泰安市山水林田湖草生态修复区废弃露天矿山治理模式与技术体系研究

2022-06-22徐飞焦玉国唐丽伟程凤王玲赵玮魏凯尹衍鹏

山东国土资源 2022年6期

徐飞，焦玉国，唐丽伟，程凤，王玲，赵玮，魏凯，尹衍鹏

(山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队，山东省地矿局山水林田湖草重点实验室，山东泰安 271000)

0 引言

矿山开采业是我国的基础产业之一，在我国的经济发展中具有重要作用和地位，对国民经济、社会发展和人民生活意义重大[1-3]。自改革开放以来，我国国内生产总值迅速增加，矿产资源开发力度不断加强，开采范围不断扩大；与此同时，开采活动对矿区及周边地区的环境产生了复杂多样的负面影响，造成诸多不可逆的破坏问题[2]。其中露天矿山对区域土地与环境的破坏尤为严重，开采活动使矿区地形地貌、生态环境、地质环境等景观要素受到剧烈扰动，支离破碎的山体随处可见，已经成为土地、环境等方面继续研究解决的焦点问题[3]。废弃露天矿山生态系统是“山水林田湖草”这一生命共同体不可或缺的子系统，在实施山水林田湖草生态保护修复工程中扮演着重要的角色，在矿山环境问题日益突出、国家对矿山环境和土地规划利用日益重视的今天，探索、归纳、总结、研究废弃露天矿山治理模式和技术体系则尤为必要。

国外废弃矿山治理修复研究始于20世纪初，对其再利用方向、治理模式等是热门研究方向[4]，Poros M等针对波兰Checiny-Kielce地区的露天废弃矿山提出了地质知识科普基地的废弃矿山再利用模式[5]；Betrie GD等基于可能的边界和地球化学物种形成模型对矿区金属污染进行评估，对矿山进行恢复治理[6]；日本在公路沿线岩质边坡植被护坡研究方面处于国际领先地位，并将高分子稳定剂广泛应用到了边坡生态防护中[7-8]；加拿大总的要求是不能低于原有的生态水平，因地制宜的改造成公园、建成水库或鱼池[9-11]；欧美等发达国家，喷混植生技术是近年来应用最为广泛的边坡生态重建技术[12]。国内学者对于废弃露天矿山生态修复治理技术模式方面也开展了一系列研究，高云峰等针对露天矿硬质边坡总结了以工程修复为主导的复绿技术和以生态修复为主导的复绿技术两大类，共11种常用方法[13]；张进德等[14]结合地形地貌、区域生态系统结构与功能等因素，划定我国废弃矿山生态修复区，提出了农用地模式、建设用地模式、生态景观模式、自然封育模式等几种主要模式；还有学者以不同省市、地区为例[15-22]，总结出了适应于不同地域的废弃矿山治理模式及关键技术。综合国内外相关研究表明：废弃露天矿山的治理模式及技术体系受地理位置、水文气象、地形地貌、破坏程度等多因素的控制，治理对象具有广泛性、特殊性[23]，不同区域的治理模式和技术体系各不相同，并不具有普遍适用性。

本文分析、诊断、识别了废弃露天矿山修复目标、存在问题及特征，基于泰安市山水林田湖草生态保护修复工程试点部署实施的废弃露天矿山生态修复项目，归纳总结出废弃露天矿山治理模式、技术体系及典型修复方法，旨在为泰安市及北方类似地区生态修复工作提供借鉴参考。

1 废弃露天矿山修复目标、存在问题及特征

1.1 修复目标

废弃露天矿山生态修复其根本目的是将破坏的生态系统进行完善，提高生态系统服务功能，本文将废弃露天矿山生态修复归类为两大目标，即生态复绿及土地利用。

(1)生态复绿。通过植树复绿，将废弃露天矿山恢复为原有林地、草地是最基本的做法，可提高区域内植被覆盖率，完善生态环境质量，改善周边居民的生活环境。

(2)土地利用。废弃露天矿山土地再开发对于改善矿山环境、促进矿区经济转型具有重大意义，也是挖掘存量土地资源的重要渠道之一，作为宝贵的后备土地资源，是农业生产用地、建设用地及生态用地最有利的补充[24]。

1.2 存在问题

(1)历史遗留矿山存量大，面临资金短缺瓶颈。自20世纪以来，矿产资源开发为全省乃至全国经济社会快速发展提供了重要的资源保障，同时也遗留了大量的矿山地质环境历史问题[25]，根据目前上级正在组织开展的历史遗留矿山核查初步结果，泰安地区共有历史遗留废弃矿山图斑600余处，大量的废弃露天矿山生态修复给各级政府带来了巨大的财政压力，因此仅依靠财政投资开展工程治理和生态修复完不成繁重的工作任务，亟需社会力量的投入。

(2)治理模式及治理措施选择不恰当，达不到预期效果。在当前环保督查任务重，工作量大，治理工期要求紧的情况下，设计人员来不及全面考察及调查治理区周边的地形地貌、植被覆盖等现状条件，导致选取了不适当的治理模式及治理措施，如盲目选择飘台法、挂网喷播、刻槽复绿等方法对高陡立面进行治理，因雨水冲刷导致水土易流失，无法形成利于植被生长发育的基质层，植物成活率低，且飘台、混凝土板等与崖面贴合不紧密，存在安全隐患，导致治理失败，不合适的治理技术体系导致施工难度加大、变更频繁，反而延长工期。

1.3 废弃露天矿山特征

(1)地质灾害。废弃露天矿山由于多年的粗放式开采，形成了高陡立面及大面积的开采平台。形成的立面垂直近直立，高度可达几十米、百余米，立面岩石松动，且存在悬空危岩体，易发生崩塌，对于有软弱夹层且结构面外倾的易发生滑坡灾害；开采平台大量堆积遗留的渣石料，易发生渣石流，对人民生命财产造成威胁。

(2)水土流失。矿山开采已将地表土层剥离，且岩面裂隙发育程度低或多为密闭裂隙，无法保留水分及土壤养分，降雨过后更是将不易存留的土壤冲刷，导致水土流失，达不到植被生长的适宜环境。

(3)破坏地形地貌。原坡面植被已不复存在，废弃地陡坎纵横交错，地形起伏较大，山体地质景观、地形地貌景观破坏严重，不仅造成视觉污染，也极大浪费土地资源[26]。

2 研究方法

本文以泰安市山水林田湖草生态保护修复工程试点(下称“试点区”)部署实施的63个废弃露天矿山生态修复项目为研究对象，以修复目标及存在问题为导向，以废弃露天矿山特征为基础，通过案例分析、统计归纳的方法，总结梳理废弃露天矿山生态修复的治理模式、技术体系及典型修复方法。

2.1 案例分析

选取典型项目、亮点工程进行分析研究，实地查看修复治理情况，与项目参建单位的有关专家、基层工作人员、勘查设计施工人员进行访谈，对治理设计中采取的治理措施所能达到的实施效果进行验证，找出适应于试点区的典型治理模式及典型修复方法，详细了解项目实施前、中、后中遇到的问题、成果对比、效益分析，探讨修复方法的优缺点、实施步骤及适应条件。

2.2 统计归纳

试点区包含63个废弃露天矿山生态修复项目，收集所有项目的设计、施工、监理、资金管理等工程资料，针对废弃露天矿山特征，厘清废弃露天矿山生态修复的治理思路，对每个项目的现状、治理目标、技术措施、治理成效、筹资方式、优缺点等进行统计，对技术方法进行分类梳理，归纳形成完整技术体系。

3 治理模式

本文归纳总结的废弃露天矿山治理模式是基于为实现矿山地质环境治理，在项目实施之前为实现治理修复目标或解决存在的问题而采取的一类治理形式。在实施矿山生态修复之前确定治理模式，有利于把控治理思路，可更好、更快地实现矿山地质环境生态修复。通过案例分析及统计归纳，最终梳理出3种治理模式，为实现生态复绿及土地利用目标应采用生态复绿模式及土地再利用模式，为解决资金短缺方面可多采用开发式治理模式(表1)。

表1 治理模式统计表

3.1 生态复绿模式

生态复绿模式是通过一系列的工程技术治理，以消除灾害隐患、视觉污染，达到场地复绿的一种方式。该模式适用于有充足的治理资金、工期要求较短，以达到生态复绿为主要目标的情况。该模式主要分为隐患消除、场地整理、覆土绿化3个步骤。根据前期的场地调查分析，查明灾害隐患、损毁特征及植被类型，通过削坡降坡，危岩体清除、支挡防护、锚固护坡等措施消除安全隐患；通过削高填低、场区内土石方调配、渣土回填等措施进行场地整理；通过客土回填、固土排水、植草种树、景观塑造等措施进行覆土绿化。从而将裸露山体恢复为林地、草地，达到复绿的效果。

生态复绿模式在大汶河下游及环东平湖旧县片区孟楼矿区、北吉城地区等地点及试点区大部分项目中进行了应用实施。实施后产生的社会效益、环境效益尤为突出，技术运用成熟。该模式的优点是具有普遍适用性，应用范围广泛，方法组合多样，技术最为成熟，工期短；缺点是人工修复痕迹明显，对于破坏严重、有高陡立面的区域需要配合自然恢复才能与周边环境融为一体。

3.2 土地再利用模式

土地再利用模式是将矿山地质环境治理与土地复垦、规划建设等项目相结合，改变原采矿用地土地利用类型，恢复为新的土地利用类型的一种方式。该模式适用于土地利用现状满足规划用地的情况。该模式分为矿山地质环境治理和土地复垦或规划建设两步实施。实施前先确定好恢复后土地利用类型，然后在矿山地质环境主管部门的主导下实施矿山地质环境治理项目，并为后续的土地利用目标留好作业面，然后在土地复垦或规划建设行政主管部门主导下进行土地复垦利用或规划建设项目，从而可达到土地再利用的目的。

土地再利用模式在试点区泰肥一级路、省道330泰安至肥城段山体修复工程中进行了应用，通过项目实施新增耕地19.07hm2，规划建设建筑垃圾加工利用项目12hm2，既消除了矿山地质环境问题，又产生了良好的社会效益、经济效益、环境效益。该模式的优点是可为附近居民创造新的就业机会，有效的解决人地矛盾；缺点是需要跨部门协同实施，实施难度大，工期长。

3.3 开发式治理模式

开发式治理模式是将治理区内的残余资源进行开发利用，产生的收益用于本地区废弃矿山生态修复的一种方式。该模式适用于无充足的资金，治理区内的残余资源量较为充足，可将收益资金转化为工程治理费用的情况。为进一步加强矿山地质环境恢复和综合治理，2019年12月，自然资源部出台了《关于探索利用市场化方式推进矿山生态修复的意见》，文件明确提出了在科学评估论证土石料利用方案和矿山生态修复方案的基础上，可以对因削坡减荷、消除地质灾害隐患等修复工程新产生的土石料及原地遗留的土石料，无偿用于本修复工程；确有剩余的，可对外进行销售，由县级人民政府纳入公共资源交易平台，销售收益全部用于本地区生态修复，构建了“政府为主导、企业为主体、社会组织和公众共同参与的环境治理体系”的矿山地质环境恢复和综合治理新模式，解决了矿山生态修复历史欠账多、现实矛盾多、投入不足等突出问题，为加快推进矿山生态修复提供了新思路。

开发式治理模式在试点区东平县戴庙—银山镇片区废弃矿山治理工程等多个项目中进行了应用，在实施过程中将场地内孤丘、山梁、固体堆积物等残留资源的价值转换为资金，取得的收益全部用于本项目的生态修复中，运作模式已趋于成熟，取得了成功的经验。该模式的优点是在政府引领、政策支持下，有利于多元投融资模式的形成，有力地解决资金投入短缺问题，是进行经济发展和生态环境治理并重的治理方式[27]；缺点是实施过程中要涉及到国有资源处置，需要加强管控措施。

4 技术体系

4.1 废弃露天矿山治理思路与方法

通过分析废弃露天矿山特征可知，不管采用3种治理模式中的那种治理模式，为达到治理目标，完成废弃露天矿山生态修复，都要从消除隐患、水土保持、恢复生态3个方面入手。

(1)消除隐患。露天采石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[28]。开采后高陡边坡由于应力重分布，导致顶部出现裂缝，有发生崩塌、滑坡的危险；场内堆积的废石渣在强降雨情况下有发生渣石流的危险，因此消除安全隐患是第一目标。针对这一方面可采取削坡降坡、拦挡支护、危石清理、锚固、护坡等措施。

(2)水土保持。土层厚度是植被生长的必要条件，消除隐患后会形成不同坡度的立面、斜面和平面，对于小于30°的斜坡具备覆土的场地条件。根据种植的植被种类，覆土厚度一般为50～80cm，为了能够保证植物的存活率，应有水土保持措施。针对这一方面应采取防止水土流失的措施。在斜坡坡脚及平台边缘应修建挡土墙；对斜坡坡面较陡的应进行护坡；在立面、坡面顶部及场地周边应修建截排水沟，对于有深坑或水不宜排出的地段，应修建蓄水池。

(3)恢复生态。废弃露天矿山生态修复治理，无论是矿山复绿，还是复垦再利用，最终目的均为恢复生态。对于采取土地复垦项目的则恢复为农业用地；对于规划建设项目的则恢复为建设用地；对于矿山复绿的则应采取撒播草种、植树造林、补植养护等措施。

4.2 创新技术体系

已有文献[29-30]将裸露边坡植被恢复技术体系归为给排水技术、固土技术、建植技术和养护技术四类。但废弃露天矿山由于开采会形成高陡立面，且场地内多有石渣堆积，存在地质灾害隐患，必须优先采取有效措施消除隐患，因此已有技术体系中缺少植被修复前的工艺步骤，且规范立足点面向整个北方地区或全国，区域内适宜性不强。本文综合考虑废弃露天矿山生态修复的全部治理过程，包括前期消除地质灾害隐患所采取的改造地形地貌的措施，以及安全防护及后续复绿措施，通过厘清的废弃露天矿山治理的思路与方法，将治理技术分为地形重塑技术、固土技术、安全防护技术、集排水技术、复绿技术、养护技术6大类，重新构建了废弃露天矿山治理技术体系框架(表2)。

表2 废弃露天矿山治理技术体系框架

(1)地形重塑技术。该技术是综合考虑现状地形及后续生态恢复所需的地形条件，结合周边地形对现状地形进行重塑，从而达到与周边地形、地貌相协调，且能最大限度消除安全隐患、抑制水土流失，消除和缓解对植被恢复和土地再利用的灾害性限制因子[31]，满足后续生态修复要求所部署的技术措施。它包括削坡降坡和场地平整2个分部工程。该技术在大汶河下游及环东平湖矿山生态修复工程中进行了大面积的应用。

(2)固土技术。该技术是将回填的客土固定在坡面之上，采取的措施防止坡面、场地径流冲刷而导致的水土流失，以满足植物生长土壤条件。它包括支挡工程、护坡工程、客土回填3个分部工程。该技术在采用台阶式削坡降坡治理或土地再利用模式时会大规模使用，如在东平县旧县乡片区狼窝山治理区矿山地质环境生态修复工程中应用较为典型。

(3)安全防护技术。该技术是将地形重塑实施后，以及原场地内的危岩体、破土体进行安全防护，已免造成人民生命财产损失的技术措施。它包括排险和防护2个分部工程。该技术在肥城市关停矿山自行治理项目中应用较为广泛。

(4)集排水技术。该技术是通过预设的截排工程或集蓄工程，最大限度拦截和阻止降水形成的地表径流进入坡体范围内，或将雨水预先集存起来，防治其入渗坡面以下，以免水土流失、破坏植被生境，并可达到“旱能浇”“涝能排”的目的。它包括截排水和集蓄水2个分部工程。该技术尤其在有较大斜坡或汇水面积较大的废弃矿山中应用广泛，如在岱岳区山体修复工程道朗镇鱼池北山、文斌、相平和立东石料厂治理等4个片区进行了广泛应用。

(5)复绿技术。该技术是在地形重塑的基础上，结合不同地形坡度条件，综合考虑区域内自然气候、周边植被类型等环境因子，进行基质改良、物种选择、布局配置、播种栽植等措施，使重建的植物群落持续地平衡和稳定。它包括基质配置、播种、栽植3个分部工程。该技术在宁阳县鹤山镇黄山及穗山建筑灰岩矿矿山复绿项目中进行了成熟的应用。

(6)养护技术。该技术首先是在较短时间内构造一个适宜的恢复和提高土壤生产力的土壤剖面与土壤肥力条件[32]，并通过2～5年养护期，持续不断的维持、改善、提高植物生长条件，使植物达到一定的成活率。它包括光热调控、水肥调控、种群调控、植物保护4个分部工程。对于所有采取植树复绿的项目都应进行养护，岱岳区废弃矿山生态修复项目要求养护期为5年，植被成活率较高。

4.3 典型修复方法

本文针对废弃露天矿山高陡立面、开采底面、开采深坑等典型现状，通过不同技术组合，不同技术的适应条件，归纳总结出试点区几种典型修复方法。

(1)台阶式削坡降坡[33-34]。该方法适用于岩质或土质边坡，坡度范围>45°的高陡立面。该方法在泰肥一级路、省道330泰安至肥城段山体修复工程中进行了应用。通过控制爆破、机械削坡等工程手段进行降坡施工，岩质边坡高度超过15 m时分段设置台阶，台阶高度10～15 m，宽度4～8 m；土质边坡高度超过8 m时分段设置台阶，台阶高度5～8 m，宽度4～8 m。根据立面的高度可开凿多级台阶，削坡后岩质边坡坡度宜小于70°，土质边坡坡度宜小于45°，削坡后进行危岩体清除，消除安全隐患。另外，在破损山体台阶式治理过程中，一般在台阶边缘修建挡土墙，以达到固土保水的目的，为了遮挡裸露岩面，在马道上回填种植土后栽植耐旱、耐瘠、耐寒及树冠稍大的本地树种，同时栽植爬藤类植被，通过上爬下垂，达到立体绿化的目的，从而改善生态地质环境，恢复生态功能，尽可能地消除平面、立面上视觉污染(图1)。该方法的优点是施工方法成熟，工艺简单；缺点是对于高陡立面遮挡率不高，短时间内效果不明显。

1—乔木；2—爬藤植被；3—覆土；4—挡土墙；5—山体；6—示意线图1 台阶式削坡降坡技术示意图

(2)回填续坡。该方法适用于岩质或土质边坡，且有足够宽度的续坡场地，可以满足回填续坡占地宽度的情况。该方法在东平县旧县乡片区狼窝山治理区矿山地质环境生态修复工程中进行了成熟应用。利用场区内产生的大量废弃土石料，充填到高陡的开采面坡脚处，按照设计坡度逐步向上，分层压实，形成一个人工边坡，之后在坡面上覆土植树种草。坡脚前一般修筑挡土墙，防治水土的流失。该技术由于废石骨料之间空隙往往过大，后期浇灌养护时，肥料和水分容易流失，因此分层压实过程中，需要穿插着铺设黏性土层作为防渗漏处理[13](图2)。该方法的优点是形成的绿化效果好，遮挡率高，与周边地形地貌融合程度高；缺点是需要大量的渣土方量，如外购则成本较高。

(3)立体绿化修复技术。李守昌等[35]采用该技术进行荒山或破损山体保护修复治理。该技术尚未进行大规模应用，还需深一步研究并优化改进。在山体表面覆土，所覆客土为改良土壤、改造土质，从上至下依次分布混合层、草木灰层和改良种植层，覆盖区利用次生黄土、生土或者客土垫地覆盖；对改良、改造后的覆盖区按每百平方米一个样的标准间隔取样，对每个取样物标识并标明酸碱性，选择合理的土壤调理剂对该区域进行播撒和翻作，以适应植被生长；其次在覆盖区撒播黑麦草、狗牙根、高羊茅、紫羊茅等草种，防止水土流失，增加土壤的水资源涵养能力，草种用量每公顷37.5～75 kg，合3.75～75 g/m2；进一步种植连翘、金银花、迎春等灌木，初步形成生态系统，锚点坑径20～50 cm，坑深35～50 cm，纵向、相邻植株株行距为1.0～1.5 m，横向相邻植株行距为1.0～1.2 m；最后种植松树、侧柏、槐树等乔木，形成生态系统，锚点坑径50～80 cm，坑深50～80 cm，纵向、相邻植株株行距为2～3 m，横向相邻植株行距为2～2.5 m(图3、图4)。

1—乔木；2—爬藤植被；3—覆土；4—回填续坡；5—挡土墙；6—山体图2 研究区内采煤沉陷区及工业广场(含煤矸石场)图

图3 立体绿化修复技术流程图

该技术适用于岩质或土质边坡，坡度范围<30°；优点是增加了土壤中的各类营养物质，长期强化了土壤基质的性状，营造了适合植物生长的自然环境条件，以较低的成本达到植物生长的必要条件；缺点是施工工序较多，需加强施工关键节点的管理，技术要求较高。

1—乔木；2—灌木；3—草种；4—覆盖区；5—荒山或破损山体图4 立体绿化修复技术示意图

(4)鱼鳞坑。该方法适用于岩质或土质边坡，坡度范围15°～45°。该方法在东平县G105国道东部废弃矿山地质环境治理进行了大规模应用。在坡面上寻找或开凿出适宜的凹坑或有小平台的空间，在其外边缘通过垒砌块石或修筑土埂形成月牙形围堰，以此在坡面上形成鱼鳞状的种植穴，呈品字形排列，在穴内回填客土栽植乔木和藤本植物或经济类林木，能有效防止雨水冲刷，蓄水保墒，复绿坡面(图5)。鱼鳞坑的布置及规格根据当地降雨量、地形、土质和植树造林要求而定。一般鱼鳞坑间的水平距离(坑距)为1.5～3.0 m(约2倍坑的直径)，上下两排坑的斜坡距离(排距)为3～5 m。坑深度约0.6 m，土埂中间部位填高约0.2～0.3 m，内坡1∶0.5，外坡1∶1，坑埂半圆内径约0.6～0.8 m。每坑内栽植1棵树。该方法的优点是在有凹处、起伏的非高陡边坡修筑，简单易行，具有保水抗旱的特点；缺点是在高陡坡、平滑的岩质坡面不宜采用，绿化效果受坡面状况影响较大[36]。