大型石灰?guī)r礦區(qū)水土保持設(shè)計(jì)實(shí)踐

連 燕

(四會(huì)市宏禹水利水電勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 四會(huì) 526200)

1 概述

我國能源礦產(chǎn)行業(yè)發(fā)展快速，過去粗放式礦山開發(fā)的持續(xù)存在，產(chǎn)生的大量礦山廢棄物，嚴(yán)重影響了許多原有地形地貌和礦山的生態(tài)環(huán)境，目前礦山生態(tài)修復(fù)的現(xiàn)狀問題嚴(yán)重，尾礦廢礦導(dǎo)致的水土流失、重金屬污染等問題突出，過去開采技術(shù)和治理修復(fù)經(jīng)驗(yàn)的缺乏加劇了資源生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境之間的矛盾[1]。主要問題有:開采規(guī)劃設(shè)計(jì)不合理，例如礦產(chǎn)邊坡開挖過于陡高，增加了產(chǎn)生滑坡、崩塌的風(fēng)險(xiǎn)。尾礦廢棄物沒有進(jìn)行合理的堆積管理，污染了周邊的水土環(huán)境、大氣質(zhì)量等。廢棄地的不合理管理、廢棄物隨意堆放也容易產(chǎn)生尾礦潰壩，同時(shí)影響周邊水土、空氣質(zhì)量等[2]。

因此，開采礦山的水土保持工作顯得尤為重要，對于保證礦山安全生產(chǎn)，發(fā)展綠色礦山經(jīng)濟(jì)顯得尤為重要，本文在充分分析礦山水土保持影響因素和策略的基礎(chǔ)上，以封開大旺塘礦為例，提出了該大型石灰?guī)r礦山的水土保持生態(tài)恢復(fù)和綠色生產(chǎn)治理對策，通過水土流失預(yù)測和監(jiān)測分析，達(dá)到了預(yù)期效果。

2 礦山水土保持的治理經(jīng)驗(yàn)

2.1 土壤對礦山水土保持的作用

土壤條件會(huì)影響礦山的水土保持，土壤的成分和結(jié)構(gòu)對礦山植被有著決定性的影響。是推動(dòng)影響植物的發(fā)育、生長、演化方向的直接因素[3]，從而影響著礦山的水土保持。礦山土體的酸堿值、磷的含量以及堿解氮都密切影響著礦山植被的生長[4]。而且礦山的植物群落的修復(fù)也密切受土壤中的全氮、有機(jī)質(zhì)成分和鉀含量等因素的影響[5]。所以礦山水土保持首先需要改善土壤、提升肥力、改善基質(zhì)。

改善土壤基質(zhì)的主要方法包括理化改善和生物改善，理化改善的方法存在著量大、造價(jià)高、作用效果和時(shí)間短等問題，不利于礦產(chǎn)土壤的持續(xù)長期改善和管理恢復(fù)。生物改善的方法包括動(dòng)植物改善、微生物改善等，有造價(jià)小、持續(xù)作用時(shí)間久、恢復(fù)修復(fù)效果好的特點(diǎn)。生物改善法可以通過改變土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而提升土壤肥力，保證土壤有充足的水、氧、空氣等提高土壤的生長條件，防止開采后礦山的水土流失。

2.2 綠色植物對礦山水土保持的作用

植物群落的演替實(shí)質(zhì)上能代表礦山修復(fù)的重要演替更新過程，在廢礦尾礦的修復(fù)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[6]。隨著礦山恢復(fù)年限的增加，植物群落結(jié)構(gòu)也逐漸復(fù)雜，其植物群落的多樣性也逐漸伴隨恢復(fù)年限增加而變得復(fù)雜[7]。

實(shí)現(xiàn)礦山廢棄地的水土保持需要有合適的植物種類，因地制宜的選擇合適的植被種類是實(shí)現(xiàn)水土保持的重要關(guān)鍵因素，對于大型石灰?guī)r礦區(qū)的開采，應(yīng)該選擇一些抗逆性好、耐旱性強(qiáng)、生根能力強(qiáng)，發(fā)育快速成活率高的植物種類。對于一些沙生植物，能夠很好的吸收銅鎳礦的金屬。

3 石灰?guī)r礦區(qū)概況

3.1 自然環(huán)境概況

礦區(qū)位于廣東省西部，賀江下游，與廣西毗鄰。礦區(qū)屬丘陵山區(qū)，地勢自東、西兩側(cè)向中部傾斜，形成狹長槽形地帶。礦區(qū)位于狹長槽形地帶的北段，為低矮丘陵及山間盆地。礦區(qū)附近海拔標(biāo)高最低為+47.70m，最高為+249.20m，最大相對高差201.50m。礦區(qū)為典型巖溶地貌，四周多為懸崖峭壁，時(shí)見突起孤峰，除陡壁外，地形坡度一般小于50°。總平圖如圖1所示。礦體出露地表，開采平臺(tái)平整，四周多見開采遺留下的殘壁及爆破造成的堆石。

圖1 礦區(qū)總平分布圖

3.2 工程建設(shè)現(xiàn)狀

項(xiàng)目區(qū)屬于全國土壤侵蝕類型區(qū)劃中的南方紅壤丘陵區(qū)，土壤侵蝕以水力侵蝕為主，開采礦種為水泥用石灰?guī)r，生產(chǎn)規(guī)模988萬t/a；礦區(qū)面積為1.03739km2，標(biāo)高范圍在+284.2m～(+50m)。服務(wù)年限分為基建期、生產(chǎn)期和復(fù)墾造綠整治期。占地區(qū)域主要為露天采場區(qū)、礦山道路區(qū)、破碎區(qū)和辦公生活區(qū)4個(gè)分區(qū)。礦區(qū)開采現(xiàn)狀圖如圖2所示。

圖2 礦區(qū)地形地質(zhì)及開采現(xiàn)狀圖

由于礦山的多年開采，自西向東已形成標(biāo)高為+60m、+70m、+85m、+100m及+120m共5級開采平臺(tái)。開采終了剖面圖如圖3所示?，F(xiàn)狀露天采場最高邊坡位于1號拐點(diǎn)南側(cè)山體靠近采場一側(cè)的邊坡，邊坡頂部高程為+245m，邊坡底部標(biāo)高為+105m，邊坡總高度約140m，其中共設(shè)+150m、+135m、+120m和+105m共4個(gè)臺(tái)階，形成的臺(tái)階坡面角75°～85°。最高邊坡剖面如圖4所示。其中+150m以上形成了高陡邊坡，臺(tái)階高度最高達(dá)95m。

圖3 開采最終邊坡構(gòu)成圖

圖4 開采最終邊坡構(gòu)成圖

3.3 礦區(qū)流失現(xiàn)狀與防治目標(biāo)

項(xiàng)目區(qū)水土流失類型屬南方紅壤丘陵區(qū)，以水力侵蝕為主，土壤容許流失量為500t/(km2·a)，根據(jù)降雨、地形等各因素進(jìn)行修正。

截至2021年12月，本項(xiàng)目已開采多年，礦山道路區(qū)已發(fā)生擾動(dòng)，期間產(chǎn)生土壤流失總3613t。通過水土流失預(yù)測，在采取水土保持措施的情況下，本項(xiàng)目可能造成水土流失量為113013.60t，新增水土流失量110042.53t。水土流失重點(diǎn)時(shí)期為開采期，重點(diǎn)區(qū)域?yàn)槁短觳蓤鰠^(qū)。

修正后水土流失總體防治指標(biāo)值：水土流失治理度達(dá)到95%、土壤流失控制比為1.0、渣土防護(hù)率達(dá)到97%、林草植被恢復(fù)率達(dá)到95%、林草覆蓋率應(yīng)達(dá)到24%。項(xiàng)目分區(qū)防治指標(biāo)見表1：

表1 項(xiàng)目水土流失防治指標(biāo)值

4 水土保持設(shè)計(jì)方案

開采的年限分別為基建期、開采期、恢復(fù)期。水土流失重點(diǎn)時(shí)期為開采期，重點(diǎn)區(qū)域?yàn)槁短觳蓤鰠^(qū)。根據(jù)水土流失防治分區(qū)和水土流失防治措施布局原則，本方案針對工程建設(shè)生產(chǎn)期各主要分區(qū)的水土流失具體情況。并因地制宜采取防治措施，治理高邊坡，重點(diǎn)介紹整片場區(qū)的復(fù)墾和綠植恢復(fù)方案。

4.1 露天開采區(qū)

露天采場區(qū)占地面積為103.74hm2。實(shí)際挖損面積為103.74hm2，實(shí)際開采標(biāo)高為+284.2m～(+50)m。根據(jù)采場終了情況，采場+65m標(biāo)高以上為山坡露天。山坡露天開采完成后轉(zhuǎn)入凹陷露天開采，凹陷露天采場運(yùn)輸主要采用路塹。主要階段的防治措施如下：

(1)基建期：

設(shè)置漿砌石截水溝和漿砌石沉沙池。本項(xiàng)目主體設(shè)計(jì)在采場區(qū)開采境界邊緣較高地勢地段3～5m處挖掘截水溝，設(shè)計(jì)形狀為梯形，底寬0.4m，頂寬0.8m，深度0.5m，漿砌石襯砌0.3m，縱向順地形布置，縱坡坡度≥5%，截水溝長度為4511m；截水溝尺寸圖如圖5所示。采礦場排水匯集后，在礦區(qū)下游排水出水口位置設(shè)置2座沉沙池，用于沉淀來水夾帶的泥沙進(jìn)行水質(zhì)處理，采用沉沙池尺寸為15.0m(長)×15.0m(寬)×1.6m(深)。具體沉沙池設(shè)計(jì)分析如下：

根據(jù)主體設(shè)計(jì)中的礦區(qū)10年一遇洪峰流量Q=0.3m3/s，設(shè)計(jì)池中沉淀流速v=0.1m/s，沉沙池?cái)嗝娣e為S=Q/v≈5.0m2。

設(shè)計(jì)沉淀時(shí)間t=150s，則沉沙池長度L=vt=0.1×150=15m。據(jù)此，設(shè)計(jì)沉沙池寬度15m,深度1.6m，長度15m，過水?dāng)嗝娣e5.0m2，容量360m3。

圖5 截水溝排水溝設(shè)計(jì)圖

(2)生產(chǎn)期：

主體已設(shè)表土回填20.90萬m3，平臺(tái)排水溝9733m，臺(tái)階擋土墻9733m，坡底排洪溝4635m，栽植灌木14600株，栽植喬木27720株，栽植藤本植物28160株，栽植果樹134850株，撒播草籽8.87hm2。

4.2 礦山道路區(qū)

運(yùn)輸?shù)缆穮^(qū)主要為簡易公路和采場斜坡道。采場內(nèi)有礦巖運(yùn)輸?shù)缆吠ㄖ敛蓤龅撞?，有支線道路通至采場各個(gè)臺(tái)階，形成較為完善的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。礦山道路區(qū)占地面積為2.06hm2。工業(yè)場地區(qū)沿用現(xiàn)有的設(shè)施，不重新建設(shè)。區(qū)內(nèi)地面均已硬化處理，周邊布設(shè)有漿砌石排水溝，植物生長茂盛。運(yùn)輸?shù)缆犯哌吰侣范闻R空面堆有塊石擋車樁，轉(zhuǎn)彎地段設(shè)安全警示樁，道路內(nèi)側(cè)分段開挖簡易排水溝，路側(cè)邊坡栽植有喬木、灌木，植被生長良好，能有效防止水土流失。

在基建期，主體工程已設(shè)措施有路邊排水溝，栽植藤本植物；方案新增漿砌沉沙池1座。在生產(chǎn)期，主體已設(shè)栽植喬木。礦山道路長約1800m，總面積2.06hm2。在道路兩側(cè)各種植一排榕樹和園葉烏柏。

4.3 破碎區(qū)和辦公區(qū)

本項(xiàng)目破碎區(qū)已建成，該破碎區(qū)主要為水泥用石灰?guī)r原礦進(jìn)行粗碎，以便于運(yùn)輸。水泥用石灰?guī)r破碎站設(shè)置卸礦平臺(tái)、破碎平臺(tái)及產(chǎn)品堆場共3級平臺(tái)。破碎區(qū)占地面積為2.13hm2。在基建期，主體在磚砌圍墻外側(cè)設(shè)置了漿砌石排水溝；方案新增漿砌石沉沙池1座。在生產(chǎn)期，主體已設(shè)栽植灌木，栽植喬木，植草綠化0.19hm2。礦山閉坑復(fù)墾后，辦公生活區(qū)的生產(chǎn)、生活設(shè)施可進(jìn)行充分利用，在其周圍的空地應(yīng)種植樹木和植草，

4.4 礦區(qū)開終高邊坡處理

位于礦區(qū)24拐點(diǎn)附近山坡，最高標(biāo)高為+190m，同邊坡處采場底標(biāo)高為50m，邊坡最大高度為140m，經(jīng)計(jì)算最大的最終邊坡角為54°，終了邊坡角偏陡，主要原因在于該區(qū)域終了邊坡上部為已開采邊坡，邊坡高而陡，為了保證邊坡安全，需要針對上部已開采邊坡進(jìn)行邊坡安全整治，采用削坡減載或邊坡防護(hù)等治理措施。

4.5 復(fù)墾工程設(shè)計(jì)

(1)平臺(tái)復(fù)墾方法。采場開采終了臺(tái)階的安全平臺(tái)4m、清掃平臺(tái)寬度8m，為灰?guī)r，無土則無法復(fù)墾綠化，因此采用覆土法進(jìn)行林地復(fù)墾治理。平臺(tái)經(jīng)整治后，在平臺(tái)表面均勻鋪墊剝離土或客土，用于草類種植。清掃平臺(tái)種植3排喬木和1排灌木。

(2)邊坡復(fù)墾方法。在邊坡根部鑿?fù)诳硬?，并在坑槽里回填有機(jī)土，每個(gè)坑槽種植爬藤類植物。

(3)采場底部平臺(tái)復(fù)墾方法。大旺塘礦段底部、石逕村礦段底部水平終了平臺(tái)經(jīng)整治后，在平臺(tái)表面均勻鋪墊剝離土或客土，用于果木種植。

(4)平臺(tái)排水溝和坡底排洪溝?？诱芜^程中，在采礦平臺(tái)一側(cè)設(shè)置排水溝。

(5)臺(tái)階擋土墻。閉坑整治過程中，在采礦平臺(tái)一側(cè)設(shè)置臺(tái)階擋土墻。

4.6 植草種樹的選擇和種植技術(shù)

4.6.1植物的選擇

根據(jù)礦區(qū)自然生態(tài)及植被群落發(fā)育情況，應(yīng)選擇根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)能力強(qiáng)的植物栽種，耐受石灰?guī)r地區(qū)高鈣離子的作用，故宜選擇當(dāng)?shù)貎?yōu)勢闊葉喬木、灌木、草藤類等品種進(jìn)行配套種植?？紤]常綠樹種與落葉樹種的搭配。落葉樹種對干旱有很強(qiáng)的適應(yīng)性，也有助于土壤肥力的提高。常綠樹種在同化CO2與生物量累計(jì)方面具有明顯的優(yōu)勢。喬木中的任豆、刺槐等豆科植物，因其具有固氮根瘤，對石灰?guī)r地區(qū)土壤肥力的提高有重要作用，應(yīng)以主要植物，刺槐屬石灰?guī)r山地綠化的優(yōu)良樹種，而榆科樹種有較強(qiáng)的抗旱性能，可加速石灰?guī)r山地綠化。灌木以石巖楓、牛耳楓等為主，草類以竹葉草、青皮竹等為主，藤類以龍須藤、雞血藤、爬山虎等為主，形成與周邊植物群落一致的“草、藤、喬、灌木”相結(jié)合的立體生態(tài)景觀。果木則選擇適合當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤條件、適應(yīng)能力強(qiáng)且產(chǎn)品比較受歡迎的桔樹、芭蕉、李為主。

4.6.2種植技術(shù)

應(yīng)選擇在雨季進(jìn)行植樹，草籽直接撒播。為防止水土流失對環(huán)境的污染，采用鑿坑填土栽培法，坑內(nèi)置可降解薄膜，防止雨水泄漏，并在坑底施加復(fù)合肥和磷肥，以幫助植物的生長、發(fā)育。

5 水土流失預(yù)測及監(jiān)測布置

5.1 水土流失的影響因素

項(xiàng)目建設(shè)對水土流失的影響主要在基建期、生產(chǎn)期以及復(fù)墾期?；ㄆ?、生產(chǎn)期損壞原地貌及植被，使工程用地范圍內(nèi)原地貌植被所具有的水土保持功能迅速降低或喪失，大量松散堆積物易被沖刷造成流失；復(fù)墾期(植被恢復(fù)期)由于植被恢復(fù)是一個(gè)緩慢的過程，水土流失強(qiáng)度仍高于工程未建設(shè)前的水平。

項(xiàng)目建設(shè)伴隨著礦區(qū)道路修建、露天開采、產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)?，這些施工活動(dòng)都將占壓土地、改變原有地貌、毀壞植被或原有水土保持設(shè)施，降低植被覆蓋率，破壞原有生態(tài)防護(hù)體系，造成大量地表裸露，勢必加大水土流失發(fā)生的可能性和危害程度。

此外，在項(xiàng)目建設(shè)過程中，若臨時(shí)防護(hù)措施不到位，產(chǎn)生的新增水土流失將給項(xiàng)目區(qū)及其周邊環(huán)境帶來危害。項(xiàng)目的水土流失布設(shè)總圖如圖6所示。

圖6 礦區(qū)水土流失防治措施總體分布圖

5.2 水土流失量的計(jì)算

包括水土流失總量和新增水土流失量。新增水土流失量是指項(xiàng)目施工建設(shè)可能造成的土壤流失總量較對應(yīng)區(qū)域、相同時(shí)間內(nèi)原生地貌條件下所增加的土壤流失量。

水土流失量采用侵蝕模數(shù)法，按以下公式計(jì)算土壤流失量：

(1)

新增土壤流失量預(yù)測公式：

(2)

式中，W—擾動(dòng)地表土壤流失量，t；ΔW—擾動(dòng)地表新增土壤流失量，t；i—預(yù)測單元，i=1，2；k—預(yù)測時(shí)段，1，2，指施工期和自然恢復(fù)期；Fi—第i預(yù)測單元面積，km2；Mik—擾動(dòng)后不同單元各時(shí)段的土壤侵蝕模數(shù)，t/km2.a；ΔMik—不同單元各時(shí)段新增土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Mik—擾動(dòng)前不同預(yù)測單元土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Tik—預(yù)測時(shí)段，a。

通過預(yù)測，下階段施工可能造成水土流失總量為116013.60t，新增水土流失總量110042.53t；其中基建期水土流失量45t，新增水土流失量42.28t；開采期水土流失量113745.60t，新增水土流失量108888.75t；自然恢復(fù)期水土流失量2223.00t，新增水土流失量1111.50t。從預(yù)測結(jié)果看，新增水土流失時(shí)段主要集中在基建期和開采期。因此，開采期應(yīng)作為水土流失防治重點(diǎn)階段，防治的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)槁短觳蓤鰠^(qū)、礦山道路區(qū)、破碎區(qū)，并應(yīng)加強(qiáng)開采期的水土保持監(jiān)測工作，以便及時(shí)調(diào)整方案和掌握防治措施實(shí)施進(jìn)度，確保水土流失在可控狀態(tài)下的施工。

5.3 監(jiān)測布置

根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測規(guī)程(試行)》中的規(guī)定，結(jié)合工程建設(shè)水土流失特點(diǎn)，擬設(shè)4個(gè)臨時(shí)監(jiān)測點(diǎn)位，如下：1#監(jiān)測點(diǎn)：露天采場南部下游的沉沙池；2#監(jiān)測點(diǎn)：西側(cè)辦公生活區(qū)的沉沙池；3#監(jiān)測點(diǎn)：破碎區(qū)；4#監(jiān)測點(diǎn)：礦山道路區(qū)。主要的監(jiān)測目標(biāo)包括流失量的監(jiān)測和水土保持手段的監(jiān)測。

5.3.1水土流失量監(jiān)測

(1)水土流失類型及形式應(yīng)在綜合分析相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，實(shí)地調(diào)查確定。每年不應(yīng)少于1次。

(2)典型項(xiàng)目水土流失面積監(jiān)測應(yīng)采用普查法，每季度不應(yīng)少于1次。

(3)土壤侵蝕強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL190《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》按照監(jiān)測分區(qū)分別確定，施工準(zhǔn)備期前和監(jiān)測期末各1次，施工期每年不應(yīng)少于1次。

(4)重點(diǎn)區(qū)域和重點(diǎn)對象不同時(shí)段的土壤流失量應(yīng)通過監(jiān)測點(diǎn)觀測獲得：水力侵蝕土壤流失量應(yīng)根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的特點(diǎn)、條件和降雨情況，選擇不同方法進(jìn)行觀測，統(tǒng)計(jì)每月的土壤流失量；可采用調(diào)查、實(shí)測等方法，對崩塌、滑坡、泥石流等土石方量進(jìn)行量測。

5.3.2水土流失植物防治措施監(jiān)測

(1)植物類型及面積應(yīng)在綜合分析相關(guān)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，實(shí)地調(diào)查確定。

(2)成活率、保存率及生長狀況宜采用抽樣調(diào)查的方法確定。應(yīng)在栽植6m后調(diào)查成活率，且每年調(diào)查1次保存率及生長狀況。

(3)郁閉度與蓋度監(jiān)測應(yīng)每年在植被生長最茂盛的季節(jié)監(jiān)測1次。

(4)林草覆蓋率應(yīng)在統(tǒng)計(jì)林草地面積的基礎(chǔ)上分析計(jì)算獲得。

6 結(jié)論

本文在治理石灰?guī)r礦山的水土流失中發(fā)現(xiàn)，綠色植被對礦山修復(fù)有著重要意義，應(yīng)該合理搭配綠植，層次上錯(cuò)落。應(yīng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測與評價(jià)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的水土保持情況，監(jiān)測應(yīng)該置于治理期之前，考慮治理中施工擾動(dòng)的影響，保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測。而且必須對擾動(dòng)區(qū)域采取相關(guān)的水土保持措施，在開采結(jié)束后必須對該區(qū)域進(jìn)行復(fù)綠工作與采取相應(yīng)的永久防治措施。對于石灰?guī)r礦區(qū)高邊坡的治理研究，本文仍有研究不深的地方，有待進(jìn)一步研究。