黄河中游砒砂岩的物化性质与治理利用研究进展

李长明, 符玉冰, 狄龙飞, 金永报, 曲福来, 贾东洋, 田小娟

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450045; 2.河南省黄河流域环境保护与修复重点实验室,河南 郑州 450003; 3.中国水利水电第十一工程局有限公司,河南 郑州 450001; 4.中电建河南万山绿色建材有限公司,河南 洛阳 471000)

在黄河中游晋、陕、蒙交界地区分布着一种风化严重、松散破碎的特殊互层岩体——砒砂岩,其干燥时坚硬如石,遇水溃散成沙,是黄河粗泥沙的主要来源。砒砂岩主要指由古生代二叠纪、中生代三叠纪、侏罗纪、白垩纪的厚层砂岩、泥岩、泥砂岩、页岩组成的互层岩体,其总面积为1.17万～3.20万km2[1-6]。砒砂岩区地形支离破碎、沟壑纵横,土壤营养成分低、不适宜植物生长,生态承载力低下。加之受多类型侵蚀循环及复合侵蚀作用的影响,土壤侵蚀模数高达2万t/(km2·年)[7],个别区域侵蚀模数达3万～4万t/(km2·年)[8],该地区是黄土高原最集中的碎屑基岩产沙区。其多年平均输沙量约1.61亿t[9],约占黄土高原地区输入黄河中上游泥沙总量的30%[10]。砒砂岩区输入黄河的粗泥沙(粒径d≥0.05 mm)约占入黄粗泥沙总量的62%[5],淤积在下游河床泥沙的1/4来源于此,是河床抬升、洪涝灾害频发的“元凶”之一。同时,该区沙漠化、荒漠化和水土流失多重危害并存,严重影响当地人民的生产生活,被称为“世界水土流失之最”和“地球生态癌症”。

随着“黄河流域生态保护和高质量发展”国家战略[11]的提出,砒砂岩区水土保持工作与砒砂岩资源化利用迎来了新机遇。如何治理砒砂岩区的水土流失,高效修复砒砂岩区的生态环境以及实现砒砂岩的资源化利用,将直接影响入黄粗泥沙的数量,对改善黄河水沙关系、减缓黄河下游河床抬升具有重要意义,是“黄河流域生态长廊”建设的重要环节,对于保障黄河的长治久安具有深远影响。

1 砒砂岩的物化性质

1.1 砒砂岩成因及分布

在石炭纪之前的古生代,砒砂岩区是一片海洋。二叠纪时期,地壳抬升,海洋消失,砒砂岩区变为内陆盆地,沉积了陆相红色泥岩、碎屑岩。在三叠纪早、中期,盆地快速下沉,陆相红色泥岩、碎屑岩继续沉积。同时,在印支期构造运动的影响下,盆地出现上升,风化侵蚀引起地层间的假整合和角度不整合接触。在三叠纪晚期,地壳缓缓下降,引起地层间的平行不整合接触和角度不整合接触,红色地层逐渐减少,灰绿色碎屑岩及煤层透镜体等有机物质开始沉积,呈河湖相沉积特点。在三叠纪末期,由于印支期构造运动,盆地全面抬升,地层普遍遭受侵蚀。至侏罗纪早期,地壳逐渐下沉,气候由干热的氧化环境转为温湿的还原环境,灰绿色和灰色含煤细砂页岩地层开始沉积。侏罗纪早期,地壳上升,出现红色泥岩沉积物,到侏罗纪中末期,地壳开始下降,南北部盆地下沉速度不一,导致侏罗纪早期部分地层覆盖于老地层之上。到中末期,形成红色泥岩沉积层。到了白垩纪,地壳转向下沉,泥岩、粗碎屑岩大量沉积,呈河湖相沉积特点。白垩纪末期,受燕山晚期构造运动的影响,地壳逐渐抬升, 隆起的盆地遭受风蚀。到第三纪上新世时期,地壳开始下沉,红色泥岩黏土层出现沉积,呈湖泊相沉积特点。第三纪末期,在地壳构造的升降运动中形成了高原。到第四纪,黄土风化成沙、古人类出现,现代地貌景观基本形成[12-17]。目前,砒砂岩集中分布在晋、陕、蒙交界区域,范围东达黄河,西抵内蒙古杭锦旗的毛不拉孔兑,南至陕西省神木市,北临库布齐沙漠南缘。鄂尔多斯东胜区、准格尔旗、伊金霍洛旗、达拉特旗、杭锦旗等地是砒砂岩的主要分布区。陕西神木、府谷两县,山西河曲、保德两县和内蒙古清水河县有零星分布[1]。相关文献中的砒砂岩分布面积见表1。

表1 砒砂岩分布面积 万km2

由表1可知,相应文献中统计的砒砂岩分布面积为1.17万～3.2万km2[1-6]。由于研究手段和类型区定义的不同,以及临近沙漠的裸露砒砂岩可能会随时间演变为盖沙砒砂岩,所以界定的面积会存在差异。3种类型区面积占比如图1所示。

图1 砒砂岩类型区面积占比

1.2 砒砂岩的物化组成及力学性能

砒砂岩的颜色主要包括粉红色、紫红色、灰白色、灰绿色和黄绿色[5,18-20]。砒砂岩主要由石英(17.10%～88.80%)、钙蒙脱石(2.51%～51.33%)、钾长石(3.70%～23.00%)、斜长石(0.20%～30.20%)、方解石(1.00%～52.70%)、伊利石(0.22%～22.00%)、高岭石(0.00%～44.00%)等组成,砒砂岩各矿物含量如图2所示。此外,有些砒砂岩中含有少量赤铁矿,含量为1.00%左右。文献[26]中还检测出砒砂岩中含有云母类矿物。对于不同地域砒砂岩的斜长石、方解石、伊利石和高岭石含量存在较大差异。不同颜色砒砂岩中的石英、钙蒙脱石、斜长石和方解石的含量差异较大,其他矿物含量差异较小[4,21-27]。

注:样本1—7为灰白色,8—11为紫红色,12—15为粉红色,16—19为黄色,20为灰绿色,21为灰白紫红条带,样本2、3、9、12引自文献[4];样本1、8、21引自文献[21],样本4—6、10、11、13、16—20引自文献[22],样本23引自文献[23],样本7、14引自文献[24],样本15引自文献[25],样本22引自文献[26]。

砒砂岩主要化学成分为SiO2(51.20%～78.25%),Al2O3(9.57%～15.37%)和Fe2O3(0.05%～9.28%),具体化学成分含量如图3所示。

注:样本1—7为灰白色,8、9为紫红色,10—15为粉红色,16为黄色,样本22引自文献[2],样本2、3、8、11引自文献[4],样本4、9、12引自文献[20],样本6、14引自文献[28],样本5、13引自文献[29],样本17引自文献[23],样本18引自文献[25],样本1、10引自文献[30],样本19—21引自文献[27],样本7、15、16引自文献[31]。

由图3可知,碱性氧化物Na2O、K2O、CaO的总含量为0.90%～20.76%,其他化学成分含量较少,为0.00%～1.00%。碱性氧化物的存在使岩体呈碱性,pH值为7.66～10.02。灰白色砒砂岩中的CaO含量最高,达14.00%,红色砒砂岩中Fe2O3含量为9.00%左右。而Fe2O3含量的差异正是砒砂岩呈现红白两色的主要原因。此外,研究表明,部分砒砂岩中还存在少量的SO3、CO2、MnO、P2O5[2,4,19-20,23,25,27-33]。

砒砂岩块体密度为1.56～2.50 g/cm3,颗粒密度为2.62～2.84 g/cm3。孔隙率为6.02%～35.15%,渗透系数为5.2×10-3mm/s。液限WL、塑限Wp分别为29.30%和19.60%,塑性指数Ip为9.40。岩体颗粒主要由质量百分比为10.73%～57.60%的中细砂(0.10～0.25 mm)和1.40%～44.76%的中粗砂(0.25～0.50 mm)组成,其大部分粒径为0.10～0.50 mm,占比近50.00%,粒径d≤0.005 mm的黏粒占比为1.40%～10.40%。砒砂岩的粒径累计分布曲线如图4所示。砒砂岩的不均匀系数为2.55%～23.90%,表明砒砂岩为级配不良沙,其曲率系数为0.51%～5.54%。因此,砒砂岩是典型的砂类土,且以粗砂和中砂为主,砂粒和粉粒含量较大,黏粒含量相对较小,整体为非等粒结构[19,21,23-24,28,30,33-40]。

注:样本1—6引自文献[19];样本7、8引自文献[24];样本9引自文献[28];样本10、11引自文献[33];样本12引自文献[34];样本13引自文献[38];样本14、15引自文献[39];样本16引自文献[40]。

砒砂岩的微观结构以粒状或絮状链为主,内部含有较多的孔隙,且连通性不高,其孔体分布具有非均质性。矿物颗粒以胶结连接为主,起胶结作用的物质主要有碳酸盐和黏土物质,胶结类型为颗粒间相互支撑、孔隙式胶结,长石石英杂砂岩中还发现接触式胶结。但粗细颗粒大小悬殊、颗粒磨圆程度低、棱角分明,碎屑大小不一、杂基含量大,致使两种胶结类型的致密性和矿物颗粒的定向性差[19,21,30]。砒砂岩力学性能见表2,由表2可知:砒砂岩在自然状态下抗压强度为0.40～39.70 MPa,干燥状态下可提高到25.30 MPa;抗剪强度为0.00～4.15 MPa,干燥和饱和状态下抗剪强度的差距很小;抗拉强度为0.01～0.74 MPa,在干燥和饱和状态下的抗拉强度差距不大,遇水后抗压、抗拉和抗剪强度均大幅下降,软化系数为0.05～0.42。饱水抗剪强度和干抗剪强度决定了岩体抵抗径流冲刷和抗崩塌的能力。因此,砒砂岩的抗侵蚀性能较差[21,23,25,30,33,36]。

表2 砒砂岩力学性能

2 砒砂岩的侵蚀

2.1 砒砂岩的侵蚀过程

砒砂岩区受多重侵蚀交互作用,包括水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀及人为侵蚀等。毕慈芬和王富贵[42]按照动力类型,将岩体侵蚀分为季节性降雨径流侵蚀和常年性非径流侵蚀。水力侵蚀包括雨滴溅蚀、坡面流水侵蚀和沟谷流水侵蚀。坡面水力侵蚀较为强烈,主要形式有片蚀、细沟侵蚀。沟侵蚀是产沙的主要途径,流域内70%以上的泥沙由此形成。砒砂岩区风向大多垂直于沟道或与沟道大角度交叉,致使风力侵蚀严重。风力侵蚀表现形式为风积作用和风蚀作用[8]。风蚀作用几乎影响整个岩区,但盖土区以及毛乌素沙地的过渡地带是风蚀作用的主要影响区。迎风谷坡、沟谷阶地和梁峁地等特殊地带也是风蚀作用的高强区。强风蚀区形成于高地貌之间或迎风坡及其两侧,弱风蚀区形成于背风坡或较平坦的区域,而风沙堆积区则形成于背风坡、洼地和沟道[43-46]。重力侵蚀主要形成于沟谷地带,风化等因素诱发重力侵蚀[35]。据统计,重力侵蚀产沙量约占流域总产沙量的1/3。重力侵蚀以直接和间接两种方式产沙,产沙最直接、最主要的途径是泻溜和滑坡。坍塌和崩塌产生的各种滑落物堆积于坡脚,也是产沙的重要形式,而滑落物在水流中冲刷崩解为粗泥沙,从而间接提供了沙源[8]。冻融侵蚀是由于温度剧烈波动,水分固液循环转化,导致岩体发生胀缩碎裂等机械破坏,并在水力和重力侵蚀等作用下移动流失的过程,其中:在冻结过程中,颗粒间的结合水转化为固态水,土体出现膨胀;温度上升后,颗粒间的固态水开始融化,土体结构发生改变,引发边缘土体的重力侵蚀[44-45]。

不同砒砂岩类型区域的侵蚀情况差异较大,见表3[18,46]。总体来看,在3种砒砂岩类型区域的复合侵蚀中都存在水力、风力侵蚀,而且只要有砒砂岩出露,就会有冻融侵蚀的发生。同时,砒砂岩区的多种侵蚀方式在空间上耦合作用、在时间上交替发生。泥沙流失主要发生在夏秋季,冬春两季主要发生冻融侵蚀,其中都伴随有重力侵蚀和风力侵蚀及二者引起的流水侵蚀。春夏季过渡期是冻融侵蚀和风力侵蚀的高发期,4—5月是风蚀高发期,5—6月是重力侵蚀高发期,7—9月是水力侵蚀高发期。其中,5—9月是重力侵蚀与水力侵蚀的耦合期,其他时期则以风力侵蚀、重力侵蚀和冻融侵蚀交互耦合作用为主[44,47]。

表3 不同砒砂岩类型区侵蚀模数

2.2 砒砂岩抗侵蚀机理

砒砂岩抗侵蚀性低的主要原因是岩体中含有较多的蒙脱石、长石、高岭土、碳酸盐等矿物[22]。具有矿物解理和双晶发育的长石,在干旱、大风的岩区极易风化,导致岩体结构破坏,其抗侵蚀能力减弱,且长石的主要风化物高岭石抗侵蚀能力最差。砒砂岩中的基质是亲水性黏土矿物,其易被水流侵蚀,而蒙脱石中黏土矿物含量最高,所以其对砒砂岩抗侵蚀能力的影响最大。蒙脱石的晶层间距大,其负电性产生的静电引力容易吸引极性水分子进入,产生渗透压力,导致晶体膨胀[5],其体积可扩大至原来的40倍[48-49]。由此产生的巨大压力使岩体内部结构产生破坏,导致其结构崩解。碳酸盐矿物中活性方解石遇水后易发生化学反应,部分产物随水流失,岩体颗粒间的胶结能力随之下降。此外,岩石矿物在当地恶劣环境下,易发生机械风化和化学风化,降低岩石本身的抗侵蚀能力,而蒙脱石、伊利石、高岭石正是砒砂岩主要的化学风化产物[21]。

从化学角度来看,砒砂岩所含的Na2O、K2O、CaO性质活泼,易发生化学变化,Ca2+、Na+、K+等离子遇水易流失,致使岩石矿物间的孔隙逐渐增大,导致岩体结构破坏,降低砒砂岩的抗侵蚀能力。此外,砒砂岩内部存在水-岩复合作用,例如SO3和P2O5这两种不稳定成分极易吸湿,与水作用生成硫酸、磷酸等,使岩体结构遭到破坏,其抗侵蚀能力进一步下降[20,25]。从结构角度来看,砒砂岩矿物颗粒粒径悬殊且排列不规律,砂粒和粉粒含量较大,黏粒含量相对较小,胶结能力差。因此,砒砂岩抗风化能力较弱,易被侵蚀。砒砂岩内部孔隙发育,结构受力不均,遇水后抗压和抗拉能力较弱,水平方向更易发生片蚀,形成冲沟。同时,砒砂岩孔隙、裂隙中的水在冬季反复冻融,导致岩体内部结构连接和排列方式发生改变,进而其物理力学性质发生改变,加剧了岩体孔隙、裂隙的进一步扩张,岩体风化通道再次扩大。因此,砒砂岩抗风蚀、水蚀能力差[34,50-51]。此外,砂岩与砂质泥岩组合在一起时,由于砂质泥岩具有亲水性,易软化崩解被水流冲走,随之引发重力崩塌侵蚀。浅色岩体与深色岩体的吸热能力存在差异,导致相应矿物胀缩体积不一致,进而使岩体结构遭到破坏,加剧了岩体抗侵蚀能力的下降[23]。

3 砒砂岩区治理进展

20世纪90年代初,我国开始对砒砂岩侵蚀问题进行系统研究,黄河水利委员会先后完成了《晋陕蒙接壤地区砒砂岩分布范围及侵蚀类型区划分》[52]和《砒砂岩地区植物“柔性坝”试验研究阶段总报告(1995—1998)》[53]。随后,陆续通过“国家水土保持重点治理项目”“水土保持治沟骨干工程”“晋陕蒙砒砂岩沙棘生态工程”“小流域综合治理项目”[54-56],探索了以沙棘为主体的生物措施,取得了良好的生态效益。在沙棘治理的基础上,毕慈芬和李桂芬[57]提出“沙棘柔性坝”的构想。许多学者陆续对利用沙棘构筑沟道柔性坝拦截泥沙的相关课题展开了研究,使沙林治理取得了显著成效[58-60]。但沙棘存在成片枯死的现象,其仅能在岩区沟道处生存,从而导致发生于坡面和沟坡的侵蚀难以遏制。

中国科学院地理科学与资源研究所联合企业高校共同研发了砒砂岩与沙复配成土技术,基于两者结构特点的互补性,将砒砂岩与沙复配为新型土壤,实现了砒砂岩的资源化利用[61-62]。但该项技术主要用于沙地改造,难以解决砒砂岩区的水土流失问题。温婧等[63-64]研究发现,砒砂岩的静电吸附和离子交换能力较为突出,具有良好的吸附特性,可实现对重金属的吸附,从而修复污染土壤,且经济环保。因此,砒砂岩可视为良好的天然吸附材料。甄庆等[65]选取砒砂岩、黄土、风沙土3类矿区典型土体,设计3种土体结构以模拟入渗过程,研究表明,砒砂岩能降低土体入渗能力,可应用于矿区生态修复。苏涛等[66-67]开展EN-1固化剂对砒砂岩力学特性影响的试验,并模拟边坡径流冲刷,对不同因素下的水动力学特征进行了研究,优选出了固化剂掺量、压实度、含水率和养护龄期。目前,EN-1固化剂不能直接作为改性材料,且无法达到固结抗蚀、蓄水促生的综合性能要求,不能应对多重侵蚀耦合交互的环境条件,难以遏制岩区沟道高边坡的水土流失问题。黄科院依托“砒砂岩区复合土壤侵蚀综合治理技术”项目,针对传统工程措施不具有施工性,生物措施又存在局限性的问题,研发了砒砂岩抗蚀促生材料和改性筑坝技术,实施水土保持材料-工程-生物措施、坡面-沟道系统二元立体综合治理措施,治理效果显著[68-70]。大连理工大学同期开展了砒砂岩改性筑坝技术的研发,制备出性能良好的改性筑坝材料[28-29,71-72]。

经过多年的治理,黄河中游水土保持工作卓有成效,但是水沙关系不协调的矛盾仍然突出。图5为近百年来黄河输沙量变化趋势[73],2021年潼关站实测年输沙量为1.71亿t,相比于1919—1959年15.92亿t的年均输沙量,出现了显著下降,但仍需深入治理。目前,聚焦于砒砂岩区,传统治理措施实施的全面性、统一性、持续性不足,缺乏全区域全机制的一体化综合治理,没有从根本上遏制砒砂岩区生态恶化的趋势。而诸如复配成土、抗蚀促生、改性筑坝、吸附材料、矿区修复材料、改性建筑材料等具有创新性的技术未在全区域覆盖实施,未能建立起行之有效的空间综合治理体系。

图5 黄河年输沙量

4 砒砂岩的资源化利用

4.1 复配成土材料

21世纪初,国内已有一些沙地综合利用方面的研究[74-75]。HAN J C等[76]认为沙结构疏松,漏水漏肥,砒砂岩透水性差,可以作为沙地的保水剂。进一步研究发现:砒砂岩在沙的掺入下,孔隙度增大,渗透性提高;沙在砒砂岩的掺入下,毛细管孔隙度增大,保水保肥效能提高,继而提出基于砒砂岩与沙的互补性,将两种物质复配为新型土壤。

目前,国内外开展了对复配土的大量研究。李裕瑞等[77]利用扫描电镜对复配土壤的微观结构进行分析,证明了复配技术对土壤结构的改良作用。彭飚等[22]从矿物组成方面分析,确定了在复配土壤中耕种作物的可能性。LI J和HAN J C[78]测定并分析了不同复配比例的土壤质地、贮水量、光谱和在土壤中培育冬小麦的光谱差异得出,最佳复配比为1∶2。童伟等[79]研究了砒砂岩和沙复合土壤的防风固沙效应发现,在掺入砒砂岩后,复配土壤中黏粉粒含量提高,饱和导水率下降,而土壤含水率、结皮厚度、冻土深度和地表粗糙度都有所增加,复配土抗风蚀能力提高。姚丝思和席慧[80]对复配土壤质地、有机质、水稳定性大团聚体含量、作物生长水平及产量4个方面进行分析表明,沙地复合砒砂岩后,土壤宜耕层厚度增加,土壤结构得以改善,肥力逐渐增加。张海欧等[81]分析了不同复配比例下的土壤颗粒组成动态变化特征发现,随着砒砂岩掺入比例的增加,颗粒粒径分布趋于合理,砒砂岩的掺入改善了复配土的结构,土壤质地呈现砂土→砂壤→壤土→粉壤过渡的良好趋势。此外,魏雨露和张露[82]探索了砒砂岩与沙复配成土作为路基材料的可能性,测得不同比例复配土的颗粒级配与最大干密度,确定最佳质量比为2∶1,当含水率为7%～9%时,最大干密度为2.04～2.05 g/cm3,压实特性最佳,适宜用作路基填料。ZHU J H和LI X L[83]通过碱激发技术将粉煤灰与砒砂岩水泥土混合制成复合土,强度可达6.85 MPa,满足公路结构用土的设计要求。

4.2 改性建筑材料

李长明等[28]研究了饱和石灰水和不同浓度NaOH溶液对砒砂岩中SiO2、Al2O3溶出量的影响,通过胶砂强度试验对砒砂岩活性进行了探讨,证明了将砒砂岩改性为地聚物材料的可行性。在碱性环境下,由于SiO2、Al2O3的硅氧键和铝氧键会发生断裂,形成低聚硅(铝)四面体单元,这些低聚结构单元逐渐脱水重组发生聚合反应,生成具有胶凝性质的水化硅酸钙和地聚物胶体,使孔隙结构得到改善、颗粒间连接更加紧密、结构致密性大为提高[84]。此外,一些学者进一步探究了粉煤灰、矿渣的掺入对砒砂岩地聚物材料微观结构及力学性能的影响,结果表明,在最佳配合比下,改性粉煤灰和砒砂岩复合材料与改性矿渣和砒砂岩复合材料的抗压强度分别达到20.3 MPa和56.2 MPa,其耐久性能也显著提升,符合工程要求,改性矿渣和砒砂岩复合材料具有更加优异的性能,并兼具经济性和节能环保性[71,85-88]。

大连理工大学王立久教授和华北水利水电大学李长明副教授通过研究,提出了减小膨胀元膨胀力、增加胶结元弹性模量的砒砂岩改性方法,研制了砒砂岩改性筑坝材料,并在鄂尔多斯准格尔旗二老虎沟淤地坝工程中进行应用,验证了砒砂岩改性材料在岩区淤地坝建设中应用的可行性[69-70,89]。此外,董晶亮等[29]还探究了砒砂岩作为混凝土掺合料的可行性,结果表明:在砒砂岩掺量不大于20%时,材料的抗折强度和耐久性明显提高,且不影响其初凝时间和抗压强度;掺量超过30%时,材料各方面性能明显下降,得出砒砂岩适宜的掺入量应在20%以下的结论。GENG K Q等[90]探究了水泥用量对砒砂岩性能的影响,结果表明,随着水泥掺入量的增加,砒砂岩的孔隙率逐渐下降,内聚力呈上升趋势,材料趋于脆性,冻融作用下的砒砂岩孔隙劣化程度减弱,抗冻性能显著提升,确定最优水泥掺量为20%。杨健等[91]和王辉等[92]分别探究了粉煤灰和玄武岩纤维对改性水泥-砒砂岩材料力学性能的影响,得出少量的粉煤灰有利于提升材料的密实度和刚度,而掺量小于0.2%的玄武岩纤维对材料有加筋效应,会抑制材料的形变,表明少量粉煤灰和玄武岩纤维都具有提升其材料力学性能的作用。张美香等[93-94]将砒砂岩作为河砂替代物进行水泥砂浆性能试验,结果表明,红砒砂岩替代率在10%以下时,其对胶砂试件各龄期干缩量影响不大,不同强度等级的混凝土在20%的红砒砂岩替代率下均能满足力学性能要求,而水泥砂浆在50%以上的红砒砂岩替代率下,用水量显著增加,导致试件强度降低、干缩率增大,材料耐久性不符合要求。因此,提出引入减水剂控制水胶比,以此提高砒砂岩的替代率和水泥砂浆的力学性能。以上证明了砒砂岩替代河砂制备建筑材料的可行性。

4.3 矿区修复材料

砒砂岩区位于我国煤炭能源基地核心区,能源开采给该地区带来了巨大的经济效益,但严重破坏了当地的生态环境,露天煤矿对大气、土壤、植被、水源和地形地貌等造成了不可恢复的破坏[95]。目前,煤矿排土场的生态系统亟待修复。

甄庆等[65]选取砒砂岩、黄土、风沙土3类矿区典型土体模拟了单一构型、分层构型和土石混合构型的入渗过程,研究表明,砒砂岩可降低土体入渗能力,良好的排土场重构结构自下而上依次为土石混合结构、砒砂岩、黄土。温婧等[63-64]探究了红、白和灰3种不同颜色砒砂岩对Pb的吸附效果,分析了吸附剂用量、pH值和离子强度等因素对其的影响。此外,通过模拟试验,研究了砒砂岩掺入量对Pb的形态分布和毒性溶出量的影响,并探究了土壤孔隙度、土壤持水量、土壤酶活性、pH值的变化规律。以上研究结果表明,砒砂岩可显著降低土壤弱酸提取态铅含量和土壤铅毒性溶出量,其吸附效果主要与铅浓度、吸附剂用量、pH值、离子强度有关,且与吸附剂用量、pH值成正比,与离子浓度成反比。不同颜色砒砂岩吸附速率存在差异,吸附速率从大到小的砒砂岩的颜色依次为灰色、白色、红色。

砒砂岩特殊的内部结构使其具有较强的抗渗性和吸附性,有效降低了土体入渗能力,砒砂岩具有在降低土壤毒性的同时,改善土壤理化性质的特点,对污染土壤改良具有一定作用。相比其他材料,砒砂岩来源广泛,无需加工,可就地取材,具有较好的应用前景。

4.4 旅游资源

砒砂岩区具有独特的地质地貌,在沟谷中表现为“黄土戴帽,砒砂岩穿裙”的特殊地貌景观,或形成部分沙丘及薄层沙和砒砂岩相间分布,或成“风沙戴帽,砒砂岩穿裙”的地貌景观,色彩斑斓,观赏性强,旅游资源价值高,可开发第三产业。目前,内蒙古砒砂岩地质公园已建成投入使用,带动了当地旅游业蓬勃发展。

5 展望

黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略,为我国新时期的水土保持事业提供了新的发展契机,同时也对未来黄河中游砒砂岩区的水土保持和生态治理提出了新的使命和任务。目前,砒砂岩区水土流失问题依然严峻,生态环境依旧脆弱不堪,生态建设和高质量发展仍面临严重阻碍。传统治理手段诸如沙棘“柔性坝”、传统淤地坝在一定程度上缓解了水土流失现象,但仍存在局限性。将改性淤地坝及护坡工程与抗蚀促生材料、植物措施等相结合的多元立体治理模式具有拦截泥沙、延阻土壤侵蚀和修复植被的良好效果,是未来治理砒砂岩区水土流失的新方向。同时,还要贯彻绿色发展理念,开拓资源化利用新思路,形成可持续发展模式。诸如:通过对砒砂岩物化性质的研究,将砒砂岩与沙复配成土,改良土壤结构;利用矿区废弃物与砒砂岩结合制成改性建筑材料用于淤地坝和边坡护坡建设以及将砒砂岩应用于矿区生态修复。此外,还可以充分挖掘砒砂岩地质文化价值,促进岩区旅游产业化发展。通过生态恢复、工程治理、砒砂岩改性与产业经济相结合,实现砒砂岩区“水土流失治理-资源利用-产业经济”的高质量发展模式。这对实现砒砂岩区的生态恢复和水土保持以及黄河的长治久安具有重要意义。