山-水-林-田-湖-草-海-城修復(fù)模式的實踐應(yīng)用
——威海華夏城采石場生態(tài)修復(fù)及其效益評價

王 芳，于國銘，張 瑞

（1.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400030；2.山東東魯建筑設(shè)計研究院有限公司，山東 威海 264299）

礦產(chǎn)資源是人類社會發(fā)展和國民經(jīng)濟建設(shè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，礦山開采已成為推進我國工業(yè)化、城市化和農(nóng)村現(xiàn)代化進程的重要手段[1]。但資源過度開發(fā)及不合理利用，導(dǎo)致巖體裸露、水體污染、土壤流失、植被破壞、生物多樣性銳減、地質(zhì)災(zāi)害等生態(tài)環(huán)境問題[2]。截至2018年底，我國礦山開采占用損毀土地約3.6×106hm2[3]，嚴重制約人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。黨的十九大報告提出“山-水-林-田-湖-草是生命共同體”的理念[4]，為礦山生態(tài)環(huán)境治理指明了方向。為鼓勵采礦山廢棄地綜合修復(fù)利用，自然資源部于2019年12月頒發(fā)《自然資源部關(guān)于探索利用市場化方式推進礦山生態(tài)修復(fù)的意見》，推行市場化運作、科學(xué)化治理的模式[3]。目前，由于礦山生態(tài)系統(tǒng)各組成要素之間存在流動性、各環(huán)境因子相互干擾，如何協(xié)調(diào)經(jīng)濟與環(huán)境、統(tǒng)籌相關(guān)部門、整體規(guī)劃治理、全方位實現(xiàn)山-水-林-田-湖-草生態(tài)保護修復(fù)工作科學(xué)落地，成為亟待解決的問題[5-6]。生態(tài)修復(fù)的重要目標是全面優(yōu)化提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[7]，生態(tài)效益評價是進一步改善礦山生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵，為制定綜合系統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)策略提供了重要參考。國內(nèi)外學(xué)者針對礦山生態(tài)修復(fù)生態(tài)效益開展了相關(guān)研究，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和功能的生態(tài)系統(tǒng)效益評價[8-9]、土壤理化性質(zhì)評價[10]、景觀結(jié)構(gòu)與功能評價[11-12]等來評估和衡量生態(tài)修復(fù)方案的生態(tài)效益。

山東威海華夏城采石場早期由于開山采石作業(yè)，山體損毀嚴重，生態(tài)環(huán)境惡化，嚴重影響區(qū)域景觀和生產(chǎn)生活。自2003年以來，華夏城響應(yīng)威海市“生態(tài)立市、荒山綠化”的號召，全面開展礦山生態(tài)修復(fù)并成功打造了國家5A級景區(qū)。經(jīng)過17年的整體保護、系統(tǒng)修復(fù)、綜合治理，華夏城實現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)保護、質(zhì)量提升和格局優(yōu)化，成為踐行“綠水青山就是金山銀山”理念的典型案例。2018年6月，習(xí)近平總書記調(diào)研華夏城生態(tài)文明建設(shè)整體情況，對其通過生態(tài)修復(fù)，促進文化旅游發(fā)展，帶動周邊村民就業(yè)致富的做法給予了高度肯定[13]。基于此，本文通過提煉華夏城生態(tài)修復(fù)技術(shù)策略，從山、水、林、田、湖、草、海、城各生態(tài)要素出發(fā)，研究華夏城整體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)設(shè)計實踐經(jīng)驗，并對生態(tài)修復(fù)不同時期進行生態(tài)效益評價，以期為科學(xué)實施生態(tài)修復(fù)提供思路借鑒。

1 研究區(qū)域環(huán)境概況

威海華夏城地處山東省威海市環(huán)翠區(qū)，地理坐標為 37°24′58″～37°25′55.2″N，122°6′7.2″～122°7′40.8″E，西枕里口山脈南端的龍山區(qū)域，東臨黃海，地勢西高東低，屬溫帶季風(fēng)氣候。歷史上，華夏城一帶有長達50多年的露天開采史，采石場最大高度達80 m，坡度大于50°，穩(wěn)定性差、危險性高。20世紀70年代末，因城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求，華夏城所處龍山區(qū)域成為建筑石材集中開采區(qū)，先后入駐了26家企業(yè)。大規(guī)模的采石作業(yè)和無節(jié)制的開采索取導(dǎo)致山體支離破碎，礦坑多達44個，損毀山體251.13 hm2，森林植被退化、水土嚴重流失、空氣粉塵彌漫、廢石廢渣亂撒、噪音污染不斷、生態(tài)環(huán)境嚴重破壞、生物多樣性銳減（圖1）。

圖1 華夏城生態(tài)修復(fù)前生態(tài)環(huán)境狀況Fig.1 Ecological environment status of Huaxia City before ecological restoration

2003年，華夏文旅集團通過拉土回填、造林綠化等手段，依地形地勢塑造文化旅游景觀。通過修復(fù)44個礦坑，建造35個庫塘，打通4條隧道，栽種1 127萬株綠化林木等整體修復(fù)措施和系統(tǒng)規(guī)劃治理，華夏城于2007年正式開放。2017年，華夏城入選國家5A級旅游景區(qū)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所使用的華夏城不同時期遙感影像數(shù)據(jù)來源于Google Earth無偏移歷史影像，影像級別為第18級，像素分辨率為0.47 m?；跇颖镜拿嫦?qū)ο蟮姆诸惙椒?，解譯得到華夏城不同時期土地的利用數(shù)據(jù)（圖2）。

2.2 生態(tài)效益評價方法

2.2.1 涵養(yǎng)水源效益評價

采用地下徑流增長法，利用地表徑流增加量表示植被的蓄水量，對生態(tài)修復(fù)的涵養(yǎng)水源效益進行評價。

式中：Q為植被與裸地相比涵養(yǎng)水分的增加量，m3/a；Si為第i種類型植被的面積，hm2；J為研究區(qū)的年均降雨量，mm；R為不同區(qū)域的侵蝕性降雨比例（北方地區(qū)取0.4）；Ci為植被與裸地相比減少徑流的效益系數(shù)。林地和草地減少徑流的效益系數(shù)分別為0.39和0.22[5，14]。

采用影子工程法對植被涵養(yǎng)水源的效益進行價值評價，得到涵養(yǎng)水源的經(jīng)濟價值。

式中：V為年涵養(yǎng)水源的經(jīng)濟價值，元/a；Q為涵養(yǎng)水源的總量，m3/a；Pw為單位蓄水費用，0.67元/m3。

2.2.2 保持水土效益評價

采用有、無植被的土壤侵蝕差異量來計算減少土壤侵蝕量。

式中：W為植被水土保持的總量，t/a；Si為第i種植被類型的面積，hm2；Ti為第i種植被類型的單位土壤保持量，t/（hm2·a）。林地和草地單位土壤保持量分別為5.24 t/（hm2·a）和4.83 t/（hm2·a）[5，14]。

根據(jù)我國1 m3庫容的水庫工程費用計算減少泥沙淤積的經(jīng)濟價值，從而得到水土保持的經(jīng)濟價值。

式中：E為植被保持水土的經(jīng)濟價值，元/a；W為植被水土保持的總量，t/a；Pw為單位蓄水費用，0.67元/m3。

2.2.3 維持生物多樣性效益評價

參照Costanza等[15]提出的全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價模型，并根據(jù)謝高地等[16]于2015年提出的“中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當量”對華夏城各土地利用類型維持生物多樣性效益進行價值當量賦值。

式中：B為維持生物多樣性的經(jīng)濟價值，元/a；Si為第i類土地利用類型的面積，hm2；VCi為第i種土地利用類型維持生物多樣性的價值系數(shù)。其中，1個標準當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為3 406.5元/hm2[16]。

3 采石場生態(tài)修復(fù)模式

3.1 生態(tài)修復(fù)策略

1）順勢建設(shè)串珠狀梯級庫塘系統(tǒng)。華夏城地處暖溫帶，由于過度采石，地表形態(tài)、地質(zhì)景觀發(fā)生顯著改變，基巖廣泛裸露，水土極易流失，保水性和蓄水性差，滲漏性強，導(dǎo)致區(qū)域機械性缺水。治山必先理水，自然水系及水文聯(lián)通恢復(fù)是生態(tài)修復(fù)工作開展首要解決的關(guān)鍵問題。水生態(tài)環(huán)境的改善，不僅能夠提高土地生物潛能，滿足植物生長、動物生存和生物多樣性保育，而且對于局地氣候調(diào)節(jié)等整體生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義。華夏城遵循“‘依山就勢’重塑地形、‘因勢利導(dǎo)’疏導(dǎo)水流、‘柔性防護’穩(wěn)定邊坡”的山水林田湖草系統(tǒng)共治原則，構(gòu)建梯級庫塘、線性串珠狀水系結(jié)構(gòu)（圖3），實現(xiàn)自然水系及水文恢復(fù)。

圖3 生態(tài)修復(fù)策略Fig.3 Ecological restoration strategies

2）生態(tài)效益與社會經(jīng)濟效益協(xié)同。山水林田湖草生命共同體中“人”是不可或缺的要素。生態(tài)修復(fù)的最終目的是實現(xiàn)人與自然耦合關(guān)系的協(xié)同優(yōu)化，自然與社會、經(jīng)濟交互系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，全面優(yōu)化提升生態(tài)系統(tǒng)供給、調(diào)節(jié)、文化和支持四大服務(wù)功能。華夏城積極探索生態(tài)產(chǎn)品價值實現(xiàn)模式，充分利用礦坑空間，依托自然生態(tài)系統(tǒng)和地形地勢優(yōu)勢，打造獨具特色的礦山景觀和文化旅游產(chǎn)品，將生態(tài)修復(fù)與文化旅游相結(jié)合，體現(xiàn)地域特色，延續(xù)城市文脈。

3.2 山-水-林-田-湖-草-海-城整體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)設(shè)計

山-水-林-田-湖-草-海-城各要素組成多層次、關(guān)系復(fù)雜且有序的整體生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各要素相互關(guān)聯(lián)，緊密聯(lián)系[17]。良好的生態(tài)修復(fù)應(yīng)統(tǒng)籌考慮各生態(tài)要素空間配置，通過“護山、理水、營林、整田、清湖、豐草、凈海、美城”，進行整體生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計（圖4），保證生命共同體健康穩(wěn)定發(fā)展，實現(xiàn)“山青、水秀、林茂、田良、湖凈、草豐、海藍、城美”。

圖4 山-水-林-田-湖-草-海-城整體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)設(shè)計Fig.4 The holistic ecosystem restoration design of mountainwater-forest-field-lake-grass-sea-city

3.2.1 廢棄礦山恢復(fù)——依山就勢、覆土復(fù)綠

山是生命共同體的重要生態(tài)源，采石場廢棄礦山的環(huán)境治理修復(fù)是治山修山的根本，是地貌重塑的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。根據(jù)華夏城區(qū)域地質(zhì)地貌、水文水系等環(huán)境特征，利用拉土回填、裂縫夯填、平整壓實等方法進行地形整理。通過修筑排水溝渠、覆土綠化、恢復(fù)植被等手段進行生態(tài)護坡、穩(wěn)定邊坡，防止水土流失，消除泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患。對于采石直立面、陡峭邊坡等進行適當削坡降級，修整至滿足植被栽植立地條件，如九曲情人街生態(tài)修復(fù)點[18][圖5（a）和（b）]。對于雙面開采導(dǎo)致山體幾乎被打透的廢棄礦山，山體破損極其嚴重，將其合理規(guī)劃為隧道，其上覆土復(fù)綠、恢復(fù)植被，下行人通車，如1號隧道生態(tài)修復(fù)點[18][圖5（a）和（b）]。對于山谷處的采石場，由于山谷兩側(cè)山體均被開采，谷內(nèi)廢石殘渣常年堆積，故采用黃泥包底的原始工藝，因地制宜攔蓄水源，利用水面遮掩進行美化。充分利用礦坑空間，上覆土綠化，下建成長172 m、寬93 m的地下防空洞。截至2019年，華夏城共運輸土方6.456×104m3[19]，修復(fù)礦坑44個，恢復(fù)損毀山體近266.67 hm2，削平一座綿延約800 m，體積達1.530×104m3的山嶺。打通4條隧道，總長度達405 m。

圖5 華夏城廢棄采石場生態(tài)修復(fù)前后景觀對比圖Fig.5 Comparisons of the abandoned quarries landscapes before and after ecological restoration in Huaxia City

3.2.2 水文水系重建——攔蓄水源、疏浚水系

華夏城因勢利導(dǎo)沿溝谷規(guī)劃兩條水系，攔蓄水源構(gòu)建七處庫塘，通過天然儲存雨水、地表徑流等，解決區(qū)域水資源問題。線性串珠狀水系結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)補水，統(tǒng)籌上下游綜合治理，區(qū)域水生態(tài)環(huán)境狀況得到有效改善，水生態(tài)服務(wù)功能得到極大提升。梯級庫塘系統(tǒng)與生態(tài)護坡相結(jié)合（圖6），不僅能夠滿足山上至山下植被生長用水需求，而且營造了山水相宜的優(yōu)美景觀。此外，對華夏城內(nèi)的古井，通過清淤修葺、定期維護等手段進行保護與文化傳承。

圖6 華夏城串珠狀梯級庫塘系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of beaded cascade reservoirs and ponds system in Huaxia City

3.2.3 山林園木設(shè)計——生態(tài)造林、綠化園林

通過客土置換、客土回填、土壤重構(gòu)等人工修復(fù)手段，改善植被立地條件，提高土壤肥力，使其能夠滿足植被正常生存條件。根據(jù)立地條件，大力開展生態(tài)造林綠化工程，栽植對環(huán)境限制因子具有較強抗逆性、根系發(fā)達、具有固土固氮能力、能夠有效減少水土流失的樹種，如雪松、黑松、刺槐、柳樹等。注重景觀藝術(shù)性配置，秉承景觀式利用和園林式綠化理念對華夏城進行統(tǒng)籌規(guī)劃，在水塘及道路兩側(cè)種植垂柳、連翹、鳶尾、石菖蒲等植被構(gòu)建結(jié)構(gòu)優(yōu)化、層次合理、功能完善的林木生態(tài)空間。華夏城生態(tài)修復(fù)至今，共栽植各類樹木1 189萬株，綠化山體近666.67 hm2，植被覆蓋率大幅提高。盡可能保留歷史古樹，合理規(guī)劃景觀布局。為保留800年前的古銀杏樹，設(shè)計半封閉庭院空間[圖7（a）]；通過人工石砌島景觀設(shè)計[圖7（b）]，營造古樹生存空間。

圖7 為保留古樹進行合理景觀設(shè)計布局Fig.7 The reasonable landscape design layout for the ancient trees conservation

3.2.4 周邊農(nóng)田整治——土地整理、整治污染

注重華夏城周邊農(nóng)田生態(tài)治理與改造，減少農(nóng)業(yè)面源污染，完善農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施。通過周邊農(nóng)田改良和修復(fù)，優(yōu)化鄉(xiāng)鎮(zhèn)用地結(jié)構(gòu)，整治農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，提高資源利用效率，保障流域水環(huán)境安全。

3.2.5 礦坑湖庫——水系連通、完善結(jié)構(gòu)

合理利用、巧妙設(shè)計礦坑空間，通過攔蓄水源，以水美化碎石、廢渣堆積的山谷，構(gòu)建上下游連通的湖庫系統(tǒng)。注重湖庫水系網(wǎng)絡(luò)整治，通過生態(tài)護坡、水生植物配置等方式，修復(fù)湖庫岸景觀。完善華夏城內(nèi)道路綠化、地上地下管網(wǎng)等配套工程，加強水質(zhì)污染防治力度。以湖庫為紐帶，充分銜接山體、建筑、植被，各景觀要素統(tǒng)籌設(shè)計，實現(xiàn)建筑景觀與自然山水高度融合。通過整體生態(tài)修復(fù)，打造了龍湖[18]（圖8）、觀音湖等大小形狀不一的湖庫35個，經(jīng)天然蓄水、自然滲漏后順勢形成連通水系，為華夏城景點和植被灌溉提供了水源，生態(tài)環(huán)境得到極大改善。

圖8 龍湖生態(tài)修復(fù)前后景觀對比圖Fig.8 Comparison of Dragon Lake landscapes before and after ecological restoration

3.2.6 植物群落重構(gòu)——草木茂盛、景觀美化

優(yōu)先選用地域性鄉(xiāng)土品種、抗逆性強、成活率高的草本灌木植物，充分利用不同植物的色彩、形狀等景觀特征，合理優(yōu)化配置，形成高度覆蓋表層土壤的草本植物群落。草本植物群落不僅發(fā)揮了固土保水、凈化徑流、提供生物生境等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，同時具有景觀美化與休閑觀賞等功能。

3.2.7 山海綜合協(xié)調(diào)——流域治理、海洋保護

華夏城西枕里口山脈南端的龍山區(qū)域，東臨黃海，距海約4 000 m，處于流域源頭（圖9）。水由山地匯水區(qū)，經(jīng)由各級河溪，眾水匯流至黃海，以流域為單位的水環(huán)境生態(tài)保護修復(fù)，強調(diào)源頭控制、綜合治理、系統(tǒng)保護。山海相依的流域整體治理，尤其是華夏城有效的整體生態(tài)修復(fù)策略，能夠保障入海徑流水質(zhì)安全，有效維護海洋生態(tài)環(huán)境安全。

圖9 華夏城鳥瞰圖Fig.9 Aerial view of the Huaxia City

3.2.8 城市建設(shè)——振興鄉(xiāng)村、生態(tài)立市

綜合工程、生態(tài)、自然設(shè)計的華夏城生態(tài)修復(fù)模式，實現(xiàn)了人與自然之間的協(xié)同共生，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能全面優(yōu)化提升。生態(tài)環(huán)境日益改善，生物多樣性水平大幅提高，人居生活質(zhì)量得到提升。華夏城采石場的生態(tài)修復(fù)促進了文化旅游發(fā)展，帶動周邊上千村民就業(yè)，使鄉(xiāng)村振興擁有了堅實的產(chǎn)業(yè)支撐、文化支撐和生態(tài)支撐。截至2019年底，華夏城累計接待游客量達2 000萬人，營銷年收入達2.3億元[18]，極大地促進了威海市生態(tài)文明建設(shè)，推動社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

4 生態(tài)效益綜合評價

通過生態(tài)效益價值評估（圖10），可見隨著生態(tài)修復(fù)工程的開展，華夏城涵養(yǎng)水源、保持水土和維持生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值得到極大提升。其中，涵養(yǎng)水源量最大增量達4 266.03 m3/a，土壤侵蝕減少量達208.44 t/a。涵養(yǎng)水源和維持生物多樣性的生態(tài)效益增長率分別達53.69%和53.08%。在時間維度上，2004年生態(tài)效益水平最低，僅為91.74萬元；2007年華夏城正式開放時，生態(tài)效益顯著增加，達到130.65萬元；2012年生態(tài)效益最大，達140.42萬元；2019年，由于神游海洋世界等旅游項目的開發(fā)，生態(tài)效益權(quán)衡之下，稍有減少，生態(tài)效益經(jīng)濟價值為134.43萬元。

圖10 華夏城不同時期生態(tài)效益對比Fig.10 Comparison of ecological benefits in different periods of Huaxia City

5 討論

華夏城生態(tài)修復(fù)巧妙利用廢棄采石場礦坑，充分利用地形高差，因地制宜順勢打造串珠狀梯級庫塘系統(tǒng)，在取得良好生態(tài)效益的同時，發(fā)展文化旅游，實現(xiàn)了社會經(jīng)濟效益同步發(fā)展。通過一系列“護山、理水、營林、整田、清湖、豐草、凈海、美城”整體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)設(shè)計，生態(tài)效益顯著提升。2012年生態(tài)效益最高，較2004年增加48.68萬元，2019年生態(tài)效益達134.43萬元。

華夏城注重生態(tài)修復(fù)與景觀建設(shè)和人居環(huán)境質(zhì)量優(yōu)化協(xié)同共生。如對于山谷處的采石場，由于山谷兩側(cè)山體均被開采，谷內(nèi)廢石殘渣常年堆積，通過攔蓄收集水源利用水面加以遮掩美化，不僅能夠提高涵養(yǎng)水源等生態(tài)效益，更可形成優(yōu)美的湖庫景觀。通過將體積較大的采石場廢棄石坑設(shè)計成防空洞，一方面節(jié)省了回填土石方等建設(shè)成本，另一方面通過將此空間設(shè)計為人防教育展廳，頂板以上設(shè)計為觀景平臺和階梯，大大提高了土地利用效率，實現(xiàn)了景觀設(shè)計與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)。在夏園和華夏城入口處，通過攔蓄水源形成兩個具有高低差異的湖庫，水流順勢形成一道瀑布，作為華夏城入口處對景。依山就勢建成1.6×104m3的生態(tài)文明展館，通過展示華夏城的生態(tài)修復(fù)過程和效益，科普綠水青山向金山銀山的轉(zhuǎn)化歷程。

6 結(jié)語

在整個采石場生態(tài)修復(fù)過程中，通過充分解讀基底現(xiàn)狀，秉承景觀式利用和園林式綠化理念進行生態(tài)景觀建設(shè)，形成了功能高效、結(jié)構(gòu)完整、空間合理、形式多樣的山水建筑相融景觀。優(yōu)良的景觀品質(zhì)推動了文化旅游的蓬勃發(fā)展，對改善人居環(huán)境質(zhì)量、拉動就業(yè)、帶動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有積極促進效應(yīng)，真正實現(xiàn)了人類健康與生態(tài)系統(tǒng)健康的協(xié)同。