國內外采煤塌陷地整治研究進展及述評

張 偉，鄧艷梅，蔡安寧，王蔚哲

（1.安徽科技學院 建筑學院，安徽 蚌埠 233000；2.西安外國語大學 旅游學院，西安 710000；3.南京曉莊學院 旅游與社會管理學院，南京 211171）

受煤層埋藏條件的限制，我國成為了全球第一大井工煤礦開采國，采煤破壞土地的外在表現為塌陷和煤矸石壓地；而歐美發達國家大多采用露天開采方式，對土地造成的負面影響突出表現為挖損和占用。雖然中外采煤破壞土地的形式和機理、經濟社會制度、發展階段等因素都不相同，但煤炭開采給礦區經濟社會發展、生態建設和環境保護帶來的負面影響，以及人們期盼通過整治采煤塌陷地，促進礦區可持續發展，這兩方面則是相近的。采煤塌陷地是礦區土地復墾的重要對象之一，有關采煤塌陷地整治的研究大多散見于礦山土地復墾的文獻中。歐美發達國家的采煤塌陷問題早于中國，他們在塌陷地整治領域總結了很多成功經驗，為了更好地借鑒國外經驗，加快我國采煤塌陷地整治進度與擴大規模，本文從國外與國內的采煤塌陷地整治概念闡釋、規劃編制、工程技術、城市發展等視角，全面回顧并評述采煤塌陷地整治研究進展。

1 采煤塌陷地整治的概念闡釋

井工采煤使得原來處于平衡狀態的覆巖失去支撐，致使土方及覆巖先后冒落、斷裂、彎曲和變形，直至反映到地表，形成一個比采空區面積大得多的近似橢圓形的沉陷盆地，即采煤塌陷地。[1]學術界對采煤塌陷地的概念沒有異議，但對“整治”概念的理解，不同國家的含義是有差異的，如英國常用Restoration，美國常用Reclamation、澳大利亞常用Rehabilitation，另外還有revegetation（復綠）、reconstruction（重建）和Rehabilitation（復原）等術語。為了規范科學術語的應用，1974年美國科學院對這三個術語進行了描述，后來廣被研究者采用[2]：Restoration是指將采礦損毀的場地最大化地復原到采礦前的狀態，主要包括地形、地表和地下水系、生物群落等，多被翻譯為“復原”。Reclamation是指將被破壞的地區恢復到近似破壞前的狀態，不僅盡量恢復破壞前的地形，還盡量恢復生物群落的棲息場所，多譯為“恢復”，在中國常將其譯為“復墾”。Rehabilitation是指將采礦損毀的地區恢復到與采礦前編制規劃目標相一致的形式和生產力，若與采礦前不一致，那么新用途必須對社會更有利且與周圍環境美學價值相一致，多被翻譯為“重建”。

在我國，“整治”曾被表述為造地、復田、復耕、墾復和綜合治理等概念[3]，其中“復墾”一詞得到了大多數研究者的支持，但從上述釋義可以看出，“復墾”這一概念偏重于植被恢復和環境保護，功能過于單調。當前，為適應我國經濟社會發展的新形勢，土地復墾不僅注重生態功能恢復，還應突出目標用途多元化，直接為經濟社會發展提供用地支持，提高廢棄土地利用價值；土地復墾甚至還可以作為促進礦區經濟社會發展的機遇和載體，在地區扶貧開發工作中發揮應有的功能。在此背景下，我國推出了“土地整治”這一概念。[4]為了規避概念和理解上的混亂，當前我國普遍統一使用“整治”的概念，比如：原“國土資源部土地整理中心”更名為“自然資源部國土整治中心”?？梢?，礦區土地整治的概念隨著經濟社會發展而不斷豐富。

2 采煤塌陷地整治研究進展

2.1 “3S”應用視角的采煤塌陷地整治研究

在借助計算機輔助方面，歐美國家開始得很早。早在1979年，Michael 等就認為，在塌陷地整治規劃中，借助計算機輔助功能，不僅可以建立詳細的數據庫，還可以進行定量化評估，甚至可以到達可視化效果。[5]Darmody 應用GIS 技術評估伊利諾伊州采煤塌陷對農業發展造成的影響，為煤礦設計者和監管機構提供參考。[6]World Coal Association 通過記錄開礦前周圍環境的狀況，然后觀察煤礦開采對地表水、地下水、土壤、原生植被和野生動物種群的影響，以此建立數據庫，設計數學模型，用計算機模擬煤炭開采對當地環境的影響，從而為其他煤炭企業治理環境提供參考。[7]

在RS、GPS和GIS（3S）中，遙感技術RS（Remote Sensing）技術最早應用到我國礦區土地整治監測和治理領域。1986年原國家煤炭部應用法國SPOT衛星遙感圖像，監測唐山開灤范各莊礦采煤塌陷地的演變過程，繪制了塌陷區多時像圖和塌陷地類型分區專題圖，為編制塌陷地整治規劃及實際施工提供了科學依據。[8]全球定位系統GPS（Global Position System）技術具有布網靈活方便、作業周期短、勞動強度低和全天候實時監測等優點，所以迅速被應用到礦區土地整治測量領域，其中精密單點定位技術更是提高了塌陷地整治測量的外業效率和精度。[9]地理信息系統GIS（Geographic Information System）具有的緩沖區分析功能可以為決策者理性選擇開采方案、確定塌陷邊界和預算補償修復費用提供幫助；疊加分析功能可以科學評價塌陷地整治潛力，擬定和優化塌陷地整治方案；數字地理模型DTM（Digital Terrain Model）分析功能可以在計算塌陷地平整土方量、防治水利流失等方面提供技術支持，所以構建基于GIS的礦區土地整治信息系統，對塌陷地預測、整治及管理工作具有重要作用。[10]針對GIS的空間分析缺乏從整體上解決問題的特點，許多學者將GIS與模糊綜合評價模型[11]、人工神經網絡技術[12]等相結合，以拓展GIS的應用功能?！?S”技術不僅能夠獨立運用，同時相互之間還具有互補性，三者之間的相互作用形成了“2只眼睛和1個大腦”的框架，即RS從大尺度的“面上”提供來了監測區域的變化和塌陷信息，GPS則在“點上”提供了塌陷區精準的控制點信息，GIS則作為信息處理平臺，通過空間分析與決策支持功能，管理塌陷地整治工作?？梢?，“3S”集成技術在塌陷地整治、監測、管理和調控中的集成和應用是大勢所趨，也是未來建設“數字礦山”的重要組成部分。

2.2 工程技術視角的采煤塌陷地整治研究

國外把塌陷地看作是采煤活動的一部分，主要關注環境問題，偏重于采用生物措施，對塌陷地進行生態重建。通過在塌陷地和矸石壓占地上培養微生物，栽種樹木、灌木或草類等多種植物[13]；在復墾的植被里，放養兔子、羊、螞蟻、蚯蚓等各類動物，增加本土物種數量，重建自維持和功能生態系統[14]；充分利用土壤中的某些微生物對重金屬具有吸收、沉淀、氧化和還原等作用，降解土壤重金屬的有毒物質，如革蘭氏陽性菌可吸收Cd、Cu、Ni和Pb等[15]-[16]。利用某些植物能夠忍耐重金屬毒性，或能夠適應干旱和貧瘠的基質條件，如印度芥菜可吸收Zn，高稈牧草能吸收Cu，等等。[17]另外，柳樹、刺槐、楊樹等樹種對有毒元素都有較強的吸收力；增加土壤氮含量及有機質，恢復土地生產力，逐漸改善和提高環境質量。[18]-[19]

采煤塌陷地的差異性決定了具體施工技術的多樣化。我國地域廣闊，煤炭分布較廣，受地形、氣候、地質、煤炭儲量、埋藏深度、塌陷時間等多種因素影響，塌陷地類型多樣，通過總結一系列典型地區、典型塌陷地整治試點的經驗，我國已形成工程、生物和化學等多種科技含量高的整治技術。其中，工程技術主要包括平整土地、修筑梯田、疏排積水、填充凹坑、夯實地基、直接利用等措施[20]，其作用是構建植物生境，或為后續整治工程做好前期準備。生物技術主要包括土壤培肥、生物改良、植被重建等方法[21]，其作用是恢復土壤肥力，實現復墾土地生態系統可持續發展；化學技術主要針對有土壤或水質污染的塌陷區，采用化學電解、化學沉淀、離子交換、生物絮凝、生物吸附、植物修復等方法[22]，使土壤或水中的重金屬緩慢氧化或化合，吸收或降解塌陷土壤中的重金屬。在這三項技術中，從時間上看，工程措施是最早被應用在采煤塌陷地整治活動中，其次是生物技術，最后是化學技術；但就重要性而言，三者功能各異，不分伯仲，貫穿于每個實際整治項目之中，是綜合使用的。另外，這些技術手段大多適用于穩沉塌陷地，而非穩沉塌陷地整治的技術應用太少，特別是適用于建設用地的技術。[23]

2.3 城市發展視角的采煤塌陷地整治研究

根據城市地租理論，位于煤炭城市內部和郊區的塌陷地代表了一種資源——具有發展潛力的大量閑置低效土地為未來城市發展提供了生存和發展空間。[24]整治后的塌陷地具有承載功能，可以用作商服、居住、工業、農業、娛樂、野生物棲息、水利與水產養殖、應急避難場所以及其他綜合用途等[25]，在一定程度上能夠滿足城市經濟社會發展和基礎設施建設用地的空間需求；整治后的塌陷地具有生產功能，可以重新作為農業生產的基本生產資料，在一定程度上滿足城市需要的糧食、蔬果、漁畜、花卉、農業觀光體驗等物質或精神需求；整治后的塌陷地具有生態環境服務功能，可以作為城市濕地生態公園，發揮生物棲息、維持生物多樣性、調節氣候、釋氧固碳、降污解毒等功用，在一定程度上改善了城市生態和人居環境；整治后的塌陷地具有景觀功能，把塌陷地與周邊地物、歷史文化整合后，形成了獨特的煤炭城市景觀，水域和綠地構成了城市自然景觀，礦井、矸石山、鐵路、廠房等構成了城市人工景觀，采礦、工業、城市發展歷程構成了城市文化景觀[26]，這些景觀在一定程度上提升了城市推介形象和城市軟實力。

在承載功能方面，捷克從1950 年代初便開始整治采煤塌陷地，根據礦區和城市經濟社會和環境發展需要，不僅把整治后的塌陷地用作良田、人造森林，還因地制宜進行多種開發經營，如興建養魚池、游泳場、牧馬場、體育場、賽車場、狩獵場以及水上樂園、森林公園等，僅1952-1985年便累計整治塌陷地1萬hm2，取得了顯著的經濟社會效益和環境效益。[27]Gentcheva-Kostadinova 認為，塌陷地的特性決定了在其上面進行農業耕種，不僅管理難度大，還費用高昂，相比之下，如果用作林地，不僅整治工程量會有所減少，維護方便，還可以活化土壤，為將來用作農業耕種打好了基礎。[28]-[29]根據美國自然資源部官網的數據，1999-2010年肯塔基州東部420hm2塌陷地已被指定用作發展商業、工業或住宅，自2001年10月以來西弗吉尼亞州402.3hm2塌陷地已被指定用作工業、商業、公共服務或住宅發展。[30]可見，歐美國家將塌陷地整治再利用與生態低碳產業相結合，達到了社區所需要的環境與經濟共同發展的心理預期。

在生產功能方面，采煤活動損壞了大量的優質耕地，造成區域糧食產量減少，為了維護糧食安全，把采煤塌陷地整治為耕地是國家土地復墾的重要任務之一。南非的姆普馬蘭加?。∕pumalanga），采煤損毀的50%土地都是高潛力的耕地，為了把塌陷地恢復到高產狀態，在采礦前，先把沒有塌陷土地的50cm厚的耕作表土剝離，然后填覆到計劃復墾穩沉的塌陷地的表面，通過培肥、灌溉等手段，用作播種牧草，以控制土壤侵蝕，促進土壤微生物生長發育，經過若干年后，在土壤肥力達到耕地的標準后，再恢復為農田。[31]美國的德克薩斯州（Texas），針對塌陷程度不一的采煤塌陷地，采取回填、壓實、重置表土、建造梯田等不同的工程方式，重塑塌陷土地外觀，配備田間道路、灌溉等幾處設施，然后種植草類、樹木或者小麥、稻谷等草本植物，最后移交給土地所有者。[32]我國《土地復墾條例》（以下簡稱“《條例》”）明確指出“土地復墾應當堅持科學規劃、因地制宜、綜合治理、經濟可行、合理利用的原則”，這為塌陷地多元化利用提供了指導方向。需要說明的是，我國煤炭資源與耕地資源分布重合區域占我國耕地總面積的42.7%[33]，且重合區域的人口密度較大，采煤塌陷嚴重損毀耕地，致使失地農民數量上升，為保障國家糧食安全和地方社會安全，《土地管理法》專門指出“復墾土地應當優先用于農業”，而事實上，采煤廢棄地復墾為農業地的比例約90%[34]，實現了立法的預期目的。

長久以來，開采自然資源往往是以犧牲環境質量為代價的，城市居民和礦工遭受生態破壞與環境污染之苦，所以國外更偏重于把采煤塌陷視為環境問題，從而大多采用生物與化學技術，主要包括生物改良、植被重建、化學沉淀、生物吸附、植物修復等方法。為了保證復墾土地中的生物多樣性，歐美國家充分利用地形，增加景觀基質，突出人工設施的滲透性，促進水分、養分等循環；控制和預防場地中已知的入侵植物，降低其對當地的生態系統和植物群落的影響；盡可能利用本土植物，保護場地生態區域的本土植物群落以維持區域的植物多樣性，為小動物營造良好的棲息地。從實踐上看，比如，美國絕大多數的塌陷地已被指定用作魚類和野生動物的棲息地、森林或牧場。[35]

隨著人們價值取向、心理狀態和審美情趣等精神層面的要求逐步提高，塌陷地整治必然引入借鑒景觀學和景觀建筑學的思想理論，具體而言，在挖深墊淺、植樹種草、筑路修渠等工程中應盡可能地認識、維護、重建和延續原地域景觀特征[36]，從而既能滿足景觀美學的要求，又能顧及休閑用地的功能?！鞍邏K—廊道—基質”景觀結構理論在編制采煤塌陷地整治規劃與具體項目施工中有著重要的應用價值，通過保護和設計農用地塊、坑塘水面、片狀林草地等“斑塊”，可以發揮其生態涵養和景觀美學等功能，通過設計和新建田間道路、水利溝渠等“廊道”，可以發揮其連接隔斷、溝通運輸和景觀美學等功能，而維護和重構自然生態與人文歷史空間等“基質”，可以發揮其生物生產和提供生態服務的功能。[37]在實踐方面，由于塌陷地用于建筑的難度較大、風險較高，歐美國家甚至將廢棄空置土地用于城市耕作、生態涵養和藝術公園，不僅為城市提供了新鮮食物與花卉，還增加了城市綠地面積，重塑城市綠地景觀，方便了城市居民休閑娛樂。安徽省淮北市將礦區塌陷水域、殘留煤柱、煤矸石山、廢棄礦井等資源整合，規劃建設水生植物園、水上游樂園、垂釣園及水禽園等娛樂設施，構建水域—綠地—山體相融合的城市綠色空間，大大改善了原有的重工業城市形象。[38]

需要指出的是，塌陷地整治具有的承載、生產、生態和景觀等多重功能，往往會綜合運用到某個區域。在德國勃蘭登堡（Brandenburg）南部的褐煤礦區，1990年該區關閉了80%的礦點，科學編制整個礦區整治規劃，采取分期分片的推進方式，首先將15%的礦區整治為生態居住區，在塌陷水域上建設人工湖20余個；在廢棄礦區上打造煤炭深加工基地，適時推進產業轉移，讓下崗礦工在原地再就業；為了解決無煤發電的問題，該區投資5000萬歐元建立大型風力發電廠；為了快速解決水污染和水資源短缺的問題，該區引用外來水源向礦區注水，盡快讓地下水位恢復均衡狀態，并采用化學方法改良水質；通過對外招商形式，建立生態環境保護區；另外還有相當面積的土地被整理為耕地、草地。[39]德國魯爾區面對煤炭資源枯竭，環境污染嚴重，人口大量失業的殘酷現實，實施了為期20年的經濟恢復發展和重建計劃——魯爾區發展規劃，把塌陷嚴重的土地轉變成為綠化帶和公園，把新商業和產業園區布局在穩沉的塌陷地上，增強了文化和休閑領域的吸引力，塌陷地再利用為魯爾區的復興作出了巨大貢獻。[40]可見，整治后的土地利用多元性，為整個地區協調發展創造了有利的條件和良好的空間。

2.4 規劃編制視角的采煤塌陷地整治研究

塌陷地整治規劃是整治工程得以實施的前提，其編制是否科學、可行，是直接決定整治工作能否取得良好成效的關鍵。通常，塌陷地整治規劃都會涉及劃分整治類型、調查整治潛力、提出整治模式、評價適宜性、估算整治效益等多個環節。塌陷地分類明確是實現因地制宜分類整治的前提和依據[41]，不同的采煤塌陷地類型決定了整治模式的各式各樣，即使同一類型的塌陷地在不同地區的整治模式也會有所差異[42]。調查和評價采煤塌陷地整治潛力是科學編制土地整治規劃及其整治項目設計的重要基礎，對潛力調查結果進行科學評價，并劃分不同的潛力類型區，針對不同的潛力類型區的限制條件提出了相應的復墾方向和措施。[43]卞正富綜合評定了我國主要煤礦區的土地生產力破壞和生態類型，將全國采煤塌陷地根據復墾條件分為東北蒙東區、黃淮海區、晉陜蒙西區、華東南區、西南區和新甘寧青藏區6個大區及東北區、蒙東區、高潛水位區等12個亞區，并分別詳細闡述了6個大區的采煤特點、損毀土地類型和整治對策[44]，這為編制采煤塌陷地整治規劃提供了重要參考。由于我國采煤發生地本底條件差異很大，整治用途通常應與周邊經濟社會發展相適宜，且待整治的塌陷地都有多宜性，這就決定了全國采煤塌陷地整治很難有通用的一般模式。[45]適宜性評價涉及待復墾區域自然因素和社會經濟因素的影響，地形、地貌、地質、土壤、積水條件、塌陷坡度、與城市的相對距離等條件共同決定著土地利用的適宜性。塌陷地的適宜性是相對的，隨著經濟社會的發展，即使同一斑塊塌陷地的適宜性也是不斷變化的。評估整治效益是編制采煤塌陷地整治規劃的重要環節，已由初期的單純經濟效益向多目標的生態效益和社會效益兼得轉變。[46]可見，采煤塌陷地整治是兼顧整治污染源、保護環境、改善與重建生態，提高土地生產力、利用率和耕地墾殖率的一項綜合性工程，具有十分明顯的綜合效應。

在編制整治規劃時，引入模糊綜合評價、灰色聚類分析、開采沉陷理論、環境系統工程理論等方法與理論，做好煤炭開采后的塌陷形態、景觀格局等區域調查工作，總體上評價整治條件[47]；在前期的基礎上，運用層次分析、線性規劃、灰色決策等方法[48]，科學確定整治土地用途，優化整治區域用地結構，合理選擇整治工程措施，這些工作都是整治規劃的核心任務?；诓煌某霭l點，研究者可以編制不同的礦區土地復墾規劃，如僅從煤礦開采時間上看，可以分為采前規劃和采后規劃；根據礦區地貌可分為山區規劃和平原規劃[49]；而根據礦區地理位置的差異，可分為“城郊—礦區型”規劃和“農業區—礦區型”規劃，前者規劃方向是恢復區域的生態環境和自然景觀面貌，后者規劃方向是發展區域的生態農業[50]；根據規劃內容的重點不同，可以分為生態工程規劃、經濟效果規劃及生態與經濟效果綜合規劃[51]。在這里需要重點介紹中國礦業大學卞正富的《礦區土地復墾規劃的理論與實踐》一書，該書系統地介紹了礦區土地復墾規劃原理和方法的應用，并結合具體實際案例，已成為我國礦區土地復墾規劃編制的教科書，為我國礦區土地復墾工作的規范化管理與技術示范提供了寶貴的經驗，對我國礦區土地復墾向縱深發展具有很好的指導意義。[52]

3 采煤塌陷地整治研究述評

近年來我國采煤塌陷地整治成果頗豐，研究領域也較為全面，為下一步開展采煤塌陷地整治提供了重要的借鑒意義。與歐美發達國家比較，我國在采煤塌陷地整治的理論引入、功能定位、管理機制等研究方面仍處于比較落后的階段，有待于進一步加強。

3.1 國外理論體系相對完善，國內相關學科間融合不夠

通過國外采煤塌陷地整治相關研究進展的綜述，可以看出：國外采煤塌陷地整治理論體系相對較為完善，參與研究的學科較為齊全，目前已經形成了融合采礦學、地質學、人文地理學、自然資源與環境經濟學、城市規劃、社會學等跨學科、多角度研究的格局。

反觀國內采煤塌陷地整治主要在采礦學、地質學、生態學等學科領域展開，重視采礦安全、地質穩定、土壤修復、生態綠化等工程技術的實踐應用，而從人文地理學、區域規劃學、自然資源與環境經濟學等相關學科角度的研究成果偏少，且相關學科之間的交叉融合不夠，特別缺乏從城市發展需求的視角來展開采煤塌陷地整治研究。

3.2 國外注重發揮塌陷地綜合功能，國內以農業開發為主

國外把采煤塌陷地整治作為煤炭型城市轉型發展的重要內容之一，將采煤塌陷地整治視為區域發展的有效途徑和手段，即：把塌陷地整治與地方社會經濟發展、城市化進程、城鎮規劃等因素有機結合起來，充分發揮塌陷地的經濟產出價值、生態環境價值、歷史文化價值和科學教育價值，促進塌陷地及其周邊土地再開發，而實現調整區域產業結構、促進城市轉型發展的遠大目標。

我國把采煤塌陷視為狹隘的土地再利用問題，忽視了探討人、土地、環境、資源之間的多元耦合關系，本著“就復墾論復墾”原則，整治項目大多在農村地區開展，整治后的土地大多用于種植業、林業、畜牧業和漁業等傳統農業，整治動力明顯不足。采煤塌陷地整治成為了地方政府追求增加耕地面積、置換建設用地指標、加速城市規模非理性擴張的政績工程，且整治后的部分土地質量堪憂。功能定位與目標用途不一樣，采煤塌陷地整治的立法目的、管理措施、復墾手段、整治效益則會有所差異。

3.3 國外管理堅持市場調節與政府干預相結合，國內管理以政府為主導

國外采用市場激勵性政策和政府管制性政策有機結合的方法，激發了市場或社會投資意愿，提高了采煤塌陷地整治效率。國外政府部門僅負責整治項目的組織、審查和監督，具體工程的設計、施工和驗收則交付專業人員，并引入公眾參與監督機制，貫穿于整治項目的全部流程，從而避免發生權力尋租行為，保證了整治項目的高質量。

受經濟體制還不健全、政策法規存有缺陷等因素的影響，我國的政府和市場相結合的管理方式沒有得到有效實踐，政府管理仍占有支配地位。地方國土部門負責整治項目的設計、施工、監督和驗收等全部流程，這為權力尋租、復墾質量較低等問題留下了隱患。所以，國外市場與政府有機結合的整治模式，以及多方參與、分工明確的管理方式，對我國采煤塌陷地整治具有非常重要的借鑒意義。

3.4 國外重視經濟社會問題研究，國內注重工程技術研究

采煤塌陷問題具有空間關聯性，對煤炭城市經濟社會發展帶來了負面作用。國外重視采煤塌陷地整治的經濟社會問題研究，將采煤塌陷地整治視為實現城市發展的有效手段之一，消除或壓減塌陷及其負面效應，為城市轉型發展提供有效載體。國內注重采煤塌陷地整治的工程技術研究，大多處于場地試驗階段，對采煤塌陷帶來經濟社會問題還沒有引起足夠的重視。