高寒地區(qū)礦山邊坡生態(tài)修復技術研究

趙 滿,嚴 橋,馮金根,陳 濤,賈洋海

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江省華東生態(tài)環(huán)境工程研究院,浙江 杭州 311122)

我國是礦產資源開發(fā)利用大國,《中國礦產資源報告(2023)》顯示,截至2022年底,我國已查明礦產資源有173種,每年礦產資源消耗量在50億t以上[1-2]。礦產資源的開發(fā)利用在推動國民經濟發(fā)展的同時,因挖、填、壓、占等高強度地表擾動重塑礦區(qū)地形,破壞地表植被,引發(fā)水土流失[3],同時未合理處置的廢水、廢渣等還會污染地下水和土壤,從而對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成影響[4]。我國自20世紀50年代便已開展了礦山生態(tài)修復相關研究,但受制于當時相關的法律、規(guī)范、技術等,礦山生態(tài)修復率一直低于發(fā)達國家水平[2]。進入21世紀后,隨著我國立法系統(tǒng)的不斷完善,特別是黨的十八大召開以來,以習近平同志為核心的黨中央把生態(tài)環(huán)境保護提到了前所未有的戰(zhàn)略高度,礦山生態(tài)修復工作亦成為當前生態(tài)文明建設的重要內容和學術界熱點研究內容之一。

徐俏等[4]研究表明,生態(tài)袋、掛網噴漿植生等技術,因成本高且易受到項目區(qū)水、土等自然條件限制,故在新疆地區(qū)并不適用;沈維明等[5]結合北京市部分關停廢棄礦山修復案例,研究了生態(tài)植被袋及格賓網兩種礦山邊坡關鍵性生態(tài)修復技術,認為前者可用于土石混合坡面,后者則適用于緩坡、短坡,當坡面缺土時,二者可結合使用;羅明等[6]從山水林田湖草生命共同體角度出發(fā),對粵北南嶺山區(qū)典型礦山生態(tài)修復進行研究,研發(fā)出適用于當?shù)氐V山廢棄地邊坡的“原狀基質改良+直接立體植被配置”修復模式;魏鵬等[7]通過對長江流域四川省境內千余座歷史遺留礦山開展現(xiàn)場調研,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域礦山邊坡生態(tài)修復方式主要包括自然修復、坡腳植被重建、削坡、覆土、掛網噴播、穴植等;趙方瑩等[8]在黃河流域內蒙古準格爾旗采煤礦區(qū)的研究表明,對坡度超過25°的坡體實施削坡、放坡,然后通過實施水平溝、反向水平條、魚鱗坑等措施,可有效防止水土流失。

西藏地區(qū)位于青藏高原腹地,礦產資源豐富,目前已查明的礦產資源有百余種,其中銅、鉻、硼等礦產在我國占重要地位[9]。但該地區(qū)具有高寒、降水稀少、植被單一等特點,自然條件惡劣,屬于我國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū),因此礦山生態(tài)環(huán)境修復和治理的難度大。同時,因其地理位置的特殊性,故相關研究開展也較少。鑒于此,本研究以拉薩墨竹工卡縣甲瑪銅多金屬礦為例,探討分析高寒地區(qū)礦山邊坡生態(tài)修復技術,以期為該地區(qū)后續(xù)類似工作開展提供一定的借鑒和指導。

1 項目概況

1.1 自然地理概況

甲瑪銅多金屬礦項目區(qū)位于西藏自治區(qū)拉薩市墨竹工卡縣甲瑪鄉(xiāng)青藏高原岡底斯山脈東段,距拉薩市區(qū)68 km、墨竹工卡縣城7 km,地理位置為29°37′49″～29°43′53″N、91°43′06″～91°50′00″E,總占地面積約1 063.26 hm2。項目區(qū)地勢起伏較大,整體呈中間高、兩側低的特征,最高點海拔5 735 m,最低點約3 900 m,相對高差約1 835 m。屬溫帶高原半干旱季風氣候區(qū),年均氣溫6.1 ℃,晝夜溫差懸殊,干濕季節(jié)明顯,夏季溫和濕潤,冬季寒冷干燥;年均降水量556.9 mm,6—9月為雨季,降雨集中、多暴雨,且常伴有雷電、冰雹,易引發(fā)短時山洪、泥石流等自然災害;年均水面蒸發(fā)量2 132.0 mm;年均日照時數(shù)2 813.1 h。土壤類型主要為高山寒漠土、高山草甸土、亞高山草甸土、灌叢草原土等。受冰川作用影響,土壤的形成發(fā)育歷史很短,發(fā)育程度弱,土層淺薄,厚度為10～50 cm,且砂、礫含量高。植被類型主要為高寒灌叢、草甸,具有植被類型貧乏、結構簡單的特點,整體林草覆蓋率約為40%。區(qū)內主要河流為甲瑪溝支流塔隆普河和墨竹瑪曲支流斯布普河,兩處河谷均呈V形發(fā)育,基巖裸露,平時河谷無水,雨季會形成短暫的洪水。

1.2 礦山建設概況

甲瑪銅多金屬礦采用露天-地下聯(lián)合開采方式,生產規(guī)模約1 260萬t/a,開采礦種有銅、鉬、鉛、鋅、金、銀等,礦產資源量以銅最多,約740萬t,工程布局包括生活營地、排土場、露天采場、廢石場、選廠、尾礦庫、皮帶走廊、溜礦井、通風井、驅動站、破碎站及礦山道路等。

2 礦山主要生態(tài)環(huán)境問題

2.1 地貌景觀破壞及土地資源損毀

結合相關資料及現(xiàn)場調查,項目區(qū)原土地利用類型主要為林地、草地。其中,草地(天然牧草地和其他草地)占地面積為567.89 hm2,林地(灌木林地)占地面積為269.68 hm2。

在開采、運輸、加工及辦公生活區(qū)建設過程中會壓占、挖損草地和灌木林地,造成山體邊坡大面積裸露,引發(fā)水土流失,損毀土地資源。據(jù)統(tǒng)計,甲瑪銅多金屬礦建設過程中共損毀土地面積1 063.26 hm2,根據(jù)此項目《地質環(huán)境保護與土地復墾方案》中礦區(qū)土地損毀程度分級評價方法,將礦區(qū)土地損毀情況分為輕度、中度和重度3級,其中中度、重度損毀面積占總損毀面積的92.77%,且主要集中在采礦區(qū)、辦公生活區(qū)及道路區(qū)(見表1),其地貌景觀破壞及土地資源損毀實景見圖1。

圖1 地貌景觀破壞及土地資源損毀實景

表1 礦區(qū)土地損毀情況

2.2 邊坡水土流失

項目區(qū)為藏南溫暖半干旱高原寬谷凍融侵蝕、水蝕區(qū),土壤侵蝕以凍融侵蝕和水蝕為主,屬于西藏自治區(qū)水土流失重點治理區(qū)。原地貌遭到破壞后,極易引發(fā)水土流失,且以邊坡部位最為嚴重,主要體現(xiàn)在礦山挖損邊坡和排土場堆墊邊坡(見圖2)。挖損邊坡表土層淺薄,植被類型貧乏、結構簡單,一旦土壤和植被遭到破壞,短時間內難以恢復,在匯水的影響下邊坡部位極易出現(xiàn)水土流失;堆墊邊坡是由大量棄土、棄渣集中堆置形成的松散、裸露的堆積體,其組成物質復雜、固結性差,可蝕性較原地貌會增大數(shù)十倍[10],受當?shù)赜昙颈┯晏鞖庥绊?易出現(xiàn)多種類型侵蝕,嚴重者會引發(fā)滑坡、泥石流等自然災害。

圖2 項目區(qū)邊坡侵蝕溝實景

3 礦山邊坡生態(tài)修復治理方案

現(xiàn)狀條件下礦山需實施生態(tài)環(huán)境恢復治理的具體內容主要包括地貌景觀恢復與重構、植被恢復和水土流失治理;治理范圍主要包括采礦場、礦區(qū)工業(yè)場地、排土場、尾礦庫、礦山道路、辦公生活區(qū)等,同時兼顧后續(xù)生產中可能遭受破壞的其他區(qū)域。

3.1 植物種選擇

依據(jù)《西藏植被》中植被分區(qū),項目區(qū)屬雅魯藏布江中游谷地亞高山灌叢草原區(qū),植被垂直地帶性明顯,河谷灌叢草原和高山灌叢草甸植被并行發(fā)育。結合當?shù)貧夂驐l件和項目區(qū)周邊植被分布情況,灌木樹種選沙棘、拉薩小檗等,草種主要選垂穗披堿草、老芒麥、蒿草、黑麥草、高羊茅等。種植時間宜在每年的5—8月。

3.2 邊坡防護方案

礦山邊坡按照其擾動過程大體可分為開挖邊坡、回填邊坡兩種。根據(jù)立地條件,開挖邊坡可分為土石混合邊坡、巖質邊坡和土質邊坡3種;回填邊坡可分為土質邊坡、土石混合邊坡和溜渣邊坡3種。項目區(qū)屬高寒地區(qū),立地及生境條件差,不太適合直接采用攀緣植物綠化,結合該區(qū)域其他礦區(qū)生態(tài)修復經驗,確定采用客土噴播植草、噴混植生、生態(tài)袋擋坎等生態(tài)工程護坡技術。

3.2.1 開挖邊坡防護方案

項目區(qū)內開挖邊坡大部分為土石混合邊坡,少部分為巖質邊坡、土質邊坡。按照國內現(xiàn)有邊坡護坡經驗,開挖邊坡護坡一般有兩種途徑:一是在坡腳設置種植槽或種植穴,并栽植攀緣植物進行坡面綠化;二是采用在坡面上固定植生的生態(tài)工程護坡。巖質及土石混合邊坡普遍坡比大于1∶1.2,立地條件較差,采用三維植被網+客土噴播植草護坡;對坡度較緩、坡比小于1∶1.2的開挖邊坡,采用客土噴播植草護坡。為防止土質邊坡發(fā)生滑塌,先進行削坡處理,而后采用客土噴播植草護坡(見表2)。其中三維植被網+客土噴播植草主要施工工藝為:先對坡面進行清理,清除危石,坡面整治平順后沿坡面從上至下鋪設三維植被網,并采用U形釘進行固定,U形釘入巖深度不小于0.50 m,前后間距約0.50 m、左右間距約0.70 m;然后將含草籽的綠化基材噴播到三維植被網中,基材噴播厚度9～12 cm,基材由過篩腐殖土、黏合劑、草纖維、有機肥、三元復合肥、種子等按比例攪拌均勻后制成;噴播后,加蓋無紡布,定期灑水養(yǎng)護。其典型設計見圖3。

圖3 三維植被網+客土噴播植草護坡典型設計(單位:cm)

表2 開挖邊坡生態(tài)修復設計

3.2.2 回填邊坡防護方案

對于土質、土石混合邊坡,若其坡度較緩、坡比小于1∶2,或通過分級削坡后坡比小于1∶2,采取覆土+撒播灌草種護坡;若其坡比大于1∶2,采用掛雙層網+噴混植生護坡。溜渣邊坡坡面大部分松散堆積的土石混合物一般呈自然休止角堆置在下坡面上,對坡面較陡的普通溜渣區(qū)域,因溜渣體覆蓋層薄,只需對坡面溜渣進行清理,恢復原狀地貌后,噴混植生護坡;對溜渣坡面較緩區(qū)域,因溜渣體堆積層較厚,清理難度大,僅需清理坡面浮石,坡面整治平順后,分級布設生態(tài)袋擋坎,噴混植生護坡。回填邊坡生態(tài)修復設計見表3。

表3 回填邊坡生態(tài)修復設計

1)掛雙層網+噴混植生主要施工工藝為:先對坡面進行清理,清除危石;雙層網采用菱形鐵絲網,網孔5 cm×5 cm、絲徑2 mm,包塑鍍鋅,內外網采用φ10 mm、φ12 mm錨釘壓網,錨釘按照坡面間距2.0 m×2.0 m布置,入巖深度不小于50 cm,使網片緊貼坡面,網片左右搭接寬度不小于10 cm,內外網錯縫不低于幅寬的1/3;將過篩腐殖土、土壤穩(wěn)定劑、草纖維、有機肥、專用添加劑、P42.5硅酸鹽水泥(5%～10%)、pH緩沖劑、草種等按比例攪拌均勻后進行噴播,噴播厚度為6～10 cm;噴播后,加蓋無紡布,定期灑水養(yǎng)護。典型設計見圖4。

圖4 掛雙層網+噴混植生護坡典型設計(單位:cm)

2)生態(tài)袋擋坎+噴混植生主要施工工藝為:先對坡面進行清理,清除危石;沿坡面豎向布設φ20 mm鋼筋(水平間距1.20 m),并用M14膨脹螺栓固定(入巖深度2.0 m、水平間距1.20 m、豎向間距1.20 m),并在鋼筋上綁扎φ10 mm鋼筋鉤爪(豎向間距0.60 m、水平間距1.20 m),用以固定生態(tài)袋;生態(tài)袋內裝填摻雜有機肥的土壤后封口,再采用三維排水聯(lián)結扣銜接生態(tài)袋;將過篩腐殖土、土壤穩(wěn)定劑、草纖維、有機肥、專用添加劑、P42.5硅酸鹽水泥(5%～10%)、pH緩沖劑、草種等按比例攪拌均勻后,在生態(tài)袋表面采用液壓噴播,噴播厚度6～10 cm;噴播后,加蓋無紡布,定期灑水養(yǎng)護。其典型設計見圖5。

圖5 生態(tài)袋擋坎+噴混植生護坡典型設計(單位:cm)

4 水土保持效益分析

水土保持效益主要通過植被措施實施前、后的土壤侵蝕量變化來進行計算,其計算公式為

Q=V1×S1+V2×S2+…+Vn×Sn

(1)

式中:Q為植被土壤保持量,單位t/a;V1,V2,…,Vn為不同類型植被的覆蓋面積,單位hm2;S1,S2,…,Sn為不同類型植被的單位土壤保持量,單位t/(hm2·a)。

本項目礦山邊坡綠化修復時,采用的植被類型主要為灌木、草,其單位土壤保持量分別取4.83、2.96 t/(hm2·a)[11-12],經計算,在植被措施完全發(fā)揮作用的情況下,項目區(qū)礦山邊坡可減少土壤侵蝕量約1 392 t/a。

5 結束語

拉薩墨竹工卡縣甲瑪銅多金屬礦項目區(qū)自然條件惡劣,生態(tài)環(huán)境脆弱,礦山開采易引發(fā)地貌景觀破壞、土地資源損毀和水土流失等諸多問題,生態(tài)修復難度較大。因地制宜地設計修復治理方案,建立礦山生態(tài)環(huán)境保護與恢復治理管理機制,可最大限度地減輕礦山開采對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響,對促進生態(tài)環(huán)境保護與礦業(yè)生產活動的協(xié)調發(fā)展具有重要意義。