德興銅礦水龍山酸性廢石堆場(chǎng)邊坡生態(tài)恢復(fù)工程模式研究

王 瓊,辜再元，周連碧

(1.北京礦冶研究總院,北京100070; 2.北京綠之源生態(tài)科技有限公司,北京100083)

酸性廢石來(lái)自硫化礦物開(kāi)采中剝離的廢石和礦物夾石層以及排土。酸性廢石堆及排土場(chǎng)堆體巨大，數(shù)十萬(wàn)方至數(shù)百萬(wàn)方，巖土混堆，廢石塊度大，堆積物中孔隙度大。這類(lèi)礦山廢棄物中，殘存相當(dāng)高的硫化物，露天堆置條件下，易被空氣中的氧所氧化，氧化深度直達(dá)堆體內(nèi)部。遇降雨形成強(qiáng)烈的酸性水，通常酸度在pH 1～2，并挾帶大量的重金屬離子。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，既使采取不少措施植被恢復(fù)，樹(shù)種仍大量死亡，存活的樹(shù)種在種植7年后樹(shù)高仍不到1m。我國(guó)不少礦山多年來(lái)為這一污染問(wèn)題所困擾，酸性污染十分嚴(yán)重。

酸性廢石堆場(chǎng)生長(zhǎng)介質(zhì)性能極差，難以恢復(fù)植被和生態(tài)，一般環(huán)境條件下，即使堆置多年仍酸性水遍布。本項(xiàng)目針對(duì)廢石堆場(chǎng)的酸性強(qiáng)、坡度大、水土流失嚴(yán)重，特別是南方有色金屬礦山多、雨水多等問(wèn)題，采取防止污染措施，改善種植基質(zhì)或建立人工復(fù)合基質(zhì)層，篩選抗耐性品種，從工程入手解決邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。因此，酸性廢石堆場(chǎng)的污染治理和生態(tài)修復(fù)，是國(guó)內(nèi)礦山生產(chǎn)中遇到的典型難題。

由于酸性廢石堆場(chǎng)土壤結(jié)構(gòu)性差，有機(jī)質(zhì)含量及植物必需的養(yǎng)分元素(尤其是氮、磷、鉀)缺乏，同時(shí)重金屬含量又較高，因此很不利于植物生長(zhǎng)和其他生物活動(dòng)，恢復(fù)起來(lái)十分困難。對(duì)廢棄地植被恢復(fù)與重建機(jī)理的科學(xué)研究，并在此基礎(chǔ)上提出植被恢復(fù)重建的可行模式，已成為一項(xiàng)緊迫而極其重要的研究課題。雖然我國(guó)煤礦廢棄地復(fù)墾研究較多[1-4]，但關(guān)于有色金屬礦山廢棄地復(fù)墾研究的報(bào)道很少[5,6]。本研究旨在通過(guò)德興銅礦水龍山酸性廢石堆場(chǎng)廢棄地的研究，為德興銅礦其他酸性廢石堆場(chǎng)及我國(guó)南方同類(lèi)礦山的植被恢復(fù)與重建，提供理論依據(jù)和成功模式。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

1.1 礦區(qū)概況

德興銅礦位于江西省上饒地區(qū)的德興市，北緯28°41′，東經(jīng)117°44′，全礦總面積100km2。礦區(qū)內(nèi)地貌為低山、丘陵，海拔65～500m。礦區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度17.0℃，≥10℃年積溫5233～5809℃，無(wú)霜期248～273d；年日照時(shí)數(shù)1800～2000h，年太陽(yáng)輻射總量466.75～468.43kJ/cm2；年降雨量1901.6mm；年均相對(duì)濕度81.4%，年蒸發(fā)量1303mm。土壤主要為紅壤和山地黃紅壤。

礦區(qū)植物區(qū)系屬于亞熱帶濕潤(rùn)森林植物區(qū)系。由于自然條件優(yōu)越,又未受到第四紀(jì)大陸冰川的毀滅性襲擊,因此,植被類(lèi)型繁多,植物區(qū)系豐富。有藻類(lèi)6門(mén)、31科、56屬、135種；蕨類(lèi)植物13科、16屬、19種；種子植物123科、308屬、462種。在種子植物中，裸子植物有8科、10屬、10種；被子植物115科、298屬、462種。按照林英教授的區(qū)系分析方法，該礦區(qū)的植物區(qū)系可分為主要世界性或亞世界性成分、主要熱帶性成分、主要熱帶和亞熱帶性成分、主要亞熱帶性成分，主要亞熱帶和溫帶性成分、主要熱帶和溫帶性成分和主要溫帶性成分。植被的優(yōu)勢(shì)種和常見(jiàn)植物區(qū)系成分，以主要熱帶性成分和主要熱帶、亞熱帶性成分占優(yōu)勢(shì)。主要植被類(lèi)型有亞熱帶常綠闊葉林、常綠與落葉闊葉混交林、針葉林、竹林、荒山灌木草叢、荒山草叢、草甸等。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析

坡體主要由大量碎巖和礦尾石塊堆棄而成，坡面松散程度較高，且廢石含有硫化礦物，沒(méi)有土層，植被恢復(fù)極度困難。坡度為45～60°，坡面pH值為3.0左右，酸度較高。該項(xiàng)目生態(tài)治理最大的難點(diǎn)在于：一是坡體及其不穩(wěn)定，呈現(xiàn)松散體的狀況；二是坡面酸化程度較高，嚴(yán)重制約了植物的正常生長(zhǎng)。

2 生態(tài)修復(fù)原則

(1)遵循自然規(guī)律、近自然的生態(tài)修復(fù)。經(jīng)修復(fù)后的創(chuàng)面與周邊環(huán)境渾然一體，恢復(fù)環(huán)境自然原貌，避免太多人工痕跡。

(2)因地制宜、科學(xué)采用相應(yīng)的技術(shù)措施進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。克服一味追求國(guó)外引進(jìn)技術(shù)和投資高昂的坡面防護(hù)，采用人工促進(jìn)自然恢復(fù)的方式實(shí)施坡面生態(tài)修復(fù)。

(3)鄉(xiāng)土植物種優(yōu)先，多品種組合進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。從植物品種的生態(tài)適應(yīng)性、抗逆性、持續(xù)穩(wěn)定性、生物多樣性等特性出發(fā)，篩選一些適宜物種。

(4)設(shè)置綠色屏障，實(shí)施生態(tài)緩沖攔擋。為了避免大面積放坡造成的植被破壞和控制性的工程攔擋造成的景觀破壞，設(shè)置綠色屏障，實(shí)施生態(tài)緩沖攔擋。

設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)以生態(tài)恢復(fù)和景觀建設(shè)為目標(biāo)的邊坡綠化技術(shù)體系。所謂以恢復(fù)自然為目標(biāo)，就是強(qiáng)調(diào)坡面以木本植物為主體的植被(群落)與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)、共生、和諧，通過(guò)一段時(shí)間的自然生長(zhǎng)，使得坡面植被能夠融入周邊環(huán)境，達(dá)到協(xié)調(diào)一致。結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的坡面植被恢復(fù)的若干新技術(shù)，在考慮坡面植被恢復(fù)的同時(shí)，側(cè)重考慮植被恢復(fù)速度和養(yǎng)護(hù)成本，力圖實(shí)現(xiàn)在技術(shù)實(shí)施工程中勤維護(hù)，養(yǎng)護(hù)期間少維護(hù)，后期不維護(hù)，實(shí)現(xiàn)植被的自然生長(zhǎng)和演替。

3 生態(tài)恢復(fù)工程模式

3.1 邊坡穩(wěn)定性治理措施

(1)人工開(kāi)挖平臺(tái)

坡面松散程度較高，通過(guò)人工開(kāi)挖平臺(tái)，將坡面分割成4個(gè)區(qū)，起到分割坡面、穩(wěn)定后期噴播基材作用，平臺(tái)寬度控制在1.0～1.5m。

(2)坡頂截排水溝的設(shè)置

在坡頂設(shè)置截排水溝，可以防止自然降水而形成的山體上部坡面匯水徑流對(duì)坡面上植生基材層的沖刷，保證坡面基材層的長(zhǎng)期穩(wěn)定，同時(shí)可以減少坡面匯水大量深入坡體內(nèi)部而形成基材(巖層)滑動(dòng)的可能。

3.2 邊坡植被恢復(fù)施工方案設(shè)計(jì)

(1)施工分區(qū)

坡面整體劃分為A、B、C、D共4個(gè)區(qū)，按照試驗(yàn)計(jì)劃，4個(gè)區(qū)設(shè)計(jì)3種處理方案。

A區(qū)施工工藝：植被毯+生態(tài)棒+掛網(wǎng)厚層基材噴播，面積約800m2。

B、D區(qū)施工工藝：掛網(wǎng)厚層基材噴播，面積約800 m2。

C區(qū)施工工藝：排水板+掛網(wǎng)厚層基材噴播，面積約400 m2。

(2)錨桿固定設(shè)計(jì)

結(jié)合坡面的立地條件，主錨桿采用高強(qiáng)度耐腐蝕的高分子材料的膨脹錨桿，受力時(shí)靠錨桿倒齒穩(wěn)固格柵網(wǎng)，使之不易脫落，輔錨桿采用木樁錨固。

(3)隔離層設(shè)計(jì)

本方案共設(shè)4個(gè)區(qū)，3個(gè)處理，A、C兩個(gè)區(qū)設(shè)置隔離層，A區(qū)隔離層采用植被毯，植被毯中間填充蛭石、珍珠巖；C區(qū)隔離層采用排水板。

(4)生態(tài)棒設(shè)計(jì)

鑒于坡面松散程度較高，穩(wěn)定性差，直接采用常規(guī)基材噴播技術(shù)，難以保證基材長(zhǎng)期穩(wěn)定和合理的厚度。在坡面布設(shè)生態(tài)棒并用錨固，可以有效地將大坡面進(jìn)行合理分割，提高基材長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3.3 植被物種的選擇

酸性廢石堆場(chǎng)原生植被絕跡，引入合適的植物種類(lèi)是植被恢復(fù)的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)從植物選擇標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行探討[7]，國(guó)外從引入外來(lái)植物種類(lèi)及景觀等角度進(jìn)行分析[8]。結(jié)合以上經(jīng)驗(yàn)，筆者根據(jù)水龍山酸性廢石堆場(chǎng)的具體情況，提出植物種類(lèi)選擇標(biāo)準(zhǔn)，篩選出適栽的植物種類(lèi)。

植物選擇標(biāo)準(zhǔn)：①選擇抗旱、抗風(fēng)、抗瘠薄的植物種類(lèi)；②選擇多種生活型的植物種類(lèi)(草本、灌木和喬木等)，適當(dāng)引入外來(lái)樹(shù)種，有利于加速植物的演替，建立穩(wěn)定的植物群落；③選擇繁殖能力強(qiáng)的植物種類(lèi)，它們能通過(guò)風(fēng)力傳播種子或通過(guò)根莖蔓延，遷人、定居到礦區(qū)巖體上；④引人豆科植物，利于改良土壤和促進(jìn)其他植物的生長(zhǎng)；⑤植物種類(lèi)的選擇要結(jié)合景觀效果和經(jīng)濟(jì)效益，注意選擇觀賞樹(shù)種和經(jīng)濟(jì)林木，達(dá)到綜合的生態(tài)效益。

3.4 植被恢復(fù)種植方案

采用適宜的種植方式，是廢石堆場(chǎng)植被恢復(fù)的技術(shù)保障。我們借鑒國(guó)內(nèi)外成功的護(hù)坡技術(shù)，針對(duì)不同的植物種類(lèi)采用不同的種植方式，利于植物生長(zhǎng)和植物群落的建立。

4 結(jié)論與討論

酸性廢石堆場(chǎng)的植被破壞極其嚴(yán)重，其植被恢復(fù)也是一個(gè)長(zhǎng)期、系統(tǒng)的工作。該項(xiàng)目現(xiàn)已經(jīng)完成了工程所有工作，并已經(jīng)初見(jiàn)成效(如附圖)。通過(guò)對(duì)德興銅礦水龍山酸性廢石堆場(chǎng)生態(tài)環(huán)境治理工程進(jìn)行深入探討，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)恢復(fù)目標(biāo)植物群落類(lèi)型的確定，在恢復(fù)治理中，治理時(shí)要具體考慮坡度、高度、巖性、周邊環(huán)境等因素。坡度大等立地條件惡劣，不適合植物生長(zhǎng)發(fā)育，要進(jìn)行種子噴射等植被恢復(fù)措施。主要是首先構(gòu)建先鋒植物群落，改善土壤、小氣候條件，為最終植被恢復(fù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造有利條件。

(2)刺槐、鹽膚木、紫穗槐、胡枝子、高羊茅、紫花苜蓿等植物品種表現(xiàn)出良好的生態(tài)適應(yīng)性，是項(xiàng)目區(qū)周邊類(lèi)似立地條件進(jìn)行生態(tài)修復(fù)可以選擇的植物品種。

(3)對(duì)于邊坡苗木的栽植與灌草種子的撒播相結(jié)合，能夠明顯提高坡面植被覆蓋率，并有利于在一定的周期內(nèi)逐步形成灌草結(jié)合的穩(wěn)定植被群落。

(4)針對(duì)不同的植物種類(lèi)確定種植方案，利于加快植被恢復(fù)進(jìn)程和推進(jìn)植被正常演替，形成穩(wěn)定的植物群落。

(5)植被品種選擇及噴射種子配比研究，酸性廢石堆場(chǎng)邊坡土壤有機(jī)質(zhì)及N、P、K含量低，缺乏植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所需的基本養(yǎng)分，因此植物種類(lèi)的選擇以及配比尤為重要。

[1] 馬志本,盧崇恩,王文英，等.黃土高原晉陜蒙接壤區(qū)露天煤礦廢棄土地復(fù)墾戰(zhàn)略及其對(duì)策的探討[C].黃土高原地區(qū)露天煤礦土地復(fù)墾研究論文集(第一集),北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1995: 90-99.

[2] 馬恩霖.露天開(kāi)采復(fù)田[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1982.

[3] 卞正富,林家聰.礦區(qū)的土地復(fù)墾規(guī)劃問(wèn)題[J].煤炭學(xué)報(bào),1992(1):53-62.

[4] 韋朝陽(yáng),張立城.試論我國(guó)煤礦生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及其綜合整治戰(zhàn)略[J].中國(guó)人口·資源與環(huán)境,1995 (4): 26-29.

[5] 高林,張文敏,施文獻(xiàn),等.有色金屬工業(yè)環(huán)境的整治及礦山土地復(fù)墾.現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題研究[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1996:572-582.

[6] 黃玉山.露天砂金礦土地復(fù)墾[M].西安:陜西人民出版社,1994.

[7] 樊振輝,龐少靜.試論礦山環(huán)評(píng)中的生態(tài)恢復(fù)評(píng)價(jià)問(wèn)題[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),2000,6(3):15.

[8] Roman Kunmar Dutta,Madhoolika Agrawal. Restoration of opencast coal mine spoil by planting exotic tree species: a case study in dry tropical region [J]. Ecological Engineering,2003(21):143-151.

[9] 周德培,張俊云.植被護(hù)坡工程技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2003:144-146.