露天采礦回填區光伏發電項目的水土流失綜合治理方案

王榮祥

(陽光新能源開發股份有限公司，合肥 230088)

0 引言

中國是世界上最大的煤炭生產和消費國，大量煤炭資源的開采與利用，引起了日益嚴重的煤炭地質環境惡化及災害的發生[1]。大力開發太陽能、風能、生物質能等可再生能源利用技術，是保證中國能源供應安全和可持續發展的必然選擇，積極開發太陽能資源豐富地區的太陽能資源，可以改善能源結構，保護生態環境[2]。

目前，針對在采礦回填區建設的光伏發電項目，研究重點主要集中在采礦回填區地基穩定性分析、回填區光伏支架的基礎形式、成本效益分析、邊坡穩定性分析與治理、回填區加固措施、煤礦沉陷區水面光伏電站研究、采礦回填區光伏組件積灰清洗等方面，而對于露天采礦回填區光伏發電項目的水土流失綜合治理方案，并未進行深入的設計和研究。通過在廢棄的礦山上開發建設光伏發電項目，可以實現節約土地、改良耕地、減少碳排放等多重效益[3]；同時采用與光伏發電項目相結合的水土流失綜合治理方案，不僅可以恢復和改善礦區地質環境、減少水土流失，而且還可以在改善光伏發電項目發電環境的同時，提高發電效率等。

本文以位于山西省呂梁市交口縣桃紅坡的100 MW光伏發電項目為例，對露天采礦回填區光伏發電項目的水土流失綜合治理方案進行了介紹，從排水方案設計、土地平整治理、邊坡治理、沖溝填方處理、“光伏+綠色種植”修復生態5個方面，闡述了采礦回填區光伏發電項目的排水及環境治理的設計思路和技術路線。

1 水土流失綜合治理方案

以山西省呂梁市交口縣桃紅坡100 MW光伏發電項目為例，設計水土流失綜合治理方案。該項目占地面積約為3000畝(1畝約為666.67 m2)，建設場地為采礦回填建成的露天的梯田狀地形，該地形在山洪作用下已導致邊坡崩塌，且形成了大的沖溝。項目所在地的植被及表土已被破壞、水土流失嚴重，實景如圖1所示。

圖1 項目所在地的實景圖Fig.1 Photos of project site

為減少水土流失、修復地質環境，該光伏發電項目采用了截水溝和排水溝(下文簡稱為“截排水溝”)、急流槽、防沖刷硬化、圍水壩、回填“土帽”、削坡整形、抗沖生物毯、“元寶法”沖溝修復、土壤改良、“光伏+綠色種植”等綜合治理方案，使該項目地的水土流失得到了有效治理，地質環境和生態環境也得到了很好的改善。

1.1 排水方案設計

對于露天采礦回填區的地質環境恢復治理工程來說，水是一個至關重要的因素，也是導致此類回填區邊坡失穩的主要自然因素之一。由于露天采礦回填區的植被覆蓋率低、地表裸露大，在降雨集中的季節極易導致地表徑流強烈，使采礦回填區邊坡失穩、下滑[4]。光伏組件安裝在平整的回填地塊，每個地塊呈階梯形，如果積水不能及時排出，很容易對光伏組件，以及擋墻、護坡等建筑物和構筑物造成威脅，甚至誘發泥石流等大的地質災害。因此，應在項目區域內，根據實際地形砌筑截排水溝等，用以疏導、排泄地表徑流。設計截排水溝時要充分考慮匯水面積、當地的洪峰流量，對截排水溝的型式和尺寸進行計算和比選。

為防止坡體內涵管出水沖刷邊坡，在高(陡)邊坡處設置急流槽，起到減緩水流沖擊和保護邊坡的作用。參照J007-7《國家建筑標準設計圖集：道路(1993年合訂本)》中第48～51頁的要求，急流槽的尺寸設置為：溝寬為0.8 m，流量為0.5 m3/s，邊坡系數m為1.25；急流槽每隔5 m設置1道伸縮縫，伸縮縫寬為20 mm，縫內用瀝青麻筋填塞，表面用水泥砂漿抹平。急流槽上的泄水孔設置在有地下水的地段，泄水孔間距為 3～4 m[5]。

截排水溝和急流槽的接納水口處周圍需要做半徑為5 m的硬化，底層需夯實，密實度不小于0.9，用強度等級為C20的混凝土硬化，硬化厚度為6 cm，敷設20#鋼絲網(鋼絲直徑為1.6 mm，鋼絲網重量為1.5 kg/m2)。截排水溝/急流槽接納水口處周圍的硬化處理平面及斷面示意圖如圖2所示。

圖2 截排水溝和急流槽的接納水口處周圍的硬化處理平面及斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of plan and cross-section of hardening treatment around receiving inlet of intercepting and drainage ditch and rapid flow trough

露天采礦回填區的階梯形地塊很容易積水，如圖1b所示，而大面積匯集的暴雨徑流很容易沖刷坡面，導致嚴重的水土流失，甚至可以造成沖刷灌縫現象。為杜絕大流量、高流速、長流程的侵蝕徑流的產生，同時防止匯集的雨水沖垮露天采礦回填區的邊坡，在每級邊坡邊緣圍繞光伏組件安裝區域修筑土質圍水壩。圍水壩的尺寸規格為寬1.0 m、高0.8 m，斜坡坡度為1。圍水壩與截排水溝的斷面示意圖如圖3所示。

圖3 圍水壩與截排水溝的斷面示意圖(單位：mm)Fig.3 Schematic diagram of cross-section of surrounding dam and intercepting and drainage ditch (unit：mm)

如此設計圍水壩，可以將地表積水攔擋在每個階梯地塊內，然后再依據地形及實際排水路徑設置截排水溝、急流槽、沉砂池等，最終將積水通過截排水溝排至接納水體。截排水溝、圍水壩、急流槽的平面布置圖如圖4所示。

圖4 截排水溝、圍水壩、急流槽的平面布置圖Fig.4 Layout of intercepting and drainage ditch，surrounding dam and rapid flow trough

露天采礦回填區的土壤一旦遭到擾動，在雨季時很容易在擾動區形成徑流。由于光伏發電項目需要埋設大量的高壓、低壓電纜，土壤開挖回填后，會在電纜開挖回填處形成徑流，進而產生大的沖溝和邊坡塌方，造成嚴重的水土流失。在雨季因地埋電纜產生的徑流引發的水土流失現場情況如圖5所示。

圖5 在雨季因地埋電纜產生的徑流引發的水土流失現場情況Fig.5 On-site conditions of soil erosion caused by runoff from buried cables in rainy season

為改善水土流失情況，針對露天采礦回填區埋設的電纜，在電纜溝開挖覆土后進行夯實，密實度不小于0.9；同時在電纜埋設處距離圍水壩上游10 m范圍內進行夯實硬化處理，并做土質“土帽”，局部可以采用強度等級為C25的混凝土進行澆筑硬化處理。電纜溝開挖覆土后回填夯實的“土帽”斷面圖如圖6所示。

圖6 電纜溝開挖覆土后回填夯實的“土帽”斷面圖(單位：mm)Fig.6 Cross section diagram of“earth cap”for backfilling and tamping after cable trench excavation and covering(unit: mm)

在礦山山腳處有多處村落，而靠近河道上游的匯水面積大、地勢較陡處，形成的水流流速快，極易產生山洪，破壞性大。為保護下游村落安全，降低山洪泛濫的風險，并減少礦渣堵塞河道，防洪設施應按照50年一遇設計，設置防洪溝及截排水溝，其規格尺寸應根據當地暴雨強度及匯水面積通過計算確定，然后采用漿砌石(強度等級為MU30)或混凝土(強度等級為C25)澆筑而成。

常規截排水溝存在以下問題：1)由于常規截排水溝的內、外側壁高程相同，容易出現集中的地表水漫過截排水溝進入黃土回填區域的情況，從而造成光伏場區內積水；2)常年的流水會不停侵蝕截排水溝外側壁，使截排水溝外壁上出現大量孔洞，孔洞會一直延伸到截排水溝底并從截排水溝溝底下面穿過，導致截排水溝徹底失去截、排水作用；3)常規的截排水溝外側壁與地面齊平，地面稍經沖刷，就會出現截排水溝外側壁高于地面的情況，導致地表水無法進入截排水溝，出現地表水不停侵蝕截排水溝外壁直至侵蝕成孔洞，從而使地表水穿過截排水溝溝底下面進入截排水溝保護區域。常規截排水溝的斷面圖如圖7所示。

圖7 常規截排水溝的斷面圖Fig.7 Sectional view of conventional intercepting and drainage ditch

針對以上常見問題，可將內側溝壁的高程略高于地面，且內側溝壁的高程還應略高于外側溝壁的高程；外側溝壁的高程與地面持平，且在距離外側溝壁20～50 cm范圍內采取硬化隔水措施，或者采取土質夯實和防滲處理，以防止外側地表水長時間沖刷對截排水溝本身產生破壞[6]。優化后的截排水溝斷面圖如圖8所示。

圖8 優化后的截排水溝斷面圖Fig.8 Sectional view of optimized intercepting and drainage ditch

通過截排水溝、急流槽、接納水口處的硬化，以及圍水壩的規劃設計，有效地對光伏場區的地表積水和雨水進行了規劃和導排，減少了雨水對邊坡的侵蝕和沖刷；對地埋電纜采用的“土帽”設計及運用，對地埋電纜的防沖刷起到了非常有效的保護作用。

1.2 土地平整治理

針對露天采礦回填區內因廢棄礦及尾礦嚴重亂堆亂放造成的采礦區及光伏場區路段坑坑洼洼、高低不平、邊坡不穩固等情況，需進行必要的地面平整處理；尾礦堆頂部和露天采礦后的采坑底部之間的相對高差一般為5～10 m，局部可達30 m甚至更高。另外，采礦區存在許多陡坎，坎高5～20 m；土地平整處理采用“挖高填低”的方法，包括場坪和豎向平整等。為了滿足光伏支架基礎的承載力要求，平整后需要采用壓路機來回壓實土地。

露天采礦區本身含有大量的廢棄礦渣、廢棄表土及粉煤灰等，通過利用廢棄的礦渣、廢棄表土及粉煤灰來改造低洼地塊、充填礦山地表塌陷區域，不僅能恢復原采礦塌陷區內的耕地，改善光伏場區的地質環境，而且在土地平整治理及復墾過程中，還可大幅減少復墾土方量方面的資金投入，降低復墾成本。

土地平整治理對于光伏發電項目的建設質量、安全性、建設進度起到了積極的作用，同時減少了場地因凹凸不平導致的沖溝及水土流失的產生。

1.3 邊坡治理

在露天采礦回填區內存在多處高(陡)邊坡，其結構疏松，雨水侵蝕后，在重力作用下極易失穩，造成邊坡崩塌或者滑坡，會嚴重威脅邊坡上、下級平臺上逆變器、集電線塔及光伏組件的正常安全運行。因此，亟需對這些結構不穩定的高(陡)邊坡進行綜合治理。

1)對高(陡)邊坡進行削坡處理。按照設計，由挖掘機開挖坡體，利用裝載機鏟運開挖后的渣體，并對開挖后的坡面進行整形。削坡處理的原則是自上而下(即由高到低)進行，每8～12 m高度差留設一級平臺或馬道。

先對第1級斜坡進行削坡，按照削坡剖面將坡頂平臺的外邊緣向內收，必要時在坡腳前修建漿砌石擋墻，削坡工程產生的多余土方應及時回填至回填段，并夯實，使坡面平整且密實；坡面平整后，對坡腳前的平臺進行平整；然后削坡建造第2級斜坡，對第2級斜坡坡面進行整形，并對第2級斜坡坡腳前的平臺進行平整；隨后削坡建造第3級斜坡，對坡面進行整形，并對平臺進行平整；以此類推直至坡底，每級斜坡的夾角不得大于35°。削坡整形工程示意圖如圖9所示。

圖9 削坡整形工程示意圖Fig.9 Schematic diagram of slope cutting and shaping engineering

2)削坡處理后，需要進行邊坡防雨水沖刷處理。可采用抗沖生物毯護坡方案，在抗沖生物毯內增加鋼筋，且抗沖生物毯的下部基礎采用鉛絲石籠，上部再采用鉛絲石籠壓頂進行穩固；當遇到土壤中含有重粘土或填方土材料中含有較多巖石、塊石的情況時，應在邊坡上均勻鋪設1層不含小石子和雜物的壤土(厚度大于等于20 cm)，或直接換掉表層的土(厚度大于等于20 cm)，然后才可以鋪設加鋼筋的抗沖生物毯。抗沖生物毯護坡方案剖面示意圖如圖10所示。

圖10 抗沖生物毯護坡方案剖面示意圖Fig.10 Schematic diagram of section of anti-scouring biological blanket slope protection scheme

當邊坡坡面沖刷嚴重或需要對坡面進行加強防護時，也可采用六邊形框格內植草護坡方案或方格形骨架內植草護坡方案。針對削坡后的邊坡仍存在不穩固的問題或無法進行削坡處理時，則需采用重力型擋土墻進行穩固，護坡和擋土墻材料可采用漿砌石或混凝土，混凝土強度等級不低于C20，砂漿強度等級不低于M7.5，石料強度等級不低于MU30[7]。

針對光伏場區存在的局部雨水沖刷現象，也可采用植草護坡方案。首先進行回填壓實，壓實度不小于0.9，然后撒低矮且多根的植物草籽。草種需選擇耐寒且生長較快的黑麥草、高羊茅、早熟禾等的草籽，因為這些種類草生長得較為低矮，不需要進行修剪，適合種植在布置光伏組件的區域；按照1 kg草籽約播種50 m2土地面積的規律進行播種。

綜上所述，邊坡治理是采礦回填區光伏發電項目建設的重中之重，高(陡)邊坡采用重力擋土墻治理不但成本高，而且效果不明顯。而通過采用前文所述方案進行治理后，治理成本低、穩固性強、可操作性高，在降低了邊坡塌方風險的同時，對生態環境的保護也起到了非常好的作用。

1.4 沖溝填方處理方案

光伏場區的集電線路采用直埋方式，電纜在跨越地塊之間的邊坡時，需要開挖擾動回填土，會導致在雨季極易產生嚴重的沖刷。當已經發生嚴重的沖溝后，會造成直埋電纜裸露，存在較大的安全隱患，因此需要對坡面沖塌口進行回填治理。可采用“元寶法”進行沖溝回填治理，該修復方案如圖11所示。

圖11 “元寶法”沖溝回填修復方案的平面圖和斷面圖Fig.11 Diagram of plan and section of “Yuanbao method”gully backfilling and repair scheme

在第2級斜坡的平臺地塊處，將沖塌口處回填至場平標高，同時按要求布置好圍水壩及截排水溝設施，沖塌口處的圍水壩寬度需要至少為2 m。以圍水壩的外邊緣處開始向下找坡(即削坡)，進行沖塌口回填作業，坡度在回填修復現場確定；且現場根據地質及排水情況，按需要增加急流槽、截排水溝及護坡措施。原坡面沖塌后，在沖塌口兩側會形成沖垮坡面，在進行沖塌口回填作業時，需同步對沖垮坡面進行修復處理，兩側的回填土修復成緩坡，以保證外觀平緩，其坡度現場確定，但不應超過45°。光伏支架處的沖溝需回填至原場平標高，光伏發電項目場地內的其他沖溝現場回填，保證坡面外觀平整。回填土應采用素土，光伏支架區域的壓實系數不小于0.96，其他區域的壓實系數不小于0.94；回填之后在坡面撒草籽。

當梯形地塊的邊坡產生大的沖溝時，原表土層已被雨水沖走，土壤流失嚴重；而露天采礦回填區可以用于沖溝回填的土壤較為匱乏，再加上沖塌口較大，如果按照原坡面的坡度進行復原回填，土壤需求量太大，且外運成本較高。因此，采用“元寶法”處理沖溝不但可以達到治理的效果，而且極大地減少了土壤使用量，從而降低了治理成本。

1.5 “光伏+綠色種植”修復生態

1.5.1 土壤改良

光伏發電項目所處區域為露天采礦回填區的復墾區，因煤礦開采導致地表塌陷，造成地表水土流失嚴重，引發采空區的水源枯竭；另外有部分露天采礦回填區內因過去私挖濫采較為嚴重，造成原生態系統的嚴重破壞，復墾后面臨著生態恢復、土壤改良等艱巨任務。

土壤改良不能采取通常的單一措施，必須采取物理、化學和生物綜合的技術措施。其中，生物技術措施即通過種植豆科綠肥作物進行土壤改良；物理、化學技術措施則是通過包括平整土地、深耕細耙和合理施肥等方式在內的農藝措施實現土壤熟化，以滿足種植品種對土壤有機質的需求。

土壤改良的技術流程為：土地平整→添加有機肥、改良劑、化肥→深耕細耙→灌溉。

對露天采礦區內回填后，覆蓋表土并進行土地平整處理后，對土壤增施生物有機肥，以增加土壤肥力，而應用土壤調理劑可有效調節土壤酸堿度，恢復土壤酸堿平衡，改良土壤團粒結構，增加土壤的活性和蓬松度，進而增加土壤的透氣性和透水性，增強土壤保水、保肥能力，調節土壤的碳/氮(C/N)比，活化土壤中的有益微生物，達到活化土壤、培肥地力的目的。之后該土地可直接種植經濟作物，增加耕地面積、促進農民的增產增收[8]。

有研究表明，粉煤灰對植物生長、發育過程有明顯的刺激和影響作用，可以有效改善土壤的理化性質；而且粉煤灰中的重金屬元素含量低于國家相關標準，析出情況較小，不會對復墾區域的土壤及農作物造成污染。因此，礦山地表塌陷區域采用粉煤灰充填復墾方法復墾后，土地適宜作為耕地使用[9]。

1.5.2 種植方案

種植方案是指在光伏陣列間距中種植農作物。光伏陣列與農作物在結構上相互獨立，在空間布局上相互結合，因此若選擇種植低矮、喜陰的農作物，則基本不需要大幅提高光伏陣列的安裝高度，從而可以保證種植的農作物高度低于光伏陣列，避免影響光伏發電。綠色種植區域范圍示意圖如圖12所示。

圖12 綠色種植區域范圍示意圖Fig.12 Schematic diagram of green planting area

通過對光伏發電項目所處區域進行土壤環境現狀調查、植物引種分析，在保證技術可行、經濟合理、生態安全，且不會影響光伏發電效率與效益的前提下，結合當地農業產業基礎，篩選出項目區適宜種植的農作物和種植模式，以及配套的適宜可行的農耕與農藝措施。

依據光伏發電項目所處區域的自然條件，以及項目前期工作調研、項目回填土壤特征等，建議選擇抗旱、耐熱、抗寒、低桿、種子顆粒稍大、扎根相對較淺的植物作為該項目所處區域種植的農作物。由于該項目所處區域屬于北溫帶大陸氣候，晝夜溫差大，適合種植小麥、雜糧類、中藥材、馬鈴薯和紫花苜蓿等，其中，雜糧類以谷子、蕎麥等為主，中藥材以柴胡為主。根據調查分析，上述篩選出的植物都不會影響光伏組件的采光[10]。

2 結論

本文對露天采礦回填區光伏發電項目的水土流失綜合治理方案進行了介紹。在國家提出碳達峰、碳中和目標下，因土地資源限制，在廢棄的礦山上建設光伏發電項目，同時結合水土流失綜合治理方案，可以提高土地資源的綜合利用效率。通過水土流失綜合治理方案，恢復和改善了露天采礦回填區的地質環境和生態環境，使廢棄的礦山得以復墾，礦山環境及水土流失問題得到改善，降低了邊坡崩塌的地質災害隱患，保證了當地群眾的生命財產安全，下游河流及農田不再受露天采礦回填區污水的污染。

通過“光伏+綠色種植”修復生態方案，在改善生態環境的同時，也發展了光伏生態農業，改善了農村經濟結構，構建了露天采礦回填區復墾地改良的高效發展模式，實現了農業收入持續穩定增長，使露天采礦回填區復墾地成為集光伏發電、農業生產經營等功能于一體的農光互補種植基地。

結合項目的實際情況來看，采用水土流失綜合治理方案的施工較為簡單，減少了成本投入，達到了預期的設計和施工效果。