煤電基地開發(fā)的生態(tài)水危機(jī)難題，本書探討如何破局！

水資源保護(hù)是我國大型煤電基地科學(xué)開發(fā)和區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)的重要保障。本書按照“系統(tǒng)保護(hù)與協(xié)同利用”思路，針對大型煤電基地開發(fā)水資源保護(hù)利用重大技術(shù)難題，結(jié)合東部草原區(qū)典型基地研究與示范工程，聚焦礦區(qū)水資源地質(zhì)保護(hù)評價(jià)、軟巖區(qū)大型露天/井工礦地下水庫構(gòu)建、煤炭開采地下水原位保護(hù)、礦井/礦坑水潔凈儲(chǔ)存與生態(tài)利用、水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置與調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)和方法，提出了采動(dòng)滲流分析、開采導(dǎo)水裂隙帶自修復(fù)促進(jìn)等新方法和大型露天礦立體儲(chǔ)水模式、露天地下水庫和含水層保護(hù)的柔性開采等新技術(shù)，初步形成適于大型煤電基地水資源科學(xué)保護(hù)與有效利用技術(shù)體系。

大型煤電基地是我國能源規(guī)模化集約化開發(fā)的重要方式，也是國家能源安全保障和區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。我國煤基能源集約化開發(fā)中水資源科學(xué)保護(hù)與有效利用一直是煤炭資源可持續(xù)開發(fā)與區(qū)域生態(tài)安全協(xié)調(diào)的難點(diǎn)，也是大型礦區(qū)生態(tài)保護(hù)性開發(fā)中面臨的重大難題。東部草原區(qū)聚集了13個(gè)大型褐煤田及大量的中小煤田，分布在呼倫貝爾和錫林郭勒草原區(qū)的大型褐煤田支撐著煤電基地建設(shè)，其煤炭產(chǎn)能超4億t，裝機(jī)超過2000萬kW，約占東北區(qū)的57%和29%，形成了草原區(qū)煤電基地群。該區(qū)具有酷寒、干旱半干旱、土地瘠薄等生態(tài)脆弱性特點(diǎn)，近年來草地退化、土地沙化、水土流失嚴(yán)重、生物多樣性下降等導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)呈退化態(tài)勢，煤電基地開發(fā)的生態(tài)問題與區(qū)域生態(tài)安全的矛盾更加凸顯，而保護(hù)有限的水資源成為保障煤電基地可持續(xù)開發(fā)和促進(jìn)區(qū)域生態(tài)安全的重要內(nèi)容。

《大型煤電基地水資源保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)》針對我國大型煤電基地科學(xué)開發(fā)面臨的水資源短缺與開采地下水系統(tǒng)破壞問題，按照“系統(tǒng)保護(hù)與協(xié)同利用”思路，以大型煤電基地可持續(xù)開發(fā)與區(qū)域生態(tài)安全協(xié)調(diào)為目標(biāo)，依托我國生態(tài)脆弱區(qū)典型大型煤電基地群—東部草原區(qū)大型煤電基地聚集區(qū)的系統(tǒng)研究與工程實(shí)踐，聚焦大型露天礦區(qū)地下水庫、大型井工礦地下水系統(tǒng)保護(hù)和區(qū)域水資源科學(xué)配置等重點(diǎn)，提出了大型露天礦三層儲(chǔ)水模式、近地表生態(tài)型儲(chǔ)水機(jī)制、導(dǎo)水裂隙帶自修復(fù)機(jī)制、露天礦地下水庫儲(chǔ)水介質(zhì)重構(gòu)機(jī)制、區(qū)域水資源調(diào)控機(jī)制等，以及地下水保護(hù)地質(zhì)評價(jià)、采動(dòng)滲流系統(tǒng)分析、含水層導(dǎo)通區(qū)分析等新方法，開發(fā)了大型露天煤礦地下水庫構(gòu)建、大型井工礦地下水原位保護(hù)、導(dǎo)水裂隙帶自修復(fù)促進(jìn)、礦井（坑）水潔凈儲(chǔ)水與生態(tài)利用等新技術(shù)，初步形成適于東部草原區(qū)煤電基地可持續(xù)開發(fā)的地下水資源保護(hù)與利用的關(guān)鍵技術(shù)體系。

該書基于我國大型煤電基地典型案例研究提出的水資源保護(hù)理論與關(guān)鍵技術(shù)，不僅為我國地下水資源保護(hù)和利用充實(shí)了創(chuàng)新性內(nèi)容，也為我國煤電基地科學(xué)開發(fā)與區(qū)域生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)提供了重要的技術(shù)支撐。該書的面世有助于讀者正視我國煤基能源開發(fā)中存在的問題，了解相關(guān)領(lǐng)域廣大科技工作者的不懈努力及對煤基能源綠色開發(fā)的追求，同時(shí)也期待進(jìn)一步加強(qiáng)該領(lǐng)域的深入研究與工程實(shí)踐，彰顯科技作為第一生產(chǎn)力的作用，促進(jìn)我國煤電基地科學(xué)開發(fā)與區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)。

中國工程院院士

2022年12月16日

研究總體技術(shù)思路

前 言

大型煤電基地是基于我國煤炭為主體能源的國情形成的能源集約化開發(fā)模式，是國家能源安全保障和區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐，而水資源科學(xué)保護(hù)與有效利用是煤電基地可持續(xù)開發(fā)面臨的重大難題，也是區(qū)域生態(tài)安全的有效保障。東部草原區(qū)聚集了13個(gè)大型煤田和一大批中小煤田，支撐著東部草原區(qū)煤電基地群的開發(fā)。由于該區(qū)具有酷寒、干旱半干旱、土地瘠薄等生態(tài)脆弱性特點(diǎn)，煤電基地開發(fā)的生態(tài)影響和近年來區(qū)域生態(tài)退化，凸顯煤電開發(fā)與區(qū)域生態(tài)安全協(xié)同的重要。傳統(tǒng)的煤炭資源開發(fā)實(shí)施的“邊開發(fā)邊治理”或“先開發(fā)后治理”的策略具有生態(tài)修復(fù)難度大和生態(tài)持續(xù)影響時(shí)間長的弊端，如何在煤炭資源開發(fā)全過程按照“減損開采”策略控制生態(tài)影響強(qiáng)度和時(shí)間，特別是從生態(tài)系統(tǒng)學(xué)視角突破傳統(tǒng)認(rèn)識，開發(fā)生態(tài)型水資源保護(hù)方法和技術(shù)，有效提升大型煤電基地水資源保護(hù)和利用水平，促進(jìn)能源開發(fā)集中區(qū)域生態(tài)安全，已經(jīng)成為能源、生態(tài)和煤炭開發(fā)等領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，也是本書開展專題研究與工程實(shí)踐的重點(diǎn)。

（一）

大型煤電基地是依托大型煤炭基地建立的煤電現(xiàn)代化生產(chǎn)集中區(qū)域，是國家能源安全戰(zhàn)略的重要支撐。為確保煤基能源開發(fā)中水資源保障和區(qū)域生態(tài)安全，國家相關(guān)部門相繼出臺(tái)了一系列管理措施，如2013年國家發(fā)展和改革委員會(huì)出臺(tái)了《礦井水利用發(fā)展規(guī)劃》；2014年國務(wù)院發(fā)布了《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（水十條），明確指出“推進(jìn)礦井水綜合利用，煤炭礦區(qū)的補(bǔ)充用水、周邊地區(qū)生產(chǎn)和生態(tài)用水應(yīng)優(yōu)先使用礦井水”；2017年財(cái)政部、國家稅務(wù)總局、水利部聯(lián)合發(fā)布了《擴(kuò)大水資源稅改革試點(diǎn)實(shí)施辦法》，在試點(diǎn)地區(qū)將礦井水納入了征收范圍；2021年生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展和改革委員會(huì)和國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤炭資源開發(fā)環(huán)境影響評價(jià)管理的通知》，規(guī)定了礦井水要充分利用，確需外排時(shí)，水質(zhì)應(yīng)滿足或優(yōu)于受納水體環(huán)境功能區(qū)劃規(guī)定的地表水環(huán)境質(zhì)量對應(yīng)值。這些都為煤基能源開發(fā)中水資源保護(hù)與利用提出了明確的要求，也是區(qū)域生態(tài)安全管理的重要內(nèi)容。煤炭資源開發(fā)對水資源的影響一直是社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)話題，目前煤炭高強(qiáng)度開采對礦區(qū)及區(qū)域水資源系統(tǒng)（如地下水和地表水水量與水質(zhì)等）均有一定影響，其影響機(jī)理和機(jī)制問題仍在不斷深入研究和探索中。在井工開采方面，國內(nèi)外學(xué)者研究了井工開采過程中覆巖破斷對上覆含水層和隔水層影響，分析了不同工況下含水層變化特征以及對生態(tài)環(huán)境的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了綠色開采、保水采煤等理念和技術(shù)體系，推動(dòng)了礦山安全開采和綠色開采的發(fā)展；露天開采方面，露天開采工藝和流程的特殊性，導(dǎo)致了露天開采對地表生態(tài)的破壞遠(yuǎn)大于井工開采。為此，國內(nèi)外專家學(xué)者已有大量相關(guān)成果及案例，主要集中在三個(gè)方面。一是針對開采過程中引起的礦區(qū)含水層挖損與區(qū)域水系統(tǒng)演變發(fā)生變化等，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝等減小開采對生態(tài)環(huán)境的破壞，提出了露天開采生態(tài)環(huán)境保護(hù)等技術(shù)，重在減少開采對局域生態(tài)環(huán)境的直接破壞；二是基于大型露天開采工藝不斷進(jìn)步，適時(shí)調(diào)整“采后再治理”或“采后再恢復(fù)”生態(tài)恢復(fù)策略，通過挖掘露天開采與礦區(qū)環(huán)境的時(shí)空關(guān)系，強(qiáng)化人為的合理干擾或修復(fù)力度，重在提高局域環(huán)境的生態(tài)修復(fù)效率；三是針對開采局域生態(tài)環(huán)境破壞對區(qū)域生態(tài)安全的影響，深入研究高強(qiáng)度煤炭開采的生態(tài)影響范圍和區(qū)域生態(tài)環(huán)境響應(yīng)，通過礦區(qū)綠色開采、煤電清潔開發(fā)、區(qū)帶生態(tài)功能建設(shè)的協(xié)同，促進(jìn)大型煤電基地區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

本書針對制約煤電基地可持續(xù)開發(fā)的關(guān)鍵問題之一和影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境與安全的關(guān)鍵因子—水資源，著眼煤電基地開發(fā)系統(tǒng)，按照“源頭保護(hù)、生態(tài)儲(chǔ)存、分質(zhì)利用、優(yōu)化配置”技術(shù)思路，揭示煤電基地開發(fā)過程中水資源保護(hù)（原位保護(hù)、生態(tài)儲(chǔ)存和有效利用）機(jī)制，研究適用于煤電基地開發(fā)情景的水資源保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用模式，依托東部草原區(qū)大型煤電基地和神東大型煤炭基地開展現(xiàn)場試驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)示范，提出大型煤電基地水資源保護(hù)與利用模式和關(guān)鍵技術(shù)體系，作為大型煤電基地開發(fā)生態(tài)減損與系統(tǒng)修復(fù)的重要支撐，將為東部草原區(qū)和我國大型煤電基地開發(fā)水資源保護(hù)與利用及區(qū)域生態(tài)安全協(xié)同保障提供引導(dǎo)示范作用。

（二）

本書是在我國大型煤電基地水資源保護(hù)與利用研究及實(shí)踐基礎(chǔ)上，依托“東部草原區(qū)大型煤電基地生態(tài)修復(fù)與綜合整治技術(shù)及示范”項(xiàng)目和神東礦區(qū)水資源保護(hù)與利用工程實(shí)踐，重點(diǎn)論述煤炭開采水資源保護(hù)與利用研究及應(yīng)用技術(shù)的學(xué)術(shù)著作。本書按照“減損開采”思路，注重生態(tài)損傷源頭控制，突出大型露天礦區(qū)和井工礦區(qū)高強(qiáng)度開采下水資源保護(hù)技術(shù)與有效利用途徑，內(nèi)容涉及水資源保護(hù)與利用的理論及方法和關(guān)鍵技術(shù)，可概括為以下幾個(gè)方面。

（1）理論上著眼煤電基地水資源系統(tǒng)，一是首次界定了大型煤電基地水資源保護(hù)范圍及具體內(nèi)涵，明確了水資源保護(hù)與煤電基地開發(fā)活動(dòng)的協(xié)同關(guān)系、對煤電基地生態(tài)建設(shè)與區(qū)域生態(tài)安全的支撐作用，構(gòu)建了大型煤電基地水資源保護(hù)與利用模式；二是圍繞煤炭開采擾動(dòng)下水資源保護(hù)機(jī)制，提出露天礦地下水庫儲(chǔ)水介質(zhì)重構(gòu)機(jī)制、導(dǎo)水裂隙帶“水-氣-巖”耦合自修復(fù)機(jī)制、近地表生態(tài)型儲(chǔ)水機(jī)制、區(qū)域水資源調(diào)控機(jī)制等；三是針對地下水開采擾動(dòng)下多樣化地質(zhì)情景，提出多樣性地質(zhì)條件下地下水保護(hù)地質(zhì)評價(jià)方法、大型井工開采局域流場的采動(dòng)滲流系統(tǒng)分析方法、采動(dòng)裂隙導(dǎo)通區(qū)辨識方法、露天煤礦地下水庫庫容評價(jià)方法、煤電基地區(qū)域多用戶水資源科學(xué)配置等。

（2）技術(shù)上按照綠色近零排放目標(biāo)，一是突破傳統(tǒng)的大型露天礦采-排-復(fù)系統(tǒng)的局限，創(chuàng)新構(gòu)建了面向生態(tài)的地下水“三層”（地下水庫含水層、導(dǎo)水層和近地表生態(tài)型儲(chǔ)水層）保護(hù)與利用模式，開發(fā)了大型露天煤礦地下水庫構(gòu)建技術(shù)、地下水庫儲(chǔ)水介質(zhì)重構(gòu)技術(shù)、近地表生態(tài)型含水層構(gòu)建技術(shù)、潔凈儲(chǔ)存和凈化處理工藝等；二是基于開采擾動(dòng)含水層狀態(tài)和自修復(fù)機(jī)制，創(chuàng)建了大型井工開采地下水原位保護(hù)模式，開發(fā)了導(dǎo)水裂隙帶自修復(fù)促進(jìn)技術(shù)、軟巖區(qū)煤礦地下水庫構(gòu)建技術(shù)、礦井水潔凈轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)技術(shù)等；三是按照礦區(qū)生產(chǎn)安全和生態(tài)安全的礦井水零排放目標(biāo)，基于采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶自修復(fù)機(jī)制，通過開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律模擬、滲流異常區(qū)圈定、導(dǎo)水通道辨識和導(dǎo)水裂隙帶工程驗(yàn)證，提出“低進(jìn)—高推—慢停”的柔性開采工藝，形成具有軟巖區(qū)特色的地下水原位保護(hù)技術(shù)。

（3）實(shí)踐上按照安全為基、總量控制和效率優(yōu)先原則，將現(xiàn)場科學(xué)試驗(yàn)與工程示范相結(jié)合，一是按照三層儲(chǔ)水模式，通過大型露天礦（寶日希勒露天礦）地下水庫示范工程獲得了軟巖區(qū)地下水庫儲(chǔ)水介質(zhì)特性、可注抽性等關(guān)鍵參數(shù)，優(yōu)化提出大型露天礦采-排-筑-復(fù)工藝過程，構(gòu)建了國內(nèi)外業(yè)界第一例軟巖區(qū)露天煤礦地下水庫；二是通過大型露天礦排土場近地表生態(tài)型儲(chǔ)水層大尺度試驗(yàn)（儲(chǔ)水介質(zhì)篩選、儲(chǔ)水層和壩體構(gòu)筑等），探索提出適于大型露天礦生態(tài)修復(fù)的近地表潔凈儲(chǔ)-用水結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑模式；三是按照“地下水原位保護(hù)”思路，通過大型井工礦（敏東一礦）軟巖儲(chǔ)水介質(zhì)的地下水庫構(gòu)筑試驗(yàn)、礦井水第四系含水層潔凈轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)試驗(yàn)、導(dǎo)水裂隙帶自修復(fù)探查試驗(yàn)、礦井水潔凈處理工藝試驗(yàn)等，探索了軟巖區(qū)煤礦地下水庫構(gòu)建、導(dǎo)水裂隙帶自修復(fù)促進(jìn)、礦井水生態(tài)型利用的可行性，采用“低進(jìn)—高推—慢停”柔性回采模式，有效提升了含水層保護(hù)效果；四是按照廢棄地生態(tài)利用思路，基于大型露天礦（寶日希勒和勝利露天礦）地下水滲流季節(jié)性特點(diǎn)，構(gòu)建了具有儲(chǔ)水作用和景觀效果的地表蓄水池，形成安全儲(chǔ)水-生態(tài)景觀融合的生態(tài)型水資源保護(hù)利用模式。

本書突破我國大型煤電基地煤炭開采模式，基于東部草原區(qū)大型煤電基地復(fù)雜情景，開展了高強(qiáng)度擾動(dòng)下水資源保護(hù)與利用難點(diǎn)問題探索與工程實(shí)踐，提出的大型煤電基地開發(fā)水資源保護(hù)與利用模式及關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步完善了大型煤電基地水資源保護(hù)與利用技術(shù)體系，為推進(jìn)我國大型煤電基地水資源保護(hù)與利用提供了重要示范作用。

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本書具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)用性，可供礦業(yè)學(xué)科、生態(tài)學(xué)科、環(huán)境學(xué)科的科研人員、高校教師、相關(guān)專業(yè)的高年級本科生和研究生，以及從事煤炭開采、地下水保護(hù)、礦區(qū)生態(tài)修復(fù)等工作的技術(shù)人員參考，對大型煤電基地水資源保護(hù)開發(fā)實(shí)踐具有重要參考價(jià)值。

本文摘自科學(xué)出版社2025年6月出版《大型煤電基地水資源保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)》一書，內(nèi)容有刪節(jié)。標(biāo)題為編者所加。

（本文編輯：王運(yùn) wangyun@mail.sciencep.com）

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