河南省澎河柒树沟—达店段山水林田湖草一体化生态保护与修复研究

宋红伟,陈 奎,余 阳,赵百顺,刘坤朋

(1.河南省地质局矿产资源勘查中心,河南 郑州 450000; 2.中原能矿投资开发有限公司,河南 郑州 450016)

山水林田湖草生命共同体理论自2013年提出伊始,便以其整体性、系统性、原真性、协同性和长期性的理论优势,以及全域治理、统筹实施、自然恢复为主、多部门协作和可持续发展的治理理念,成为生态保护和修复领域的基本遵循和行动指南。2016—2018年,全国陆续开展了3批次共25个山水林田湖草生态保护修复工程试点项目,在国家重要生态功能区和生态屏障区部署实施一体化生态修复工程,对维护国家生态安全、提高生态系统质量起到了良好的示范作用。试点工程的实践进一步催生了国内学者对山水林田湖草理论的深入研究。宏观政策方面,主要集中于山水林田湖草的科学内涵、机制体制、生态系统服务提升、生态过程、实施路径等[1-8];技术措施方面,多数致力于生态功能分区、生态保护尺度与修复的基础、生态修复策略和治理思路等,如宇振荣等[9]提出了管控、修山、治水、复绿、整地、扩湿等综合性生态修复策略;彭建等[10]提出了对关键要素控制和全要素耦合相结合的治理思路;杨锐等[11]提出“再野化”的我国山水林田湖草生态保护修复新思路;苏冲等[12]提出了优先区识别是科学有序推进山水林田湖草生态保护修复工作的重要基础;付建新等[8]对山水林田湖草时空分异和自然环境要素分布特征的差异引起的生态环境保护、管制和修复进行了一定研究;杨崇曜等[13]基于自然解决方案(NbS)对山水林田湖草生态保护时空尺度、目标设置、技术措施和管理机制进行了探索。

澎河发源于伏牛山区方城县四里店乡晒衣山南麓,经达店、神林流入鲁山县境内,最后注入白河和白龟山水库。方城县境内河段长25 km,流域面积118 km2,系一季节性河流,丰水期主要集中在5—10月,最大洪峰流量197.8 m3/s,河流上建有澎河水库,蓄水量为7 112.15万m3[14]。柒树沟—达店段往年由于大面积开采花岗岩风化壳型超贫磁铁矿,生态环境破坏严重,存有泥石流、不稳定斜坡等地质灾害隐患。

随着生态文明建设思想日益深入,方城县地方政府积极改变以往单要素、单领域、单部门的环境治理模式,将矿山地质环境恢复治理和土地综合治理、水流域生态环境治理与生态修复以及旅游区建设相结合,以山水林田湖草生命共同体理论作指导,在生态功能分区和一体化设计的基础上,将尾矿、废渣等固体废弃物进行资源化利用,不仅可从根本上消除泥石流形成的物源条件,避免泥石流灾害的发生,而且可通过循环经济的方式为整个项目的实施提供足够资金,破解地方财政资金不足的难题,并为社会资金参与该类项目提供盈利点。生产机制砂的同时,可将压占、损毁的土地和残次林地进行复垦,将相关河道进行清淤、蓄水和景观建设,使原本遭受严重破坏的工矿废弃地变成一个集生态观光、休闲旅游、水源净化等多种生态功能于一身的景观综合体,为推动当地生态重建和旅游发展奠定坚实的基础,并为社会资金参与生态环境治理提供了一个良好的实施模式。

1 研究区概况

研究区位于方城县西北四里店乡,地貌类型为剥蚀低山丘陵,区内河谷发育,且河谷与山岭走向多呈一致。四里店花岗岩体(K1SL1)在研究区地表广为分布,是伏牛山花岗岩基的组成部分,主要岩性为中粒黑云二长花岗岩,富含钾长石大斑晶和副矿物磁铁矿。钾长石大斑晶含量约占10%,磁铁矿含量一般6%～10 %,平均7%,风化壳厚度10～20 m,2003—2012年曾被当作超贫磁铁矿开采,其表层覆盖厚20～30 cm的强风化坡积土,土壤类型为黄褐土,熟化程度较高。

研究区地处北亚热带和暖温带过渡带,属大陆性季风气候,地表水资源年内年际分配不均,每年6—9 月份降水占全年降水量的70%以上,降水集中,易发洪涝和干旱灾害[14]。研究区地下水类型为块状岩类裂隙水,含水岩性即为四里店中粒黑云二长花岗岩,沿断裂带有泉水出露,泉流量<0.1 L/s,水化学类型为HCO3-Ca型,矿化度为0.15～0.35 g/L,地下水径流模数1.262～1.540 L/s。研究区工程地质岩组为碎裂状较软花岗岩强风化岩组,中粒结晶,新鲜岩石致密,浅层岩石风化严重。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015),该区地震动峰值加速度为0.05g,地震烈度反应谱特征周期为0.35 s。

2 生态环境问题

根据可持续发展理论,自然保护和资源的永续利用必须达到一种相对均衡状态[15],生态环境问题往往由于资源承载能力不足或者自然保护程度不够、保护方式不当引起,过度开采资源势必引起生态功能退化甚至生态环境破坏,当超出一定阈值就必须借助人工干预方能恢复。

研究区内风化壳性型花岗岩超贫磁铁矿的无序开采是区内生态环境遭受破坏的根本原因,此后由于砂石骨料价格暴涨,尾矿可用作机制砂的加工原料因而遭受私挖滥盗,进一步加重了环境的破坏程度。矿山主要地质环境问题如图1所示。具体来说,区内生态环境问题主要表现如下。

图1 矿山主要地质环境问题Fig.1 Main geological environment problems of mine

2.1 矿山环境问题

(1)矿山地质灾害。突出问题是矿渣遭遇瞬时暴雨形成泥石流,以及矿渣堆积过高形成的不稳定边坡。两种灾害均由超贫磁铁矿无序开采和尾矿大量堆积引起,是资源过度开采和环境修复力度不足耦合所致。

矿渣泥石流物源区主要分布在澎河支流月后沟南岸和北岸次一级沟谷两侧,流通区为整个月后沟,沉积区为月后沟汇入澎河口附近,危害区域包括柒树沟和达店2个行政村的5个生产组,危害对象分别为建筑、田地、桥梁、道路与河床。经统计,研究区25个地块中有24个地块堆积累计1 250.39万m3尾矿渣(图1(a)),为泥石流的发生提供了充足的物源。因矿渣随意堆积且过于集中,一旦瞬时降雨量达到相应临界值,极易引发泥石流灾害。根据当地气象条件及澎河最大洪峰流量推测,研究区矿渣泥石流具有多期次、高频率、突发性强,历时短等特点,一般集中发生于6—9月份。

矿渣不稳定斜坡是由于矿渣大量堆积于沟谷、河道两侧引起,渣堆凌空面一般高20～30 m,局部达30～60 m,一旦遭遇暴雨冲刷或者经受机械作业极易诱发裂缝,进而引起滑塌(图1(b))。由于渣堆系松散堆积,滑塌灾害的发生同样具有突发性强和来势凶猛的特点,不仅会危及过往行人的安全,而且为泥石流的形成提供了物源。

(2)压占、损毁土地植被。研究区废弃矿渣的无序堆放,共导致86.8 hm2不同类型土地被压占和损毁,包括旱地11.07 hm2、有林地12.2 hm2、灌木林地49.2 hm2、废弃工矿地9 hm2和未利用地12 hm2,原生植被受到极大破坏(图1(c)),使得土壤侵蚀加剧,水土保持困难,农田保水保肥能力不足,农作物产量降低,土地逐渐退化,地势较低地带通常形成水洼地(图1(d)),植被不易生存。

(3)破坏地形、地貌景观。露天采矿生成大片裸地、废渣堆、高深矿坑和废弃建(构)筑物,在压占土地的同时,改变了原有地貌形态(图1(e)),进而破坏了自然生态景观,尤其在村庄周边和道路可视范围,露天开采将原有景观挖出一道道“伤痕”,与周边天然植被形成极大反差,造成视觉污染。

2.2 水生态问题

四里店镇辖地植被茂盛,为澎河流域水源涵养区,由于风化壳型铁矿的过度开采,形成了大量工矿废弃地,尾矿渣散乱堆放于月后沟,不仅侵占河岸线,而且淤积河道,使河道的排水功能大为降低,且雨水汇集后流经尾矿渣,水质也将有所下降。此外,澎河各支流联通性差,未形成有效水网,每年有多个月份呈干涸状态,难以形成稳定的水系生态,即便丰水季节水体自净能力、水环境恢复能力仍然较低。

2.3 土地环境问题

月后沟及其上游矿渣压占和损毁土地较为普遍,土壤受损严重,主要表现为土壤环境的恶化和理化性质的改变,有机质和N、P、K等营养元素减少,肥力下降,土层变薄,土壤结构遭到破坏,水土流失较为严重。

3 生态保护与修复方案

3.1 工作思路与实施条件

生态保护修复的对象是山水林田湖草生命共同体,其本质是景观综合体[10]。通过移动式机制砂生产线,首先筛出矿渣中钾长石颗粒,再对矿渣进行分选、整形、脱水和除泥,通过持续变现不断为工矿废弃地、残次林地复垦和水环境治理筹集资金,治理思路坚持从项目尺度转向景观尺度[11],以景观建设和景观提升为根本目的,兼顾山体复绿、水环境治理、废渣清除,在消除地质灾害的同时,恢复重建当地生态。

(1)尾矿资源化利用的前提条件。研究区存有少部分风化壳型超贫磁铁矿未经碾碎,其钾长石斑晶由于抗风化能力较强得以保留,并可作为钾长石矿利用。参考相邻油坊庄风化壳型钾长石矿,斑晶含矿率一般7.0%～15.4%[16],区内未经碾碎矿渣钾长石斑晶含矿率目估可达5%。参照相邻油坊庄钾长石矿区化学分析结果:全铁(TFe)含量大于1%,二氧化钛(TiO2)含量大于0.2%,烧后白度小于20%,区内钾长石矿经选矿提纯后可以作为陶瓷和玻璃的工业原料[17]。

通过对矿渣代表性样品进行分选试验和亚甲蓝值测试,判定砂石成分、细度模数及亚甲蓝值(MBV),作为制定生产工艺及流程的依据。

试验证明,尾矿渣中砂石含量68%左右,泥土杂质含量20%～28%,金属矿物含量仅0.8%,含泥量高。粒度>4.75 mm的颗粒占比14%,粒度<0.075 mm的颗粒占比10%,细度模数均值3.3,超出机制砂细度模数2.5～3.0的要求范围,粒度偏粗。综合以上2项特性,机制砂工艺流程必须考虑除泥、整形和分选。考虑泥土含量偏高和未遭受重金属污染,生产流程中设计将所含泥土除水去湿,压干成饼,作为工矿废弃地复垦的底层土壤,充分体现循环经济废物再利用的原则。测试样品未测出亚甲蓝值(MBV),不存在膨胀性黏土矿物,所产机制砂性能稳定。

(2)生态功能分区是一体化设计的基础。生态功能分区是制定生态保护对象和方案的立足点,也是山水林田湖草一体化设计的基础。一体化设计,必须保证与上级生态功能区划衔接,与土地利用规划一致。

针对研究区生态环境现状及存在的突出问题,根据生态服务功能重要性和生态敏感性[15],对研究区进行生态功能分区(图2):①水源涵养区。研究区属于澎河发源地,地势较高、植被茂盛,除采矿活动破坏严重的区域以及水体范围,均划入水源涵养区,侧重于自然保护,轻微损害地段寻求自然恢复[13],主要工作是科普宣传,防止人为破坏。②水土保持区。即矿渣堆放区域,包括工矿废弃地、压占的残次林地及少量耕地。充分利用采矿遗留底盘和压占土地地面平坦的优势,以及机制砂生产线副产品泥饼可粉碎作底层土壤的特点,将其复垦成耕地,并在各地块建设防护林带,防止水土流失和土地沙化。③水生态恢复和生物多样性保护区。在澎河两岸,以主河道与月后沟交汇区域为中心,通过修建2号溢流堰和3号漫水桥,逐级抬升水位并蓄水成湖;在河岸线附近营建湿地,通过引进鱼苗、蝌蚪、野鸭等水生动物和种植芦苇、菖蒲、水葱、睡莲等水生植物,逐步恢复生物多样性。

图2 生态功能分区及工程、景观布置Fig.2 Ecological function zoning and engineering,landscape layout

3.2 一体化设计的工程布局

景观设计依托生态功能分区,通过工程措施和生物措施,在泥石流沟物源区、流通区和沉积区分别采用不同手段,消除地质灾害,恢复或重建生态,提升景观质量。

物源区通过机制砂生产线消耗废弃矿渣,腾退的土地根据土地利用规划,结合地形坡度和微地貌特征进行复垦,可复垦地块24个,复垦方向为耕地。

流通区主要任务是疏通河道,清除淤泥,清理堆存矿渣,同时为营建水生态修建1号、2号、4号3座溢流堰。为了方便通行修建2号交通桥,该区段共有2处景观:①在南岗东北打造“梨园风情带”,种植梨树;②在河道急转处营建“福满塘”,种植水葱和荷花。

沉积区是整体设计的景观核心区,工程重点是重建湿地水生态,塑造一派田园风光。具体为清除主河道淤泥,在其下首柿园东侧修建3号漫水桥,抬升上游水位和蓄水量,形成月明湖景观,利用河心滩建造月牙岛景观,月牙岛上建“许愿阁”。在主河道两岸行洪道外侧和月后沟河道弯曲度较大处岸线营建浅滩湿地乐园,主河道两旁湿地宽度16～65 m,月后沟湿地宽度4～15 m,规划面积1.67 hm2,敷设驳岸石和生态袋,局部地段利用浆砌石墙或者格宾石笼护坡,种植菖蒲、水葱、睡莲等低矮水生植物。为配合景观建设和通行方便,建设1号交通桥、坝顶道路,修建石材栏杆,并于月牙岛对岸临湖设置观景台,与许愿阁相映。

3.3 重点治理工程

(1)尾矿的清除和综合利用工艺。鉴于尾矿渣系露天堆放,且当地雨水较多,设计采用湿法生产工艺,先分选出钾长石矿物斑晶,再生产机制砂,然后除泥并压滤成泥饼。

具体流程如下:原料经胶带机输送至振动筛,振动筛上设置喷水装置对物料进行水洗,粒度大于10 mm(粒度可以调整)的物料收集后送入钾长石堆场;粒度3～9 mm的物料收集后进入制砂机整形,制砂机出来的物料进入振动筛,大于4.75 mm的物料返回制砂机,4.75 mm以下的物料进入脱水筛,经过脱水筛的物料进入胶带机送入成品砂堆场,脱水筛收集到的水进入浓缩池;粒度3 mm以下的物料进入螺旋洗砂机,将洗出的成品砂输送至成品砂堆场。小颗粒物料和污泥通过渣浆泵送入旋流器,经过旋流器的分离作用,将细砂经过脱水筛后送入成品砂堆场,污泥混合污水送入浓缩池。进入浓缩池的污水经过浓缩池的浓缩,将清水收集起来送至循环水池。高浓度的污泥经过渣浆泵输送至搅拌池,搅拌池里的物料通过渣浆泵输送至压滤机,将压滤后的泥饼输送至泥饼堆场,作为土地复垦底层土壤,收集的水输送至循环水池,循环水池需要定时补水。具体工艺流程如图3所示。

图3 尾矿综合利用工艺流程Fig.3 Comprehensive utilization process of tailings

(2)土地整治工程。包括工矿废弃地、残次林地复垦以及压占耕地恢复,工程内容主要有土地平整、覆土、翻耕、培肥、灌溉、排水,田间道路和防护林、配电工程建设等。其中,地块4、5、11、17含有工矿废弃地,共计9.00 hm2,其余地块包含残次林地和少量其他草地,面积66.47 hm2,复垦方向均为旱地(图2)。

(3)水生态环境治理工程。水生态环境治理以水利工程为基础,首先保证主河道夏季行洪能力。具体做法是,对主河道铧尖河桥—柿园段进行清淤、河槽拓挖、河堤防护、河岸道路修筑及绿化,在行洪道内侧,则蓄水成湖,并实施岸线地形改造、岸带护坡、防渗,溢流堰、堤防道路等工程,在河道边缘形成湿地景观,杜绝月后沟上游生活污水的排入,通过湿地过滤净化水质,通过芦苇、水葱、菖蒲种植和鱼苗、蝌蚪、野鸭引入逐步营建水生态,将人工湖泊与周边林木生态融为一体,促进生物多样性保护。

(4)景观打造与提升。以水系为载体,在新建湿地的基础上进行了景观提升,并赋予景观总体以富有诗意的名称——“如意川七景”,增强景区文化底蕴。具体包括:月明湖湿地、月牙岛、观景台、相思树、浅滩乐园、梨园风情带和福满塘七大景观。景观打造效果如图4所示。

图4 景观打造效果(如意川七景)Fig.4 Effect drawing of landscape creation(Seven views of Ruyi River)

月明湖湿地包括浅滩湿地(图4(a))和溢流堰跌水(图4(b))2个景观。浅水区岸线处按驳岸石景观设计,并在石头缝隙放置一定数量生态袋进行岸线防护,可在生态袋上划开不同规格的十字型开口,撒播湿地植物种子或繁殖幼体。浅水区需种植水葱、芦苇与睡莲。

月牙岛景观以河心滩为基础修建,既可用于河水分流,也可用于稳定水体,对汛期洪水能起缓冲滞留作用,并为水鸟等提供活动和休息场所(图4(c))。规划面积0.83 hm2,岛上布设环形步道 500 m,步道用渗水砖铺设,岸线边坡坡降为 1∶3。岛上大量种植狗牙根、垂柳、水杉等植物,在岛中心建造许愿阁,采用仿古建筑风格,占地面积0.13 hm2。

观景台景观位于柿园东南主河道环流岸堤上,是“月明湖” 湿地的最高处,登临此台,周边景观可一览无遗(图4(d))。

相思树景观位于达店村东北隅,围绕2棵1 300年树龄的银杏打造(图4(e))。银杏树围6 m,树高 15 m,枝繁叶茂,极具观赏和文化价值,拟在树外修建围栏和科普石碑。

浅滩乐园景观营建在澎河主干道行洪道外围浅滩湿地,可为周边群众提供一个休闲戏水的去处,也可为水鸟、鱼虾等提供一个良好的生活场所(图4(f))。规划面积1.67 hm2,布设驳岸石与生态袋等,种植低矮水生植物芦苇、水葱和菖蒲等。

梨园风情带景观位于南岗村组东北侧,规划面积7.67 hm2,位于河堤路旁,紧邻月明湖南侧,每逢春暖花开,可供人们游览。

福满塘景观位于椴树湾村组西侧,由于常年河道冲刷周边道路,每逢汛期严重影响周边村民出行安全。此处河道狭窄,需要拓宽挖深河道,消除洪水隐患。在此挖塘蓄水,可变灾患为福瑞,表达人们消除洪水灾祸、迎接美好生活的期望,故命名“福满塘”。规划面积2.3 hm2,种植水葱和荷花。

4 结语

山水林田湖草生态保护与修复工程,其本质是以山水林田湖草生命共同体思想为理论指导,围绕生态功能区划,对已经遭受破坏或者生态功能退化的地区进行整体保护、系统修复和综合治理。根据研究区现状条件下呈现的主要生态问题,结合土地利用规划进行生态功能分区,围绕景观综合体打造这一生态治理与恢复的基本目标,将矿山环境治理、土地整治,水生态与水环境重建,湿地景观提升等融合为一个系统工程,通过尾矿资源化利用将固废转化为资金,从而实现回收型循环经济。通过工矿废弃地和残次林地复垦帮助当地完成补充耕地指标,且所打造景观可以成为旅游基底平台,为美丽乡村建设和发展乡村旅游奠定良好的基础,对地方政府出资或者社会基金参与山水林田湖草修复项目具有重要的借鉴意义。