礦山露天采場廢棄地生態治理修復研究實例

摘要：隨著礦產資源的開采，礦山露天采場廢棄地的生態問題日益凸顯，對環境造成了嚴重影響。以某銅礦露天采場廢棄地為研究對象，探討了礦山生態修復的有效技術路徑。結合現場條件和地質特征，采用原位控酸—無土混合纖維—微生物聯合生態修復技術實現廢棄地生態修復，主要包括廢棄地頂部區域結構加固、截排水設施、土壤改良、植被恢復等。區域治理成效顯著，可為類似礦山露天采場廢棄地生態修復提供重要的參考和借鑒，對于推動礦山廢棄地生態修復技術的發展和應用具有重要意義。

關鍵詞：露天采場；生態修復；銅礦山；土壤改良；原位控酸；微生物；蜂巢格室

中圖分類號：TD167""""""""" 文章編號：1001-1277（2024）12-0026-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241205

引 言

隨著全球工業化和城市化的快速發展，礦產資源已成為支撐現代社會運轉的重要基礎［1-3］。然而，礦產資源的開采活動往往伴隨著自然景觀的破壞和生態環境的退化，尤其是在礦山開采過程中形成的廢棄地問題，不僅影響了地區的景觀美學，還可能引發地質災害，對人類生命財產安全構成威脅。因此，礦山廢棄地的生態修復已成為礦山環境治理和可持續發展中亟待解決的問題［4-5］。

本研究以某銅礦露天采場廢棄地作為研究對象，旨在探索適合該類型場地的生態修復治理技術。銅礦床作為一種典型的金屬礦床，其開采過程中形成的廢棄地具有地質條件復雜、生態環境脆弱等特點，對生態修復治理技術的選擇和實施提出了更高要求［6-10］。本研究首先對該銅礦露天采場廢棄地的地質環境和生態現狀進行了詳細調查，分析了生態修復的重點和難點。在此基礎上，結合現代生態工程技術，提出了一系列針對性的生態修復治理措施，并在實踐中進行了應用和驗證。

通過原位控酸—無土混合纖維—微生物聯合生態修復技術的應用，實現了治理區域地質穩定性的提升和生態系統的快速恢復。這些技術的應用不僅能夠減少水土流失，增強廢棄地的抗侵蝕能力，還能夠促進植被的自然更新，重建受損的生態系統，實現生態與安全的雙重目標。研究成果可為礦山露天采場廢棄地的生態修復提供科學依據和技術指導，對于促進礦山廢棄地的生態重建、提升礦區環境質量、保障地質安全及推動礦業可持續發展具有重要的理論和實踐意義。

1 研究區現狀及治理難點

研究區地質情況基本穩定，地表沒有植物生長，缺乏營養的土壤層，長期裸露，受自然風化和降雨淋溶影響，滲出液呈酸性，不利于植物生長，也不利于人工恢復植被的長期生存。酸性環境會抑制植物根系生長和營養元素的吸收，同時造成土壤酸化和板結。研究區（見圖1）為頂部平臺，植物生長所需的土壤極度缺失，表層強風化，坡面淺層保水、持水能力缺失，自然恢復力極低。恢復植被必須人工重建土壤層，但礦區內可用腐殖土、表土、園土等資源短缺，遠距離運輸成本較高。通過以廢治廢的思路，充分利用周邊廢石渣土、底泥濾餅等固體廢棄物，采用微生物、有機物和先鋒植物綜合改良路徑，重建植被生長所需的土壤層。

人工重建植被系統的穩定性，是廢棄地生態修復的一個重要問題。很多工程因植物選擇和配置不合理，往往在第二年就開始出現逐步退化的現象，因此要建立一個持續穩定、自我繁衍的植被系統。植物多樣性、地帶性和配置結構要合理科學，必須建立免維護、自穩定植被系統，才能實現礦區受損生態系統恢復。

2 生態修復原則

1）因害設防、安全優先、美化礦區原則。堅持以人為本、生態修復的原則，綜合采用排水、固土、綠化綜合措施，消除治理范圍內的滑塌、泥石流等地質災害隱患，因害設防，防災減災，增強治理區穩定性，徹底解除地質災害對礦區安全生產的威脅。遵循植被自然演替規律，充分發揮和應用邊坡植被自然恢復能力，科學實施人工正向干預措施，加速植被自然恢復和演替進程，選擇抗逆性強的鄉土植物，確保治理區植被及周邊植被的穩定性和一致性。

2）因地制宜、技術可行、經濟合理原則。依據礦山現狀，結合自然條件、土地利用與環境整治要求，合理確定整治技術方法和措施體系。堅持因地制宜，量力而行，經濟合理，綜合治理。采用合適的地質環境整治和生態恢復的新技術、新工藝，確保治理效果持續向好，并長期發揮效益。盡量采用最新的技術和方法，體現國內最新的成果和水平，并在此基礎上進行創新，逐步探索適合該地區地質環境治理的新技術、新工藝，為其他礦山生態治理積累經驗。

3）源頭控制酸化的技術模式，建立長效的酸化改良機制。針對現有石灰直接改良技術的局限性（時效差、可操作性差），采用原位控酸—無土混合纖維—微生物聯合生態修復技術工藝，底泥+稻殼+石灰覆蓋模式的多層滲透土壤酸性改良措施，建立長效酸化改良機制。

3 生態修復設計及實踐

3.1 頂部區域結構加固

為防止平臺覆土向四周垮塌流失，平臺四周進行蜂巢格室（見圖2 ）處理，加固頂部區域的結構。本次設計土工格室共計3層，蜂巢格室厚度為200 mm，內部填充厚渣石土層。

蜂巢格室是用高分子聚合物通過擠壓、成板、沖孔過程后再縱向、橫向拉伸而成。該材料在縱向和橫向上均具有很大的拉伸強度，這種結構在土壤中同樣也能提供一個更為有效的力的承擔和擴散的理想連鎖系統，適用于大面積永久性承載的地基補強。

蜂巢格室的優點包括：①良好的力學性能，具有較高的承載能力和良好的動力學性能，抗沖蝕能力強，在較高的側向限制作用下，整個結構防滑、防變形；②柔性結構，可適應地形的輕微起伏及一定的不均勻沉降，最大限度地保留自然形態地形，結構安全性好，且工程痕跡少；③節能環保，可就地取材，使用當地材料或低成本的材料作為格室填料，較少使用混凝土，從而大幅度降低材料費及運輸費，進而降低成本；④生態美觀，填充合適的填料，可種植不同的植物，外形美觀，景觀性好。

本項目選擇蜂巢格室型號為TGSG20-20，幅寬2 m，網孔40 cm×40 cm，每延米縱向拉伸屈服力≥20 kN/m、橫向拉伸屈服力≥20 kN/m。

3.2 截排水

治理區截排水溝設置要滿足頂部區域排水要求，并與周邊相鄰排水溝連通。依據場地標高進行匯水和自然沖溝排水溝布局，不宜過度改變現有沖溝路徑和方向；排水溝過流能力按20年一遇洪水設計，50年一遇洪水校核；根據匯水區域確定斷面尺寸，區域徑流要做到蓄積利用和快速導排相結合，優先為植物生長蓄積水源。

依據現狀坡面匯水和現狀平臺布局排水溝，確保治理區內長久形成的徑流產狀不發生改變，不宜人為改變現有排水路徑和方向。采取機械結合人工修整平臺后，在平臺上布置排水溝。

設計洪水流量計算公式為：

式中：Qm為設計洪水流量（m3/s）；F為匯水面積（km2）;Sp為設計雨力，即重現期為p的最大1 h降雨強度（mm/h）;τ為流域匯流歷時（h）；m為匯流參數，通過本地區實測暴雨洪水資料綜合分析得出;μ為損失參數（mm/h），即平均穩定入滲率；tc為凈雨歷時或產流歷時（h）;n為暴雨衰減指數，反映暴雨在時程分配上的集中或分散程度。

排水溝設計洪水見表1。

根據原有地形及場地平整后地形進行平面布置。排水溝斷面均擬定為矩形斷面。排水溝采用素混凝土結構，溝底最小縱坡為2 %。

排水溝設計流量計算公式為：

式中：Q為排水溝設計流量（m3/s）；r為粗糙系數，取0.013；A為過流斷面面積（m2）；R為水力半徑（m），即過流斷面面積A與濕周之比；i為溝底縱坡。

排水溝采用柔性生態排水溝，在基質層上覆蓋柔性纖維網墊或HDPE膜，然后在上面種植植物，排水溝高度0.3 m，寬度1 m。排水溝斷面見圖3。

3.3 土壤改良

1）生態阻酸工藝。酸性廢水對礦區環境的影響不容小覷，通常采用快速中和調控法處理，其是將堿性材料與酸性土壤混拌均勻，達到中和效果，已在礦區廣泛應用［11-12］。但是，該方法不具備持久性，隨著內部酸性物質的分泌，石灰會逐漸被酸化，最終又回到原來的酸性環境［13-14］，因此需要通過微生物來持續改良土壤的酸性環境，達到礦化阻酸的目的。

本項目采用快速中和調控工藝+微生物礦化阻酸工藝組配方式，既能實現快速抑制土壤酸化的效果，又能達到持續改良土壤酸性環境的作用。

通過取樣試驗結果可知，強酸區域加入0.5～1 kg/m2石灰粉，可達到較好的中和效果，中和后土壤浸出液pH值短期內可穩定維持在7～7.5。設計強酸性區域石灰粉用量為0.5 kg/m2，堿源緩釋顆粒30 g/m2。

2）土壤重金屬防治。礦山廢棄地重金屬含量較高，通過對植被、土壤、水的影響，造成整體場地污染，進而影響人的生命健康［15-16］。因此，需要采取行之有效的措施來控制土壤中重金屬，通常采用固化—微生物原位修復方法。固化主要是通過對治理區域的原位穩定化修復，向治理區域添加1種或多種鈍化修復劑，通過調節土壤理化性質及吸附、沉淀、離子交換、腐殖化、氧化-還原等一系列反應，改變重金屬元素在土壤中的化學形態和賦存狀態，實現土壤中重金屬的鈍化/穩定化，降低其在土壤中的可移動性和生物有效性，以達到治理污染土壤的目的［17-19］。生態阻酸中使用的石灰粉除了能夠起到中和作用，還能降低重金屬的毒性，因為Ca2+能顯著降低植物對重金屬的吸收。此外，微生物對重金屬的吸附與轉換也能持續降低土壤中的重金屬含量。根據相關試驗數據，項目投加石灰1 kg/m2，微生物菌劑20 g/m2。

3）土壤基質營養改良。根據廢棄地物理化學性質檢測數據，目前土壤中的有機質與氮、磷、鉀含量較低，土壤貧瘠，不利于植被的正常生長，亟須對現有土壤進行提質改良。結合基質強化技術，通過對當地農林廢棄物的收集及再加工，達到治理區貧瘠土壤提質改良的目的。本項目有機肥投加量2 kg/m2，富碳緩釋型微生物菌肥投加量1 kg/m2。

4）土壤層重構。由于表層為風化巖，且無營養物質，為滿足植物生長需求，需進行土壤層重構，重構厚度1 m，在最底層填充壓實土70 cm，然后填充改良土壤30 cm。其中，生態阻酸工藝和土壤重金屬防治均在底層渣石土層進行，土壤基質營養改良在改良土壤層進行。

3.4 植被恢復

1）植物選擇和組配核心性。銅礦露天采場廢棄地易被空氣中的氧所氧化，遇降雨形成強酸性水，pH值通常可達3～4，形成強酸性困難地。據現場實際的調查結果，即使進行植被恢復，樹種仍然出現緩慢死亡的現象，存活的樹種在幾年時間里仍然為“老頭樹”“病危樹”。待修復植物生長介質性能極差，土壤結構性差，有機質含量及植物必需的養分元素（尤其是氮、磷、鉀）缺乏，同時重金屬含量又較高，很不利于植物生長和其他生物活動，很難通過常規治理方式實現廢棄地植被恢復與重建［20］。

要想構建植被系統的可持續穩定，必須構建多樣性植被群落，避免因品種單一造成的植被退化及植被群落演替。因此，本項目在選擇植物品種時，鄉土植物優先，篩選耐性、適應性強的草灌，先鋒、建群喬木植物及攀爬常綠性藤本植物進行合理有效的組配，以構建植物品種多樣性，重建近自然的植物群落。

（1）滿足植物多樣性與植物群落演替。采礦過程中留下的極端裸露地，因長期裸露和雨水沖刷氧化，造成強酸性極困難的立地環境［18］，在生態修復中很容易造成植物的緩慢死亡和植物退化。多品種植物組配，一方面，提高了植物多樣性，通過提高生物量及土壤改良后的微生物作用，提高立地的營養物質，促進耐性植物和敏感性建群植物的相互作用；另一方面，通過耐性植物的生物量為建群植物提供營養物質，提高群落的穩定性和可持續性。土壤改良搭配植物品種的多樣性，是控制這種立地條件的植物群落系統的重要途徑。通過科學的種植方式、植物品種配置方式，可以滿足植物多樣性及植物生態位的重疊，構建可持續的植物群落。

（2）以先鋒植物做基礎，注重水土保持。先鋒植物是指能夠最先在某種立地環境中正常生長的植物，在植物組配中充分發揮先鋒植物作用，能夠在早期困難立地環境下，經過土壤改良后迅速生長，形成一定的覆蓋，進而通過生物量及生長期的作用，控制酸化問題，改善土壤條件，為之后生長的植物提供合適的生長環境［21］。在水土保持方面，先鋒植物能夠迅速覆蓋土壤表面，防止因雨水沖刷造成土壤改良層的流失及酸化。

（3）耐性植物及鄉土性植物的搭配。耐性植物是廢棄地生態修復中極其重要的品種，在可持續的植物群落演替中擔任重要角色。雖然改良土壤可在短期內為植物的生長提供適宜的生長環境，但要可持續的穩定生長，必須要有耐性植物。鄉土植物的選擇，面臨的很大問題是沒有經過常規育苗，還停留在采種階段，但鄉土植物的選擇是本項目關鍵的一環，其不僅在適應性上優于其他品種，而且在可持續生長方面也占有優勢。

（4）發揮微生物作用，構建微生物+植物聯合修復機制。在土壤改良階段，人工引入適性微生物，利用篩選的固氮植物、耐性植物同微生物的聯合作用，加速土壤熟化過程，營造自維持的生長土壤環境，迅速完成從初級群落向高級群落的演替，以期形成可持續穩定的植物群落系統。在植物的選擇上，選擇田菁、刺槐、紫穗槐、胡枝子等植物配合發揮微生物的作用。

（5）充分發揮土壤種子庫作用，滿足植物多樣性。該銅礦露天采場廢棄地，經長期裸露及惡劣酸性環境的影響，沒有土壤的地表，幾乎不存在土壤種子庫，而土壤種子庫是植物群落中引入植物和增加植物多樣性必不可少的自然因素。土壤種子庫含有大量的種子，經過合理的組配優化，以植被演替先鋒種子、耐性種子、建群種子等為重點，保障中后期植被系統的建立和植物種類的多樣性。在植物種植階段及中后期維護階段，人工引入土壤種子庫，一次性撒播、穴播、營養袋點播配置種子，適當增加植物種子的儲存，為后期植被多樣性提供保障。

2）植物設計方案。結合項目特點，所選植物品種需滿足生態學、水土保持、耐酸性及多樣性等要求，頂部平臺撒播花草種子40 g/m2，栽植苗木1株/m2，植物品種分類見表2。根據已有項目經驗，已積累大量草灌喬藤的組配方案，尤其是草灌組配方面。經過大量的工程實踐得出，合理的草灌組配是植被生態修復的先行步驟：一是合理的草本植物組配可以提供良好的虛空層及有機質積累層，為灌木的生長提供良好的遮陰環境及營養物質；二是合理的灌木植物組配為植物多樣及近自然植物群落中的先鋒喬木及建群樹種提供優良的先決條件。

3.5 生態修復效果

該銅礦露天采場廢棄地工程實施6個月后，經現場踏勘發現，邊坡穩定、清污分流設施完好、場地內土壤 pH 值達到5～7、植樹生物多樣性達到7種以上，整體美觀，具有園林綠化效果，植被覆蓋度保持 90 %以上，且植物成活率保持90 % 以上，實現了生態修復和景觀提升的目標。生態修復效果見圖4。

4 結 語

礦山露天開采會挖損大量土地，形成露天采坑，造成的地質環境問題主要為地形地貌景觀破壞、土地資源破壞及松散堆積碎石（土）體可能引發的崩塌、滑坡等。針對某銅礦露天采場廢棄地，進行局部修整后，采用原位控酸—無土混合纖維—微生物聯合生態修復技術實現廢棄地生態修復，消除了廢棄地滑坡或泥石流地質災害隱患，有效降低了大氣降水的入滲量，從源頭減少了酸性水的產生。生態修復后廢棄地植被與周圍環境相協調，極大改善了治理區的生態環境和自然景觀，可為同類型礦山露天采場廢棄地的生態修復提供經驗借鑒。

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Case study on ecological restoration of abandoned open-pit mining sites

Abstract：The ecological issues of abandoned open-pit mining sites are becoming increasingly prominent with the development of mineral resources，posing serious environmental challenges.This study explores effective pathways for ecological restoration with a copper open-pit mine site as the research background.Based on local conditions and geological characteristics，the site employed an integrated in-situ acid control-soilless mixed fiber-microbial restoration technology to fulfill the ecological restoration of abandoned sites.The approach includes top area reinforcement，water interception and drainage system construction，soil improvement，and vegetation restoration.The results demonstrate significant restoration outcomes，providing critical insights and references for similar restoration projects and advancing the development and application of ecological restoration technologies for abandoned mining sites.

Keywords：open-pit mining site;ecological restoration;copper mine;soil improvement;in-situ acid control;microorganisms;honeycomb grids