基于推理条件和规则的废弃露天矿坑再利用方式选择

高文文，白中科

（1. 中国人民大学公共管理学院，北京 100872；2. 中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；3. 国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035）

0 引 言

废弃露天矿坑是露天开采活动结束后产生的遗留废弃地，其数量和规模持续增长。它以挖损的方式破坏了大量土地资源，对生态安全和地貌景观造成不同程度的负面影响[1-2]。有的废弃矿坑还伴随高陡边坡和积水，若不及时对其进行维护和管理，还可能引发崩塌、滑坡等地质灾害[3]。因此，废弃露天矿坑再利用代表着新型的资源利用观和绿色的开发理念，是生态文明建设所提倡的，已成为当今土地复垦领域中关注的热点，亦是难点。

束文圣等2000年提出，深入研究不同类型矿业废弃地的复垦技术和模式，是中国矿业废弃地复垦工作的当务之急[1]。十多年来，矿业废弃地的生态恢复与重建技术逐步完善，景观更新与再利用水平大幅提高[4]。在此过程中，排土场、尾矿库等研究较多，废弃露天矿坑研究较少。对于废弃矿坑的再利用方式，王永生等[5-6]最早将其归纳为博物资源利用、旅游开发、复垦造田、矿坑水利用、垃圾处理等。而后有学者对废弃矿坑水的治理利用[7-8]、矿坑边坡稳定性[9-10]、闭矿规划政策[11-13]等个别要素进行了研究。如今，中国逐渐摆脱了传统土地整治的束缚，在废弃矿坑再利用中注入了景观设计元素和美学元素，甚至实现了功能更新[14-18]。欧美国家工业发展早于中国，因此较早地开始研究矿业废弃地的治理理念和方案。1867年，巴黎比特•绍蒙公园（Buttes Chaumont）从衰败的矿坑变身东方园林，开启了废弃矿坑再利用的先河[19]。随着人们对环境要求的提高、环保意识的加强以及科学技术的发展，废弃露天矿坑再利用受到了建筑师、景观设计师、生态学者、规划师等的共同关注，缔造了一系列公园类优秀案例，如加拿大维多利亚附近的布查特花园（Butchart Gardens）[20]、美国芝加哥南区的斯特恩矿坑公园（Stearns Quarry Park）[21]等。此外，国外废弃露天矿坑的景观改造与再利用呈现出个性化、多元化的特点，如用于民居[22]、野生生物栖息地[23]、水产养殖[24]等。

在再利用方式的选择方面，Soltanmohammadi等[25-26]运用消去与选择转换法、偏好顺序结构评估法和层次分析法对闭矿后的土地利用方式进行了排序，Bascetin[27]运用层次分析法对露天矿的最优复垦方式进行了选择，刘慧芳等[28]通过建立用地竞争模型对矿业废弃地再利用的用地类型进行了判定，高怀军[29]运用和谐理论并借鉴协调度提出了矿业废弃地的再利用方案。但废弃露天矿坑自身具有特殊性，不同再利用方式的同一条件可能具有互斥性，某种再利用方式可能只与部分条件相关，而上述研究选取的影响因子相对笼统，可操作性较差。Bangian等[30]运用模糊层次分析法构建了露天矿坑再利用方式选择模型，但其未考虑起决定性作用的因子对结果造成的影响。

综上，废弃露天矿坑再利用方式的选择目前还处于探索阶段。无论是直接针对废弃露天矿坑进行再利用研究，还是将其作为矿业废弃地的一部分进行规划设计，多缺乏条件剖析和论证，从而使研究的实际指导意义大打折扣。本文通过“推理条件-推理规则”以及限制性思路对废弃露天矿坑再利用方式进行初步选择，以期为闭矿或即将闭矿的露天矿坑再利用提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

研究区选择山西省朔州市境内的平朔露天煤矿，具体研究对象是矿区的3大露天矿坑，即安太堡矿坑（1985－2077年）、安家岭矿坑（1998－2095年）、东露天矿坑（2006－2080年）（下文顺序同）。这3个露天矿的生产能力分别为15.0、24.0、20.0 Mt/a，是典型的特大型露天矿。据2014年气象监测数据，该区年平均气温7 ℃，年内气温极不均匀，昼夜温差大。年降雨量365.7 mm，年蒸发量 2 217.2 mm，均集中在夏季。年主导风向为西北风，年平均风速 2.5 m/s，城镇用地和农村居民点集中区位于平朔矿区的西部。光能资源丰富，平均日照期2 662.8 h/a，平均太阳能辐照量 5 752 MJ/(m2·a)。土源丰富，但土壤贫瘠，有机质含量小于1%。

在露天煤矿开采前，通常会根据矿体埋藏条件、开采工艺和有关技术经济因素等进行开采设计。根据平朔露天煤矿的开采工艺与时序以及矿坑的土地利用变化情况，3个矿坑废弃后的面积分别约380、460、300 hm2，位置如图1所示。

图1 废弃露天矿坑位置示意图Fig.1 Position schematic diagram of abandoned open pits

1.2 数据来源

本文研究区的自然条件和矿坑条件数据主要来源于平鲁区2014年统计年鉴和矿区的土地复垦方案。其中，矿坑的重金属污染数据来源于《露天煤矿土地复垦与生态重建——平朔露天矿的研究与实践》[31]，评价方法为内梅罗指数法，评价标准为土壤环境质量标准（征求意见稿）》中商业用地和工业用地的二级标准。其他条件数据主要来源于2015年8月实地调研。其中，交通条件数据来源于规划文件。

1.3 再利用方式

废弃露天矿坑再利用是指通过岩土工程措施、生物工程措施等将废弃露天矿坑的土地、资源、文化等要素进行整合，使其达到可利用状态的过程。本文按照废弃露天矿坑可利用状态的主导功能性质，将其分为农业生产型、生态保护型、旅游文娱型、社会服务型、新兴产业型5大类，每类模式下又有多种不同的再利用方式（图2）。其中，将旅游文娱型归纳为科普教育类、建筑改造类和公园类。

图2 废弃露天矿坑再利用方式分类Fig.2 Reuse ways classification of abandoned open pits

2 研究方法

2.1 推理条件

废弃露天矿坑的再利用受到多种条件因子的影响。本文基于再利用方式，通过专家咨询、文献提取、规程规范查询等，共提取矿坑条件、自然条件和其他条件 3类17个条件项。

2.1.1 矿坑条件

矿坑条件主要指矿坑自身的属性特征，包括矿坑规模、矿坑污染状况、矿坑积水状况、矿坑深度、坡度、边坡稳定性6个条件项。

1）矿坑规模

由于矿坑规模没有统一的分类标准，且矿山规模大，矿坑规模也相对较大，故本文通过矿山规模间接地对矿坑规模进行分类。矿山生产建设规模通常用年产量表示，按原煤或矿石的年产量可分为大型矿山、中型矿山、小型矿山（表 1）。其中，露天煤矿、露天铁矿及常见的金属矿（铜、铅、钨、镍等）均有统一的分类标准，采石矿因矿石类型不同规模标准不同，但与煤矿、金属矿相比多为小型矿山。因此，矿坑规模可分为大型、中型和小型。

表1 露天矿山规模分类Table 1 Scale classification of opencast mines万 t·a–1

矿坑规模对再利用方式有直接影响，如矿坑规模较大时一般不考虑用于农业种植，因为回填难度大，直接利用又存在通勤距离过大、农具到位困难的弊端；矿坑规模较小时一般不考虑新兴产业型再利用模式，因为光伏发电、水力发电属于工业利用，对场地的要求之一就是面积要大。

2）矿坑污染状况

污染的治理和次生污染的防控是废弃露天矿坑再利用过程中的关键环节，尤其是在农业生产、旅游文娱等以人的参与为主的再利用过程中，必须保证环境质量达到相关标准。矿坑污染状况根据各污染指数（如单因子指数法、内梅罗指数法、潜在生态危害指数等）等级划分标准分为5级，I级表示清洁无污染[32]。若有矿坑积水，还需对水质进行调查研究，确保水质安全。根据《地表水环境质量标准》（2002），矿坑积水的环境质量根据相应的地表水水域功能可分为达标和不达标2类。

3）矿坑积水状况

废弃矿坑的水文平衡主要取决于蒸发量与补给量的大小。补给途径主要有大气降水、地表水、地下水等。当蒸发量大于补给量时，废弃矿坑不会积水，反之则会产生积水。矿坑积水在再利用中的作用主要体现在：具有生态系统服务功能，能湿润净化空气，调解局部小气候，为水生动植物提供适宜的生活环境；可提供生产、工业用水；可作为水上娱乐项目的活动场所；是重要的景观要素之一。根据刘抚英的研究成果，当常年积水或季节性积水＞3 m时，可用于养殖；＜0.5 m时，用作观赏景观；介于二者之间时，可用作环保型湿地[33]。

4）矿坑深度

矿坑深度对水力发电、垃圾填埋场的选择影响较大。中国按水头的大小将水电站分为高水头水电站﹑中水头水电站和低水头水电站，对应的水头大小分别为＞200 、40~200 、＜40 m。废弃矿坑用于水力发电属于蓄水式发电，矿坑适宜深度为40~200 m。对于垃圾填埋场而言，当填埋面积一定时，填埋高度越大，填埋容量越大，经济性就越好。

5）坡度

坡度指矿坑平台及坑底的坡度，对再利用的影响主要体现在耕地种植上。根据《土地利用现状调查技术规程》（1984）将其划分为5级。其中，≤2°一般无水土流失现象；＞2°~6°可发生轻度土壤侵蚀；＞6°~15°可发生中度水土流失；＞15°~25°水土流失严重；＞25°为限制坡度，不准种植农作物。

6）边坡稳定性

影响露天矿坑边坡稳定性的因素有自然因素和人为因素 2类。自然因素包括水文地质条件、降雨条件等。人为因素主要是人工爆破等采矿活动的影响。本文定性地将边坡稳定性分为强、中等、弱 3级。因事关安全，其在每种再利用中均需予以重视，否则一旦失稳将会对周边产生重大威胁。

2.1.2 自然条件

自然条件包括太阳辐照量、主导风向、灌溉条件、土源条件4个条件项。1）太阳辐照量

国家气象局根据各地的年辐射总量和年日照时数将全国太阳能资源大致分为5类地区（表2）。一、二、三类地区太阳能资源的利用条件较好，四、五类地区受地理位置的影响利用条件较差。根据目前光伏电站建设单位投资水平，三类以上地区较适宜太阳能资源的开发，四类地区为较难开发地区，五类地区几乎为不可能开发地区[34]。

表2 中国太阳能资源分类Table 2 Solar energy resources classification of China

2）主导风向

废弃露天矿坑用作垃圾填埋场时，主导风向是一个至关重要且不可改变的条件。生活垃圾填埋场、一般工业固体废弃物贮存、处置场都应设在工业区和居民集中区主导风向下风向。若废弃露天矿坑位于上风向，则可直接排除用作垃圾填埋场。

3）灌溉条件

在农业生产型、生态保护型再利用模式中，幼苗的前期培育和花卉、苗木的生长期均需要良好的灌溉条件。干旱时，灌溉农业需通过灌溉以保证农业的正常生产。本文将灌溉条件定性地分为：水源有保证，设施完备；水源有保证，设施不完备；水源无保证，设施无保证。4）土源条件

由于露天开采将上覆土层全部剥离，故与耕地、林地、草地相关的再利用需考虑土源条件。本文将土源条件定性地分为场内存土、周边客土、外购土 3个推理条件。值得一提的是，回填再利用难度较大，经济性较低，通常需要大量土源，但其是一种永久性的造地行为，且可消除一些潜在的地质灾害风险。

2.1.3 其他条件

其他条件是除矿坑条件、自然条件外的对废弃露天矿坑再利用影响较为显著的条件，包括交通状况、距居民点距离、劳动力资源、技术条件、思想文化、公众参与、与城市的关系7个条件项。

1）交通状况

交通状况对旅游文娱型、社会服务型、新兴产业型再利用模式影响较大。交通状况与交通线路的类型以及交通网的密度、结构相关。交通线路主要有公路、铁路、空中航线等；交通网的密度即区域内单位面积交通线路的长度，结构指通达性和连接性等。本文将交通网的密度、结构合为可达性，分为区内可达和区外可达。区内可达指满足区域内活动所需的交通设施，区外可达指满足到达区外目的地或目的地周边交通枢纽所需的交通设施。由此，交通状况分为：交通线路类型多样，区外可达性高；交通线路类型较为单一，区内可达性高；交通工具类型单一，区内可达性低。

2）距居民点距离

考虑到选址、通勤等因素，距居民点的距离需在可接受范围内，如农业种植的耕作半径要尽量小。根据调研情况，大多数农民认为可接受的最大耕作半径为 2 000 m。垃圾填埋场选址时需考虑周边人畜栖居地的卫生环境状况及有毒物质的扩散距离。随着垃圾处理技术和设备的进步，我国对生活垃圾填埋场距居民点集中区距离从1989年的800 m变为1997年的500 m，再到现行的无统一的限制距离，依据环境影响评价结论确定，经当地环境保护行政主管部门批准即可[35]。但在实际生活中，存在着因周边居民认为填埋场距离“过近”而引发的冲突。综上，本文将垃圾填埋场距居民点集中区的最小距离设为1 000 m。

3）劳动力资源

在废弃露天矿坑的再利用中，不同模式对劳动力质量和数量的需求不同。劳动密集型产业需要的劳动力数量较多，技术密集型产业对劳动力自身能力要求较高。本文将其定性地分为供大于需、供需平衡、供小于需 3个推理条件。

4）技术条件

废弃露天矿坑再利用所依赖的技术手段大体分为 2个方面：一是与废弃露天矿坑再利用相关的工程技术，二是提高资源利用率的技术。在选择再利用方式时，要充分考虑所需技术的成本和可获得性，实现相关技术及技术手段的供求平衡，才能为再利用提供强大的技术支撑。本文将之定性地分为可达、部分可达和不可达 3个推理条件。其中，不可达主要指一些世界性难题，部分可达指整体中有个别技术需要攻坚，可达指技术已相对成熟。

5）思想文化

对于公墓、寺庙等风俗、信仰指向较强的再利用方式，思想文化是必须考虑的条件。近年来，随着国家的提倡和呼吁，绿色生态节地葬在大城市逐渐推广，为少数人所接受。但受传统文化的影响，中国大多数地区尤其是经济较落后的地区依然实行土葬，思想文化的包容性较弱。其次是宗教信仰，一个地区如果有相关的宗教文化和一定的信仰人群，方可考虑此类再利用，否则优先排除。

6）公众参与

为了维护利益相关者的权益，在废弃矿坑再利用决策阶段需加强公众参与，尤其是在社会冲突易发的领域，如垃圾填埋场、发电站的选址等，规避不必要的风险。本文将其分为多数同意、少数同意、都不同意 3个推理条件。少数同意的情况下可以先争取再作决策，都不同意的情况下，则应改变计划。

7）与城市的关系

从废弃矿坑与城市的关系看，废弃矿坑可分为3种：城区型、城郊型、远离城市型[36]。一般情况下，离城市越近，可利用资源、劳动力、社会经济、科学技术等条件就越优越。但从实际角度出发，位于城市内部的废弃露天矿坑并不多见，如若存在，也是城市扩张的结果，具有较高的土地价值和开发潜力。城郊型废弃矿坑次之，远离城市型区位劣势明显。从某种意义上看，废弃露天矿坑的位置从很大程度上决定了其再利用模式，如旅游文娱型对区位的要求较高，社会服务型不能离城市过远等。

综上所述，废弃露天矿坑再利用方式推理条件如表3所示。

2.2 推理规则

推理规则是以目标为导向的推理条件的有机组合。本文以废弃露天矿坑再利用方式选择为目标，对推理条件进行组合，形成了推理规则表（表 4）。在推理规则表中，条件间的“，”表示“且”，即所列条件均需考虑并满足；条件中的“/”表示“或”，即满足其一即可；条件前的“not”表示“非”，即需满足与此相反的条件。此外，只标注条件序号表示该推理条件存在不确定因素，需视情况而定，如灌溉条件只标注了条件序号9，表示用作雨养农业时不考虑此条件，用作灌溉农业时才需考虑水源和灌溉设施；在光伏发电基地中，矿坑深度只标注了条件序号4，是因为随深度的增加是否会影响光照条件，要视废弃矿坑规模、所在地区太阳高度角等实际情况而定。

2.3 推理思路

推理规则运用的总体思路是：从限制性出发，优先排除限制性强的再利用模式，初步筛出可纳入考虑范围的。本文将限制条件分为永久性限制条件和暂时性限制条件。前者指基本不可改变的，或是改变需要付出巨大代价的条件，包括矿坑深度、矿坑规模、矿坑积水、太阳辐照量、主导风向、与城市的关系；具有“一票否决权”，即如果某一关键条件的限制导致废弃露天矿坑不能用于某种模式，则无论其它条件多么适宜，最终还是不能用于此模式。后者指采取相关措施可加以改良的条件，改良难度越大，改良的相对费用越高，则限制性越强。因此，再利用方式选择遵循“先永久后暂时”、“先强后弱”的原则，按照图3的推理顺序进行。

表3 推理条件Table 3 Inference conditions

表4 推理规则Table 4 Inference rules

图3 推理顺序Fig.3 Inference order

3 结果与分析

3.1 推理结果

按照推理顺序，首先对永久性限制条件进行分析。其中，太阳能辐照量、主导风向、与城市的关系未能行使“一票否决权”，但矿坑规模、矿坑深度、矿坑积水状况对再利用方式进行了限制。该区平均日照期2 662.8 h/a，平均太阳能辐射量 5 752 MJ/(m2·a)，根据表2可知属于三类地区，原则上可以进行太阳能资源的开发利用。年主导风向为西北风，城镇用地和农村居民点集中区位于平朔矿区的西部，即下风向。3个矿区是典型的特大型露天煤矿，从经济性的角度分析，矿坑几乎不可能回填，只能选择直接再利用或者综合再利用的方式。根据 3大露天矿的台阶数及各台阶设计高度可得，矿坑深度为150~200 m，故排除农业生产型中的种植业和畜牧养殖业，且不再分析只与这 2种方式相关的条件项，包括灌溉条件和坡度。该区气候干旱，大气降水和地表水补给量稀少。露天矿坑开挖时的地下涌水量仅为49 m3/h，在当地的气候条件下将被自然蒸发、渗漏，不会形成矿坑积水。此外，当地水资源贫乏，饮水尚需通过引水工程解决，故可排除生态保护型中的水库、湿地以及水产养殖、水力发电等需水量大的再利用方式。

在暂时性限制条件中，由于该区地处中原，人们的思想较为保守，丧葬以粗放式的土葬为主，且非常讲究祖坟的排位，包容性弱，故排除公墓再利用。与洗煤、选煤活动相比，废弃露天矿坑主要进行剥采活动，其污染状况主要决定于各地质层组剖面的地球化学组成，加之煤矿是沉积作用的产物，污染物质主要来自相关的矿物质，故污染状况以重金属污染为主。结果表明，矿坑各层样点重金属污染的评价等级均为I级，评价结果均为清洁。从岩层结构来看，本区露天矿坑边坡从上到下依次为黄土、砂岩、砂质泥岩和泥岩，属于中等稳定性；矿区的地下水和降雨都较少，对边坡稳定性的影响也较小。另外，根据国家十三五规划及《中长期铁路网规划》，规划新增运输机场包含朔州机场，呼南（呼和浩特至南宁）高速铁路线包括朔州站点；《张家口市城市总体规划（2016－2030）》草案提出，要规划朔州-浑源-广灵-蔚县-北京快速铁路，从朔州到北京只需3 h左右；国家高速公路G18计划2018年底全线通车，山阴至平鲁（晋蒙界）段是其组成部分。由此可见，平朔露天矿闭矿之前，该区交通已十分便利。距居民点距离通过缓冲区分析得出，即废弃露天矿坑1 000 m以内无居民点分布。通过上述分析，与土源条件相关的只剩下生态保护型再利用模式，而生态恢复的植被配置主要是乔灌草，对土质的要求相对较低，矿坑闭矿之际未复垦的排土场即可满足覆土需求。通过实地调研发现，当地村民尤其是离矿山较近未搬迁的村庄，对矿区土地复垦的诉求强烈，部分已搬迁安置村民因失地后生活无保障，有工作或种地的意愿。区内劳动力整体供大于求，但技术性劳动力相对短缺。多年来，中煤平朔与科研机构、高等院校联合承担了国家自然科学基金等重大课题，研究土地复垦新技术、新方法，成果显著。

根据推理条件和推理规则，平朔矿区废弃露天矿坑可用于生态保护基地、旅游文娱型、垃圾填埋场和光伏发电基地（图4）。

3.2 推理结果分析

平朔矿区植被稀少，黄土遍布，水土侵蚀严重。通过边坡、平台和坑底治理等生态保护措施不仅能够改善矿区生态系统的结构和功能，提升生态系统服务价值，减少二氧化碳排放，而且能使邻近矿区村民的生活环境有所提升。该矿区30 a来的土地复垦和生态恢复成果已被国土资源部等列为生态示范工程，这从一定程度上验证了用于生态保护的可行性。

图4 平朔矿区废弃露天矿坑再利用方式选择结果Fig.4 Reuse ways selection results of abandoned open pits of Pingshuo mining area

旅游文娱型再利用中的科普教育类在中国的矿山公园中较为常见，相似度极高，有些景区游客寥寥，入不敷出。建筑改造类和公园类可与矿区整体的复垦产业规划相衔接，与猎场、养生馆、智能温室等形成“食、住、行、游、娱、购”旅游产业链，也可与平鲁区的边塞文化旅游互为补充，互相带动。但其投资巨大，决策时需进行充分的市场分析，如平鲁区境内有凤凰城的千佛洞、五龙洞，周边有中国重点文物保护单位应县木塔、崇福寺，若将废弃矿坑用于宗教寺庙，与历史遗留的真品相比必显逊色。由此也可以看出，旅游文娱型决策结果由供给和需求共同影响，而创意是供给质量的重要体现。

平朔矿区露天矿坑规模大，库容大，服务年限长，用作垃圾填埋场不仅节省占地，填埋后的土地还可以进行二次开发利用，经济性高；用作光伏发电基地绿色环保，且具有一定的经济效益。但这 2种再利用方式均有严格的选址条件，故需进行严谨的论证方可决策。由此可以看出，基于“推理条件-推理规则”的方法，可对再利用方式进行初步选择，决策时除满足相关推理条件外，还需对详细的选址条件、区域产业规划、土地利用规划、经济条件等进一步论证，一般情况下决策结果为推理结果的子集，也可能为空集。

4 结 论

1）从限制性角度着手，构建了基于“推理条件-推理规则”的废弃露天矿坑再利用方式选择方法。推理结果为再利用方式的初步选择，决策结果需通过更加详细的分析及多方案比选后确定，一般情况下为推理结果的子集，也可能为空集。

2）以平朔矿区露天矿坑为例进行实证研究，研究证明了方法的可行性。经过初步选择，该区可用于生态保护基地、旅游）文娱、垃圾填埋场、光伏发电基地。决策时，可结合现有的复垦景观、产业规划、土地利用规划、经济条件等，将 3个矿坑的再利用方式进行组合与协调，避免单一化。

废弃露天矿坑的再利用是一个复杂的巨系统，且涉及采矿、地质、农林、环境、生态、景观、建筑、工程等诸多学科与领域。因此，本文提取的条件还有待补充和完善，使得初步选择结果的范围进一步缩小。在此基础上，以期建立起一个用于回答“为什么”的专家知识库以及可以简单化操作的计算机系统页面，夯实本研究的实用性。此外，本研究主要基于国内外已有和在研的废弃露天矿坑再利用方式进行选择，在实际再利用中，可以此为参考，也可超越本文研究范畴。

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