黄河砒砂岩区生态治理关键技术研究

姚文艺, 申震洲, 姚京威, 杨才千, 李晓龙, 李长明

(1.水利部 黄土高原水土保持重点实验室,河南 郑州 450003; 2.水利部 黄河水利委员会 黄河水利科学研究院, 河南 郑州 450003; 3.东南大学,江苏 南京 210096; 4.郑州大学,河南 郑州 450001; 5.华北水利水电大学,河南 郑州 450046)

砒砂岩是我国特有的一种地质构造物,是对一种由砂岩、砂页岩和泥质砂岩构成的岩石互层的总称[1]。黄河流域砒砂岩区位于鄂尔多斯高原,属于黄河流域乃至我国北方生态安全屏障的关键带[2],其生态退化严重,水土流失剧烈,是黄河粗泥沙集中来源的核心区[3],虽然其面积仅约占黄河流域总面积的2%,但是所产生的粗泥沙却占到黄河下游河道淤积量的1/4,这给实现黄河流域生态保护、确保黄河长治久安的国家战略目标带来极大挑战。新近颁布的《中华人民共和国黄河保护法》第三章第三十三条明确规定了将砒砂岩区作为生态脆弱区首要保护和治理的重点。

长期以来,砒砂岩区水土流失与生态修复一直是黄河治理的重点和难点。早在20世纪60年代就开展了以生物措施为主的砒砂岩区探索性的治理工作[1]。在20世纪80年代中期,水利部做出了以沙棘资源开发作为砒砂岩区治理突破口的重要决策,并制定了《开发建设晋陕蒙接壤区水土保持规划》《1991—1995年沙棘开发利用发展规划》。之后,先后实施了诸如内蒙古砒砂岩区沙棘专项治理工程、黄土高原水土保持世界银行贷款项目、晋陕蒙砒砂岩区生态工程、鄂尔多斯高原砒砂岩沙棘生态工程,以及近年来各地陆续实施的黄河粗泥沙集中来源区拦沙工程建设等多项治理工程。同时,治理实践也推动了砒砂岩区水土保持和生态治理理论与技术的研究,并取得多项突出进展[4-5]。尤其是对作为治理砒砂岩突破口的沙棘生物,在生理生态、生长发育规律、人工培育技术及减蚀作用等方面开展了大量研究,取得了较多成果[6-13]。据此,毕慈芬等[14]在20世纪90年代末提出了“沙棘柔性坝”的生物工程措施,通过试验推广,该措施发挥了明显的拦沙治沟、改善生态环境等效益[15]。为满足生态文明建设国家战略实施的科技需求,近十多年来,国家多类科技计划均设立了砒砂岩区生态退化过程与治理方面的研究专项,这些大大促进了我国生态脆弱区治理理论与技术的进步[16-17]。例如针对砒砂岩“无水坚如磐石,遇水烂如稀泥”,难以作为修建淤地坝等水土保持工程措施建筑材料的突出问题,揭示了其易蚀的岩石和化学机理,认识到砒砂岩成岩程度低,结构强度弱,所含遇水易胀的蒙脱石含量高,所含Ca2+、Na+、K+等多种阳离子的水化作用强等是导致其被剧烈侵蚀的主要原因[16,18-19]。试验表明,通过添加活性材料对砒砂岩改性,可以显著提高其结构强度和耐水性能[20]。据此,杨大令等提出了砒砂岩改性材料淤地坝建造技术,并得到示范应用[21]。砒砂岩质地土壤极为贫瘠[16],林草等水土保持生物措施难以有效实施,为此,黄河水利科学研究院和东南大学联合团队基于砒砂岩组分、结构及侵蚀机理,通过亲水性材料复合方法,研发了抗蚀促生材料与技术,对于阻控坡面砒砂岩侵蚀、促进植被生长具有明显效果[16,22],该技术也可应用于其他环境下高陡边坡的治理。目前,这类技术的研发依然受到人们的关注[23]。砒砂岩区土壤侵蚀类型和发生过程从坡顶至沟底具有明显的分异性,这就要求在空间上应有不同的水土保持措施配置。姚文艺等提出的“二元立体配置模式”在治理实践上遵循了坡面-沟道系统与水土保持措施体系应该相匹配的基本原理[24]。由于砒砂岩的独特地域性,除我国外,没有见到国外有关砒砂岩区生态治理方面的研究报道。国外文献大多集中于对单一砂岩地区生态系统、植被退化、侵蚀、地貌演化等问题的研究,治理措施主要包括封育修复、小型拦水拦沙坝(Check Dam)等[25-30]。

为进一步深化砒砂岩区生态治理理论的研究,突破砒砂岩区生态治理的关键技术难点,在“十三五”期间,国家重点研发计划设立了“鄂尔多斯高原砒砂岩区生态综合治理技术”研究专项,其目标为:在揭示砒砂岩区生态系统时空格局变化规律、生态系统退化与复合侵蚀互馈机制的基础上,提出坡顶-坡面-沟道系统复合侵蚀阻控技术、不同类型退化植被恢复重建技术、资源开发生态安全保障技术等,为实现黄河流域生态保护和高质量发展国家战略(简称黄河国家战略)的重大目标提供坚实的科技支撑。本文结合该项目的研究目标与主要创新点,对研发的主要关键技术进行凝练综述,以期为砒砂岩区生态综合治理实践提供技术支撑,促进脆弱生态区治理关键技术的深化研究。

1 研究区概况

黄河流域砒砂岩区位于鄂尔多斯高原的山西、陕西与内蒙古的接壤区,北临库布齐沙漠,自西北到东南延伸到毛乌素沙地,东至黄河紧邻黄土区(图1),位于北纬38°10′～40°10′、东经108°45′～111°31′,是黄河流域生态安全屏障的关键带,对于构筑我国北方生态安全屏障具有重要的地位。砒砂岩区跨越内蒙古自治区达拉特旗、杭锦旗、东胜区、伊金霍洛旗、准格尔旗、清水县,陕西省神木市,山西省河曲县、保德县,黄河一级支流窟野河、孤山川、清水川、皇甫川、浑河和十大孔兑(内蒙古语,指洪水沟)等流经其间,总面积为1.67万km2[1]。

图1 砒砂岩区位置

砒砂岩区地质构造属于华北地台鄂尔多斯台向斜,为中生代所形成的河湖沉积相岩层,构造运动主要表现为地壳升降运动。目前,砒砂岩区仍处于抬升之中,这是造成该区土壤侵蚀的内营力。由于砒砂岩区毗邻沙漠、沙地和黄土区,因此不同区域的地表覆盖物质不同,据其将砒砂岩区分为覆土区、覆沙区和裸露区,其面积分别为0.84万、0.37万、0.46万km2,如图2所示。

图2 砒砂岩类型区分布示意图

无论是覆土区还是覆沙区,在坡面及沟坡,基本上均是出露的砒砂岩。覆土区主要分布于砒砂岩区的东部和西南部,植被覆盖度仅约25%,风蚀、水蚀和冻融侵蚀交错,侵蚀模数约1.5万t/(km2·年),沟道水系相对发育,沟壑密度为3～6 km/km2,属于剧烈侵蚀区;覆沙区位于砒砂岩区西部,紧邻毛乌素沙地,在沙地下部掩埋有砒砂岩,以风蚀和水蚀为主,侵蚀模数约0.8万t/(km2·年),沟壑密度为1～3 km/km2;裸露区主要分布于砒砂岩区西北部的鄂尔多斯市和十大孔兑上游,侵蚀剧烈,侵蚀模数达到2万t/(km2·年)以上,沟壑密度高达5～7 km/km2,除坡顶和沟底有稀疏的草被外,其他部位基本上没有植被覆盖。

砒砂岩区气候为干旱半干旱大陆性气候,最低气温可达到-34.5 ℃,多年平均降水量为310 mm,7—9月多年平均降水量占年均降水量的60%～70%,且一场降水的最大降水量可达全年降水量的90%以上。因此,侵蚀性降水次数占到降水总次数的41.50%。风多风大也是该地区的显著气候特征,最大风力可达8～9级。

砒砂岩区土壤多由风化砒砂岩、黄土、红土和风成沙所构成,土壤结构松散、颗粒粗、空隙大。同时,砒砂岩区土壤养分含量极低,例如全氮、全磷、全钾含量均不足0.1%,按全国统一划分标准,砒砂岩质地土壤基本上为五级至六级的水平,很贫瘠,这是砒砂岩区植被覆盖度很低的重要原因之一。

2 技术研发目标与技术方案

2.1 技术研发目标

针对鄂尔多斯高原砒砂岩区风蚀、水蚀和冻融复合侵蚀剧烈,生态系统退化严重,资源开发等人类活动加剧生态系统退化的突出问题,围绕砒砂岩不同类型区坡顶-坡面-沟道系统复合侵蚀综合治理、不同类型退化植被恢复重建、资源开发的生态安全保障等关键技术,开展砒砂岩区生态综合治理技术体系研发。该技术体系主要包括砒砂岩块体状重力侵蚀注浆固结技术、砒砂岩改性材料谷坊建造技术、不同类型区优势物种筛选与退化植被恢复重建技术、砒砂岩煤矸石资源化利用技术和基于微生物菌群的砒砂岩土壤改良等核心技术。构建固结植生一体化多元措施全流域立体配置复合侵蚀治理模式,为砒砂岩区脆弱生态系统恢复重建和黄河粗泥沙治理提供技术支撑。

2.2 研发技术方案

围绕辨识过程、明晰机理、创新技术、示范应用的研究目标,利用多学科交叉、多方法多技术集成,在揭示砒砂岩区复合侵蚀与生态系统退化耦合机理的基础上,研发砒砂岩不同类型区植被恢复重建、复合侵蚀综合治理、生态安全保障等技术,形成生态综合治理技术体系。

采用野外抽样调查、解译统计、砒砂岩三大类型区坡沟系统径流试验小区和代表性沟道小流域水文气象观测、土壤参数实时监测等方法,获取地形地貌、植被、产流产沙、土壤含水量和养分含量、降水和土壤侵蚀等关键参数,通过多源数据融合分析,辨识砒砂岩区坡沟系统结构特征,分析块体状重力侵蚀、植被覆盖度与群落结构、土壤质地、侵蚀类型等的分异规律,为技术研发提供基础数据和功能参数设计依据;利用生态系统生态学、水文水资源学和水土保持学、系统论的理论与方法,研发阻控复合侵蚀的生物-植生固结-工程-砒砂岩改性综合措施体系,提出适合砒砂岩区复合侵蚀治理的模式;基于砒砂岩不同类型区块体状重力侵蚀的影响因素、发生机制及分布特征,利用聚合反应原理,通过理论分析和模型试验,研究非水反应高聚物注浆材料在砒砂岩地层中的扩散机理,研发治理块体状重力侵蚀高聚物注浆固结技术和其施工工艺;利用砒砂岩胶凝改性技术,研制砒砂岩改性工程材料,提出利用砒砂岩改性材料建造谷坊或沟坡堆积物稳固的技术;分析砒砂岩不同类型区的立地条件、植物种类及生境的分异规律,选择三大类型砒砂岩区乡土物种和生境相似的外来物种,依据系统优化、层次功能结构和耦合理论,研究生态恢复与重建途径,进一步集成砒砂岩区风化物培土和客土改良、节水抗旱、异质性营养袋坑等技术,研发具有抗旱、抗寒、抗风功能的砒砂岩区植被快速恢复重建模式;分析煤矿开采伴生物砒砂岩煤矸石的特性,利用机械活化、热活化和化学活化原理,研发由砒砂岩煤矸石制备胶凝材料和煤矸石混凝土路缘石的技术及由煤矸石改性三合土路基的应用技术,实现降害、资源化利用双目标。

3 主要新技术

3.1 块体状重力侵蚀高聚物注浆固结技术

砒砂岩区坡面的上坡段往往呈现出近似垂直的陡崖地貌,而且其垂直节理发育,形成有大量裂隙。据调查,在覆土区5 000 m2的样区内,共有167处竖向裂隙,其在坡顶的水平长度平均为0.29 m、垂直深度大多在1 m以上,裂隙开度平均为0.005 m,裂隙密度为1.7条/100 m;覆沙区样区内发育171处竖向裂隙,裂隙水平长度平均为0.41 m、垂直深度大多在2 m左右,裂隙开度平均为0.012 m,裂隙密度为1.7条/100 m;裸露区样区内发育184处竖向裂隙,裂隙水平长度平均为0.48 m,垂直深度大多在2 m以上,裂隙开度平均为0.015 m,裂隙密度为1.8条/100 m。这些竖向裂隙构成了水流下渗的通道,在水力、冻融和风化等作用下,岩层不断剥落,导致上部岩体渐失支撑,产生倾覆趋势,裂隙间岩石块体重心不断外移,后侧裂隙逐渐扩大,在重力作用下,当岩块倾覆力矩大于稳定力矩时,骤然发生倾倒式大块体积的崩塌,这就是所谓的块体状重力侵蚀。根据覆土区典型小流域的观测结果,块体状重力侵蚀占总侵蚀量的50%左右。

3.1.1 技术原理

高聚物注浆是20世纪70年代发展起来的用于治理如地基等建筑物工程脱空、裂损病害的技术。其原理是通过将双组分材料混合制成一种高聚物浆液,将该浆液注射到裂隙后,迅速发生化学反应释放热能,浆液温度不断升高,溶解的物理发泡剂随之逐渐气化形成大量微小闭孔气泡悬浮于浆液中,使浆液体积不断膨胀而填充整个裂隙。由于砒砂岩岩性特殊,对水敏感,传统的注浆材料如水泥浆、水玻璃、水泥砂浆等均以水作为溶剂或主要反应成分,会对砒砂岩结构造成破坏,使得加固效果被严重削弱,甚至完全丧失加固作用,必须对浆液膨胀过程进行有效调控,使之处于低压膨胀过程。因此,对于砒砂岩裂隙的治理而言,是不能用此类高聚物注浆技术的。如何利用注浆方式防治砒砂岩块体状重力侵蚀是一个技术难题。

针对这一难题,基于无水注浆理念,把高聚物注浆材料应用到块体状重力侵蚀治理中,研发砒砂岩竖向裂隙高聚物注浆固结技术。为此,利用聚合反应原理,优化设计异氰酸酯、多元醇、催化剂和气化剂等多料剂类型和配比,成功研发了反应速率、胶凝时间、膨胀性能可调可控、具有凝聚内拉作用的、适用于砒砂岩块体状重力侵蚀治理的高聚物注浆材料。同时,结合砒砂岩裂隙发育程度、块体状重力侵蚀形式等特征,研发的注浆方式包括高聚物竖向裂隙注浆、高聚物锚固注浆和高聚物渗透注浆等方式,根据不同注浆方式对浆液性能的需求,分别研制了快膨胀高黏结型、慢膨胀高锚固型和低黏度型3种高聚物注浆材料和其施工技术。

快膨胀高黏结型高聚物常温下的反应时间为40～80 s,体积膨胀率视裂隙规模进行调控,以便有效阻止高膨胀压力的产生,一般设体积膨胀范围为10～20倍。竖向裂隙被填充后,即可阻断水流通道,避免水流下渗对裂隙面的侵蚀,阻止裂隙下切,同时借助高聚物浆液固化后所产生的黏结力,使裂隙两侧岩块黏结在一起,提高临坡面岩块的稳定性;低膨胀高锚固型高聚物常温下反应时间为1～2 min,膨胀率可调控,膨胀范围为其体积的2～6倍,利用浆液固化后的锚固作用所产生的抗拔力,为临坡面砒砂岩块体提供抗倾覆力,从而提高其稳定性,避免失稳后发生崩塌;低黏度型高聚物常温下反应时间为5～15 min,浆液黏度较低,流动性好,用于渗透注浆,加固结构较为松散、强度相对较低的红色泥岩层。浆液固化后形成胶结骨架,阻断水汽渗入,增强红色砒砂岩的整体性、强度和抗风化侵蚀能力,避免上部砂岩层失去支撑、发生崩塌。

该技术的相关参数包括膨胀压力、抗倾覆力矩、注浆孔数、注浆量等。为计算岩体竖向裂隙面允许承受的最大膨胀压力,需先确定单位长度岩体重量G:

G=ρAs。

(1)

式中:ρ为岩体密度;As为垂直于坡面走向的岩体横断面面积。

根据垂直于坡面走向岩体横断面的几何尺寸确定其重心横坐标位置。将裂隙面上作用的膨胀压力视为均布荷载,岩体绕旋转点倾覆,根据式(2)—(6)分别计算岩体抗倾覆力矩M1、倾覆力矩M2,分别根据抗倾覆平衡条件和抗滑移平衡条件计算裂隙面允许承受的单位面积上的膨胀压力q1、q2等参数值。各参数值的计算式如下:

M1=ZgG;

(2)

M2=q1h2/2;

(3)

F1=μG;

(4)

F2=q2h;

(5)

F2≤λF1;

(6)

q2≤λμG/h。

(7)

式中:Zg为旋转点到重心的距离;h为竖向裂隙高度;λ为安全系数,λ≤1;F1为砒砂岩块体自重产生的抗滑移力;F2为滑动力;μ为岩体与下部支撑土层之间的摩擦系数,μ≤1。

取q1和q2的最小值作为裂隙面允许承受的单位面积上的膨胀压力q;根据裂隙开度、单孔注浆量与最大膨胀压力的关系,计算单孔注浆量;根据裂隙开度、单孔注浆量与扩散范围的关系,计算浆液扩散范围;根据浆液扩散范围、单孔注浆量、实际岩体的几何尺寸以及注浆孔布置形式(可采用正三角形、梅花形以及矩形中的一种)计算注浆孔数和沿陡坡裂隙垂向高度、沿坡顶裂缝水平长度布设的注浆孔间距,这两个方向的注浆孔间距均按下式计算:

(8)

式中:R为浆液扩散半径;L为注浆孔间距。

高聚物竖向裂隙注浆参数确定流程见图3。

图3 高聚物竖向裂隙注浆参数确定流程图

3.1.2 高聚物注浆固结技术

3.1.2.1 高聚物竖向裂隙注浆固结技术

针对岩层中竖向裂隙,采用膨胀型高聚物浆液进行注浆加固。高聚物竖向裂隙注浆固结技术的原理是通过注射系统和注浆导管,向裂隙中注射双组分高聚物浆液,浆液注入裂隙后迅速发生低压膨胀反应,充填整个裂隙,从而封闭水流通道,避免水流下渗对裂隙面的侵蚀,阻止裂隙下切。同时,借助高聚物浆液固化后所产生的黏结力,使裂隙两侧岩块黏结在一起,这样可起到内拉作用,提高临坡面岩块的稳定性。由于高聚物具有自膨胀特性,为防止浆液膨胀过程中对裂隙面产生膨胀压力而破坏岩体的稳定性,除控制注浆物的膨胀参数外,需要合理控制单孔注入浆液量。由于高聚物浆液反应速度快,一定量浆液从注浆孔注入后迅速固化,形成一定扩散范围,为保证不同注浆孔的高聚物浆液固化后能够相互搭接,有效充填裂隙,需要合理确定注浆孔间距,以保证注浆施工质量。

施工工艺流程包括布置注浆孔、钻注浆孔、下注注浆孔、注射高聚物材料和封孔几个步骤。通常采取三角形布孔形式,根据设计的单孔注浆量和裂隙尺寸综合确定注浆孔间距和层数。钻孔直径一般为12 mm,钻孔深至裂隙面位置,钻孔轴线与水平方向夹角为5°～10°。按照从下到上、逐排间隔顺序,依据设定的单孔注浆量逐孔注浆,相邻两注浆孔注浆间隔时间不小于浆料初凝时间。当有相互平行或近似平行的多层竖向裂隙时,按从外向内的顺序逐层注浆,如图4所示。

图4 竖向裂隙注浆孔示意图

3.1.2.2 高聚物锚固注浆技术

该技术的原理主要是利用钻机向块体状侵蚀岩体钻孔,然后向锚孔内放入中空锚筋,通过注射设备向锚孔注射双组分低膨胀高聚物浆液,利用浆液固化后的锚固作用所产生的抗拔力,为临坡面砒砂岩块体提供抗倾覆力,从而提高其稳定性,如图5所示。

图5 高聚物锚固注浆示意图

确定发生块体状重力侵蚀岩体的几何尺寸、裂隙开度,然后计算所需锚孔数量、锚孔间距和锚杆长度。一般情况下采用矩形或梅花形布置锚孔,锚孔轴线间的水平间距为0.40～1.00 m,沿裂隙竖向间距为0.25～0.40 m,锚孔距岩块边缘为0.25 m。根据岩块尺寸和稳定性计算确定锚孔排数、列数。当块体高度小于0.50 m时,沿块体水平中线设置一行锚孔;当块体的宽度小于0.50 m时,沿块体竖向中线设置一列锚孔。

3.1.2.3 高聚物渗透注浆技术

对结构松散、空隙率高的岩层利用高聚物浆液实施渗透注浆,如图6所示。

图6 高聚物渗透注浆示意图

该技术主要适用于黏性低的红色砒砂岩。其技术原理是通过注射系统和注浆导管,将双组分高聚物浆液注射到待加固的砒砂岩岩体内,沿砒砂岩孔隙渗透扩散,填塞孔隙,固化后形成胶结骨架,阻断水分渗入,增强砒砂岩的整体性、强度和抗风化侵蚀能力。

注浆参数确定的主要内容包括:确定单孔注浆量与水平扩散半径的关系,以及单孔注浆量与竖向扩散深度的关系;确定加固区的深度;根据加固区的深度以及岩体临界自然稳定状态下的边坡坡度确定加固区的厚度;根据加固区的厚度确定竖向注浆孔的间距,依据单孔注浆量与竖向扩散深度的关系确定对应的单孔注浆量以及对应的浆料水平扩散范围;根据式(8)计算注浆孔间距。

通常采取正三角形布孔,注浆孔间距为25～50 cm,根据待加固区的厚度和注浆孔间距确定注浆孔的层数。钻孔至设计深度,孔径为12 mm。注浆孔轴线相对于水平方向倾角为-5°～5°,孔位偏差不大于3 cm。在钻孔内插入直径8 mm的注浆导管,注浆导管长度大于注浆孔深度5 cm。

3.2 砒砂岩改性材料建造谷坊技术

由于砒砂岩具有遇水溃散的特性,难以直接利用砒砂岩作为建筑材料建造谷坊等水土保持工程。为此,通过对砒砂岩改性,提高其结构强度,增强其耐水性能,并有效降低膨胀率,使其可作为水土保持工程的建筑材料。

3.2.1 技术原理

基于砒砂岩膨胀抑制改性技术[31],消除砒砂岩中黏土物质的吸水膨胀性,提高其黏聚力,将其改性为性质类似于黄土或黏土的能够满足谷坊建设规范和设计要求的坝身材料。改性砒砂岩谷坊坝身材料的最大干密度为2.03 g/cm3,压实度在0.95时的渗透系数为1.8×10-6cm/s,黏聚力为74 kPa,内摩擦角为48.9°,符合《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)和《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL 251—2015)的要求。基于游离氧化物胶结及结构增强改性原理,依据游离氧化物胶结及结构增强协同改性新思路,引入起胶结作用的游离氧化物,外掺活性矿物材料,研制出可用于建设满足溢水要求的谷坊坝体的高强材料,其抗压强度最高可达39.0 MPa,抗折强度最高达7.5 MPa,耐水软化系数达0.90以上,均满足上述设计规范的要求。

3.2.2 改性材料建造谷坊技术

根据水利行业技术规程的要求,配置满足建造谷坊的改性材料。改性砒砂岩的开采位置应离坝址不远,在施工时不能引起开采区新的人为水土流失。一般可在修筑谷坊现场配置改性材料。改性剂一般由无机盐或有机物或两者混合配制而成。无机盐改性剂主要是弱碱金属盐类硅胶结物和碳酸盐胶结物。有机物改性剂隶属于聚合物一类,一般是由多种聚合物或单体以及缓冲剂、聚合催化剂等成分组成的水溶性乳液或者浓缩液,如聚乙烯醇、水性聚氨酯乳液、羟基纤维素丁苯乳液、改性橡胶(ABS)乳液、丙烯酸衍生物等,改性剂的选择均应符合国家相关标准的有关规定。无机改性剂掺量一般为0.5%～10.0%(以砒砂岩原岩用量为基准),而有机改性剂掺量为千分之几到万分之几,有机或无机改性剂的掺量主要由掺合料的品种、品质和数量甚至配合方式决定。所选择的粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、高岭土粉、天然沸石粉、火山灰粉、石灰或消石灰粉(hydrate lime)、氧化镁粉、石灰石粉、自燃煤矸石粉、硅灰等改性掺合料的指标参数均应符合国家、行业有关技术规范的要求。

根据建造谷坊施工设备、方式及工程材料的相关规范要求,确定所需砒砂岩改性材料的控制关键指标,如干容重、最优含水率、压实度等,确定所需的最优碾压层厚度、碾压遍数、碾压机械设备参数等指标。例如通过对砒砂岩覆土区现场筑坝材料性能指标的野外试验和相关参数的观测数据,确定主要相关参数的数据如下:最优压实遍数,为3～5遍;谷坊坝体改性材料的最优含水率,为11.2%;压实系数,为0.95;干密度,不小于1.65 g/cm3;谷坊坝身材料含水率,为7.0%～14.0%;渗透系数,应控制在1.4×10-6～1.8×10-6cm/s。

施工工序主要包括:①清理基础,在确定好谷坊位置后,把表土、草皮、树根刨净,清除深度一般为20 cm以上;②削坡,把岸坡削低,控制坡度不大于1∶1.5;③在坝基和坝肩处开挖底宽不小于1.0 m、深0.5 m、边坡1∶1的结合槽;④将备好的砒砂岩原岩按比例均匀拌和,喷洒设计好的增黏抑膨改性材料,用螺旋搅拌机将砒砂岩和掺合料搅拌均匀;⑤摊铺,摊铺厚度应等于压实厚度乘以松铺系数(机械施工时松铺系数一般为1.2左右),每层摊铺厚度不得大于30 cm。摊铺时要求土料的含水量为15%～18%,均质,沿坝轴线方向铺土;⑥碾压,可选择人工夯实机夯实,压实干容重控制在1.55 t/m3(红色砒砂岩)或1.60 t/m3(白色砒砂岩);⑦修整,对局部高出部分刮平,低洼部分填平,坝顶做成田字格种植植物,坝体背水面撒播草籽形成植被覆盖,以防治水土流失。

3.3 砒砂岩煤矸石治理技术

砒砂岩区煤炭资源丰富,如鄂尔多斯高原煤炭产量为全国煤炭总产量的1/6,建有不少煤矿,产生了大量的砒砂岩煤矸石,这些煤矸石量占煤炭产量的15%～20%。砒砂岩煤矸石不同于其他煤矸石,砒砂岩煤矸石采出后甚至月余就会风化,采出3个月的砒砂岩煤矸石如图7所示,砒砂岩煤矸石风化后释放出二氧化硫,不仅难以利用,而且产生二次污染。因此,研发砒砂岩煤矸石资源化利用技术具有重要意义。

图7 采出3个月的砒砂岩煤矸石

3.3.1 技术原理

砒砂岩煤矸石主要由石英、高岭石、方解石、伊利石等矿物组成,主要化学成分为SiO2和Al2O3,这些矿物共占砒砂岩煤矸石总量的80.37%。砒砂岩煤矸石中含有As、Cr、Cd、Hg以及Pb等9种重金属,其中Hg含量远高于世界其他煤矸石的,砒砂岩煤矸石属于高汞煤矸石。为降低砒砂岩煤矸石的重金属污染,以砒砂岩煤矸石为原料,利用其中二氧化硅和氧化铝含量高的特点,制备具有骨架结构的多孔晶体材料分子筛,利用该分子筛对重金属进行吸附,实现该煤矸石的无害化处理。利用砒砂岩煤矸石制备的NaX型分子筛对重金属的吸附容量高、吸附能力强,可有效去除废水中的重金属离子。当给分子筛的投量达到2 g/L时,对初始浓度为100 mg/L溶液中的Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的吸附率均达到90%以上。在pH值为5～8的条件下,分子筛的吸附能力相对较强,当温度从15 ℃升至45 ℃时,其吸附能力会进一步提高。

利用砒砂岩区煤矸石中二氧化硅和氧化铝含量高的特点,采用机械活化、热活化和化学活化相结合的复合活化技术,提高煤矸石中火山灰的活性,并将其作为胶凝材料代替水泥。机械活化表明,煤矸石粒径越小,试件的抗压强度就越高,当煤矸石粒径过200目分子筛时,试件的抗压强度为58.8 MPa;煅烧热活化可以改变煤矸石的物质组成,通过热活化使煤矸石发生高岭石→偏高岭石→无定形氧化铝和二氧化硅→莫来石的反应过程;通过添加水玻璃等化学物质,使无定形状态的SiO2和Al2O3与硅酸钠反应生成Na-A-S-H凝胶,填充缝隙,增加结构密实度。

3.3.2 煤矸石治理及资源利用技术

经大量室内外试验获得了提高煤矸石活性、降低其污染的主要技术指标值为:碱激发剂模数为1.3,水玻璃掺量为10%,水胶比为0.3,煅烧温度为700 ℃,煅烧时间为2 h,煤矸石混凝土的28 d抗压强度达到58.8 MPa。碱激发剂模数、碱掺量、水胶比、煅烧温度和煅烧时间对提高煤矸石活性有显著影响,其影响作用大小为:碱掺量>碱激发剂模数>煅烧温度>煅烧时间>水胶比。在此基础上,研发了煤矸石混凝土制备路缘石和煤矸石改性三合土材料的技术,该技术明显提高了煤矸石混凝土的抗压强度,如当煤矸石掺量为50%时,改性后的三合土材料的抗压强度约为改性前的5倍。煤矸石改性的三合土材料在准格尔旗昶旭煤矿等矿区的道路建设中得到应用。

3.4 砒砂岩质地土壤提质改良技术

贫瘠的砒砂岩质地土壤严重制约植被恢复,为此,研发砒砂岩质地土壤改质-肥力提升生物技术。

3.4.1 技术原理

利用复合生物菌剂改良砒砂岩土壤,增强土壤酶活性,提升土壤肥力,改造土壤结构,进而达到提质砒砂岩土壤的效果。合适的益生菌可以通过分泌、分解、繁殖、代谢等作用改善土壤结构、提升土壤品质、增加土壤肥力。因此,可以通过筛选和培育,从砒砂岩土壤和植物样品中的优势菌种研制复合微生物菌剂对砒砂岩进行改良。对于砒砂岩地区,利用生物菌剂改良土壤需要攻克三个技术难点:①砒砂岩土壤极度贫瘠,菌类少、菌群落寡,遴选出改良砒砂岩沙化土壤功能强、菌群结构合理的优势菌株是第一个技术难点;②砒砂岩土壤养分全要素匮乏,构建结构合理、功能互补、菌群落稳定的复合菌群是第二个技术难点;③保量保质、菌群落稳定、活性持久的复合菌液制备和砒砂岩生态基质配制是第三个技术难点。为此,通过构建筛选改良功能强、适生环境宽的砒砂岩土壤优势菌种指标体系,针对砒砂岩质地土壤结构、养分、病害等突出问题,选择优质菌种;通过菌株分离活化、功能融配调控和活性保量保质技术集成创新,优配改良砒砂岩沙化土壤的复合菌液制剂和砒砂岩生态基质;研发生态友好型菌剂,改良沙化土壤施工工艺,进而形成适宜砒砂岩区复合菌群土壤改质、肥力提升的技术体系。

3.4.2 砒砂岩土壤化改质-肥力提升技术

1)筛选供试菌株。从砒砂岩质地土壤和苜蓿根茎中共分离得到能在胰酪大豆胨液体培养基LB表面上形成生物膜的12种优势菌群样本,其中包括植物促生芽孢杆菌、根瘤菌、解磷菌和枯草芽孢杆菌,及砒砂岩土壤中的有益菌,从中遴选改良砒砂岩土壤的优势菌株。

2)基于优势菌株,以供试芽孢杆菌的总DNA为模板,采用16S rRNA,通用引物扩增PCR,并对扩增产物测序,用BLAST软件将测序结果与GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov) 中的细菌基因序列比对同源性,研制包括液体、固体的微生物复合菌剂。

3)通过菌株分离活化、功能融配调控和活性保量保质技术集成创新,将微生物菌剂分别与砒砂岩复配成土,制备含复合菌剂的砒砂岩土壤化改质-肥力提升的复合菌剂生态基质,其中,生物菌剂基材含有机肥、草炭和蛭石等成分,既能够为供试菌株和植物生长提供一定的养分,又能在一定程度上提高砒砂岩土壤的养分含量和改良砒砂岩的结构组成。

4)根据砒砂岩区的地形、地貌和土壤特征,确定生态友好型液体和固体菌剂协同改良沙化土壤的施工工艺。

利用砒砂岩质地土壤改质-肥力提升技术研制的微生物菌剂能够有效提高砒砂岩质地土壤的肥力,促进植物生长,例如可使苜蓿、黑麦草等幼苗株增高18.0%～39.2%,根长增加37.4%～70.5%,土壤有机质含量增加38.5%、铵态氮含量增加159.6%、硝态氮含量增加56.7%、速效磷含量增加76.3%、速效钾含量增加41.4%,土壤蔗糖酶和脲酶活性分别增加22.6%和148.5%,砒砂岩土壤的结构得到明显改善,粒径大于0.25 mm的团聚体质量分数为63.4%,增加14.2%。

3.5 生态综合治理技术与模式

砒砂岩覆土、覆沙、裸露区的植被、土壤、地形地貌和侵蚀特征具有明显的分异性,其治理技术与模式应不同。

3.5.1 技术原理

砒砂岩区的生态治理措施与小流域坡沟系统的结构特征、植物群落的结构特征、坡沟系统侵蚀空间的分异特征、地貌-植被-侵蚀耦合关系空间分异特征的相适配是实现治理效益最大化应遵循的基本原则。

根据遥感解译和调查分析,砒砂岩区海拔高度为774～1 646 m,其中海拔位于1 000 m以上的区域占总面积的94%;海拔位于1 500 m以上的区域面积占总面积的2%。海拔每升高100 m,年均气温降0.56 ℃,因降水与气温随着海拔的变化而变化,所以海拔变化将引起植被分布格局的变化。虽然砒砂岩区多为丘陵沟壑区,但较黄土丘陵沟壑区而言,其坡更陡,地形起伏更大,坡面上半部坡度往往陡于下半部,其坡度多在70°以上,且垂直节理发育,是发生块体状重力侵蚀的主要坡段。在覆沙区、裸露区的整个坡面的坡度基本上都在70°以上,且没有明显的沟缘线。砒砂岩区坡面大多朝向南,坡向占比差别大,这与砒砂岩区地形塑造有着直接关系。坡面朝向南,太阳辐射和日照时长均明显大于其余坡向,其坡度越陡侵蚀越严重。砒砂岩区地表粗糙度大,其中覆沙区、裸露区的地表粗糙度相对较小,覆土区的最大。砒砂岩区侵蚀切割大,覆土区的地表切割深度为200～400 m,覆沙区的地表切割深度相对较小,裸露区的地表切割深度居中。不同于一般山区,砒砂岩区坡度、起伏度、地表粗糙度和切割深度在空间上具有高度叠合的特点。同时,砒砂岩区植被覆盖度及植物群落结构与海拔、起伏度、坡度的相关性明显,在低海拔、低起伏度、低坡度区,以中、低覆盖度草地为主;覆沙区和裸露区的高海拔、高起伏度、大坡度区以低覆盖草地为主,且植被群落结构单一;在覆土区,高海拔和低海拔区均以中高植被覆盖度为主。相对于坡顶和坡面,海拔1 177 m左右的沟底上出现植被的总量和类型都最多。虽然退耕还林还草使覆盖度增加,但植被的这种分布规律和群落结构无变化。

砒砂岩区小流域地貌单元系统具有明显的结构特征:①覆土区坡面由黄土垂直节理发育单元、黄土覆盖不稳定单元和黄土覆盖稳定单元组成。黄土垂直节理发育单元,坡面极为陡峭,近似垂直,植被覆盖度很低;黄土覆盖不稳定单元主要是垂直节理发育区坍落形成的二次不稳定坡面,通常覆盖在陡峭的砒砂岩基岩表层(坡度大于 45°),未发现该类坡面有植被生长;黄土覆盖稳定单元坡面角度主要集中在35°～45°,植被自然恢复良好,生态系统相对稳定。②裸露区坡面由白色砒砂岩垂直单元、白色砒砂岩不稳定单元和红白相间砒砂岩不稳定单元组成。侵蚀最为严重的是白色砒砂岩垂直单元,其坡度一般大于70°,发育有节理,经常发生块体状重力侵蚀;白色砒砂岩不稳定单元坡度多为35°～70°,不适宜植被生长,也不适宜人工植树;红白相间砒砂岩不稳定单元坡度多为35°～45°,万年蒿、蒙古莸形成了该单元的优势植被群落。③覆沙区坡面包括砒砂岩溜沙坡单元和砒砂岩稳定单元。砒砂岩溜沙坡单元接近沟道底部,植物群落主要由禾本科的赖草、芦苇、假苇拂子茅、白草和藜科的绳虫实构成;砒砂岩稳定单元坡面角度主要集中在 35°以下,植被良好,生态系统相对稳定。

砒砂岩区坡沟系统植物群落组合具有明显特征。沟道尺度不同坡位的植被类型分布呈现出“U”形,即沟底的植被种类最少,沟坡和沟顶的较多。沟道植被种类在阳坡和阴坡有明显差别,阳坡出现频率高的植被有13种,阴坡的有16种。

砒砂岩区为典型的水力、风力、冻融复合侵蚀区。①水力侵蚀多发生于夏季7—8月,此时降水集中,且多为暴雨,其降水量约占全年总降水量的64%;②冻融侵蚀多发生于春季解冻期,具有白天-昼夜尺度的解冻-上冻小循环规律;③风力侵蚀的主要作用时段在每年的3—5月,该时段植被覆盖度低、风力大,平均风速为2.4 m/s,最大风速可达15～28 m/s。观测表明,单一风蚀作用不会造成砒砂岩坡面产沙量的明显增加,只有在水力等作用下,风蚀对砒砂岩表层的风化影响才会显现。另外,复合侵蚀作用存在着侵蚀叠加放大的效应,两相或三相作用力的交互作用使砒砂岩坡面的产沙量增加1倍以上。平均而言,水蚀作用对坡面的影响最大,冻融侵蚀作用的次之,风蚀作用的最小。例如,在覆土区坡面侵蚀量中水蚀占58.45%、冻融和风蚀共占41.55%。

砒砂岩区植被修复初期阶段群落结构演替速度快,后期越来越慢直至群落达到稳定状态。植被演替虽然会有不同的演替路径和轨迹,比如土壤亚顶级等,但终将走向气候顶级。影响砒砂岩区植被演替的主要环境因子为坡向、土壤含水量、全氮、碱解氮、有机质等。一年生草本类植物如草红花、苏丹草、高丹草等具有较好的生长适宜性,多年生优势植物主要有甘草、知母、苦参、苜蓿、黄芪、箭筈豌豆等;木本类植物如酸枣、沙棘、长柄扁桃、山杏等生长适宜性相对较强。草红花、知母、苜蓿和苦参耐杂草入侵良好,可用于植被生态建设,牧草和药用经济植物在覆土区可以大面积种植。

3.5.2 综合治理技术

3.5.2.1 治理措施配置

1)覆土区。覆土区存在的突出问题是坡顶径流冲刷严重、水资源难以被利用和坡陡重力侵蚀严重。因此,治理的重点是坡顶控冲和水资源利用、陡坡固结防塌、沟道拦沙。坡顶治理配置的措施体系为:坡顶纵横沟网截流、道路侵蚀沟生物+分流工程防冲、沟间油松+酸枣+草被防冲;坡顶平缓区建山杏+甘草果林经济园;坡面陡坎固结防崩,缓坡灌草抗蚀固结植生[25];改性谷坊+沙棘酸枣固沟;植物柔性坝封沟;沟口砒砂岩改性材料淤地坝拦沙淤地。

2)裸露区。裸露区存在的突出问题是坡顶土层覆盖极薄,土壤养分全要素匮乏,坡陡,重力侵蚀严重,水资源难以被利用。治理的重点是坡顶土壤改良和水资源利用、陡坡固结防塌、沟道谷坊拦沙。配置的措施体系为:坡顶集流+沟网拦水、土壤生物改良、林果生态经济园+灌草混交坡面陡坡注浆固结、缓坡蓠灌藤草封坡抗侵蚀;沟底改性材料谷坊+灌草柔性坝[14];沟口砒砂岩改性淤地坝[16,21],滞沙减洪淤地增效。

3)覆沙区。覆沙区存在的突出问题是雨水渗失严重、土壤保水能力差、风蚀严重、块体状重力侵蚀严重。因此,治理的重点是坡顶防风固沙-水资源截渗、陡坡固结防塌。配置的措施体系为:坡顶等高截渗竹节水平沟+截渗集水池、坡顶沟间柠条+甘草+草被+沙障防风固沙;竖向节节设池蓄渗,地衣结皮护埂;沟坡宜草则草宜灌则灌,辅以注浆固沟;沟下灌草封沟,重力侵蚀区注浆固结。

3.5.2.2 优势物种的选择及配置

1)覆土区。覆土区可选择的耐寒、耐旱、耐贫瘠的乔木,有山桃、山杏、油松、樟子松、侧柏、圆柏、杜松、文冠果、欧子李;灌木,包括沙棘、柠条、紫穗槐、长柄扁桃、达乌里胡枝子;草本植物,有狗尾草、猪毛蒿、赖草、大针茅、长芒草、百里香、冰草、苜蓿等。植被建造模式主要包括:沙棘林模式;油松(樟子松)+草带状混交模式;山桃(山杏)+草带状混交模式;山桃山杏+沙棘带状混交模式。空间配置模式为:梁峁顶部较为平坦、水土条件较好的区域营造沙棘林与山桃(山杏)+草混交林;梁峁顶部较陡且水土条件不好的部位营造油松(樟子松)+草带状混交林。同时,采取鱼鳞坑整地和水平深坑整地措施。针对蓄积于鱼鳞坑内的雨水入渗困难、无效蒸发损失大的问题,在鱼鳞坑内铺设枯枝落叶层。对于退化沙棘实施平茬复壮,将生长不良沙棘从基部 5 cm处剪除,以促进新株萌发,并配以化肥深施技术(施肥深度30 cm,化肥施用量为氮30 kg/亩+磷15 kg/亩)。

2)覆沙区。覆沙区优势物种主要有柠条、沙柳、苜蓿、甘草等,还有对齿藓、银叶真藓等苔藓类植物,植物群落有沙柳-沙蒿+沙蓬+雾冰藜+苔藓和牛心朴子+刺黎+苔藓等。由于风沙土松散且养分十分缺乏,在植被修复中需要采取砒砂岩+风沙土技术[31-32]改良土壤。但是风沙土和砒砂岩改良风沙土的养分含量均很低,不利于植被修复,为此,利用粉煤灰改良土壤,添加比例不超过10%的燃煤电厂粉煤灰对土壤进行改良后,可以显著增加紫花苜蓿等植物的生物量。

3)裸露区。针对该区土壤水分和养分含量低的问题,提出异质性营养袋坑增肥-保水生境提升技术,如图8所示。该技术包含鱼鳞坑+覆盖、鱼鳞坑+入渗孔、鱼鳞坑+入渗孔+覆盖3项雨水高效利用模式。通过开挖种植穴,利用砒砂岩和沙复配对土壤改良等方式,对裸露区水分和养分含量进行人为干预。对于坡度较大区域,开挖种植穴种草,种植穴表层(深度0～5 cm)的直径为15 cm,收集的雨水储存于种植层和保水层;在5～25 cm深度,种植穴直径为7 cm,集中储水,以达到收集雨水、提高土壤水分含量的作用。在0～5 cm深度覆沙,在减少蒸发的同时保证水分快速入渗;在5～25 cm深度填充改良土壤。对于坡缓区,实施穴状栽植小型乔木和灌木。利用带有特殊钻头的打孔机进行螺旋打孔,孔径为40 cm,孔深为50 cm。在孔内辅以砒砂岩+风沙土措施,沙土、砒砂岩和自主研发的高摩尔比缓释肥[16]按1∶1∶1复配。

1为种植穴;2为5 cm孔径;3为直径7 cm的土壤改良孔;4为保水层(厚度5 cm);5为土壤充填层(厚度15 cm);6为防蒸发层;7为适生草

4 结语与展望

4.1 结语

虽然以往对砒砂岩区生态治理开展了不少关键技术研究和实践探索,但仍未有效遏制砒砂岩区植被退化、复合侵蚀剧烈的问题。因此,创新砒砂岩区生态治理关键技术与模式是非常迫切的。为此,近期研发了砒砂岩区植被恢复重建、块体状重力侵蚀治理、砒砂岩质地土壤改良、砒砂岩煤矸石改性利用和生态综合治理措施配置等多项关键技术,并通过示范应用验证,取得了有效恢复植被、阻控侵蚀的显著效果。根据现场监测在覆土、覆沙和裸露区的技术实施效果,发现技术实施后可减少径流60%以上,减沙量达80%以上;植被覆盖度均增加到70%以上,局部区域可以达80%以上,具有很大的推广应用价值。

砒砂岩区复合侵蚀与植被退化互馈,地貌-植被-土壤-侵蚀耦合关系复杂,治理难度大,目前仍然是黄河流域的弱治理区[33],生态问题突出。因此,除迫切需要推广新技术外,仍有必要深化对砒砂岩区生态退化规律和机理的认识,进一步研究植被恢复重建、土壤侵蚀治理的关键技术,这对于实现黄河流域生态保护和高质量发展国家战略目标、构建黄河流域生态安全屏障具有十分重要的意义。

4.2 展望

黄河流域生态保护和高质量发展国家战略、《中华人民共和国黄河保护法》提出的有关加强黄河流域砒砂岩区、多沙粗沙区、水蚀风蚀交错区等重点区域生态保护与修复、坚持山水林田湖草沙一体化保护与修复等战略目标任务,必将进一步推动砒砂岩区生态治理理论与应用实践的新进展。

在应用基础方面,砒砂岩区生态系统对气候变化,人为作用多重胁迫下的响应机制,覆土、覆沙、裸露区生态系统异质性与演化关系,砒砂岩区生态系统退化关键动力过程与修复机理,砒砂岩区复合侵蚀阻控与生态系统调控协同机制,砒砂岩区山-水-林-田-湖-草-沙系统内生关系及其多过程演变规律等大系统、全过程、一体化、协同化的生态演变与调控理论的研究将成为研究的热点;在治理技术方面,需要聚焦砒砂岩区山水林田湖草沙综合治理和功能提升,以砒砂岩覆土区、覆沙区、裸露区分区域全系统生态功能最优为目标的生态修复设计、全区域整体生态系统结构综合调控与一体化修复等关键技术的研发。坚信以黄河国家战略重大需求为牵引、以砒砂岩区生态保护与修复重大实践应用为目标、以多学科多方法交叉融合为途径,砒砂岩区生态综合治理基础理论与关键技术方面的研究一定会取得新突破,这将为服务国家战略提供更为坚实的科技支撑,并使我国在生态极度脆弱区治理领域的技术水平走向世界领先行列。

致谢：中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心张兴昌教授对本文有关综合治理技术的研发也做出了贡献,特此致谢!