0.   引　　言

水是生存之本、文明之源，在国家《“十四五”水安全保障规划》中高度重视水安全工作并将其上升为国家战略。同时，水也是参与并贯穿支撑生态地质环境中诸多对象物理、化学作用和能量传输转化的核心要素，对露天矿生态地质环境修复保护和生态系统的稳定具有关键支撑作用。青藏高原作为中低纬度高海拔冻土分布的集中区^[1]，因为高海拔、高寒的特性，复杂高寒冻土区水和生态系统对于外部环境条件的变化具有更高的敏感性。矿山活动对所在地区生态地质环境影响不容忽视，在高寒冻土区复杂背景下更应得到足够重视。目前对于矿山水环境问题的系统性研究相对较少，一些学者多从自身从事学科不同方面开展了大量研究工作，从基础的产流形成机制和理论到考虑温度梯度下多孔中的水分运移特征^[2-3]，在微流域产汇流的影响因素和变化规律^[4]，冻土交替冻融过程中降雨和径流关系变化^[5]，土壤水与潜水补给关系变化^[6],不同积雪覆盖条件下土壤水分从空间和时间上的差异变化规律^[7]，基于主成分分析法的土壤水热耦合模型模拟^[8]，冻土水文特性与产流机制研究^[9]，典型流域水砂关系特征及变化趋势^[10]，坡耕地常用农耕措施在不同雨强条件下对土壤养分流失途径及流失量的影响^[11]，不同典型坡度、水土保持措施下产流、产沙差异变化^[12]，矿山开发对水循环过程和水资源的影响^[13]，基于水质的矿井水分类^[14]，煤矿山水环境问题6种分类及治理模式^[15]，矿井水资源化利用的技术体系和理论框架^[16]，矿井水资源化与生态化利用技术体系^[17]等方面取得了许多研究成果，为矿山水生态环境的修复工作提供了参考支撑。近年来，前人对木里矿区生态环境修复方面的研究，主要涉及生态地质层理论^[18]、土壤重构^[19]、种草复绿^[20]、水系联通^[21]、治理模式^[22]等。以矿山环境治理为基础的水治理研究相对匮乏，而针对高寒冻土区露天矿水治理保护研究几近空白。高寒冻土区矿山水修复与保护往往涉及冻土、土壤、植被、地表水、地下水、（冻土）地质灾害等交织叠加的多重问题和生态环境与地质、土壤等多学科交叉理论。

高寒冻土区露天矿水修复保护研究的问题涉及露天矿采动直接造成和因水的联动效应间接影响造成的各类生态地质环境问题等，如除了矿山开采引起的水文地质结构和地表水系破坏、水环境污染、水资源流失等与水直接相关的问题，也可以是跟水间接相关的土地沙化、植被退化、冻土消融、冻胀融沉、滑坡及泥石流地质灾害等各类问题对象。因水在不同空间、不同尺度中赋存形式的灵活多变性和多环境圈层中水文过程的错综复杂性、系统统一性，水的修复与保护往往容易被忽视，或简单地以地表排水工程、河道疏浚、河道加固、削坡减载或覆土复绿等措施去对待处理。事实表明单一、孤立地看问题和采取治理手段通常是治标不治本，难以维系修复后生态地质环境的长期稳定保持，矿山生态地质环境的修复也难以取得最终成功。基于水在高寒冻土区露天矿生态地质环境修复与保护的主线作用，应围绕其进行整体、统一的系统研究，查找趋于本质的主要问题和原因、机理，针对性地开展系统修复与保护。

综上，研究提出了矿山水传输涵养系统的概念，即受矿山活动影响的不同环境载体中不同形式水的交换传递过程和相互作用联系，及形成的支撑维持矿山生态地质环境稳定保持的多重功能的统一整体。尤其在高寒冻土区露天矿中，生态地质环境修复保护范畴应涵盖地壳浅部露天矿生产活动直接或间接影响范围内的大气、地表、土壤、岩层、冻土、水等多个不同环境圈层。其中，以大气水、地表水、包气带水、生物质水、地下水等不同形式水为研究对象，开展与具体的水土流失、水资源流失、植被退化、冻土消融和冻胀融沉、崩塌及滑坡地质灾害等不同问题相结合的成因联系和机理分析，构建针对不同系列问题解决思路方案的水传输涵养系统，将能从表征和内因问题解决上，对高寒冻土区露天矿生态地质环境的修复与保护起到关键支撑作用，并有助于生态系统的稳定维持。笔者以青藏高原东北部祁连山腹地、黄河重要支流大通河源头典型冰川与水源重要涵养地的木里煤矿聚乎更区代表性的5号井为例，基于对大气水、地表水、土壤水、包气带水、地下水和不同生态地层的水传输涵养影响因素和机理的分析，用地质与生态的双重视角思考露天矿开采过程中冻土消融、冻胀融沉、植被破坏、地表水系破坏、水资源流失、水土流失等问题，探索高寒冻土区露天矿水传输涵养系统的修复保护思路与方法，为建立水资源节约保护型、环境友好型矿山提供参考借鉴。

1.   木里煤矿聚乎更区概况

1.1   自然气候

木里煤矿聚乎更区地处祁连山南麓腹地，一般海拔为+4 000～+4 200 m，平均海拔为+4 100 m，主要以高原冰缘地貌类型为主，四季不明显，气候寒冷，昼夜温差大，属典型的高原大陆性气候。6—8月为雨季，11月至来年5月以降雪为主。据天峻县气象站1994年1月至2016年12月气象资料，天峻县最高气温在7月份达19.8 ℃，最低温度在1、2月份，达−34 ℃，年平均气温−0.39 ℃左右。蒸发量最大1 762.4 mm，最小794.2 mm，年平均1 544.84 mm。木里矿区在2016年建立了气象站，2016年至2022年8月气象资料显示，2016年以来，木里矿区年平均气温最小−4.3 ℃，最大−1.3 ℃，平均−3.3 ℃；年降水量最大662.4 mm，最小466.9 mm，平均573.9 mm；年平均湿度最小51.4%，最大58.3%，平均55.5%。因全年平均温度低于0 ℃，区内冻土（岩）发育，季节性冻土和多年冻土带底深一般分别在3.5 m和120 m。

1.2   水文特征

区内河流流量随着气候的变化变幅较大，以大通河二级支流上哆嗦河和下哆嗦河流量最大，基本自西向东贯穿全区，其余地表河流多为季节性流水。夏季季节性冻土融化，在地表形成泉流，泉眼大多分布在山的阳坡，多以下降泉的形式溢出，泉流量一般为0.1～2.2 L/s。泉水大多补给季节性河流、沼泽湿地、热融湖塘以及地表湖泊。其中有面积超过1 km²的以降水、冻结层上水为主补给所成的措喀莫日湖。在冻土冻胀融沉和冻土融化水源补给作用下，在高寒草甸上还常见星罗密布大小不一的热融湖塘、浅塘，其水较浅、面积较小，冬天几乎完全冻结。

木里矿区地表水和地下水的补给来源主要为大气降水、积雪融水和季节性冻土冻融水^[23-24]。按含水层岩性、埋藏条件、动力特征，区内地下水类型可分为冻结层上第四系孔隙潜水，基岩冻结层上裂隙水及中−新生代冻结层下弱承压水。主要的隔水层为中侏罗统江仓组泥岩段（J₂ j²）隔水岩组和全区相对稳定分布的多年冻结层。区内地表水的主要补给来源是大气降水、冰雪融水、季节性冻土层间水，补给源受气候影响较大，蒸发和下降泉排泄是冻结层上水的主要消耗途径。冻结层上水补给受到气候因素的影响，主要为地表水、大气降水以及冰雪融水补给，丰水年含水量增大，枯水年含水量降低。冻结层下水是地表水体、大气降水、冰雪融水通过湖泊融区、构造断裂带补给，同时冻土层下水又通过局部融区、断裂带、多年冻土层剥离洞穿区形成上升泉排泄和蒸发消耗。

2.   高寒冻土区水传输涵养作用机理

2.1   影响因素

自然因素通常通过影响大气、生物、冻土、土壤-岩层和大气不同圈层内和圈层间的水传递路径、形式、速率等，最终影响到高寒冻土区水在不同空间的分配。另外，由于高海拔寒冷地区冻土和生态环境的敏感性、脆弱性，人为因素的影响也不容忽视。

1）自然因素。地形地貌是影响地表能量流动和物质循环的重要因素，而地形则是影响水文特征空间不均匀性的众多因素中处于第一位的主导因素。自然界的水文过程及水量平衡无一不是和地形地貌的形态紧密相关的。在降雨时期降雨前后径流的路径会受到流域地形地貌特性的制约从而使产流、汇流过程都受到极大地影响。在非降雨时期，地形决定了蒸发的初始条件，也会影响土壤水分的分配。由此，地形地貌主要对地表水系间的联通产生显著影响。蒸腾、蒸发和蒸散等作用过程可以将地表植被，包括地下根系、不同深度土壤层、裸露地表水、冰雪中的水分以水蒸气状态散失到大气中，由此联通土壤−植被−地表水−大气间的水循环。其自身强弱变化又受到温度、湿度、风速、气压、地形等的影响。本区年平均降雨量虽然不及年平均蒸发量的一半，但在高寒冻土区特殊的气候背景下，仍然对地表水系和地下土壤、冻结层上含水层具有重要的直接补给作用。土壤则通过微地貌、土壤类型、物质组成及土壤结构影响其中水文过程，作为联系地表水与地下水的纽带，是不可或缺的水传输和涵养的重要载体。木里矿区土壤层偏薄，其下是大颗粒的卵石土/碎石土等，孔隙率大，持水性差，且透水性强^[25]。植被则因其类型差异通过对大气降水的冲刷消减、地表径流、耗水量、蒸腾作用等影响决定地表−植被层的水文过程。在考虑气候、环境适应性的同时，筛选宽叶类和根系发育的植被更能降低雨水的冲刷作用和地表径流量、增强大气降水下渗转化为壤中流，提升保水能力。

需要特别强调的是，一般在海拔+3 850 m以上高寒冻土发育地区，因气候的季节性变化，宏观上季节性冻土在交替融冻变化和其中水的固−液相物理变化过程中，通过影响岩土中的含水量、渗透性及水分传输过程，进而决定了冻土水文过程和水循环，最终导致季节性冻土融化后的水以泉水、壤中水、冻结层上水（土壤层以下）等发生不同活跃强度的空间运移，这是高寒冻土区浅部最重要的水传输涵养过程。在气候变暖和冻土不断退化背景下，顶部多年冻土及其中的地下冰逐渐融化、季节性冻土厚度增加也将导致冻土内更多的水分被释放并参与到水分的年循环过程和冻土区域内产汇流过程、生态过程，对高寒冻土区水源传输涵养和气候产生显著影响。也有研究表明多年冻土退化、活动层增厚会导致在一定流域范围内，表层土壤含水量会减少，蒸发、径流、水位和水力联系等水循环因素发生周期性动荡变化。

2）人为因素。人类活动范围广泛，一方面通过改变地形、地貌、土壤、冻土和植被等自然因素，另一方直接通过改变地下（潜）水流场和水文过程影响水传输涵养，如不注重对生态环境的保护，其对水传输涵养的影响程度可能会远超其他自然因素，甚至是超乎想象、不可逆的。其中，以大规模露天采坑土石方剥离、不同规模堆积的渣山、矿区水抽采等矿山工程活动的影响和造成的水传输涵养问题最为突出。

在木里矿区，大规模煤炭露天开采形成的露天采坑、大规模渣山和道路、建筑等，使区内地表水系和地下水文地质条件和水文作用过程发生了显著改变。其中，大规模渣山、道路和建筑主要以直接压占、阻隔的方式使地表水系改道，或改变地表局部地形地貌，影响地表汇流条件后形成新汇水区造成地表显著积水。区内上哆嗦河和下哆嗦河皆因渣山和露天采坑被多次改道（图1中黑色虚线和红色实线对应河道前后变化）。露天采坑除了类似原因造成地表水系改道和形成新的汇水区影响外，更主要的影响是采坑采深界面较季节性冻土和多年冻土底界垂向挖损深度相对高差变化，造成露天采坑充水条件和地表水与地下水水力联系的显著变化。按照研究区内近几年平均年降水量573.9 mm和6个井田的露天采坑剥离面积1 149.79 hm²估算，仅露天采坑影响的大气降水直接汇水量约为660万m³/a。此外，在露天采坑剥离前期，冻结层上水在地势影响下都被露天采坑截流并侧渗到采坑内，影响浅部地下水的局部流势流场，冻结层上含水层内的水力联系被打乱。如哆嗦贡马井采坑分散且规模最小，加之哆嗦贡马位于地势相对高的区域，大气降水、冻结层上水、冻土层融水等的补给较弱，哆嗦贡马各采坑未见明显积水，水力联系基本不受影响（图2a）。相比之下，采深更深的7号井、9号井其他几个井田开采最深至32 m，基本只对多年冻土的中上部造成挖损破坏，但不足以对其造成洞穿或明显改变其水文地质条件（图2b），主要造成冻结层上侧渗水和多年冻土剥离断面融化水向露天采坑内的汇集。3号井、4号井、5号井和8号井4个井田的开采最深处的深度在87～200 m，基本揭穿了多年冻土层的底界。在采坑内多年冻土层被洞穿的位置，区域冻土隔水层被破坏，大气降水和采坑积水与冻结层下含水层直接联通，会沿透水层或导水断层破碎带渗入补给对下伏地层，部分情况下采坑间接通过断层或直接联通下部承压水时则会导致深部承压水向采坑内进行补给（图2c）。通过采取隔离防护措施，一般可以免除地表水直接向露天采坑内汇入。但河流、湖泊和部分导水断层在局部位置可以通过融区通道向邻近的露天采坑侧向补给，其补给强度会类似冻土的季节性冻融规律的在夏季和冬季交替中发生相应强−弱变化。

图  1  木里煤矿聚乎更区煤炭资源开采前后地表水系分布对比

Figure  1.  Comparison of surface water system distribution before and after coal resources mining in Muli Coal Mine

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图  2  不同开挖程度露天采坑对水传输涵养的影响

Figure  2.  Influence of open-pit mining pits on water transport conservation with different excavation degrees

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2.2   水传输涵养机理

参与传输循环的水从水分子到不同物相和宏微观尺度的水，从包气带水（土壤水、上层滞水、毛细水）、潜水、承压水到地表水（河、湖、冰、雪）等不同类别，通过生物吸收、生物传导、蒸散发、大气降水、片流、面流、渗流、侧流、径流等不同形式参与到水的传输、循环（图3）。水的传输循环是一个从生物、大气、地表径流、包气带、地下水全方位的相互交织传递过程，即显著发生在某个生态环境与地质圈层，同时也是多个不同圈层间联动统一的相互交换传递过程（图4）。在自然生态系统中，水传输涵养的内在机理是多因素影响下大气−地表−植被−土壤−冻土多环境中的降水−地表径流−壤中流−地下水错综交织的传递路径、形式、速率等水文过程的联动变化，并直观体现出相应涵养水能力、径流调节、土壤沙化控制、净化水质等功能改变，最终呈现为不同形态水的空间分配差异。

图  3  高寒冻土区水传输涵养机理

Figure  3.  Water transport conservation mechanism in alpine and permafrost area

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图  4  高寒冻土区多环境圈层下交织的水文过程

Figure  4.  Hydrological processes intertwined under multiple environmental circles in alpine and permafrost areas

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在高寒冻土区，季节性冻土层是水传输循环的最主要载体，也是高寒区生态系统的基础支撑，参与传输循环的水的物相、宏微观尺度、类别、影响因素及传输循环的形式及规律，会因冻土的季节性变化变得更加复杂。以多年冻土层作为一个区域稳定的隔水层，随地形地貌和季节性变化影响，冻结层上水中的潜水、包气带水（上层滞水、毛细水和土壤水）的含量占比及活跃度会发生显著的递变或极端呈现。伴随由冬季到夏季的季节推移，季节性冻土融化深度在达到最大的变化过程中，季节性冻土从表层土壤开始融化，土壤水的含量占比和活跃度最先显著提升，在融化深度不是很深时，在高寒地区强烈的蒸（散）发作用下，毛细水也会异常活跃，中间带及上层滞水和潜水则还不发育。随着季节性冻土融化深度增加，中间带更加清晰，季节性冻土的不均匀融化和岩土层成分的不均匀性等原因会导致上层滞水含量占比增加和活跃度升高，而土壤水在没有特殊补给的情况下不会再明显增加。季节性冻土融化深度和融化体量达到一定程度时，在多年冻土界面之上，季节性冻土中的融水下渗后就会在动态变化的多年冻土界面之上形成潜水，并会在季节性冻土邻近最大冻融深度及以后的一段时间内保持高活跃状态。随着夏季向冬季的转变，冻结由地表向下不断加剧，直至包气带水和潜水逐渐由液态水全部相变为固态冰，地下水的活跃度将降至最低，水传输循环趋于停滞。除了季节规律更替的影响，河流、湖泊、湿地等水位近似于地表的地区，地表以下的水则呈现以潜水占主导的极端常态。随着距离渐远和海拔不断升高，潜水位变深，包气带结构和水传输循环与潜水总是呈现此消彼长的细微变化。海拔上升到常年雪线以上后，冻土不再发生季节性冻融，水常年以冰雪形式涵养于雪线以上的区域，地下水的传输循环基本可以忽略不计。

在矿山生产活动的破坏和矿山生态环境治理中人工修复积极干预下，多因素、多环境中的水文作用过程会更加复杂，同时水文环境也会更加敏感脆弱，其联系也会更加紧密、更加具有整体的系统统一性。具体可表现为土地挖损破坏引发冻土的挖损破坏−地下水流场变化−土壤水土流失加剧−垂向水的补给关系改变、矿山积水引发冻土冻融−热融湖塘−冻土地质灾害−植被淹没、水土流失引发土壤退化−植被退化−冻土融化加剧等点上问题到面上多点问题的联动效应显现愈加明显等。

在人工修复、保护干预下，通过前期水环境背景调查，基于生态学与地质学等多学科的理论，采用地形地貌修整、微地貌处理、截排水沟布设、水系联通、冻土结构重塑、土壤重构等手段，科学构建新的水传输涵养系统，以达到对修复治理区乃至更广范围的季节性冻土及以上水的有规划引导再分配，支撑多环境、多因素下水传输循环和水文作用充分发挥，更好提升自然恢复后水源涵养、植被生长、土壤保持、水资源配置等效果，保障水传输涵养机能的长期稳健运行。

基于对高寒冻土区水传输涵养机理的思考认识，在矿山生态环境修复领域，按照自然恢复为主、人工修复干预为辅的思路原则，对水传输循环的人工修复干预的主要任务目标是对季节性冻土至地表范畴的水传输与涵养功能的修复与恢复，这对后续的植被恢复、水土保持和生态系统的修复及持续稳定均具有至关重要的作用。

3.   水传输涵养系统构建模式

基于生态环境保护视角，水传输涵养能力的修复是生态环境修复治理和生态系统稳定运行得以维持的重要支撑。而在水传输涵养能力的修复过程中，多因素、多环境下水的传递路径、形式、传递速率、空间再分配关键要素的科学、有目标的引导干预是重中之重，它们共同构成一个存在水相互传输交换的多圈层联动的统一系统。只有将多因素影响下的水及有关联的不同环境承载作为一个整体去分析，查找其中的生态地质问题并进行系统的修复，才能更好地维持水传输涵养的最大功效，确保地表植被生长、水循环通畅、水土保持、消减冻土地质灾害、水源涵养等所需。水传输涵养系统的构建是一个不同宏微观尺度、不同圈层搭接融合、不同层级功能及区划的联动组合，其构架包括了地表水系联通系统搭接、生态截排水网络构建和原位水源涵养系统重构3个重要组成（表1）。

表  1  水传输涵养系统构架

Table  1.  Water transport conservation system architecture

水传输涵养系统构架		水传输涵养能效
地表水系联通系统搭接	不同类型水系联通组合	决定了治理区与外部水系间的水传输交换额量，对治理区内部水源涵养起到宏观 总控作用
生态截排水网络构建	输排水骨干网	将治理区划分为不同的功能单元，与外界水系联通搭接，调控治理区内水的传输 方向、空间涵养配额量
	汇水支网	联通不同微汇水区，并实现大气降水、面流均衡分配疏导和缓势，强化分区原位 水涵养能力提升，与输排水骨干网进行搭接
	功能单元分区	以汇水涵养和过水传输能效区分，对治理区进行功能分区，以功能单元分区的工程 修复和分区功能恢复保护为支撑，促进总体水源涵养预期目标实现
原位水源涵养系统重构	微地貌整形	通过对不同汇水分区内的地表坡度、坡向和表层纹路的微地貌整形，对大气降水和 地表流水起到降势、缓冲、及时分散疏导和下渗等调节作用
	生态地质层重构	在垂向土壤层、基底层、季节性冻土层等重构基础上通过用料、用量分层回填及压 实等措施强化水的传输涵养能力

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3.1   地表水系联通系统搭接模式

将治理区作为一个相对独立的目标对象，其与周边原始地表河流、湿地、湖泊等区域水系网络的联通搭接是水传输涵养系统的顶层构建。治理区尤其是其中以露天采坑为主要汇水中心容易形成矿区主要的新汇水区域。在施工条件可行的前提下，经过治理后的露天采坑可以保持无积水只是起到过水过程（图5a）、可以有积水并能始终保持汇水蓄水平衡（图5b）、可以有积水并能在蓄水后自然与地表水系联通（图5d）或其中积水直接达到与地表自然水系搭接联通（图5c）条件的4种类型。在治理区内水体无严重污染或有轻微污染但经过自然净化后无害的前提下，治理区可以搭接联通周边原始更高级别水系外输的河流（图5e），可以搭接周边原始地表湖泊（图5f）、湿地（图5g）或湖泊−湿地群组（图5h）经过缓冲、涵养后再与更高级别河流水系搭接外输，也可以是搭接联通汇入有一定水涵养空间的封闭湖泊（图5i）、湿地（图5j）或湖泊−湿地群组（图5k）等共7种基本地表水系类型，最终涵养保存下来。综合考虑易积水的露天采坑治理区治理后的a、c、d基本类型和可以与之搭接联通的7种基本地表水系类型的任意组合，水传输涵养系统的顶层构建可以有无水过水河流外输型（a+e）、无水过水湖泊缓冲涵养外输型（a+f）、无水过水湿地缓冲涵养外输型（a+g）、无水过水湖泊−湿地缓冲涵养外输型（a+h）、无水过水湖泊涵养封闭型（a+i）、无水过水湿地涵养封闭型（a+j）、无水过水湖泊−湿地涵养封闭型（a+k）等共21种多样化联通模式（图5）。通过该联通组合思路，还可以继续拓展和人工构建（污染水体）过滤单元或其它水系单元的组合。但不同的联通模式构建需要考虑治理区自然环境背景条件下不同组合类型对象的基本适用条件（表2）。

图  5  地表水系联通系统搭接组合模式

Figure  5.  Surface water system connection system lap combination mode

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表  2  水传输涵养系统顶层构建不同组合模式下类型对象的基本适用条件

Table  2.  Top layer of water transport conservation system constructs the basic applicable conditions of different types of objects in different combination modes

治理区不同组合类型对象		原始自然水系不同组合类型对象
		过水外输型	缓冲涵养外输型	涵养封闭型
无水过水型：采坑无积水或积水不显著，积水问题解决经济可行，采坑有自然、规律的地形坡度变化并可以直接或经过相对简单的回填后与外部邻近水系简单搭接联通	汇水过水型：采坑内有显著积水，不具备疏干条件，与邻近水系存在一定地表水位落差，经过一定汇水、蓄水过程，可以较简单实现与周边邻近水系联通	治理区周边有邻近的更高级别外输河流，两者地表水位差接近且以地表自然河流水位更低为优，且其对有轻微水质变化的水体具有一定的自然净化作用和生态环境承载力	治理区周边有邻近的相应水系，与地表水位相近且以低于治理区内地表水体设计水位为优，且其对有轻微水质变化的水体具有一定的自然净化作用和生态环境承载力	湖泊有一定规模，根据治理区内水传输量，相应匹配有充足的涵养水的容量空间，可以近似达到蓄水、蒸散发平衡
				在不明显改变湿地环境的前提下，湿地有较好的涵养水空间，以大于治理区内水传输量为优
汇水蓄水型：采坑深度较大，积水量大，不具备疏干条件，综合考虑补给和蒸散发、含水层导水等条件可以近似达到预期可控蓄水平衡	蓄水过水型：采坑内有显著积水且已经接近达到与周边邻近地表水系自然联通			满足以上基本条件的单一封闭湖泊或湿地对象的群组

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3.2   生态截排水网络构建模式

在治理区内，自然地形地貌区和人为扰动区在微地形的影响下会细分出最小的汇水区，并在微地形控制下向更高一级的汇水区合并。连通治理区外水系的主沟和不同最高一级汇水区的主沟，以及不同级汇水区内的支沟，通过组合构建成一个截排水通道网络，将不同级的汇水区进行组合联通，进而将治理区划分为水源涵养或传输过水不同功能的单元。主、支截排水沟除了起到截水、导水和排水主要作用，根据水源涵养的需要，不同程度复绿沟道面在过水时还能起到下渗补给邻近土壤层和更好满足植被生长需要的作用（图6）。同时，在未使用任何水泥等构筑材料的前提下，最大限度保护原生态自然环境和削弱人工治理的痕迹。在发生大气降水或有经常性的地表水流经时，截排水通道网络作为统一、完整的生态截排水系统即构成了一个有目标导向的水网，以实现对大气降水等的空间二次优化分配，确保地表水不显著积水同时能够达到一次缓耗涵养。这一截排水通道网络具体则由主沟构成的输排水骨干网和支沟构建的汇水支网构成。其中，通过对坡地和缓平地输排水骨干网、汇水支网中截排水沟空间展布样式的布局设计则可进一步提升生态截排水网络对水的空间布局优化和水源涵养效果。

图  6  生态截排水主沟、支沟示意

Figure  6.  Schematic of main ditch and branch ditch of ecological interception and drainage

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3.3   原位水源涵养系统重构模式

在高寒冻土区，由于多年冻土区域隔水层的存在和季节影响，大气降水到达地面后水的运移和形式转化主要发生在夏季季节性冻土底界以上的岩土层和地表层。在微地形地貌的影响下，作为主要补给源的大气降水在落到地面后受重力作用一部分转化为面流汇入河道，一部分以下渗方式进入土层转化为壤中流和地下径流等。其中，地形、坡度、植被类型和覆盖度等均会对大气降水、地下水产生再分配影响。除了经地表汇流至河流再传输至治理区外和蒸散发逸散的水，其他水基本以下渗方式在邻近地下范围内原位储存涵养。在大气降水落至地面、发生再分配前，根据地面微坡度变化和不同位置涵养水的需要，通过采用爬犁方式等按照单一或多个不同引导方向的直线平行、波状平行、环形、矩形、羽状等不同图案样式组合改变地表表面呈连续高低起伏的毛细沟网络（图7），使大气降水的下降势能最大程度第一时间消减耗损、冲刷能力变弱、雨水尽量被分散、地面片流径流形成减缓、地表径流流失量降低，相反使大气降水下渗的能力增强、壤中流增加。此外，相比重构的表层土壤物质组成，通过调配砂石粒级与不同用量细渣土、黏土设置线状的保水暗垄并与毛细沟网络进行搭配组合，可以在更大尺度上强化影响大气降水在表层土壤中的运移、分布，引导调控表层土壤的水涵养能力。在地面之下，水的涵养主要以孔隙水、毛细水、重力水等形式存在于土壤层和冻结层上含水层，另外一部分水则以冰的形式常年赋存在多年冻土层内。在重构土壤层、季节性冻土和多年冻土层过程中，参照其多元生态地质层结构修复理念^[18-19]，分别针对地形重塑^[26]、人造土壤层、渣土改良层、人造土壤基底层、季节性冻土重构层、多年冻土重构层等主要结构层进行针对性分层重构。通过控制渣山顶部、采坑回填面等平面区域场地平整坡面至微斜坡及采取小平距缓坡与大平距平面相结合的坡面设计可以从减弱大气降水坡面流速、减弱地表径流量等方式，增强大气降水的保水能力，减少水土流失。参照原始土壤层结构，在土壤重构过程中通过对人造土壤层、渣土改良层分层中渣土粒级、砂泥相对含量、营养成分含量等的垂向自下向上的规律递变控制和人造土壤基底层压实处理、地表复绿等设计，可以进一步提升水在人造土壤修复分层间的过水范围、交换效率、下渗空间，更好下渗、吸收和容纳地面毛细沟网络新增捕获的大气降水，更有利于大气降水下渗和涵养水能力提升。参照原始冻土层结构，基于对上部季节性冻土层蓄水能力提升和多年冻土层与原始地层衔接重构有益于其自然恢复的目标引导，通过砂泥相对含量及粒级控制模拟构建水文地质中的相对隔水和透水层，并按照设计厚度、互层组合模式和分层回填压实或一次性差异压实的方法，以实现人工重构多年冻土和季节性冻土层。

图  7  地表毛细沟网络与保水暗垄基本组合样式

Figure  7.  Basic combination pattern of surface capillary trench network and water-retaining ridge

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水的原位涵养影响因素多种多样，同时水以不同形式和在地表表层、土壤层、包气带、冻结层上含水层等不同层位进行相互联动、传输的水文作用和过程，不可单独分割开来考虑或靠单一手段改善水涵养能力。在工程治理中往往涉及较大量的土石方回填、基底层、土壤层的修复，综合采用地形降坡、土壤表层爬犁改变其表面形态构建地表层毛细沟网络、种草复绿、保水暗垄和仿照治理区周边原始土壤层、冻结层上含水层分层结构进行有区分的用料配料、分层回填、分层压实或一次压实再重构等系统的修复思路和方法手段，可以从减弱大气降水势能和地表水流势能以更利于水的下渗涵养、从有利于水在垂向和侧向一定范围内渗流及侧流等方面增加水的原位涵养，即构建出一个多重的原位水源涵养体系。

4.   应用案例

4.1   构建修复思路

在木里矿区聚乎更5号井工程应用中，5号井地表土壤和植被遭到显著的挖损破坏与压占影响，露天采坑在中部采深超过百米，局部对多年冻土层造成了洞穿性的破坏。因露天采坑的存在，地表浅部水流场围绕其发生改变，并且采坑坑底已有的明显积水因与地表的高差存在不能自然外排。除了大气降水会向露天采坑汇聚，采坑边帮多年冻土层的冻融水等也向采坑内集聚。在分析以上5号井存在的以水为纽带的不同生态地质问题，综合考虑本区自然气候、气象、微地形、微地貌、水文背景、周边地表水系分布等影响因素和水传输涵养机理，在分析对比5号井治理前浅表层水补径排汇空间分配和在经过地形地貌重塑初步治理后5号井新的浅表层水补径排汇空间分配基础上，按照强化构建以近似原位湿地−草地水涵养区、疏散露天采坑汇水补给、抑制地表积水、满足不同地形条件下人工复绿植被生长的不同需求、河流地表水系径排连通导水等新的水传输涵养目标和思路，采用从多年冻土到土壤层、植被不同生态地质层分层重构和地表水系联通系统搭接、生态截排水网络构建的方式方法，实现分区引导下地表水补径排汇空间分布的重新调整分配，最终形成五号井新的地表水传输涵养系统。

4.2   5号井水传输涵养系统修复工程应用

通过治理前地表调查对5号井治理区内露天采坑裸露基岩边帮（同向坡）、采坑裸露基岩边帮（反向坡）、匝道、露天采坑底面、积水坑、渣堆边坡、渣堆顶、自燃烧变岩、截排水沟、河床、湿地、分水岭、汇水边界、建筑物区、储煤场、道路、简易拦挡墙、自然草地、人工已复绿草地、冻融滑塌、煤层露头等20余种微地貌类别进行识别。同时，结合航空摄影测量及DEM高程模型对5号井治理区治理前的原地形地貌微景观进行划区。在此基础上，进一步分析出在汇水边界、分水岭控制下的地表径流场的运移特征将治理前的5号井初步划分为西部沼泽湿地−湖塘汇水区、露天采坑西部汇水区、露天采坑东部汇水区、北渣山汇水区和南渣山汇水区共5个相对独立汇水区和南部联通外部区域水系的下哆嗦河径流区（图8a）。

图  8  五号井生态截排水网络构建

Figure  8.  Construction of ecological interception and drainage network of Well No. 5

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综合考虑五号井土石方工程后的地形与坡面的变化及新的汇水区、水源涵养区区划，利用生态输排水主沟、支沟和截水沟不同组合，构建治理后的五号井地表输排水骨干网络（图8b），将五号井规划建造成露天采坑汇水输水区、北部一号渣山汇水输水区、南渣山汇水输水区、北渣山汇水输水区、4个原位草地水涵养区、1个湖塘−湿地原位水涵养区和联通露天采坑的下哆嗦河输排通道共10个功能单元分区（图8c）。在新的地表水传输涵养系统中（图8d），原位草地水涵养区将地表水尽可能的在原位及附近截留、下渗，根据不同地形位置处微地貌的需水预期设置不同形态和组合样式的毛细沟网络与截排水沟达到调控不同汇水输水区输水和缓耗涵养水的目的，多余地表水通过一级主沟骨架起到地表水的过水传输和空间再分配调整。或通过与邻近外部自然河流连通强化地表水的径流输排作用，或通过向沼泽湿地−湖塘的连通导水补给局部小的水涵养区，与其它生态地质圈层构建为一个新的补径排加水源涵养的小型地表浅层水传输涵养系统，有助于维系局部区域的小生态环境的持续稳健运行。

在前期渣山削顶、边坡降坡等减载和潜在地质灾害隐患清除后，通过对采坑底部至浅部进行了垂向5～10 m厚度不等的分层回填、压实系数（0.85）要求的分层压实和浅部最后一次由粗到细渣土回填、更高要求压实及表层捡石、人工土壤重构、土壤肥力改良、种草等措施，完成了露天采坑自西向东逐渐降缓坡回填自然衔接过渡至采坑西端下哆嗦河地势、冻土层重构、土壤重构、复绿等修复工程。经过（复绿）植被等原位水涵养之后，露天采坑仅作为一个自然接受大气降水汇流并在人工重塑新地形下自西向东输水、过水通道区，1号渣山、北渣山、南渣山顶面汇水经过输水主沟网络分别经过露天采坑过水间接和直接引流至下哆嗦河，露天采坑内汇水补给被疏散，显著增强了5号井平面空间水传输涵养能力，同时也显著降低了大面积积水的隐患。

5.   结　　论

1）思考探索了矿山水传输涵养系统的定义，为矿山水综合修复与保护探索新的思路和切入点。其中，露天矿生态环境修复中水修复保护的关键是通过采用不同的技术手段，实现人为修复和自然修复双重引导下水的空间优化再分配，以生态与地质功能恢复为内在支撑，外在促进生态地质环境修复保护效果更有效、更能维持长期稳定。

2）从地表水系联通系统搭接、生态截排水网络构建和原位水源涵养系统重构提出了水传输涵养系统构建模式的基本架构，通过水传输涵养能效梳理界定，进一步对生态截排水网络构建和原位水源涵养系统重构提出了5个相应支撑功能组构。

3）梳理了4种露天采坑治理后水赋存类型和7种自然水系类型，分析了不同类型对象的基本适用条件，并进一步提出了21种地表水系联通组合模式及模式拓展思路、方向。

4）从地面微地貌整形、地形重塑、地表毛细沟网络构建和垂向上土壤层、基底层、季节性冻土层等多元生态地质层重构理念支撑提出原位水源涵养系统重构模式。