西部礦區(qū)土地損毀評價及農(nóng)光互補修復(fù)技術(shù)研究

吳海軍，姚海飛，鄭忠亞

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

我國作為世界能源大國，煤炭資源在一次能源消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)著絕對主導(dǎo)地位。2016年全國原煤產(chǎn)量前三甲分別是內(nèi)蒙古：0.838Gt，占比24.9%；山西：0.816Gt，占比24.3%；陜西：0.52Gt，占比15.5%[1]。內(nèi)蒙古自治區(qū)的煤炭資源大多集中在西部地區(qū)。煤炭資源開采活動在給經(jīng)濟發(fā)展注入強大動力的同時，也給礦區(qū)土地資源造成了嚴重的損毀[2]、對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害。因此，開展西部礦區(qū)土地損毀程度評價分級，并據(jù)此采取有針對性的礦區(qū)環(huán)境修復(fù)措施，對于科學(xué)合理地利用煤炭資源，促進礦區(qū)經(jīng)濟與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 礦區(qū)土地損毀

煤炭資源開采對礦區(qū)土地造成損毀的主要表現(xiàn)形式有：土地挖損、壓占土地、地下采空區(qū)、地表沉陷、地裂縫、地下水疏干、堆渣自燃、土壤及水體污染等。其中，土地挖損、地表沉陷、地裂縫、堆渣自燃是直觀表象上損毀最嚴重的形式，對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境會帶來不利影響；土壤及水體污染是對土地資源的深層次破壞，直接導(dǎo)致礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)受損，甚至完全破壞[3]。為了在合理開發(fā)利用礦產(chǎn)資源的同時，科學(xué)地做好礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與修復(fù)，需要對礦區(qū)土地的損毀程度進行評價和分級。

綜合分析礦區(qū)土地損毀的各種形式，對其損毀程度影響最大的形式歸結(jié)為土地挖損、開采沉陷、堆渣自燃及重金屬污染[4]。因此對礦區(qū)土地損毀評價主要從這四方面開展，具體評價標準見表1。

1.1 土地挖損

土地挖損是由于采礦活動致使礦區(qū)原地表形態(tài)、土壤結(jié)構(gòu)、地質(zhì)層組、地表生物等直接被摧毀，原生態(tài)系統(tǒng)不復(fù)存在，土壤失去再植能力，對土地資源的破壞是最直接的，也是毀滅性的。礦區(qū)土地挖損主要包括露天煤礦(包括地表煤層露頭線盜采亂掘地)開采、取土、挖土石方、開山等面狀工程；礦山所需興修水利、鐵路、公路等線性工程活動，井工開采煤礦興修井筒、井口等點狀工程活動等。礦區(qū)土地挖損情況一般以土地挖損率表示(Ws)，公式如下：

表1 礦區(qū)土地損毀評價分級

注：分級確定采取上一級別優(yōu)先原則，只要有一項要素符合某一級別，就定為該級別。

式中，Ws為礦區(qū)土地挖損率；S挖損為礦區(qū)挖損土地面積；S總為礦區(qū)總面積。

1.2 開采沉陷

開采沉陷是指地下煤炭采出后，上覆巖層移動和變形的過程[6]。煤層上覆巖層的移動和變形反映到地表，就產(chǎn)生沉陷和塌陷，從而對土地資源構(gòu)成破壞和損毀。對礦區(qū)開采沉陷程度進行評價主要從水平變形、附加傾斜和下沉量三方面考慮。

Wmax=m·q·cosα

Umax=b·Wmax

式中，Wmax為地表最大下沉值，mm；imax為地表最大傾斜值，mm/m；Kmax為地表最大曲率值，10-3/m；εmax為地表最大水平變形值，mm/m；Umax為地表最大水平移動值，mm；m為煤層法線采厚，m；q為下沉系數(shù)；α為煤層傾角，(°)；b為水平移動系數(shù)；r為主要影響半徑，m。

1.3 堆渣自燃

堆渣自燃釋放大量的有毒有害氣體，對礦區(qū)的空氣、土壤及水體均會產(chǎn)生極大的影響，破壞當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境；堆渣自燃還可能誘發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，威脅礦區(qū)居民的生命和財產(chǎn)安全。對堆渣自燃的危險性評價主要從堆渣的自燃傾向性、漏風(fēng)供氧條件、聚熱散熱條件和外界條件幾個方面進行[7]，以危險度分值D來表示：

式中，Cij為各二級評價指標的分項權(quán)重；Ci為各評價指標的權(quán)重；Bij為各分級標準評價得分。

1.4 重金屬污染

對于重金屬污染的評價，其方法主要有單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、綜合響應(yīng)因子法、生物效應(yīng)濃度法及潛在生態(tài)危害指數(shù)法等。在眾多方法中，目前被大家廣泛采用的是潛在生態(tài)危害指數(shù)法，該方法主要以土壤、沉積物中重金屬的元素背景值為基礎(chǔ)，并結(jié)合重金屬的生物毒性系數(shù)、生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)，計算出重金屬生態(tài)危害指數(shù)(RI)值[8]。

2 農(nóng)光互補修復(fù)技術(shù)

目前我國西部地區(qū)發(fā)展建設(shè)步伐不斷加快，礦產(chǎn)資源消耗量巨大。在礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的同時對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的損毀，威脅礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康及周邊居民的正常生活。隨著“十三五”規(guī)劃對礦區(qū)環(huán)境恢復(fù)治理力度的加大，對損毀礦區(qū)的環(huán)境進行恢復(fù)治理顯得尤為重要。針對礦區(qū)環(huán)境恢復(fù)治理，傳統(tǒng)的治理手段及修復(fù)技術(shù)已經(jīng)不能滿足目前土地損毀嚴重、礦產(chǎn)資源緊張等新形勢的需求。因此，未來的發(fā)展趨勢是在做好礦區(qū)恢復(fù)治理的同時，能夠持續(xù)推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，解決傳統(tǒng)能源有限、不可再生的難題。光伏發(fā)電作為一種新的電能生產(chǎn)方式，以其無污染、無噪音、維護簡單等特點顯示出了無比廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景，是最具潛力的能源開發(fā)領(lǐng)域[12]。農(nóng)光互補修復(fù)技術(shù)即在工程治理措施的基礎(chǔ)上，結(jié)合生物措施和光伏發(fā)電技術(shù)，實現(xiàn)礦區(qū)恢復(fù)治理與新能源的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2.1 工程治理

對礦區(qū)環(huán)境的綜合治理，首先需要根據(jù)礦區(qū)土地的損毀程度等級，采取適當(dāng)?shù)墓こ讨卫泶胧渲庇^災(zāi)害及隱患、維護其安全穩(wěn)定。

無論是露天礦區(qū)還是井工礦區(qū)，首先應(yīng)對煤田、排矸場或矸石山進行自燃危險性評價，對危險區(qū)的隱蔽火源進行準確探測，這是綜合治理的前提和基礎(chǔ)[13]。目前，諸如磁探法、電阻率法、無線電波法、地質(zhì)雷達探測法、遙感法、計算機數(shù)值模擬法和氣體測量法等常規(guī)單一的探測方法無法實現(xiàn)隱蔽火源的精準定位?；诖?，我們提出紅外+氣體+同位素測氡+鉆孔測溫的綜合探測方法(圖1、圖2)：以紅外探測技術(shù)結(jié)合氣體檢測數(shù)據(jù)，初步圈定地表高溫范圍；再以同位素測氡法測算出內(nèi)部溫度異常區(qū)；最后施工測溫鉆孔，探測異常區(qū)的溫度，實現(xiàn)探測區(qū)高溫火源的定位，為滅火工作提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 阿拉善溝北項目CH4、CO濃度曲線

圖2 阿拉善溝北項目同位素測氡值異常

找出火區(qū)高溫火源的位置和影響范圍之后，就可以結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，實施滅火工程，優(yōu)先考慮滅火效果最徹底的直接挖除火源法；若直接挖除的經(jīng)濟可行性差，則設(shè)計密閉封堵和注漿等綜合防滅火措施，徹底熄滅火區(qū)，根除火情。在消除礦區(qū)內(nèi)的火情之后，則需要對露天礦區(qū)或井工礦的排矸場、矸石山等進行削坡整形、土地整理。對于削坡整形后的邊坡，若坡度和高度較大，為保證其安全穩(wěn)定需要在坡腳處修建擋墻，坡面采取格構(gòu)、拱架等形式的護坡。除了擋墻和護坡，在礦區(qū)內(nèi)要結(jié)合整理后的地形，設(shè)計疏排水系統(tǒng)。

2.2 生物融合

生物融合是在工程治理措施完成后，結(jié)合治理區(qū)周邊的生態(tài)情況，實施生物措施，恢復(fù)或者重建當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，構(gòu)建健康完善的生物群落，使其可持續(xù)發(fā)展。針對西部礦區(qū)的生物融合措施主要從植被生長基質(zhì)重構(gòu)和物種優(yōu)選兩方面開展研究。

2.2.1 生長基質(zhì)重構(gòu)

西部礦區(qū)大多處于山地、丘陵、半荒漠-荒漠等生態(tài)脆弱礦區(qū)，無論是井工礦的矸石山還是露天礦的排土場、廢棄采坑等，其損毀程度均較嚴重。工程治理措施實施后，能消除地表災(zāi)害隱患，達到結(jié)構(gòu)上的安全穩(wěn)定。但因其原生表土層破壞，缺乏植物能夠自然生根和伸展的介質(zhì)；物理結(jié)構(gòu)不良、涵水保肥能力差；極端貧瘠，缺乏植物生長所需的基本營養(yǎng)物質(zhì)；重金屬含量過高、極端pH值、干旱或生理干旱等特點，即使采取客土、菌根修復(fù)[14]等土壤基質(zhì)重構(gòu)手段，也無法保證在西部特有的地質(zhì)類型和氣候條件下，在有限的時間內(nèi)成功地恢復(fù)其生態(tài)環(huán)境(圖3)。基于此，提出以粉煤灰固沙培養(yǎng)基為基質(zhì)，重構(gòu)植被的生長環(huán)境。

1—礦區(qū)廢棄地；2—復(fù)墾石灰+NPK；3—礦質(zhì)肥料+有機改良； 4—礦質(zhì)肥料+麥草；5—矸石風(fēng)化物無覆蓋；6—表土覆蓋； 7—矸石風(fēng)化物+黃土覆蓋；8—粉煤灰固沙培養(yǎng)基圖3 不同重構(gòu)基質(zhì)類型的植被恢復(fù)時間

粉煤灰固沙培養(yǎng)基以粉煤灰為主料，按特定比例添加發(fā)泡劑等材料，經(jīng)特殊工藝制造而成。粉煤灰中含有豐富的硅、鉀、鈉、鈣、鎂等元素(表2)，有利于植被生長。通過對粉煤灰的SEM分析(圖4)和衍射試驗(圖5)可知，粉煤灰的形貌及物相結(jié)構(gòu)決定了其具有一定的含水性，但在高溫狀態(tài)時，粘土礦物脫水分解，其結(jié)構(gòu)中的OH-脫出，而新的穩(wěn)定相(莫來石)又沒有形成，因此易脫水。在固沙培養(yǎng)基的制作過程中，加入了膠結(jié)材料、腐殖酸等成分，既達到保水的目的，又為植被生長提供了充足的養(yǎng)分。

表2 粉煤灰主要化學(xué)成分分析

圖4 粉煤灰SEM分析

管壓40KV；管流80mA；衍射寬度DS=SS=1°， RS=0.15mm；掃描速度1.5406d/min。圖5 粉煤灰試樣衍射曲線

粉煤灰固沙培養(yǎng)基中粉煤灰摻加量≥85%，含有均勻的發(fā)泡孔(植被生長過程中容易扎根)，透水率10%，含水率35%，每塊培養(yǎng)基可蓄水2kg，含蓄水時間10～15d，可內(nèi)置滴灌裝置，采用定期或不定期的滴灌方式養(yǎng)護植被。

在西部干旱少雨、荒漠化嚴重、蒸發(fā)量遠大于降雨量的生態(tài)脆弱礦區(qū)以及類似地區(qū)，可選擇以粉煤灰固沙培養(yǎng)基為基質(zhì)，來改良植被生長環(huán)境，達到耐旱保水、維持植被健康快速生長的目的。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用證明，粉煤灰固沙培養(yǎng)基具有如下特點：保水性好，每天滴灌3h，春秋季可滿足植被生長正常7d需水量，夏季可滿足3d；植被成活率≥98%，種植后5a內(nèi)無需施肥；采取滴灌技術(shù)，可節(jié)約澆灌用水，風(fēng)力管道泵增壓給水無需電源，遠程控制無人值守，降低維護成本；由于植被的生長作用，培養(yǎng)基在20～30a的時間里與沙土融合土化，徹底改善土質(zhì)；培養(yǎng)基的成本是其他形式改良(重構(gòu))基質(zhì)的1/5～1/3；培養(yǎng)基以無機材料聚合而成，無毒無害、無放射性；是西部礦區(qū)植被生長基質(zhì)重構(gòu)的理想材料。

2.2.2 植被物種優(yōu)選

植被物種選擇應(yīng)遵循“生態(tài)學(xué)、因地制宜、適地適樹”的原則[15]，首選鄉(xiāng)土樹種，充分考慮樹種的抗逆性，確保生態(tài)恢復(fù)工程持續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)揮效益，達到固土、防護功能與環(huán)境效益的有機結(jié)合。樹種選擇過程中充分考慮根系發(fā)達、根孽性強，固氮能力高的品種；考慮到后期與光伏產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，布置光伏的區(qū)域選擇低矮灌木和草類，不設(shè)計高大樹種。以上述原則為依據(jù)，結(jié)合西部礦區(qū)的氣候特點，喬木優(yōu)選新疆楊、油松、側(cè)柏、樟子松等；灌木優(yōu)選沙棘、檸條、苜蓿、沙地柏、丁香等；草類優(yōu)選披堿草、狗尾草、堿茅、黑麥草等[16]。

2.3 光伏覆蓋

隨著全球資源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴重，人類越來越清晰地認識到傳統(tǒng)能源的有限性和不可再生，可再生能源將不可避免地成為未來的替代能源[17]。開發(fā)利用清潔的可再生能源勢在必行。世界各國相繼投入大量人力、物力和財力，開展光伏發(fā)電系統(tǒng)研究，我國作為世界上太陽能資源最為豐富的國家之一，也重點發(fā)展該領(lǐng)域[18]。光伏系統(tǒng)建設(shè)不可避免地會面臨征地問題，目前我國征地費用較高，直接提升了光伏系統(tǒng)的建設(shè)成本。因此，利用礦區(qū)廢棄土地資源(矸石山、排土場等)進行光伏建設(shè)是解決光伏用地緊張、建設(shè)成本高的一條理想途徑。

對于礦區(qū)廢棄土地資源(矸石山、排土場等)，在前述工程治理和生物融合措施實施后，其土地均整理成較為開闊平坦的大平臺或梯級臺地，適合進行光伏設(shè)施建設(shè)。光伏企業(yè)在進行光伏建設(shè)時以低于其他類型土地征地費用拿下土地，對區(qū)域?qū)嵤┚C合治理后進行光伏建設(shè)，既解決了礦區(qū)環(huán)境問題，又發(fā)展了新能源產(chǎn)業(yè)，一舉兩得。礦區(qū)綜合治理時已經(jīng)消除了各種災(zāi)害及潛在隱患，避免了其對光伏組件和管線的損害。在治理礦區(qū)建設(shè)光伏設(shè)施，需要做好前期勘察和方案設(shè)計。結(jié)合礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，光伏建設(shè)提出光伏大棚型和光伏間種型兩種農(nóng)光互補的方案。

2.3.1 光伏大棚型

光伏大棚型即在治理后的礦區(qū)土地上，按照圖6的布置方式，在每個光伏陣列的下部接設(shè)農(nóng)業(yè)大棚。每組光伏組件的上端以可伸縮支架支撐，下端則以大棚的后墻壁為支撐，鉸鏈連接。通過調(diào)整伸縮支架，來改變光伏板的角度，以適應(yīng)不同季節(jié)的光照需求。農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)以粉煤灰固沙培養(yǎng)基為生長基質(zhì)，種植蔬菜，既能滿足西部礦區(qū)廣大居民生活所需，又能改善土壤、恢復(fù)環(huán)境，同時大棚頂部的光伏發(fā)電還能滿足西部用電，實現(xiàn)環(huán)境保護與新能源開發(fā)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖6 光伏大棚型建設(shè)布置

2.3.2 光伏間種型

光伏間種型即在治理后的礦區(qū)土地上，按照圖7的布置方式，間隔布設(shè)光伏設(shè)施，光伏組件根據(jù)地質(zhì)條件采用樁基或者條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)上以方管立柱支撐光伏組件。前后每相鄰兩排光伏組件之間的空地，實施農(nóng)業(yè)復(fù)墾。農(nóng)業(yè)復(fù)墾可以選擇當(dāng)?shù)乜购的秃牡桶嗄竞凸?，植被的生長高度以不超過光伏板的下緣為準，以免對光伏板造成遮擋，影響發(fā)電效果。灌木(草)和果蔬以間隔種植的方式布置，充分利用光伏組件之間的空間。靠近前排光伏組件的植被以喜陰植物為宜，靠近后排光伏組件的植被則以喜陽為佳。

圖7 光伏間種型建設(shè)布置

上述兩種農(nóng)光互補的模式，既能達到對礦區(qū)綠化復(fù)墾的目的，又能充分利用礦區(qū)這種特殊的土地類型，發(fā)揮其優(yōu)勢，促進光伏等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可以說是礦區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的一條出路。

3 結(jié) 論

西部礦區(qū)在支援國家建設(shè)的同時，礦區(qū)土地遭受了不同程度的損毀，可通過礦區(qū)土地挖損、開采沉陷、堆渣自燃及重金屬污染這四方面對礦區(qū)土地損毀程度進行評價和分級。根據(jù)土地的損毀程度，結(jié)合土地未來的發(fā)展利用規(guī)劃，有針對性地采取礦區(qū)環(huán)境恢復(fù)治理措施。在目前新能源建設(shè)蓬勃發(fā)展、土地資源緊張的前提下，采取農(nóng)光互補的礦區(qū)環(huán)境修復(fù)措施，既能消除各種災(zāi)害隱患、恢復(fù)礦區(qū)自然生態(tài)環(huán)境，又能為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展助力，促進礦區(qū)經(jīng)濟和社會的和諧發(fā)展。