废弃矿区修复的设计研究—以平煤七矿为例

朱晗宇，马冀磊，邢 燕

(1.河南城建学院 建筑与城市规划学院，河南 平顶山 467036; 2.元晟工程咨询有限公司，河南 郑州 450018)

近年来，由于我国各地矿井的关闭退出速度不断加快，产生出许多废弃矿井及矿区废弃地。如何开展矿区废弃地修复重建已成为社会热门议题，矿产开采引起的生态破坏已成为当今亟待解决的环境问题之一。我国矿区生态修复引起相关部门和学者的广泛重视和关注，但与国外矿业发达国家生态修复研究相比相对滞后[1]，生态修复的研究具有重要意义。

学者和专家对生态修复进行了大量的研究，已具有较完善的废弃地修复理论[2-3]，但矿业废弃地的生态重建和开发实践尚处于探索性实践阶段。随着人们对生活质量的要求不断提高[4]，探索矿区土地开发多元化也不仅仅局限于复垦农业用地，而是开发建设大量林业用地、水域以及兼具自然生态景观的休闲用地，例如生态公园、野营地、运动场馆、音乐场馆等[5]。对矿区修复的已有研究主要包括矿区土壤改良[6]、矿区规划[7-8]、矿区生态景观修复[9]等。目前，针对平顶山矿区的研究主要包括煤矸石中微量元素[10]、矿区坡地土壤重金属污染[12]、矿区周边农田重金属污染[13]、矸石山周边重金属污染[14]、矿区生态恢复规划[15-17]等。本文在以往研究的基础上，对平煤七矿的废弃矿区修复设计进行研究，以期对七矿的矿区废弃地进行合理改造。

1 七矿矿区简介

平顶山是我国重要的资源型城市，平顶山矿区是国家大型煤炭基地。全市大型煤矿企业21个、中型煤矿15 个、小型煤矿140 个，主要的开采方式是地下开采。平顶山矿区煤矸石中有害微量元素Be、V、Cr、Co、Cu、Sr、Cd、Pb、U、Hg、Se的含量大于中国土壤元素背景值，可淋失率较高，对环境具有较大的潜在危害性[12]。平顶山矿区周边农田土壤重金属整体处于轻度污染[13]，平顶山矿区矸石山周边土壤受重金属Cd-Cr-Pb -Cu复合污染[14]。

平煤七矿位于平顶山市区西部，原名郝堂矿，隶属于中国平煤神马集团。2016年2月七矿全面停止生产，同年6月七矿关井闭坑完成。通过前期实地考察，七矿现状场地可分为6个功能区，分别是工业广场、居住区、加工区、采煤区、洗煤区、矸石山区[11](详见图1)。通过分析得出七矿改造过程中最大的障碍是修复已破坏的生态环境以及退化的生态系统。

图1 七矿现状功能分区图

图2 七矿矿区改造功能分区图

七矿矿区土壤污染严重，矿区地表出现严重变形和塌陷，因此使用功能受到限制，绿化分布零散。根据以往研究建议建造七矿煤矿遗址公园[11]，总体规划设计分为植物净化区、休闲娱乐区、遗址观光区、生态林地区、亲水游憩区、饮食生活区、文化体验区和历史博览区八个区域(详见图2)。本文在此总体规划的基础上，从矿区废弃地土壤净化与修复、水系统的生态治理、植被修复和植物种植三方面设计分别进行探讨。

2 矿区废弃地土壤净化与水系统的生态治理

2.1 矿区废弃地土壤净化

煤矿矿区地表堆积的垃圾及土壤中重金属物质的积累都对土壤的活性造成严重的影响，导致土质下降，植物丧失生长能力。矿区土壤修复包括毒性处理、基质改良和植被恢复，通过人为措施和自然生态修复相结合，重建已破坏的矿区生态系统，达到恢复土地绿化功能、提升美观等效果。

场地地表污染区的清理需分门别类，将普通垃圾和具有污染性质的垃圾分开处理，确保有污染垃圾处理程序的严格性、安全性、合格性。对场地内的土壤、水体、保留建筑及设施首先进行严重污染物质的排除。

土壤重金属污染的治理主要有物理、化学、生物三大途径。物理治理采用焚烧、换土的方式进行净化；化学途径常采用化学溶剂将土壤中的重金属元素溶解；生物途径是借助于具有生命力的植物、微生物净化土壤污染。生物途径治理成本低且效率较高，因此对重金属污染土壤通常采用该方法进行植物修复。

2.2 水系统的生态治理

水污染能够导致植物、农作物、微生物、生命体等受到侵害，水污染得到控制后，才能进一步考虑水的循环和利用。工业废弃地中存在的水污染一般分为地表水污染和地下水污染。地表水污染主要来源于工业管道的排放水以及地表污染物，也是地下水污染的源头。地下水流速缓慢，污染物不易稀释或分解，植物难以生存，植物净化无法顺利进行。地下水污染的处理方式常采用泵水方法，将地下污染水体抽到密闭的容器，运输到场地外，并加以处理，另一种较为先进的科学技术是通过微生物来对地下水进行清理。

3 七矿矿区水系统的生态治理设计

重金属普遍具有稳定性、隐蔽性、难分解、容易富集等特点，治理相对比较困难。依靠土壤自我修复时间相对漫长，人工介入可及时处理污染物质，控制污染物质的蔓延，减少对土壤造成侵害的同时能够缩短土壤修复的时间。对七矿水系统治理分别从地表水污染处理、地下水污染处理及水循环利用进行设计。水资源的循环采用常用LID技术和生物滞留方法。

低影响开发技术称为LID 技术，是通过对雨水的收集和净化来解决场地缺少水源和原有水循环被破坏等问题，达到水体循环和利用，将收集到的雨水用于植物的灌溉、补足场地的景观水源，不仅能够减少地表雨水径流，同时缓解场地中重金属的污染。七矿改造过程中运用了LID技术，采用透水铺装系统和生物滞留设施。透水铺装系统主要是通过加大透水面积来控制地表径流，如生态停车场可采用透水植草格铺装，并且间隔种植绿化乔木，起到雨水收集的作用。透水铺装的形式主要有：嵌草砖、透水混凝土、鹅卵石等，都可以使地表雨水渗透至铺装内部，净化后的雨水可以补充地下用水。七矿的雨水循环见图3。

图3 七矿场地雨水循环分析图

通过数据显示：透水路面对常规重金属污染物具有良好的净化效果，其中对Pb、Zn 和Cu的去除率分别达到74%～99%、73%～99%和98%～99%。生物滞留技术对悬浮颗粒和油脂具有一定的去除作用，能够缓解雨水径流中的重金属成分，可以采用雨水花园对七矿雨水径流进行处理。植物净化区采用生物滞留，通过设置多个下凹绿地、树池、植草沟等来实现雨水的再利用。雨水花园的植物选择具有一定的局限性，可通过栽植耐旱耐水淹的植物对雨洪水进行有机质分解和净化。生物滞留系统对径流中Cu、Zn 和Pb的去除率分别为70.9%～98.1%、77.6%～98.5%和71.7%～98.6%。

4 植被修复和植物种植

七矿经过多年采矿活动，矿区生态破坏比较严重，场地的可持续性修复需要植物长年累月的作用。合理的种植设计不仅有利于恢复生态，同时对整个场地的景观营造有至关重要的作用。要营造一个全新的城市景观，必须有鲜活的植物群落和健康的生态系统作为基础。

4.1 植被的修复

污染严重的场地，土壤无法短时间修复到健康的状态。景观设计中对景观的营造较大程度依赖于植物，植物的选择通常选择适应性强的植物种类，例如：先锋植物、固氮植物、超富集植物、乡土植物等。

先锋植物生命力相对顽强，有良好的抗逆性，能够改善土地质量，例如：苇状羊茅、狗牙根、白喜草、香根草等；固氮植物每公顷每年达到的固氮量为50～150 kg，例如：合欢、二月兰、紫云英、紫花苜蓿、水葫芦、沙棘、罗汉松等；超富集植物对重金属环境有较强的适应能力，吸收重金属Pb、Zn、Cu 等，例如：野菊花、莎草、银柳、旱柳、杨树等；乡土植物有较好适应性，生命力强，易于管理，成本较低，能够很好适应场地的生长、应对场地土壤肥力不足的问题，还能够体现场地的区域特色。

在生物多样性保护中尽可能地恢复和建立动植物的栖息地，通过建立湿地来保护生物的多样性。湿地是城市生态系统构成的重要部分，也是微生物的密集繁殖地，可调节小气候，还能够将破碎的绿地斑块进行衔接，维持生态环境的平衡和稳定，能够丰富因工业污染而渐渐消失的生物群落，保护生物多样性，实现可持续发展。

4.2 植物种植设计

七矿的植物种植分别根据功能分区、种植形态、排列方式三个层面进行设计。

4.2.1 功能分区种植设计

根据矿区各部分的功能不同，将植物的配置分为游览景区和生态种植区植物配置。游览景区主要功能为娱乐、游憩和观赏，因此主要对边角空间进行绿化，突出其景观节点，多以本地土植物为主。建筑密集的区域采用规则式种植，营造四季多变的效果，较多采用常绿树种搭配彩叶树，达到丰富的视觉效果。观花类植物采用樱花、迎春、杜鹃、君子兰、紫薇、荷花、月季、牡丹、菊花、梅花、桂花、蔷薇等。观叶类植物采用银杏、红枫、海桐、侧柏、垂柳、旱柳、国槐、法桐、白玉兰、罗汉松等。观干类植物采用梧桐、南天竹、龙爪槐、白皮松、朴树、白桦等。草本植物采用黑麦草、牵牛花、马齿苋、鸡冠花、高羊茅等。

生态种植区植物采用多种形式的种植手法，构建四季多变的植物景观带，融入平顶山的乡土植物。平顶山常见本土植物主要有：冬青、桂花、香樟、紫薇、小叶女贞、大叶女贞、垂柳、槐树、梧桐、雪松等。

4.2.2 种植形态设计

当场地修复基本达到预期的要求时，就需要对植物进行美观设计。七矿改造设计采用6种种植形态类型，植物密集的区域采用类型1的植物搭配方式，视野空旷的区域采用类型2、类型3、类型4的植物搭配方式，花坛、草坪以及屋顶花园则采用类型5和类型6的种植形式，通过疏密对比衬托出空间的变化。种植类型分布分析图见图4，场地植物种植分析图见图5。

图4 七矿种植类型分布分析图

图5 七矿场地植物种植分析图

4.2.3 排列方式设计

运用整形排列、无序排列、孤植种植三种形式对七矿进行景观营造。整形排列的方法常见于行道树的种植。设计中在生态林地的营造、遮挡建筑物边缘、围合封闭空间等方面均采用无序排列的方法，在生态林地区、亲水游憩区与休闲娱乐区靠近场地边缘的植物种植都采用无序密集的种植方法，不仅起到围合场地的作用，同时也可以有效地消减场地外的噪音。孤植种植的方法用在植物景观营造时，利用树荫能给场地留下季节、时节痕迹的特点，一般在靠近景观中心采取整形排列种植、孤植等相结合的种植方法，起到指示方向、点缀景观等作用。

4.3 植物种植景观效果分析

污染较严重区域植物种植，起到净化、修复、美化环境等重要作用。七矿景观改造设计在人们与景观进一步的互动前提下，同时体现七矿历史的煤文化。以下分别对植物净化景观效果及亲水游憩区、生态林区和休闲游乐区的景观设计效果进行介绍。

4.3.1 植物净化景观效果

以下分别对历史博览区入口、场地花坛、阳光大草坪及植物净化区的景观效果进行分析。历史博览区入口设计为开放式，入口景观鸟瞰图见图6。左侧设计大花坛，入口的右侧设计安置在树荫下的停车位，节省用地面积，并且能够在炎热夏日降低汽车表层温度。

图6 入口景观鸟瞰图

场地花坛采用不规则形状设计，随意的座椅摆放形式营造出舒适的阳光休息区(图7)，树池还能够供人们休息，体验背靠大树带给人们的安全感，水池设计喷泉，增加了硬质上的灵动性，硬质上点缀着简单的绿色能够让人们在午后尽享阳光的温暖。

图7 花坛树池效果图

在文化体验区设计阳光大草坪(图8)，结合微地形营造一个开敞空间，设计景观廊架，带给人们在穿梭草坪时不一样的体验，草坪上设计纪念性的雕塑，充分表达了场地的历史内涵，如：设计工人推煤车的雕塑隐喻了七矿是一个靠煤炭发展起来的工业场所，煤车上的字样让人们铭记七矿的历史，简单而富有寓意的雕塑、别致的廊架、空旷的大草坪完美地结合在一起，成为一道亮丽的景观。

图8 阳光草坪效果图

植物净化区位置围绕着历史博览区，占地面积约2 ha。场地草坪设计成阶梯形式，形成景观的视觉层次感，靠近场地边界部分植物采取密集种植，起到降噪的作用，生态种植区的植物选择要考虑场地的土壤状况，尽量选择本土植物，不仅能够起到净化土壤的作用，还能体现七矿地域特色，效果图见图9。

图9 植物净化区效果图

4.3.2 亲水游憩区效果

亲水游憩区位于遗址观光区后侧，占地面积约3.8 ha，现为白鹭洲湿地公园的人工湖。水的形态保持自然，设计结合生态林地营造自然山水的景象，与园区的其他部分形成截然不同的风景，使七矿遗留的建筑在自然的风景衬托下显得静谧庄重(详见图10)。

图10 亲水游憩区效果图

4.3.3 生态林地区效果

生态林地区与亲水游憩区相融合构成场地自然山水景观，占地面积约3.8 ha，主要用植物来塑造景观。植物采用密集种植，种类繁多，多采用乡土植物，构成四季有景的景观带，增大绿地面积，不仅起到净化场地土壤和空气，同时大面积的绿色植物能够带给人们心旷神怡的感受(详见图11)。

图11 生态林区效果图

4.3.4 休闲娱乐区效果

休闲娱乐区占地面积约6.2 ha，整个地势较高，是原煤矸石堆积所在地。煤矸石区域的治理不仅要对表层进行残留物质清理，而且要采用植物的净化功能对场地进行绿化。七矿改造设计将煤矸石山设置为户外休闲娱乐场所，采用大面积的绿化，微地形结合植物种植。休闲娱乐区效果图见图12。

图12 休闲娱乐区效果图

休闲娱乐区分为休闲散步走廊(图13)和儿童游乐广场(图14)。人们在休闲散步走廊进行户外活动，草坪阶梯设计为不规则形状，使人们能够亲近自然；设计煤矿沙漏作为七矿历史的纪念性雕塑，放在半透明廊架旁，代表着七矿曾经的辉煌如沙漏般流逝，提醒人们铭记七矿历史。儿童游乐广场提供各种儿童娱乐活动场所，设计生动活泼，设置滑梯、攀岩、秋千等游乐设施。场地中设计巨型铜人滑梯，金属的复古效果和鲜亮的色彩形成对比，代表着怀旧和新生。

图13 散步区分析图

图14 儿童游乐广场效果图

5 结束语

矿区生态修复的成功与否，决定了矿区未来的功能转型、社会效益及经济效益。以平煤七矿为例，对废弃矿区生态修复设计进行研究，对土壤净化、水系统的生态治理方法、生态修复和植物种植进行设计，并对景观设计效果进行分析，将景观设计、休闲娱乐与七矿的历史相互结合，净化了场地土壤和空气，达到生态自我修复的目的，为人们提供心旷神怡的休闲场所，为类似废弃矿区的设计和修复提供参考。