礦區(qū)廢棄地水土保持措施配置探討

李 猛，陳瑞華，席光超，左 琴

（海南省水利水電勘測設(shè)計研究院，海南 ?？?70203）

1 引言

礦產(chǎn)資源開采是迄今最大規(guī)模改變地球表面景觀和破壞地表生態(tài)系統(tǒng)的有組織的人類活動［1，2］。據(jù)統(tǒng)計，到20世紀末全國礦區(qū)累計被破壞的土地達2.88×106km2，并且每年以大約467km2的速度增長，使本已稀缺的土地資源呈加速減少的趨勢［2］。礦區(qū)廢棄地是指在采礦活動中所破壞的、未經(jīng)一定處理而無法使用的土地，包括：由剝離表土、開采的巖石碎塊和低品位礦石堆積而成的排土場廢棄地；礦體采完后留下的采空區(qū)和塌陷區(qū)形成的采礦區(qū)廢棄地；開采出的礦石經(jīng)選出精礦后產(chǎn)生的尾礦堆積形成的尾礦庫廢棄地；采礦作業(yè)面機械設(shè)施、礦山輔助建筑物和道路交通等先占用后廢棄的其他廢棄地［3］。礦區(qū)廢棄地生態(tài)系統(tǒng)的破壞十分嚴重，特別是土壤和植被的喪失，使土地失去利用價值，地表裸露，廢棄物大量堆積，形成了礦區(qū)最大的水土流失源；廢棄物內(nèi)的有毒有害物質(zhì)伴隨著水土流失污染土壤和水源。水土流失不但使礦區(qū)廢棄地的生態(tài)環(huán)境變得更加惡劣，也使礦區(qū)廢棄地的生態(tài)恢復(fù)變得更加困難。因此對礦區(qū)廢棄地進行水土流失治理就顯得尤為重要。本文在分析礦區(qū)廢棄地水土流失特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合對國內(nèi)外礦區(qū)廢棄地水土保持的研究，分別從時間和空間上進行礦區(qū)廢棄地水土保持措施配置，以期為我國礦區(qū)廢棄地的水土流失治理提供理論依據(jù)和成功模式。

2 礦區(qū)廢棄地水土流失特點分析

礦區(qū)廢棄地水土流失是指由于人為擾動地表或堆置固體廢棄物而造成的巖、土、廢棄物的混合搬運、遷移和沉積，其結(jié)果是導致水土資源的破壞和損失，最終使土地生產(chǎn)力下降甚至完全喪失，是一種典型的現(xiàn)代人為加速侵蝕。它包括礦區(qū)廢棄地及其影響區(qū)域范圍內(nèi)的水損失（包括水資源及其環(huán)境的破壞）和土體損失（包括土壤、巖石、土狀物、廢渣、尾礦等的流失）［4，5］。礦區(qū)廢棄地水土流失是在人為作用下誘發(fā)產(chǎn)生的，但完全不同于毀林開荒、陡坡種植等一般性的人為水土流失，具有以下幾個方面的特點。

（1）受礦產(chǎn)資源賦存地點和條件限制，礦區(qū)一般多位于山區(qū)、丘陵區(qū)和風沙區(qū)等水土流失嚴重的地區(qū)，土壤侵蝕模數(shù)背景值多在0.2～1.3萬t／km2·年之間［6］。采礦過程中，巖土擾動程度大，地表植被和土壤破壞嚴重，本來脆弱的生態(tài)環(huán)境很容易遭到損壞。采礦形成的廢棄地多為高陡邊坡和松散堆積體，地表裸露，土壤侵蝕變得更加劇烈。露天礦排土場頭幾年土壤侵蝕模數(shù)可達1.5～3.0萬t／km2·年［5］；據(jù)陜西省水土保持監(jiān)督部門在神府礦區(qū)大柳塔母河溝監(jiān)測，開礦后土壤侵蝕模數(shù)從1.0萬t／km2·年增加到2.1萬t／km2·年［6］。

（2）礦區(qū)廢棄地植被、土壤、巖層遭到破壞，尤其是地面塌陷，導致地表水滲漏、地下深層儲水結(jié)構(gòu)破壞，水損失由表層及深層，地面水文平衡和整個水分循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生改變。廢棄物中的有毒有害物質(zhì)伴隨著淋溶、地表徑流和滲漏，造成地表水和地下水污染，成為水資源破壞的一種特殊形式。礦區(qū)廢棄地水資源系統(tǒng)的破壞不僅影響礦區(qū)，而且波及周圍區(qū)域。

（3）礦區(qū)廢棄地土壤侵蝕類型多樣，使治理更加復(fù)雜、困難。礦區(qū)廢棄地地表裸露，大量廢棄物松散堆積，極易產(chǎn)生水力、風力侵蝕。采礦形成的高陡邊坡、巖性軟弱相間的層狀巖體邊坡、破碎結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)邊坡等均可能發(fā)生滑坡、傾倒和崩塌等重力侵蝕。另外，礦渣多堆放在原狀土上，土層結(jié)合不緊密、缺乏整體性，再因礦渣沉積時間短、質(zhì)地疏松，降雨后堆積物極易含水，且在結(jié)合部飽和，一旦發(fā)生超過排水能力的匯水，堆積物與底層土壤剝離，發(fā)生滑坡及泥石流［7］。礦區(qū)地面塌陷形成大面積的下沉盆地，因潛水位相對提高，極易引起土壤次生鹽漬化，固體廢棄物在風雨侵蝕下，其中的鹽類成分淋失匯集到低洼處，經(jīng)過蒸發(fā)作用也會使周圍土壤鹽漬化［8］。除了上述常見的土壤侵蝕類型外，礦區(qū)廢棄地還有固體廢棄物堆積體非均勻沉降、采空區(qū)塌陷、土砂液化等引起的特殊侵蝕類型［5］。

（4）礦產(chǎn)資源開發(fā)不可避免地要占用大量的土地，一般地說，露天采礦所占用土地面積相當于采礦場面積的5倍以上［9］。又如煤炭礦區(qū)，一般都屬大型或特大型區(qū)域開發(fā)項目，其組成有井工礦、露天礦、選煤廠等生產(chǎn)設(shè)施，機修廠、熱電廠和建材廠等輔助、附屬企業(yè)，礦區(qū)鐵路、公路、供水、供電等配套工程以及行政福利、生活居住、商業(yè)服務(wù)設(shè)施等。開發(fā)規(guī)模一般可達500～3000萬t／年，礦區(qū)范圍可達100～1200km2，人口可達3～10萬人，服務(wù)年限一般在100年左右，建設(shè)期長達5～20年［6］。伴隨著礦山開采，礦區(qū)廢棄地面積逐漸增大，水土流失影響范圍越來越廣，持續(xù)時間延長。礦區(qū)廢棄地水土流失是一個動態(tài)、有時空變化的過程。

3 國內(nèi)外礦區(qū)廢棄地水土保持概況

礦區(qū)廢棄地水土保持起源于土地復(fù)墾，是伴隨著土地復(fù)墾而發(fā)展的。土地復(fù)墾是指對在生產(chǎn)建設(shè)活動中，因挖損、塌陷、壓占等造成的破壞土地，采取整治措施，使其恢復(fù)到可利用狀態(tài)的活動，是研究人類生產(chǎn)活動造成的廢棄地的恢復(fù)與利用的方法和技術(shù)。礦區(qū)廢棄地水土保持實際上包括了礦區(qū)土地復(fù)墾的大部分內(nèi)容，但是土地復(fù)墾在復(fù)墾工藝、復(fù)墾地利用方向及其某些特殊技術(shù)方面是有別于水土保持的。礦區(qū)廢棄地恢復(fù)難度很大，若不及時采取水土保持措施，就會因為水土流失使土地復(fù)墾無法進行，或使新復(fù)墾土地再次毀壞而前功盡毀［5，10］。礦區(qū)廢棄地水土保持是土地復(fù)墾的前提和保證，必須貫穿于土地復(fù)墾的始終。下面結(jié)合礦區(qū)土地復(fù)墾對國內(nèi)外礦區(qū)廢棄地水土保持進行介紹。

國外礦區(qū)土地復(fù)墾最早始于德國和美國，德國在20世紀20年代初就開始對露天開采褐煤區(qū)進行綠化；50年代末到60年代許多國家陸續(xù)頒布有關(guān)法律、法令和法規(guī)，開展礦區(qū)土地復(fù)墾的實踐活動；進入70年代，土地復(fù)墾逐步形成了一門多學科、多行業(yè)、多部門聯(lián)合協(xié)作的系統(tǒng)工程［5，11］。礦區(qū)土地復(fù)墾的方式向多樣化發(fā)展，主要有：農(nóng)業(yè)復(fù)墾、林業(yè)復(fù)墾、旅游休閑勝地復(fù)墾、自然保護復(fù)墾、水域復(fù)墾和建筑復(fù)墾等［12］。為了提高復(fù)墾效率，降低復(fù)墾成本，穩(wěn)定和提高復(fù)墾地的生產(chǎn)力，在礦區(qū)廢棄地進行土地復(fù)墾過程中，通過確定和設(shè)計合理邊坡角度、沿等高線分割斜坡修筑臺階來保證邊坡穩(wěn)定，為植被恢復(fù)創(chuàng)造條件；修筑排水工程、斜坡固定工程、攔擋工程等，攔蓄降雨，保護邊坡穩(wěn)定，防治復(fù)墾地土壤侵蝕；在復(fù)墾土地上采取植物恢復(fù)措施，主要目的是覆蓋地表，控制水土流失，包括立地條件的調(diào)查、分析和評價，先鋒植物種的試驗篩選，立地改良措施，播種、種植技術(shù)和特殊植被恢復(fù)技術(shù)等。這些措施在改良、維護和提高復(fù)墾土地生產(chǎn)力的同時，也起到防治礦區(qū)廢棄地水土流失的作用。

我國礦區(qū)土地復(fù)墾工作開始于20世紀50年代末，直到80年代后期，全國開展復(fù)墾的礦山企業(yè)不足1%，已復(fù)墾利用的土地不到被破壞土地的1%。為了保護國土資源、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，國務(wù)院1988年12月第19號令頒布了《土地復(fù)墾規(guī)定》，以法規(guī)的形式對土地復(fù)墾工作進行了規(guī)定，提高了全國各行業(yè)的復(fù)墾意識，使土地復(fù)墾工作有了長足的發(fā)展。但是由于經(jīng)濟和技術(shù)等方面的原因，目前我國土地復(fù)墾率為12%左右，遠遠落后于復(fù)墾先進國家［13，14］。我國礦區(qū)土地復(fù)墾，農(nóng)林利用是很重要的方面，復(fù)墾技術(shù)主要包括場地平整、覆蓋表土、基質(zhì)改良并結(jié)合適生樹種的篩選等。這些復(fù)墾技術(shù)也起到了水土保持作用。

根據(jù)對國內(nèi)外礦區(qū)廢棄地水土保持的研究，礦區(qū)廢棄地水土保持與土地復(fù)墾有著密切關(guān)系，貫穿于土地復(fù)墾之中，為土地復(fù)墾服務(wù)，但并未形成獨立的體系。這就導致礦區(qū)廢棄地水土保持研究更多地以保護復(fù)墾土地為出發(fā)點，對一些沒有復(fù)墾利用價值的廢棄地的水土流失治理研究較少；對閉礦后礦區(qū)廢棄地水土保持研究較多，而并未重視采礦過程中形成的廢棄地的水土流失。

4 礦區(qū)廢棄地水土保持措施配置

常規(guī)的水土保持措施只是針對相對靜止的原地貌，而礦區(qū)廢棄地水土保持措施是面對有時空變化的新地貌，下面分別從時間和空間上對礦區(qū)廢棄地水土保持措施進行配置。

4.1 不同時段水土保持措施配置

4.1.1 采礦前水土保持措施

采礦項目立項后，根據(jù)《水土保持法》規(guī)定編制《水土保持方案報告書》，報告書的編寫要在實地勘察和熟悉采礦工藝的基礎(chǔ)上進行。在《水土保持方案報告書》和項目獲得批準后，根據(jù)“三同時”制度，進行水土保持設(shè)施施工。前期實施的水土保持措施在減少項目土建過程中的水土流失、保障后期生產(chǎn)安全、美化綠化礦區(qū)環(huán)境等方面起到很大作用，也為采礦過程中不斷形成的礦區(qū)廢棄地的水土流失防治打下堅實基礎(chǔ)，尤其是排土場、尾礦庫的攔擋、排水措施等。

4.1.2 采礦過程中水土保持措施

過去我國采礦企業(yè)普遍存在“重開采，輕保護”的現(xiàn)象，對采礦過程中形成的大量廢棄地沒有采用任何水土保持措施，嚴重的水土流失造成了巨大的經(jīng)濟損失，也使閉礦后的水土流失治理變得更加困難。所以，對采礦過程中形成的廢棄地，要“邊開采，邊治理”。這就要求編制礦山采掘計劃時，綜合考慮采礦和水土保持的要求，融水土保持與采礦于一體，統(tǒng)籌規(guī)劃采剝作業(yè)和水土流失治理作業(yè)。采用“剝離、采礦、水土流失治理”一體化工程技術(shù)（圖1），首先，剝離采礦場、排土場等將要破壞或占壓土地的表土，進行集中堆放，并結(jié)合覆蓋、撒播草籽、攔擋等臨時措施進行防護；然后，采取分區(qū)開采、采場外部配礦及強化采礦等先進技術(shù)，并將開采的巖石碎塊和低品位礦石運往排土場，或者進行采空區(qū)內(nèi)排，排土過程中，嚴格按照設(shè)計的安全邊坡坡度和坡高進行堆放，按“上土下巖、上細下粗、上中性下酸堿性、上易風化下難風化、上肥下貧”的排土順序，分層碾壓，并與修建的擋土墻和排水措施緊密結(jié)合；最后，在排土完畢后，將剝離表土回填，并進行整地、土壤培肥、植被恢復(fù)以及配套排水措施等，達到水土流失治理的目的?！皠冸x、采礦、水土流失治理”一體化工程技術(shù)在廢棄地形成之后即采取水土保持措施，減少了采礦過程中礦區(qū)廢棄地的水土流失，也使閉礦后的水土流失治理變得更加容易。

圖1 “剝離、采礦、水土流失治理”一體化工程技術(shù)流程

4.1.3 閉礦后水土保持措施

礦區(qū)一般占地面積比較大，開采時間長。大部分礦區(qū)廢棄地在采礦過程中采取了水土保持措施，閉礦后，對已實施的水土保持措施進行檢查、驗收和經(jīng)驗總結(jié)，并不斷完善剩余廢棄地（輔助建筑物占地及道路占地等）的水土保持措施，使整個礦區(qū)廢棄地的水土保持措施形成一個完整的體系。礦區(qū)廢棄地進行水土流失治理后產(chǎn)生了一定生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，但是這種效益需要有人繼續(xù)進行生產(chǎn)性投資和經(jīng)營管理。如果得不到有效地管護，已采取的水土保持設(shè)施就不能很好地發(fā)揮效益。但礦區(qū)廢棄地面積大，全部由礦山進行管理會使其負擔日益加重。這是影響礦山水土流失治理積極性的一個嚴重問題。解決這一問題的出路是如何將治理好的土地轉(zhuǎn)交給當?shù)剞r(nóng)民經(jīng)營管理。由于礦山土地為國家所有，不能任意出讓，目前有關(guān)部門向國土資源部提出“農(nóng)民集資治理”、“租地”等方式來解決水土流失治理土地的歸屬問題，以使治理好的土地能夠最大地發(fā)揮水土保持效益。

4.2 不同區(qū)域水土保持措施配置

4.2.1 總體配置

礦區(qū)廢棄地分布類型多樣，包括排土場廢棄地、采礦區(qū)廢棄地、尾礦庫廢棄地、道路及附屬建筑等先利用后廢棄土地，其中排土場分為填凹式和堆山式，采礦區(qū)又由露天開采和井工開采兩種方式形成。不同類型區(qū)的水土流失形式及強度均不一樣，根據(jù)不同廢棄地的水土流失特點，進行工程措施、植物措施和臨時措施相結(jié)合的水土保持措施總體配置，見表1。

表1 礦區(qū)廢棄地水土保持措施總體配置

4.2.2 礦區(qū)廢棄地水土保持關(guān)鍵技術(shù)措施

每個礦區(qū)廢棄地水土保持措施體系的建立，應(yīng)根據(jù)具體情況，按輕重緩急，有主有次，逐步完成。整體上來講，礦區(qū)廢棄地水土保持關(guān)鍵技術(shù)措施主要是：

（1）土地整治。當排土場、尾礦庫的廢棄物堆放達到設(shè)計標高，采礦區(qū)礦產(chǎn)開采完畢，首先對形成的廢棄地進行土地整治，為后續(xù)植物措施等布設(shè)打下基礎(chǔ)。地面平緩、面積大的廢棄地只用大型松土機統(tǒng)一整平。對廢棄物堆放和礦產(chǎn)開采形成的山丘和邊坡廢棄地，多平整成階梯式，為便于邊坡治理，邊坡角度控制在25°以內(nèi)，平臺整治成內(nèi)低外高，橫向坡度為2°～3°，縱向坡度為3%～5%，與內(nèi)側(cè)設(shè)置的排水措施相結(jié)合，以利保水保墑和暴雨期間引導平臺匯水排出，保障平臺穩(wěn)定。沿平臺眉線修筑斷面為梯形、高度不低于0.5m的土石埂，攔截平臺匯水，避免形成徑流沖刷邊坡［11］，詳見圖2。

圖2 階梯式整地及水土保持措施配置

（2）排蓄水工程。礦區(qū)廢棄地土地整治過程中，配套進行排蓄水工程建設(shè)。在階梯式整地平臺內(nèi)側(cè)修建截水溝，邊坡修建截水溝、急流槽，將平臺、坡面雨水匯入垂直等高線方向的排水溝內(nèi)，結(jié)合沉砂池排入低處蓄水池內(nèi)，同時完善道路及附屬建筑物的排、蓄水系統(tǒng)。這樣即減少了雨水對地表的沖刷，又解決了礦區(qū)廢棄地水資源緊缺的問題。

（3）邊坡固定工程。開挖或堆積形成的邊坡，極易因各種因素作用而失衡，發(fā)生水力、重力侵蝕等，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性和對周圍影響來確定不同類型的邊坡固定工程。對于穩(wěn)定性較好且周圍無建筑物的邊坡，采用覆土并結(jié)合人工栽植喬灌草、鋪草皮等植物措施，對于覆土困難的邊坡可以采用液壓噴播技術(shù)，或者結(jié)合混凝土框格、三維網(wǎng)、植生帶、土工格室等措施固土進行植被恢復(fù)；對于不穩(wěn)定或周圍有工業(yè)設(shè)施、居民點的邊坡，采用水泥噴漿護坡、錨桿噴漿護坡、漿砌石護坡、護面墻護坡等工程措施［15］。邊坡固定工程要與排蓄水工程緊密結(jié)合，發(fā)揮最大效益。

（4）廢棄物攔擋工程。礦區(qū)廢棄物堆置溝道、凹地、平地，形成大量松散的堆積體，特別是傾斜溝道、河道內(nèi)極易引起泥石流，因此需要修建各種攔擋建筑物，如攔渣壩、擋土墻、尾礦壩等措施。如果下游有重要工業(yè)設(shè)施、居民點等，更應(yīng)高度重視，要進行水土流失定位監(jiān)測，以防患于未然。

（5）防洪及泥石流排導工程。大多礦區(qū)排土場、尾礦庫侵占排洪河道，使行洪能力降低，汛期洪水危害嚴重，疏浚河道、修筑護堤，配合攔擋工程達到防洪防汛的目的。如果危害太大，可以考慮改變排洪河道。在山區(qū)，坡面巖土體的破壞和溝道廢棄物的堆放，為泥石流的形成創(chuàng)造條件，在修筑各類攔擋建筑物的同時，考慮泥石流的排導工程，做到攔排結(jié)合，綜合治理。

（6）植被重建技術(shù)。幾乎所有情況下，礦山開采活動的干擾都超過了開采前生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的承受限度，若任由礦區(qū)廢棄地依靠自然演替恢復(fù)，可能需要100～10000年［16］。在礦區(qū)廢棄地影響植物定居的主要環(huán)境脅迫因子有［17，18］：物理結(jié)構(gòu)不良，持水保肥能力差；極端貧瘠，N、P、K及有機質(zhì)含量極低；重金屬毒性大，抑制植物的正常生長；極端pH值（強酸或強堿性）；干旱或鹽分過高引起的生理干旱；表層不穩(wěn)定性和表層溫差變化大。因此必須對礦區(qū)廢棄地進行基質(zhì)改良和適生植物篩選才能達到植被重建的目的。

表土覆蓋是最簡單且有效的基質(zhì)改良措施，最好是利用原表土，平臺覆土厚度0.6～0.8m，邊坡最佳復(fù)土厚度為0.15～0.20m，這樣既保證了邊坡植被的出苗率，又不造成工程的浪費［19］；施工中仍應(yīng)保持整地留有的反坡和縱坡，避開雨季，盡量使用輕型履帶式設(shè)備，避免造成對土壤結(jié)構(gòu)的破壞?；蛘卟捎靡恍┖^高有機質(zhì)的無害廢料，如污泥、堆肥、泥炭土、牲畜糞便、生活垃圾等與基質(zhì)混合或直接覆蓋，必要時再施加石灰、化肥、保水劑等進行改良。在土壤基質(zhì)改良后，可以先播種牧草，提高土壤肥力，豆科植物中的草木樨（Melilotus suaveolens）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、紅 豆草（Onobrychis vicilfolia）、香豌豆（Lathyrus odoratus）等皆適于播種［20］。

目前許多學者在不同的礦區(qū)廢棄地上篩選出了大量能夠富集有毒有害物質(zhì)且生長良好的植物（見表2）。植被品種篩選好后只能作為先鋒品種來種植，要達到長久治理的目的必須喬、灌、草搭配，進行多植被間種、套種、混種。植被栽植時可以結(jié)合魚鱗坑、水平階整地，達到蓄水保墑目的。

（7）臨時措施。在采礦過程中，對剝離表土采取臨時防護措施，包括土工布覆蓋或撒播草籽、編織袋擋土墻、排水溝、沉砂池等，可以防止雨水沖刷或大風吹蝕，以減少水土流失，保持土壤養(yǎng)分。由于廢棄地形成時間比較長，大量裸露邊坡并不能及時得到治理，采用臨時排水溝和臨時擋土埂等措施。臨時措施的實施減少了廢棄地形成過程中的水土流失，降低了后期廢棄地治理的難度（表2）。

表2 可用于我國礦區(qū)廢棄地植被重建的植物種

5 結(jié)語

礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用，對經(jīng)濟發(fā)展起了巨大推動作用，但也對環(huán)境產(chǎn)生重大影響。礦山開采形成了大量廢棄地，其水資源破壞嚴重，土壤侵蝕劇烈，水土流失影響范圍廣、持續(xù)時間長。國內(nèi)外礦區(qū)廢棄地水土保持研究多是伴隨著礦區(qū)土地復(fù)墾開始的，其沒有形成獨立的體系。本文分別從時間上（采礦前、采礦中、閉礦后）和空間上（排土場廢棄地、采礦區(qū)廢棄地、尾礦庫廢棄地、道路及附屬建筑等先利用后廢棄土地）對礦區(qū)廢棄地水土保持措施進行總體配置，并對礦區(qū)廢棄地水土保持關(guān)鍵技術(shù)措施進行介紹，以期為礦區(qū)廢棄地水土流失治理提供理論依據(jù)和成功模式。

對礦區(qū)廢棄地水土流失治理的建議：相關(guān)科研單位應(yīng)當加強礦區(qū)廢棄地水土流失治理新技術(shù)的研究，并提出礦區(qū)廢棄地水土流失治理標準；水土流失治理是事關(guān)子孫后代的大事，國家應(yīng)加強礦區(qū)廢棄地水土保持工作的專門立法，采用貼息、低稅和低息貸款等優(yōu)惠政策，鼓勵企業(yè)進行水土流失治理；改革礦區(qū)土地征用制度，理順礦山企業(yè)與地方政府之間的關(guān)系，本著“誰治理，誰受益”的原則，保障企業(yè)水土流失治理的經(jīng)濟利益。

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