矿山项目补充开展水土保持监测的技术分析

2023-10-30刘金鹏陈豫津

中国水土保持科学 2023年5期

刘金鹏, 陈豫津

(甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所,730000,兰州)

我国矿山无论在数量上、还是在类型上都位居世界前列。矿山生产建设对国民经济的增长作出了巨大的贡献,但带来的生态环境问题也不容忽视。据2017年全国矿产资源开发环境遥感监测数据显示,全国矿产资源开发占用土地面积约362万hm2。其中,历史遗留及责任人灭失的矿山230万hm2,在建/生产的矿山132万hm2。生产建设导致的环境问题十分突出,主要包括崩塌、滑坡、泥石流、含水层破坏、塌陷、地表破坏等[1],而这些大多数可以归类为人为扰动引起的水土流失。目前,水利部陆续颁布一系列的规章、制度、规范和标准,特别是《水利部关于进一步深化“放管服”改革全面加强水土保持监管的意见》(水保〔2019〕160号)和《水利部办公厅关于进一步加强生产建设项目水土保持监测工作的通知》(办水保〔2020〕161号)等文件,对生产建设项目水土保持工作事前、事中和事后3阶段的全面深化管理提到了新的高度。相关要求[2-3]指出,对于符合开展水土保持监测条件而未及时开展监测工作的生产建设项目,应补充建设期间的水土保持监测资料,作为水土保持设施验收的必备条件。矿山项目因其特殊的建设性质,历史遗留问题较多,特别是在建或生产的一些矿山项目,由于开采历史较长、期间的采矿权转移等因素,没有及时完成水土保持设施验收,造成水土保持监督执行工作的困难。其中,如何解决水土保持监测历史数据的补充工作是关键所在。针对这一问题,笔者选择甘肃某铅锌矿山作为典型代表进行讨论分析,以期为进一步提高矿山项目水土保持工作质量起到积极的技术指导作用。

1 研究区概况

研究区位于嘉陵江流域三级支沟,在全国水土保持区划中,属西南紫色土区(四川盆地及周围山地丘陵区)秦巴山山地区陇南山地保土减灾区,水土流失类型以水力侵蚀为主,属嘉陵江上游国家级水土流失重点预防区和省级水土流失重点预防区。

研究矿区生产建设分为露天开釆和井下开采2阶段:露天开釆1988年开始筹建,1990年4月1期工程投入生产,釆矿能力600 t/d;2期工程仍为露天釆场建设,釆选生产能力为1 000 t/d;3期工程实施露天与井下联合开釆方案,釆矿能力在本世纪初达到约50万t/a。2006年底至2007年初,露天开采在遗留下1个巨大采坑后全部终结,矿区完全转入井下生产。目前,矿区项目组成主要为废石场、露天采场、运输公路、选矿工业场、采矿工业场、生活福利区以及尾矿库等工程。

2 水土保持监测技术路线与分析方法

2.1 技术路线

1999年10月,矿山企业委托技术服务单位编制水土保持方案报告书,期间由于各种原因未及时实施水土保持监测和水土保持设施竣工验收工作。本矿山水土保持监测的难度在于跨越时间段较长,期间不仅相关建设区重叠使用、部分建设区原属性质改变,而且相关建设资料缺乏;因此,监测的重点在于捋顺生产建设时间节点关系、准确划分各监测分区和制订合理技术路线。笔者根据原水土保持方案内容以及项目建设各阶段特征,初步制订水土保持监测技术路线(图1)。

①:SL 773—2018《生产建设项目土壤流失量测算导则》。①: SL 773—2018 Guidelines for Measurement and Estimation of Soil Erosion in Production and Construction Projects

2.2 分析方法

2.2.1 生产建设时间节点

1)材料依据。已有建设资料、历史遥感影像、咨询矿山老职工。

2)调查结果。本矿山生产建设期间重要时间节点为:①1988年,矿山露天开釆开始筹建;②1988—1990年,一期工程建设;③1989年底—1995年,二期工程建设;④2007年初,矿区全部转移为井下开采生产;⑤2011年初,废石场专项整治工作开始,截至目前仍在进行整改;⑥2016年1月,三期矿山300万t/a采矿扩能工程开始建设,截至2019年5月建设完成。各时间段内矿山基本属于边建设边生产。

3)水土保持监测时段划分:根据调查结果,结合各项目建设特征,综合划分监测时段为7个时段:第1阶段,1988—1990年;第2阶段,1991—1995年;第3阶段,1996—2000年;第4阶段,2001—2006年;第5阶段,2007—2010年;第6阶段,2011—2015年;第7阶段,2016—2019年。

2.2.2 扰动面积监测

1)材料依据。已有建设资料、历史遥感影像、现状测量、咨询矿山老职工。

2)时序采用。根据调查结果,结合各项目建设时序,本次监测采用1990、1995、2000、2007、2010、2015和2019年7个时段的历史遥感影像图片进行解疑。

3)分析方法。将遥感影像植入AutoCAD,建立实测样方桩点距离、面积与影像图等比例对应界面,完成测绘分析。

2.2.3 土壤流失测算

1)材料依据。SL 773—2018《生产建设项目土壤流失量测算导则》[4]、各分区典型区域土壤颗粒分析资料和土壤特性以及实测地形图。

2)监测分区划分。根据调查资料,结合原水土保持方案,参照各项目建设时序和影像资料将矿山划分为废石场、露天采场、运输公路、选矿工业场地、采矿工业场地、生活福利区、尾矿库等7个监测分区。

3)分析方法。利用SL 773—2018《生产建设项目土壤流失量测算导则》[4]相关公式进行计算。

2.2.4 土石方、取、弃土(石、渣)监测

1)材料依据。已有建设资料、历史遥感影像、现场测量、咨询矿山老职工。

2)时序采用。与水土保持监测时段一致。

3)分析方法。将不同时段遥感影像、现状地形图测绘成果植入早期1∶1万的地形图,进行对比分析,估算弃土(石、渣)。取土方量与建设期土石方则根据不同建设项目类型结合已有设计图纸复核,缺失设计图纸的依据现状调查的历史痕迹估算分析。

2.2.5 水土保持措施及效果监测

1)材料依据。现状措施调查成果、历史遥感影像。

2)时序采用。与监测时段一致。

3)分析方法。将不同时段遥感影像进行建筑物压占、道路(场地硬化)、整治土地以及植被分布面积辨析;截排水措施以及水土保持措施实施效果由于历史阶段的具体情况确定困难,仅监测现状情况。

2.2.6 其他

1)气象资料。采用项目区所在地气象站历史资料。

2)土壤、弃土(石、渣)特性资料。利用现状已有的地质勘查成果进行分析(部分需要进行本次监测勘察补充)。

3)水土流失危害。本区水土流失危害的主要表现为泥石流、滑坡、崩塌等重力侵蚀,本次监测主要采用当地气象、水利和国土部门的统计资料结合现场咨询确定项目区重力侵蚀事件发生的情况。

3 结果与分析

3.1 扰动面积动态变化

利用前述分析方法,矿山建设初期到目前扰动土地动态变化情况如表1所示, 从表中可知,矿山建设初期至目前扰动土地变化较大的区域为尾矿库区,是随着矿山生产活动逐年增加。废石场区域面积变化较大的年份是建设初期至2006年度,废石主要是基础剥离弃方,2006年后矿山转入地下开采后再无剥离弃方产生,因此,废石场面积趋于稳定。

表1 项目区逐年扰动土地面积变化

露天采坑在建设前为民采活动形成的裸露不规则采坑,1988—1990年一期建设时主要是对原采坑进行清理,1990年后开始按设计开采面生产;在一期工程生产期间的1989年底—1995年,二期工程开始建设,建设主要内容为新增采面的道路、平台等,1995年后整个采面基本上属于正常有序开采阶段,至2007年初露天开采结束,其面积变化主要随生产进度而变化。运输公路区占地在1990—2006年之间逐年下降,至2010年后再无变化,主要原因是矿山1～4号道路部分区段位于柒家沟废石场区域,随着废石场的不断压埋,长度随之逐年减少,2010年后再无变化。选矿工业场地面积变化基本上是根据建设需要在原占地基础上相应增加工程占地,至2006年基础设施满足生产需求后再无变化。采矿工业场地建设初期至1995年占地面积逐步增大,1995年二期工程基础建设实施完备后对部分区域进行恢复治理,至2000年期间生产占地面积逐渐减少,2005年后随着生产的需要占地面积又呈逐年扩大趋势。生活福利区面积变化较大的时间为建设初期至2000年,2000年后建设基本上是在原占地范围内进行,占地面积未变化。

需要说明的是,矿区废石场包含柒家沟一期、二期、柒家沟沟口以及沙洞湾、长湾5处废石场。其中,柒家沟一期、二期、柒家沟沟口3处废石场作为专项验收项目,不属于本次监测任务。因此,在本研究计算面积和土壤流失量时,未考虑这3处废石场的影响;但在计算矿山土石方平衡时,为阐明废石去向,计列这3处废石场废石方量。

3.2 土石方、取弃土(石、渣)监测结果

本次监测主要是依据现状、历史调查,结合矿山不同时期生产规模,参考矿区相关研究文献[5],对项目区自20世纪80年代末期至今的各分区建设土石方进行估算。并结合现场勘察以及主要工程施工工艺调查的基础上,按照分区补充进行土石方平衡分析(表2)。根据水土保持监测结果,矿山总挖土石方2 473.02万m3,总填土石方215.03万m3,弃土石方2 257.99万m3。其中,土石方开挖量最大的区域为露天采坑,其他区域除运输公路建设产生86.75万m3的弃方外,其余区域基本上做到本区挖填平衡。

表2 各监测分区土石方平衡表

3.3 土壤流失测算结果

3.3.1 土壤流失类型划分项目区土壤侵蚀类型主要为水力侵蚀。根据SL 773—2018《生产建设项目土壤流失量测算导则》,本次监测将项目区土壤流失类型划情况如表3所示。

3.3.2 扰动单元划分根据SL 773—2018《生产建设项目土壤流失量测算导则》,按扰动方式相同、扰动强度相仿、土壤类型和质地相近以及空间上相连续的原则,将不同土壤流失类型地表划分为不同计算单元,并根据历史调查资料、不同单元内各建设项目和地类形式选择最具代表性的典型计算区块(表4)。

表4 项目区土壤流失典型计算单元选择

3.3.3 土壤流失测算方法、结果及分析

1)测算方法。本研究测算方法主要是依据 SL 773—2018《生产建设项目土壤流失量测算导则》相关测算技术。笔者取贾家坝生活福利区为土壤流失计算单元典型代表,计算年度为1988—2019年。以贾家坝生活福利区乔木林为典型代表,按地表翻扰型一般扰动地表计算新增土壤流失量,计算年度为1988—1990年。依据文献[4]地表翻扰型一般扰动地表新增土壤流失量计算过程为

ΔMyd=(NBE-B0E0)RKLySyA。

(1)

式中各计算因子符号说明和贾家坝生活福利区乔木林土壤侵蚀量计算结果列于表5,单元新增土壤流失量ΔMyd为8.35 t,总流失量ΔMyd·S为21.04 t。贾家坝生活福利区分阶段土壤侵蚀量计算结果如表6所示。

表5 1988—1990年贾家坝生活福利区乔木林土壤流失量计算结果

表6 贾家坝生活福利区不同时段土壤流失量计算结果

2)测算结果分析。根据前述测算方法和过程,本矿山在调查年度(1988—2019年)项目建设期土壤新增侵蚀量为5 139 t,建设期侵蚀模数在 3 058～4 375 t/(km2·a)之间,随着工程建设的进行,区域建筑物占地、硬化以及绿化整治措施的实施,各分区平均侵蚀模数逐渐减少到33～3 424 t/(km2·a)之间。运行期间土壤新增侵蚀量为7万466 t,整个调查期间土壤新增侵蚀总量为7万5 605 t。到目前为止,由于各分区场地硬化、绿化措施实施等因素,全区域加权平均侵蚀模数为1 158 t/(km2·a)。

露天采坑原方案设计措施为封禁措施,现状除局部区域进行绿化外,其他区域由于无相应措施,水土流失仍然严重。矿区已经委托相关单位对露天采坑进行治理设计,设计措施主要为露天采坑回填以及覆土绿化措施。因此,本次监测对项目区现状平均侵蚀模数计算时扣除露天采坑区域,扣除后全区域加权平均侵蚀模数为193 t/(km2·a)。

经本次研究分析,建设期内(露天采坑、废石场根据前文分析,土壤流失量全部按运行期计列)重点土壤流失区域为:运输公路区土壤流失量为 2 197 t,占总流失量的42.76%,其次为采矿工业场,土壤流失量为1 111 t,占总流失量的21.61%。运行期重点土壤流失区域为:露天采坑区土壤流失量为6万418 t,占总流失量的85.74%,其次为废石场区土壤流失量为7 714 t,占总流失量的10.95%。

3.3.4 水土流失危害事件在整个监测时段中,本矿山沙洞湾废石场在2010年8月12日受到暴雨影响,形成泥石流重力侵蚀危害事件。根据现场历史遗留痕迹调查和询问事件见证者,本次危害事件淤埋道路长度约150 m,渣土流失量在9.0万m3左右。

3.4 监测评价指标验证

1)验证对比。由于本矿山水土保持监测属于补充监测,矿山面积动态变化、植被覆盖率、渣土防护率等相关指标是基于调查的分析得到。因此,本研究仅对生活区乔木林地土壤侵蚀模数进行验证分析,其他区域土壤侵蚀验证从略。用实测结果与类比区域相关文献研究结果进行对比分析来验证,验证过程见表7。

表7 乔木林地土壤侵蚀模数验证对比

2)分析说明。表7中本次研究矿山乔木林地土壤侵蚀模数测算是在乔木林发挥水保效益,即1996年后的分年度测算值在78.38～428.53 t/(km2·a)之间,侵蚀模数是随着乔木林郁闭度增大而逐年减小。实测侵蚀模数是利用径流小区方法分别取现状乔木林郁闭度为65%和45%的2处区块实际实测得到。预测值较实测值区间数值跨度较大,主要是预测期间较早年份林木郁闭度变化范围较大的原因所致。文献[6]所研究区域虽然和本研究区同处于西南紫色山区,但由于其多年平均降水量(1 172 mm)较研究区(685 mm)大,是数值增大的可能原因所在。文献[7]是直接取研究平均值,分析原因主要是该文献研究区域林地坡度(15°～25°)较本次研究区平均坡度(5°～8°)较大的原因所致。3种方法虽然各有差异,但总体来讲说明本次研究测算值是符合实际情况的。因此,在矿山项目水土保持补充监测工作中,应用SL 773—2018《生产建设项目土壤流失量测算导则》)相关测算技术进行历史时期的水土流失预测是可行的。

4 讨论

1)本次监测未采用人工模拟试验,主要原因一是模拟试验属于科学研究范畴,并且对设施条件的要求较高,承担监测的技术服务单位普遍缺乏相关设备;二是模拟试验周期较长,运行成本较大,在技术服务合同洽谈时,委托单位往往仅从经济利益和验收周期的角度考虑,不支持该技术的专项费用,导致履行困难。因此,建议相关部门出台基本的水土保持监测基价制度,规范市场行为,督促各方积极运用试验手段获取更高质量的监测结果,为生产建设项目水土保持监测高质量发展积累科研参考成果。

2)本次监测仅根据监测时段进行土壤流失分析和扰动面积分析,没有进行季度监测分析,主要原因是由于矿山历史开发时间较长,进行监测季度分析所需要的相关资料不仅收集困难,而且耗费的时间周期成倍增加。补充的监测成果无论采用什么样的科学技术,都是基于历史阶段水土流失动态的模拟设置背景下得到分析结果,与随着生产建设项目建设进度同步进行的实时监测结果肯定有较大的偏差。因此,建议相关部门对补充的监测报告按年度或者具有显著变化的时段进行补充要求,这样既能宏观反映历史阶段的项目水土流失状况,达到监测的目的,又能保障生产建设项目水土保持监测过程的资料完整性,达到具备验收条件的目的。

3)SL 773—2018《生产建设项目土壤流失量测算导则》是目前分析水土保持监测土壤流失量的重要依据。在本次监测过程中对露天采坑土壤流失测算时发现,由于已建露天采坑历史破坏严重。如果按照导则选择典型开挖破坏断面区块时,无论怎样选择典型区块都不能代表整个采坑现状。本监测尝试将露天采坑网格化处理,利用同一等高线单位高度内的环状区域作为计算单元,得到的结果相对较为合理(这一问题将在后续研究中进行探讨),因此,建议相关从业人员在实际运用时,必须要结合项目现场情况灵活运用,不能刻意硬套导则。