泰安市山水林田湖草生態修復區廢棄露天礦山治理模式與技術體系研究

徐飛，焦玉國，唐麗偉，程鳳，王玲，趙瑋，魏凱，尹衍鵬

(山東省地質礦產勘查開發局第五地質大隊，山東省地礦局山水林田湖草重點實驗室，山東 泰安 271000)

0 引言

礦山開采業是我國的基礎產業之一，在我國的經濟發展中具有重要作用和地位，對國民經濟、社會發展和人民生活意義重大[1-3]。自改革開放以來，我國國內生產總值迅速增加，礦產資源開發力度不斷加強，開采范圍不斷擴大；與此同時，開采活動對礦區及周邊地區的環境產生了復雜多樣的負面影響，造成諸多不可逆的破壞問題[2]。其中露天礦山對區域土地與環境的破壞尤為嚴重，開采活動使礦區地形地貌、生態環境、地質環境等景觀要素受到劇烈擾動，支離破碎的山體隨處可見，已經成為土地、環境等方面繼續研究解決的焦點問題[3]。廢棄露天礦山生態系統是“山水林田湖草”這一生命共同體不可或缺的子系統，在實施山水林田湖草生態保護修復工程中扮演著重要的角色，在礦山環境問題日益突出、國家對礦山環境和土地規劃利用日益重視的今天，探索、歸納、總結、研究廢棄露天礦山治理模式和技術體系則尤為必要。

國外廢棄礦山治理修復研究始于20世紀初，對其再利用方向、治理模式等是熱門研究方向[4]，Poros M等針對波蘭Checiny-Kielce地區的露天廢棄礦山提出了地質知識科普基地的廢棄礦山再利用模式[5]；Betrie GD等基于可能的邊界和地球化學物種形成模型對礦區金屬污染進行評估，對礦山進行恢復治理[6]；日本在公路沿線巖質邊坡植被護坡研究方面處于國際領先地位，并將高分子穩定劑廣泛應用到了邊坡生態防護中[7-8]；加拿大總的要求是不能低于原有的生態水平，因地制宜的改造成公園、建成水庫或魚池[9-11]；歐美等發達國家，噴混植生技術是近年來應用最為廣泛的邊坡生態重建技術[12]。國內學者對于廢棄露天礦山生態修復治理技術模式方面也開展了一系列研究，高云峰等針對露天礦硬質邊坡總結了以工程修復為主導的復綠技術和以生態修復為主導的復綠技術兩大類，共11種常用方法[13]；張進德等[14]結合地形地貌、區域生態系統結構與功能等因素，劃定我國廢棄礦山生態修復區，提出了農用地模式、建設用地模式、生態景觀模式、自然封育模式等幾種主要模式；還有學者以不同省市、地區為例[15-22]，總結出了適應于不同地域的廢棄礦山治理模式及關鍵技術。綜合國內外相關研究表明：廢棄露天礦山的治理模式及技術體系受地理位置、水文氣象、地形地貌、破壞程度等多因素的控制，治理對象具有廣泛性、特殊性[23]，不同區域的治理模式和技術體系各不相同，并不具有普遍適用性。

本文分析、診斷、識別了廢棄露天礦山修復目標、存在問題及特征，基于泰安市山水林田湖草生態保護修復工程試點部署實施的廢棄露天礦山生態修復項目，歸納總結出廢棄露天礦山治理模式、技術體系及典型修復方法，旨在為泰安市及北方類似地區生態修復工作提供借鑒參考。

1 廢棄露天礦山修復目標、存在問題及特征

1.1 修復目標

廢棄露天礦山生態修復其根本目的是將破壞的生態系統進行完善，提高生態系統服務功能，本文將廢棄露天礦山生態修復歸類為兩大目標，即生態復綠及土地利用。

(1)生態復綠。通過植樹復綠，將廢棄露天礦山恢復為原有林地、草地是最基本的做法，可提高區域內植被覆蓋率，完善生態環境質量，改善周邊居民的生活環境。

(2)土地利用。廢棄露天礦山土地再開發對于改善礦山環境、促進礦區經濟轉型具有重大意義，也是挖掘存量土地資源的重要渠道之一，作為寶貴的后備土地資源，是農業生產用地、建設用地及生態用地最有利的補充[24]。

1.2 存在問題

(1)歷史遺留礦山存量大，面臨資金短缺瓶頸。自20世紀以來，礦產資源開發為全省乃至全國經濟社會快速發展提供了重要的資源保障，同時也遺留了大量的礦山地質環境歷史問題[25]，根據目前上級正在組織開展的歷史遺留礦山核查初步結果，泰安地區共有歷史遺留廢棄礦山圖斑600余處，大量的廢棄露天礦山生態修復給各級政府帶來了巨大的財政壓力，因此僅依靠財政投資開展工程治理和生態修復完不成繁重的工作任務，亟需社會力量的投入。

(2)治理模式及治理措施選擇不恰當，達不到預期效果。在當前環保督查任務重，工作量大，治理工期要求緊的情況下，設計人員來不及全面考察及調查治理區周邊的地形地貌、植被覆蓋等現狀條件，導致選取了不適當的治理模式及治理措施，如盲目選擇飄臺法、掛網噴播、刻槽復綠等方法對高陡立面進行治理，因雨水沖刷導致水土易流失，無法形成利于植被生長發育的基質層，植物成活率低，且飄臺、混凝土板等與崖面貼合不緊密，存在安全隱患，導致治理失敗，不合適的治理技術體系導致施工難度加大、變更頻繁，反而延長工期。

1.3 廢棄露天礦山特征

(1)地質災害。廢棄露天礦山由于多年的粗放式開采，形成了高陡立面及大面積的開采平臺。形成的立面垂直近直立，高度可達幾十米、百余米，立面巖石松動，且存在懸空危巖體，易發生崩塌，對于有軟弱夾層且結構面外傾的易發生滑坡災害；開采平臺大量堆積遺留的渣石料，易發生渣石流，對人民生命財產造成威脅。

(2)水土流失。礦山開采已將地表土層剝離，且巖面裂隙發育程度低或多為密閉裂隙，無法保留水分及土壤養分，降雨過后更是將不易存留的土壤沖刷，導致水土流失，達不到植被生長的適宜環境。

(3)破壞地形地貌。原坡面植被已不復存在，廢棄地陡坎縱橫交錯，地形起伏較大，山體地質景觀、地形地貌景觀破壞嚴重，不僅造成視覺污染，也極大浪費土地資源[26]。

2 研究方法

本文以泰安市山水林田湖草生態保護修復工程試點(下稱“試點區”)部署實施的63個廢棄露天礦山生態修復項目為研究對象，以修復目標及存在問題為導向，以廢棄露天礦山特征為基礎，通過案例分析、統計歸納的方法，總結梳理廢棄露天礦山生態修復的治理模式、技術體系及典型修復方法。

2.1 案例分析

選取典型項目、亮點工程進行分析研究，實地查看修復治理情況，與項目參建單位的有關專家、基層工作人員、勘查設計施工人員進行訪談，對治理設計中采取的治理措施所能達到的實施效果進行驗證，找出適應于試點區的典型治理模式及典型修復方法，詳細了解項目實施前、中、后中遇到的問題、成果對比、效益分析，探討修復方法的優缺點、實施步驟及適應條件。

2.2 統計歸納

試點區包含63個廢棄露天礦山生態修復項目，收集所有項目的設計、施工、監理、資金管理等工程資料，針對廢棄露天礦山特征，厘清廢棄露天礦山生態修復的治理思路，對每個項目的現狀、治理目標、技術措施、治理成效、籌資方式、優缺點等進行統計，對技術方法進行分類梳理，歸納形成完整技術體系。

3 治理模式

本文歸納總結的廢棄露天礦山治理模式是基于為實現礦山地質環境治理，在項目實施之前為實現治理修復目標或解決存在的問題而采取的一類治理形式。在實施礦山生態修復之前確定治理模式，有利于把控治理思路，可更好、更快地實現礦山地質環境生態修復。通過案例分析及統計歸納，最終梳理出3種治理模式，為實現生態復綠及土地利用目標應采用生態復綠模式及土地再利用模式，為解決資金短缺方面可多采用開發式治理模式(表1)。

表1 治理模式統計表

3.1 生態復綠模式

生態復綠模式是通過一系列的工程技術治理，以消除災害隱患、視覺污染，達到場地復綠的一種方式。該模式適用于有充足的治理資金、工期要求較短，以達到生態復綠為主要目標的情況。該模式主要分為隱患消除、場地整理、覆土綠化3個步驟。根據前期的場地調查分析，查明災害隱患、損毀特征及植被類型，通過削坡降坡，危巖體清除、支擋防護、錨固護坡等措施消除安全隱患；通過削高填低、場區內土石方調配、渣土回填等措施進行場地整理；通過客土回填、固土排水、植草種樹、景觀塑造等措施進行覆土綠化。從而將裸露山體恢復為林地、草地，達到復綠的效果。

生態復綠模式在大汶河下游及環東平湖舊縣片區孟樓礦區、北吉城地區等地點及試點區大部分項目中進行了應用實施。實施后產生的社會效益、環境效益尤為突出，技術運用成熟。該模式的優點是具有普遍適用性，應用范圍廣泛，方法組合多樣，技術最為成熟，工期短；缺點是人工修復痕跡明顯，對于破壞嚴重、有高陡立面的區域需要配合自然恢復才能與周邊環境融為一體。

3.2 土地再利用模式

土地再利用模式是將礦山地質環境治理與土地復墾、規劃建設等項目相結合，改變原采礦用地土地利用類型，恢復為新的土地利用類型的一種方式。該模式適用于土地利用現狀滿足規劃用地的情況。該模式分為礦山地質環境治理和土地復墾或規劃建設兩步實施。實施前先確定好恢復后土地利用類型，然后在礦山地質環境主管部門的主導下實施礦山地質環境治理項目，并為后續的土地利用目標留好作業面，然后在土地復墾或規劃建設行政主管部門主導下進行土地復墾利用或規劃建設項目，從而可達到土地再利用的目的。

土地再利用模式在試點區泰肥一級路、省道330泰安至肥城段山體修復工程中進行了應用，通過項目實施新增耕地19.07hm2，規劃建設建筑垃圾加工利用項目12hm2，既消除了礦山地質環境問題，又產生了良好的社會效益、經濟效益、環境效益。該模式的優點是可為附近居民創造新的就業機會，有效的解決人地矛盾；缺點是需要跨部門協同實施，實施難度大，工期長。

3.3 開發式治理模式

開發式治理模式是將治理區內的殘余資源進行開發利用，產生的收益用于本地區廢棄礦山生態修復的一種方式。該模式適用于無充足的資金，治理區內的殘余資源量較為充足，可將收益資金轉化為工程治理費用的情況。為進一步加強礦山地質環境恢復和綜合治理，2019年12月，自然資源部出臺了《關于探索利用市場化方式推進礦山生態修復的意見》，文件明確提出了在科學評估論證土石料利用方案和礦山生態修復方案的基礎上，可以對因削坡減荷、消除地質災害隱患等修復工程新產生的土石料及原地遺留的土石料，無償用于本修復工程；確有剩余的，可對外進行銷售，由縣級人民政府納入公共資源交易平臺，銷售收益全部用于本地區生態修復，構建了“政府為主導、企業為主體、社會組織和公眾共同參與的環境治理體系”的礦山地質環境恢復和綜合治理新模式，解決了礦山生態修復歷史欠賬多、現實矛盾多、投入不足等突出問題，為加快推進礦山生態修復提供了新思路。

開發式治理模式在試點區東平縣戴廟—銀山鎮片區廢棄礦山治理工程等多個項目中進行了應用，在實施過程中將場地內孤丘、山梁、固體堆積物等殘留資源的價值轉換為資金，取得的收益全部用于本項目的生態修復中，運作模式已趨于成熟，取得了成功的經驗。該模式的優點是在政府引領、政策支持下，有利于多元投融資模式的形成，有力地解決資金投入短缺問題，是進行經濟發展和生態環境治理并重的治理方式[27]；缺點是實施過程中要涉及到國有資源處置，需要加強管控措施。

4 技術體系

4.1 廢棄露天礦山治理思路與方法

通過分析廢棄露天礦山特征可知，不管采用3種治理模式中的那種治理模式，為達到治理目標，完成廢棄露天礦山生態修復，都要從消除隱患、水土保持、恢復生態3個方面入手。

(1)消除隱患。露天采石場由于上覆土地與植被資源的破壞而形成了裸露的巖石邊坡及大量的荒蕪土地[28]。開采后高陡邊坡由于應力重分布，導致頂部出現裂縫，有發生崩塌、滑坡的危險；場內堆積的廢石渣在強降雨情況下有發生渣石流的危險，因此消除安全隱患是第一目標。針對這一方面可采取削坡降坡、攔擋支護、危石清理、錨固、護坡等措施。

(2)水土保持。土層厚度是植被生長的必要條件，消除隱患后會形成不同坡度的立面、斜面和平面，對于小于30°的斜坡具備覆土的場地條件。根據種植的植被種類，覆土厚度一般為50～80cm，為了能夠保證植物的存活率，應有水土保持措施。針對這一方面應采取防止水土流失的措施。在斜坡坡腳及平臺邊緣應修建擋土墻；對斜坡坡面較陡的應進行護坡；在立面、坡面頂部及場地周邊應修建截排水溝，對于有深坑或水不宜排出的地段，應修建蓄水池。

(3)恢復生態。廢棄露天礦山生態修復治理，無論是礦山復綠，還是復墾再利用，最終目的均為恢復生態。對于采取土地復墾項目的則恢復為農業用地；對于規劃建設項目的則恢復為建設用地；對于礦山復綠的則應采取撒播草種、植樹造林、補植養護等措施。

4.2 創新技術體系

已有文獻[29-30]將裸露邊坡植被恢復技術體系歸為給排水技術、固土技術、建植技術和養護技術四類。但廢棄露天礦山由于開采會形成高陡立面，且場地內多有石渣堆積，存在地質災害隱患，必須優先采取有效措施消除隱患，因此已有技術體系中缺少植被修復前的工藝步驟，且規范立足點面向整個北方地區或全國，區域內適宜性不強。本文綜合考慮廢棄露天礦山生態修復的全部治理過程，包括前期消除地質災害隱患所采取的改造地形地貌的措施，以及安全防護及后續復綠措施，通過厘清的廢棄露天礦山治理的思路與方法，將治理技術分為地形重塑技術、固土技術、安全防護技術、集排水技術、復綠技術、養護技術6大類，重新構建了廢棄露天礦山治理技術體系框架(表2)。

表2 廢棄露天礦山治理技術體系框架

(1)地形重塑技術。該技術是綜合考慮現狀地形及后續生態恢復所需的地形條件，結合周邊地形對現狀地形進行重塑，從而達到與周邊地形、地貌相協調，且能最大限度消除安全隱患、抑制水土流失，消除和緩解對植被恢復和土地再利用的災害性限制因子[31]，滿足后續生態修復要求所部署的技術措施。它包括削坡降坡和場地平整2個分部工程。該技術在大汶河下游及環東平湖礦山生態修復工程中進行了大面積的應用。

(2)固土技術。該技術是將回填的客土固定在坡面之上，采取的措施防止坡面、場地徑流沖刷而導致的水土流失，以滿足植物生長土壤條件。它包括支擋工程、護坡工程、客土回填3個分部工程。該技術在采用臺階式削坡降坡治理或土地再利用模式時會大規模使用，如在東平縣舊縣鄉片區狼窩山治理區礦山地質環境生態修復工程中應用較為典型。

(3)安全防護技術。該技術是將地形重塑實施后，以及原場地內的危巖體、破土體進行安全防護，已免造成人民生命財產損失的技術措施。它包括排險和防護2個分部工程。該技術在肥城市關停礦山自行治理項目中應用較為廣泛。

(4)集排水技術。該技術是通過預設的截排工程或集蓄工程，最大限度攔截和阻止降水形成的地表徑流進入坡體范圍內，或將雨水預先集存起來，防治其入滲坡面以下，以免水土流失、破壞植被生境，并可達到“旱能澆”“澇能排”的目的。它包括截排水和集蓄水2個分部工程。該技術尤其在有較大斜坡或匯水面積較大的廢棄礦山中應用廣泛，如在岱岳區山體修復工程道朗鎮魚池北山、文斌、相平和立東石料廠治理等4個片區進行了廣泛應用。

(5)復綠技術。該技術是在地形重塑的基礎上，結合不同地形坡度條件，綜合考慮區域內自然氣候、周邊植被類型等環境因子，進行基質改良、物種選擇、布局配置、播種栽植等措施，使重建的植物群落持續地平衡和穩定。它包括基質配置、播種、栽植3個分部工程。該技術在寧陽縣鶴山鎮黃山及穗山建筑灰巖礦礦山復綠項目中進行了成熟的應用。

(6)養護技術。該技術首先是在較短時間內構造一個適宜的恢復和提高土壤生產力的土壤剖面與土壤肥力條件[32]，并通過2～5年養護期，持續不斷的維持、改善、提高植物生長條件，使植物達到一定的成活率。它包括光熱調控、水肥調控、種群調控、植物保護4個分部工程。對于所有采取植樹復綠的項目都應進行養護，岱岳區廢棄礦山生態修復項目要求養護期為5年，植被成活率較高。

4.3 典型修復方法

本文針對廢棄露天礦山高陡立面、開采底面、開采深坑等典型現狀，通過不同技術組合，不同技術的適應條件，歸納總結出試點區幾種典型修復方法。

(1)臺階式削坡降坡[33-34]。該方法適用于巖質或土質邊坡，坡度范圍>45°的高陡立面。該方法在泰肥一級路、省道330泰安至肥城段山體修復工程中進行了應用。通過控制爆破、機械削坡等工程手段進行降坡施工，巖質邊坡高度超過15 m時分段設置臺階，臺階高度10～15 m，寬度4～8 m；土質邊坡高度超過8 m時分段設置臺階，臺階高度5～8 m，寬度4～8 m。根據立面的高度可開鑿多級臺階，削坡后巖質邊坡坡度宜小于70°，土質邊坡坡度宜小于45°，削坡后進行危巖體清除，消除安全隱患。另外，在破損山體臺階式治理過程中，一般在臺階邊緣修建擋土墻，以達到固土保水的目的，為了遮擋裸露巖面，在馬道上回填種植土后栽植耐旱、耐瘠、耐寒及樹冠稍大的本地樹種，同時栽植爬藤類植被，通過上爬下垂，達到立體綠化的目的，從而改善生態地質環境，恢復生態功能，盡可能地消除平面、立面上視覺污染(圖1)。該方法的優點是施工方法成熟，工藝簡單；缺點是對于高陡立面遮擋率不高，短時間內效果不明顯。

1—喬木；2—爬藤植被；3—覆土；4—擋土墻；5—山體；6—示意線圖1 臺階式削坡降坡技術示意圖

(2)回填續坡。該方法適用于巖質或土質邊坡，且有足夠寬度的續坡場地，可以滿足回填續坡占地寬度的情況。該方法在東平縣舊縣鄉片區狼窩山治理區礦山地質環境生態修復工程中進行了成熟應用。利用場區內產生的大量廢棄土石料，充填到高陡的開采面坡腳處，按照設計坡度逐步向上，分層壓實，形成一個人工邊坡，之后在坡面上覆土植樹種草。坡腳前一般修筑擋土墻，防治水土的流失。該技術由于廢石骨料之間空隙往往過大，后期澆灌養護時，肥料和水分容易流失，因此分層壓實過程中，需要穿插著鋪設黏性土層作為防滲漏處理[13](圖2)。該方法的優點是形成的綠化效果好，遮擋率高，與周邊地形地貌融合程度高；缺點是需要大量的渣土方量，如外購則成本較高。

(3)立體綠化修復技術。李守昌等[35]采用該技術進行荒山或破損山體保護修復治理。該技術尚未進行大規模應用，還需深一步研究并優化改進。在山體表面覆土，所覆客土為改良土壤、改造土質，從上至下依次分布混合層、草木灰層和改良種植層，覆蓋區利用次生黃土、生土或者客土墊地覆蓋；對改良、改造后的覆蓋區按每百平方米一個樣的標準間隔取樣，對每個取樣物標識并標明酸堿性，選擇合理的土壤調理劑對該區域進行播撒和翻作，以適應植被生長；其次在覆蓋區撒播黑麥草、狗牙根、高羊茅、紫羊茅等草種，防止水土流失，增加土壤的水資源涵養能力，草種用量每公頃37.5～75 kg，合3.75～75 g/m2；進一步種植連翹、金銀花、迎春等灌木，初步形成生態系統，錨點坑徑20～50 cm，坑深35～50 cm，縱向、相鄰植株株行距為1.0～1.5 m，橫向相鄰植株行距為1.0～1.2 m；最后種植松樹、側柏、槐樹等喬木，形成生態系統，錨點坑徑50～80 cm，坑深50～80 cm，縱向、相鄰植株株行距為2～3 m，橫向相鄰植株行距為2～2.5 m(圖3、圖4)。

1—喬木；2—爬藤植被；3—覆土；4—回填續坡；5—擋土墻；6—山體圖2 研究區內采煤沉陷區及工業廣場(含煤矸石場)圖

圖3 立體綠化修復技術流程圖

該技術適用于巖質或土質邊坡，坡度范圍<30°；優點是增加了土壤中的各類營養物質，長期強化了土壤基質的性狀，營造了適合植物生長的自然環境條件，以較低的成本達到植物生長的必要條件；缺點是施工工序較多，需加強施工關鍵節點的管理，技術要求較高。

1—喬木；2—灌木；3—草種；4—覆蓋區；5—荒山或破損山體圖4 立體綠化修復技術示意圖

(4)魚鱗坑。該方法適用于巖質或土質邊坡，坡度范圍15°～45°。該方法在東平縣G105國道東部廢棄礦山地質環境治理進行了大規模應用。在坡面上尋找或開鑿出適宜的凹坑或有小平臺的空間，在其外邊緣通過壘砌塊石或修筑土埂形成月牙形圍堰，以此在坡面上形成魚鱗狀的種植穴，呈品字形排列，在穴內回填客土栽植喬木和藤本植物或經濟類林木，能有效防止雨水沖刷，蓄水保墑，復綠坡面(圖5)。魚鱗坑的布置及規格根據當地降雨量、地形、土質和植樹造林要求而定。一般魚鱗坑間的水平距離(坑距)為1.5～3.0 m(約2倍坑的直徑)，上下兩排坑的斜坡距離(排距)為3～5 m?？由疃燃s0.6 m，土埂中間部位填高約0.2～0.3 m，內坡1∶0.5，外坡1∶1，坑埂半圓內徑約0.6～0.8 m。每坑內栽植1棵樹。該方法的優點是在有凹處、起伏的非高陡邊坡修筑，簡單易行，具有保水抗旱的特點；缺點是在高陡坡、平滑的巖質坡面不宜采用，綠化效果受坡面狀況影響較大[36]。

1—喬木；2—圍堰；3—回填土；4—山體自然坡面圖5 魚鱗坑技術示意圖

5 結論

(1)本文分析、診斷、識別了廢棄露天礦山修復目標、存在問題及特征，基于試點區部署實施的廢棄露天礦山生態修復工程，歸納總結了常用的生態復綠模式、土地再利用模式、開發式治理模式3種治理模式。

(2)本文厘清了廢棄露天礦山生態修復的治理思路，從消除隱患、水土保持、恢復生態3個方面入手，歸納總結出地形重塑技術、固土技術、安全防護技術、集排水技術、復綠技術、養護技術六大類技術，構建了廢棄露天礦山治理技術體系框架。

(3)本文針對廢棄露天礦山高陡立面、開采底面、開采深坑等典型現狀，通過不同技術組合，不同技術的適應條件，歸納總結出試點區普遍適用的臺階式削坡降坡，回填續坡、立體綠化修復技術、魚鱗坑等4種典型修復方法。