南太行地区山水林田湖草生态保护修复方案研究<br/>——以三王庄村为例

南太行地区山水林田湖草生态保护修复方案研究
——以三王庄村为例

2023-12-30李金朋

四川环境 2023年6期

李金朋

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院，郑州 450001)

前言

党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央深刻总结人与自然相互依存、相互影响的内在规律，提出了山水林田湖草生命共同体的系统思想[1～3]。为积极响应号召，积极将生态文明建设落到实处，2018年7月12日，财政部办公厅、自然资源部办公厅、生态环境部办公厅联合印发《关于组织申报第三批山水林田湖草生态保护修复工程试点的通知》[4～6]。因此，按照整体保护、系统修复、综合治理的总体思路，组织开展第三批山水林田湖草生态保护修复工程试点工作就显得尤为紧迫与必要。

大量研究人员对“山水林田湖草”生态保护修复进行了研究，并提出了相关方案取得了一定效果。陈静和和丽萍等[7]针对滇池草海东风坝水域独特地理位置和水域特点，提出了生态修复技术方案，为水库类生态修复提供了参考。赵磊和王创江[8]针对黄土高原风沙治理问题，提出了“1线、2带、3工程”的修复思路。汪燕林和岳文泽等[9]提出“问题诊断—原因剖析—目标设定—工程谋划—绩效评价—运维管护”技术链条及参照系统选取标准，针对性部署重要生态系统及生物多样性保护修复、水生态保护修复、土地保护修复、森林生态保护修复及数字赋能智慧监管共5大类生态保护修复工程。冯地宽[10]从贵州省武陵山区山水林田湖草沙生态修复出发展开分析，将流域生态功能划分为6个分区，针对每个分区存在的生态环境问题提出不同的修复方案，有效保护了流域生态环境，恢复了生境条件。

需要说明的是现有“山水林田湖草”生态保护修复研究多针对现有实际情况进行修复和改造，而目前对于遭到破坏的生态环境进行修复的研究不多。对于遭到大范围破坏的地域，其生态修复难度更大，不仅需要恢复原有生态环境，还要进行结构安全性治理。同时还要结合破坏模式进行针对性的改造和修复。

河南南太行地区是华北平原乃至我国中部地区重要的生态安全屏障，南水北调中线干渠穿境而过，区内集中分布各类国家级保护区19处。但是该区域也是河南省生态环境遭破坏最严重的地区之一。这里是国家煤炭、钢铁、有色金属、建材工业原材料基地，开发强度大、污染较严重，山体裸露、森林稀疏、农田污染、湿地萎缩等现实问题十分突出。该区域的生态修复人物迫在眉睫。本文以南太行典型区域淇县庙口镇三王庄村生态修复技术方案为研究对象，通过无人机航测与GPS测量，采用全站仪和GPSRTK施测1∶500工程地质剖面测量进行生态环境详细调查，查明勘查目标区地形地貌、地层岩性、地质构造、工程地质、水文地质和人类工程活动等地质环境背景条件，获得勘查区生态环境问题类型、分布范围、规模、发育特征、形成原因及主要诱发因素，危害程度及发展趋势，最终为三王庄村提出安全可靠、经济合理、技术可行的生态修复治理技术方案。

1 三王庄村地质环境现状与勘查

如图1所示，本次生态修复目标地三王庄村位于太行山脉与华北平原的交接地带，地处河南省北部，卫河北岸，西依太行山与林州市相连，东临淇河与浚县相邻，北与鹤壁市淇滨区毗邻，南、西南与卫辉市接壤，地理坐标为：东经114°10′48″～114°17′54″，北纬35°45′34″～35°48′26″，面积约267.43 km2。经过多年的露天开采，已形成大规模采矿陡壁、采坑及废渣堆，调查发现区内一处历史遗留矿山，根据区内地形条件将目标区矿山环境生态治理区分为6处边坡、6处采坑。

图1 生态修复目标区交通位置示意图Fig.1 Traffic location diagram of ecological restoration target area

本次治理区西北侧分布的4处采坑(编号CKⅢ-1～CKⅢ-4)以及相应4处边坡(BPⅢ-1～BPⅢ-4)，其开采面上大面积岩体裂隙发育、风化严重，边坡基岩裸露部位临空面大，坡面岩石节理裂隙发育，较为破碎。三王庄村矿山环境生态治理区北侧全貌如图2所示。本次治理区北侧分布的2处采坑(编号CKⅢ-51～CKⅢ-6)以及相应2处边坡(BPⅢ-5～BPⅢ-6)，相比于西北侧该区域矿坑和边坡分布较为分散，裂隙发育和风化程度有所缓和。三王庄村矿山环境生态治理区北侧全貌如图2所示。

图2 三王庄村矿山环境生态治理区全貌图Fig.2 Overall view of the north side of sanwangzhuang Village Mine Environmental and Ecological restoration Area

依据《河南省南太行地区山水林田湖草生态保护修复工程实施方案》，本文拟基于三王庄地质环境现状提出的生态修复治理技术，主要围绕高陡边坡崩塌危岩体地质灾害预防与治理、地形地貌景观及土地资源的破坏修复等开展相关工作。通过前期的勘查，共收集相关勘查资料35份，1∶1000地形图测绘2.9 km2，地质环境综合调查点135个，1∶500地质剖面测量17.1 km，探槽27个，总方量共计416.8 m3，土壤检测6组。

2 岩土工程参数设计

通过现场勘查，治理区出露基岩为灰岩，抗压强度80～140 Mpa，为坚硬岩，中厚层状结构，块状构造，弱到中等风化，边坡岩体类型为Ⅰ—Ⅱ类，参照工程地质手册、《河南省矿山地质环境恢复治理工程勘查、设计、施工技术要求》中岩质边坡坡度允许值及周边原有地形地貌，本次设计采用1∶0.35进行放坡，设计分阶高度小于25 m。填方边坡采用坡比1∶1.5(约34°)，高度不大于10 m，临水边坡采用坡比1∶2.0。

2.1 地质灾害

经前期勘查与现场调查，三王庄村危险边坡为前期滥采灰岩形成的，开采形成的高陡边坡一直处于基本稳定～较差状态，调查期间还偶有坡面浮石掉落或坡顶松散土体崩落、垮塌现象。生态治理区露采边坡危岩带划分如表1所示。

表1 治理区露采边坡危岩带划分表Tab.1 Division table of dangerous rock zone of open-pit slope in restoration area

如表1所示，边坡危岩带为一岩质崩塌群，边坡岩性为石灰岩，底长约320～670m，西北侧边坡长度要长于北侧边坡。高度为10m～58m，最大高差为BPⅢ-5边坡的58m。边坡主坡向16°～130°。6个露采边坡坡面岩体较破碎，裂隙发育，存在大量裂缝和危岩体，局部掉块现象严重，稳定性较差。边坡特征如图3所示。

图3 方案3边坡特征图(BPⅢ-1～6)Fig.2 Plan 3 Slope characteristic diagram (BP Ⅲ -1～6)

2.2 地形地貌及土地资源破坏

露天开采完成后形成采坑，地表植被完全被破坏，基岩裸露。露天采坑对地形地貌及土地资源造成的影响和破坏严重。根据调查统计，三王庄村矿山环境生态治理区破坏土地面积32.63 hm2，其中旱地2.08 hm2，裸地30.55 hm2。采坑特征详见表2。

采坑CKⅢ-1～CKⅢ-1II如图4所示，其余如图3所示。采坑CKⅢ-1出露灰岩，壁高8～29 m，坡度70°～85°，采坑长约220 m，宽约88 m，平均深度约28 m，坑底坡度5°～10°，坑底较平整，坑底最低标高为+217.72 m。CKⅢ-2采坑出露灰岩，西侧壁高16～23 m，坡度76°-85°，东侧12～18 m，采坑长约180 m，宽约100 m，平均深度约20 m，坑底坡度5°～10°，坑底较平整，坑底最低标高为+204.17 m，无积水。其余采坑与该两个采坑情况类似。根据《矿山地质环境保护与恢复治理方案编制规范》(DZ/T0223-2011)，矿场平台对地形地貌景观影响和破坏程度非常严重。

表2 勘查区三王庄村采坑特征表Tab.2 Mining characteristics of Sanwangzhuang in the exploration area

图4 CKⅢ-1、BPⅢ-2、BPⅢ-3(镜向西北)土地资源破坏Fig.4 CKⅢ-1、BPⅢ-2、BPⅢ-3(Mirror northwest)destruction of land resources

2.3 含水层破坏

三王庄村生态修复区内采坑均位于地下水位以上，考虑当地地形特征，降水基本顺山坡向下排泄，不会改变地下水的运动规律，但是山体大面积随意堆积的渣堆、大大小小的采坑和出露的基岩改变了地表水的排泄和地下水的径流，且无序开采致使含水层结构和地下水径流条件、植被等被破坏，不利于水源涵养和水土保持，降低了地下水的补给能力，但对水质基本没有影响。

3 采坑边坡稳定性分析

根据《工程地质手册》和矿山资料，勘查区碎石土地基承载力特征值180 kPa基底摩擦系数0.40；岩石为硬质-坚硬岩石，平均体积密度2.72 g/cm3，基岩地基承载力特征值300 kPa，摩擦系数取0.60，岩石抗压强度一般80～140 MPa。边坡的稳定性受多种因素的影响，可分为内部因素和外部因素。内部因素包括边坡的岩土性质、边坡的形态等；外部因素包括地震及爆破震动、暴雨冲刷、坡体开挖等。

3.1 内部因素

(1)边坡的岩土性质：包括边坡岩体的密实程度、透水性等。

(2)边坡的形态：边坡的高度、坡度等。据调查，边坡高度一般15～35 m，边坡坡度75°～87°。

3.2 外部因素

(1)地震和爆破震动：边坡受到地震或爆破震动的作用而增加了下滑力，同时震动作用破坏了边坡原有的内部结构稳定性；

(2)暴雨冲刷：暴雨降水对边坡形成直接冲刷，带走边坡内小颗粒物体，使边坡颗粒级配变差，破坏了边坡原有的内部结构稳定性；

(3)边坡人为开挖：因矿山企业对渣堆进行开挖，形成基岩裸露面。

3.3 不同工况稳定性分析

依据《工程地质手册》，边坡发生破坏时破裂面多近似呈圆弧形，滑体常有一定的旋转。以边坡BPⅢ-1为例对边坡四种可能组合情况进行分析：

(a)方案I：地震和爆破震动+暴雨冲刷+边坡人为开采；(b)方案Ⅱ：地震和爆破震动+边坡人为开采；(c)方案Ⅲ：地震和爆破震动+暴雨冲刷；(b)方案IV：边坡人为开采。

图5为不同方案下边坡滑动位移示意图。由图5可以看出方案I工况下边坡位移最大，最大位移达到27cm。方案Ⅳ工况下边坡最稳定，20～23cm位移边坡土体范围最小。通过方案Ⅱ和方案Ⅲ对比可知，暴雨冲刷对边坡的危害要大于人为开采。因此对于边坡和采坑治理要关注对坡体的固定，以防止大面积滑坡事故出现。

对于边坡的内部稳定性，可采用Hoek和Bray的圆弧破坏稳定系数图表计算法对边坡自身的稳定性进行评价。结果表明四个方案的稳定系数Fs分别为：0.85、0.91、0.87和0.98。由此可见现有工况下边坡稳定性较差，在外界干扰工况下极易出现滑动。

图5 边坡滑动示意图Fig.5 Schematic diagram of slope sliding

4 生态修复关键技术与方案

4.1 生态修复理念

根据矿山地质环境现状勘查成果，并结合《河南南太行地区山水林田湖草生态保护修复工程淇河流域山水林田湖草生态保护修复工程规划设计方案》，深入贯彻党的十九大精神和习近平生态文明思想，坚持“山水林田湖草是生命共同体″系统理念，根据勘查区主要矿山地质环境问题、相关规范，紧密结合国家政策和当地政府对勘查区的总体规划，推荐治理工程设计的总体修复理念为：

减灾防灾：结合边坡稳定性分析结果，需要对边坡坡地进行固定，并对坡体进行加固处理。对露天采场边坡采取削、放坡、压脚处理，消除或减轻崩塌、滑坡地质灾害隐患，削、放坡方案结合生态复垦工程；

场地整理：对场区进行挖填平整，场地整理满足覆土绿化条件；

生态修复：对场区进行覆土、植树、种草，恢复生态环境。

在总体修复理念的引导下，还应与当地社会、经济和环境发展相适应，与当地规划、环境保护、土地管理和开发相结合，并在安全、经济的前提下尽量做到美观。

4.2 生态修复指导思想

以“创新、协调、绿色、开放、共享″的新发展理念，统领生态保护修复工作。根据三王庄村矿区主要生态环境问题，指导思想如下：

(1)以人为本、防灾减灾

项目采矿活动残留大量高陡边坡，形成崩塌地质灾害隐患，对周边活动的人、畜构成威胁。生态保护修复首先要保证项目区活动的人、畜免遭地质灾害威胁，达到减灾、防灾的目的。

(2)统筹山水林田湖草系统理念

山水林田湖草是一个生命共同体。生态是统一的自然系统，是各种自然要素相互依存而实现循环的自然链条。治理工程部署要按照自然生态的整体性、系统性及其内在规律，统筹考虑自然生态各要素以及山上山下、地上地下、陆地海洋、流域上下游，进行系统保护、宏观管控、综合治理，增强生态系统循环能力，维护生态平衡。

(3)宜耕则耕、宜林则林、统筹规划、注重实效

土地复垦工程按照“宜耕则耕、宜林则林、宜草则草″的原则，适宜复垦耕地的优先复垦耕地，对治理区复垦工程进行统筹规划，注重复垦工程实效。

(4)以自然修复为主，工程措施相结合

具备自然修复条件的优先选用自然修复，自然修复方案以自然修复为主，必要的可以增加适量的人工或工程干预，促进自然修复成效。

(5)技术可行、经济合理、方便施工

根据矿山生态环境问题，采取技术可行、经济合理、方便施工的治理措施，注重因势利导、顺坡就势，注重地形地貌景观修复整体效果，工程措施应精心布置，合理设计，力求以较小的工程量换取较大的综合治理效益。在总体思路的引导下，还应与当地社会、经济和环境发展相适应，与当地规划、环境保护、土地管理和开发相结合，并在安全、经济的前提下尽量做到美观。

4.3 推荐设计方案

针对勘查区内存在的矿山地质环境现状问题，结合绿色矿山建设要求、《河南省南太行地区山水林田湖草生态保护修复工程实施方案》、《淇河流域山水林田湖草生态保护修复工程规划设计方案》和以往治理经验，对四个勘查区矿山地质环境恢复治理工程设计方案从技术可行性、治理效果、施工难度、风险性、投资估算等五方面进行比选。

推荐方案一：“危岩体清理+清理废渣回填+挖填场地平整+浆砌石挡墙+覆土绿化的治理″方案。对危岩体进行清除；区内存在的大量废渣予以清除回填采坑和对高陡边坡反向压坡脚，对边坡前缘处堆放压实废渣；压坡脚的废渣外侧修建浆砌石挡墙维持坡脚的稳定；多余的废渣用来回填采坑及地势较低处，然后对勘查区进行覆土绿化。该治理方案技术上可行，施工难度较大，风险在可控范围内，但边坡治理效果一般，露天采区“三区两线″及可视范围内，估算投资约2880万元。

推荐方案二：“坡面清理工程+挖填平整工程++浆砌石挡墙+田埂工程+覆土配肥工程+生物工程″。按照对采坑周边岩质边坡进行危岩体清理，采坑坑底平台进行挖填平整、复垦为耕地、有林地的总体思路进行设计。在台阶平台边缘修建小型挡土墙，防止水土流失，对采场平缓处进行平整，并覆土绿化，在自然恢复区设置宣传警示标语，封山育林，保护生态环境。

该治理方案技术上可行；治理效果较好，施工难度一般，风险在可控范围内；估算投资约5280万元。

推荐方案三：“削坡工程+清理废渣回填+挖填场地平整+浆砌石挡墙+覆土绿化的治理″方案。对采区边坡进行削坡；边坡清除的大量废渣予以清除回填采坑和对高陡边坡反向压坡脚，对边坡前缘处堆放压实废渣；压坡脚的废渣外侧修建浆砌石护坡维持坡脚的稳定；多余的废渣用来回填采坑及地势较低处，然后对勘查区进行覆土绿化。该治理方案技术上可行，边坡治理效果较好，施工难度较大，风险在可控范围内，但削坡工程量相对较大，治理工程会导致新的植被破坏，估算投资约8530万元。

4.4 方案比选

对三个治理方案从技术可行性、治理效果、施工难度、风险性、投资估算和投资效应比进行量化对比，考虑到绿色矿山建设标准要求高，尽可能达到更好的治理效果，所以讲治理效果分值比重加大，结果如表3所示。

表3 治理工程设计方案比选结果Tab.3 Results of comparison and selection of treatment engineering design schemes

经比选，方案一和方案二综合性相当，方案一治理投资相对方案二小，但治理效果不如方案二，方案三治理效果比方案二稍好，但治理资金相对较大。

为进一步分析不同方案适用性，采用投资效应比进行分析。如表3所示，方案一刚刚达到投资和效果收益均衡状态。方案二中投资有小幅度增加，但是治理效果出现显著改善，投资效应比最高。而对于方案三，虽然治理效果相比方案二有所提升，但是提升效果有限，但是投资却大幅度增加，导致投资效应比略小于1。因此考虑最终生态恢复效果和性价比，推荐设计采用方案二。