露天采矿回填区光伏发电项目的水土流失综合治理方案

王荣祥

(阳光新能源开发股份有限公司，合肥 230088)

0 引言

中国是世界上最大的煤炭生产和消费国，大量煤炭资源的开采与利用，引起了日益严重的煤炭地质环境恶化及灾害的发生[1]。大力开发太阳能、风能、生物质能等可再生能源利用技术，是保证中国能源供应安全和可持续发展的必然选择，积极开发太阳能资源丰富地区的太阳能资源，可以改善能源结构，保护生态环境[2]。

目前，针对在采矿回填区建设的光伏发电项目，研究重点主要集中在采矿回填区地基稳定性分析、回填区光伏支架的基础形式、成本效益分析、边坡稳定性分析与治理、回填区加固措施、煤矿沉陷区水面光伏电站研究、采矿回填区光伏组件积灰清洗等方面，而对于露天采矿回填区光伏发电项目的水土流失综合治理方案，并未进行深入的设计和研究。通过在废弃的矿山上开发建设光伏发电项目，可以实现节约土地、改良耕地、减少碳排放等多重效益[3]；同时采用与光伏发电项目相结合的水土流失综合治理方案，不仅可以恢复和改善矿区地质环境、减少水土流失，而且还可以在改善光伏发电项目发电环境的同时，提高发电效率等。

本文以位于山西省吕梁市交口县桃红坡的100 MW光伏发电项目为例，对露天采矿回填区光伏发电项目的水土流失综合治理方案进行了介绍，从排水方案设计、土地平整治理、边坡治理、冲沟填方处理、“光伏+绿色种植”修复生态5个方面，阐述了采矿回填区光伏发电项目的排水及环境治理的设计思路和技术路线。

1 水土流失综合治理方案

以山西省吕梁市交口县桃红坡100 MW光伏发电项目为例，设计水土流失综合治理方案。该项目占地面积约为3000亩(1亩约为666.67 m2)，建设场地为采矿回填建成的露天的梯田状地形，该地形在山洪作用下已导致边坡崩塌，且形成了大的冲沟。项目所在地的植被及表土已被破坏、水土流失严重，实景如图1所示。

图1 项目所在地的实景图Fig.1 Photos of project site

为减少水土流失、修复地质环境，该光伏发电项目采用了截水沟和排水沟(下文简称为“截排水沟”)、急流槽、防冲刷硬化、围水坝、回填“土帽”、削坡整形、抗冲生物毯、“元宝法”冲沟修复、土壤改良、“光伏+绿色种植”等综合治理方案，使该项目地的水土流失得到了有效治理，地质环境和生态环境也得到了很好的改善。

1.1 排水方案设计

对于露天采矿回填区的地质环境恢复治理工程来说，水是一个至关重要的因素，也是导致此类回填区边坡失稳的主要自然因素之一。由于露天采矿回填区的植被覆盖率低、地表裸露大，在降雨集中的季节极易导致地表径流强烈，使采矿回填区边坡失稳、下滑[4]。光伏组件安装在平整的回填地块，每个地块呈阶梯形，如果积水不能及时排出，很容易对光伏组件，以及挡墙、护坡等建筑物和构筑物造成威胁，甚至诱发泥石流等大的地质灾害。因此，应在项目区域内，根据实际地形砌筑截排水沟等，用以疏导、排泄地表径流。设计截排水沟时要充分考虑汇水面积、当地的洪峰流量，对截排水沟的型式和尺寸进行计算和比选。

为防止坡体内涵管出水冲刷边坡，在高(陡)边坡处设置急流槽，起到减缓水流冲击和保护边坡的作用。参照J007-7《国家建筑标准设计图集：道路(1993年合订本)》中第48～51页的要求，急流槽的尺寸设置为：沟宽为0.8 m，流量为0.5 m3/s，边坡系数m为1.25；急流槽每隔5 m设置1道伸缩缝，伸缩缝宽为20 mm，缝内用沥青麻筋填塞，表面用水泥砂浆抹平。急流槽上的泄水孔设置在有地下水的地段，泄水孔间距为 3～4 m[5]。

截排水沟和急流槽的接纳水口处周围需要做半径为5 m的硬化，底层需夯实，密实度不小于0.9，用强度等级为C20的混凝土硬化，硬化厚度为6 cm，敷设20#钢丝网(钢丝直径为1.6 mm，钢丝网重量为1.5 kg/m2)。截排水沟/急流槽接纳水口处周围的硬化处理平面及断面示意图如图2所示。

图2 截排水沟和急流槽的接纳水口处周围的硬化处理平面及断面示意图Fig.2 Schematic diagram of plan and cross-section of hardening treatment around receiving inlet of intercepting and drainage ditch and rapid flow trough

露天采矿回填区的阶梯形地块很容易积水，如图1b所示，而大面积汇集的暴雨径流很容易冲刷坡面，导致严重的水土流失，甚至可以造成冲刷灌缝现象。为杜绝大流量、高流速、长流程的侵蚀径流的产生，同时防止汇集的雨水冲垮露天采矿回填区的边坡，在每级边坡边缘围绕光伏组件安装区域修筑土质围水坝。围水坝的尺寸规格为宽1.0 m、高0.8 m，斜坡坡度为1。围水坝与截排水沟的断面示意图如图3所示。

图3 围水坝与截排水沟的断面示意图(单位：mm)Fig.3 Schematic diagram of cross-section of surrounding dam and intercepting and drainage ditch (unit：mm)

如此设计围水坝，可以将地表积水拦挡在每个阶梯地块内，然后再依据地形及实际排水路径设置截排水沟、急流槽、沉砂池等，最终将积水通过截排水沟排至接纳水体。截排水沟、围水坝、急流槽的平面布置图如图4所示。

图4 截排水沟、围水坝、急流槽的平面布置图Fig.4 Layout of intercepting and drainage ditch，surrounding dam and rapid flow trough

露天采矿回填区的土壤一旦遭到扰动，在雨季时很容易在扰动区形成径流。由于光伏发电项目需要埋设大量的高压、低压电缆，土壤开挖回填后，会在电缆开挖回填处形成径流，进而产生大的冲沟和边坡塌方，造成严重的水土流失。在雨季因地埋电缆产生的径流引发的水土流失现场情况如图5所示。

图5 在雨季因地埋电缆产生的径流引发的水土流失现场情况Fig.5 On-site conditions of soil erosion caused by runoff from buried cables in rainy season

为改善水土流失情况，针对露天采矿回填区埋设的电缆，在电缆沟开挖覆土后进行夯实，密实度不小于0.9；同时在电缆埋设处距离围水坝上游10 m范围内进行夯实硬化处理，并做土质“土帽”，局部可以采用强度等级为C25的混凝土进行浇筑硬化处理。电缆沟开挖覆土后回填夯实的“土帽”断面图如图6所示。

图6 电缆沟开挖覆土后回填夯实的“土帽”断面图(单位：mm)Fig.6 Cross section diagram of“earth cap”for backfilling and tamping after cable trench excavation and covering(unit: mm)

在矿山山脚处有多处村落，而靠近河道上游的汇水面积大、地势较陡处，形成的水流流速快，极易产生山洪，破坏性大。为保护下游村落安全，降低山洪泛滥的风险，并减少矿渣堵塞河道，防洪设施应按照50年一遇设计，设置防洪沟及截排水沟，其规格尺寸应根据当地暴雨强度及汇水面积通过计算确定，然后采用浆砌石(强度等级为MU30)或混凝土(强度等级为C25)浇筑而成。

常规截排水沟存在以下问题：1)由于常规截排水沟的内、外侧壁高程相同，容易出现集中的地表水漫过截排水沟进入黄土回填区域的情况，从而造成光伏场区内积水；2)常年的流水会不停侵蚀截排水沟外侧壁，使截排水沟外壁上出现大量孔洞，孔洞会一直延伸到截排水沟底并从截排水沟沟底下面穿过，导致截排水沟彻底失去截、排水作用；3)常规的截排水沟外侧壁与地面齐平，地面稍经冲刷，就会出现截排水沟外侧壁高于地面的情况，导致地表水无法进入截排水沟，出现地表水不停侵蚀截排水沟外壁直至侵蚀成孔洞，从而使地表水穿过截排水沟沟底下面进入截排水沟保护区域。常规截排水沟的断面图如图7所示。

图7 常规截排水沟的断面图Fig.7 Sectional view of conventional intercepting and drainage ditch

针对以上常见问题，可将内侧沟壁的高程略高于地面，且内侧沟壁的高程还应略高于外侧沟壁的高程；外侧沟壁的高程与地面持平，且在距离外侧沟壁20～50 cm范围内采取硬化隔水措施，或者采取土质夯实和防渗处理，以防止外侧地表水长时间冲刷对截排水沟本身产生破坏[6]。优化后的截排水沟断面图如图8所示。

图8 优化后的截排水沟断面图Fig.8 Sectional view of optimized intercepting and drainage ditch

通过截排水沟、急流槽、接纳水口处的硬化，以及围水坝的规划设计，有效地对光伏场区的地表积水和雨水进行了规划和导排，减少了雨水对边坡的侵蚀和冲刷；对地埋电缆采用的“土帽”设计及运用，对地埋电缆的防冲刷起到了非常有效的保护作用。

1.2 土地平整治理

针对露天采矿回填区内因废弃矿及尾矿严重乱堆乱放造成的采矿区及光伏场区路段坑坑洼洼、高低不平、边坡不稳固等情况，需进行必要的地面平整处理；尾矿堆顶部和露天采矿后的采坑底部之间的相对高差一般为5～10 m，局部可达30 m甚至更高。另外，采矿区存在许多陡坎，坎高5～20 m；土地平整处理采用“挖高填低”的方法，包括场坪和竖向平整等。为了满足光伏支架基础的承载力要求，平整后需要采用压路机来回压实土地。

露天采矿区本身含有大量的废弃矿渣、废弃表土及粉煤灰等，通过利用废弃的矿渣、废弃表土及粉煤灰来改造低洼地块、充填矿山地表塌陷区域，不仅能恢复原采矿塌陷区内的耕地，改善光伏场区的地质环境，而且在土地平整治理及复垦过程中，还可大幅减少复垦土方量方面的资金投入，降低复垦成本。

土地平整治理对于光伏发电项目的建设质量、安全性、建设进度起到了积极的作用，同时减少了场地因凹凸不平导致的冲沟及水土流失的产生。

1.3 边坡治理

在露天采矿回填区内存在多处高(陡)边坡，其结构疏松，雨水侵蚀后，在重力作用下极易失稳，造成边坡崩塌或者滑坡，会严重威胁边坡上、下级平台上逆变器、集电线塔及光伏组件的正常安全运行。因此，亟需对这些结构不稳定的高(陡)边坡进行综合治理。

1)对高(陡)边坡进行削坡处理。按照设计，由挖掘机开挖坡体，利用装载机铲运开挖后的渣体，并对开挖后的坡面进行整形。削坡处理的原则是自上而下(即由高到低)进行，每8～12 m高度差留设一级平台或马道。

先对第1级斜坡进行削坡，按照削坡剖面将坡顶平台的外边缘向内收，必要时在坡脚前修建浆砌石挡墙，削坡工程产生的多余土方应及时回填至回填段，并夯实，使坡面平整且密实；坡面平整后，对坡脚前的平台进行平整；然后削坡建造第2级斜坡，对第2级斜坡坡面进行整形，并对第2级斜坡坡脚前的平台进行平整；随后削坡建造第3级斜坡，对坡面进行整形，并对平台进行平整；以此类推直至坡底，每级斜坡的夹角不得大于35°。削坡整形工程示意图如图9所示。

图9 削坡整形工程示意图Fig.9 Schematic diagram of slope cutting and shaping engineering

2)削坡处理后，需要进行边坡防雨水冲刷处理。可采用抗冲生物毯护坡方案，在抗冲生物毯内增加钢筋，且抗冲生物毯的下部基础采用铅丝石笼，上部再采用铅丝石笼压顶进行稳固；当遇到土壤中含有重粘土或填方土材料中含有较多岩石、块石的情况时，应在边坡上均匀铺设1层不含小石子和杂物的壤土(厚度大于等于20 cm)，或直接换掉表层的土(厚度大于等于20 cm)，然后才可以铺设加钢筋的抗冲生物毯。抗冲生物毯护坡方案剖面示意图如图10所示。

图10 抗冲生物毯护坡方案剖面示意图Fig.10 Schematic diagram of section of anti-scouring biological blanket slope protection scheme

当边坡坡面冲刷严重或需要对坡面进行加强防护时，也可采用六边形框格内植草护坡方案或方格形骨架内植草护坡方案。针对削坡后的边坡仍存在不稳固的问题或无法进行削坡处理时，则需采用重力型挡土墙进行稳固，护坡和挡土墙材料可采用浆砌石或混凝土，混凝土强度等级不低于C20，砂浆强度等级不低于M7.5，石料强度等级不低于MU30[7]。

针对光伏场区存在的局部雨水冲刷现象，也可采用植草护坡方案。首先进行回填压实，压实度不小于0.9，然后撒低矮且多根的植物草籽。草种需选择耐寒且生长较快的黑麦草、高羊茅、早熟禾等的草籽，因为这些种类草生长得较为低矮，不需要进行修剪，适合种植在布置光伏组件的区域；按照1 kg草籽约播种50 m2土地面积的规律进行播种。

综上所述，边坡治理是采矿回填区光伏发电项目建设的重中之重，高(陡)边坡采用重力挡土墙治理不但成本高，而且效果不明显。而通过采用前文所述方案进行治理后，治理成本低、稳固性强、可操作性高，在降低了边坡塌方风险的同时，对生态环境的保护也起到了非常好的作用。

1.4 冲沟填方处理方案

光伏场区的集电线路采用直埋方式，电缆在跨越地块之间的边坡时，需要开挖扰动回填土，会导致在雨季极易产生严重的冲刷。当已经发生严重的冲沟后，会造成直埋电缆裸露，存在较大的安全隐患，因此需要对坡面冲塌口进行回填治理。可采用“元宝法”进行冲沟回填治理，该修复方案如图11所示。

图11 “元宝法”冲沟回填修复方案的平面图和断面图Fig.11 Diagram of plan and section of “Yuanbao method”gully backfilling and repair scheme

在第2级斜坡的平台地块处，将冲塌口处回填至场平标高，同时按要求布置好围水坝及截排水沟设施，冲塌口处的围水坝宽度需要至少为2 m。以围水坝的外边缘处开始向下找坡(即削坡)，进行冲塌口回填作业，坡度在回填修复现场确定；且现场根据地质及排水情况，按需要增加急流槽、截排水沟及护坡措施。原坡面冲塌后，在冲塌口两侧会形成冲垮坡面，在进行冲塌口回填作业时，需同步对冲垮坡面进行修复处理，两侧的回填土修复成缓坡，以保证外观平缓，其坡度现场确定，但不应超过45°。光伏支架处的冲沟需回填至原场平标高，光伏发电项目场地内的其他冲沟现场回填，保证坡面外观平整。回填土应采用素土，光伏支架区域的压实系数不小于0.96，其他区域的压实系数不小于0.94；回填之后在坡面撒草籽。

当梯形地块的边坡产生大的冲沟时，原表土层已被雨水冲走，土壤流失严重；而露天采矿回填区可以用于冲沟回填的土壤较为匮乏，再加上冲塌口较大，如果按照原坡面的坡度进行复原回填，土壤需求量太大，且外运成本较高。因此，采用“元宝法”处理冲沟不但可以达到治理的效果，而且极大地减少了土壤使用量，从而降低了治理成本。

1.5 “光伏+绿色种植”修复生态

1.5.1 土壤改良

光伏发电项目所处区域为露天采矿回填区的复垦区，因煤矿开采导致地表塌陷，造成地表水土流失严重，引发采空区的水源枯竭；另外有部分露天采矿回填区内因过去私挖滥采较为严重，造成原生态系统的严重破坏，复垦后面临着生态恢复、土壤改良等艰巨任务。

土壤改良不能采取通常的单一措施，必须采取物理、化学和生物综合的技术措施。其中，生物技术措施即通过种植豆科绿肥作物进行土壤改良；物理、化学技术措施则是通过包括平整土地、深耕细耙和合理施肥等方式在内的农艺措施实现土壤熟化，以满足种植品种对土壤有机质的需求。

土壤改良的技术流程为：土地平整→添加有机肥、改良剂、化肥→深耕细耙→灌溉。

对露天采矿区内回填后，覆盖表土并进行土地平整处理后，对土壤增施生物有机肥，以增加土壤肥力，而应用土壤调理剂可有效调节土壤酸碱度，恢复土壤酸碱平衡，改良土壤团粒结构，增加土壤的活性和蓬松度，进而增加土壤的透气性和透水性，增强土壤保水、保肥能力，调节土壤的碳/氮(C/N)比，活化土壤中的有益微生物，达到活化土壤、培肥地力的目的。之后该土地可直接种植经济作物，增加耕地面积、促进农民的增产增收[8]。

有研究表明，粉煤灰对植物生长、发育过程有明显的刺激和影响作用，可以有效改善土壤的理化性质；而且粉煤灰中的重金属元素含量低于国家相关标准，析出情况较小，不会对复垦区域的土壤及农作物造成污染。因此，矿山地表塌陷区域采用粉煤灰充填复垦方法复垦后，土地适宜作为耕地使用[9]。

1.5.2 种植方案

种植方案是指在光伏阵列间距中种植农作物。光伏阵列与农作物在结构上相互独立，在空间布局上相互结合，因此若选择种植低矮、喜阴的农作物，则基本不需要大幅提高光伏阵列的安装高度，从而可以保证种植的农作物高度低于光伏阵列，避免影响光伏发电。绿色种植区域范围示意图如图12所示。

图12 绿色种植区域范围示意图Fig.12 Schematic diagram of green planting area

通过对光伏发电项目所处区域进行土壤环境现状调查、植物引种分析，在保证技术可行、经济合理、生态安全，且不会影响光伏发电效率与效益的前提下，结合当地农业产业基础，筛选出项目区适宜种植的农作物和种植模式，以及配套的适宜可行的农耕与农艺措施。

依据光伏发电项目所处区域的自然条件，以及项目前期工作调研、项目回填土壤特征等，建议选择抗旱、耐热、抗寒、低杆、种子颗粒稍大、扎根相对较浅的植物作为该项目所处区域种植的农作物。由于该项目所处区域属于北温带大陆气候，昼夜温差大，适合种植小麦、杂粮类、中药材、马铃薯和紫花苜蓿等，其中，杂粮类以谷子、荞麦等为主，中药材以柴胡为主。根据调查分析，上述筛选出的植物都不会影响光伏组件的采光[10]。

2 结论

本文对露天采矿回填区光伏发电项目的水土流失综合治理方案进行了介绍。在国家提出碳达峰、碳中和目标下，因土地资源限制，在废弃的矿山上建设光伏发电项目，同时结合水土流失综合治理方案，可以提高土地资源的综合利用效率。通过水土流失综合治理方案，恢复和改善了露天采矿回填区的地质环境和生态环境，使废弃的矿山得以复垦，矿山环境及水土流失问题得到改善，降低了边坡崩塌的地质灾害隐患，保证了当地群众的生命财产安全，下游河流及农田不再受露天采矿回填区污水的污染。

通过“光伏+绿色种植”修复生态方案，在改善生态环境的同时，也发展了光伏生态农业，改善了农村经济结构，构建了露天采矿回填区复垦地改良的高效发展模式，实现了农业收入持续稳定增长，使露天采矿回填区复垦地成为集光伏发电、农业生产经营等功能于一体的农光互补种植基地。

结合项目的实际情况来看，采用水土流失综合治理方案的施工较为简单，减少了成本投入，达到了预期的设计和施工效果。