林西關溝廢棄礦山地質環境及生態修復治理技術研究

全 強，孫立新，成格爾，李 龍

(1.水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020； 2.內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010010)

隨著對礦產資源不斷的開采利用，引發了生態破壞、環境污染、生存危機等一系列生態問題與社會問題，其中，人與自然環境之間的矛盾日益尖銳。在自然條件下，礦山生態恢復至少需要百年以上的時間[1-2]，因此，礦山的生態環境保護與治理迫在眉睫，廢棄礦山的生態治理恢復尤為突出[3-4]。

光伏發電具有清潔、永續的優勢，其原理是光生伏特效應，將太陽能轉化為電能[5-6]。目前已有學者針對光伏加設對周邊植被生長的擾動研究，研究結果表明布置光伏陣列的土地植物種類多樣性表現為：未遮蔭>遮蔭>周邊。這主要是因為光伏板遮蔭，減少了水分蒸發[7]，同時減弱了強風對地表的侵蝕，增加了地表粗糙度，為植被提供了更好的生長環境[8-9]，“光伏+生態治理”模式即在生態治理的同時，配合光伏發電，以達到綠色生態與清潔能源產業的有機結合，實現“光-林-草-農”四位一體化發展[10]。

本文以內蒙古林西縣關溝廢棄礦山為例，以“山水林田湖草沙是一個生命共同體”為指導理念，本著堅持保護優先、合理利用，堅持科學規劃、合理布局，堅持高標準、嚴要求起步，堅持立足當前、穩步推進等四個基本原則，采用“光伏+生態修復”治理模式，對廢棄礦山進行生態修復。

1 研究對象

關溝廢棄礦山位于內蒙古林西縣縣城西北方向14.7 km處，行政區劃隸屬林西縣官地鎮，早期為林西縣關溝含鐵砂石礦，現已廢棄，本文廢棄礦山治理區總面積約16.67 km2，其中，廢棄礦山9.58 km2，其余為荒地，零星分布草本、灌木等植被。礦區地處大興安嶺南段山地與燕山山脈交匯處，總體地勢西北高、東南低，海拔高度700～1 000 m，相對高差200～300 m。區內出露地層主要有古生界二疊系及新生界第四系地層，侵入巖有早三疊世中細粒斑狀花崗閃長巖、晚侏羅世細粒斑狀黑云母二長花崗巖、晚侏羅世微細粒斑狀黑云母二長花崗、早白堊世細粒二長花崗巖及早白堊世中粒斑狀二長花崗巖。地下水含水層類型單一，主要為第四系松散巖類孔隙水含水層。礦區屬于中溫帶大陸性半干旱季風氣候，四季分明，春季少雨而干旱，夏季炎熱而短促，降水集中，秋季晝夜溫差變化大，日照充足，冬季寒冷干燥，降水稀少。多年平均日照時數為2 950.5 h，無霜期105～138 d，多年平均風速3.1 m/s，主要集中在春、冬兩季。

礦山地質環境問題及生態修復主要為礦山地質環境問題分析、地質災害治理與生態環境修復三方面，修復治理技術流程如圖1所示。

圖1 廢棄礦山生態修復治理技術流程圖Fig.1 Technical flow chart of ecological restoration and treatment of abandoned mine

2 礦山主要地質環境問題

關溝廢棄礦山主要地質環境問題為礦山地質災害、地形地貌破壞、土地資源浪費、環境污染等四方面。

2.1 礦山地質災害

礦區內共有29處露天采場，露天采場部分存在高陡邊坡，邊坡高度為4～20 m，個別高達30 m，邊坡坡度平均約85°，局部近乎直立；有22處廢砂堆，為露天采場剝離篩選后產生的砂石堆積形成，堆高為1～32 m，堆積坡度28°～39°；有4處尾礦砂堆，主要為采礦形成的廢砂堆積形成，尾礦砂堆形態規模大小不一，堆高為3～18 m，坡度30°～45°；有2處表土存儲場，為前期剝離的碎石土堆積形成，堆高為5～12 m，堆積坡度30°～40°，礦區圖斑示意圖及現場照片如圖2所示。

關溝礦山露天開采對山體外部的直接破壞造成其地質的不穩定性，從而易發生山體滑坡，甚至是山體崩塌，不論何種情況的發生，都會對礦區地質造成極大的破環[11-12]。如遇暴雨、大風等極端氣象條件，易產生泥石流等自然災害風險，威脅周邊居民財產及生命安全。

2.2 地形地貌破壞

根據現場調查及歷史遙感影像分析(圖2)，關溝礦山開采前為低山丘陵地貌，地勢較為平坦，地勢自西北向東南傾斜，西北部最高海拔978 m，東南部最低海拔812 m，境內分布有喬木、灌木及草本等原生植被。由于關溝礦山礦體本身露出于地表，采用露天開采，對地形地貌產生巨大的變化，開采產生的廢砂堆、尾礦砂堆及表土存場對地形地貌有很大影響[13]。廢棄后也未對礦區進行合理有效的地形地貌修復，礦區內植被遭到嚴重破壞，地形起伏不平，裸露的沙石巖土，高聳陡立的砂堆隨處可見，廢棄的工業場地有15處，與周圍地形地貌景觀不協調，嚴重影響地形地貌景觀。

2.3 土地資源浪費

礦山廢棄后，礦區內大面積工業場地隨之閑置，開采遺留的露天采場、廢砂堆等近9.58 km2土地被荒廢。其中，露天采場均勻分布于礦區各個位置，占地面積5 612 751.51 m2，占比58.60%；廢砂堆與露天采場相鄰堆置，占地2 937 276.40 m2，占比30.67%；尾礦砂堆數量較少，東部礦區2個，中部礦區、西部礦區各1個，占地384 726.50 m2，占比4.01%；表土存場零星分布于礦區，占地20 310.40 m2，占比0.21%；工業場地主要分布于東部礦區，占地623 036.80 m2，占比6.50%。 根據第三次全國國土調查進行地類分析，廢棄礦山治理區總面積約16.67 km2，主要分布有沙地、低覆蓋度草地與旱地等，其中，沙地占41.58%，低覆蓋度草地占30.92%，廢棄礦山造成土地資源的嚴重浪費，各地類面積見表1。

2.4 環境污染

礦區內堆積存放的固體廢棄物對空氣、土壤及水資源造成很大影響。關溝廢棄礦山位于中溫帶大陸性半干旱季風氣候區，春季多風，易形成揚沙，甚至形成沙塵暴[14-15]。 冬季氣溫在0 ℃以下，易出現靜穩天氣，表現出顯著的逆溫現象，當礦區出現逆溫層時，粉塵在空氣中濃度升高，造成空氣污染[16]。同時，雨水經過廢砂堆、尾礦砂堆等的浸潤淋濾，存在含鉛(Pb)、銅(Cu)、鉻(Cr)等金屬離子的酸性水污染土壤及水資源的風險。一部分雨水匯聚在礦區低洼處，滲入地下土壤，隨時間推移，滲入地下水中，對土壤及地下水資源均造成污染[17-18]；另一部分形成地表徑流，最終匯入查干木倫河，造成地表水污染。

表1 關溝廢棄礦山土地類型統計Table 1 Land type statistics of Guangou Abandoned Mine

3 廢棄礦山生態修復治理方案

3.1 總體修復治理方案

為牢固樹立“綠水青山就是金山銀山”的生態理念，貫徹落實“守護好祖國北疆這道亮麗風景線”的責任與使命，關溝廢棄礦山生態修復應加強頂層設計，統籌規劃，全面布局。對于現存礦山地質災害問題，通過地質災害治理工程進行修復；關于地形地貌破壞、土地資源浪費及環境污染等問題，通過生態修復工程實現防風降塵固沙、金屬污染物去除[19]、地貌植被恢復、“光-林-草-農”四位一體化發展。

關溝廢棄礦山生態修復工程堅持預防、治理、利用有機結合，實行多種防治措施，加強綜合治理，推進礦山修復重點工程，實行灌草結合，生物措施與非生物措施結合，實施人工造林、封山育林育草和工程固沙等措施，在外圍、沿道路作為重點防護區，著力構建生態安全屏障。 以修復受損生態系統，改善生態環境為目標，生態修復、防護體系建設兼顧農林生產。

3.2 礦山地質災害治理工程

關溝廢棄礦山地質災害涉及范圍廣，安全隱患大。根據實地調查勘測，在安全穩定的原則下，提出以下地質災害治理方案。

①露天采場削坡采用一坡到底式，削坡后邊坡坡度為30°，由于部分采場邊坡周邊原生植被較好或栽植有灌木，其削坡坡度可為35°或40°。將坡面危巖體進行清除，對場地回填整平，選用表土存場土壤進行覆土，厚度為0.15 m；②將部分較小廢砂堆與尾礦砂堆清運處理，剩余的進行邊坡修整，以消除隱患，美化地貌，同時頂部進行整平翻耕，厚度為0.3 m；③將儲存表土徹底清運，但不得破壞地表原土體，其中部分可用于采場覆土；④工業場地內廢棄建筑進行拆除，部分存在陡坡的場地，進行削坡處理，削坡坡度為30°。

通過恢復治理區被壓占土地的基本功能，使遺留下的礦山地質環境問題得到妥善解決，為生態修復治理工作提供基礎保障。

3.3 礦山生態修復工程

生態修復工程按照促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀的總體要求，以維護地區生態安全、改善生態環境質量為基本著力點，從生態系統整體性、關聯性、協同性出發，推動生態保護從單要素、單環節向“優化結構、調控過程、確保功能、提升質量”的綜合管理方式轉變。堅持保護優先、生態修復為主，推進重點位置生態系統保護與修復，構建生物多樣性保護網絡，全面提升各功能區生態系統穩定性和生態服務功能。

根據關溝廢棄礦山的地形狀況、資源分布等特點，綜合考慮生態修復、防沙固土的生態、經濟、社會功能以及“光伏+生態修復”治理模式，本文生態修復主要實現兩大功能，即生態修復保護和生態修復利用。

治理區空間區劃整體呈現“一環兩軸五區”格局。“一環”是圍繞核心治理區外圍建設防沙治沙固土防護林帶；“兩軸”分別是貫穿治理區南北方向和東西方向的生態景觀道路；“五區”是治理區分劃的五個主體功能區，分別為沙生灌木林區、光伏+灌木經濟林區、光伏+牧草種植區、地道藥材種植區、植被恢復區(圖3)。

圖3 治理區功能分區圖Fig.3 Functional zoning map of governance area

1) 外圍防護林帶。防護林帶沿核心治理區外圍邊界布設，林帶長度為15 825.4 m。以防風固沙功能為主要目的，選擇當地鄉土樹種檸條錦雞兒、黃柳、花棒等進行防護林帶配置，同時配合節水灌溉措施，營建一條沙生灌木防護性林帶。

2) 沙生灌木林區。根據國家氣象信息中心數據，林西縣春、冬兩季風速最大，主要為西北風，為保障治理區內其他功能區免受風沙活動危害，又不影響光伏發電設備正常運行，在治理區北側建立沙生灌木林區。篩選當地優勢灌木樹種搭配牧草(披堿草、蒙古冰草)，體現沙地優勢種子庫資源，兼顧防風治沙固土效益，按照植物種類劃分為三個單元，自東到西分別為花棒單元、檸條錦雞兒單元、黃柳單元，生態修復保護面積為4.79 km2。

3) 光伏+灌木經濟林區。治理區中部風活動較弱，采取“光伏+生態治理”模式。灌木經濟林區位于治理區東南部，以防風治沙固土、經濟灌木種植與光伏發電為目的，共計3.12 km2。功能區內自東至西依次種植歐李、沙棘、山杏三種植物單元，光伏電板下以撒播草籽、植被恢復為主，既能起到防風固土作用，保障光伏設備正常運行，同時可以帶動地方經濟發展。

4) 光伏+牧草種植區。牧草種植位于治理區西南部，同樣采取“光伏+生態治理”模式，面積1.78 km2。牧草種植為紫花苜蓿與沙打旺交錯種植，第一茬刈割在牧草始花期之后35～40 d，每年可刈割3～4次，通常4 kg鮮草曬制l kg干草，留茬高度以5 cm為宜。

5) 地道藥材種植區。林西縣是典型的農牧交錯地帶，也是傳統的農業縣，在特色產業加速推進農業種植結構轉變的背景下，中藥材產業在林西縣“十三五”規劃中被定位為農業支柱產業，礦山生態修復治理規劃地道藥材種植區，展示了特色農業種植，豐富了治理區景觀設計，體現了地方優勢種植業資源。地道藥材種植區位于治理區風沙活動較弱的中部，選取地勢平坦地塊133 333.4 m2(200畝(1)1畝=666.67 m2)，分為甘草、麻黃、防風三個種植單元，既能起到防風固沙、恢復植被的作用，也能提升區域經濟效益，推動產業興旺，助力鄉村振興。

6) 植被恢復區。植被恢復區位于各主體功能區與防護林帶之間，主要發揮防風固土效益，恢復面積6.85 km2。由于廢棄礦山自身存在的沙化土地及礦山地質災害治理與主體功能區治理過程中產生的裸沙地段，為風蝕坑的形成提供了有利條件，因此需對區間進行植被恢復，以有效防止風蝕坑的形成。根據實地調查，礦區內生長有天然禾本科草本植物，因此采用披堿草與冰草1∶1混合撒播的模式進行植被恢復，能夠保障項目區草本植被蓋度，和其他各主體功能區形成灌草綜合防治系統。

7) 生態景觀道路防護林。治理區內生態景觀道路呈“十字”交叉，全長8 489.0 m。沿道路兩側呈“品”字形栽植兩行灌木，選植小葉錦雞兒、花棒與沙柳等生命力強，耐干旱的沙生灌木，主要發揮道路防護與景觀美化功能。

3.4 效益分析

關溝廢棄礦山“光伏+生態修復”治理中光伏陣列布置區總面積為4.90 km2(灌木經濟區與牧草種植區)，在不影響生態修復和植被生長的前提下，可排布容量為100 MW的光伏發電設備，年發電量約為1.49億kW·h，節約標準煤4.73萬t，實現產值4.12億元。作物經濟產值759.64萬元，其中，灌木經濟區產值520.16萬元，優質牧草產值159.96萬元，地道藥材產值79.52萬元。

依靠“光伏+生態治理”模式，統籌礦山生態的保護與利用，科學布局主體功能區，與沒有植被的空曠地帶相比，治理區內風速可降低19%～85%，降水節流可達50%，降水對地表的沖刷減少77%，徑流中含沙量減少了70.3%。對防止水土流失，避免土壤風蝕與土地荒漠化發揮了關鍵作用，遏制關溝廢棄礦山進一步沙化、退化的進程，有效控制了局部生態環境惡化的趨勢。

通過探索形成廢棄礦山的“光伏+生態修復”治理模式，為當地增加就業崗位，促進產業轉型升級，真正實現生態、生產、生活有效結合，達到穩定發展、長期收益的目的。

4 結 語

林西縣是我國北疆的重要縣域，礦產資源不斷開采后，遺留的地質災害頻發、生態環境破壞等問題長期積累，嚴重制約了當地經濟發展，影響了人與自然的和諧發展，亟需全面有效開展廢棄礦山生態修復治理工作。本文通過對關溝廢棄礦山地質災害分析，提出有效適宜的地質災害治理方案；生態修復采取“一環兩軸五區”空間格局，通過“光伏+生態修復”的治理模式，生產輔助生態，恢復林草植被，提高廢棄礦山生態系統功能，發展綠色清潔能源產業和農林產業，改善地區人民群眾生產生活條件。促進生態、生產與生活的協調統一，實現“綠水青山就是金山銀山”。