菱鎂鐵礦露天采礦場生態(tài)修復(fù)設(shè)計

李 浩

撫順市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧 撫順 113008

菱鎂鐵礦露天采礦場生態(tài)修復(fù)設(shè)計

李 浩

撫順市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧 撫順 113008

合理設(shè)計露天采礦場開發(fā)建設(shè)項目中水土保持措施，對項目區(qū)的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益的提高具有重大意義。本文以某菱鎂鐵礦水土保持方案為例，在項目建設(shè)生產(chǎn)時期對露天采場進行合理的水土保持措施設(shè)計，主要包括采場的表土和心土剝離（表土剝離厚度30cm，心土剝離厚度40cm）、采場周圍的截排水系統(tǒng)、采場平臺的碎石墊層（厚度40cm）、防滲層（厚度10cm）、表土回覆（厚度30cm）、采場斜坡的風(fēng)鎬打孔、采場平臺的植物措施（栽植刺槐和柞樹）及采場斜坡的植物措施（栽植五葉地錦和三葉地錦）。

水土保持；露天采礦場；水土流失；生態(tài)修復(fù)

引言

“十五”期間，我國露天采礦工程項目共7819個，總占地面積202196.2hm2，占各類開發(fā)建設(shè)項目總面積的3.7%[1]。露天礦在采礦作業(yè)中為了獲取地表下的礦石，必須先清除原生表土，這樣就大面積毀壞地表的樹木、灌木、草皮等地表附著物，對原生地表造成破壞。同時，又會產(chǎn)生大量的棄土、棄渣，還將產(chǎn)生大量的水土流失[2]。生態(tài)修復(fù)問題是當(dāng)前人們關(guān)注的環(huán)境問題之一。隨著全球性礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題的加劇，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)被視為協(xié)調(diào)發(fā)展礦區(qū)人類活動與自然環(huán)境的關(guān)系紐帶，是解決礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的最佳途徑[3]。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)是指對采礦引起退化的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，通過重整地形和表土，采取植被和其他適宜的土地利用方式，恢復(fù)其生態(tài)平衡的過程[4]。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)需要借助眾多學(xué)科的理論支持，借鑒相關(guān)學(xué)科的方法論[5]。生態(tài)修復(fù)規(guī)劃的實質(zhì)是運用生態(tài)學(xué)原理,人為地對受損生態(tài)系統(tǒng)進行綜合地、長遠地評價、規(guī)劃和協(xié)調(diào)人與自然資源開發(fā)、利用和轉(zhuǎn)化關(guān)系,提高生態(tài)經(jīng)濟效益，促進社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展[6]。

本文以某菱鎂鐵礦水土保持方案為例，研究該礦區(qū)的水土保持工程措施布設(shè)及生態(tài)修復(fù)，有效的水土保持措施對礦區(qū)水土流失防治，防止生態(tài)破壞，實現(xiàn)資源合理利用，推動人類活動與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重大意義。

1 項目及項目區(qū)概況

該菱鎂鐵礦為露天開采，設(shè)計利用儲量為303.53萬t，建設(shè)規(guī)模為30萬t/a，礦山開采年限為1 0年。工程總占地面積3 6.60hm2。礦山運行期產(chǎn)生的廢石全部排至棄渣場。

項目區(qū)屬北溫帶季風(fēng)氣候，寒暑化劇烈，年平均氣溫8.6℃，無霜期136～142天，年平均降水量800mm，降水強度及降水過程對水土流失有一定的影響，由于項目區(qū)內(nèi)降水年內(nèi)分布不均，每年6～9月降水占全年降水的60%～70%，降水歷時短，暴雨集中，極易造成水土流失。露天采場位于山坡處，坡度較大，在地表植被破壞情況下，易造成水土流失。

區(qū)域內(nèi)隨著采礦、修路等生產(chǎn)建設(shè)活動的不斷增加，水土流失不斷發(fā)生。工礦區(qū)的生產(chǎn)建設(shè)活動，包括開挖土石方、采掘礦石、選礦、修建工程設(shè)施、堆置固體廢棄物等人為的對自然因素的再塑作用都會加劇土壤侵蝕的發(fā)生。

2 露天采礦場生態(tài)修復(fù)設(shè)計要點

露天采礦項目不可避免地產(chǎn)生大量裸露邊坡，為了減少露天采場建設(shè)生產(chǎn)活動引起的水土流失，在總體布局上本著工程措施與植物措施相結(jié)合，永久措施與臨時措施相結(jié)合，點、線、面相結(jié)合的原則，形成布局合理的水土保持綜合防治體系。防治體系的配置按照系統(tǒng)工程原理，處理好局部與整體、單項與綜合、近期與遠期的關(guān)系，力爭做到技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理、可操作性強，形成一個科學(xué)、完整、嚴(yán)密的水土流失防治措施體系。根據(jù)項目區(qū)各水土保持區(qū)域特點以及各防治分區(qū)的具體情況，采取不同的、行之有效的防治措施、方法和手段，對可能產(chǎn)生的水土流失情況進行防治，對破壞的植被進行生態(tài)修復(fù)。

露天采場礦區(qū)范圍內(nèi)礦體分別賦存于大石橋組三段中、上部巖帶中，礦體及圍巖穩(wěn)定性好。露天采場最高標(biāo)高400m，最底標(biāo)高320m，采場采深80m。

露天采場土地擾動大、破壞嚴(yán)重，是項目區(qū)內(nèi)造成水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一。對露天采場采取水土保持措施設(shè)計，既能在短期內(nèi)有效防止水土流失，還可長期內(nèi)形成穩(wěn)定的水土保持防護體系。

露天采礦場的開發(fā)利用，不但造成環(huán)境污染，大面積破壞了原有地表植被，而且造成了嚴(yán)重的水土流失，甚至引發(fā)山體滑坡等自然災(zāi)害。因此合理設(shè)計露天采礦場開發(fā)建設(shè)項目中水土保持措施，對項目區(qū)的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益的提高具有重大意義。

2.1 表土和心土剝離

開采前先對各采場的表土和心土進行剝離，表土以備后期恢復(fù)植被所用，心土以備后期防滲層所用，表土和心土分別堆放在臨時排土場內(nèi)。為避免一次性剝離造成大面積裸露的坡面產(chǎn)生巨大的水土流失，本工程采取邊剝離邊存放的方式進行剝離表土。由于采場地形比較復(fù)雜，采用人工剝離表土和心土，鏟運機運輸?shù)姆绞剑硗羷冸x厚度30cm，心土剝離厚度40cm。

2.2 截、排水系統(tǒng)

礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，礦床充水主要為大氣降雨和巖溶水，地形有利于自然排水。該礦山均為山坡露天，設(shè)計采用自然排水方式。為確保采場安全生產(chǎn)，在距最終開采境界線10m以外處設(shè)置截洪溝。設(shè)置截水溝截走降雨形成的地表水，場區(qū)雨水經(jīng)過排水系統(tǒng)排至場外自然排水溝道。

①洪峰流量確定

在此區(qū)域設(shè)置漿砌塊石截、排水溝，壁厚30cm，底厚30cm。截、排水溝按照10%頻率24h暴雨量設(shè)計。

設(shè)計洪水量：

式中：Qm——設(shè)計洪峰流量，m3/s；

k——徑流系數(shù)；

i——24小時暴雨量降雨強度，mm/h；

F——集水面積，km2。

從圖上量得場地上游最大山坡集水面積本工程范圍內(nèi)的集水面積約為0.0 1～0.04km2，本設(shè)計取F=0.04km2。根據(jù)水文資料確定k=0.74，i＝49.8mm/h，計算設(shè)計洪峰流量Qm為0.11m3/s。

②斷面尺寸確定

采用梯形斷面，斷面尺寸按明渠均勻流公式計算確定。渠道縱坡采用1/1000，坡比均采用1：1，如取截、排水溝斷面底寬b＝0.5m，坡比1.0，排水溝深0.5m，則由上式可計算得到：

由計算結(jié)果可知，當(dāng)截、排水溝底寬取b＝0.5m，高h＝0.5m時，即可滿足排水的要求。

③護砌

項目區(qū)土體較疏松，易崩塌，故對截、排水溝采用漿砌石結(jié)構(gòu)，壁厚0.30m，底厚0.30m。如圖1所示。

圖1 漿砌石截、排水溝典型設(shè)計圖（單位：c m）

2.3 采場平臺

采場平臺共分兩種形式，安全平臺為4m、清掃平臺為8m，閉采后水土保持防治措施相同。采礦場在工程運行期間一直處于使用狀態(tài)，開采方式為逐步推進式。考慮到施工的實際情況，為有效防治水土流失，采取一個開采平面結(jié)束后立即進行集中整治的方式進行治理。

a、墊石：在平臺上用開采出來的塊徑較小、較均勻的廢石鋪墊，墊高為0.4m。這樣可以有效涵蓄降水。碎石鋪墊結(jié)束后，機械夯實。

b、防滲層：在墊石層上面覆蓋黏土層。為節(jié)省投資，黏土用剝離的心土代替。覆蓋深度為0.1m，機械夯實。防滲層既可以保持水分在少雨季節(jié)有效保留在土層中供植物利用，在積水季節(jié)可也逐漸下滲到墊石層中，不致引起過多積水，在枯雨季，又可通過蒸發(fā)，補充上層植物生長用水。

c、覆土整平：首先根據(jù)地塊大小和平整程度，沿等高線方向標(biāo)示地埂線，分塊將各單元的平地和邊坡整平，以便覆土。在防滲層上面回填剝離表土。考慮到采礦場開采結(jié)束后為裸露巖面，土壤狀況很差，盡量保證土層厚度。同時考慮要減少覆土量而依靠植物自身的固土、改土效果進行恢復(fù)，故覆土厚度為確定為0.3m。

圖2 采場平臺碎石墊層、防滲層、表土回覆措施典型設(shè)計圖

d、植物措施：采場一個層面的采礦結(jié)束后，為恢復(fù)植物景觀，在整治后的土地上栽植當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)土樹種刺槐和柞樹混合栽植。刺槐和柞樹規(guī)格為胸徑4cm，株行距為2m× 2 m。

2.4 采場斜坡

開采結(jié)束后，開采坡面的角度為60°，由于開采形成的裸露斜坡均為堅硬巖石，沒有風(fēng)化，用厚層基材等方式恢復(fù)景觀，投資巨大。較切合實際的做法是在巖石上用風(fēng)鎬挖掘魚鱗似的坑體，形成兜狀，然后進行客土填充。在每個斜坡的3m、6m和9m高處分別打孔，打孔間距為3m。在風(fēng)鎬打的孔中栽植攀爬性植物，共栽植兩排，上面一排栽植三葉地錦，下面一排栽植五葉地錦，基本可以覆滿坡面。地錦栽植密度為株行距0.5m×0.5m，栽植2行。

3 結(jié)論

經(jīng)研究，對露天采場工程及時采取工程措施和植物措施相結(jié)合、永久措施和臨時措施相結(jié)合的水土保持措施體系是項目區(qū)生態(tài)修復(fù)有效方法。因此合理設(shè)計露天采礦場開發(fā)建設(shè)項目中水土保持措施，對項目區(qū)的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益的提高具有重大意義。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.011

李浩（1972-），男，高級工程師，院長，學(xué)士學(xué)位，主要從事水利設(shè)計及管理。