柠条塔矿区土地复垦研究

白铭波，浮耀坤，冯泽伟，石国牟，王建文，胡振琪

(1.陕西陕煤陕北矿业公司 韩家湾煤炭有限公司，陕西 榆林 719300；2.中国矿业大学(北京) 土地复垦与生态重建研究所，北京 100083；3.陕西陕煤陕北矿业公司 柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林 719300)

西部矿区已成为我国能源开发战略中心，其煤矿开采机械化水平和开采强度的不断提升，势必损伤本已脆弱的矿区环境[1]，造成土地资源损毁。对开采损毁的土地进行土地复垦与生态修复，是改善西部矿区生态环境的重要手段之一，而科学、合理的土地复垦方案是实施土地复垦的重要依据[2]。

许多学者对矿山开采导致的土地损毁、环境破坏及其修复进行了分析研究，赵艳玲、黄琴焕研究了矿山土地破坏程度分析方法，对土地破坏分析因子的选择、破坏等级和分析单元的划分进行了详细的描述[3]；李伟对神府矿区进行了采动沉陷损害程度的分区分级界定，划定了评价神府矿区开采损害分级与判定条件，提出了基于陕北神府矿区地貌类型，确认生态修复区特殊土壤环境生长植物种类的土地复垦与生态重建模式[4]；胡海峰、何万龙等对山西的土地破坏程度分级指标进行了研究[5]。余学义针对矿区因矿产资源开采造成的受损土地，基于神东矿区近10a土地复垦监测数据，统计土地复垦影响因素等级标准，构建以矿区土地复垦效益为指标的评价体系，对神东矿区榆家梁煤矿土地复垦综合效益进行评价，其研究表明实施土地复垦使矿区土地类型得到大幅改善[6]。由于西部生态脆弱区生态环境本底脆弱，目前高强度的煤炭开采导致大量地面沉降、地质灾害、水土流失、植被衰退等灾害，致使原本脆弱的生态环境更加恶劣。本文以柠条塔煤矿为研究区，基于矿区自然地理特征，整理采煤塌陷土地损毁环节与形式，确定复垦区及复垦责任范围，划定评价单元，采用综合分析方法对研究区土地复垦的适宜性进行评价，并得出最终评价结果和复垦方向。

1 研究区自然地理概况

柠条塔矿区位于晋陕蒙能源“金三角”区域，陕北黄土高原与毛乌素沙地东南缘接壤处。矿区地貌以风沙滩、黄土丘陵沟壑为主，沟谷纵横，梁峁交错，地形破碎，沟谷陡峻，植被稀少，以考考乌素沟为界，其北为黄土丘陵沟壑，南部为风沙滩地貌。矿井地处考考乌素沟附近，属于风沙地貌向黄土沟壑地貌过渡区间。柠条塔矿采用斜井开拓，综合机械化采煤，全部垮落式管理顶板，井下煤炭开采造成矿区地表塌陷、压占损毁，地质环境、土地资源受到破坏。研究区自然地理情况分述如下：

1)地层岩性及构造。矿区南部大部覆盖着风积沙及萨拉乌苏组沙层，北部地表大部出露第四系黄土及新近系红土，考考乌素沟两侧零星出露基岩层。区内地层由老至新依次有三叠系上统永坪组(T3y)，侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，新近系上新统保德组(N2b)，第四系中更新统离石组(Q2l)，第四系上更新统马兰组(Q3m)和萨拉乌苏组(Q3s)，第四系全新统风积沙(Q4eol)和冲积层(Q4al)[7]。矿区地层大致为向西倾斜的单斜层构造，局部见有波状起伏，倾角小于2°，未见断层及岩浆岩，构造简单。

2)水文地质条件。柠条塔矿属于黄河流域中游地区窟野河流域，庙沟、考考乌素沟及其支沟由北向南形成地表水系。井田南翼地表水系主要为考考乌素沟及其支沟肯铁岭河、小侯家母河沟，最南部为麻家塔沟的支沟芦草沟。地下水主要是接受大气降水补给，虽属干旱半干旱大陆性气候，降水集中在7月—9月，沙层降水渗入率高，成为地下水补给的有利因素。

3)气候特征。柠条塔煤矿气候特点为冬季寒冷，春季多风，夏季炎热，秋季凉爽，四季冷热多变，昼夜温差悬殊，干旱少雨，蒸发量大，年平均降雨量在380～415mm，多集中在7、8、9三个月[8]。全年无霜期短，为11月份至次年3月份。

4)土壤特征。研究区内出露的主要地层包括基岩、黄绵土和风沙土。黄绵土是北翼最主要地面物质，分布面积约占63.63%以上。南翼为风沙土，其土质地粗，细砂粒占土壤矿质部分重量的80%～90%以上，而粗砂粒、粉砂粒及粘粒的含量甚微。

5)植被特征。研究区植被类型按区划分，北翼盘区为黄土丘陵地区，植被以灌木为主；南翼盘区植被主要为沙生植被类型，以沙蒿、沙柳。

6)土地利用类型。研究区内以草地和林地为主，草地面积3674.23hm2，占45.16%，林地面积3262.08hm2，占40.1%，耕地面积1082.96hm2，占13.32%，工矿用地、住宅用地、交通运输用地及其他用地面积116.58hm2，占1.42%，研究区内基本农田面积为834.6hm2。

7)赋存特征。柠条塔矿含煤地层为侏罗系中统延安组，自下而上划分为五个中级旋回岩段，分别含5个煤组。区内延安组地层含煤层11层，可采煤层6层，其中主要可采煤层为2-2、3-1、5-2上、5-2煤层4层[7]。

2 柠条塔矿区土地复垦特征

西部矿区生态本底脆弱，陕北煤炭开发基地是我国大型重点煤炭开采和能源化工基地的核心区域，该地区处于黄土高原和毛乌素沙漠的过渡地带地表植被稀少，水土流失及土地荒漠化程度严重。煤炭资源大规模开采，土地损毁越发严重，产生大量的塌陷坑、地表裂缝、堆积物，特别是黄土区的崩塌、坡体滑移等，对土地资源的影响十分严重，因此对该地区的土地复垦具有以下特点：

1)沉陷损毁土地具有损毁土地面积广、损毁类型多样性、分散性、损毁程度严重等特征，压占损毁土地具有污染严重、分布集中、负荷大等特征[9]。沉陷区土地损毁，造成土壤质地改变，土壤有机质流失，加剧水土流失，含水层被破坏，影响地表植被生长；区域内损毁形式和损毁程度都有所不同，造成的损毁区域较为分散，复垦成本增大；压占区损毁土地分布集中，堆积物及工业建筑体积大，改变原本地貌，修复难度大。

2)土地复垦过程需要时间与空间耦合。在时间上，应将矿区土地复垦工作划分为采前规划、复垦实施和后期监管三个阶段，提高复垦效率，减少复垦周期和资金投入；在空间上，需要井上井下协同，进行采复一体化研究，同时考虑区域生态系统类型，提高环境脆弱区生态系统功能。

3 土地损毁特征

3.1 土地损毁形式

采矿对土地的损毁形式存在有四种，分别是塌陷、压占、污染和挖损，研究区域煤炭开采对土地的破坏主要有采空区塌陷破坏土地、煤矸石和表土场压占土地以及部分取土场、道路挖损土地。

1)沉陷。地下煤层采出后，围岩应力被打破，覆岩垮落形成的采空区，导致上覆岩层垮落、产生裂隙和岩层移动，形成地表移动盆地。出现台阶、裂缝和塌陷坑等不连续变形。

2)排矸场、表土场压占。煤矸石对矸石周转场土地压占以及表土的堆放，使得原有的表土层将变为深土层，原地表植被将不复存在，排矸形成的自然表面将无植被覆盖，容易导致扬尘和水土流失，恶化当地自然生态环境。

3)取土场、道路挖损。取土场与道路挖损对土地的损毁在于改变了原有的土壤理化性质，破坏了原有的地表植被，改变了原始地形地貌，易导致水土流失并产生扬尘，原有的表土层失去，复垦时将对土地进行翻耕和土壤改良。

3.2 土地损毁时序

井工开采是造成地面塌陷的主要环节，排矸场、表土堆放以及道路临时占地是造成压占损毁的主要环节。基建期损毁土地主要是排矸场、表土场、排矸道路和进矿道路引起的压占土地损毁，生产期沉陷和裂缝的损毁时序是伴随各盘区和各煤层的开采时序安排而发生。土地损毁时序如图1所示。

图1 研究区土地损毁时序

3.3 土地损毁程度划分

研究区内每种破坏形式对土地的损毁程度都存在差异，采取基于实际情况的因地制宜的复垦措施，需要对土地破坏程度进行评价，综合考虑多年降雨量、松散层厚度分布、矿区塌陷面积、每单元格矿山分布密度、裂缝宽度、深厚比、采动次数、采煤方法与水资源破坏程度等评价因素，将评价结果划分为轻度、中度、重度3个等级[10，11]。轻度损害：土地破坏轻微，基本不影响土地功能；中度损害：土地破坏比较严重，影响土地功能；重度损害：土地严重破坏，丧失原有功能。

4 土地复垦适宜性评价

土地复垦适宜性评价是依据相关土地利用规划，区域自然、社会经济基础，调查分析原土地利用类型、土地损毁情况、公众参与意见及周边项目复垦案例，在经济可行、技术合理的条件下，确定拟复垦土地的最佳利用方向[12]。

4.1 复垦区与复垦责任范围确定

1)复垦区面积。分析土地损毁状况，结合研究区土地利用现状和实际需求，复垦区面积为永久性建设用地和损毁土地面积之和[13]，即复垦区面积=永久性建设用地面积+损毁土地面积=8135.85hm2。研究区永久性建设用地面积为67.83hm2；土地损毁总面积8068.02hm2，已损毁土地面积为1332.83hm2，拟损毁土地面积为6735.19hm2。

2)复垦责任范围面积。复垦责任范围是指复垦区中已损毁和拟损毁的土地及土地复垦方案设计的生产年限结束后不再继续使用的永久性建设用地共同构成的区域。复垦责任范围总面积为8068.02hm2，包括开采沉陷损毁土地8052.57hm2和临时压占用地15.45hm2。

图2 复垦区和复垦责任范围各用地单元土地面积关系

4.2 评价范围及评价单元的划分

1)评价范围。评价范围主要是开采所导致的沉陷区的沉陷地、裂缝地和排矸场，表土场、道路临时用地区，其中沉陷土地在风沙区和黄土丘陵沟壑区都有分布，排矸场、表土临时堆放场和道路临时用地位于南部风沙区。

2)评价单元的划分。评价单元是进行适宜性评价的基本工作单位，同一评价单元内土地的基本属性、土地特征、土地复垦利用方向和改良途径应基本一致，同时评价单元之间具有一定差异性，能客观反映出土地在一定时期和空间上的差异[13，14]。

研究区土地复垦适宜性评价对象包括拟损毁土地，其评价单元应具有一定特征，便于对未来土地状况的评价分析。首先，矿区原土地利用类型是长期在自然条件下所形成的，具有一定的适应性，因此土地利用现状应作为评价的重要依据；其次，煤矿开采对土地原始地貌造成损毁，土壤状况和类型等都将受到影响。因此，应充分考虑煤炭开采对土地造成的影响；最后，人为的土地复垦措施在一定条件下能够改善并帮助矿区生态系统的重建，所以，人为复垦措施也是重要的考虑因素，柠条塔煤矿土地复垦适宜性典型评价单元类型划分详见表1。

表1 土地复垦适宜性评价单元类型划分表

4.3 评价方法

1)沉陷区土地适宜性评价。矿区内沉陷地和裂缝地采用指数法进行适宜性评价。设每一评价单元有n个单因子加权评价指数，则加权指数和可表示为：

式中，Rj表示第j个评价单元最后所得到的评价分数；αi表示该评价单元在第i个评价因素中所得到的分值；bi表示第i个评价因素所占的权重。

根据以上分析，综合考虑研究区的主要评价因子，可得土地主要限制因素的农、林、牧等级标准及其指标权重。分别对宜耕、宜林和宜草的土地进行评价，得到柠条塔煤矿在剩余年限15.25a沉陷区土地适宜性评价表，详见表2。评价等级分值在12～54之间，为了更好地表明分类，把分值乘上修正系数1.8，让分值分布在37.8～98之间，土地适宜性评价等级分值及评价结果见表3。

表2 沉陷地、裂缝地评价体系表

表3 评价等级分值及评价结果表

柠条塔矿区沉陷土地复垦为三种类型，分别为宜耕、宜林和宜草。基于同一评价单元，宜耕评价得分高于宜林、宜草。陕北地区自然环境、气候因素对草、树木和农作物生境条件影响的差异性，从而导致得分不同原因[15-17]。耕地属于人工生态系统，受人为因素影响极强，更有利于农作物生长与加强抗灾能力[18]。耕地主要分布在北翼盘区，少量分布在南翼盘区。北翼盘区为黄土沟壑区，耕地分布比较零散，以小块面积分布居多，南翼盘区为风沙区，耕地数量分布有限，并且大面积集中分布。林地大多数分布在耕地附近，在河流沟谷处较多，南翼盘区的西南角是林地主要分布的地区，并与井田界线以外的天然林形成大面积的林地。

2)排矸场土地适宜性评价。排矸场土地适宜性评价采用简易评价法，柠条塔矿井生产所产生矸石量很少，大部分矸石已经作科学的综合处理，所以排矸场的规模有限；矸石的灰分、粒径和水解能力具有自身的特点，加上堆存方式及相应的防护措施，大大降低了矸石自燃的可能性。但是矸石本身对作物等的生长具有较大的限制作用，同时考虑恢复矿区生态环境的因素，排矸场复垦一般考虑宜林和宜草地，评价结果见表4。

表4 矿区矸石场土地适宜性评价

3)表土场土地适宜性评价。表土场土地适宜性评价采用简易评价法。表土临时堆放场设计于工业广场和排矸场的中间，方便表土剥离和运送。根据矿区实际情况，表土临时堆放场利用结束后，将其复垦成草地，面积为2.93hm2。

4.4 评价结果

综合考虑复垦区自然条件、经济因素与工程施工难易程度，结合各适宜性评价单元复垦为原地类的可行性分析结果，最终确定各评价单元复垦方向，基于便于工程设计、施工与监督管理，在确定各损毁单元复垦方向的基础上，对复垦方向相同、主要复垦工程和技术措施一致的损毁单元进行归并，确定损毁土地的复垦单元。各评价单元的最终复垦方向及复垦措施详见表5。

表5 土地复垦适宜性评价最终结果及复垦措施表

5 结 论

1)在分析柠条塔矿区自然地理特征、水文气候、植被、土地利用类型的基础上，研究该区域土地复垦特征。研究表明该区域沉陷损毁土地面积广、损毁类型多样性、损毁程度严重等特征，压占损毁土地分布集中、负荷大等特征。对该区域进行土地复垦需要阶段性、一体化研究，并考虑其空间特征。

2)通过分析矿区土地损毁环节与形式，表明塌陷和压占是陕北煤矿开采造成土地损毁的主要方式，井工开采是造成地面塌陷的主要环节，排矸场、表土堆放以及道路临时占地是造成压占损毁的主要环节。

3)通过综合分析法划分土地评价单元，对研究区土地复垦适宜性进行了评价，评价结果表明：研究区土地复垦责任范围总面积为8068.02hm2，包括开采沉陷损毁土地和临时压占用地区域；对排矸场、表土场采用简易评价法，对矿区内沉陷地和裂缝地采用指数法进行适宜性评价，综合考虑研究区的主要评价因子，得到土地主要限制因素的农、林、牧等级标准、指标权重与分值，得出柠条塔煤矿在剩余年限15.25a沉陷区土地适宜性评价结果；综合国家政策和区域地方规划、区域自然环境、经济因素、土地权利人意愿以及工程施工难易程度分析，并考虑复垦区各评价单元原地类，因地制宜，宜林则林、宜耕则耕、宜草则草，给出各评价单元的最终复垦方向，并提出各复垦单元适宜的复垦措施，主要包括土壤重构、植被重建、监测与管护等。