黄冈市露天矿山复绿难点及方法建议

2022-09-05王章琼

资源环境与工程 2022年4期

田宇，邹浩，王章琼，冷晗，刘昶

(1.武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430073; 2.湖北省地质局第三地质大队，湖北黄冈 438000)

黄冈市地处湖北省东部大别山南麓、长江中游北岸、京九铁路中段。区内矿产资源丰富，花岗岩、大理岩遍布下辖的黄梅县、蕲春县、麻城市、团风县、浠水县，分布面积大约1 000 km2。随着城市的发展和各种建筑材料需求的增加，采石场的规模不断扩大，数量也不断增加，目前黄冈地区有各类矿山485处。露天矿山采坑形成高陡边坡，存在滑坡、崩塌等地质灾害隐患，由于开采方式不合理、废渣处理不当等原因，使生态环境遭到严重破坏。2018年黄冈市开展关于矿山恢复治理的“雷霆行动”，在生态环境修复方面取得良好效果。同时2021年《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出推动绿色发展，促进人与自然和谐共生，加强矿山生态修复工作，以实现生态系统的可持续发展。

针对露天矿山复绿问题，许多学者开展了大量研究，取得了丰硕成果[1]。赵金召等[2]分析河北省露天高陡岩质边坡8种复绿技术优缺点，从重塑植被地境、优化植被组合和后期养护技术三个方面提出生态修复建议；杨天鸿等[3]分析总结适用于新疆大型露天矿绿色安全高效开采的关键技术及有益效果，继而提出大型露天煤矿宜采用陡帮开采跟踪内排的绿色模式；孙维然[4]归纳总结内蒙古露天矿废弃地的生态修复基本理论，分析露天煤矿的地理特征以及开采后生态修复的技术手段；高云峰等[5]对露天矿山硬岩边坡及高陡立面生态修复工程中常用的复绿技术及其适用条件进行总结，提出适合西北地区不同气候与边坡特征组合区域的联合修复模式。可见，不同地区露天矿山采取的复绿方法不尽相同，其他地区所采用的复绿方法难以适用于黄冈地区。该地区露天矿山复绿普遍存在种植基质稀缺、自然环境恶劣等难点，且尚未对露天矿山复绿技术进行归纳总结，因此研究黄冈地区露天矿山复绿技术及相关配套技术，总结该地区复绿技术的适用条件，可为黄冈市露天矿山复绿工程提供理论依据和技术指导[6]。

1 矿山自然环境概况

1.1 地质环境条件

1.1.1气象水文

黄冈市属亚热带大陆性季风气候，江淮小气候区。全市日照率为43%～49%，年平均气温为15.7～17.1℃，全年无霜期在237～278 d，年平均降雨量为1 223～1 493 mm，年降雨总量为2.22×1010m3。光照丰富，雨量充足，为植物生长提供了有利条件，但气候要素分布不均匀，也导致洪涝、干旱等灾害的发生[7]。

黄冈市河流湖泊纵横交错，地表水资源量为6.75×109m3，地下水资源量为2.05×109m3。全市有大中型水库49座、水文站22个、水位站38个、雨量站137个、地下水站11个、土壤墒情站6个，这些站点集中开展对该市降雨量、蒸发量、水位、流量、泥沙、水温、土壤墒情等水文要素的监测。

1.1.2地形地貌

黄冈市地势北高南低，形成自北向南逐渐倾斜的梯级地形结构。黄冈地区北部和东部为大别山低山丘陵，海拔在500～800 m；中部为丘陵区，海拔在300 m以下，高低起伏，谷宽丘广；南部为长江冲积平原，海拔在10～30 m。

1.1.3地质构造

黄冈市地处大别山复背斜，核部为大别岩群，翼部为红安岩群，组成NW-SE向的基底褶皱。在大地构造上，黄冈市处于秦岭褶皱系桐柏—大别中间隆起大别山复背斜之次级构造——浠水褶皱束(四级构造单元)中。

1.1.4水文地质条件

根据黄冈地区含水介质特征、地下水赋存条件和水动力特征，区内地下水分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙水、基岩裂隙水三大类。松散岩类孔隙水自上而下由第四系全新统、冲洪积砂、砂砾石和亚砂土、砂、砂砾石层组成，厚度一般在0～27 m，地下水位埋深0.6～6 m。碳酸盐岩裂隙水主要分布在武穴、黄梅和蕲春一带，以三叠系中、下统最为发育，岩溶地貌以溶蚀洼地、漏斗、溶洞为主，地下水赋存于标高-100 m以下。基岩裂隙水含水层埋深大体在地表以下4.5～6 m，厚度>50 m，该地下水水量贫乏，泉流量一般<10 m3/d，单井涌水量<20 m3/d。

1.1.5工程地质条件

根据黄冈地区岩土体特性、结构及岩性组合，区内岩土体可划分为四类：第四系松散岩类、软弱—次坚硬中—厚层状变质岩类、较坚硬中—厚层状碎屑岩类及坚硬岩浆岩岩类。

(1)第四系松散岩类。地层岩性主要为第四系冲洪积、残坡积及崩积黏土、粉质黏土、碎石土、砂砾(卵)石、泥砾，黏土、粉质黏土具有塑性，遇水易软化，局部地段分布的黏土具有胀缩性，土体松散，力学强度低。

(2)软弱—次坚硬中—厚层状变质岩类。地层岩性主要为元古界、太古界深变质的片岩、白云钠长片麻岩、斜长片麻岩等，岩体软弱—次坚硬，抗风化能力弱，力学强度较低。

(3)较坚硬中—厚层状碎屑岩类。地层岩性主要为白垩系紫红色石英砂岩、粉砂岩及细砂岩，岩体软弱、易风化、力学强度低。

(4)坚硬岩浆岩岩类。地层岩性主要为大别—吕梁期侵入岩，岩体由酸性二长花岗岩、斑状二长花岗岩、混合花岗岩及基性岩组成，抗风化能力较强，力学强度较高。

1.2 矿产资源概况

黄冈市矿产资源丰富，分布广泛，优势矿产明显[8]，其中以地热、萤石、熔剂用灰岩、水泥用灰岩、饰面用花岗岩、硅石、熔剂用白云岩、长石、蛇纹岩等为主，开发利用程度较高。黄冈市矿产主要为非金属矿，如建材、化工及部分冶金辅料矿产。据《黄冈市矿产资源总体规划(2021—2025年)》[9]统计：水泥用灰岩资源量为9.72×108t，长石矿资源量为4.75×106t，冶金用白云岩资源量为1.93×107t，磷矿资源量为2.22×107t，石膏矿资源量为5.88×108t；饰面用花岗岩、饰面用片麻岩等资源储量大，遍布全市，高度集中，有利于建立较完备的、规模化的矿业及矿产加工业体系。矿床规模总体偏小，小型及以下矿床有205处，占矿床总数的80.08%；大、中型矿床仅有51处，占矿床总数的19.92%。

2 植被破坏现状

2.1 露天开采造成植被破坏

在露天矿山开采过程中，剥离表土、采矿剥岩以及挖损土地等行为导致地表支离破碎，植被生态系统遭到破坏，原始地形被改变，水土流失，山体植被毁坏殆尽。红安县七里坪镇良材石料厂植被破坏面积约6.6×104m2，露采坑造成边坡裸露面积较大，面积约1.2×105m2(照片1)。

照片1 红安县七里坪镇良材石料厂植被遭到破坏

2.2 占用土地资源导致闲置浪费

露天矿山开采占用的土地资源一般为矿山生产、生活设施与矿山开发建设占用、破坏的土地，如露采坑、排土场堆积区和倾倒区、矿山公路、矿石加工场等，将导致部分林地荒芜，矿区及周边土壤质量下降，生态环境平衡发展被破坏，影响露天矿山所在区域整体的景观布局等。红安县七里坪镇良材石料厂矿山堆料平台占用土地资源，导致其闲置浪费(照片2)。

照片2 红安县七里坪镇良材石料厂矿山堆料平台

3 露天矿山特征及复绿难点

3.1 露天矿山特征

(1)地层岩性。黄冈市露天矿山岩石岩性以侵入岩为主，岩体经风化后形成残积物，主要成分为粗砂和中砂，颗粒级配不良，空隙较多，保水性较差，有机质含量低，植物不易成活。

(2)坡度、坡高。露天采场以开采花岗岩的数量居多，岩壁表面光滑，倾角约80°～90°，高度多为20～50 m，最高达70 m，表面没有覆土，植物难以生长。如蕲春县株林镇兴隆采石场通过原位切割山体形成90°高陡岩壁，高约5～30 m(照片3)。

照片3 蕲春县株林镇兴隆采石场高陡岩壁

3.2 露天矿山复绿难点

(1)种植基质稀缺。种植基质包括土壤、有机质、复合肥、保水剂、黏合剂、土壤调理剂、有机肥、生物肥等材料，目的是使土壤理化指标更适合植物生长[10]。该地区矿山土壤有机质缺乏面积达2.5×105hm2，酸雨危害和施用生理酸性肥料导致部分土壤酸化，土壤中钾含量呈逐年下降趋势，土壤持水、保肥能力较差。多方面因素对植物生长造成不利影响，需依靠外来土壤弥补复绿基质质量和数量上的不足。

(2)环境条件差。露天矿山开挖形成的高陡边坡存在地质灾害隐患，其主要潜在破坏形式为滑坡和崩塌，且开采活动造成的植被破坏、表层土体剥离，破坏了生态系统的稳定。植物生长需要满足所必须的环境条件，即土壤、水分、光照和适宜的温度等。该地区土壤资源和水资源匮乏，这在一定程度上增大了复绿难度[11]。

4 复绿方法与适用条件

生态环境修复可以解决自然景观破坏、土地资源被占用等问题。结合露天矿山自然地理条件和边坡特点，复绿方法有覆土绿化、上爬下挂绿化、飘台法绿化、阶梯法绿化、植生混凝土绿化、鱼鳞穴法绿化和三维植被网绿化等7种综合技术，并根据不同的适用条件，从边坡类型、边坡坡度和边坡高度对复绿方法进行分类，总结归纳黄冈市露天矿山复绿方法适宜性分类情况。

4.1 常用复绿方法

4.1.1覆土绿化

覆土绿化是指在坡高和坡率不大的缓坡进行覆土，根据恢复土地利用类型确定回填土层厚度，利用人工造林和播种的方法。可为植物生存创造有利条件，达到复绿的效果。

优点：工程技术成本低、易操作，回填夯实后，能有效防止水土流失，进一步改善土壤土质。缺点：边坡坡度较陡时，降雨易导致覆土流失，适用局限性大。

4.1.2上爬下挂绿化

上爬下挂绿化是指以浆砌块石为种植槽，在某一级平台上分别种植上爬植物以及下挂植物。上爬植物种植在平台内侧，便于向上一级壁面攀爬；下挂植物种植在平台外侧，便于向下一级壁面垂吊。在光滑岩壁可增设金属网或金属线等设施辅助植物攀爬，并在地势高处修建蓄水池，蓄积自然降雨，为植被后期养护提供条件。

优点：种植槽采用浆砌块石，既可以降低工程造价，又能对废弃物实现资源化利用。缺点：岩面完全被覆盖，时间周期较长，辅助措施多，工程量较大。

4.1.3飘台法绿化

飘台法绿化是指在岩壁上钻孔灌浆，以金属构件为支撑，安装或浇筑混凝土板，形成飘台，在容器中填装种植土，在种植土内种植灌木、爬藤、草本植物的边坡复绿方法[12]。

优点：可达到快速复绿效果，植物配置容易，成活率高。缺点：对坡面结构稳定性要求较高，施工难度和安全风险较大，存在坡面风化、钢筋腐蚀等问题，后期维护和管理成本较高，很难达到长期复绿的效果。

4.1.4阶梯法绿化

阶梯法绿化是应用最为普遍和成熟的复绿方式[13]。阶梯法是指通过开采面爆破或开挖的方式，形成多级阶梯式平台，在每一级阶梯平台上修筑种植槽，在种植槽内种植乔木、灌木、藤本植物，以达到复绿的效果。

优点：植物选型丰富、成活率高，保水保肥性较好，安全及稳定性高。缺点：受场地大小限制，开挖工程量大和排水系统复杂，需爆破作业，存在施工风险。

4.1.5植生混凝土绿化

植生混凝土绿化是指在岩质坡面上挂铁丝网或塑料网，并用锚钉或锚杆将铁丝网固定在岩质坡面上，以水泥为黏结剂，将土壤、有机质、保水剂、植物种子、肥料等混合物加水后利用特制喷混机械喷射到岩面上，形成均匀分布的植被混凝土。其核心是在岩质坡面上形成一种既能让植物正常生长发育且种植基质又不会被冲刷的多孔稳定结构[14]。

优点：机械化程度高，生产能力大，抗冲刷能力强，护坡强度高，具有较好的稳定性。缺点：工程造价高，施工难度大，需进行定期监测；植生混凝土易发生严重龟裂现象，引发次生灾害。麻城市将军红1号矿区采取植生混凝土绿化的方式进行复绿，其复绿效果如照片4所示。

照片4 麻城市将军红1号矿区治理后复绿效果

4.1.6鱼鳞穴法绿化

鱼鳞穴法绿化是指在废弃矿山的壁面上利用较大的石缝，对其进行定向爆破，制造鱼鳞状的洞穴，从而以乔灌木、藤本及草本植物相结合的方式进行覆土种植[15]。

优点：植物成活率高、选型丰富、易搭配，植物群落维持时间长，能有效地防止水土流失。缺点：施工部位局限性较大，植被覆盖率低，对于高陡边坡施工难度大、工程造价较高。

4.1.7三维植被网绿化

三维植被网绿化是指以热塑性树脂为原料，通过挤出、拉伸、点焊等工序制成凹凸泡状的多层三维网结构，底部采用高模量基础层三维立体结构网垫的复绿方法。

优点：工程造价低，固土性能优良，消能作用明显，保温功能良好，能有效地防止水土流失。缺点：施工工期受到限制，不宜在夏、冬两季进行施工。

4.2 露天矿山复绿适用条件

露天矿山复绿方法众多，根据不同的适用条件，从边坡类型、边坡坡度和边坡高度三方面对复绿方法进行归纳总结。黄冈地区露天矿山复绿方法可根据适宜性分类进行选择，见表1。

表1 露天矿山复绿方法适宜性分类表

5 相关配套技术

根据不同的复绿技术，采取其相关的配套措施，如给排水、种植基质及复绿植物选择，可以为植物生长提供有利的生存环境，进而使露天矿山复绿达到更好的效果。

5.1 给排水

给排水是露天矿山复绿成功的关键，给水不到位和干旱也容易导致种植的植物死亡或成活率低下，排水不当会造成植物被冲刷破坏或受涝死亡。在种植养护期应保证植物有充足的水分供应，使其不会受旱或受涝，以达到促进露天矿山复绿的效果。

给水措施根据矿区条件可设置给水系统或蓄水池，广泛应用滴灌、喷灌、小管处流、痕量灌溉等节水灌溉技术，将水供给植物。排水措施主要包括坡顶拦洪沟、坡面导流沟、坡底排水沟三部分[16]。

5.2 种植基质配置

复绿工程中土壤所含营养不足，将很难让边坡达到肥力自给，因此要求添加的种植基质需含有较强的保水保肥能力[17]，才能满足植物的生长需要。种植基质配置要求见表2所示。

表2 种植基质配置要求

5.3 复绿植物选择

复绿植物的选择是矿山复绿的核心问题。需遵循“因地制宜、适地种树”、“先锋为首、稳定为主”等原则，同时兼顾科学性、合理性和艺术性。总结出一套合理可行的复绿规范，不仅可满足短期的生态恢复要求，还可实现长期的自然演替与自然景观恢复[18]。复绿植物选取原则如下：

(1)生态原则。开展黄冈市露天矿山生态修复工程，修复植物尤为重要。首先要严格遵循矿山生态修复原则，充分考虑矿区植被种植的土壤条件、降雨量及阴阳坡等因素[19]。因地制宜地植树造林，进而保证良好的生态修复效果，使矿区与大自然相融，实现人与自然的协调统一。

(2)乡土树种优先原则。在露天矿山植被恢复中，应优先选种乡土植物。乡土树种种类多，运输成本较低，易养护管理，能更好地形成当地的景观特色和文化；而外来物种可能会造成入侵风险，在应对气候、环境变化方面明显不足，在植被建设中乡土树种具有其他外来物种不可替代的优势。如乡土树种无法满足复绿要求时，可适当引进优良、适应能力强和已获得成功种植的植物品种[20]。

(3)多样性原则。考虑生物多样性原则，将乔、灌、草、藤、花结合在一起，可避免单一植物群落不稳定的问题。根据具体种植的植被类型确定覆土厚度，覆土厚度>50 cm的可选用乔、灌、草植物结合的群落结构；覆土厚度在50 cm以下的可选用草、灌、攀爬植物结合的群落结构。科学配置多种植物能有效避免植物死亡及虫害等不利影响，有利于形成多层次综合稳定的植物群落，进而增强生态系统承受破坏的能力[21]。

根据黄冈地区露天矿山修复成功的案例和研究成果，总结该地区复绿植物种类选择，如表3所示。