露天采礦回填區(qū)光伏發(fā)電項目的水土流失綜合治理方案

王榮祥

(陽光新能源開發(fā)股份有限公司，合肥 230088)

0 引言

中國是世界上最大的煤炭生產和消費國，大量煤炭資源的開采與利用，引起了日益嚴重的煤炭地質環(huán)境惡化及災害的發(fā)生[1]。大力開發(fā)太陽能、風能、生物質能等可再生能源利用技術，是保證中國能源供應安全和可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，積極開發(fā)太陽能資源豐富地區(qū)的太陽能資源，可以改善能源結構，保護生態(tài)環(huán)境[2]。

目前，針對在采礦回填區(qū)建設的光伏發(fā)電項目，研究重點主要集中在采礦回填區(qū)地基穩(wěn)定性分析、回填區(qū)光伏支架的基礎形式、成本效益分析、邊坡穩(wěn)定性分析與治理、回填區(qū)加固措施、煤礦沉陷區(qū)水面光伏電站研究、采礦回填區(qū)光伏組件積灰清洗等方面，而對于露天采礦回填區(qū)光伏發(fā)電項目的水土流失綜合治理方案，并未進行深入的設計和研究。通過在廢棄的礦山上開發(fā)建設光伏發(fā)電項目，可以實現(xiàn)節(jié)約土地、改良耕地、減少碳排放等多重效益[3]；同時采用與光伏發(fā)電項目相結合的水土流失綜合治理方案，不僅可以恢復和改善礦區(qū)地質環(huán)境、減少水土流失，而且還可以在改善光伏發(fā)電項目發(fā)電環(huán)境的同時，提高發(fā)電效率等。

本文以位于山西省呂梁市交口縣桃紅坡的100 MW光伏發(fā)電項目為例，對露天采礦回填區(qū)光伏發(fā)電項目的水土流失綜合治理方案進行了介紹，從排水方案設計、土地平整治理、邊坡治理、沖溝填方處理、“光伏+綠色種植”修復生態(tài)5個方面，闡述了采礦回填區(qū)光伏發(fā)電項目的排水及環(huán)境治理的設計思路和技術路線。

1 水土流失綜合治理方案

以山西省呂梁市交口縣桃紅坡100 MW光伏發(fā)電項目為例，設計水土流失綜合治理方案。該項目占地面積約為3000畝(1畝約為666.67 m2)，建設場地為采礦回填建成的露天的梯田狀地形，該地形在山洪作用下已導致邊坡崩塌，且形成了大的沖溝。項目所在地的植被及表土已被破壞、水土流失嚴重，實景如圖1所示。

圖1 項目所在地的實景圖Fig.1 Photos of project site

為減少水土流失、修復地質環(huán)境，該光伏發(fā)電項目采用了截水溝和排水溝(下文簡稱為“截排水溝”)、急流槽、防沖刷硬化、圍水壩、回填“土帽”、削坡整形、抗沖生物毯、“元寶法”沖溝修復、土壤改良、“光伏+綠色種植”等綜合治理方案，使該項目地的水土流失得到了有效治理，地質環(huán)境和生態(tài)環(huán)境也得到了很好的改善。

1.1 排水方案設計

對于露天采礦回填區(qū)的地質環(huán)境恢復治理工程來說，水是一個至關重要的因素，也是導致此類回填區(qū)邊坡失穩(wěn)的主要自然因素之一。由于露天采礦回填區(qū)的植被覆蓋率低、地表裸露大，在降雨集中的季節(jié)極易導致地表徑流強烈，使采礦回填區(qū)邊坡失穩(wěn)、下滑[4]。光伏組件安裝在平整的回填地塊，每個地塊呈階梯形，如果積水不能及時排出，很容易對光伏組件，以及擋墻、護坡等建筑物和構筑物造成威脅，甚至誘發(fā)泥石流等大的地質災害。因此，應在項目區(qū)域內，根據(jù)實際地形砌筑截排水溝等，用以疏導、排泄地表徑流。設計截排水溝時要充分考慮匯水面積、當?shù)氐暮榉辶髁?，對截排水溝的型式和尺寸進行計算和比選。

為防止坡體內涵管出水沖刷邊坡，在高(陡)邊坡處設置急流槽，起到減緩水流沖擊和保護邊坡的作用。參照J007-7《國家建筑標準設計圖集：道路(1993年合訂本)》中第48～51頁的要求，急流槽的尺寸設置為：溝寬為0.8 m，流量為0.5 m3/s，邊坡系數(shù)m為1.25；急流槽每隔5 m設置1道伸縮縫，伸縮縫寬為20 mm，縫內用瀝青麻筋填塞，表面用水泥砂漿抹平。急流槽上的泄水孔設置在有地下水的地段，泄水孔間距為 3～4 m[5]。

截排水溝和急流槽的接納水口處周圍需要做半徑為5 m的硬化，底層需夯實，密實度不小于0.9，用強度等級為C20的混凝土硬化，硬化厚度為6 cm，敷設20#鋼絲網(鋼絲直徑為1.6 mm，鋼絲網重量為1.5 kg/m2)。截排水溝/急流槽接納水口處周圍的硬化處理平面及斷面示意圖如圖2所示。

圖2 截排水溝和急流槽的接納水口處周圍的硬化處理平面及斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of plan and cross-section of hardening treatment around receiving inlet of intercepting and drainage ditch and rapid flow trough

露天采礦回填區(qū)的階梯形地塊很容易積水，如圖1b所示，而大面積匯集的暴雨徑流很容易沖刷坡面，導致嚴重的水土流失，甚至可以造成沖刷灌縫現(xiàn)象。為杜絕大流量、高流速、長流程的侵蝕徑流的產生，同時防止匯集的雨水沖垮露天采礦回填區(qū)的邊坡，在每級邊坡邊緣圍繞光伏組件安裝區(qū)域修筑土質圍水壩。圍水壩的尺寸規(guī)格為寬1.0 m、高0.8 m，斜坡坡度為1。圍水壩與截排水溝的斷面示意圖如圖3所示。

圖3 圍水壩與截排水溝的斷面示意圖(單位：mm)Fig.3 Schematic diagram of cross-section of surrounding dam and intercepting and drainage ditch (unit：mm)

如此設計圍水壩，可以將地表積水攔擋在每個階梯地塊內，然后再依據(jù)地形及實際排水路徑設置截排水溝、急流槽、沉砂池等，最終將積水通過截排水溝排至接納水體。截排水溝、圍水壩、急流槽的平面布置圖如圖4所示。

圖4 截排水溝、圍水壩、急流槽的平面布置圖Fig.4 Layout of intercepting and drainage ditch，surrounding dam and rapid flow trough

露天采礦回填區(qū)的土壤一旦遭到擾動，在雨季時很容易在擾動區(qū)形成徑流。由于光伏發(fā)電項目需要埋設大量的高壓、低壓電纜，土壤開挖回填后，會在電纜開挖回填處形成徑流，進而產生大的沖溝和邊坡塌方，造成嚴重的水土流失。在雨季因地埋電纜產生的徑流引發(fā)的水土流失現(xiàn)場情況如圖5所示。

圖5 在雨季因地埋電纜產生的徑流引發(fā)的水土流失現(xiàn)場情況Fig.5 On-site conditions of soil erosion caused by runoff from buried cables in rainy season

為改善水土流失情況，針對露天采礦回填區(qū)埋設的電纜，在電纜溝開挖覆土后進行夯實，密實度不小于0.9；同時在電纜埋設處距離圍水壩上游10 m范圍內進行夯實硬化處理，并做土質“土帽”，局部可以采用強度等級為C25的混凝土進行澆筑硬化處理。電纜溝開挖覆土后回填夯實的“土帽”斷面圖如圖6所示。

圖6 電纜溝開挖覆土后回填夯實的“土帽”斷面圖(單位：mm)Fig.6 Cross section diagram of“earth cap”for backfilling and tamping after cable trench excavation and covering(unit: mm)

在礦山山腳處有多處村落，而靠近河道上游的匯水面積大、地勢較陡處，形成的水流流速快，極易產生山洪，破壞性大。為保護下游村落安全，降低山洪泛濫的風險，并減少礦渣堵塞河道，防洪設施應按照50年一遇設計，設置防洪溝及截排水溝，其規(guī)格尺寸應根據(jù)當?shù)乇┯陱姸燃皡R水面積通過計算確定，然后采用漿砌石(強度等級為MU30)或混凝土(強度等級為C25)澆筑而成。

常規(guī)截排水溝存在以下問題：1)由于常規(guī)截排水溝的內、外側壁高程相同，容易出現(xiàn)集中的地表水漫過截排水溝進入黃土回填區(qū)域的情況，從而造成光伏場區(qū)內積水；2)常年的流水會不停侵蝕截排水溝外側壁，使截排水溝外壁上出現(xiàn)大量孔洞，孔洞會一直延伸到截排水溝底并從截排水溝溝底下面穿過，導致截排水溝徹底失去截、排水作用；3)常規(guī)的截排水溝外側壁與地面齊平，地面稍經沖刷，就會出現(xiàn)截排水溝外側壁高于地面的情況，導致地表水無法進入截排水溝，出現(xiàn)地表水不停侵蝕截排水溝外壁直至侵蝕成孔洞，從而使地表水穿過截排水溝溝底下面進入截排水溝保護區(qū)域。常規(guī)截排水溝的斷面圖如圖7所示。

圖7 常規(guī)截排水溝的斷面圖Fig.7 Sectional view of conventional intercepting and drainage ditch

針對以上常見問題，可將內側溝壁的高程略高于地面，且內側溝壁的高程還應略高于外側溝壁的高程；外側溝壁的高程與地面持平，且在距離外側溝壁20～50 cm范圍內采取硬化隔水措施，或者采取土質夯實和防滲處理，以防止外側地表水長時間沖刷對截排水溝本身產生破壞[6]。優(yōu)化后的截排水溝斷面圖如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的截排水溝斷面圖Fig.8 Sectional view of optimized intercepting and drainage ditch

通過截排水溝、急流槽、接納水口處的硬化，以及圍水壩的規(guī)劃設計，有效地對光伏場區(qū)的地表積水和雨水進行了規(guī)劃和導排，減少了雨水對邊坡的侵蝕和沖刷；對地埋電纜采用的“土帽”設計及運用，對地埋電纜的防沖刷起到了非常有效的保護作用。

1.2 土地平整治理

針對露天采礦回填區(qū)內因廢棄礦及尾礦嚴重亂堆亂放造成的采礦區(qū)及光伏場區(qū)路段坑坑洼洼、高低不平、邊坡不穩(wěn)固等情況，需進行必要的地面平整處理；尾礦堆頂部和露天采礦后的采坑底部之間的相對高差一般為5～10 m，局部可達30 m甚至更高。另外，采礦區(qū)存在許多陡坎，坎高5～20 m；土地平整處理采用“挖高填低”的方法，包括場坪和豎向平整等。為了滿足光伏支架基礎的承載力要求，平整后需要采用壓路機來回壓實土地。

露天采礦區(qū)本身含有大量的廢棄礦渣、廢棄表土及粉煤灰等，通過利用廢棄的礦渣、廢棄表土及粉煤灰來改造低洼地塊、充填礦山地表塌陷區(qū)域，不僅能恢復原采礦塌陷區(qū)內的耕地，改善光伏場區(qū)的地質環(huán)境，而且在土地平整治理及復墾過程中，還可大幅減少復墾土方量方面的資金投入，降低復墾成本。

土地平整治理對于光伏發(fā)電項目的建設質量、安全性、建設進度起到了積極的作用，同時減少了場地因凹凸不平導致的沖溝及水土流失的產生。

1.3 邊坡治理

在露天采礦回填區(qū)內存在多處高(陡)邊坡，其結構疏松，雨水侵蝕后，在重力作用下極易失穩(wěn)，造成邊坡崩塌或者滑坡，會嚴重威脅邊坡上、下級平臺上逆變器、集電線塔及光伏組件的正常安全運行。因此，亟需對這些結構不穩(wěn)定的高(陡)邊坡進行綜合治理。

1)對高(陡)邊坡進行削坡處理。按照設計，由挖掘機開挖坡體，利用裝載機鏟運開挖后的渣體，并對開挖后的坡面進行整形。削坡處理的原則是自上而下(即由高到低)進行，每8～12 m高度差留設一級平臺或馬道。

先對第1級斜坡進行削坡，按照削坡剖面將坡頂平臺的外邊緣向內收，必要時在坡腳前修建漿砌石擋墻，削坡工程產生的多余土方應及時回填至回填段，并夯實，使坡面平整且密實；坡面平整后，對坡腳前的平臺進行平整；然后削坡建造第2級斜坡，對第2級斜坡坡面進行整形，并對第2級斜坡坡腳前的平臺進行平整；隨后削坡建造第3級斜坡，對坡面進行整形，并對平臺進行平整；以此類推直至坡底，每級斜坡的夾角不得大于35°。削坡整形工程示意圖如圖9所示。

圖9 削坡整形工程示意圖Fig.9 Schematic diagram of slope cutting and shaping engineering

2)削坡處理后，需要進行邊坡防雨水沖刷處理。可采用抗沖生物毯護坡方案，在抗沖生物毯內增加鋼筋，且抗沖生物毯的下部基礎采用鉛絲石籠，上部再采用鉛絲石籠壓頂進行穩(wěn)固；當遇到土壤中含有重粘土或填方土材料中含有較多巖石、塊石的情況時，應在邊坡上均勻鋪設1層不含小石子和雜物的壤土(厚度大于等于20 cm)，或直接換掉表層的土(厚度大于等于20 cm)，然后才可以鋪設加鋼筋的抗沖生物毯?？箾_生物毯護坡方案剖面示意圖如圖10所示。

圖10 抗沖生物毯護坡方案剖面示意圖Fig.10 Schematic diagram of section of anti-scouring biological blanket slope protection scheme

當邊坡坡面沖刷嚴重或需要對坡面進行加強防護時，也可采用六邊形框格內植草護坡方案或方格形骨架內植草護坡方案。針對削坡后的邊坡仍存在不穩(wěn)固的問題或無法進行削坡處理時，則需采用重力型擋土墻進行穩(wěn)固，護坡和擋土墻材料可采用漿砌石或混凝土，混凝土強度等級不低于C20，砂漿強度等級不低于M7.5，石料強度等級不低于MU30[7]。

針對光伏場區(qū)存在的局部雨水沖刷現(xiàn)象，也可采用植草護坡方案。首先進行回填壓實，壓實度不小于0.9，然后撒低矮且多根的植物草籽。草種需選擇耐寒且生長較快的黑麥草、高羊茅、早熟禾等的草籽，因為這些種類草生長得較為低矮，不需要進行修剪，適合種植在布置光伏組件的區(qū)域；按照1 kg草籽約播種50 m2土地面積的規(guī)律進行播種。

綜上所述，邊坡治理是采礦回填區(qū)光伏發(fā)電項目建設的重中之重，高(陡)邊坡采用重力擋土墻治理不但成本高，而且效果不明顯。而通過采用前文所述方案進行治理后，治理成本低、穩(wěn)固性強、可操作性高，在降低了邊坡塌方風險的同時，對生態(tài)環(huán)境的保護也起到了非常好的作用。

1.4 沖溝填方處理方案

光伏場區(qū)的集電線路采用直埋方式，電纜在跨越地塊之間的邊坡時，需要開挖擾動回填土，會導致在雨季極易產生嚴重的沖刷。當已經發(fā)生嚴重的沖溝后，會造成直埋電纜裸露，存在較大的安全隱患，因此需要對坡面沖塌口進行回填治理?？刹捎谩霸獙毞ā边M行沖溝回填治理，該修復方案如圖11所示。

圖11 “元寶法”沖溝回填修復方案的平面圖和斷面圖Fig.11 Diagram of plan and section of “Yuanbao method”gully backfilling and repair scheme

在第2級斜坡的平臺地塊處，將沖塌口處回填至場平標高，同時按要求布置好圍水壩及截排水溝設施，沖塌口處的圍水壩寬度需要至少為2 m。以圍水壩的外邊緣處開始向下找坡(即削坡)，進行沖塌口回填作業(yè)，坡度在回填修復現(xiàn)場確定；且現(xiàn)場根據(jù)地質及排水情況，按需要增加急流槽、截排水溝及護坡措施。原坡面沖塌后，在沖塌口兩側會形成沖垮坡面，在進行沖塌口回填作業(yè)時，需同步對沖垮坡面進行修復處理，兩側的回填土修復成緩坡，以保證外觀平緩，其坡度現(xiàn)場確定，但不應超過45°。光伏支架處的沖溝需回填至原場平標高，光伏發(fā)電項目場地內的其他沖溝現(xiàn)場回填，保證坡面外觀平整?；靥钔翍捎盟赝?，光伏支架區(qū)域的壓實系數(shù)不小于0.96，其他區(qū)域的壓實系數(shù)不小于0.94；回填之后在坡面撒草籽。

當梯形地塊的邊坡產生大的沖溝時，原表土層已被雨水沖走，土壤流失嚴重；而露天采礦回填區(qū)可以用于沖溝回填的土壤較為匱乏，再加上沖塌口較大，如果按照原坡面的坡度進行復原回填，土壤需求量太大，且外運成本較高。因此，采用“元寶法”處理沖溝不但可以達到治理的效果，而且極大地減少了土壤使用量，從而降低了治理成本。

1.5 “光伏+綠色種植”修復生態(tài)

1.5.1 土壤改良

光伏發(fā)電項目所處區(qū)域為露天采礦回填區(qū)的復墾區(qū)，因煤礦開采導致地表塌陷，造成地表水土流失嚴重，引發(fā)采空區(qū)的水源枯竭；另外有部分露天采礦回填區(qū)內因過去私挖濫采較為嚴重，造成原生態(tài)系統(tǒng)的嚴重破壞，復墾后面臨著生態(tài)恢復、土壤改良等艱巨任務。

土壤改良不能采取通常的單一措施，必須采取物理、化學和生物綜合的技術措施。其中，生物技術措施即通過種植豆科綠肥作物進行土壤改良；物理、化學技術措施則是通過包括平整土地、深耕細耙和合理施肥等方式在內的農藝措施實現(xiàn)土壤熟化，以滿足種植品種對土壤有機質的需求。

土壤改良的技術流程為：土地平整→添加有機肥、改良劑、化肥→深耕細耙→灌溉。

對露天采礦區(qū)內回填后，覆蓋表土并進行土地平整處理后，對土壤增施生物有機肥，以增加土壤肥力，而應用土壤調理劑可有效調節(jié)土壤酸堿度，恢復土壤酸堿平衡，改良土壤團粒結構，增加土壤的活性和蓬松度，進而增加土壤的透氣性和透水性，增強土壤保水、保肥能力，調節(jié)土壤的碳/氮(C/N)比，活化土壤中的有益微生物，達到活化土壤、培肥地力的目的。之后該土地可直接種植經濟作物，增加耕地面積、促進農民的增產增收[8]。

有研究表明，粉煤灰對植物生長、發(fā)育過程有明顯的刺激和影響作用，可以有效改善土壤的理化性質；而且粉煤灰中的重金屬元素含量低于國家相關標準，析出情況較小，不會對復墾區(qū)域的土壤及農作物造成污染。因此，礦山地表塌陷區(qū)域采用粉煤灰充填復墾方法復墾后，土地適宜作為耕地使用[9]。

1.5.2 種植方案

種植方案是指在光伏陣列間距中種植農作物。光伏陣列與農作物在結構上相互獨立，在空間布局上相互結合，因此若選擇種植低矮、喜陰的農作物，則基本不需要大幅提高光伏陣列的安裝高度，從而可以保證種植的農作物高度低于光伏陣列，避免影響光伏發(fā)電。綠色種植區(qū)域范圍示意圖如圖12所示。

圖12 綠色種植區(qū)域范圍示意圖Fig.12 Schematic diagram of green planting area

通過對光伏發(fā)電項目所處區(qū)域進行土壤環(huán)境現(xiàn)狀調查、植物引種分析，在保證技術可行、經濟合理、生態(tài)安全，且不會影響光伏發(fā)電效率與效益的前提下，結合當?shù)剞r業(yè)產業(yè)基礎，篩選出項目區(qū)適宜種植的農作物和種植模式，以及配套的適宜可行的農耕與農藝措施。

依據(jù)光伏發(fā)電項目所處區(qū)域的自然條件，以及項目前期工作調研、項目回填土壤特征等，建議選擇抗旱、耐熱、抗寒、低桿、種子顆粒稍大、扎根相對較淺的植物作為該項目所處區(qū)域種植的農作物。由于該項目所處區(qū)域屬于北溫帶大陸氣候，晝夜溫差大，適合種植小麥、雜糧類、中藥材、馬鈴薯和紫花苜蓿等，其中，雜糧類以谷子、蕎麥等為主，中藥材以柴胡為主。根據(jù)調查分析，上述篩選出的植物都不會影響光伏組件的采光[10]。

2 結論

本文對露天采礦回填區(qū)光伏發(fā)電項目的水土流失綜合治理方案進行了介紹。在國家提出碳達峰、碳中和目標下，因土地資源限制，在廢棄的礦山上建設光伏發(fā)電項目，同時結合水土流失綜合治理方案，可以提高土地資源的綜合利用效率。通過水土流失綜合治理方案，恢復和改善了露天采礦回填區(qū)的地質環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，使廢棄的礦山得以復墾，礦山環(huán)境及水土流失問題得到改善，降低了邊坡崩塌的地質災害隱患，保證了當?shù)厝罕姷纳敭a安全，下游河流及農田不再受露天采礦回填區(qū)污水的污染。

通過“光伏+綠色種植”修復生態(tài)方案，在改善生態(tài)環(huán)境的同時，也發(fā)展了光伏生態(tài)農業(yè)，改善了農村經濟結構，構建了露天采礦回填區(qū)復墾地改良的高效發(fā)展模式，實現(xiàn)了農業(yè)收入持續(xù)穩(wěn)定增長，使露天采礦回填區(qū)復墾地成為集光伏發(fā)電、農業(yè)生產經營等功能于一體的農光互補種植基地。

結合項目的實際情況來看，采用水土流失綜合治理方案的施工較為簡單，減少了成本投入，達到了預期的設計和施工效果。