李全生

1 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室,北京 1000112 神華集團有限責任公司科技發(fā)展部,北京 100011

東部草原區(qū)煤電基地開發(fā)生態(tài)修復技術研究

李全生1,2,*

1 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室,北京 1000112 神華集團有限責任公司科技發(fā)展部,北京 100011

本項目為“十三五”國家重點研發(fā)計劃批復項目(2016YFC0501100)。針對我國東部草原區(qū)大型煤電基地開發(fā)生態(tài)修復技術需求和工程實施難題,聚焦煤炭開發(fā)對草原生態(tài)(水、土壤、植被)的影響機理及累積效應、區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定性與生態(tài)安全協(xié)調機制兩大科學問題,運用生態(tài)學、采礦學、環(huán)境科學、草葉科學等多學科方法,采用理論分析、調查監(jiān)測、試驗研究相結合的綜合手段,厘清煤炭開發(fā)對地下水和植被種群的影響邊界、程度及累計效應,研發(fā)生態(tài)效應評價、區(qū)域水資源動態(tài)監(jiān)測、水資源保護利用、煤礦土地整治、微生物聯(lián)合修復、景觀生態(tài)恢復等15項關鍵技術,形成基礎理論、關鍵技術和工程示范一體化體系,創(chuàng)立東部草原區(qū)生態(tài)修復模式,在呼盟和錫盟煤炭開發(fā)基地進行集中工程示范,為我國東部草原區(qū)煤炭開發(fā)與生態(tài)修復提供理論和技術支撐。

東部草原區(qū)；煤電基地開發(fā)；水資源保護利用；生態(tài)修復；集成示范

自然生態(tài)環(huán)境退化是全球面臨的共同挑戰(zhàn)。我國生態(tài)環(huán)境問題相當嚴峻,北方沙化問題尤為突出,東部草原區(qū)生態(tài)屏障作用凸顯。該區(qū)域位于我國“兩屏三帶”的北方防沙帶東部區(qū)域,年降水量不到400mm,氣候酷寒(最低氣溫零下47.5℃),表土厚度僅30cm。近10年來,隨著資源與畜牧業(yè)持續(xù)開發(fā),優(yōu)質草地面積下降了近一半；同時,該區(qū)域聚集了我國蒙東煤炭基地和呼盟錫盟煤電基地,產能超4億噸,約占東北區(qū)產能的57%,保障了區(qū)域煤炭供應；電力裝機約2000萬千瓦,約占東北區(qū)煤電供應的29%,是西電東送和北電南送的保障區(qū)。大型煤電基地開發(fā)引發(fā)植被破壞、水土流失、地下水位下降等一系列生態(tài)問題,嚴重影響了東北能源保障和生態(tài)屏障作用的發(fā)揮,其生態(tài)修復和綜合整治成為國家生態(tài)安全的重大課題。

礦區(qū)生態(tài)修復起源于上世紀初美國、德國等發(fā)達國家,主要是從露天煤礦生態(tài)修復開始。經(jīng)過長期研究與實踐,在生態(tài)修復規(guī)劃、土壤重構、地貌重塑、植被恢復、采復一體化工藝、修復設備與材料、復墾區(qū)環(huán)境管理等方面取得一系列成果,并已形成法規(guī)和技術規(guī)范[1-16]。目前的研究重點是礦區(qū)生態(tài)擾動影響、生態(tài)修復效果、土壤和生態(tài)系統(tǒng)長期演變機理、近自然地貌重塑技術等。

我國上世紀八十年代開始重視礦區(qū)生態(tài)修復及技術研發(fā),研究與實踐集中在井工礦山,“十一五”和“十二五”期間相繼開展了“礦區(qū)復墾關鍵技術開發(fā)與示范應用”、“晉陜蒙接壤區(qū)大型能源基地生態(tài)恢復技術與示范”和“大型煤炭基地采煤沉陷區(qū)黃河泥沙充填修復技術及示范”科技支撐計劃項目,形成了適用于華北、華東煤礦區(qū)及晉陜蒙接壤區(qū)采煤沉陷地、煤矸石山生態(tài)修復技術成果[17-25]。隨著我國露天煤炭產量增加,露天礦區(qū)生態(tài)修復工作得到加強,重點在平朔、準格爾等露天礦區(qū)開展了技術研發(fā)和工程實踐；已從排土場復墾轉變?yōu)椴蓮鸵惑w化,但尚未從整體上統(tǒng)籌水、土、植被等生態(tài)要素進行生態(tài)修復技術系統(tǒng)研發(fā),尤其缺乏針對酷寒、半干旱、生態(tài)脆弱的東部草原區(qū)大型煤電基地生態(tài)修復的研究。

針對上述問題,神華集團聯(lián)合煤電開發(fā)、草業(yè)科學、生態(tài)保護等領域高水平的6家企業(yè)、6所高校和8個研究機構組成產學研聯(lián)合研發(fā)團隊,緊緊圍繞“兩屏三帶”生態(tài)安全屏障建設的“北方風沙區(qū)沙化土地綜合治理”重大科技需求,針對東部草原區(qū)大型煤電基地高強度開發(fā)活動和生態(tài)脆弱特征,突破煤炭開采對草原生態(tài)(水、土壤、植被)的影響機理及累積效應、區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定性與生態(tài)安全協(xié)調機制兩大科學問題,重點研發(fā)生態(tài)效應動態(tài)監(jiān)測評價與安全預警、水資源保護與循環(huán)利用、生態(tài)減損型采排復一體化、擾動區(qū)土壤重構與土地整治、貧瘠土壤有機改良、生物聯(lián)合植被恢復、景觀生態(tài)恢復等關鍵技術,在具有代表性的勝利礦區(qū)、寶日希勒礦區(qū)、大雁礦區(qū)開展規(guī)模化集成示范,形成東部草原區(qū)大型煤電基地生態(tài)修復與綜合整治系統(tǒng)性解決技術方案,為北方風沙區(qū)沙化土地中典型退化生態(tài)區(qū)域綜合治理和生態(tài)富民提供科技支撐。

1 項目研究內容

1.1 研究內容

按照項目申報指南要求,項目設置9個課題。

(1)大型煤電基地開發(fā)生態(tài)累積效應研究及風險評估。識別生態(tài)影響敏感因子,構建生態(tài)累積效應評估體系與風險閾值,建立區(qū)域生態(tài)監(jiān)測預警平臺。

(2)煤炭高強度開采驅動下地下水演變及其生態(tài)影響。研發(fā)地下水動態(tài)監(jiān)測與評價技術,揭示開采對地下水的擾動機理、作用邊界及其對生態(tài)的影響。

(3)大型煤電基地采排復一體化與土壤重構技術及示范。研發(fā)露天礦節(jié)地減損保水型采排復一體化及地層土壤重構工藝,電廠粉煤灰礦坑排放與無害化利用、表土剝離堆存及其替代材料開發(fā)技術。

(4)大型煤電基地水資源保護技術與示范。研發(fā)煤電基地開發(fā)水資源保護模式與方法,含水層再造、露天礦地下水庫儲水及水資源調配技術。

(5)大型煤電基地土地整治技術與示范。研發(fā)開采擾動區(qū)土地整治與水土保持、表土稀缺區(qū)土壤構建與改良、采礦廢跡地整治與再利用、典型污染場地識別與治理技術。

(6)大型煤電基地植被恢復技術與示范。研發(fā)草原區(qū)沙質貧瘠土壤有機生物改良、菌根等微生物菌群-植被聯(lián)合修復、根際微生態(tài)功能結構優(yōu)化與穩(wěn)定技術。

(7)大型煤電基地景觀生態(tài)恢復關鍵技術與示范。評價草原礦區(qū)景觀生態(tài)功能、研發(fā)采損地貌重塑與景觀生態(tài)恢復、農牧礦結合帶生境保護與修復、草原礦區(qū)景觀生態(tài)功能提升技術。

(8)大型煤電基地生態(tài)穩(wěn)定性評價及區(qū)域生態(tài)安全調控模式與示范。研究大型煤電基地生態(tài)穩(wěn)定性維持機制、生態(tài)穩(wěn)定性與區(qū)域生態(tài)承載力評價技術、區(qū)域生態(tài)安全調控模式。

(9)大型煤電基地生態(tài)修復關鍵技術集成示范。建設神華寶煤、北電勝利礦區(qū)生態(tài)修復技術集成示范、寶煤露天礦地下水庫示范、大雁礦區(qū)土地整治與景觀生態(tài)恢復技術集成示范。

百度云希望通過開源，將BIE的核心功能全面開放，同時推出國內首個開源邊緣計算平臺—OpenEdge，旨在打造一個輕量、安全、可靠、可擴展性強的邊緣計算社區(qū)。借助開源的OpenEdge，開發(fā)人員可以更靈活地開發(fā)控制自己的邊緣解決方案和應用，將云計算能力拓展至用戶現(xiàn)場，提供臨時離線、低延時的計算服務，包括設備接入、消息路由、消息遠程同步、函數(shù)計算等功能。百度云期待利用社區(qū)的力量為國內邊緣計算技術營造良好生態(tài)，促進邊緣計算在中國快速發(fā)展，加速更多行業(yè)人工智能應用落地。

課題1、課題2和課題8屬于整個項目的基礎理論研究,突出大型煤電基地開發(fā)生態(tài)累積效應評估及區(qū)域生態(tài)風險預警,重點研究煤炭高強度開采驅動下地下水演變及其生態(tài)影響,建立大型煤電基地生態(tài)穩(wěn)定性和區(qū)域生態(tài)安全協(xié)調機制,闡釋東部草原區(qū)大型煤電基地生態(tài)破壞的主要機理和生態(tài)修復的科學理論依據(jù)；課題3至課題7主要是側重于采排復一體化與土壤重構技術、水資源保護技術、土地整治技術、植被恢復技術、景觀生態(tài)恢復關鍵技術研發(fā)；課題9是大型煤電基地生態(tài)修復關鍵技術集成示范(圖1)。

圖1 項目研究內容設置邏輯框架
Fig.1 Logical framework of the project research contents setting

1.2 技術路線

項目技術路線如圖2所示。

針對項目研究目標,圍繞兩大科學問題,采用理論研究、調查監(jiān)測、試驗研究和工程示范等方法,開展三項理論和五項關鍵技術研發(fā),形成源頭減損、過程控制和綜合整治的區(qū)域生態(tài)修復技術體系。

2 總體目標

2.1 總體目標

解決東部草原區(qū)大型煤電基地長期高強度開發(fā)對草原生態(tài)(水、土壤、植被)的影響機理及累積效應、生態(tài)穩(wěn)定性與區(qū)域生態(tài)安全協(xié)調機制兩大科學問題,研發(fā)相應關鍵技術,創(chuàng)建生態(tài)安全調控模式,依托呼盟和錫盟生態(tài)保護建設規(guī)劃重點任務區(qū)、呼盟國家可持續(xù)發(fā)展試驗區(qū)開展示范,為保障東部草原區(qū)大型煤電基地科學開發(fā)和生態(tài)安全提供科技支撐。

圖2 項目技術路線
Fig.2 Technical route of the project

2.2 考核指標

(2)技術研發(fā)方面,研發(fā)煤炭高強度開采條件下水資源監(jiān)測技術,地下水對生態(tài)影響評價技術,大型煤電基地水資源優(yōu)化配置與調控技術,露天煤礦仿自然地貌綜合整治技術,露天礦生態(tài)減損型采排復一體化技術,表土稀缺區(qū)復墾土壤構建技術,生物聯(lián)合修復技術、沙化土壤有機培肥改良技術、生態(tài)功能優(yōu)化的生物調控技術、農牧礦生態(tài)交錯帶生境保護與修復技術,大型煤電基地典型景觀生態(tài)功能提升技術,大型煤電基地生態(tài)穩(wěn)定性評價技術、區(qū)域生態(tài)承載力評價技術、區(qū)域生態(tài)安全調控與保障技術等15項關鍵技術。

(3)示范工程方面,覆蓋典型的蒙東大型煤電開發(fā)區(qū)、露天煤礦生態(tài)擾動區(qū)和干旱半干旱的草原沙化區(qū),示范區(qū)15000畝。其中,露天排土場治理示范區(qū)植被覆蓋率較本底值提高35%,廢跡地示范區(qū)治理率達到96%。

(4)知識產權與人才培養(yǎng)方面,在國內外學術期刊上發(fā)表高水平學術論文不少于80篇(SCI或EI收錄30篇),出版相關專著5部以上；申請相關國家發(fā)明專利30項以上；編制1套生態(tài)安全評價規(guī)范、5項水資源保護和生態(tài)修復技術指南等方面的企業(yè)與行業(yè)標準；培養(yǎng)博士后、博士、碩士研究生60人以上。

2.3 預期成果

圍繞東部草原區(qū)大型煤電基地長期高強度開發(fā)對草原生態(tài)(水、土壤、植被)的影響機理及累積效應和東部草原區(qū)大型煤電基地生態(tài)穩(wěn)定性與區(qū)域生態(tài)安全協(xié)調機制兩大科學問題,科學層面上預期獲得高強度開采對草原生態(tài)影響的邊界、程度與范圍,探索出促進生態(tài)穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展的機理、技術與方法。通過草原植被恢復和種植經(jīng)濟作物等,既能起到防風固沙的作用,又能吸收、轉移農村剩余勞動力,生態(tài)經(jīng)濟效益顯著,預計綜合經(jīng)濟效益在10億元左右。

3 結語

本項目實施周期4.5年,通過產學研協(xié)同創(chuàng)新,針對我國東部草原區(qū)煤電基地開發(fā)引起了地下水位下降、土地破壞、土壤沙化、植被退化、景觀破損等生態(tài)問題,揭示生態(tài)脆弱草原區(qū)大型煤電基地開發(fā)的生態(tài)影響機理及累積效應,研發(fā)生態(tài)恢復關鍵技術體系,創(chuàng)建煤電開發(fā)與區(qū)域生態(tài)安全調控模式,為大型煤電基地區(qū)域科學開發(fā)提供科技支撐。

[1] Lei K, Pan H Y, Lin C Y. A landscape approach towards ecological restoration and sustainable development of mining areas. Ecological Engineering, 2016, 90:320-325.

[2] Toktar M, Papa G L, Kozybayeva F E, et al. Ecological restoration in contaminated soils of Kokdzhon phosphate mining area (Zhambyl region, Kazakhstan). Ecological Engineering, 2016, 86:1-4.

[3] Brown S L, Chaney R L. Use of Amendments to Restore Ecosystem Function to Metal Mining-Impacted Sites: Tools to Evaluate Efficacy. Current Pollution Reports, 2016, 2(2):1-12.

[4] Srivastava N K, Ram L C, Masto R E. Reclamation of overburden and lowland in coal mining area with fly ash and selective plantation: A sustainable ecological approach. Ecological Engineering, 2014, 71(71):479-489.

[5] Ma C, Cai Q, Wang H, et al. Modeling of Water Flow in Reclaimed Mine Spoil with Embedded Lignitic Fragments Using Hydrus-1D. Mine Water & the Environment, 2014, 34(2):197-203.

[6] 馬從安, 才慶祥, 韓可琦. 露天礦生產與生態(tài)重建適宜性評價專家系統(tǒng). 中國礦業(yè)大學學報, 2006, 35(2):231-234.

[7] 才慶祥, 高更君, 尚濤. 露天礦剝離與土地復墾一體化作業(yè)優(yōu)化研究. 煤炭學報, 2002, 27(3):276-280.

[8] 畢銀麗.叢枝菌根培養(yǎng)新技術及其對土地復墾生態(tài)效應. 地質出版社, 2007.

[9] Miao Z, Marrs R. Ecological restoration and land reclamation in open-cast mines in Shanxi Province, China. Journal of Environmental Management, 2000, 59(3):205-215.

[10] Pallavicini Y, Alday J G, Martínez-Ruiz C. Factors Affecting Herbaceous Richness and Biomass Accumulation Patterns of Reclaimed Coal Mines. Land Degradation & Development, 2015, 26(3):211-217.

[11] Hanel L. Development of soil nematode communities on coal-mining dumps in two different landscapes and reclamation practices. European Journal of Soil Biology, 2002, 38(2):167-171.

[12] Ghose M. Management of topsoil for geo-environmental reclamation of coal mining areas. Environmental Geology, 2001, 40(11):1405-1410.

[13] Feagin R A, Thomas D H. Does vegetation prevent wave erosion of salt marsh edges?. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(25):10109-13.

[14] Lindberg T T, Bernhardt E S, Bier R, et al. Cumulative impacts of mountaintop mining on an Appalachian watershed. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108(52):20929-34.

[15] Gremer J R, Bradford J B, Munson S M, et al. Desert grassland responses to climate and soil moisture suggest divergent vulnerabilities across the southwestern United States. Global Change Biology, 2015, 21(11).

[16] B.C. Verschoor, Pronk T E, Goede R G M D, et al. Could plant-feeding nematodes affect the competition between grass species during succession in grasslands under restoration management?. Journal of Ecology, 2002, 90(5):753-761.

[17] Hu Z, Xiao W. Optimization of concurrent mining and reclamation plans for single coal seam: a case study in northern Anhui, China. Environmental Earth Sciences, 2013, 68(5):1247-1254.

[18] 畢銀麗, 王瑾, 馮顏博,等. 菌根對干旱區(qū)采煤沉陷地紫穗槐根系修復的影響. 煤炭學報, 2014, 39(8):1758-1764.

[19] 劉福明, 才慶祥, 陳樹召,等. 露天煤礦中間搭橋適用條件與關鍵參數(shù)的確定. 煤炭學報, 2015, 40(1):73-79.

[20] 李樹志. 我國采煤沉陷土地損毀及其復墾技術現(xiàn)狀與展望. 煤炭科學技術, 2014.

[21] 鄭佳怡, 付曉, 王辰星,等. 區(qū)域環(huán)境承載力評價指標體系的構建——以黃河上游水電開發(fā)區(qū)域為例. 生態(tài)學雜志, 2014, 33(8):2228-2234.

[22] Tan F, Lu Z. Assessing regional sustainable development through an integration of nonlinear principal component analysis and Gram Schmidt orthogonalization. Ecological Indicators, 2016, 63:71-81.

[23] 張建民, 李全生, 胡振琪,等. 西部風積沙區(qū)超大綜采工作面開采生態(tài)修復研究. 煤炭科學技術, 2013, 41(9):173-177.

[24] 李全生, 賀安民, 曹志國. 神東礦區(qū)現(xiàn)代煤炭開采技術下地表生態(tài)自修復研究. 煤炭工程, 2012(12):120-122.

[25] 康薩如拉, 牛建明, 張慶,等. 草原區(qū)礦產開發(fā)對景觀格局和初級生產力的影響——以黑岱溝露天煤礦為例. 生態(tài)學報, 2014, 34(11):2855-2867.

Research on ecological restoration technology of coal-power base in eastern steppe of China

LI Quansheng1,2,*

1StateKeyLaboratoryofGroundwaterProtectionandUtilizationinCoalMining,Beijing100011,China2DepartmentofScienceandTechnologyDevelopment,ShenhuaGroupCorporationLimited,Beijing100011,China

This project is one part of “Thirteen Five” national key research and development program approved project whit the NO. of 2016YFC0501100. Taking account of the ecological restoration technology development and engineering practice problems of large-scale coal-power bases in eastern steppe of China, including ecology, mining, environmental science, protoculturescience and other subject, thetheoretical analysis, experimental research, survey and monitoring and other meanswill be used tofind out thetwo scientific questions caused by coal mining: one for influence andcumulative effect ofgrassland ecosystems (water, soil, vegetation), and the other for regional ecological stability and security coordination mechanisms at the regional ecological. The influence boundary of regional groundwater and vegetation populations with coal exploitation will be clarified. A series ofkey technologies, such as ecological cumulative effect evaluation method, dynamic monitoring of regional water resources, water resources conservation and utilization, coal mine land reclamation, microbial bioremediation, landscape restoration, will be established. The integration mode with basic theory, key technology integration and demonstration projects will be developed, which will provide theoretical and technical support for the eastern prairie region of coal exploitation and ecological restoration.

eastern steppe of China; develop of coal-power bases; water resources protection and utilization; restoration of the ecosystem; integrated demonstrate

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0501100)

2016- 11- 14

10.5846/stxb201611142313

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liqs@shenhua.cc

李全生.東部草原區(qū)煤電基地開發(fā)生態(tài)修復技術研究.生態(tài)學報,2016,36(22):7049- 7053.

Li Q S.Research on ecological restoration technology of coal-power base in eastern steppe of China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7049- 7053.