018. 101037. 12 在矸石田模式的生态经济分析中,考虑了土 地的价值,即在复垦前为裸露矿石和塌陷坑,基 本无利用价值,且对周围环境有不良影响,故可 认为土地的价值为负值.其值即等于造成不良影 响的损失,这可通过机会成本法确定;复垦后环 境得到改善,如人工植被对小气候的改善、 减少 风沙、 净化空气等,这些效果用前述2. 6方法加 以量化. 由表2可见,该模式生态经济内部收益率为 10. 67 ,该模式使对周围环境和景观有明显不 良影响的排矸场变为人工植被的农地,具有显著 的生态效益.但其财务回收期长,在计入资金的 时间价值后,即使20年不缴纳任何税款,其财务 内部收益率也只有7. 08 ,仍低于1995年银行 存款一年期利率7. 47 .即对复垦者投资者 个人来说,将资金存款生息比进行该种复垦更为 合算.在3类复垦模式中,蔬菜保护地的经济效 益最高见表2 .由于采用大棚温室和反季节蔬 菜的种植,可使蔬菜提前上市,以获得较高的财 务收益.年总收入可达748919. 6元,人均收入 9396元,其财务产投比也较高2. 03 ,属低投 入、 高产出模式,值得推广.但由于其位于动态 塌陷区,经营者需掌握塌陷规律和发展趋势,采 取必要的防范措施. 3.2. 4 从生态合理、 经济可行方面双向修改、 完善典型复垦模式 根据上述的分析,综合养殖 场和矸石田模式均存在尚需改进之处.对综合养 殖场可作如下调整增大种植业比重,包括扩大 青贮饲料的种植面积及非渔业水面种植水生饲 料,使养殖业的饲料达到20 ,由系统内提供;增 加种植业有机肥料的投入量猪粪肥和塘泥肥 , 使种植业子系统所需肥料全部由系统内提供.使 其占种植业子系统投能的2/ 3.经修改后的生态及 生态经济效率见表5.与试运行阶段的指标相比, 其生态效率和经济效率都得到明显改善. 表5 优化后的综合养殖场与试运行期生态经济 效率的对比 Table 5 Compare of ecological economic efficiency in pilot run and after modified in multiple2producing farm 项 目优化设计后试运行期 能量产投比0. 50. 36 光能利用率0. 35 0. 265 氮素产投比1. 020. 93 氮素自给率 34. 923 财务内部收益率 3833. 2 投资回收期a4. 054. 94 财务产投比2. 31. 47 需指出的是该模式虽然经济效益高,但所需 投资也较高,故在整个复垦中,此类模式不宜过 多.前述矸石田模式在试运行期的主要问题是农 田光能利用率低、 土地经济收入状况差、 农作物 中一些金属元素含量超标.针对这些问题,对其 作如下改善减少蔬菜瓜果的种植面积,增加紫 穗槐及其它豆科、 草本植物的种植面积,使其占 总种植面积的80 或全部.其结果不仅可降低 复垦的成本降低人工费 , 而且避免了重金属对 农作物的污染.按试运行期紫穗槐的收割量计算 981期 杨居荣等采煤塌陷地的生态复垦 以唐山开滦煤矿为例 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 得到表6的结果,可以看出,该模式的生态合理 性及生态经济可行性均明显提高.以改善生态为 主要目的,种植紫穗槐不仅使生态环境明显改 善,而且财务和经济效益都比原有方式更有利, 若能进行产品的深加工如编织等手工艺 , 其经 济效益将更加显著. 表6 优化后的矸石田模式与试运行期的对比 Table 6 Compare of waste2rock2land style pilot run and after modified 项 目优化设计后试运行期 能量产投比1. 921. 04 光能利用率 0. 20. 02 氮素产投比0. 670. 55 氮素自给率 36. 27. 6 财务内部收益率 11. 027. 08 投资回收期年13. 9119. 22 财务产投比2. 752. 14 经济内部收益率 14. 0610. 67 经济投资净收益率3. 743. 34 注按80 种紫穗槐计 4 结语 采煤塌陷地复垦是投资较大的社会经济活 动.在我国由计划经济向社会主义市场经济转轨 阶段,如何使复垦充分发挥社会、 经济、 生态效 益,使复垦与市场接轨,并建立相应的政策加以 引导和扶持仍存在许多待研究解决的问题.作者 认为将环境经济学思想引入到复垦的经济分析, 计入复垦的生态效益十分必要,可促使追求财务 收益最大的利已行为自动与社会所期待的生态 行为目标协调一致. 参考文献 [1] 李玉臣,吉日格拉.矿区废弃地的恢复研究[J ].生态学 报,1995 ,53 339 - 343. [2] 祝国军.淮海平原煤矿塌陷区的综合开发[J ].国土与自 然资源研究,1993 ,2 10 - 13. [3] 卢兵友,王留方.农业生态系统物质循环的系统分析[J ]. 生态学杂志,1990 ,93 38 - 41. [4] 卞有生.留民营生态农业系统中人工辅助能产投比的计 算、 分析与研究[J ].农村生态环境,1989 ,1 15 - 19. [5] 张兰生.实用环境经济学[M].北京清华大学出版社,1992. 作者简介杨居荣19392 , 女,河北玉田人,北京师范大学环 境科学研究所教授,主要从事环境生态学教学和科研工作.承担 过 “土壤环境容量、 重金属对植物污染危害机理” 、 “植物对重金 属的耐受机理” 等多项研究课题.获国家、 省、 部级科技进步奖 5项.发表论文60余篇. 致谢对唐山市土地局、 唐山市古冶区土地局的闫允庭、 崔锦 堂、 张广哲、 崔光华及中国农业科学院作物所的蒋婉茹等同志 的合作与支持在此表示感谢. 世界卫生组织就交通对健康影响提出警告 世界卫生组织WHO最新的估计表明欧洲每年有80 ,000人以上死于长期暴露于交通引起的空气污染.这一 数字来源于美国的一些研究,研究内容是长期暴露于汽车尾车引起的颗粒物质的影响,对象只限于生活在市区的成 人.由于小孩和老人最易受交通污染的影响,所以总人口受影响的数字可能比这高得多.据WHO资料,各类大气污 染在欧洲每年导致200 ,000～300 ,000人死亡. 这些还没有公布的统计数字是今年7月底在维也纳召开的关于运输、 环境和健康的一次重要会议上交流的. 这次会议是为1999年6月在伦敦召开的部长级会议作准备,6月的伦敦会议将就这些问题通过一份欧洲文件. 除交通运输的负面影响外,WHO计划强调一些对环境有利的方式如骑自行车和步行.该联合国机构估计这样 做可以减少欧洲人常见的冠心病、 糖尿病、 肥胖和大多数慢性疾病的危险,冠心病危险可以减少一半. 江 英 摘自 Acid News,October ,201998 09中 国 环 境 科 学 19卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.