废弃露天矿坑的生态修复方式及发展

杜莉莉，刘文豪，莫志凯，李鑫林，樊 恒，沈乐滨，苗 安

(中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

矿产资源为我国的经济建设做出了不可磨灭的贡献，我国95%以上的一次性能源、80%以上的工业原料、70%的农业生产资料，都取自矿产资源。然而，大规模、高强度的矿产资源开发活动，在为国家能源安全、经济发展做出重大贡献的同时，也付出了巨大的生态环境代价[1]。

长期以来“重开发、轻保护”的不合理矿产资源开采利用方式产生了大量废弃矿山。根据中国地质调查局以市、县为单元的全国矿山地质环境调查数据统计[2]，截至2018年，我国共有各类废弃矿山约99 000座，按开采方式分，露天开采的废弃矿山共80 600座，井工开采的废弃矿山共有16 400座，其他混合开采的废弃矿山2 000座。废弃矿坑就是伴随着采矿活动结束之后的废弃矿山而产生的。

由调查统计数据可见，露天开采废弃矿山的数量高于井工开采废弃矿山，相应地废弃露天矿坑的数量也高于废弃地下矿井，而废弃露天矿坑对地表环境的破坏更为严重。因此，对废弃露天矿坑进行生态修复，是落实绿色发展、循环发展理念的重要内容，是建设美丽中国的必然选择。由于矿产种类、规模、地质条件、气候等的差异，势必注定了废弃露天矿坑的生态修复不能一概而论。本文尝试着在前人的研究基础上，依托废弃露天矿坑生态修复的经验和做法，总结归纳生态修复方式的进展阶段和重要性，并提炼生态修复的基础以及加快生态修复发展进程的方法。

1 废弃露天矿坑对生态环境的影响

废弃露天矿坑犹如地球上的一块块“伤疤”，对水资源、土地资源、地面景观和生物多样性都有威胁，这也是废弃露天矿坑生态修复的原因所在。废弃露天矿坑对环境的影响：①水资源。地表水污染，改变地表径流；地下水污染，地下水位下降。②土地资源。挖损、破坏，水土流失，地质灾害。③地面景观。与周围环境不协调，景观质量下降。④生物多样性。矿山生境质量下降，生物多样性减少，生态系统稳定性降低。

1.1 对水资源的影响

在露天矿建设过程中，可能会对穿过露天采区或位于采区附近的地表水进行改道，从而改变原始的水资源环境；如果露天矿采矿低于地下水位，开采过程中的强制性疏干排水会使地下水漏失，严重影响和破坏区域地下水系统，导致地下水位下降、泉流量减少甚至干枯，造成采坑及周边区域地下水资源破坏[3]。当水(自然水、生产用水或废水)渗过地表(包括废弃物覆盖层或其他材料)进入地下水时，地下水水质会受到影响；当地表水和地下水之间有水力联系时，也会产生污染。露天矿废弃之后，这些问题并没有好转，反而由于疏干排水系统的停止运转，雨水和地下水积存在露天矿坑的底部，长期的淋溶作用会增加其中所含有毒有害物质的浓度，从而加剧水资源的污染。如美国蒙大拿州的伯克利露天铜矿，矿产资源枯竭之后，矿坑废弃，抽水系统也不再运转，大坑被强酸性的污水注满，如果不加以治理，随着水平面的不断升高，污水将会在20年内扩散到整片地区[4]。

1.2 对土地资源的影响

废弃露天矿坑不仅在物理空间上以挖损的形式损毁了大量土地资源，加剧土地资源短缺矛盾；在土壤成分上由于矿产资源开发过程中产生的各种含有大量重金属和有毒有害元素的固体废渣、废水，未经达标处理或不合理堆放，通过雨水淋溶和风扬作用扩散传播到采坑周边的土壤中，对土壤造成污染[1]。废弃露天矿坑边坡在未改造前，由于坡度和裸露的岩土，水土流失严重；有的还伴随潜在的地质风险，例如，抚顺西露天煤矿和阜新海州露天煤矿开采形成的巨大矿坑，由于地质结构、地表水以及地下水的作用，同时还由于边坡岩体性质等原因，容易诱发滑坡、塌陷、泥石流等一系列的地质灾害。

1.3 对地面景观的影响

露天矿坑对地面景观的影响主要表现在矿坑与周围环境在形状、纹理和颜色方面的差异。露天采矿的人工干预，改变了景观元素之间的自然关系，导致当地景观视觉结构的改变，从而导致景观质量的下降。矿石埋藏于表土层以下，露天开采矿山需先行剥离表土层，这必然会破坏矿区土地使用类型，使原来的绿地荡然无存，并影响周围植被的生长；露天开采后形成的巨大深坑与周围环境非常不协调，使原有的地形地貌景观受到较大破坏。当矿山靠近具有美学、文化、历史、建筑或科学价值的标志性元素，无论是建造的还是自然的，这种影响尤其严重。

1.4 对生物多样性的影响

废弃露天矿坑占用了大量的土地资源，带来生态环境和安全问题，导致当地的生态结构与功能退化严重，植被与生物多样性遭到破坏。大规模的山体开挖，岩石大面积裸露，原有植被和植被生长所需的土壤被破坏，周边林地动物栖息地也受到干扰，矿山生境质量下降，生物多样性减少，生态系统稳定性降低。位于美国田纳西州东南部的波克县和佐治亚州北部范宁县的铜盆地矿区，采矿活动给矿区及周围地区的生态带来了严重破坏，在未生态修复前一度被认为是美国最大的人工荒漠[5]。

2 国内外研究现状

废弃露天矿坑的存在，对生态环境造成了诸多不利影响。废弃露天矿坑的生态修复，如果只依靠自然恢复往往需要花费数十年甚至数百年的时间来完成，而通过人工方式进行生态恢复或景观改造，则可以快速地变废为宝，恢复矿坑资源的利用价值[6]，为此，国内外均展开了对废弃露天矿坑生态修复的研究。

2.1 国外研究现状

截至2020年，美国约有 500 000个，澳大利亚约有50 000个，加拿大约有10 000个废弃矿山[7]。国外露天开采的比例一直较大，所以国外非常关注废弃露天矿坑的生态修复，其景观生态设计和可持续利用已有较多典型修复案例，见表1。

表1 国外废弃露天矿坑的修复案例Tab.1 Ecological restoration cases of abandoned open-pits abroad

近些年，国外的科研学者对废弃露天矿坑的生态修复又提出了一些新的想法，如一些欧美国家相继开展了关于废弃矿井煤层气的研究，目前美国已经在圣胡安、黑勇士、北阿帕拉切亚、拉顿等多个废弃露天矿坑形成商业产能[4]；Jinyoung Song等[8]研究了在废弃矿山坑湖中安装浮动光伏系统的可行性，并以韩国双龙露天石灰岩矿为案例进行研究，验证了在废弃矿山坑湖上安装浮动光伏系统的经济可行性和所获得的生态效应；Estanislao Pujades等[9]提出建立使用露天或深矿的地下抽水蓄能水力发电(UPSH) 的发电厂，以储存在低需求能源时期产生的多余电力，并通过建立模型快速筛选出未来 UPSH 工厂的有利位置，像澳大利亚昆士兰州的基德斯顿露天矿，已完成建设抽水蓄能电站的可行性研究；Javier Menéndez等[10]分析了废弃露天矿坑和淹没的地下矿井中的矿井水作为地热资源为周围村庄提供地热能，和通过地下和地表水库之间的抽水蓄能发电的可行性，以改善逐渐衰落的传统矿区的经济和社会条件，并以西班牙北部阿斯图里亚斯中央露天煤矿为例进行了阐述。

2.2 国内研究现状

中国的矿坑修复工作起步较晚，相关理论基础和体制机制建设落后，优秀典型案例较少，仍需进一步的探索和研究[11]。我国废弃露天矿坑生态修复的典型案例见表2。

表2 国内废弃露天矿坑的修复案例Tab.2 Ecological restoration cases of abandoned open-pits in China

近年来，随着我国对生态环境的日益重视，科研工作者也针对废弃露天矿坑的生态修复现状展开了研究；2019年4月，自然资源部推动开展长江经济带废弃露天矿山的生态修复工作，对长江流域一线的废弃露天矿进行调研和生态修复，也推动了对废弃露天矿坑的研究。

张进德等[1]对我国生态区域划分的57个生态区，划分了14个废弃矿山生态修复区，为实施废弃矿山分区修复、分类施策提供了依据；刘强等[12]阐述了利用废弃的采石坑修建地宫的做法；孙晓阳等[13]给出了我国首座废弃矿坑内建造的大型宗教建筑——南京牛首山佛顶宫项目的具体施工技术；曹寿鹤等[14]提出了一种抽水蓄能与坑底储油相结合的废弃露天矿坑综合利用模式，并以辽宁省抚顺西露天矿为工程背景进行了工程探索；高文文等[15]以废弃露天矿坑为研究对象，以实现其再利用为目标，以“模式分析—模式选择—实证研究”为主线，总结了国内外已有的废弃露天矿坑再利用案例；武强等[16]采用系统工程思路，运用“九节鞭”手段，围绕矿山环境问题梳理、调查、评价与预测、修复治理技术与模式、矿山土地适宜性评价、监测与预警、信息系统研发、法规标准和矿山环境管理9个方面探讨了逐步攻克和解决矿山环境问题的出路；袁亮等[4]提出了以抚顺西露天矿废弃矿坑为基础建设国家级矿山地质公园的概念性规划以及对利用抚顺西露天矿废弃矿坑建设抽水蓄能电站进行了可行性分析；刘宏磊等[17]则以抚顺西露天矿为例，剖析了露天煤矿闭坑后正效应资源开发利用条件与优势，认为西露天矿规划利用类型可分为地表生态景观、坑壁商业场地、坑壁光伏电站、地下深部储藏场所、深部抽水蓄能电站以及矿山博物馆和公园等。

2.3 生态修复方式的进展阶段和重要性

依据场地的自然环境、文化历史和社会经济条件将废弃露天矿坑开发为城市公园、矿山公园、博物馆、人工湿地、农林渔养殖、垃圾处理、地下储库等可持续和多功能空间，是废弃露天矿坑修复的主要方式，此外，矿坑建筑和文体场地的建造又开辟了别种利用途径；如今，随着新能源开发的兴起和科学技术的进步，浮动光伏系统、抽水蓄能电站、抽水蓄能与坑底储油相结合、矿井水地热能等利用方式也逐渐进入人们的视野。

在生态修复进程中，正如波鸿工程应用技术大学校长在为《做得好——德国应对后采矿的挑战》(译本)一书作序时所说：“通过面向未来和可持续发展的方式，矿井的关闭是一个改变工业和城市结构千载难逢的机遇”，废弃露天矿坑对环境的影响和机遇并存，所以对废弃露天矿坑的生态修复不仅局限于改善生态环境，而且会带来新的发展机遇。

环境影响可以分为水资源、土地资源、地面景观及生物多样性。其对应的生态修复方式(发展机遇)如下：①人工湿地；②热能生产；③抽水蓄能发电、坑底储油；④浮动光伏系统；⑤渔业养殖；⑥农业养殖；⑦林业养殖；⑧建筑；⑨文体场地；⑩垃圾处理场；地下储库；城市公园、矿山公园；博物馆；煤层气利用。

笔者对环境影响对应的各种生态修复方式，即发展机遇的进展阶段和重要性进行了划分(图1)。

图1 生态修复方式的进展阶段和重要性Fig.1 Stage and importance of ecological restoration patterns

3 废弃露天矿坑生态修复的基础

废弃露天矿坑虽有多种生态修复方式，但万变不离其宗，一个废弃露天矿坑要想成功修复，笔者认为以下5个方面：确保边坡稳定、恢复水土健康、选取适宜植被、应用3S技术和运用景观生态学，是其基础和保障。

3.1 确保边坡稳定

无论在哪种类型区域开展废弃露天矿坑生态修复，都要首先消除地质灾害隐患，确保边坡稳定，保障安全。通过对边坡进行工程地质分析和极限平衡分析，对不稳定边坡可采取削坡压坡脚、抗滑桩加固、锚杆加固、柔性桩—锚联合支护、注浆等措施增加稳定性，如有必要可增加监测和预警设施以实时监测边坡安全。相对于还在生产的露天矿边坡，废弃露天矿坑边坡由于不再受生产活动的影响，保持稳定性似乎更加容易，但出于经济性考虑，人们更不愿意在废弃矿坑边坡稳定上花费太多财力，可能为了省钱就对其处理不到位，所以应特别关注。

3.2 恢复水土健康

2009—2019年，矿业废弃地复垦与生态修复研究的热点集中在土地复垦、修复、有机物、植被、土地利用、模式、景观、土壤等[18]。由此研究热点可见，不管废弃露天矿坑采取怎样的生态修复方式，不治理受污染的水土是行不通的，健康的水土是生态修复的根基。污染水的处理技术主要有厌氧石灰石沟渠法、人工湿地、连续产碱系统、可渗透反应墙、曝气/沉淀等；污染土壤的处理技术主要有植物修复、固化/稳定化、玻璃化等[5]。

3.3 选取适宜植被

植被作为生态系统中的生产者，对于生态系统的恢复起着至关重要的作用。根据区域气候和破坏土壤的特点，选择适宜的植被。在最大限度地保留原有植被的同时，扩大矿区植物种类的生态功能。为了避免成本的浪费和对原有植被生长的影响，必须防止引入不适合环境生长的植被[19]。

3.4 应用3S技术

RS(遥感系统)、GIS(地理信息系统)和GPS(全球定位系统)合称3S，已广泛应用于废弃露天矿坑的生态修复中。一般来说，生态修复的范围都比较大，如果使用传统的修复方法，需要耗费大量的人力物力，且修复时间长，修复成本高[20]，而如果使用RS技术，不仅可以减少修复时间，还可以进行大范围的扫描监测，通过接收植被、水体和岩土的反射光谱对矿区景观及污染情况成像，再利用GPS可随时移动的特点，对RS图像进行定位，通过GIS对图像进行科学处理与分析后，可以绘制废弃矿坑场地及其生态恢复需求，进而提出精确的生态修复建议。

3.5 运用景观生态学理论

景观生态学是研究景观组成单元的类型构成、空间格局及其与生态学过程相互作用的综合性学科[21]。景观生态学在评价生态系统结构与功能稳定性、完整性等方面有很强的适用性。捷克学者[22]运用景观异质性指标研究了捷克北波西米亚褐煤盆地的露天煤矿废弃地的土地利用格局，在分析其土地利用格局之后，设计出3种不同的矿区废弃地恢复与重建的土地利用方案；肖晓楠等[11]根据海口市南部区域13个重点废弃矿坑的场地特色和生态环境问题，通过适宜的景观生态设计和合理的可持续利用途径，以恢复场地生态系统功能和土地使用功能目的，最终为区域带来生态、经济和社会效益，为其他城市的废弃矿坑改造提供典型示范。

4 废弃露天矿坑生态修复的发展

国内外学者已在废弃露天矿坑生态修复的研究领域做出了很多成绩，然而废弃露天矿坑生态修复要加速发展，笔者认为，人力和财力是首当其冲的两大要素，国土空间规划“双评价”理念的借鉴以及生态银行建立的作用也不容小觑。

4.1 培养专业人才

废弃露天矿坑的生态修复，涉及到采矿学、农学、林学、地质学、测量学、岩石学、生态学等多种学科，需要各学科紧密配合。

德国波鸿工程应用技术大学成立了后采矿研究院，并开设了“岩土工程与后采矿”硕士专业，旨在培养工程师担任负责人，负责规划和实施矿山关闭和售后服务所需的复杂程序。这一专业结合了采矿工程、矿山测量、土地测量和岩土技术等多个学科所需的科学基础、技术资质和技能，以应对后采矿时代面临的挑战与机遇[23]。而在我国，还缺乏这样的复合人才培养机制，应借鉴德国波鸿工程应用技术大学的经验，探索研究开设相关专业，以更好地为矿山废弃地的生态修复服务。

4.2 社会资本加入矿山生态修复

我国矿山生态修复历史欠账多，责任人灭失的废弃矿山需要财政拨款修复，然而从中央到地方各级财政投入不足，资金问题成为矿山生态修复的制约瓶颈。2019年，自然资源部印发《关于探索利用市场化方式推进矿山生态修复的意见》，通过自然资源政策激励吸引社会各方投入，探索推行市场化运作、科学化治理的矿山生态修复模式。相信随着社会资本的加入，矿山生态修复的前景会越来越好。

4.3 借鉴国土空间规划“双评价”理念

自然资源部于2020年1月发布了《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南(试行)》。资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价是“双评价”，是国土空间规划开展的重要基础和前提。将“双评价”的理念用于微观层面，即废弃露天矿坑的生态修复，依据废弃矿坑的资源环境承载能力和空间开发适宜性来确定矿坑的修复方式，依笔者之见，还可以加上生态系统服务价值(生态修复产生的社会效益、经济效益、生态效益)，综合考虑废弃露天矿坑的生态修复。

4.4 建立生态银行

生态银行是生态产品价值实现的一项重要的金融手段，是指政府搭建的生态权属交易平台。在政府审核与监管下，由银行主办者通过恢复/保护/新建生态资源产生生态信用，并通过交易将生态信用出售给资源开发者，实现生态产品向经济产品的转化[24]。生态银行在保护生态、协调自然资源开发与保护关系方面发挥着重要作用。国际上具有代表性的生态银行主要有湿地缓解银行、森林银行、土壤银行、水银行等，而国内生态银行罕见，可以尝试建立生态银行，以帮助矿产资源开发废弃后的保护和修复。

5 结论

废弃露天矿坑有着多种生态修复方式，虽然其进展阶段和重要性不尽相同，但均可以在改善生态环境的同时恢复矿坑资源的利用价值，具有巨大的现实意义和研究价值。而要想成功修复，其基础和保障主要在于确保边坡稳定、恢复水土健康、选取适宜植被、应用3S技术和景观生态学理论这五个方面。此外，专业人才的培养、社会资本的加入、国土空间规划“双评价”理念的借鉴以及生态银行的建立，在废弃露天矿坑生态修复的发展中也会起到不可磨灭的作用。废弃露天矿坑是伴随废弃矿山应运而生的，其生态修复可以也应作为废弃矿山生态修复的一个方面统筹考虑，这也是废弃露天矿坑生态修复的主要思路和方向。