南太行地區山水林田湖草生態保護修復方案研究
——以三王莊村為例

李金朋

(河南省地質礦產勘查開發局第四地質勘查院，鄭州 450001)

前 言

黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央深刻總結人與自然相互依存、相互影響的內在規律，提出了山水林田湖草生命共同體的系統思想[1～3]。為積極響應號召，積極將生態文明建設落到實處，2018年7月12日，財政部辦公廳、自然資源部辦公廳、生態環境部辦公廳聯合印發《關于組織申報第三批山水林田湖草生態保護修復工程試點的通知》[4～6]。因此，按照整體保護、系統修復、綜合治理的總體思路，組織開展第三批山水林田湖草生態保護修復工程試點工作就顯得尤為緊迫與必要。

大量研究人員對“山水林田湖草”生態保護修復進行了研究，并提出了相關方案取得了一定效果。陳靜和和麗萍等[7]針對滇池草海東風壩水域獨特地理位置和水域特點，提出了生態修復技術方案，為水庫類生態修復提供了參考。趙磊和王創江[8]針對黃土高原風沙治理問題，提出了“1線、2帶、3工程”的修復思路。汪燕林和岳文澤等[9]提出“問題診斷—原因剖析—目標設定—工程謀劃—績效評價—運維管護”技術鏈條及參照系統選取標準，針對性部署重要生態系統及生物多樣性保護修復、水生態保護修復、土地保護修復、森林生態保護修復及數字賦能智慧監管共5大類生態保護修復工程。馮地寬[10]從貴州省武陵山區山水林田湖草沙生態修復出發展開分析，將流域生態功能劃分為6個分區，針對每個分區存在的生態環境問題提出不同的修復方案，有效保護了流域生態環境，恢復了生境條件。

需要說明的是現有“山水林田湖草”生態保護修復研究多針對現有實際情況進行修復和改造，而目前對于遭到破壞的生態環境進行修復的研究不多。對于遭到大范圍破壞的地域，其生態修復難度更大，不僅需要恢復原有生態環境，還要進行結構安全性治理。同時還要結合破壞模式進行針對性的改造和修復。

河南南太行地區是華北平原乃至我國中部地區重要的生態安全屏障，南水北調中線干渠穿境而過，區內集中分布各類國家級保護區19處。但是該區域也是河南省生態環境遭破壞最嚴重的地區之一。這里是國家煤炭、鋼鐵、有色金屬、建材工業原材料基地，開發強度大、污染較嚴重，山體裸露、森林稀疏、農田污染、濕地萎縮等現實問題十分突出。該區域的生態修復人物迫在眉睫。本文以南太行典型區域淇縣廟口鎮三王莊村生態修復技術方案為研究對象，通過無人機航測與GPS測量，采用全站儀和GPSRTK施測1∶500工程地質剖面測量進行生態環境詳細調查，查明勘查目標區地形地貌、地層巖性、地質構造、工程地質、水文地質和人類工程活動等地質環境背景條件，獲得勘查區生態環境問題類型、分布范圍、規模、發育特征、形成原因及主要誘發因素，危害程度及發展趨勢，最終為三王莊村提出安全可靠、經濟合理、技術可行的生態修復治理技術方案。

1 三王莊村地質環境現狀與勘查

如圖1所示，本次生態修復目標地三王莊村位于太行山脈與華北平原的交接地帶，地處河南省北部，衛河北岸，西依太行山與林州市相連，東臨淇河與?？h相鄰，北與鶴壁市淇濱區毗鄰，南、西南與衛輝市接壤，地理坐標為：東經114°10′48″～114°17′54″，北緯35°45′34″～35°48′26″，面積約267.43 km2。經過多年的露天開采，已形成大規模采礦陡壁、采坑及廢渣堆，調查發現區內一處歷史遺留礦山，根據區內地形條件將目標區礦山環境生態治理區分為6處邊坡、6處采坑。

圖1 生態修復目標區交通位置示意圖Fig.1 Traffic location diagram of ecological restoration target area

本次治理區西北側分布的4處采坑(編號CKⅢ-1～CKⅢ-4)以及相應4處邊坡(BPⅢ-1～BPⅢ-4)，其開采面上大面積巖體裂隙發育、風化嚴重，邊坡基巖裸露部位臨空面大，坡面巖石節理裂隙發育，較為破碎。三王莊村礦山環境生態治理區北側全貌如圖2所示。本次治理區北側分布的2處采坑(編號CKⅢ-51～CKⅢ-6)以及相應2處邊坡(BPⅢ-5～BPⅢ-6)，相比于西北側該區域礦坑和邊坡分布較為分散，裂隙發育和風化程度有所緩和。三王莊村礦山環境生態治理區北側全貌如圖2所示。

圖2 三王莊村礦山環境生態治理區全貌圖Fig.2 Overall view of the north side of sanwangzhuang Village Mine Environmental and Ecological restoration Area

依據《河南省南太行地區山水林田湖草生態保護修復工程實施方案》，本文擬基于三王莊地質環境現狀提出的生態修復治理技術，主要圍繞高陡邊坡崩塌危巖體地質災害預防與治理、地形地貌景觀及土地資源的破壞修復等開展相關工作。通過前期的勘查，共收集相關勘查資料35份，1∶1000地形圖測繪2.9 km2，地質環境綜合調查點135個，1∶500地質剖面測量17.1 km，探槽27個，總方量共計416.8 m3，土壤檢測6組。

2 巖土工程參數設計

通過現場勘查，治理區出露基巖為灰巖，抗壓強度80～140 Mpa，為堅硬巖，中厚層狀結構，塊狀構造，弱到中等風化，邊坡巖體類型為Ⅰ—Ⅱ類，參照工程地質手冊、《河南省礦山地質環境恢復治理工程勘查、設計、施工技術要求》中巖質邊坡坡度允許值及周邊原有地形地貌，本次設計采用1∶0.35進行放坡，設計分階高度小于25 m。填方邊坡采用坡比1∶1.5(約34°)，高度不大于10 m，臨水邊坡采用坡比1∶2.0。

2.1 地質災害

經前期勘查與現場調查，三王莊村危險邊坡為前期濫采灰巖形成的，開采形成的高陡邊坡一直處于基本穩定～較差狀態，調查期間還偶有坡面浮石掉落或坡頂松散土體崩落、垮塌現象。生態治理區露采邊坡危巖帶劃分如表1所示。

表1 治理區露采邊坡危巖帶劃分表Tab.1 Division table of dangerous rock zone of open-pit slope in restoration area

如表1所示，邊坡危巖帶為一巖質崩塌群，邊坡巖性為石灰巖，底長約320～670m，西北側邊坡長度要長于北側邊坡。高度為10m～58m，最大高差為BPⅢ-5邊坡的58m。邊坡主坡向16°～130°。6個露采邊坡坡面巖體較破碎，裂隙發育，存在大量裂縫和危巖體，局部掉塊現象嚴重，穩定性較差。邊坡特征如圖3所示。

圖3 方案3邊坡特征圖(BPⅢ-1～6)Fig.2 Plan 3 Slope characteristic diagram (BP Ⅲ -1～6)

2.2 地形地貌及土地資源破壞

露天開采完成后形成采坑，地表植被完全被破壞，基巖裸露。露天采坑對地形地貌及土地資源造成的影響和破壞嚴重。根據調查統計，三王莊村礦山環境生態治理區破壞土地面積32.63 hm2，其中旱地2.08 hm2，裸地30.55 hm2。采坑特征詳見表2。

采坑CKⅢ-1～CKⅢ-1II如圖4所示，其余如圖3所示。采坑CKⅢ-1出露灰巖，壁高8～29 m，坡度70°～85°，采坑長約220 m，寬約88 m，平均深度約28 m，坑底坡度5°～10°，坑底較平整，坑底最低標高為+217.72 m。CKⅢ-2采坑出露灰巖，西側壁高16～23 m，坡度76°-85°，東側12～18 m，采坑長約180 m，寬約100 m，平均深度約20 m，坑底坡度5°～10°，坑底較平整，坑底最低標高為+204.17 m，無積水。其余采坑與該兩個采坑情況類似。根據《礦山地質環境保護與恢復治理方案編制規范》(DZ/T0223-2011)，礦場平臺對地形地貌景觀影響和破壞程度非常嚴重。

表2 勘查區三王莊村采坑特征表Tab.2 Mining characteristics of Sanwangzhuang in the exploration area

圖4 CKⅢ-1、BPⅢ-2、BPⅢ-3(鏡向西北)土地資源破壞Fig.4 CKⅢ-1、BPⅢ-2、BPⅢ-3(Mirror northwest)destruction of land resources

2.3 含水層破壞

三王莊村生態修復區內采坑均位于地下水位以上，考慮當地地形特征，降水基本順山坡向下排泄，不會改變地下水的運動規律，但是山體大面積隨意堆積的渣堆、大大小小的采坑和出露的基巖改變了地表水的排泄和地下水的徑流，且無序開采致使含水層結構和地下水徑流條件、植被等被破壞，不利于水源涵養和水土保持，降低了地下水的補給能力，但對水質基本沒有影響。

3 采坑邊坡穩定性分析

根據《工程地質手冊》和礦山資料，勘查區碎石土地基承載力特征值180 kPa基底摩擦系數0.40；巖石為硬質-堅硬巖石，平均體積密度2.72 g/cm3，基巖地基承載力特征值300 kPa，摩擦系數取0.60，巖石抗壓強度一般80～140 MPa。邊坡的穩定性受多種因素的影響，可分為內部因素和外部因素。內部因素包括邊坡的巖土性質、邊坡的形態等；外部因素包括地震及爆破震動、暴雨沖刷、坡體開挖等。

3.1 內部因素

(1)邊坡的巖土性質：包括邊坡巖體的密實程度、透水性等。

(2)邊坡的形態：邊坡的高度、坡度等。據調查，邊坡高度一般15～35 m，邊坡坡度75°～87°。

3.2 外部因素

(1)地震和爆破震動：邊坡受到地震或爆破震動的作用而增加了下滑力，同時震動作用破壞了邊坡原有的內部結構穩定性；

(2)暴雨沖刷：暴雨降水對邊坡形成直接沖刷，帶走邊坡內小顆粒物體，使邊坡顆粒級配變差，破壞了邊坡原有的內部結構穩定性；

(3)邊坡人為開挖：因礦山企業對渣堆進行開挖，形成基巖裸露面。

3.3 不同工況穩定性分析

依據《工程地質手冊》，邊坡發生破壞時破裂面多近似呈圓弧形，滑體常有一定的旋轉。以邊坡BPⅢ-1為例對邊坡四種可能組合情況進行分析：

(a)方案I：地震和爆破震動+暴雨沖刷+邊坡人為開采；(b)方案Ⅱ：地震和爆破震動+邊坡人為開采；(c)方案Ⅲ：地震和爆破震動+暴雨沖刷；(b)方案IV：邊坡人為開采。

圖5為不同方案下邊坡滑動位移示意圖。由圖5可以看出方案I工況下邊坡位移最大，最大位移達到27cm。方案Ⅳ工況下邊坡最穩定，20～23cm位移邊坡土體范圍最小。通過方案Ⅱ和方案Ⅲ對比可知，暴雨沖刷對邊坡的危害要大于人為開采。因此對于邊坡和采坑治理要關注對坡體的固定，以防止大面積滑坡事故出現。

對于邊坡的內部穩定性，可采用Hoek和Bray的圓弧破壞穩定系數圖表計算法對邊坡自身的穩定性進行評價。結果表明四個方案的穩定系數Fs分別為：0.85、0.91、0.87和0.98。由此可見現有工況下邊坡穩定性較差，在外界干擾工況下極易出現滑動。

圖5 邊坡滑動示意圖Fig.5 Schematic diagram of slope sliding

4 生態修復關鍵技術與方案

4.1 生態修復理念

根據礦山地質環境現狀勘查成果，并結合《河南南太行地區山水林田湖草生態保護修復工程淇河流域山水林田湖草生態保護修復工程規劃設計方案》，深入貫徹黨的十九大精神和習近平生態文明思想，堅持“山水林田湖草是生命共同體″系統理念，根據勘查區主要礦山地質環境問題、相關規范，緊密結合國家政策和當地政府對勘查區的總體規劃，推薦治理工程設計的總體修復理念為：

減災防災：結合邊坡穩定性分析結果，需要對邊坡坡地進行固定，并對坡體進行加固處理。對露天采場邊坡采取削、放坡、壓腳處理，消除或減輕崩塌、滑坡地質災害隱患，削、放坡方案結合生態復墾工程；

場地整理：對場區進行挖填平整，場地整理滿足覆土綠化條件；

生態修復：對場區進行覆土、植樹、種草，恢復生態環境。

在總體修復理念的引導下，還應與當地社會、經濟和環境發展相適應，與當地規劃、環境保護、土地管理和開發相結合，并在安全、經濟的前提下盡量做到美觀。

4.2 生態修復指導思想

以“創新、協調、綠色、開放、共享″的新發展理念，統領生態保護修復工作。根據三王莊村礦區主要生態環境問題，指導思想如下：

(1)以人為本、防災減災

項目采礦活動殘留大量高陡邊坡，形成崩塌地質災害隱患，對周邊活動的人、畜構成威脅。生態保護修復首先要保證項目區活動的人、畜免遭地質災害威脅，達到減災、防災的目的。

(2)統籌山水林田湖草系統理念

山水林田湖草是一個生命共同體。生態是統一的自然系統，是各種自然要素相互依存而實現循環的自然鏈條。治理工程部署要按照自然生態的整體性、系統性及其內在規律，統籌考慮自然生態各要素以及山上山下、地上地下、陸地海洋、流域上下游，進行系統保護、宏觀管控、綜合治理，增強生態系統循環能力，維護生態平衡。

(3)宜耕則耕、宜林則林、統籌規劃、注重實效

土地復墾工程按照“宜耕則耕、宜林則林、宜草則草″的原則，適宜復墾耕地的優先復墾耕地，對治理區復墾工程進行統籌規劃，注重復墾工程實效。

(4)以自然修復為主，工程措施相結合

具備自然修復條件的優先選用自然修復，自然修復方案以自然修復為主，必要的可以增加適量的人工或工程干預，促進自然修復成效。

(5)技術可行、經濟合理、方便施工

根據礦山生態環境問題，采取技術可行、經濟合理、方便施工的治理措施，注重因勢利導、順坡就勢，注重地形地貌景觀修復整體效果，工程措施應精心布置，合理設計，力求以較小的工程量換取較大的綜合治理效益。在總體思路的引導下，還應與當地社會、經濟和環境發展相適應，與當地規劃、環境保護、土地管理和開發相結合，并在安全、經濟的前提下盡量做到美觀。

4.3 推薦設計方案

針對勘查區內存在的礦山地質環境現狀問題，結合綠色礦山建設要求、《河南省南太行地區山水林田湖草生態保護修復工程實施方案》、《淇河流域山水林田湖草生態保護修復工程規劃設計方案》和以往治理經驗，對四個勘查區礦山地質環境恢復治理工程設計方案從技術可行性、治理效果、施工難度、風險性、投資估算等五方面進行比選。

推薦方案一：“危巖體清理+清理廢渣回填+挖填場地平整+漿砌石擋墻+覆土綠化的治理″方案。對危巖體進行清除；區內存在的大量廢渣予以清除回填采坑和對高陡邊坡反向壓坡腳，對邊坡前緣處堆放壓實廢渣；壓坡腳的廢渣外側修建漿砌石擋墻維持坡腳的穩定；多余的廢渣用來回填采坑及地勢較低處，然后對勘查區進行覆土綠化。該治理方案技術上可行，施工難度較大，風險在可控范圍內，但邊坡治理效果一般，露天采區“三區兩線″及可視范圍內，估算投資約2880萬元。

推薦方案二：“坡面清理工程+挖填平整工程++漿砌石擋墻+田埂工程+覆土配肥工程+生物工程″。按照對采坑周邊巖質邊坡進行危巖體清理，采坑坑底平臺進行挖填平整、復墾為耕地、有林地的總體思路進行設計。在臺階平臺邊緣修建小型擋土墻，防止水土流失，對采場平緩處進行平整，并覆土綠化，在自然恢復區設置宣傳警示標語，封山育林，保護生態環境。

該治理方案技術上可行；治理效果較好，施工難度一般，風險在可控范圍內；估算投資約5280萬元。

推薦方案三：“削坡工程+清理廢渣回填+挖填場地平整+漿砌石擋墻+覆土綠化的治理″方案。對采區邊坡進行削坡；邊坡清除的大量廢渣予以清除回填采坑和對高陡邊坡反向壓坡腳，對邊坡前緣處堆放壓實廢渣；壓坡腳的廢渣外側修建漿砌石護坡維持坡腳的穩定；多余的廢渣用來回填采坑及地勢較低處，然后對勘查區進行覆土綠化。該治理方案技術上可行，邊坡治理效果較好，施工難度較大，風險在可控范圍內，但削坡工程量相對較大，治理工程會導致新的植被破壞，估算投資約8530萬元。

4.4 方案比選

對三個治理方案從技術可行性、治理效果、施工難度、風險性、投資估算和投資效應比進行量化對比，考慮到綠色礦山建設標準要求高，盡可能達到更好的治理效果，所以講治理效果分值比重加大，結果如表3所示。

表3 治理工程設計方案比選結果Tab.3 Results of comparison and selection of treatment engineering design schemes

經比選，方案一和方案二綜合性相當，方案一治理投資相對方案二小，但治理效果不如方案二，方案三治理效果比方案二稍好，但治理資金相對較大。

為進一步分析不同方案適用性，采用投資效應比進行分析。如表3所示，方案一剛剛達到投資和效果收益均衡狀態。方案二中投資有小幅度增加，但是治理效果出現顯著改善，投資效應比最高。而對于方案三，雖然治理效果相比方案二有所提升，但是提升效果有限，但是投資卻大幅度增加，導致投資效應比略小于1。因此考慮最終生態恢復效果和性價比，推薦設計采用方案二。

5 結 論

本文以淇縣廟口鎮三王莊村生態修復技術方案設計為研究對象，通過詳細地質環境勘查，獲得三王莊村地質災害、地形地貌與土地資源破壞、含水層破壞類型，并從內、外部因素分析了采坑邊坡穩定性影響因素?；凇吧剿痔锖荨毙迯屠砟?，提出了相應的治理方案。

(1)本文提出了“坡面清理工程+挖填平整工程+漿砌石擋墻+田埂工程+覆土配肥工程+生物工程″的綜合治理方案，該方案安全可靠、經濟合理、技術可行，治理效果較好，施工難度一般，且風險在可控范圍內。

(2)本文提出的治理方案的實質是：對采坑周邊巖質邊坡進行危巖體清理，采坑坑底平臺進行挖填平整、復墾為耕地、有林地的總體思路進行設計。在臺階平臺邊緣修建小型擋土墻，防止水土流失，對采場平緩處進行平整，并覆土綠化，在自然恢復區設置宣傳警示標語，封山育林，保護生態環境。

(3)本文提出的“山水林田湖草”治理方案，主要適用于已經遭到開挖破壞的生態環境修復工程。該方案在滿足邊坡安全性的基礎上，達到了生態修復和水土保持的目的。為露天開采、基坑坍塌、礦坑塌陷遺留下的深坑和高邊坡工程提供了修復方案參照。