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矿山生态环境破坏与生态修复
2013-08-26
矿山生态环境破坏与生态修复。

人口、环境 、资源问题是当今社会可持续发展的三大主要问题。实现三者的协调、均衡、和谐发展是当务之急。从某种角度来,区域可持续发展是社会可持续发展的子集,而矿山生态环境问题是区域可持续发展的核心或枢纽,因为矿产资源开发利用对一定区域的生态环境系统扰动最大、破坏力最强。运用资源经济学、恢复生态学的原理和方法对矿山生态环境进行探讨,对一定区域可持续发展至关重要。修复矿区土地的生产力、维护生态系统健康对区域农业生产、环境保护均具有重要的现实意义。

由于矿藏的不可移动性,以致矿山开采长期占用、破坏、污染土地,改变了区域水系结构,破坏了动植物区系,引发一系列社会经济与生态环境问题,成为全球环境与发展面临的焦点问题之一。我国矿区土地复垦工作起步较晚,土地复垦率较低,迫切要求探索适合我国国情的土地复垦技术,提高土地复垦率和生产潜力。本文将在系统分析矿山开采生态环境效应的基础上,总结适合我国矿区土地复垦的典型技术,以期推动全国土地复垦工作的进一步发展。  

1.矿山开采的生态环境效应  

(一)诱发地质灾害。由于地下采空,地面及边坡开挖影响了山体、斜坡的稳定,往往导致地面塌陷、开裂、崩塌和滑坡等频繁发生。而矿山排放的废渣堆积在山坡或沟谷,废石与泥土混合堆放,使废石的摩擦力减小,透水性变小而出现渍水,在暴雨下也极易诱发泥石流。  

(二)水文地质条件发生变化与水质污染。矿区塌陷、裂缝与矿井疏干排水,使矿山开采地段的储水构造发生变化,造成地下水位下降,井泉干涸,形成大面积的疏干漏斗;地表径流的变更,使水源枯竭,水利设施丧失原有功能,直接影响农作物耕种。 同时,矿山开采过程中产生的矿坑水、废石淋滤水等,一般较少达到工业废水排放标准,严重影响水生生物的生存繁衍与人畜生活饮用。

(三)土壤退化与污染由于表土被清除采矿后留下的通常是新土或矿渣,加上大型采矿设备的重压,往往使土壤坚硬、板结,有机质、养分与水分缺乏。而地面塌陷导致地下水位下降、土壤裂隙产生。土壤中的营养元素也随着裂隙、地表径流流入采空区或洼地,造成许多地方土壤养分短缺,土壤承载力下降。

矿山固体废渣(煤矸石等)经雨水冲刷、淋溶,极易将其中的有毒有害成分渗入土壤中,造成土壤的酸碱污染(主要是强酸性污染)、有机毒物污染与重金属污染。而土壤的纳污和自净能力有限,当污染物超过其临界值时,将向外界环境输出污染物,其自身的组成结构与功能也会发生变化,最终导致土壤资源的枯竭。并且,土壤污染在地表径流和生物地球化学作用下还会发生迁移,危害毗邻地区的环境质量,受污染的农产品则会通过食物链危害人体健康。

(四)水土流失加剧。矿山开采直接破坏地表植被,露天矿坑和井工矿抽排地下水使矿区地下水位大幅度下降,造成土地贫瘠,植被退化,最终导致矿区大面积人工裸地的形成,极易被雨水冲刷;由于排土场和尾矿占地,形成地面的起伏及沟槽的分布,增加了地表水的流速,使水土更易移动,冲刷加剧。

(五)生物多样性损失。植被清除、土壤退化与污染、水土流失,对矿区生物多样性的维持都是致命打击,严重威胁了动植物生存。

2.矿区生态恢复的典型技术 

2.1矿区土壤污染的治理

矿区土壤重金属污染的治理。国内外矿区土壤重金属污染治理主要包括物理、化学和生物治理技术三类。其中,生物治理技术包括微生物修复技术、动物修复技术与植物修复技术。设施简便,投资少,对环境扰动也少,被认为是最有生命力的。

矿区土壤培肥改良技术。土壤培肥改良技术就是对土壤团粒结构、pH值等理化性质的改良及土壤养分、有机质等营养状况的改善,这是矿区生态恢复的最终目标之一,具体包括:(1)表土转换:在采矿前先把表层及亚表层土壤取走并加以保存,待工程结束后再放回原处,这样虽破坏了植被,但土壤的物理性质、营养条件与种子库基本保持原样,本土植物能迅速定居。(2)客土覆盖:废弃地土层较薄时,可采用异地熟土覆盖,直接固定地表土层,并对土壤理化特性进行改良,特别是引进氮素、微生物和植物种子,为矿区重建植被提供了有利条件。(3)土壤物理性状改良:土壤物理性状改良的目标是提高土壤孔隙度,降低土壤容重,改善土壤结构,短期内可采用犁地和施用农家肥等方法。(4)土壤pH值改良:对于pH值不太低的酸性土壤可施用碳酸氢盐或石灰来调节酸性,增加土壤中的钙含量,改善土壤结构。(5)土壤营养状况改良:主要包括化学肥料、有机废弃物、固氮植物、绿肥、微生物等。

2.2矿区植被的恢复。根据矿区的气候和土壤条件,植被筛选应着眼于植被品种的近期表现,兼顾其长期优势,植物品种的选择首先要根据生物学特性,考虑适地适树原则,尤以选择根系发达、固土固坡效果好、成活率高、速生的乡土植物。

在配置植物时要考虑边坡结构、种植后的管护要求、自然条件等,以决定种植的形式和品种。同时要考虑与设计目的相适应;与附近的植被和风景等条件相适应。

2.3水土流失的综合治理

(1)固体废弃物拦挡工程。在堆弃场地建设挡渣墙、拦渣坝和排水工程等,进行拦挡与防漏处理。 

(2)坡面排水工程。对影响矿山安全的坡面,根据坡长分段布设截流沟、排洪渠等工程,并配以防护林草带,增加植被覆盖,减少坡面径流对地表的冲刷,保证矿业生产安全运行。

(3)边坡防护工程。矿山开采形成的各类边坡,除尽可能采取措施恢复植被外,根据边坡稳定程度及对周围的影响,采取相应的工程措施进行防护。坡面防护根据坡度不同而采用石砌护坡或植被护坡。

(4)土地整治工程。对矿山生产过程中产生的大量废石堆、废弃工业场地及尾矿库,采取排蓄结合的办法,排水拦渣,有效解决“三废”污染。同时对服务期满的弃渣场、尾矿库采取复垦措施,提高土地利用率。

(5)植被恢复工程。对各类裸露面,分别采取不同的措施,加速植被恢复。  

3.项目概况

本文以“门头沟区龙凤岭废弃矿山生态修复试验示范工程 ”为例,就矿山对生态环境的影响进行分析,并提出相关环保措施。

门头沟区内矿藏丰富,其中以煤、石灰石储量大、分布广,并有近700年的开采历史。经调查,截止到2004年底区内废弃矿山133个,总占地面积866.65公顷,弃渣总量144190立方米。

该项目采用的技术原理:项目将紧紧围绕工程建设目标,通过结合重点工程建设,进行单项技术成果的直接应用,及成熟技术的组装、配套与集成,解决工程中各项技术难题,建立具有高科技含量和示范价值的模式区,向周边辐射推广。并通过建立一定面积的试验示范区,进行初步成果的中试、开展科学研究、积累基础数据与资料,加快门头沟区生态修复工程建设,为切实提高工程科技含量、确保工程质量提供技术保障。该项目的关键技术创新点:试验示范工程在治理中应用了双向格栅、生态植被毯、植生基材喷附等技术,具有一定的创新性;提出的植物品种选择和品种组合模式,为本地区大范围公路边坡、采石厂、矸石山的水土保持与生态修复提供了科学技术支撑,具有较突出的推广应用价值,目前已达到国内领先水平。

4.项目区环境问题

门头沟区矿山企业大都分布在 108、109国道两侧和名胜风景区沿线,大量煤矸石山和采石弃渣由于无人管理,天长日久经过风吹日晒雨淋,风化分解,形成沙土,大风吹过,扬尘四起,不仅影响人们的生产生活,而且造成了严重的生态环境问题;堆放在山坡和沟道的大量煤矸石和采石弃渣,为泥石流和山洪的爆发提供了大量的物质条件,极易产生泥石流,给人们生命和财产构成很大的威胁;另一方面,光岩裸地散布于区内主要景点和交通要道沿线,形成山体之中的斑秃,影响了区内的景观效果,给旅游业发展带来不利的影响。多年无序开采,使得山体伤痕累累。作为首都的西部屏障,如何治理废弃煤矿、采石场以及河道荒滩,以遏制风蚀危害,防治水土流失,实施生态修复已到了刻不容缓的地步。

矿山开采后产生的主要环境问题有:

4.1边坡稳定问题

矿体剥采活动将破坏区内原有地貌景观及岩体的完整性,形成陡坎、临空面,破坏斜坡的自然坡度角,导致斜坡的稳定性受到影响,加之矿体表层风化,在采矿过程中容易发生石块滑落,崩塌等边坡失稳现象,从而影响采矿安全。

4.2土地和植被破坏问题

区内进行的露天开采,将完全破坏地表的土地和植被,降低土地涵养分,加剧水土流失,且治理难度较大,过程较长。废石堆放和生活建筑物的搭建不仅改变原有地貌景观,且覆盖植被,影响植物生长。固体废弃物的堆放也毁坏原生植被,恶化植物群的生存条件,使其覆盖率降低,并引起水土流失。

4.3占用与破坏土地资源

露天采矿、开挖和各类废渣、废石、尾矿堆置等直接破坏与压占土地。矿区剥采长生的排土场如不及时治理,必然会产生重大的生态环境危害。

4.4 对景观的影响

露采矿山不仅占用与破坏大量的土地资源,而且采掘剥离对自然景观的肢解和蚕食相当严重。采矿使原来绿树成荫的青山绿水变得千疮百孔,采矿留下一些陡峭的光滑石壁(坡度60°~80°,少数成倒鹰嘴状),几乎寸草不生。一些露采矿山采用凹陷式开采,采后形成的深坑废弃后都积水成潭。这些都严重影响了周围的环境景观。

4.5 地质灾害

露采矿山采矿后形成的高而陡的采矿边坡常诱发滑坡、崩塌地质灾害或存在滑坡、崩塌地质灾害的隐患;一些废土、石、渣、煤矸石的堆放不当,也会引起泥石流的发生。

4.6环境污染

露采矿山固体废弃物长期堆放在水体边,经降雨淋滤,使废弃物中的有害物质随雨水排入地表水体,造成水体污染;此外,有些废土(石、渣)堆中因含有放射性元素,如锶(天青石),对周边环境形成放射性污染。

5.环保措施

矿山生态恢复治理是一项复杂的系统性工程,涉及学科面广,包括:恢复生态学、景观生态学、生态经济学、环境地质学等。废弃露采矿山生态恢复一般可从5个方面来进行:废弃地的整治;岩质边坡绿化;地质灾害的治理;环境污染的修复;景观综合治理。

5.1  废弃地的整治

矿山废弃地整治的关键是在正确评价废弃地类型和特征的基础上进行植被的恢复与重建,进而使生态系统实现自行恢复并达到良性循环。露采矿山废弃地包括四种类型:一是由剥离的表土、开采的废石及低品位矿石堆积形成的废石堆废弃地;二是随着矿物开采形成的大量的采空区域即采坑废弃地;三是利用各种分选方法分选出精矿物后的剩余物排放形成的尾矿废弃地;四是采矿作业面、机械设施、矿山辅助建筑物和道路交通等先后占用后废弃的土地。

(1)基质改良。露采矿山废弃地中一般缺乏N、P、K 等营养元素,但这些难以由自然过程所恢复,或者需要很长时间,必须通过人为方式恢复。土壤作为植物生长的介质,其理化性质和营养状况是生态恢复成功与否的关键。目前主要有:表土覆盖法;化学改良法;施加有机质等方法。采取“以废治废”的方法具有很好的生态效益和社会效益,污水污泥、生活垃圾、泥碳及动物粪便含有大量有机质,释放缓慢,可缓解金属离子毒性和提高基质的持水保肥能力,以一定比例施用能有效提高矿山废弃地的有机质含量和改变其结构性能。但是长期改良必须依靠植物,利用固氮植物和菌根植物改良废弃地是经济效益与生态效益俱佳的方法。

(2)植被恢复。植被恢复是矿山废弃地生态恢复的关键,因为几乎所有的自然生态系统的恢复总是以植被的恢复为前提的。故根据具体环境条件选择适宜的树种是生态恢复的关键技术之一。

由于矿山废弃地的自身特点、周边的自然、社会环境等差异,矿山废弃地的生态恢复有着完全不同的目标。若以水土流失和污染控制为目标,则适宜选择一些生物量高、根系发达的多年生的耐性草本植物,同时选择部分灌木、乔木加强其控制效果。若以农业用地为目标,选用的植物或作物品种,必须考虑到有害元素在可食部分的积累状况,尽可能避免有害元素在食物链中的大量富集。以野生生物保护为目的的生态恢复,则尽可能选择乡土物种,而且物种的组成尽可能的多样化,在这种情况下,引入地带性原始植被的土壤种子库是一个很好的策略。以旅游休闲为目的的生态恢复,则在考虑植被耐性的同时,也要考虑到可观赏性花草树木的配置。可见,物种选择不仅受制于矿山废弃地本身特性,同时还要兼顾生态恢复的目标。

5.2  岩质边坡绿化

岩质边坡一般坡度较大,在40°~70°之间,通常是碎石和石块结构。有些石壁坡面光滑,无任何基质,而且坡度大多超过80°甚至达90°,往往有相当的高度,通常数十米,甚至上百米,是名副其实的“悬崖峭壁”。显然,复绿都是极其困难的。

一些发达国家,如美国、德国、英国和日本等,较早开始重视坡壁绿化,并开创了一系列的坡壁绿化工程技术,它们是种子喷播法、客土喷播法、钢筋水泥框格法、植生卷铺盖法、纤维绿化法、厚层基材喷射绿化法、生态多孔混凝土绿化法以及客土袋液压喷播植草法等等。

但是在国外由于采石有严格的法律法规约束,石壁坡度超过60°时一律要求台阶式开采,所以石壁很少有陡高坡,因而这些技术在国外能达到预期的效果。但我国大部分地区的石壁的坡度都超过60°甚至达90°,因而直接模仿和引进国外技术方法,效果不甚理想,而且成本过高,不适合我国国情。如目前国内较常用的喷播技术,由于喷浆与岩体的黏结很差,防护效果也不理想。石壁实现绿化需具备两个条件:一是坡面上必须有植物能赖以持续生长的种植基质;二是种植基质能永久固定在岩面上。此外,绿化的同时,要考虑边坡的稳定和安全,也要考虑与周围环境协调一致做到一劳永逸,避免重复建设并尽量减少日常维护和管理费用。

此外,对城市景观影响较大的如离交通线或者旅游点较近,且可视面积较大的石壁,可以考虑结合城市片区规划和小区设计,从文化艺术与体育的视角进行整治,对石壁进行景观再造,将石壁整形、雕塑或用植物造景,美化环境。

5.3  地质灾害的治理

露天采矿场闭坑后留下的潜在灾害类型主要有滑坡、崩塌、泥石流等,这是由于露采后留下的高边坡和废石、废渣堆放较高,这样一旦拦挡措施不当,则在暴雨或其他诱发因素的作用下灾害就可能发生。

灾害防治的主要措施是:削平陡立宕口、消除高边坡失稳的隐患;建设安全设施、边坡稳定性治理,减少地质灾害隐患;尾矿库经综合利用尾矿资源后,再实施复垦、绿化等等。

5.4  环境污染的修复

重要还是加大尾矿、废渣的循环利用,减少堆放造成污染;加固尾矿库坝基的稳定性,预防溃堤;种植耐性植物。

5.5  景观综合治理

从景观生态学来讲,采矿地是剧烈人为干扰下的一种特殊景观类型,是人类为获得矿产资源而对土地进行剧烈改造的区域。其生态系统结构与功能退化严重,同时破坏了其使用功能和美学价值。景观设计学的核心之一是强调应用生态可持续设计来修复矿山等受干扰土地。通过景观的综合设计,改变废弃露采矿山单一的治理方式,变废为宝,恢复其利用价值,服务于人类,是具有巨大现实意义和研究意义的。

参考文献:

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[6]浅谈如何加强矿山生态环境保护,中国选矿技术网,2008.7.8.

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