1 绪论
1.1 研究背景与研究意义
1.1.1 研究背景
煤炭资源是我国国民经济发展的重要支柱之一，属于国家重要的战略储备能源，其占一次性能源生产和消费的比例达 70%，与石油能源一并成为全球一次性能源消费的主力。然而，在煤炭资源的开采过程中，其作为埋藏于地下的自然资源，必然对周边环境造成一定得影响。尤其是处于我国华东地区的高潜水位平原煤矿区，其地质条件复杂，资源开采主要以长壁工作面、全陷落法管理顶底板，加之开采强度和开采规模的日益增大，导致采煤区地面沉陷严重，塌陷盆地呈现积水面积与深度扩大。
水资源与土地资源是人类赖以生存的基础性资源，由于人类生产生活活动导致的水土地资源的利用矛盾在人类的长期生产实践中不断的激化并呈现难以调和的状态；水土资源利用的矛盾反映在煤矿区，即表现为煤炭资源的开采间接破坏了矿区各项资源的时空匹配，对水土资源之间的平衡造成了扰乱。在我国西北、东北、西南丘陵、山区煤矿区，煤矿开采呈现的水土资源破坏特征为，地表虽未出现明显盆地，但地面仍存在下沉、倾斜、曲率水平移动与变形，且由于山区起伏、自然坡度大于采动影响引起的最大下沉与变形值，导致了地表出现断裂缝、滑坡、地表槽形沉陷。虽然这些区域一般不产生积水，但容易诱发山体滑坡和泥石流等自然灾害；而我国黄河以北平原煤矿区则属于中、低潜水位矿区，其水土资源的破坏特征表现为：地表出现地裂缝，局部地区积水，但常年积水范围偏小，存在潜在的土壤侵蚀和水土流失。处于华东平原地区的高潜水位煤矿区水土资源利用矛盾最为突出，地下资源开采造成的地表塌陷引起了大面积季节性积水或常年积水，导致农田减产甚至绝收；同时，水资源由于没有得到合理规划利用而无法实现区域内部利用或向外自排被有效利用，不仅造成水资源的浪费，还加剧了土地资源的高效利用；这种水土资源利用结构的失衡又会影响区域水循环系统，限制水土资源的进一步利用。
据了解，我国煤矿区水、土地与煤炭资源互耗问题严重，煤矿开采带来的诸多水土资源协调利用问题对我国大部分矿区都造成极大困扰；水、土、矿三种资源配置的合理与否，成为制约煤矿区生态社会经济长期持续发展的重要环节；特是在华东高潜水位煤矿区，如何利用丰富的地表水资源，发挥地域优势，同时保证当地对土地资源的需求将成为本课题研究的主要内容之一。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
1.2.1.1 煤矿开采对水土资源的影响研究
1）煤矿开采对土地资源的影响研究
我国在煤矿开采对土地资源（包括土壤）的破坏及影响等方面取得了较为丰硕的研究成果。赵明鹏等（2003）结合大量实际测算的数据，以土地复垦理论与方法为理论基础，从煤炭开采造成的土壤侵蚀、土壤盐碱化等地面塌陷引起的几个方面的影响做了详细阐述，并对如何治理提出了相应见解；白中科、段永红等（2006）以 RS、GIS 技术为手段提取信息数据和图形叠加，采用了专家咨询法、类比法等，研究了山西大同塔山矿采煤沉陷造成的土壤侵蚀和土地利用的变化情况；何金军等（2007）则以神府—东胜煤田大柳塔煤矿为例，运用土壤学基本原理与方法，研究了黄土丘陵区塌陷地土壤特性，揭示了采煤塌陷对土壤物理性质影响的变化规律；周瑞平（2008）以神东矿区采煤塌陷后风沙土壤理化性质为研究对象，通过野外调查、实地实验观测等方法，对不同的坡位、土层、塌陷年限和程度的风沙土壤理化性质变化进行了较为系统的研究，并且运用主成分分析法综合评价了采煤塌陷对风沙土壤性质的影响。李春意、崔希民等（2009）通过研究地表下沉盆地的形成过程，提出了开采沉陷对地表的影响方式，分析了煤炭开采引发的地表塌陷对地形地貌等产生的破坏特征；黎炜、陈龙乾等（2011）分析了采煤沉陷对土地的破坏情况，通过对采煤沉陷地土壤质量变化研究成果的梳理，探讨了采煤沉陷地土壤质量研究中存在的不足。冀伟珍（2011）以渭北煤矿区开采沉陷地为研究对象，将开采沉陷对土地资源的破坏分为显性破坏和隐性破坏两种形式，并将开采沉陷对土地资源的破坏划分为四个等级，进而提出相应的治理措施[8]；简兴等（2011）研究了淮北市采煤塌陷区内湿地、园林绿地、耕地 3种土地利用类型土壤的养分含量情况。
煤炭开采对土地的破坏还表现在其对耕地的破坏，很多专家学者对煤炭开采造成的耕地土壤性质变化也展开了进一步的研究。顾和和、胡振琪等（1998）通过动态监测开采沉陷盆地土壤特性，发现开采沉陷对其影响有明显的规律可循，并且还成为导致耕地生产力下降的主要因素，其中土壤物理特性受沉陷影响较显著，而化学特性除电导率外则并不明显；陈龙乾等（1999）以山东省兖州矿区为例，对沉陷耕地不同下沉位置不同土层的土壤进行了测定和分析，揭示了开采沉陷对耕地土壤物理、化学特性影响的空间变化规律，并得到开采沉陷显著影响其物理、化学特性的结论；卞正富（2004）提出利用土地环境条件、土壤物理特性、土壤养分因子反映矿区土地质量，并通过徐州矿区的试验研究，分析了开采沉陷引起的上述矿区土地质量因子变化规律，最终得到各因子的具体的变化情况以及造成耕地生产力下降的主要原因；赵同谦等（2007）研究了焦作矿区韩王矿沉陷区不同沉陷部位和不同深度耕地的土壤肥力特征，结果表明采煤引发的地表沉陷可使耕地土壤肥力在水平和垂直方向上均发生变化。
2 基础理论
2.1 基本概念研究
2.1.1 基本概念
1）水资源
广义水资源是指，地球上的一切水体，包括海洋、江河、湖泊、冰川、地下水以及大气中的水分等，能够为人类直接或间接利用的自然资源。
狭义的水资源，仅指在一定时段内能被人们直接开发与利用的某一部分水体，包括陆地上可供生产、生活直接利用的江河、湖泊以及存储在地下的淡水资源，此外，这部分水资源还应符合相关的水质标准。
2）土地资源
土地资源同样是一种自然资源。土地是地球表面陆地部分上下一定范围内岩石、土壤、水、植被等构成的自然综合体。把握土地的概念，应区分它与土壤和国土两个概念的不同。土壤是指地球陆地表面具有肥力的疏松土层，它是土地的组成要素之一；而国土是一个国家人们赖以生存和发展的空间，指国家主权范围内管辖的版土，包括领域、领海和领空。国土含义的广度和深度要远远大于土地的概念。
2.1.2 水土资源的关系
水土资源作为基础性的自然资源，支撑着人类的生活和生产活动，是人类生存发展所必须的物质资料；在煤炭资源开采过程中，水土资源为基础、为载体，或为原料、或为来源，发挥着不可替代的基础作用。水资源和土地资源彼此之间也是相互联系、相互制约的。
水资源是自然界地质循环的重要动力，水资源的利用状况直接影响到土地资源的生产效率。土壤的形成过程无不与水有着密切的关系，水资源更是土壤实现更替的重要能量传输之一；水资源的短缺直接影响到土地的生产能力、土壤有机质的形成以及土地的生产效率，是影响土地质量高低的重要因子。
2.2 基础理论研究
2.2.1 系统理论
系统论的核心思想是系统的整体观念[68]。它强调把研究对象作为一个整体来分析系统的结构和功能，其研究的是系统、要素、环境三者之间的变化规律和相关联系，以系统优化的观点分析和解决问题，力图综合准确地揭示研究对象的本质，从而实现找到解决问题最佳对策的目的。
矿区水土资源协调，就是要在矿区范围内，实现水土资源的规划与管理，以此来重新建立由若干相互联系、相互制约、相互作用的水土资源利用工程单元和管理技术单元所组成的复杂系统。其具有多目标性、功能多样性、结构的可选择性、行为动态可控性以及开放性、不确定性等特征。因此，在矿区水土资源协调利用研究中，应坚持系统的观点，将煤矿区看作一个有机的统一体，并充分运用系统分析理论和方法，兼顾矿区生态系统的社会、经济和生态效益，并掌握系统内部各要素的影响因子及其相互联系，以实现煤矿区水土资源系统内部及其与外部联系的良性互馈。
系统分析方法包括数学规划方法（线性规划、非线性规划、动态规划）、模拟技术（静态模型与动态模型、确定模型与随机模型、短期模型与长期模型）以及决策分析技术等。研究时应根据需要和矿区特点选择适宜的方法进行水土资源协调利用模型的构建。
2.2.2 可持续利用理论
单纯从字面上解释“可持续发展”，顾名思义，是指推动发展的同时其可持续性也得到维持，它由可持续性和发展两个定义构成。可持续性的内涵为：从时间和空间两个维度来说，人类从对自身活动有益出发，以人类的生存空间为限，支配这一限度内的物理、生物和化学定律，所表现出的环境资源可以承载的对人类利益需求的能力；所谓发展，是指人们物质生活水平的不断提高、社会物质精神财富不断增长，其实质是新事物的产生和旧事物的灭亡。根据《人类的共同未来》，将可持续发展定义为：“既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。
以国家倡导全面协调可持续的科学发展观为背景，以土地和淡水资源的有限性和稀缺性为现实条件，在矿区水土资源的利用中也应贯彻落实可持续利用的思想。通过开展矿区水土资源的协调利用规划和实践，水资源和土地资源能够为人类的生产和生活等社会活动提供长久的支撑，由此矿区水土资源的利用也能够产生良好的经济、社会和生态效益。不管是在宏观上，还是在微观上，协调土地与水资源使用的矛盾都是十分必要和有益的。
3 煤矿区水土协调利用理论研究................... 14
3.1 协调利用概念界定................ 14
3.2 协调利用实现过程......................... 15
3.3 协调利用实现方法 ................. 16
4 高潜水位煤矿区水土资源受采扰动分析................... 19
4.1 煤矿开采前水土资源利用状况分析............... 19
4.2 煤矿开采后土地资源受破坏状况分析................. 23
4.3 煤矿开采后水资源变化情况分析..................... 27
5 采后水土资源利用关系评价体系................ 30
5.1 研究区采后水土资源利用关系概述 ............ 30
5.2 研究区评价指标体系的初步建立.................... 30
5.3 熵权法对指标权重的确定 ................ 32
6 煤矿区水土资源协调利用方案实证研究
6.1 矿区水土资源协调技术方案研究 ——以三河尖煤矿为例
针对土地利用结构单一、地类主要为耕地、城镇用地和水域用地的煤矿区，本文通过实施复垦技术方案改善其矿区的水土利用条件，实现水土资源的协调利用，此外采用一定方法对其并产生的经济效益进行计算和评价。
6.1.1 煤矿区水土资源破坏现状
1）矿区土地资源破坏情况
三河尖井田所处的区域属于黄淮平原，一直以来用于耕作为主，其区域内的自然植被很少，仅为一些零散灌木，人工植被是研究区内主要的植被，其中大部分都是农作物植被和林业植被。经过 20 多年的煤炭开采，在地形地貌上，地面沉陷对土地破坏的影响主要表现为形成了非积水沉陷缓坡区、季节性积水区和常年积水区等地表形态，破坏了地表的连续性与完整性，造成其与周围原生自然景观不相协调的局面。随着矿井逐步扩大开采，井下采空区面积不断扩大，岩层移动波及地表，继续造成地形地貌破坏。根据区内地表移动变形预计，三河尖煤矿未来5年开采后形成的塌陷深度最大为 3650mm。塌陷深度浅的地表起伏不平，塌陷深度大于 1.5m 的地段全部积水形成水塘，土地的性质完全改变，受影响的村庄搬迁后遗留的废弃宅基地都会产生一些劣质景观，造成当地地形地貌景观的损害，原生地形地貌形态受到很大破坏。
就土地本身来看，矿山开采破坏的土地为旱地，局部为水浇地、河流、公路用地、沟渠等，现状条件下塌陷成为水塘的面积为3247800m2，影响程度较为严重。随着矿井逐步向井田深部延伸，井下采空区面积不断扩大，岩层移动波及地表，继续造成地表土地资源大面积的毁损。
7 结论与展望
7.1 主要研究成果
本文通过分析评价煤矿区水土资源利用现状，从定性、定量两个方面研究了煤矿开采对水土资源的破坏及影响造成的水土资源利用的矛盾。并结合实例分析，指出采用土地复垦方案进行矿区生态恢复有利于矿区经济效益的产出和提高；采用土地利用结构优化配置既可以作为土地复垦方案的先行方案，又可以作为直接优化矿区水土资源配置的方案适用于矿区，其有利于合理调配矿区各类型土地的面积多少，成为后续土地利用总体规划工作展开的参考。
（1）在可持续利用理论、系统理论、协调耦合理论等基础理论的支撑下，采用ArcGIS 等软件，通过阐述采矿前后水土资源利用状况对比分析煤矿开采对水土资源的破坏作用和影响，并重点分析了能够反映煤矿开采造成的破坏状况的影响因素，为定量评价指标的选择提供了参考。
（2）运用 PSR 框架模型、TOPSIS 模型、成本收益法、线性规划法等具体理论模型，以“压力—状态—响应”（PSR）模型为手段构建了矿区环境下水资源和土地资源利用关系的评价体系，并得出：①状态层和相应层呈同方向变动，而压力层与二者呈反方向变动关系；②通过 TOPSIS 法对煤矿区水土资源的协调利用程度进行评价，并对沛北八个矿区进行评价得分排序，得到：姚桥、沛城、孔庄、龙固、三河尖五个煤矿区的水土资源协调状况为三等；徐庄、张双楼、龙东三个矿区得分则划入四等；③各矿区均受到较严重的开采破坏，水土资源利用矛盾突出，需要采取相应措施予以整治。
（3）以定性、定量分析评价为基础，对沛北八矿的水土资源协调利用状况进行分类，并分析影响矿区水土资源协调利用的指标，选取三河尖煤矿作为典型代表矿区，对矿区水土资源进行复垦治理，并采用成本收益法测算其在经济上的协调性；经过费效比和投资回收期的测算，得出研究方案可以产生较高的经济效益和一定的生态效益，具有可行性的结论。
（4）以姚桥煤矿为例，利用线性规划理论、耦合协调理论的基本模型和方法，以煤矿区土地利用结构优化为目标，采用线性规划法构建煤矿区水土资源协调利用优化模型，并采用单纯形法对其进行求解，并得到了研究区水土资源协调利用模型的最优解，实现了水土资源在煤矿区的合理分配，证明该方案对某些特定矿区是具有可行性的。
参考文献（略）