高寒地区矿山边坡生态修复技术研究

赵 满,严 桥,冯金根,陈 涛,贾洋海

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江省华东生态环境工程研究院,浙江 杭州 311122)

我国是矿产资源开发利用大国,《中国矿产资源报告(2023)》显示,截至2022年底,我国已查明矿产资源有173种,每年矿产资源消耗量在50亿t以上[1-2]。矿产资源的开发利用在推动国民经济发展的同时,因挖、填、压、占等高强度地表扰动重塑矿区地形,破坏地表植被,引发水土流失[3],同时未合理处置的废水、废渣等还会污染地下水和土壤,从而对区域生态环境造成影响[4]。我国自20世纪50年代便已开展了矿山生态修复相关研究,但受制于当时相关的法律、规范、技术等,矿山生态修复率一直低于发达国家水平[2]。进入21世纪后,随着我国立法系统的不断完善,特别是党的十八大召开以来,以习近平同志为核心的党中央把生态环境保护提到了前所未有的战略高度,矿山生态修复工作亦成为当前生态文明建设的重要内容和学术界热点研究内容之一。

徐俏等[4]研究表明,生态袋、挂网喷浆植生等技术,因成本高且易受到项目区水、土等自然条件限制,故在新疆地区并不适用;沈维明等[5]结合北京市部分关停废弃矿山修复案例,研究了生态植被袋及格宾网两种矿山边坡关键性生态修复技术,认为前者可用于土石混合坡面,后者则适用于缓坡、短坡,当坡面缺土时,二者可结合使用;罗明等[6]从山水林田湖草生命共同体角度出发,对粤北南岭山区典型矿山生态修复进行研究,研发出适用于当地矿山废弃地边坡的“原状基质改良+直接立体植被配置”修复模式;魏鹏等[7]通过对长江流域四川省境内千余座历史遗留矿山开展现场调研,发现该区域矿山边坡生态修复方式主要包括自然修复、坡脚植被重建、削坡、覆土、挂网喷播、穴植等;赵方莹等[8]在黄河流域内蒙古准格尔旗采煤矿区的研究表明,对坡度超过25°的坡体实施削坡、放坡,然后通过实施水平沟、反向水平条、鱼鳞坑等措施,可有效防止水土流失。

西藏地区位于青藏高原腹地,矿产资源丰富,目前已查明的矿产资源有百余种,其中铜、铬、硼等矿产在我国占重要地位[9]。但该地区具有高寒、降水稀少、植被单一等特点,自然条件恶劣,属于我国典型的生态环境脆弱区,因此矿山生态环境修复和治理的难度大。同时,因其地理位置的特殊性,故相关研究开展也较少。鉴于此,本研究以拉萨墨竹工卡县甲玛铜多金属矿为例,探讨分析高寒地区矿山边坡生态修复技术,以期为该地区后续类似工作开展提供一定的借鉴和指导。

1 项目概况

1.1 自然地理概况

甲玛铜多金属矿项目区位于西藏自治区拉萨市墨竹工卡县甲玛乡青藏高原冈底斯山脉东段,距拉萨市区68 km、墨竹工卡县城7 km,地理位置为29°37′49″～29°43′53″N、91°43′06″～91°50′00″E,总占地面积约1 063.26 hm2。项目区地势起伏较大,整体呈中间高、两侧低的特征,最高点海拔5 735 m,最低点约3 900 m,相对高差约1 835 m。属温带高原半干旱季风气候区,年均气温6.1 ℃,昼夜温差悬殊,干湿季节明显,夏季温和湿润,冬季寒冷干燥;年均降水量556.9 mm,6—9月为雨季,降雨集中、多暴雨,且常伴有雷电、冰雹,易引发短时山洪、泥石流等自然灾害;年均水面蒸发量2 132.0 mm;年均日照时数2 813.1 h。土壤类型主要为高山寒漠土、高山草甸土、亚高山草甸土、灌丛草原土等。受冰川作用影响,土壤的形成发育历史很短,发育程度弱,土层浅薄,厚度为10～50 cm,且砂、砾含量高。植被类型主要为高寒灌丛、草甸,具有植被类型贫乏、结构简单的特点,整体林草覆盖率约为40%。区内主要河流为甲玛沟支流塔隆普河和墨竹玛曲支流斯布普河,两处河谷均呈V形发育,基岩裸露,平时河谷无水,雨季会形成短暂的洪水。

1.2 矿山建设概况

甲玛铜多金属矿采用露天-地下联合开采方式,生产规模约1 260万t/a,开采矿种有铜、钼、铅、锌、金、银等,矿产资源量以铜最多,约740万t,工程布局包括生活营地、排土场、露天采场、废石场、选厂、尾矿库、皮带走廊、溜矿井、通风井、驱动站、破碎站及矿山道路等。

2 矿山主要生态环境问题

2.1 地貌景观破坏及土地资源损毁

结合相关资料及现场调查,项目区原土地利用类型主要为林地、草地。其中,草地(天然牧草地和其他草地)占地面积为567.89 hm2,林地(灌木林地)占地面积为269.68 hm2。

在开采、运输、加工及办公生活区建设过程中会压占、挖损草地和灌木林地,造成山体边坡大面积裸露,引发水土流失,损毁土地资源。据统计,甲玛铜多金属矿建设过程中共损毁土地面积1 063.26 hm2,根据此项目《地质环境保护与土地复垦方案》中矿区土地损毁程度分级评价方法,将矿区土地损毁情况分为轻度、中度和重度3级,其中中度、重度损毁面积占总损毁面积的92.77%,且主要集中在采矿区、办公生活区及道路区(见表1),其地貌景观破坏及土地资源损毁实景见图1。

图1 地貌景观破坏及土地资源损毁实景

表1 矿区土地损毁情况

2.2 边坡水土流失

项目区为藏南温暖半干旱高原宽谷冻融侵蚀、水蚀区,土壤侵蚀以冻融侵蚀和水蚀为主,属于西藏自治区水土流失重点治理区。原地貌遭到破坏后,极易引发水土流失,且以边坡部位最为严重,主要体现在矿山挖损边坡和排土场堆垫边坡(见图2)。挖损边坡表土层浅薄,植被类型贫乏、结构简单,一旦土壤和植被遭到破坏,短时间内难以恢复,在汇水的影响下边坡部位极易出现水土流失;堆垫边坡是由大量弃土、弃渣集中堆置形成的松散、裸露的堆积体,其组成物质复杂、固结性差,可蚀性较原地貌会增大数十倍[10],受当地雨季暴雨天气影响,易出现多种类型侵蚀,严重者会引发滑坡、泥石流等自然灾害。

图2 项目区边坡侵蚀沟实景

3 矿山边坡生态修复治理方案

现状条件下矿山需实施生态环境恢复治理的具体内容主要包括地貌景观恢复与重构、植被恢复和水土流失治理;治理范围主要包括采矿场、矿区工业场地、排土场、尾矿库、矿山道路、办公生活区等,同时兼顾后续生产中可能遭受破坏的其他区域。

3.1 植物种选择

依据《西藏植被》中植被分区,项目区属雅鲁藏布江中游谷地亚高山灌丛草原区,植被垂直地带性明显,河谷灌丛草原和高山灌丛草甸植被并行发育。结合当地气候条件和项目区周边植被分布情况,灌木树种选沙棘、拉萨小檗等,草种主要选垂穗披碱草、老芒麦、蒿草、黑麦草、高羊茅等。种植时间宜在每年的5—8月。

3.2 边坡防护方案

矿山边坡按照其扰动过程大体可分为开挖边坡、回填边坡两种。根据立地条件,开挖边坡可分为土石混合边坡、岩质边坡和土质边坡3种;回填边坡可分为土质边坡、土石混合边坡和溜渣边坡3种。项目区属高寒地区,立地及生境条件差,不太适合直接采用攀缘植物绿化,结合该区域其他矿区生态修复经验,确定采用客土喷播植草、喷混植生、生态袋挡坎等生态工程护坡技术。

3.2.1 开挖边坡防护方案

项目区内开挖边坡大部分为土石混合边坡,少部分为岩质边坡、土质边坡。按照国内现有边坡护坡经验,开挖边坡护坡一般有两种途径:一是在坡脚设置种植槽或种植穴,并栽植攀缘植物进行坡面绿化;二是采用在坡面上固定植生的生态工程护坡。岩质及土石混合边坡普遍坡比大于1∶1.2,立地条件较差,采用三维植被网+客土喷播植草护坡;对坡度较缓、坡比小于1∶1.2的开挖边坡,采用客土喷播植草护坡。为防止土质边坡发生滑塌,先进行削坡处理,而后采用客土喷播植草护坡(见表2)。其中三维植被网+客土喷播植草主要施工工艺为:先对坡面进行清理,清除危石,坡面整治平顺后沿坡面从上至下铺设三维植被网,并采用U形钉进行固定,U形钉入岩深度不小于0.50 m,前后间距约0.50 m、左右间距约0.70 m;然后将含草籽的绿化基材喷播到三维植被网中,基材喷播厚度9～12 cm,基材由过筛腐殖土、黏合剂、草纤维、有机肥、三元复合肥、种子等按比例搅拌均匀后制成;喷播后,加盖无纺布,定期洒水养护。其典型设计见图3。

图3 三维植被网+客土喷播植草护坡典型设计(单位:cm)

表2 开挖边坡生态修复设计

3.2.2 回填边坡防护方案

对于土质、土石混合边坡,若其坡度较缓、坡比小于1∶2,或通过分级削坡后坡比小于1∶2,采取覆土+撒播灌草种护坡;若其坡比大于1∶2,采用挂双层网+喷混植生护坡。溜渣边坡坡面大部分松散堆积的土石混合物一般呈自然休止角堆置在下坡面上,对坡面较陡的普通溜渣区域,因溜渣体覆盖层薄,只需对坡面溜渣进行清理,恢复原状地貌后,喷混植生护坡;对溜渣坡面较缓区域,因溜渣体堆积层较厚,清理难度大,仅需清理坡面浮石,坡面整治平顺后,分级布设生态袋挡坎,喷混植生护坡。回填边坡生态修复设计见表3。

表3 回填边坡生态修复设计

1)挂双层网+喷混植生主要施工工艺为:先对坡面进行清理,清除危石;双层网采用菱形铁丝网,网孔5 cm×5 cm、丝径2 mm,包塑镀锌,内外网采用φ10 mm、φ12 mm锚钉压网,锚钉按照坡面间距2.0 m×2.0 m布置,入岩深度不小于50 cm,使网片紧贴坡面,网片左右搭接宽度不小于10 cm,内外网错缝不低于幅宽的1/3;将过筛腐殖土、土壤稳定剂、草纤维、有机肥、专用添加剂、P42.5硅酸盐水泥(5%～10%)、pH缓冲剂、草种等按比例搅拌均匀后进行喷播,喷播厚度为6～10 cm;喷播后,加盖无纺布,定期洒水养护。典型设计见图4。

图4 挂双层网+喷混植生护坡典型设计(单位:cm)

2)生态袋挡坎+喷混植生主要施工工艺为:先对坡面进行清理,清除危石;沿坡面竖向布设φ20 mm钢筋(水平间距1.20 m),并用M14膨胀螺栓固定(入岩深度2.0 m、水平间距1.20 m、竖向间距1.20 m),并在钢筋上绑扎φ10 mm钢筋钩爪(竖向间距0.60 m、水平间距1.20 m),用以固定生态袋;生态袋内装填掺杂有机肥的土壤后封口,再采用三维排水联结扣衔接生态袋;将过筛腐殖土、土壤稳定剂、草纤维、有机肥、专用添加剂、P42.5硅酸盐水泥(5%～10%)、pH缓冲剂、草种等按比例搅拌均匀后,在生态袋表面采用液压喷播,喷播厚度6～10 cm;喷播后,加盖无纺布,定期洒水养护。其典型设计见图5。

图5 生态袋挡坎+喷混植生护坡典型设计(单位:cm)

4 水土保持效益分析

水土保持效益主要通过植被措施实施前、后的土壤侵蚀量变化来进行计算,其计算公式为

Q=V1×S1+V2×S2+…+Vn×Sn

(1)

式中:Q为植被土壤保持量,单位t/a;V1,V2,…,Vn为不同类型植被的覆盖面积,单位hm2;S1,S2,…,Sn为不同类型植被的单位土壤保持量,单位t/(hm2·a)。

本项目矿山边坡绿化修复时,采用的植被类型主要为灌木、草,其单位土壤保持量分别取4.83、2.96 t/(hm2·a)[11-12],经计算,在植被措施完全发挥作用的情况下,项目区矿山边坡可减少土壤侵蚀量约1 392 t/a。

5 结束语

拉萨墨竹工卡县甲玛铜多金属矿项目区自然条件恶劣,生态环境脆弱,矿山开采易引发地貌景观破坏、土地资源损毁和水土流失等诸多问题,生态修复难度较大。因地制宜地设计修复治理方案,建立矿山生态环境保护与恢复治理管理机制,可最大限度地减轻矿山开采对当地生态环境的影响,对促进生态环境保护与矿业生产活动的协调发展具有重要意义。