廢棄露天礦坑的生態修復方式及發展

杜莉莉，劉文豪，莫志凱，李鑫林，樊 恒，沈樂濱，苗 安

(中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083)

礦產資源為我國的經濟建設做出了不可磨滅的貢獻，我國95%以上的一次性能源、80%以上的工業原料、70%的農業生產資料，都取自礦產資源。然而，大規模、高強度的礦產資源開發活動，在為國家能源安全、經濟發展做出重大貢獻的同時，也付出了巨大的生態環境代價[1]。

長期以來“重開發、輕保護”的不合理礦產資源開采利用方式產生了大量廢棄礦山。根據中國地質調查局以市、縣為單元的全國礦山地質環境調查數據統計[2]，截至2018年，我國共有各類廢棄礦山約99 000座，按開采方式分，露天開采的廢棄礦山共80 600座，井工開采的廢棄礦山共有16 400座，其他混合開采的廢棄礦山2 000座。廢棄礦坑就是伴隨著采礦活動結束之后的廢棄礦山而產生的。

由調查統計數據可見，露天開采廢棄礦山的數量高于井工開采廢棄礦山，相應地廢棄露天礦坑的數量也高于廢棄地下礦井，而廢棄露天礦坑對地表環境的破壞更為嚴重。因此，對廢棄露天礦坑進行生態修復，是落實綠色發展、循環發展理念的重要內容，是建設美麗中國的必然選擇。由于礦產種類、規模、地質條件、氣候等的差異，勢必注定了廢棄露天礦坑的生態修復不能一概而論。本文嘗試著在前人的研究基礎上，依托廢棄露天礦坑生態修復的經驗和做法，總結歸納生態修復方式的進展階段和重要性，并提煉生態修復的基礎以及加快生態修復發展進程的方法。

1 廢棄露天礦坑對生態環境的影響

廢棄露天礦坑猶如地球上的一塊塊“傷疤”，對水資源、土地資源、地面景觀和生物多樣性都有威脅，這也是廢棄露天礦坑生態修復的原因所在。廢棄露天礦坑對環境的影響：①水資源。地表水污染，改變地表徑流；地下水污染，地下水位下降。②土地資源。挖損、破壞，水土流失，地質災害。③地面景觀。與周圍環境不協調，景觀質量下降。④生物多樣性。礦山生境質量下降，生物多樣性減少，生態系統穩定性降低。

1.1 對水資源的影響

在露天礦建設過程中，可能會對穿過露天采區或位于采區附近的地表水進行改道，從而改變原始的水資源環境；如果露天礦采礦低于地下水位，開采過程中的強制性疏干排水會使地下水漏失，嚴重影響和破壞區域地下水系統，導致地下水位下降、泉流量減少甚至干枯，造成采坑及周邊區域地下水資源破壞[3]。當水(自然水、生產用水或廢水)滲過地表(包括廢棄物覆蓋層或其他材料)進入地下水時，地下水水質會受到影響；當地表水和地下水之間有水力聯系時，也會產生污染。露天礦廢棄之后，這些問題并沒有好轉，反而由于疏干排水系統的停止運轉，雨水和地下水積存在露天礦坑的底部，長期的淋溶作用會增加其中所含有毒有害物質的濃度，從而加劇水資源的污染。如美國蒙大拿州的伯克利露天銅礦，礦產資源枯竭之后，礦坑廢棄，抽水系統也不再運轉，大坑被強酸性的污水注滿，如果不加以治理，隨著水平面的不斷升高，污水將會在20年內擴散到整片地區[4]。

1.2 對土地資源的影響

廢棄露天礦坑不僅在物理空間上以挖損的形式損毀了大量土地資源，加劇土地資源短缺矛盾；在土壤成分上由于礦產資源開發過程中產生的各種含有大量重金屬和有毒有害元素的固體廢渣、廢水，未經達標處理或不合理堆放，通過雨水淋溶和風揚作用擴散傳播到采坑周邊的土壤中，對土壤造成污染[1]。廢棄露天礦坑邊坡在未改造前，由于坡度和裸露的巖土，水土流失嚴重；有的還伴隨潛在的地質風險，例如，撫順西露天煤礦和阜新海州露天煤礦開采形成的巨大礦坑，由于地質結構、地表水以及地下水的作用，同時還由于邊坡巖體性質等原因，容易誘發滑坡、塌陷、泥石流等一系列的地質災害。

1.3 對地面景觀的影響

露天礦坑對地面景觀的影響主要表現在礦坑與周圍環境在形狀、紋理和顏色方面的差異。露天采礦的人工干預，改變了景觀元素之間的自然關系，導致當地景觀視覺結構的改變，從而導致景觀質量的下降。礦石埋藏于表土層以下，露天開采礦山需先行剝離表土層，這必然會破壞礦區土地使用類型，使原來的綠地蕩然無存，并影響周圍植被的生長；露天開采后形成的巨大深坑與周圍環境非常不協調，使原有的地形地貌景觀受到較大破壞。當礦山靠近具有美學、文化、歷史、建筑或科學價值的標志性元素，無論是建造的還是自然的，這種影響尤其嚴重。

1.4 對生物多樣性的影響

廢棄露天礦坑占用了大量的土地資源，帶來生態環境和安全問題，導致當地的生態結構與功能退化嚴重，植被與生物多樣性遭到破壞。大規模的山體開挖，巖石大面積裸露，原有植被和植被生長所需的土壤被破壞，周邊林地動物棲息地也受到干擾，礦山生境質量下降，生物多樣性減少，生態系統穩定性降低。位于美國田納西州東南部的波克縣和佐治亞州北部范寧縣的銅盆地礦區，采礦活動給礦區及周圍地區的生態帶來了嚴重破壞，在未生態修復前一度被認為是美國最大的人工荒漠[5]。

2 國內外研究現狀

廢棄露天礦坑的存在，對生態環境造成了諸多不利影響。廢棄露天礦坑的生態修復，如果只依靠自然恢復往往需要花費數十年甚至數百年的時間來完成，而通過人工方式進行生態恢復或景觀改造，則可以快速地變廢為寶，恢復礦坑資源的利用價值[6]，為此，國內外均展開了對廢棄露天礦坑生態修復的研究。

2.1 國外研究現狀

截至2020年，美國約有 500 000個，澳大利亞約有50 000個，加拿大約有10 000個廢棄礦山[7]。國外露天開采的比例一直較大，所以國外非常關注廢棄露天礦坑的生態修復，其景觀生態設計和可持續利用已有較多典型修復案例，見表1。

表1 國外廢棄露天礦坑的修復案例Tab.1 Ecological restoration cases of abandoned open-pits abroad

近些年，國外的科研學者對廢棄露天礦坑的生態修復又提出了一些新的想法，如一些歐美國家相繼開展了關于廢棄礦井煤層氣的研究，目前美國已經在圣胡安、黑勇士、北阿帕拉切亞、拉頓等多個廢棄露天礦坑形成商業產能[4]；Jinyoung Song等[8]研究了在廢棄礦山坑湖中安裝浮動光伏系統的可行性，并以韓國雙龍露天石灰巖礦為案例進行研究，驗證了在廢棄礦山坑湖上安裝浮動光伏系統的經濟可行性和所獲得的生態效應；Estanislao Pujades等[9]提出建立使用露天或深礦的地下抽水蓄能水力發電(UPSH) 的發電廠，以儲存在低需求能源時期產生的多余電力，并通過建立模型快速篩選出未來 UPSH 工廠的有利位置，像澳大利亞昆士蘭州的基德斯頓露天礦，已完成建設抽水蓄能電站的可行性研究；Javier Menéndez等[10]分析了廢棄露天礦坑和淹沒的地下礦井中的礦井水作為地熱資源為周圍村莊提供地熱能，和通過地下和地表水庫之間的抽水蓄能發電的可行性，以改善逐漸衰落的傳統礦區的經濟和社會條件，并以西班牙北部阿斯圖里亞斯中央露天煤礦為例進行了闡述。

2.2 國內研究現狀

中國的礦坑修復工作起步較晚，相關理論基礎和體制機制建設落后，優秀典型案例較少，仍需進一步的探索和研究[11]。我國廢棄露天礦坑生態修復的典型案例見表2。

表2 國內廢棄露天礦坑的修復案例Tab.2 Ecological restoration cases of abandoned open-pits in China

近年來，隨著我國對生態環境的日益重視，科研工作者也針對廢棄露天礦坑的生態修復現狀展開了研究；2019年4月，自然資源部推動開展長江經濟帶廢棄露天礦山的生態修復工作，對長江流域一線的廢棄露天礦進行調研和生態修復，也推動了對廢棄露天礦坑的研究。

張進德等[1]對我國生態區域劃分的57個生態區，劃分了14個廢棄礦山生態修復區，為實施廢棄礦山分區修復、分類施策提供了依據；劉強等[12]闡述了利用廢棄的采石坑修建地宮的做法；孫曉陽等[13]給出了我國首座廢棄礦坑內建造的大型宗教建筑——南京牛首山佛頂宮項目的具體施工技術；曹壽鶴等[14]提出了一種抽水蓄能與坑底儲油相結合的廢棄露天礦坑綜合利用模式，并以遼寧省撫順西露天礦為工程背景進行了工程探索；高文文等[15]以廢棄露天礦坑為研究對象，以實現其再利用為目標，以“模式分析—模式選擇—實證研究”為主線，總結了國內外已有的廢棄露天礦坑再利用案例；武強等[16]采用系統工程思路，運用“九節鞭”手段，圍繞礦山環境問題梳理、調查、評價與預測、修復治理技術與模式、礦山土地適宜性評價、監測與預警、信息系統研發、法規標準和礦山環境管理9個方面探討了逐步攻克和解決礦山環境問題的出路；袁亮等[4]提出了以撫順西露天礦廢棄礦坑為基礎建設國家級礦山地質公園的概念性規劃以及對利用撫順西露天礦廢棄礦坑建設抽水蓄能電站進行了可行性分析；劉宏磊等[17]則以撫順西露天礦為例，剖析了露天煤礦閉坑后正效應資源開發利用條件與優勢，認為西露天礦規劃利用類型可分為地表生態景觀、坑壁商業場地、坑壁光伏電站、地下深部儲藏場所、深部抽水蓄能電站以及礦山博物館和公園等。

2.3 生態修復方式的進展階段和重要性

依據場地的自然環境、文化歷史和社會經濟條件將廢棄露天礦坑開發為城市公園、礦山公園、博物館、人工濕地、農林漁養殖、垃圾處理、地下儲庫等可持續和多功能空間，是廢棄露天礦坑修復的主要方式，此外，礦坑建筑和文體場地的建造又開辟了別種利用途徑；如今，隨著新能源開發的興起和科學技術的進步，浮動光伏系統、抽水蓄能電站、抽水蓄能與坑底儲油相結合、礦井水地熱能等利用方式也逐漸進入人們的視野。

在生態修復進程中，正如波鴻工程應用技術大學校長在為《做得好——德國應對后采礦的挑戰》(譯本)一書作序時所說：“通過面向未來和可持續發展的方式，礦井的關閉是一個改變工業和城市結構千載難逢的機遇”，廢棄露天礦坑對環境的影響和機遇并存，所以對廢棄露天礦坑的生態修復不僅局限于改善生態環境，而且會帶來新的發展機遇。

環境影響可以分為水資源、土地資源、地面景觀及生物多樣性。其對應的生態修復方式(發展機遇)如下：①人工濕地；②熱能生產；③抽水蓄能發電、坑底儲油；④浮動光伏系統；⑤漁業養殖；⑥農業養殖；⑦林業養殖；⑧建筑；⑨文體場地；⑩垃圾處理場；地下儲庫；城市公園、礦山公園；博物館；煤層氣利用。

筆者對環境影響對應的各種生態修復方式，即發展機遇的進展階段和重要性進行了劃分(圖1)。

圖1 生態修復方式的進展階段和重要性Fig.1 Stage and importance of ecological restoration patterns

3 廢棄露天礦坑生態修復的基礎

廢棄露天礦坑雖有多種生態修復方式，但萬變不離其宗，一個廢棄露天礦坑要想成功修復，筆者認為以下5個方面：確保邊坡穩定、恢復水土健康、選取適宜植被、應用3S技術和運用景觀生態學，是其基礎和保障。

3.1 確保邊坡穩定

無論在哪種類型區域開展廢棄露天礦坑生態修復，都要首先消除地質災害隱患，確保邊坡穩定，保障安全。通過對邊坡進行工程地質分析和極限平衡分析，對不穩定邊坡可采取削坡壓坡腳、抗滑樁加固、錨桿加固、柔性樁—錨聯合支護、注漿等措施增加穩定性，如有必要可增加監測和預警設施以實時監測邊坡安全。相對于還在生產的露天礦邊坡，廢棄露天礦坑邊坡由于不再受生產活動的影響，保持穩定性似乎更加容易，但出于經濟性考慮，人們更不愿意在廢棄礦坑邊坡穩定上花費太多財力，可能為了省錢就對其處理不到位，所以應特別關注。

3.2 恢復水土健康

2009—2019年，礦業廢棄地復墾與生態修復研究的熱點集中在土地復墾、修復、有機物、植被、土地利用、模式、景觀、土壤等[18]。由此研究熱點可見，不管廢棄露天礦坑采取怎樣的生態修復方式，不治理受污染的水土是行不通的，健康的水土是生態修復的根基。污染水的處理技術主要有厭氧石灰石溝渠法、人工濕地、連續產堿系統、可滲透反應墻、曝氣/沉淀等；污染土壤的處理技術主要有植物修復、固化/穩定化、玻璃化等[5]。

3.3 選取適宜植被

植被作為生態系統中的生產者，對于生態系統的恢復起著至關重要的作用。根據區域氣候和破壞土壤的特點，選擇適宜的植被。在最大限度地保留原有植被的同時，擴大礦區植物種類的生態功能。為了避免成本的浪費和對原有植被生長的影響，必須防止引入不適合環境生長的植被[19]。

3.4 應用3S技術

RS(遙感系統)、GIS(地理信息系統)和GPS(全球定位系統)合稱3S，已廣泛應用于廢棄露天礦坑的生態修復中。一般來說，生態修復的范圍都比較大，如果使用傳統的修復方法，需要耗費大量的人力物力，且修復時間長，修復成本高[20]，而如果使用RS技術，不僅可以減少修復時間，還可以進行大范圍的掃描監測，通過接收植被、水體和巖土的反射光譜對礦區景觀及污染情況成像，再利用GPS可隨時移動的特點，對RS圖像進行定位，通過GIS對圖像進行科學處理與分析后，可以繪制廢棄礦坑場地及其生態恢復需求，進而提出精確的生態修復建議。

3.5 運用景觀生態學理論

景觀生態學是研究景觀組成單元的類型構成、空間格局及其與生態學過程相互作用的綜合性學科[21]。景觀生態學在評價生態系統結構與功能穩定性、完整性等方面有很強的適用性。捷克學者[22]運用景觀異質性指標研究了捷克北波西米亞褐煤盆地的露天煤礦廢棄地的土地利用格局，在分析其土地利用格局之后，設計出3種不同的礦區廢棄地恢復與重建的土地利用方案；肖曉楠等[11]根據海口市南部區域13個重點廢棄礦坑的場地特色和生態環境問題，通過適宜的景觀生態設計和合理的可持續利用途徑，以恢復場地生態系統功能和土地使用功能目的，最終為區域帶來生態、經濟和社會效益，為其他城市的廢棄礦坑改造提供典型示范。

4 廢棄露天礦坑生態修復的發展

國內外學者已在廢棄露天礦坑生態修復的研究領域做出了很多成績，然而廢棄露天礦坑生態修復要加速發展，筆者認為，人力和財力是首當其沖的兩大要素，國土空間規劃“雙評價”理念的借鑒以及生態銀行建立的作用也不容小覷。

4.1 培養專業人才

廢棄露天礦坑的生態修復，涉及到采礦學、農學、林學、地質學、測量學、巖石學、生態學等多種學科，需要各學科緊密配合。

德國波鴻工程應用技術大學成立了后采礦研究院，并開設了“巖土工程與后采礦”碩士專業，旨在培養工程師擔任負責人，負責規劃和實施礦山關閉和售后服務所需的復雜程序。這一專業結合了采礦工程、礦山測量、土地測量和巖土技術等多個學科所需的科學基礎、技術資質和技能，以應對后采礦時代面臨的挑戰與機遇[23]。而在我國，還缺乏這樣的復合人才培養機制，應借鑒德國波鴻工程應用技術大學的經驗，探索研究開設相關專業，以更好地為礦山廢棄地的生態修復服務。

4.2 社會資本加入礦山生態修復

我國礦山生態修復歷史欠賬多，責任人滅失的廢棄礦山需要財政撥款修復，然而從中央到地方各級財政投入不足，資金問題成為礦山生態修復的制約瓶頸。2019年，自然資源部印發《關于探索利用市場化方式推進礦山生態修復的意見》，通過自然資源政策激勵吸引社會各方投入，探索推行市場化運作、科學化治理的礦山生態修復模式。相信隨著社會資本的加入，礦山生態修復的前景會越來越好。

4.3 借鑒國土空間規劃“雙評價”理念

自然資源部于2020年1月發布了《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指南(試行)》。資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價是“雙評價”，是國土空間規劃開展的重要基礎和前提。將“雙評價”的理念用于微觀層面，即廢棄露天礦坑的生態修復，依據廢棄礦坑的資源環境承載能力和空間開發適宜性來確定礦坑的修復方式，依筆者之見，還可以加上生態系統服務價值(生態修復產生的社會效益、經濟效益、生態效益)，綜合考慮廢棄露天礦坑的生態修復。

4.4 建立生態銀行

生態銀行是生態產品價值實現的一項重要的金融手段，是指政府搭建的生態權屬交易平臺。在政府審核與監管下，由銀行主辦者通過恢復/保護/新建生態資源產生生態信用，并通過交易將生態信用出售給資源開發者，實現生態產品向經濟產品的轉化[24]。生態銀行在保護生態、協調自然資源開發與保護關系方面發揮著重要作用。國際上具有代表性的生態銀行主要有濕地緩解銀行、森林銀行、土壤銀行、水銀行等，而國內生態銀行罕見，可以嘗試建立生態銀行，以幫助礦產資源開發廢棄后的保護和修復。

5 結論

廢棄露天礦坑有著多種生態修復方式，雖然其進展階段和重要性不盡相同，但均可以在改善生態環境的同時恢復礦坑資源的利用價值，具有巨大的現實意義和研究價值。而要想成功修復，其基礎和保障主要在于確保邊坡穩定、恢復水土健康、選取適宜植被、應用3S技術和景觀生態學理論這五個方面。此外，專業人才的培養、社會資本的加入、國土空間規劃“雙評價”理念的借鑒以及生態銀行的建立，在廢棄露天礦坑生態修復的發展中也會起到不可磨滅的作用。廢棄露天礦坑是伴隨廢棄礦山應運而生的，其生態修復可以也應作為廢棄礦山生態修復的一個方面統籌考慮，這也是廢棄露天礦坑生態修復的主要思路和方向。