楊永均，陳 浮，王艷秋，韓方義，張紹良

(1.中國礦業(yè)大學礦山生態(tài)修復教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116；2.沛縣自然資源和規(guī)劃局，江蘇 沛縣 221600)

我國東部礦糧復合區(qū)地下水位高，采礦沉陷往往導致地表積水，農用地生產功能喪失，耕地保護壓力巨大[1]。當前，生態(tài)文明建設是社會發(fā)展的主旋律，國土空間生態(tài)系統(tǒng)性修復和近零生態(tài)損害的資源開采已成為新目標和新要求[2]。高潛水位礦區(qū)迫切需要轉變“先沉陷、再修復”的傳統(tǒng)思路，統(tǒng)籌考慮地上地下情況，實現全域保護性開發(fā)[3-4]。近幾年針對高潛水位礦區(qū)農用地保護和修復的技術取得了較大的進展[4-5]，胡振琪等[4]提出了邊采邊復的理論和技術體系。在此基礎上，一些學者研發(fā)了挖深墊淺[6]、復墾時機優(yōu)選[7-8]、標高控制[9]、泥沙充填[10]等關鍵技術。此外，還有學者開發(fā)了疏水減損[11]、基于剩余變形的動態(tài)預復墾[12]等技術。

通過在采煤沉陷全過程動態(tài)實施這些技術，理論上能夠縮短修復時間、節(jié)省修復成本、搶救表土資源、有效地減少農用地損毀面積、保護農用地質量和數量，具有較好的應用潛力[4]。然而，實踐中這些技術的實施受到客觀條件的嚴重限制，如永久基本農田在沉陷前不允許大規(guī)模工程措施破壞種植條件，因而無法預先通過挖深墊淺技術來搶救表土和減少沉陷積水面積。為此，采煤沉陷前農用地保護的技術實施需要系統(tǒng)性決策。本文系統(tǒng)分析高潛水位礦區(qū)農用地保護技術體系及其限制性因素，構建決策方法，并應用到2020—2030年沛北礦區(qū)農用地保護規(guī)劃中，以期為推進東部礦糧復合區(qū)的國土空間整體保護、系統(tǒng)修復與綜合治理提供技術支撐。

1 采煤沉陷對農用地的影響

地下有用礦物被采出后，采區(qū)周圍巖體內部原有的力學平衡狀態(tài)受到了破壞，使巖層發(fā)生了移動、變形和破壞。當開采面積達到一定范圍之后，移動和破壞將波及到地表，發(fā)生地面沉陷[1]。在東部高潛水位礦區(qū)，地面沉陷后，潛水位上升，土壤水分增加，硝化過程減少，造成無機養(yǎng)分減少，氮磷溶解，鹽漬化程度加重，影響農作物根系的水分與養(yǎng)分供應。當沉陷深度大于潛水位埋深，地面形成積水區(qū)，農用地產能喪失。此外，開采沉陷還使得地面形成中心低、四周高的沉陷盆地，改變了地表地貌特征，地表坡度變大，侵蝕加重，土壤質量下降，農用地產能降低。最終，原有的農用地生態(tài)系統(tǒng)逐漸演變成水陸相交互生態(tài)系統(tǒng)。

高潛水位地區(qū)農用地實際上是一個生態(tài)系統(tǒng)，在面臨擾動時體現出一定程度的自組織和自調節(jié)能力，坡度、土壤含水量、地下潛水位、鹽堿度是農用地生態(tài)系統(tǒng)的關鍵參數。當開采沉陷使得關鍵參數突破閾值，農用地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變，原有生產能力減弱或者消失。因此，為維持高潛水位礦區(qū)農用地生態(tài)系統(tǒng)的功能和質量，必須在采煤沉陷過程中實施工程措施，增強農用地生態(tài)系統(tǒng)對擾動的恢復力，避免沉陷擾動使得關鍵參數的閾值被突破，從而保持農用地生態(tài)系統(tǒng)原有狀態(tài)[13]。

2 農用地保護目標及關鍵技術

高潛水位礦區(qū)采煤沉陷前農用地保護是通過適宜的工程技術措施對農用地進行綜合整治，增強農用地對沉陷擾動的恢復力，提高農用地質量，從而減輕或避免沉陷對農用地質量和數量的影響。根據技術要點和對限制性條件要求的不同，高潛水位礦區(qū)采煤沉陷前農用地保護的關鍵技術包括梯次整理、疏水減損、超前充填、挖深墊淺四種，見表1。

表1 高潛水位礦區(qū)采煤沉陷前農用地保護關鍵技術Table 1 Key technologies for agricultural land protection before coal mining subsidence in high ground-water level area

盡管梯次整理、疏水減損和挖深墊淺等技術也經常被用于沉陷后農用地修復，但高潛水位礦區(qū)采煤沉陷前農用地保護與傳統(tǒng)技術的本質區(qū)別是在開采沉陷預測的基礎上實施，即根據未來開采沉陷的情況，控制地面和潛水位標高，興建抗沉陷的基礎設施。保護技術的實施最佳時間是在農用地生態(tài)系統(tǒng)突破生態(tài)閾值之前，即開采沉陷對農用地質量、數量和功能造成顯著影響之前。與傳統(tǒng)的“先沉陷，再修復”相比，可以避免農用地種植條件被破壞，節(jié)省沉陷后治理的修復成本，縮短修復時間，降低礦山企業(yè)對農用地損毀的補償壓力。目前，山東和安徽等省在采煤沉陷區(qū)利用挖深墊淺技術開展“邊采邊復”，較傳統(tǒng)的“先沉陷，再修復”技術可以提高耕地恢復率10%～40%[4]。

3 采煤沉陷前農用地保護技術決策方法

根據梯次整理、疏水減損、超前充填、挖深墊淺四種技術的技術要點和限制性條件的不同，四種技術的經濟成本、工程量、限制條件的數量、實施難度依次增加。在農用地保護規(guī)劃的過程中，需要根據農用地地塊的限制性條件和影響因素進行系統(tǒng)決策，選取適宜的技術。圖1給出了高潛水位礦區(qū)采煤沉陷前農用地保護技術的遞進決策方法。

圖1 基于關鍵限制性條件的采煤沉陷前農用地保護技術遞進決策方法Fig.1 Progressive decision-making method for agricultural land protection technologies before coal mining subsidence considering key constraints

一方面，依次考慮沉陷積水、疏水條件、充填物料、國土規(guī)劃四個關鍵限制性條件。首先，考察沉陷積水情況，當沉陷深度小于潛水臨界深度，沉陷后不積水，則可以選擇梯次整理的方法，主要解決沉陷過程中的水土流失問題；其次，若沉陷后積水，則考察地塊疏水條件，有無承泄和排水系統(tǒng)的興建條件，具備條件時，選擇疏水減損技術，避免大規(guī)模工程破壞農用地種植條件；再次，若不具備疏水條件，考察湖泥、粉煤灰、矸石、建筑垃圾、客土等充填物料是否具備，具備條件時，選擇超前充填技術，保護全部農用地；最后，若不具備充填物料，則考察地塊的國土規(guī)劃條件，當地塊不屬于永久基本農田保護范圍，且納入了土地整治專項規(guī)劃時，則可以部分調整土地類型并實施挖深墊淺工程，從而保護部分農用地免于積水，若地塊屬于永久基本農田，且沒有納入土地整治專項規(guī)劃，則應及時申請土地變更，避免農用地破壞等違法行為的產生。

另一方面，在農用地保護技術選定后，還必須考慮各種因素的影響，這些因素包括施工條件、沉陷特征、資金來源、保護意愿、效益情況和地塊質量，根據這些影響因素來調整和布局保護技術實施的具體時間、地點、方式和工程量。對于施工條件，主要考慮工程實施的交通運輸條件和施工成本，優(yōu)先選取運輸便利和施工成本低的地塊實施農用地保護技術。對于沉陷特征，主要考察重復采動、穩(wěn)沉時間和沉陷深度，當穩(wěn)沉時間較長，或存在多煤層重復采動時，需要在沉陷全過程中多次實施農用地保護技術，還需要根據沉陷深度來控制地塊標高。地塊質量主要影響農用地保護的地塊優(yōu)先順序和具體措施，應考慮質量提升潛力大和難度小的地塊優(yōu)先實施農用地保護工程，以便節(jié)約成本和提高效益，質量較差的地塊應配合農用地保護技術開展補充性的措施，如在超前充填后實施土壤改良工程。影響農用地保護技術實施的主要因素還有效益情況和保護意愿，當農用地保護技術的投入高于效益時，農民、政府、礦山企業(yè)參與農用地保護的意愿低，農用地保護受到制約而無法開展，因此，實施農用地保護必須克服這些因素的影響，實施農田保護可以充分使用礦山企業(yè)投資、社會投資、土地整理專項資金、土地復墾預存款，通過農用地提質改造獲得耕地交易指標和新增產能來提高效益，加強農用地損毀監(jiān)測監(jiān)管來強化保護責任。

4 案例分析——沛北礦區(qū)農用地保護

4.1 區(qū)域概況

沛北礦區(qū)位于江蘇省西北端，地處黃淮海平原，是典型的高潛水位礦區(qū)，已經有50余年采煤歷史，現有沉陷土地約有5 520 hm2，目前有5座煤礦仍在開采。根據開采沉陷預測結果，到2030年，沛縣新增沉陷區(qū)位于張雙樓礦西部和北部、姚橋礦西北部、孔莊礦西部，新增沉陷土地面積總計為2 300 hm2。新增沉陷土地中，耕地、園地、林地、養(yǎng)殖水面等農用地占85%，部分為國土空間規(guī)劃劃定的永久基本農田，因此，沛北礦區(qū)面臨較大的農用地保護壓力。

根據礦山開采計劃，沛北礦區(qū)的煤炭開發(fā)已經進入中后期，接近資源枯竭狀態(tài)，新增沉陷區(qū)域位于礦區(qū)核心開采區(qū)的邊緣地帶，無重復擾動，平均沉陷深度在1.5 m左右，屬于輕度沉陷和中度沉陷。沛北礦區(qū)地下水位呈西南高、東北低的態(tài)勢，潛水埋深在0.5～5.5 m之間。西南地區(qū)的土地利用現狀以旱地和果園為主，東北一側靠近微山湖，地勢較低，土地利用類型以水田和養(yǎng)殖水面為主。

為便于統(tǒng)籌實施各類保護技術，取得規(guī)模效益，將空間鄰近、開采時間集中、土地利用現狀一致的采煤工作面沉陷區(qū)劃定為農用地保護單元，如圖2所示。然后，搜集開采計劃、開采沉陷預測、水文地質、國土空間規(guī)劃、社會經濟資料，分析沉陷積水、疏水條件、充填物料、國土規(guī)劃四個關鍵限制性條件，考察施工條件、沉陷特征、資金來源、保護意愿、效益情況和地塊質量影響因素，利用本文提出的基于關鍵限制條件的遞進決策方法，確定沛北礦區(qū)各個采煤沉陷單元的農用地保護技術及策略。

圖2 2020—2030年沛北礦區(qū)新增采煤沉陷區(qū)Fig.2 New mining subsidence areas in Peibei mining area from 2020 to 2030

4.2 農用地保護策略

沛北礦區(qū)農用地保護單元在沉陷之后都會產生部分積水問題，僅依靠梯次整理無法實現農用地保護目標。根據基于關鍵限制條件的遞進決策方法，首先確定保護技術，然后分析地塊的各項影響因素，確定技術目標和措施等具體策略。沛北礦區(qū)2020—2030年新增采煤沉陷區(qū)農用地保護技術及策略見表2。

由表2可知，適宜疏水減損技術的有Z-5地塊、Z-6地塊、Z-7地塊、Z-8地塊、L-1地塊、L-2地塊。但由于地塊的土地利用現狀不同，疏水減損的具體措施和目標不同。Z-5地塊、Z-6地塊、Z-7地塊的技術策略是利用疏水技術維持果園生產能力，保護果樹，其中，Z-8地塊的技術策略是利用疏水技術在沉陷前將旱地改造為水田，提升產能和質量等級，L-1地塊和L-2地塊的技術策略是利用疏水技術保護水田，提升水田產能和質量等級。適宜超前充填技術的是Z-3地塊，該地塊靠近礦山矸石堆放場地，具備充填物料條件，地面已經發(fā)生積水，符合土地整治專項規(guī)劃，其具體技術策略是利用煤矸石或粉煤灰超前充填，修復現有積水農用地。適宜挖深墊淺技術的是Z-1地塊、Z-2地塊、Y-3地塊、Y-4地塊、Y-5地塊、X-1地塊、Y-1地塊、L-3地塊、K-1地塊，其中，Y-1地塊、L-3地塊、K-1地塊由于地勢低，土地利用現狀為坑塘水面，具體技術策略是搶救表土，搬遷轉移現有附作物，開展淺水-深水接力養(yǎng)殖，維持現有養(yǎng)殖水面的產能；其他地塊適宜采用挖深墊淺技術來建設養(yǎng)殖坑塘，從而保護部分水田，提升水田產能和質量等級。

表2 2020—2030年沛北礦區(qū)新增采煤沉陷區(qū)農用地保護技術及策略Table 2 Agricultural land protection technologies and strategies for newly added mining subsidence areas in Peibei mining area from 2020 to 2030

農用地保護技術的最佳啟動時間是在采煤沉陷積水前，且由于各沉陷單元穩(wěn)沉時間為3～5 a，因此需要動態(tài)實施各項技術。各項保護技術是針對各沉陷單元的總體策略，在沉陷單元內部的不同地塊，適宜組合運用多種技術，確保實現農用地保護目標。此外，在農用地保護過程中，應注重吸引礦山企業(yè)和社會力量共同參與，綜合利用新增耕地指標、土地復墾保證金、耕地損毀補償金、旱改水指標交易等資金保障措施，利用生態(tài)環(huán)溝等新型技術對采煤沉陷旱地進行提質改造，提高農用地質量和產能，增加農用地保護的動力和效益。在農用地保護全過程實施動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管，對于不能實現保護的農用地，及時申請地類變更。

5 結 論

1) 本文研究表明農用地保護是指在采煤沉陷前采取適宜的工程技術措施，增強農用地對沉陷擾動的恢復力，從而減輕或避免沉陷對農用地質量和數量的影響，關鍵技術包括梯次整理、疏水減損、超前充填和挖深墊淺。

2) 提出了采煤沉陷前農用地保護技術遞進決策方法。農用地保護技術的實施可以基于沉陷積水、疏水條件、充填物料、國土規(guī)劃四個關鍵限制性條件進行遞進決策，同時考慮效益情況、保護意愿、地塊質量、施工條件、資金投入、沉陷特征等影響因素的制約作用，來調整和布局各項農用地保護技術。

3) 沛北礦區(qū)各礦的生產已經進入中后期，新增沉陷區(qū)域位于礦區(qū)邊緣地帶，屬于輕度和中度沉陷，有利于實施各類農用地保護工程。綜合實施采煤沉陷前農用地保護技術，有較大的農用地減損和提質改造潛力，有望減少礦山企業(yè)的補償費用和增加農民收入。