陕西省一二三道沟露天矿系统性生态修复创新模式实践

2022-11-28朱有禄刘海亭

有色金属（矿山部分） 2022年6期

杨鹏，朱有禄，刘海亭

(中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，西安710054)

陕西省矿产资源种类齐全，储量丰富，分布广泛，是我国矿产资源大省之一，全省已发现各类矿产138种，有探明储量的矿产91种，保有储量居全国前10位的有7种，资源优势明显，开发潜力较大，分布有矿山企业4774家。随着矿产资源大规模的开发，在促进经济快速增长的同时，也累计了矿山地质灾害、地貌景观破坏、地下含水层影响及破坏、土地资源占用与破坏、水土环境污染、水土流失、植被破坏、生物多样性降低、生态功能退化等生态环境问题。我国最早从二十世纪五、六十年代进行简单的矿山土地复垦治理。到九十年代后，对于矿山生态恢复理论研究有一定的成效，主要理论有系统学理论、恢复生态学理论、生态经济学理论及生态地质学理论等[1]。我们已经明确知道矿山生态恢复研究包括灾害学、土壤学、水文学、生物学以及有关的社会政治经济框架。但矿山生态恢复技术措施主要以单一的地质灾害治理、土地复垦或景观再造为主，以往的矿山环境治理各管理部门各自为战，项目相互重叠交叉，造成重复投资，资金利用效率不高，治理方案也各负其责缺乏系统性和整体性。

党的十八届五中全会提出，实施山水林田湖生态保护修复工程，牢筑生态安全屏障。中共中央、国务院印发的《生态文明体制改革总体方案》要求整合财政资金推进山水林田湖生态修复工程。各地要坚持尊重自然、顺应自然、保护自然，以“山水林田湖是一个生命共同体”的重要理念指导开展工作，充分集成整合资金政策，进行整体保护、系统修复、综合治理，真正改变治山、治水、护田各自为战的工作格局。本文以铜川市耀州区一二三道沟露天采矿区域为实践研究对象，贯彻山水林田湖是一个生命共同体的理念，进行治理设计，旨在实现治理区域生态功能修复，为矿山生态恢复治理探索新的设计理念和模式[2]。

1 项目概况

耀州区一二三道沟位于耀州区石柱镇，沟内主要为灰岩矿，采矿形式为露天开采。矿山于二十世纪七八十年代开始开采，矿山企业最多时达到60余家，90年代整合后形成22条生产线，6家矿山企业。各采石场均于2013年由政府下令闭矿，属政策关闭，责任人灭失。前期的矿山资源开采为地方经济发展做出了巨大贡献，同时矿山企业过分强调经济效益，忽视环境保护，主要表现在矿山的无序长期乱采，矿渣肆意堆积，引发地质灾害隐患，致使植被破坏，沟道填埋堵塞，水土流失严重，周围生态环境遭到严重破坏。为贯彻山水林田湖生态保护修复工程理念，项目改变以往“一矿一治，一沟一治”的矿山治理模式，对一道沟、二道沟、三道沟三条采矿沟道为主轴线形成的影响范围(见图1)，进行区域生态恢复治理。该项目为铜川市黄土高原生态保护修复(试点)实施方案重点治理工程之一。

图1 研究区范围

2 治理区域生态环境问题特征分析

项目调查将3S技术应用到矿山的生态修复中，快速准确获取和分析出废弃矿山生态环境现状问题。治理区存在的主要矿山地质生态环境问题为堆渣边坡的滑塌隐患；矿山开采边坡崩塌或滑坡隐患；矿山开采造成的地形地貌景观、植被和土地资源、水土流失、水体和大气资源等生态环境破坏。

1)地质灾害隐患

沟内共分布有19处废渣堆，14处开采裸露边坡。共堆积废石渣约34.5万m3，堆积坡度约35°，废渣堆成带状沿沟道分布。废渣堆主要存在渣堆边坡滑塌隐患和形成沟道泥石流灾害隐患。开采边坡最大高差约35.0～80.0 m，坡度约71°。该边坡为矿山露天开采过程中开挖山体坡脚形成的裸露土岩结合边坡，边坡由风积黄土和灰岩组成。边坡整体稳定，岩体松散破碎，节理极为发育，存在表层危岩掉块可能。

2)地形地貌景观的破坏

矿区由于矿业开发活动对沟道两侧植被造成大面积破坏，主要体现在矿区生产过程中剥离覆盖层黄土，对山体进行大面积肆意开采，形成裸露边坡，破坏地形地貌及植被；矿山道路、工业场地建设导致大量植被破坏，开采形成的具有规模的废渣堆肆意堆放，破坏了原有的地形地貌景观。

3)土地资源的破坏

矿山生产过程中所形成的露天开采面、堆积废石渣及工业场地建设等占用破坏大量土地资源。其中一道沟破坏和占用林草地25 440 m2，二道沟破坏和占用林草地159 845 m2，三道沟破坏和占用林草地308 177 m2。矿产资源开发不仅破坏土地资源，造成土地贫瘠。而且开采过程产生的废渣等固体废物堆放需要占用大量土地，使土地丧失原有功能，矿区土地资源破坏影响严重。

4)水土流失

项目区属黄土沟壑残塬中度流失区，坡陡沟深，林草覆盖率低，坡面及沟道防护措施不全，降雨易产生径流，流速快，挟沙能力强，抗蚀力低。边坡及矿区道路出现多处水流冲刷痕迹，冲沟最深达3～5 m，边坡表层植被已被破坏，土体和渣体松散，在强降雨作用下，易引发水土流失，边坡失稳，阻塞沟道，对生态环境造成严重影响。

5)其他环境破坏

①废弃矿山大量的废石、矿渣堆积于山坡上或沟道内，这些废渣结构松散，具有较强的透水性，因长期经受日晒雨淋，导致渣石土发生了强烈的风化作用，一些矿物在雨水作用下，被淋滤水解，有毒有害元素组分被析出溶入水中，直接排入山间沟谷，易造成周围水体污染。

②矿山的多处废渣堆等堆场，由于堆积面裸露，加之表面风化物、颗粒物松散，在干燥起风的条件下，易产生大量风蚀扬尘，对周边的空气造成污染。

③裸露的废渣堆和开采边坡与周围环境形成鲜明对比，渣体和开采区表面产生反射，易造成视觉污染。

3 区域生态修复治理方案

3.1 设计理念

项目设计贯彻山水林田湖是一个生命共同体的理念，遵循系统观、整体观和以生态保护修复为主的原则，把废弃矿山治理与生态修复、产业发展、农田开发等相结合开展综合治理[3-11]，形成“一片三线”，即以项目区为整片，三条沟道为主线，治理范围约5 km2。通过恢复治理，达到“三个”改变：1)关停矿山开采，进行环境保护；2)消除灾害隐患，保证治理区安全；3)制止生态恶化，恢复青山绿水。设计理念彩平图见图2。

图2 设计理念彩平图

3.2 治理方案

针对项目区存在地质灾害隐患、地形地貌景观破坏、土地资源破坏问题以及水土流失等问题，采取工程措施和绿化措施相结合的方法。本项目设计脱离以往的单一矿山治理思路，整体规划，主要从以下几个方面整体布局：沟道整平工程、开采边坡治理工程、废渣堆治理工程、水土保持治理工程(包含水保经济林建设、梯田改造、谷坊坝工程)、蓄排水系统工程以及道路工程，治理方案框架图见图3。主要采取以下8个方面治理措施：

图3 治理方案框架图

1)地形地貌景观再造

对沟道开采区及废渣堆整片规划设计，进行地形地貌景观重造。对矿区废弃建筑进行彻底拆除，对沟道内开采区采坑及周边废渣堆场采取分台阶回填平整，开挖回填边坡设置挡土墙。

2)开采边坡治理工程

对治理区形成的开采裸露岩质边坡，综合考虑边坡实际特征及生态环境恢复设计理念，对边坡下部坡度小于75°岩质边坡采用主动防护网和团粒客土喷播绿化相结合的方式进行治理，坡顶局部种植爬藤植物(爬山虎、紫藤)进行复绿。根据坡面岩体破碎现状，清理坡面孤石，保证坡面基本平整，防护网与坡面紧密接触。设计挂网锚杆长6.0 m，间距4.5 m，孔径120 mm，内插2根Φ16 mm的螺纹钢筋，孔内注入M25水泥净浆液，水灰比0.45∶1，注浆压力0.5～3.0 MPa。主动防护网由纵横交错的Φ16 mm横向支撑绳和Φ12 mm纵向支撑绳与4.5 m×3 m模式布置的锚杆相联结并进行预张拉，支撑绳构成的每个4.5 m×3 m网格内铺设一张DO/08/300/4 m×4 m型钢丝绳网，每张钢丝绳网与四周支撑绳间用缝合绳缝合联结并拉紧，在钢丝绳网下铺设小网孔的SO/2.2/50型格栅网，以阻止小尺寸岩块的崩落或限制局部岩土体的破坏。

上部土层采用分级刷坡，无土混合纤维植被复绿方案。土层按照1∶0.5进行刷坡，分为五级边坡，每级边坡高度5～10 m，各台阶平台宽度3 m。每个平台植树一行，选取树种为油松树种，树苗规格高80～100 cm，采用坑穴种树，树穴规格为0.5 m×0.5 m×0.5 m，间距3 m。在树行间撒种紫花苜蓿草黑麦草早熟禾与高羊茅沙打旺紫穗槐等草种，采用人工撒播。边坡坡面采用无土混合纤维植被复绿，利用液体播种原理把催芽后的混合种子与一定比例的水、纤维覆盖物、黏合剂、缓释有机肥料等材料，经过专用喷播设备搅拌混合，形成浆体状混合物，利用离心泵把混合浆料通过软管输送到待绿化的作业面上，形成均匀的覆盖层，实现边坡生态复绿。

3)废渣堆治理

根据废渣堆分布特征位置，对少部分废渣堆进行开挖清理，其余渣堆采用覆土自然复绿、坡脚设置拦渣墙、坡面修整采用蜂巢格室护坡绿化和截排水综合治理方案。蜂巢格室护坡由巢室、填料、土工布和植被组成。蜂巢巢格展开尺寸为224 mm×260 mm，焊距356 mm，高度150 mm。锚固采用专用锚杆进行，采用C18螺纹钢筋加工而成，长度80 cm，锚杆布设密度0.5 个/m2。蜂巢约束系统与土体之间设置100 g/m2土工布垫层。巢室15 cm内填充当地种植土，在巢室上部喷射不大于2 cm营养土(种植土、草籽、肥料拌合)或喷播草籽。废渣堆治理前后对比图见图4。

图4 废渣堆治理前后对比图

4)水保林(经济林)建设

项目区属于中部残塬沟壑区，梁峁交错，塬面破碎，水土流失严重。项目区内沟道南坡植被覆盖率相对北坡较高，南坡现在地类以灌木林为主，部分区域可见林地。北坡以天然草地为主。项目区除少量侵蚀沟坡立地条件相对较差外，均为宜林地，适宜人工造林。本着“因地制宜，适地适树，以乡土树种为主”的原则，选用以油松、刺槐、构树、花椒为主的乔木和胡枝子、连翘、紫穗槐等灌木行间混交的方式进行栽植。共设计了五种造林类型，水保林分别为油松与胡枝子、连翘混交林；雪松与连翘混交林；刺槐与连翘、紫穗槐混交林。水保林建设实施效果见图5。经济林分别为构树经济林和花椒树经济林。乔木栽植采用大鱼鳞坑，规格为100 cm×60 cm×60 cm，灌木栽植采用小鱼鳞，规格为80 cm×50 cm×50 cm。株行距2 m×3 m，混交比1∶1，隔行混交。经济林采用坑穴种树，株行距3 m×3 m。

图5 水保林建设实施效果

5)梯田改造工程

土地平整区位于黄土残塬丘陵沟壑区，地势起伏较大，根据原自然地形坡度、陡坎，道路布局田块，田块布局为台阶状梯田。梯田田面长度宜为80～150 m、宽宜为6～20 m，田坎高度不宜大于3 m。考虑了工程区周边的居民点和区内原有的道路系统，在此道路系统基础上进行田间道路修建，满足农民出行和生产物资运输的方便。砂石道路设计路面宽为3 m，路基整平碾压后，设置25 cm厚的素土夯实路基，路基压实系数不小于0.92。上部铺设15 cm厚砂砾石路面。道路高出整平地面30 cm，两侧坡比按1∶1设置。素土道路设计路面宽为2 m，路基整平碾压后，设置25 cm厚的素土夯实路基，路基压实系数不小于0.92。

6)谷坊坝工程

谷坊坝工程主要修建在沟底比降较大、沟底下切剧烈发展的沟段。其主要任务是巩固并抬高沟床，制止沟底下切，同时，也稳定沟坡、制止沟岸扩张。项目区土料比较丰富，主要采用土谷坊。谷坊坝体断面为梯形，断面尺寸为坝高4 m，坝顶宽2 m，底宽为13.2 m，引水坡坡比为1∶1.5；背水坡坡比为1∶1.3。谷坊间距为30～40 m。

7)蓄排水系统

该治理区设计排水系统共分为三部分，一部分沿沟底设置排水渠；另一部分沿沟道边坡及便道路边设置截水沟，排水汇流到沟底排洪渠；第三部分是为保证雨水储蓄利用及调洪，因地制宜，对开采坑部分回填，设置蓄水池，生态蓄水池设计结构图见图6。

图6 生态蓄水池设计结构图

排水渠根据设计断面过水流量验算以及沟道实际宽度综合确定设计参数，采用混凝土排水渠和蜂巢格室生态排水渠两种类型。混凝土排水渠呈梯形，采用C20混凝土浇筑，底宽1 m，渠深0.7 m，渠壁坡比1∶0.2。蜂巢格室生态排水渠断面呈梯形，宽1.5 m，渠深1 m，渠壁坡比1∶0.2。对矿山已有采坑因地制宜，设置小型蓄水设施，蓄水池采用蜂巢约束边坡保护系统，达到蓄水和生态恢复一体化的效果。

8)道路工程

根据山水林田湖项目的整体性、系统性要求，结合企业转型规划的后期需求，本项目对该场地骨干道路进行设计。道路系统结合规划和场地道路系统现状进行布置。骨干道路采用水泥混凝土路面，路宽4 m；辅助道路采用砂石路，设计路面宽3 m；便道采用素土路，设计路面宽1.2 m；沟带路采用素土路，设计路面宽1.2 m。

4 项目实现的几个关键因素

1)矿山生态地质环境调查评价体系应用

生态地质调查是系统性的多学科调查，不仅仅要调查地质单元、地层、岩石、构造、不良地质现象、水文地质条件等基础地质背景要素，也要调查生态背景要素，包括非生物因子(气候、土壤、地形、地貌等)、生态系统(类型、面积、结构和功能)、生物多样性(物种组成、丰富度及多样性)、水土污染等，查明地质环境和生态环境问题及其相互关系，进行生态环境问题识别与分析、环境污染治理情况分析和生态环境影响评价，并采用中医的理念，追根溯源、分类施策，科学诊断生态环境问题及病因，为系统解决生态环境问题提供基础依据[12-14]。

2)先进设计理念

要推进矿山生态环境修复工程技术体系构建，以小流域为骨架，构建涵盖矿山地质灾害治理、含水层保护修复、地形地貌景观保护修复、土地复垦、水土污染防治和水资源保护、固体废弃物处理与处置利用、生态恢复与重建、生态产业、生态环境监测等为一体的综合防治技术体系，将遵照生态地质学原理、生态学原理、环境科学原理、系统科学原理，进行矿山山水林田湖生态环境保护恢复治理设计。

3)生态修复先进技术的应用

项目设计对高陡开采坡度小于75°岩质边坡采用主动防护网和团粒客土喷播绿化相结合的方式进行治理；对土质边坡分级刷坡，采用无土混合纤维植被复绿方案。沟道蓄水池及排水渠采用蜂巢格室生态结构，挡墙采用生态袋挡墙等。以往浆砌石、水泥材料在矿山治理项目中的应用，仅仅消除了灾害问题，对生态环境起到二次污染和破坏。这些先进的生态恢复技术在矿山环境治理工程中的应用，为生态修复系统性整体观起到至关重要作用。

4)创新管理模式

部门管理工作条块分割，矿山生态一体化恢复的体制机制尚未建立。多年来，中央与地方、部门与部门在矿山生态环境保护与恢复方面的主体责任和主要事权不清晰，始终难以突破“各自为战、以邻为壑”的割裂现象，自然资源部门治理恢复地质环境和土地复垦，环保部门关注环境污染和生态环境，水利部门实施水土保持工作，部门协同不够导致防治工作对象重叠但治理内容、对象、方法手段等有所不同，各部门各自为战，项目相互重叠交叉，造成重复投资，资金利用效率不高。该项目实施得益于项目所辖市、区设立山水林田湖管理办公室，集财政、国土、水利、农业、林业等部门于一体，协同办公。

5 实施效果

1)经济生态效益

通过项目实施恢复被破坏的林地并植树种草，有效防止了矿山岩土侵蚀和水土流失，完成生态重建任务，提高治理区植被覆盖程度，改善了矿区生态环境。共完成造林面积1.72 km2，生态恢复面积4.25 km2，新增土地增减挂钩指标53万多m2，实现经济效益3 000余万元。矿山修复完成后，成功引进了航天科技重点项目落址，极大程度缓解了市县两级配套资金困难问题，促进了区域产业转型升级，逐步实现了经济、生态、社会效益有机统一，切实改善了区域生产生活环境和气候环境。

2)社会效益

大胆创新，构建先进管理体系。解放思想，积极探索生态保护修复市场化、公司化融资模式，创新性地把土地综合修复利用、产业导入与山水林田湖生态保护修复项目相结合，通过生态网络建设、环境修复、基础设施配套建设促使该区域及周边的土地升值，为产业引入和人口流入提供良好的生态基底，是矿山修复类生态导向开发模式(EOD)的成功实践。