黄河流域下游泰山区域生态地质环境问题及修复模式

鲁峰, 王强，韩新，王建伟

(1.山东省地质矿产勘查开发局第一地质大队, 山东 济南 250014; 2.山东省地质科学研究院,山东 济南 250013；3.山东省煤田地质局物探测量队，山东 济南 250104)

0 引言

保护生态环境，应对气候变化，是全球面临的共同挑战之一。由于在生态环境方面欠账太多，当前我国面临资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的形势依然十分严峻[1]。总体上看，我国生态文明建设水平仍滞后于经济社会发展，发展与人口资源环境之间的矛盾日益突出，已成为经济社会可持续发展的重大瓶颈制约。党的十八大把生态文明建设纳入中国特色社会主义事业“五位一体”总体布局，使生态文明建设的战略地位更加明确。2015年国务院发布《关于加快推进生态文明建设的意见》，并将生态文明建设列为“十三五”规划的重要内容。

习近平指出，生态是统一的自然系统，是各种自然要素相互依存而实现循环的自然链条。坚持山水林田湖是一个生命共同体的系统思想，是党的十八届三中全会确定的一个重要观点。2019年李克强在政府工作报告中明确把“加强污染防治和生态建设，大力推动绿色发展”作为年度“政府工作任务”之一。强调推进重点流域和近岸海域综合整治，加强生态系统保护修复，推进山水林田湖草生态保护修复工程试点。要坚持保护优先、自然恢复为主，实施山水林田湖草生态保护和修复工程，全面提升自然生态系统稳定性和生态服务功能，筑牢生态安全屏障。

泰山为五岳之首，是世界自然与文化双遗产和世界地质公园，是华夏文明的重要发祥地，拥有“东方历史文化宝库”和“中华民族精神象征”的美誉，是关系中华民族文化永续发展重点地区。该区自然生态要素齐备，是华北平原重要的生态屏障，在国家生态安全格局中占有特殊的地位，对调节区域气候、改善空气质量、提升生态环境功能具有不可替代的作用。同时也是南水北调东线工程的关键调蓄补源区，在保障津冀鲁供水安全方面具有特殊的地位。

发源于泰山山脉的大汶河，是黄河下游的最大支流。汶水自东向西经建于明朝永乐年间的戴村坝南北分流，向南经运河入淮河，向北经东平湖入黄河。东平湖是南水北调东线工程最末端的天然调蓄湖泊，其水质好坏直接关系南水北调东线调水的成败，对保障沿线11座城市、4000余万人饮用水安全具有重要意义。发源于济南泉群的小清河，是济南及东部多个沿线城市的重要水源涵养区和供水水源，对区域内工农业发展、生态改善关系重大，保护修复工作极为迫切。

泰山北麓是济南泉群的补给区。“天下第一泉”是济南的重要城市名片。济南泉群关系着2000余年泉水文化的传承和永续发展，已被列为山东省生态文明建设保护的重点区域。

由于人类工程活动的不断加剧，泰山区域的生态地质环境遭到了比较严重的破坏，生态地质环境问题突出。为贯彻落实绿色发展理念，保障泰山区域的生态功能，山东省于2017年启动开展泰山山水林田湖草生态保护修复工程试点。

1 工程概况

1.1 位置交通

泰山山水林田湖草生态保护修复工程试点区地处黄河流域下游华北平原南部，以泰山山脉为核心，包括黄河、济南泉群两大水体景观，分属黄河、淮河两大流域，南水北调东线工程从本区穿过，总体构成“一山两水、两域一线”的重要格局，涵盖济南、泰安的16个县(市、区)，面积13000km2。

泰山区域山水林田湖草生态保护修复工程试点区，划分为泰山生态区、大汶河-东平湖生态区和小清河生态区3个片区(图1)。

图1 工程试点区域生态区划示意图

1.2 自然地理概况

1.2.1 气象

试点区地处暖温带大陆性湿润、半湿润季风气候区，冷暖适宜，四季分明。全区多年平均气温13.6℃，一月份平均气温最低，七月份平均气温最高。全区多年(1959—2014年)平均降水量 711.7mm，历年最大降水量1404.9mm(1964年)，历年最小降水量263.1mm(1989年)。降水多集中在 6～9月份，占全年的75% 左右。

1.2.2 水文

试点区跨黄河、淮河两大流域，包括大汶河、小清河两大水系。大汶河位于黄河下游右岸，流域水系北以泰山山脉和小清河为界，南以蒙山及其余脉和淮河流域为界，东依鲁山、西至东平湖，西南部汇入京杭大运河。

大汶河为黄河下游在山东境内最大的支流。主流起源于莱芜钢城区黄庄镇台子村，流经莱芜、 泰安岱岳区、泰山区、肥城、宁阳、东平和济宁汶上等地，于东平县马口村注入东平湖，再由东平湖清河门、陈山口出湖闸泄入黄河，全长239km，流域面积 9098km2。根据1980—2016年实测洪水资料统计，多年平均径流量9.0亿m3，最大为24.0亿m3(2004年)，最小为0.141亿m3(1983年)；最大洪峰流量3850m3/s(1990年)；洪水期最大断面含沙量7.78kg/m3(1990年)。

京杭大运河南起杭州，北到北京，贯通海河、黄河、淮河、长江、钱塘江五大水系，全长1797km。2002年，大运河被纳入了南水北调东线工程。

区内地表水体分布数量较大，除东平湖、雪野湖外，总库容1000万m3以上的大中型水库有19座，目前作为供水水源或备用水源的水库主要有黄前水库、光明水库、金斗水库、乔店水库、东周水库、卧虎山水库、锦绣川水库等。东平湖是确保南水北调东线水质安全的“最后一道屏障”。南水北调东线工程利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北送，先后经过洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖，出东平湖后分两路输水：一路向北，输水到天津；一路向东，经济南输水到潍坊、青岛、烟台。

1.2.3 地形地貌

试点区地处鲁中山区，整个地势自东北向西南倾斜，东部为鲁中山区的一部分，山脉呈“E”型分布，向西延伸，河谷平原交错其间，中部为广阔平原，西部多低山丘陵，西南部为平原，间有洼地、湖泊。区内分布有多种地貌类型，山地、丘陵、平原大致各占全域面积的1/3。

2 生态地质环境问题

泰山山脉地质环境条件复杂，是地质灾害高易发区，威胁群众的生命财产安全[2-3]；区内矿产资源丰富，人类工程活动强度大，矿山环境问题多；地形地貌景观破坏明显，植被覆盖率下降，生态环境脆弱[4-9]，对华北地区的生态安全屏障及保护功能明显下降。

2.1 主要矿山地质环境问题

2.1.1 采空塌陷

主要分布于新泰市协庄、良庄、泰山能源翟镇煤矿区，宁阳市南良父村—西磁窑村一带以及堽城镇茅庄—伏山镇十里堡一带，肥城市查庄、鑫国、华玫、白庄、曹庄、兴杨、聚源、东大封一带，莱芜鲁中矿业、南冶、鄂庄、潘西、小官庄、张家洼、港里矿区以及济南市区东部孙村、顿丘等煤矿、铁矿开采区。据调查统计，区内塌陷地总面积68.3km2，其中泰安塌陷地面积62.1km2，常年积水区7.4km2，塌陷深度0.2～6m；莱芜塌陷地面积 6.2km2，塌陷深度0.6～1m。采空塌陷，尤其是采煤塌陷轻者造成塌陷区内大部分耕地高低不平，影响正常耕种，重者形成常年积水洼地无法耕种。采空塌陷也会造成影响范围内的道路、房屋等构筑物和基础设施的损坏。

2.1.2 含水层破坏

矿山地下开采活动一方面通常要长期大量抽排地下水，会使区域地下水位持续下降，甚至造成含水层被疏干，另一方面地下采矿会破坏含水层结构，甚至发生串层，形成严重的地下水环境问题。这都会造成区域地下水资源更加短缺。

矿坑排水造成地下水位大幅下降 (图2)，形成大范围岩溶水水位降落漏斗，改变了地下水的天然流场，引发岩溶塌陷等地质环境问题或地质灾害。

图2 潘西煤矿年涌水量与奥灰水水位变化曲线

2.1.3 地表水体污染

2.1.4 地形地貌景观破坏

试点区露天矿山分布较多，矿山开采形成了大量采石陡崖和平台，不仅破坏了原有的地形地貌景观，形成了严重的视觉污染，同时也留下了崩塌、滑坡及泥石流等地质灾害的隐患。

2.2 地质灾害

2.2.1 崩塌、滑坡、泥石流

泰山山脉山势陡峭，地质构造复杂，部分地段山体破损严重，是崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的高发区[2,10-13]。据统计，区域内地质灾害隐患点315处，受威胁人口10万余人。2000年8月，泰山东部地区发生泥石流，死亡人数19人，造成重大人员伤亡事故。目前，仍有100余处崩塌、20余处泥石流隐患点亟需治理。

2.2.2 岩溶塌陷

泰莱盆地周边地区碳酸盐岩分布广泛，是岩溶塌陷的高发区[14-15]。截至目前，区内已发生岩溶塌陷160余次，塌陷坑近800个，塌陷面积200余km2。1979年以来，在津浦铁路泰安段先后发生多次岩溶塌陷，导致铁路路基、铁轨变形，铁路停运，造成了严重的经济损失。2003年5月，泰安东羊娄村发生直径70m、深度35m的岩溶塌陷坑，给当地群众生命财产安全产生很大威胁。目前，仍有部分岩溶塌陷隐患区威胁着京沪高铁、京沪铁路，京沪、京台、青兰高速公路等重要交通干线的安全运行。

2.2.3 地裂缝

位于潮泉镇孤山上，山体岩性为寒武纪馒头组、朱砂洞组灰岩、页岩软硬岩层互层，山坡倾向南西，坡角25°左右。2003年5月，孤山山体中部发现一条裂缝，长约600m，裂缝走向NE-SN-NW，裂缝呈锯齿状凹凸不平，能见深度约6m，不稳定坡体体积720万m3。该裂缝是由于西南部采石造成，采石场开挖坡角，坡体稳定性降低，在降雨、震动等因素的诱发下，破坏了坡体原有的平衡状态，使坡体沿一软弱层面向下蠕动。裂缝最大宽度自2003年的35cm扩大到目前的55cm，最大高差从10cm增长到50cm，威胁山体下方的交通安全。

2.3 土地保护和利用问题

2.3.1 矿业开发破坏和压占大量土地资源

土地是区域发展的根本载体。采空塌陷损毁，尾矿库和矸石山压占等，使耕地面积大幅减少，后备资源严重不足。目前，区内铁矿尾矿及废石土积存5939.00万t，占地1.38km2；煤矿矸石积存1821.92万t，占地2.2071km2。

2.3.2 土地环境承载力有限

随着经济社会发展，生态环境退化的趋势显现，土地后备资源特别是耕地后备资源十分有限，土地复垦率低。农田的防洪抗旱能力有待加强，土壤肥力不高。土地环境负荷过重。

2.3.3 土地资源不能合理利用

一是不注重种养相结合，因缺乏对平衡施肥的认识、耕作措施不当等原因，造成耕地养份失调，肥力下降；二是因灌溉水水质不达标、农药残留等造成的土壤污染日益严重；三是受大环境因素的影响，以及农田水利设施的老化和破坏，抵御旱涝灾害的能力下降。

2.4 其他生态环境问题

区域内仍存在大面积裸岩荒山，森林覆盖率低，水源涵养、水土保持等生态功能变差，生物多样性下降趋势没有得到有效遏制。水环境承载力严重不足，水生态环境破坏问题显现，大汶河流域城镇化率较低，农业农村面临污染问题突出，部分支流河段污染较重，对南水北调东线水质安全造成潜在隐患，部分饮用水水源补给区存在污染隐患。东平湖作为南水北调线工程最后一个调蓄湖，近年来，上游生态来水匮乏，造成湿地面积减少，部分湿地功能退化[16-21]。

3 生态地质环境治理思路及修复模式研究

3.1 治理原则

(1)坚持以人为本、生态和谐的原则。试点区为一自然生态要素齐备的完整生态功能区，泰山山水林田湖生态保护修复工程坚持以人为本、生态和谐的原则，根据工作总体部署，因地制宜地开展各项工作，改善环境质量，保障生态安全，形成人与自然和谐发展的新格局。

(2)统筹规划、突出重点的原则。秉承“山水林田湖是一个生命共同体”的重要理念，统筹自然生态各要素进行整体保护、系统修复、综合治理，分类实施、先易后难、突出重点，大力提升区域生态环境质量[22]。

(3)部门联动、协调推进的原则。工程实施中坚持政府主导、部门联动，做好与各行业部门的规划衔接、协调配合，保障各类工程项目有序推进。

(4)科学设计、精心施工、严格管理的原则。加强对区域生态环境问题的调查论证，突出问题导向，采取行之有效的手段措施，科学编制生态保护修复工程设计。施工中要坚持设计的严肃性，严格执行各类规范标准，强化质量的监督管理，严格责任追究，确保施工质量，将其建设成为一个在全国范围内具有示范意义的优质工程。

3.2 修复模式研究

3.2.1 修复模式

坚持“山水林田湖是一个生命共同体”的生态理念，运用系统的理论和观点，以解决试点区域生态环境突出问题为导向，以扩大和优化生态空间为目标，兼顾山水林田湖各要素，注重生态修复的整体性、系统性、协同性、关联性，坚持修山、治污、增绿、扩湿、整地并重，实行跨区域、跨部门联合机制，统筹实施山水林田湖生态修复工程[23]。

根据试点区域自然地理特征、区域生态环境特点，按照“一山两水、两域一线”的总体布局，将试点工程区划分为泰山东麓、泰山西麓和泰山北麓3个生态保护修复工程区。通过认真梳理、专家论证，安排矿山地质环境治理工程、土地综合整治工程、地质灾害防治工程、地质公园与地质遗迹保护工程和流域生态环境治理工程5大类19小类，其中“一山两水”涉及生态保护修复工程4大类9小类，“两域一线”涉及生态保护修复工程5大类15小类。

3.2.2 矿山地质环境治理

(1)采煤塌陷地治理。本着“宜农则农、宜林则林、宜牧则牧、宜渔则渔、宜建则建”的原则，治理工程主要有矿山的采空塌陷区土地平整、露天采坑削坡除险回填整治、农用田间路修筑、排灌渠开挖等。主要分布于区域内的新汶煤田、肥城煤田、宁阳煤田、莱芜煤田，塌陷地总面积12298.25hm2。

丘陵山区采煤塌陷后地表形态变化不大，无积水现象，局部出现的塌陷坑和裂缝导致耕地、道路及水利设施受损变形。复垦时主要是填堵陷坑及裂缝，平整土地，修筑水平梯田。丘陵山区塌陷地治理应结合山区小流域治理，加强保土保水保肥的农田水利基本建设，修建塘坝、地堰、水平沟、鱼磷坑、谷坊等工程，提高拦蓄地表径流能力，植树造林，保持水土，改善生态环境和耕作条件。

平原地区采煤塌陷后对地表形态破坏严重，塌陷后的地表形态复杂多样，其治理的模式也不尽相同。按复垦方式可分为填充式复垦和非填充式复垦两大类，分别采取不同措施进行治理。

(2)矿山生态修复工程。矿山生态修复面积3685hm2，主要分布于泰山、徂徕山等中低山区及重要交通干线两侧，其中泰山东麓涉及泰安新泰市和莱芜市莱城区、钢城区、雪野旅游区，共19处，面积2191hm2；泰山西麓涉及泰安肥城市、宁阳县、东平县，共4处，面积1229hm2；泰山北麓涉及济南历下区、市中区、历城区、高新区、长清区、平阴县，共6处，面积265hm2。

露天采矿场，由于上覆土地与植被资源的破坏而形成了裸露的岩石边坡及大量的荒芜土地，为了营造良好的生态环境，需对采场进行综合治理。主要治理措施有：①边坡岩土松散、坡面角大于安全稳定坡时，应采取削坡减载等措施；②构造破碎造成的岩层边坡失稳，可采取人为爆破措施，清除危岩，消除隐患；③边坡加固，对边坡的稳定加固主要采用锚杆等锚固技术，这是国内外普遍采用的边坡加固技术；④边坡高度超过20m时，应设置3m左右的宽平台，形成台阶形，沿台阶应设横向排水沟；⑤对边坡和塘口的绿化主要通过护坡加固、填土，种植松树、草坪、爬墙虎等草木，对部分边坡采用插板填土绿化，初期采用护网保护。

(3)矿山采空区充填综合治理工程。主要分布于济南市历下区、历城区、南山管委、高新区和莱芜市大王庄镇、茶业口镇、牛泉、颜庄、高庄、辛庄等地，共18个片区，采空区体积425278m3。

治理方法主要分为填充法、围岩崩落法和隔离法。利用后续生产掘进产生的废石作为充填材料，对就近采空区进行充填处理，废石层的厚度达到采空区高度的80%以上，满足冲击气浪缓冲层厚度要求，确保采空区安全稳定。对于主运输巷相邻的采空区采用混凝土和料石等材料进行封堵，封堵墙厚度不小于800mm；对现有相邻矿柱净距超过20m的，采用锚杆加固的方式对预留矿柱进行加固，或增设混凝土保护柱等措施，确保该区域顶部围岩的稳定性。

(4)串层水井封堵工程。主要分布于泰山东麓新泰市新汶办事处的石家泉、谷里镇-小协镇碗窑头、垛庄一带，面积15km2，莱芜市黄庄—颜庄—高庄一带，面积8km2。对地下煤田采空区进行充填注浆工程，对串层水井进行封堵，保证水源地正常运行，使工农业得到持续发展。

(5)其他矿山地质环境问题治理工程。废弃矿井综合整治工程主要分布于泰山东麓新泰市羊流—泉沟镇、莱芜市口镇—羊里镇、莱芜市莱城区，泰山西麓肥城市，共需治理废弃矿井井口242眼。对水量较大，水质经取样化验符合农田灌溉用水标准的废弃矿井，可整理、改造为农田水利用井，可对改善周边安全环境，提高抗旱能力，确保农作物丰收。对于不宜改造利用的废弃矿井，采用废石填埋封堵，对井口采用混凝土及钢筋浇注封口。

矸石山治理工程主要分布于新泰市煤矿开采区。煤矸石不仅用来充填塌陷区，造地建城，也可用于发电、建筑材料等；粉煤灰可锻烧成优质铝氧和高标号水泥，分选制砖、改良土壤以及复垦造田。实施汶河、张庄村矸石山综合治理工程。把项目区内矸石进行清理外运，通过场地平整、渣土清理、填土压实、耕土覆盖，恢复其土地功能。

3.2.3 土地综合整治工程

(1)农用地整治工程。 大力开展农用地整治，规划期内共有4个县市区安排该类型项目，土地整治面积32544hm2，新增耕地1373.02hm2。按照“占补平衡”原则，大力推进农用地整理开发，补充耕地数量和质量不得低于同期建设占用、灾毁损坏、采煤塌陷和农业结构调整等减少的耕地数量，土地利用率明显提高，土地生态得到改善，土地资源尤其是耕地资源可持续利用能力进一步增强，形成合理、高效、集约和生态良好的土地利用格局，提高土地利用效能。

(2)宜耕后备土地资源开发工程。 适度开展宜耕后备土地资源开发。规划期内共安排4个县市区项目，整理面积1159.55hm2，新增耕地899.11hm2。对宜耕后备土地资源采取整治措施，增加耕地面积、改善生态环境的整治模式。

(3)工矿废弃地复垦调整利用工程。 因地制宜开展工矿废弃地复垦工作。共有6个县市区开展工矿废弃地复垦工程，复垦面积900.76hm2，新增耕地788.39hm2。对废弃的工业广场进行土地复垦，对废弃工业广场拆除临时建(构)筑物后，清除地面垃圾、种植观赏树木或改良成农田、休闲广场，也可作为工业用地。

3.2.4 地质灾害防治工程

区域内地质灾害类型主要以崩塌、滑坡、泥石流和岩溶塌陷为主，其中崩塌、滑坡和泥石流主要分布在泰山北麓、西麓大汶河上游瀛汶河流域和泰山西麓康汇河流域，岩溶塌陷主要分布在泰山南麓的泰莱盆地内，在泰安新泰、东平和济南泉域补给区长清、平阴等地，局部有岩溶塌陷发育。地质灾害防治工程共27个，其中崩塌、滑坡和泥石流防治工程18个，岩溶塌陷防治工程9个。地裂缝治理工程主要分布于莱芜市黄庄-颜庄-高庄、肥城市潮泉镇等。采取地裂缝充填、土地平整、搬迁避让等措施。地质灾害的综合治理工程主要包括监测预报、避让、限制性措施及工程措施等。

3.2.5 地质公园与地质遗迹保护工程

地质公园及地质遗迹保护工程共12处，总面积352.08m2，其中地质山东省泰山山水林田湖生态保护修复工程试点实施方案 54个公园保护修复工程10处，地质遗迹保护工程2处。按地域分，泰安市9处，均为地质公园保护修复工程；莱芜3处，其中1处地质公园保护修复工程、2处地质遗迹保护工程。地质公园与地质遗迹主要采取基础地质环境调查工作进行地质遗迹保护、标识保护系统建设、地质遗迹科普教育基地建设与宣传措施 、开展科学研究等多种措施进行保护。

3.2.6 流域生态环境治理工程

流域生态环境治理工程共41个，其中人工湿地水质净化工程项目16个、污染源综合治理项目5个、饮用水水源地保护项目10个、水系生态环境调查与评估项目1个、生物多样性保护项目5个、生态环境综合整治项目4个。全面深化污染治理、循环利用、生态修复的“治用保”流域治污体系，扎实做好“减排”和“增容”两篇文章。实施全过程水污染防治，通过实施结构调整、清洁生产、末端治理等全过程污染控制，逐步使排污单位达到环境容量能够基本接纳的治污水平；促进水资源节约和循环利用，以循环经济理念为指导，因地制宜地构建企业和区域再生资源循环利用体系，减少资源消耗和废弃物排放；加强生态保护与恢复，划定并严守生态红线，纠正生态破坏行为，修复受损生态环境，加大生物多样性保护，保护重要区域生态功能。

4 效益及结论

4.1 效益分析

经估算，泰山山水林田湖生态保护修复工程估算总费用为2144058万元。按实施期划分，第一期工程费用为612723万元，第二期工程费用为754425万元，第三期工程费用为776910万元。

本次工程将通过矿山地质环境治理、土地综合整治、地质灾害防治、地质公园与地质遗迹保护、流域生态环境治理一系列系统性工程，建立多目标、强功能、高效益的系统修复治理体系，使区域生态环境得到有效修复和保护，生态功能得到强力提升，努力实现泰山山水林田湖生命共同体和谐发展，构筑“泰山大生态带”的空间结构优势，为南水北调供水安全、华夏文明永续发展和国家生态安全提供保障，具有显著的环境效益、生态效益和社会效益。

4.2 结论

通过实施泰山山水林田湖生态保护修复工程，探索区域生态地质环境修复模式，建成集“生态友好、环境美丽、功能完善、文化永续”的生命共同体，打造出“山青、水绿、林郁、田沃、湖美”的泰山大生态带，将试点区建设成为中华文化永续发展的重点区域，提升其对华北平原的生态屏障功能，保障南水北调水质安全和交通干线运行安全，为北方地区实施山水林田湖生态保护修复提供可借鉴、可复制、可推广的“泰山经验”。