遼源市西安采煤沉陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復(fù)方法和綠化方案淺析

張楠

遼源市沉陷區(qū)治理中心，吉林 遼源 136200

0 引言

礦產(chǎn)資源是促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展和保障社會穩(wěn)定的重要資源，始終在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占據(jù)基礎(chǔ)地位。由于諸多歷史原因，長期以來，包括煤炭開采在內(nèi)的幾乎所有礦產(chǎn)資源開采過程，都因過分注重經(jīng)濟(jì)效益，缺少規(guī)范管理措施，缺乏環(huán)保認(rèn)識等，經(jīng)歷了粗放式的開采，嚴(yán)重破壞了礦山地質(zhì)環(huán)境。近年來，隨著可持續(xù)發(fā)展理念的提出和貫徹落實以及對生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的重視，礦山生態(tài)修復(fù)越來越得到諸多專家和學(xué)者的關(guān)注，成為礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理研究與實踐中的熱點問題，國家不斷加大了對采煤塌陷區(qū)等礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工作的支持力度，使采礦區(qū)廢棄、污染的土地資源得到有效治理，為礦區(qū)的發(fā)展提供了用地保障，也使礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到改善[1-4]。

1 項目概況

遼源市西安采煤沉陷區(qū)位于吉林省遼源市西北部，是原遼源煤礦集中所在地。遼源市自1911年發(fā)現(xiàn)煤田以來，先后經(jīng)歷上百年的開采，從二十世紀(jì)九十年代開始，煤炭資源逐漸枯竭，到本世紀(jì)初，部分煤礦企業(yè)相繼破產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)下滑的同時，采空礦井大量出現(xiàn)地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，致使遼源市西安采煤沉陷區(qū)逐步形成。沉陷區(qū)總面積34.03 km2，其中地面塌陷面積18.95 km2，影響波及區(qū)面積15.08 km2(1)吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，吉林省遼源煤礦燈塔地面塌陷礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程設(shè)計[R].吉林省地質(zhì)資料館，2011.。近年來，遼源市開展了多項針對采煤沉陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復(fù)改造的治理工程，因礦業(yè)開采嚴(yán)重受損的生態(tài)環(huán)境得到了一定修復(fù)。

2 區(qū)域地質(zhì)背景條件

2.1 地形地貌

該區(qū)屬河谷低山丘陵地形，海拔高度245～450 m。東遼河自東而西橫穿全區(qū)過境，四周被低山丘陵所環(huán)抱，其間為東遼河谷及其支流沖洪積平原。按地貌形態(tài)成因分為：剝蝕構(gòu)造低山丘陵、剝蝕構(gòu)造丘陵、河谷漫灘階地等。

2.2 地層巖性

遼源為中生代盆地，其地層以侏羅系上統(tǒng)含煤層為主，零星分布奧陶系上統(tǒng)石縫組變質(zhì)巖、砂巖、大理巖等；市區(qū)西北角出露白堊系下統(tǒng)砂巖、砂礫巖和泥頁巖；上第三系玄武巖分布于西北部一座英山、老道山、西猛虎亮山等地；沿東遼河及其支流漫灘階地發(fā)育第四系松散堆積層。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

遼源位于天山—陰山東西向復(fù)雜構(gòu)造帶的東端，與新華夏構(gòu)造體系張廣才嶺—那丹哈達(dá)嶺隆起帶相交匯地區(qū)。西北臨松遼坳陷沉降帶，伊舒華夏式地塹；東南與海輝樺華夏式盆地相接；西靠鐵嶺—四平新華夏系褶段帶，東毗吉林帚狀構(gòu)造。受其影響東西向構(gòu)造和北西向構(gòu)造控制了區(qū)域構(gòu)造格局，致使遼源煤系地層遭受擠壓碎裂，北東、北西向斷裂發(fā)育，并且控制了中生代沉積與新生代中基性巖漿活動等。

2.4 水文地質(zhì)

遼源水文地質(zhì)條件較簡單，沿東遼河及其支流漫灘階地埋藏有水量中等的松散巖類孔隙潛水；遼源中生代煤田盆地蘊藏有水量較貧的碎屑巖孔隙裂隙水；低山丘陵花崗巖區(qū)發(fā)育水量較貧乏的風(fēng)化裂隙水。此外，零星分布水量豐富的奧陶系碳酸鹽巖溶隙裂隙水等。

2.5 工程地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件大致可分為以花崗巖為主的硬質(zhì)巖區(qū)，侏羅、白堊系砂巖、泥巖軟質(zhì)巖區(qū)及河谷地帶松散土等性質(zhì)不同的工程地質(zhì)區(qū)。

2.6 主要問題及危害

2.6.1 地面塌陷

由于持續(xù)的采煤活動，地下礦物逐漸被掏空形成采空區(qū)，導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)和周圍區(qū)域的應(yīng)力平衡發(fā)生變化，導(dǎo)致地面塌陷。進(jìn)而導(dǎo)致地面建筑物、道路、橋梁和其他城市基礎(chǔ)設(shè)施受損。

2.6.2 地表積水

因為各礦井的含煤地質(zhì)條件、開采工藝、開采規(guī)模、開采年限和開采深度的不同，形成了不同大小的采空區(qū)，造成不同大小的地面塌陷，導(dǎo)致地表積水、房屋和耕地被淹，居民被迫搬遷，無法耕種土地。塌陷幅度較大、破壞較嚴(yán)重的區(qū)域是太信、燈塔、西孟三大地面塌陷區(qū)，塌陷面積達(dá)600.73 hm2，塌陷幅度最大為15 m，其上共有大小積水池沼14處，積水總面積61.42 hm2。不僅土地?zé)o法耕種，因水源無法流動，水質(zhì)極差，水生態(tài)環(huán)境破壞也十分嚴(yán)重。

2.6.3 土地資源被占用

首先，塌陷和積水造成大量土地資源被破壞；其次，廢棄的廠礦因破產(chǎn)關(guān)閉，占用的土地未轉(zhuǎn)化未使用；第三，洗煤產(chǎn)生的煤矸石堆積成山，占用大量土地(見圖1)。

2.6.4 植被受損

由于采煤沉陷區(qū)長期開采過程中對生態(tài)環(huán)境和綠化工作缺乏高度重視，加上地面塌陷、積水等問題，部分原有樹木遭到破壞，導(dǎo)致多年來該區(qū)植被多樣性受損，綠化覆蓋率低，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

圖1 治理前土地資源被破壞、占用Fig.1 Destruction and occupation of land resources before governance

2.6.5 生態(tài)環(huán)境惡化

因先前開采過程中始終追求經(jīng)濟(jì)效益，缺乏對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識和重視，周邊生態(tài)環(huán)境本就遭到破壞，加之大面積的工業(yè)廢棄地和煤矸石堆放地侵占了大量土地資源，導(dǎo)致地質(zhì)地貌景觀受到一定影響。另一方面煤矸石的長期堆積，容易造成環(huán)境污染。煤矸石中含有硫、鐵礦石等物質(zhì)，隨降水滲入，對土壤和地下水造成一定程度的污染。煤矸石山自燃產(chǎn)生的二氧化硫和煙塵形成大氣污染，也加重了沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化，給周邊居民日常工作和生活帶來一定影響。

3 礦山生態(tài)修復(fù)方法

針對沉陷區(qū)存在的問題，治理工程一是采用工程修復(fù)，為植物提供有力的用地條件和生長環(huán)境；二是采用生物修復(fù)，主要是植物修復(fù)，通過種植各種綠色植物，改善土壤環(huán)境，也能夠提高治理區(qū)綠植覆蓋率，提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，改善受損的生態(tài)環(huán)境。

3.1 工程修復(fù)

3.1.1 場地整理

在生態(tài)修復(fù)治理中，治理項目資金十分有限，無法實施對采煤沉陷區(qū)的整體綜合治理。因此，在治理區(qū)域的選擇上，重點選擇塌陷穩(wěn)定區(qū)域，避免由于持續(xù)塌陷問題，影響治理效果，造成人力、物力和財力等資源的大量損耗。部分治理區(qū)域原為廢棄的工礦廠房和居民宅基地，搬遷后形成了大量建筑廢棄物，進(jìn)行拆除處理之后對地形地貌造成極大的破壞，不利于后期的治理，因此對廢棄地的整理需要清除大量的建筑垃圾，并采用機(jī)械挖填平整，盡可能恢復(fù)原地貌。

3.1.2 回填耕植土

為確保治理工程達(dá)到修復(fù)受損土地資源及生態(tài)環(huán)境的效果，必須對現(xiàn)場受損的地形進(jìn)行科學(xué)回填和修整。采煤塌陷區(qū)土壤條件相對較差，多數(shù)情況下會存在重金屬污染，利用天然物種進(jìn)行土壤修復(fù)有成本低、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、無二次污染等優(yōu)勢[5]。但在污染嚴(yán)重的區(qū)域或土層較薄的區(qū)域，為了滿足生產(chǎn)和種植要求，需要對土壤進(jìn)行改良和回填處理，使土壤能夠滿足植物種植和生產(chǎn)的需要，提高綠化和后期生長管理水平以及植物成活率。治理工程選用了客土法改良土壤，所用回填土石方一部分采用煤矸石，能夠節(jié)約成本，其他所需黏土及耕植土均取自運距范圍在10km之內(nèi)的取土場，在降低運輸成本的同時，也能保證土壤質(zhì)量符合植物生長要求。各類綠化植物生長的最小土層厚度見表1。

表1 植物生長的最小土層厚度

3.1.3 疏排水渠道

因采礦活動所形成的塌陷坑已基本趨于穩(wěn)定，塌陷區(qū)的排水溝大多是自然形成的，在防洪排水渠道上，會出現(xiàn)排水不暢、渠道狹窄等問題。每到雨季，低洼地段常被積水淹沒，造成樹木澇害，甚至死亡。治理工程一般采用生態(tài)排水溝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)排水溝，先用吊鉤機(jī)開挖疏通淤泥，疏通排水渠道，后在溝邊種植紫花苜蓿護(hù)土護(hù)坡，這樣不但可以實現(xiàn)排水效果，也能發(fā)揮生物綠化的作用。在地勢低易積水的治理區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場地形和植物需水量，選擇耐澇的樹種，并起壟種植，在兩條壟之間形成溝渠，及時排水，以防澇害。

3.2 植物修復(fù)

治理工程主要采用植物綠化方式實現(xiàn)礦山生態(tài)修復(fù)治理。在選擇植物的過程中要堅持以下原則:首先，要堅持植物多樣性原則，盡可能選擇多種喬木、灌木、地被、藤本植物進(jìn)行組合，營造適應(yīng)性和穩(wěn)定性強的植物群落；其次，要考慮植物的先鋒性，因礦產(chǎn)開采對土壤造成一定污染，使土壤中缺少營養(yǎng)物質(zhì)，在生態(tài)修復(fù)的過程中，選擇豆科類等先鋒植物可以提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，達(dá)到快速修復(fù)的目的；最后，要充分應(yīng)用植物的抗逆性，如在低洼地區(qū)選擇柳樹等耐澇樹種，在寒冷地區(qū)選擇冷杉等抗寒樹種，抗逆性決定了植物生存的能力，抗逆性強的植物能夠在逆境中更好地生存，其影響著礦山生態(tài)修復(fù)長期的治理效果。治理工程在堅持適地適樹,綜合考慮以上原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合本地氣候、水文、地質(zhì)、周圍生態(tài)環(huán)境等因素，為實現(xiàn)科學(xué)配置，選擇了云杉、冷杉、白樺、蒙古櫟、五角楓、山杏、花楸、山槐、垂榆、桃葉衛(wèi)矛、暴馬丁香、珍珠梅、紫丁香、連翹、金銀冬忍、重瓣榆葉梅、紫花苜蓿等50多種植物，對土地進(jìn)行覆綠處理,提高區(qū)域植物覆蓋率，提升區(qū)域綠化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 綠化方案

4.1 紫花苜蓿復(fù)墾煤矸石山

區(qū)內(nèi)煤矸石山占用土地資源，造成環(huán)境破壞，產(chǎn)生視覺污染。在煤矸石山復(fù)墾環(huán)節(jié)中，對矸石山進(jìn)行了削坡和平整。根據(jù)植物生長基本要求，處理后的坡度不得超過15°，有利于水土保持。受煤矸石理化性質(zhì)的影響，植物存活難度大。因此，在矸石層上覆蓋50 cm的黏土，以增加土壤的保水性。在此基礎(chǔ)上，為了滿足植物生長需要，覆蓋30 cm的耕作土壤，通過覆蓋黏土和耕作土壤，達(dá)到適合植物生長的土壤條件。除此之外，在煤矸石山復(fù)墾作物的選擇上采用了紫花苜蓿，治理工程種植面積21.35 hm2，種子用量為15 kg/hm2。紫花苜蓿作為一種綠色肥料作物，具有很強的抗逆性，由于其根系展現(xiàn)出較強的滲透能力，可以促進(jìn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，改善土壤的理化性質(zhì),適合保護(hù)土地，用于綠化種植。苜蓿屬于一種先鋒栽種植物，有利于增加土壤肥力、成熟和穩(wěn)定性。同時，綠肥植物可以改善生態(tài)環(huán)境，以豐富昆蟲和微生物作為誘餌，促進(jìn)復(fù)墾土地上生物的快速增長[6]。紫花苜蓿種植后，土壤可以達(dá)到復(fù)墾的效果。煤矸石山治理前后對比效果見圖2。

圖2 紫花苜蓿復(fù)墾煤矸石治理前后效果對比Fig.2 Effect comparison of alfalfa reclamation before and after coal gangue treatment

4.2 積水坑濕地化改造

在采煤沉陷區(qū)的生態(tài)修復(fù)設(shè)計中，發(fā)揮濕地的生態(tài)功能是及其重要的一環(huán)，對生物多樣性保育、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、雨洪調(diào)控都有著積極影響和重要意義[7]。治理區(qū)由于多年的地下采礦活動導(dǎo)致地面塌陷進(jìn)而形成了大量的積水坑，形成了次生濕地。由于塌陷程度差異以及濕地發(fā)育階段的不同，形成了河流、湖泊、沼澤等多種濕地類型。治理區(qū)沉降較為嚴(yán)重的是河谷漫灘地，利用河谷漫灘地恢復(fù)、創(chuàng)建湖泊和沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)，在采煤沉陷區(qū)治理中具有一定的典型性和代表性。治理工程對濕地以保護(hù)和恢復(fù)為主進(jìn)行改造，減少人為活動，在濕地周邊培育了大量蘆葦、菖蒲等多年生水生植物，擴(kuò)大濕地面積、改善濕地水系，涵養(yǎng)濕地，充分發(fā)揮濕地的生態(tài)功能(治理前后對比效果見圖3)。同時圍繞濕地設(shè)立保育區(qū)、恢復(fù)區(qū)，合理利用區(qū)等，加強對濕地的保護(hù)與恢復(fù)措施，提高群眾對濕地生態(tài)系統(tǒng)重要性的認(rèn)識，參與濕地保護(hù)，為濕地生物多樣性營造良好條件。通過多年的治理，濕地周邊水環(huán)境指標(biāo)大部分達(dá)到國家3類水標(biāo)準(zhǔn)，濕地野生動植物種類及數(shù)量明顯增加，動植物棲息環(huán)境得到有效保護(hù)，提高了濕地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和功能。治理后濕地類型較為豐富，景觀多樣，濕地生態(tài)系統(tǒng)較為完整，功能比較健全。

圖3 積水坑濕地化改造前后效果圖Fig.3 Effect picture of ponding pit before and after wetland transformation

4.3 打造園林景觀

在采煤沉陷區(qū)打造園林景觀可以恢復(fù)原場地被破壞的地形地貌，使其成為城市綠地的一部分發(fā)揮生態(tài)功能。因此，治理工程在提高植被覆蓋率的同時，兼顧周邊居民實際需求，在適當(dāng)區(qū)域打造園林景觀。如：在鹿鳴湖修建環(huán)湖路及湖邊景觀帶(見圖4)，在富國新村建造小型公園廣場，通過建設(shè)涼亭、廊道、雕塑等，并按照苗木種植流程(見圖5)，將各種綠化植物合理配置，形成可供居民休閑娛樂游憩的場所。在營造園林景觀的過程中，堅持現(xiàn)狀加保護(hù)的原則，充分利用地形地勢和原有樹種，減少成本支出。依托地勢起伏，選擇適宜的造景植物，如紅松、云杉、白樺、五角楓、梓樹、糖槭、山槐等，配以相應(yīng)的點位種植等排列方式，使景觀效果自然協(xié)調(diào)。在沉陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中打造園林景觀可以在空間上合理安排景觀格局，達(dá)到修復(fù)效果實用價值高和可持續(xù)的目的，并且能夠與周邊城市綠地形成協(xié)調(diào)、穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。

4.4 苗木密植

在治理區(qū)的部分地塊由于土地面積有限，周邊基礎(chǔ)設(shè)施和配套設(shè)施條件差，難以形成景觀，因此選用了大小適宜的金葉垂榆、鉆石海棠、紫葉稠李、山櫻、山杏、云杉、冷杉等樹種，按照2 m×2 m的間距進(jìn)行密植。一方面通過苗木密植可以快速形成綠地，綠化效果明顯(部分區(qū)域治理前后效果見圖4)； 另一方面， 在土地資源有限的情況下，能夠儲備大量的園林綠化苗木。密植苗木經(jīng)過短時期生長，就可以根據(jù)景觀規(guī)劃需要進(jìn)行科學(xué)合理的抽稀，而此苗木可以用于后期綠化工程建設(shè)從而節(jié)省投資。

圖4 鹿鳴湖及湖邊景觀帶Fig.4 Luming lake and lakeside landscape belt

圖5 苗木種植流程圖Fig.5 Flow chart of seedling planting

5 結(jié)語

遼源市西安采煤沉陷區(qū)的治理工程通過場地平整、疏排水及綠化工程，通過各種綠化樹種、綠肥作物和濕地水生植物，充分利用了被壓占、污染和荒化的土地資源、復(fù)墾了裸露的煤矸石山、有效保護(hù)了濕地資源，提高了區(qū)內(nèi)植被覆蓋率、改善了沉陷區(qū)受損的生態(tài)環(huán)境，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提升，在一定程度上降低了礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患的發(fā)生，有效的保障了周邊居民的生命以及財產(chǎn)安全。治理工程栽植各類綠化樹種21萬余株，完成治理面積為3.3 km2，為采煤沉陷區(qū)綜合治理提供了示范，也為周邊居民營造了休閑娛樂游憩的恬靜場所，但其與沉陷區(qū)34.03 km2的總面積相比，治理任務(wù)，任重道遠(yuǎn)，還需要在實踐中不斷探索前行。

礦山生態(tài)恢復(fù)屬于一項全面、系統(tǒng)的綜合治理工作，在實際中，需要進(jìn)行“山、水、林、田、湖、草、礦、村”統(tǒng)籌視角的有機(jī)整合[8]。同時，還要整合多學(xué)科專業(yè)技術(shù)，開展多系統(tǒng)集成，提高生態(tài)修復(fù)效果，實現(xiàn)礦山生態(tài)恢復(fù)的綜合治理，讓土地綠起來、礦區(qū)美起來、百姓富起來。