陜西省乾縣五峰山石灰?guī)r礦高效利用與生態(tài)修復研究

壽立永，張 亮，王 燾，吳 凱，陰建定

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊，陜西 西安 710003)

陜西省乾縣五峰山位于關(guān)中盆地北緣，乾縣縣城東北25 km處，東鄰禮泉縣、北扼永壽縣，該區(qū)賦存大量優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦產(chǎn)資源。近20年來，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對石灰?guī)r礦產(chǎn)資源需求旺盛，該地區(qū)開設(shè)了20余處規(guī)模小、利用率低、資源浪費大的采石礦山[1]。2015年以來，隨著陜西省開山采石專項整治工作的深入實施，大部分礦山被關(guān)停，相關(guān)部門大力推進礦產(chǎn)資源集約利用與廢棄礦山生態(tài)修復工作。

節(jié)約資源和保護環(huán)境是我國的基本國策，統(tǒng)籌推進“五位一體”總體布局對礦產(chǎn)資源開發(fā)也提出了更高的要求。本文對五峰山地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)存在的資源浪費問題、環(huán)境破壞問題進行了系統(tǒng)總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，以解決存在的問題為導向，通過礦產(chǎn)資源集約利用、分級利用、綜合利用實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的高效利用；按照順應(yīng)自然、師法自然的理念，通過地形重塑、水土保持綜合治理、生物群落重建等措施，重新構(gòu)建礦區(qū)“山水林田湖草生命共同體”。旨在解決礦產(chǎn)資源開發(fā)與環(huán)境保護的矛盾，實現(xiàn)資源效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟效益、社會效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，推動該區(qū)域的礦業(yè)經(jīng)濟持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

五峰山石灰?guī)r礦床賦存于中奧陶統(tǒng)馬家溝組上段(O2m2)，巖性為淺灰色～深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，粒屑粉細晶結(jié)構(gòu)，中厚層塊狀構(gòu)造。礦體東西長1 900 m，南北寬1 200 m，最大厚度278 m。礦區(qū)地層單斜構(gòu)造，總體產(chǎn)狀350°∠43°，斷層和褶皺均不發(fā)育，構(gòu)造簡單，構(gòu)造活動對礦體完整性和巖石的結(jié)構(gòu)無明顯破壞作用。礦體內(nèi)部有兩個高MgO夾層，巖性為白云質(zhì)灰?guī)r，厚4～18 m；兩個高SiO2夾層，巖性為含硅質(zhì)條帶灰?guī)r，厚4～12 m。礦體直接頂板為更新統(tǒng)(Qp)黃土，厚0～83 m，黃土覆蓋層分布廣、厚度大，為礦床開采剝離物。

根據(jù)礦石質(zhì)量評價指標，礦區(qū)礦石工業(yè)類型可分為化工用灰?guī)r、水泥用灰?guī)rⅠ級品、建筑石料用白云質(zhì)灰?guī)r三類，初步估算遠景資源量400 Mt(表1)。

表1 礦區(qū)資源儲量表Table 1 Statistical table of resource reserves

2 礦產(chǎn)資源開發(fā)利用存在的問題

五峰山地區(qū)2002年以前僅有若干處小型民采點，基本保持了原始地貌景觀(圖1)，但由于缺乏科學的規(guī)劃，在2014年礦產(chǎn)資源開發(fā)鼎盛期，同一礦區(qū)、同一礦體設(shè)置了近20處小型礦山(圖2)，造成了礦產(chǎn)資源的嚴重浪費和環(huán)境的嚴重破壞。

圖1 2002年五峰山地區(qū)遙感影像Fig.1 Remote sensing image in 2002 ofWufeng mountain area

圖2 2014年五峰山地區(qū)遙感影像Fig.2 Remote sensing image in 2014 ofWufeng mountain area

2.1 礦產(chǎn)資源浪費問題

五峰山地區(qū)賦存120 Mt化工用灰?guī)r，CaO平均含量55.12%，MgO平均含量0.32%，屬于稀缺資源，可廣泛用于化工、玻纖、高活性脫硫石灰、納米碳酸鈣等產(chǎn)業(yè)。但絕大部分礦山未對三種不同品級礦石進行區(qū)分，簡單用于建筑石料生產(chǎn)，使得“高質(zhì)低用”“高低混用”，降低了產(chǎn)品附加值。此外，同一礦體設(shè)置的多個采礦權(quán)，開采后形成諸多“隔墻”(圖3)，也浪費了大量資源。

2.2 環(huán)境破壞問題

五峰山地區(qū)環(huán)境問題主要為“三廢”問題、地形地貌景觀破壞和生態(tài)環(huán)境問題、地質(zhì)災(zāi)害、土地資源占用和破壞(表2)，最嚴重的是地形地貌景觀破壞，此類破壞治理難度大，對廢棄礦山進行景觀再造是亟待解決的難題[2-3]，礦山環(huán)境修復工作任重道遠。

圖3 礦區(qū)現(xiàn)狀地形圖Fig.3 Current topographic map of mining area

表2 礦區(qū)環(huán)境問題分析表Table 2 Analysis of environmental problems

3 礦產(chǎn)資源的集約利用

五峰山地區(qū)以往的礦產(chǎn)資源開發(fā)具有低利用、高排放的特點，要改變此種現(xiàn)狀，必須從根本上將粗放的資源利用方式轉(zhuǎn)為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。通過礦產(chǎn)資源的循環(huán)利用，減少礦產(chǎn)資源開發(fā)對環(huán)境造成的壓力，緩解資源短缺的現(xiàn)狀，實現(xiàn)經(jīng)濟的平穩(wěn)可持續(xù)發(fā)展[4]。依據(jù)五峰山地區(qū)礦產(chǎn)資源特點，綜合考慮環(huán)境承載力，提出資源統(tǒng)籌規(guī)劃、集中開發(fā)，礦石優(yōu)質(zhì)優(yōu)用、分級利用，廢棄物綜合利用的資源利用模式。

3.1 統(tǒng)籌規(guī)劃、集中開發(fā)

五峰山地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)具有隨意性、盲目性的重要原因是缺少前瞻性的科學規(guī)劃，因此，必須提高全礦區(qū)地質(zhì)勘查程度，詳細查明礦產(chǎn)資源稟賦條件，在此基礎(chǔ)上科學劃定礦區(qū)范圍，集中開發(fā)，嚴格禁止“大礦小開”“一礦多開”等現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 礦石優(yōu)質(zhì)優(yōu)用、分級利用

按照礦石稀缺性、潛在經(jīng)濟價值將礦石按化工用灰?guī)r、水泥用灰?guī)r、建筑石料用灰?guī)r三個級別分級利用。利用階梯：純度高的礦石用于化工原料、高活性石灰、納米碳酸鈣、玻纖等產(chǎn)業(yè)→質(zhì)量中等礦石作為鈣質(zhì)原料用于水泥生產(chǎn)→MgO含量超標用作建筑石料用于生產(chǎn)混凝土骨料，從而實現(xiàn)石灰?guī)r礦產(chǎn)資源的高效利用。

3.3 廢棄物綜合利用

開采過程中剝離黃土和加工過程中產(chǎn)生的石粉是礦區(qū)主要固體廢棄物，通過廢棄物資源轉(zhuǎn)化可實現(xiàn)綜合利用。石粉可作為水泥原料綜合利用，剝離黃土可作為水泥硅質(zhì)原料綜合利用，剩余部分可用于廢棄采坑填充、土地復墾，從而實現(xiàn)固體廢物零排放(圖4)。

圖4 石灰?guī)r礦產(chǎn)階梯循環(huán)利用、綜合利用路線圖Fig.4 Limestone mineral recycling andcomprehensive utilization

4 礦區(qū)生態(tài)修復

礦區(qū)生態(tài)修復根據(jù)生態(tài)恢復學、景觀生態(tài)學等基礎(chǔ)理論進行綜合規(guī)劃，按照順應(yīng)自然、師法自然的理念進行整體保護、系統(tǒng)修復，實現(xiàn)重新構(gòu)建“山水林田湖草生命共同體”的目標。 礦區(qū)修復后將具有生物生產(chǎn)、環(huán)境服務(wù)、文化支持等功能[5]，增強生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)能力[6-7]，實現(xiàn)景觀、生態(tài)環(huán)境與周邊協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

4.1 礦區(qū)生態(tài)修復的原則

1) 師法自然的原則。陜西渭北石灰?guī)r地區(qū)巖石大面積裸露，供植被生長的土壤層薄，生態(tài)脆弱。原生地形地貌、生態(tài)環(huán)境是數(shù)萬年形成的，經(jīng)歷了巖石風化、土層堆積、土壤生成、植被群落形成的漫長過程。礦山露天開采表土完全剝離，采礦活動嚴重破壞了地形地貌，自然恢復時間將以萬年計。生態(tài)修復過程模擬生態(tài)環(huán)境自然演化過程，通過人工干預實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的快速重建，達到景觀修復后與周邊自然景觀高度融合的效果。

2) 因地制宜的原則。不同礦區(qū)自然條件不同，面臨的環(huán)境問題不同，礦區(qū)生態(tài)修復必須對土地資源、水資源、環(huán)境地貌景觀、地質(zhì)災(zāi)害、人口集聚度等要素進行科學評估，以解決關(guān)鍵問題為導向，有針對性地開展生態(tài)修復工作[8-9]。五峰山礦區(qū)位于人口稠密區(qū)、經(jīng)濟活躍區(qū)、風景名勝區(qū)，屬于主要城鎮(zhèn)直觀可視范圍，要解決的關(guān)鍵問題是消除環(huán)境景觀影響，改善人居環(huán)境。

3) 保留文化承載原則。五峰山連綿起伏，以五座山峰并峙而得名，也傳說因棲息著五只鳳凰神鳥而得名，又名五鳳山，千百年來流傳著許多美麗動人的傳說，目前有寶泉寺、洋人房、石炕、鳳凰窩等十二處景觀。礦產(chǎn)資源開發(fā)要充分考慮對文化景觀的保護，保留礦區(qū)最高處五峰山西峰，對仍然有文化承載功能的景觀進行保護，實現(xiàn)文化元素的持續(xù)和再生[10]。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)修復與重建

生態(tài)系統(tǒng)的修復與重建是指在不可能恢復原始生態(tài)系統(tǒng)的情況下通過人工干預營造新的生態(tài)系統(tǒng)，使之實現(xiàn)自我維持[11-12]。生態(tài)環(huán)境重建的措施主要為地形重塑、水土保持綜合治理、植被系統(tǒng)重建。

4.2.1 地形重塑

目前生態(tài)修復普遍存在地形生硬、人工干預痕跡嚴重等問題，嚴重影響了生態(tài)修復效果。研究區(qū)高差近300 m，目前地形支離破碎，通過統(tǒng)一規(guī)劃、科學開發(fā)將形成20余個采準平臺。地形重塑是礦區(qū)生態(tài)重建過程中土壤重構(gòu)、植被重建的骨架，開采平臺外緣將采用曲線型設(shè)置，體現(xiàn)出微地形的坡度起伏，從而營造出貼近自然的地貌景觀，使其與周邊的地形融為一體(圖5)。

4.2.2 水土保持綜合治理

礦區(qū)土地復墾按照宜林則林、宜田則田、宜草則草的原則進行。 渭北地區(qū)年蒸發(fā)量1 200～1 600 mm，年降水量約600 mm，降水量年內(nèi)分配很不均勻，暴雨一次降水量占全年降水量10%～20%，因此減少水土流失、保水保肥、改善農(nóng)田生產(chǎn)條件對于生態(tài)系統(tǒng)的重建非常重要[13]。具體措施是將采準平臺整理成寬幅梯田，臺階陡坎整理成坡度小于30°田間防護林、草帶(圖6)。在此基礎(chǔ)上，進一步通過土地平整、土壤重構(gòu)等短期、快速的改良措施，實現(xiàn)良好的生態(tài)恢復效果[12]。

圖5 礦區(qū)規(guī)劃預測地形圖Fig.5 Future forecast topographic map of mining area

圖6 生態(tài)修復典型剖面圖Fig.6 Typical section of ecological restoration

4.2.3 植被系統(tǒng)重建

五峰山礦區(qū)生態(tài)修復難點在于臺階陡坎田間林草帶。目前露天礦山高陡邊坡生態(tài)修復普遍以草本植物為主，存在過度重視坡面“變綠”的短期效果問題。這種“復綠”工程是有欠缺的，草本植物為主的植被系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力有限，暫時形成依賴人工維系的生態(tài)系統(tǒng)，長遠來看，系統(tǒng)呈現(xiàn)一種衰退趨勢，同時管理成本也很高。五峰山礦區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)重建應(yīng)合理配置植物種類，優(yōu)先選用根系發(fā)達的鄉(xiāng)土草、樹種作為先鋒植物，做到落葉常綠結(jié)合、灌草結(jié)合、深淺根系植物結(jié)合，最終實現(xiàn)植被多樣性和群落自然演替的目標。

5 效益分析

1) 資源效益。五峰山礦區(qū)賦存有近400 Mt石灰?guī)r礦產(chǎn)資源，充分考慮環(huán)境承載力，可采資源量約220 Mt，其中，化工用灰?guī)r66 Mt、水泥用灰?guī)r110 Mt、建筑石料用灰?guī)r44 Mt，為一處特大型石灰?guī)r礦山。按礦石類型應(yīng)用于不同的產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)了資源的優(yōu)質(zhì)優(yōu)用、梯級利用。通過固體廢棄物的資源化綜合利用，可實現(xiàn)礦產(chǎn)資源100%利用，實現(xiàn)礦山廢渣零排放，開發(fā)利用將會取得顯著的資源效益。

2) 生態(tài)效益。通過地形重塑和土地復墾，將消除采礦痕跡；通過對生態(tài)系統(tǒng)的修復與重建，將帶動區(qū)域國土空間整體修復，有效改善當?shù)厝司迎h(huán)境，生態(tài)景觀和生態(tài)功能將得到顯著提升，生態(tài)效益顯著。

3) 經(jīng)濟效益。五峰山礦區(qū)220 Mt石灰?guī)r礦產(chǎn)資源潛在經(jīng)濟價值超過80億元，開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的黃土等廢棄物的綜合利用可節(jié)約固廢處理資金2億元。陜西關(guān)中地區(qū)經(jīng)濟活躍，石灰?guī)r資源消耗量大，礦產(chǎn)資源的綠色開發(fā)將取得顯著的經(jīng)濟效益。

4) 社會效益。通過環(huán)境的綜合治理將消除礦區(qū)環(huán)境問題，保護歷史文化遺產(chǎn)，美化周圍環(huán)境，提升當?shù)厝司迎h(huán)境，有利于社會穩(wěn)定，充分體現(xiàn)“以人為本”的思想。通過土地復墾，將新增高標準農(nóng)田119.06 hm2，新增林地3.87 hm2(表3)，增加了可耕種土地，控制水土流失，推進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的改善[13]。

表3 礦區(qū)土地類型現(xiàn)狀、預測統(tǒng)計表Table 3 Land type status and prediction statisticsof mining area

6 結(jié) 語

石灰?guī)r礦產(chǎn)資源粗放式的開發(fā)破壞了環(huán)境，而環(huán)境的惡化又反過來制約礦產(chǎn)資源開發(fā)，唯有礦產(chǎn)開發(fā)與環(huán)境保護協(xié)調(diào)才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。目前我國經(jīng)濟正處在從高速增長向高質(zhì)量增長轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵期，也是環(huán)境保護、污染防治的攻堅期，礦產(chǎn)資源開發(fā)必須堅持“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。五峰山地區(qū)石灰?guī)r礦通過發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，將實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的集約高效利用；在礦產(chǎn)資源開發(fā)的同時進行生態(tài)修復，將實現(xiàn)資源效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟效益、社會效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

陜西省關(guān)中地區(qū)經(jīng)濟活躍，石灰石資源需求量大，渭北“旱腰帶”地區(qū)存在大量類似礦山，今后應(yīng)持續(xù)加強礦產(chǎn)資源集約利用與生態(tài)修復研究工作，進一步探索石灰?guī)r礦產(chǎn)資源開發(fā)與土地資源開發(fā)、地下空間利用等產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，催生新的增長點，為“美麗中國”建設(shè)提供技術(shù)支撐，推動石灰?guī)r相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。