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第五部分矿区废弃地生态修复技术矿区废弃地生态修复规划与结构设计矿区废弃地生态修复的技术体系实例矿区废弃地环境影响要素分析一、矿区废弃地环境影响要素分析1矿区废弃地的类型及景观生态特征矿区废弃地是指因采矿活动所破坏的，不经过治理而无法使用的土地。就煤矿而言，矿区废弃地可分为3种主要类型。①排土场：伴随着露天煤炭开采，由剥离的表土和分选出的各种固体废弃物堆积形成的废弃地（图7-1）；图7-1阜新海州露天矿排土场②采煤沉陷地：井工煤炭开采后，由采空区域塌陷形成的地表废弃地（图7-2）；③矸石山：由井工开采伴随着煤炭排出的煤矸石固体废弃物并在地表堆积形成的废弃地（图7-3）。图7-2新疆煤田火区燃烧后引起地面塌陷图7-3平煤集团四矿矸石山从景观生态学角度分析，矿区废弃地具有如下景观生态特征：1.1景观异质性增强：矸石废弃地表现出比采矿前更大的景观异质性，采矿活动实际上就是将原来较为均质的景观进行异质化的过程，开采后的采矿地包含采矿点、尾矿、堆场、排土场、塌陷地等景观类型和厂房、矿井、采掘设施、道路等景观要素，使原本均质的景观变得破碎化了，同时具有斑块、廊道和基质的典型镶嵌格局特征。1.2稳定性被破坏：强烈的干扰超出了当地景观生态系统本身的自我恢复能力，干扰甚至导致生态系统的退化，最明显的标志是生态系统生产力降低，生物多样性减少或丧失，土壤养分维持能力和物质循环效率降低及外来物种入侵和非乡土固有优势种增加等；随着干扰的加剧，生态系统自身的生态平衡和稳定性受到破坏。1.3生态过程受到影响：采矿地与周边环境是一个完整的生态系统。采矿活动势必会影响到区域生态格局与各种生态过程的连续，如水的过程，物种迁徙的过程，同时造成污染扩散。2矿区废弃地生态修复的基本内涵矿区废弃地生态修复实质是矿区废弃地基质改良、土壤侵蚀控制和植物种类的筛选，并在正确评价废弃地类型、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。当前的“修复”更多的是指“改造”和“恢复”。为了保证未来我国土地修复与生态恢复工作的良性发展，应该强调以下的几个观念：（1）土地修复是一个长期过程，复垦是有效的修复手段，应最大限度地维护修复土地的生物多样性和生态系统及人体健康；（2）修复的土地质量应该高于或至少维持在被开采前的水平；修复土地上种植植物的生产量应该达到标准允许水平，存活率应超过80%—90%；（3）修复土地被用于农业生产，应给予特别的关注并采用特殊的修复技术，进行风险评价和监测，以确保有毒物质没有通过食物链转移和富集；（4）应恢复原始地貌，如果可能，土地破坏前初始的覆盖土应被用于修复工程；应减少修复土地与邻近地区之间物质流的不平衡；修复过程应尽量减少对野生动物群落包括鸟类、哺乳动物和鱼类的干扰。二、矿区废弃地生态修复规划与结构设计1矿区废弃地生态修复的理论基础1.1限制因子理论生物的生长和发育依赖于各种生态因子的综合作用，其中限制生物生存的因子即是限制性因子。矿区废弃地生态修复土壤中的氮、磷等营养元素是植物生存的限制性因子。1.2生态位理论生态位通常是指生物种群所占据的基本生活单元，是指其生存所必需的或可被利用的各种生态因子关系的集合。在矿区生态系统中，可应用生态位原理进行物种的合理布局，加速植被恢复，充分利用光、气、热、水和肥资源，提高土地生产力，增加经济效益，减少环境污染。1.3食物链理论生态系统中存在许多种生物，它们之间通过食物营养关系相互依存相互制约，并存在单方向的营养和能量传递关系，即食物链。矿区废弃地生态修复时应合理构建食物链，形成稳定的食物网，实现能量的多极利用与物质的再生循环。1.4结构合理、功能协调、共同进化理论生态系统的结构合理可保证功能的正常运转，实现生物与生物、生物与环境之间的协调，实现生态系统的稳定性和可持续性。矿区废弃地生态修复只有遵循这些原则，因地制宜，合理布局与规划，才能提高资源利用率，充分保护环境。1.5效益协调统一理论矿区是一个社会-经济-自然复合生态系统，包括经济再生产和自然再生产过程，具有多种功能和效益。矿区废弃地是一种被极度干扰的新生裸地，不具备正常土壤的基本结构和肥力，在没人为继续破坏的情况下，恢复到原状的生物过程和物理过程将十分缓慢（表7-1）。表7-1新生裸地生态系统的演替进程及时间跨度过程时间/年演替进程生物过程1-50适宜植物种入侵1-50适宜植物种定居1-10植物捕获的细颗粒物质累积1-100植物从土壤矿物质中获得养分的累积1-100生物固氮、大气中输入氮累积1-20有利于土壤有机物积累的植物、动物区系的侵入1-20因植物、土壤动物微生物作用，土壤结构改善、有机质循环1-20土壤结构变化，改善土壤持水能力10-1000有机质累积，土壤毒性减少物理过程1-1000岩石风化和自然沉积的物质积累1-1000风化的土壤矿物质分解1-100土壤有效水分含量改善1-1000土壤矿物养分释放1-10000自表层到深层可移动物质淋溶1-10000形成土壤剖面层2矿区废弃地生态修复规划矿区废弃地生态修复规划包括总体规划、小区规划和工程设计三个方面。总体规划是在小区规划前对修复土地的利用方向及所采取的修复措施等问题做决策分析。小区规划是在遵循总体规划的基础上，对小区域的塌陷地或废弃地提出整治利用措施，是修复工程得以实施的前提。工程设计是在总体规划和小区规划的基础上对主体工程及其配套工程的详细规划和说明。3矿区废弃地生态修复工程的结构设计依据废弃地自身破坏情况及具体生态条件，总结出如下几种生态修复工程的结构设计类型：（1）耕作型结构设计（2）水陆并举型结构设计（3）水养型结构设计（4）乡村综合开发型结构设计（5）水上游乐型结构设计（6）绿化造林型结构设计（7）建设用地型结构设计三、矿区废弃地生态修复的技术体系1土地复垦技术1.1排土场复垦排土场排弃物料中岩石居多，土壤较少，在岩石层上进行农业复垦有一点难度，因而排土场主要适用于林业复垦，少量用于农业复垦或其他用途。排土场复垦工艺的基本要求：①排土场的稳定性不会受到地形、地表水的影响，不会发生泥石流，不会成为二次污染源；②排土场顶部标高应高于露采场附近地带地下水的最高水位1-2m；③排土场表面整治后能适合农业和林业机械的操作；④整平后的排土场用于农业开发时，应覆盖土壤层；用于林业开发时，应用成土母质岩覆盖；⑤堆排土场斜坡进行缓坡工程，以稳定斜坡，适宜种植要求，还宜采取措施防止斜坡的冲刷及顶部沼泽化的出现；⑥修筑通往排土场的专用道路。（1）排土场顶部复垦工艺根据排土工艺和设备的不同，排土场顶部形状有等锥形、连脊形、横向弧形和平坦形（铁路、汽车排土场形成的）四种。从复垦工作量来看，平坦形最小，锥形排土场最大，其次为脊形和弧形排土场。为了防止排土场表面受到水侵蚀，要求平整的复垦场地坡度为：用作农业种植时不宜超过1-2°，坡度在3-5°时应有保护措施；用作牧场或草场时为2-4°；用于林地时适宜的坡度为10°以下，横向坡度不应超过4°。（2）排土场边坡构筑工艺边坡地约占排土场总面积的30％，边坡占地面积随着排土场堆积的废石量的增加相应扩大，对排土场边坡的复垦可预防水和风对排土场的侵蚀。排土场的边坡角与剥离物即废石的自然安息角相近，一般在15-40°范围内（露天金属矿和煤矿实际的排土场边坡角一般为35-45°）。排土场的边坡不宜太陡，边坡角必须减缓，以满足环境的要求及保证再种植需要。（3）排土场覆盖工艺排土场覆盖工艺可分为土壤覆盖工艺和其它物料覆盖工艺。①土壤覆盖工艺土壤覆盖工艺较为简单，与露天覆盖土壤相同。即将采矿剥离后贮存的表土和底土按顺序覆盖于排土场表面，进行土地平整后利用。排土场复垦用于造林时，如有足够的土壤，可在全部场地上覆盖表层土层；若缺少土壤时，可只在植树的坑内施足底肥后覆盖土壤（图7-4）。图7-4铁煤集团复垦阜新海州露天矿复垦②其它物料覆盖工艺所谓其它物料是指在矿区人口集中地的生活垃圾，下水道污泥及其它生产废物。他们是有机肥和某些养分的主要来源，也可能含有重金属及病原体，如未被工业废水大量污染，经适当处理后，不会对农作物产生危害。经过筛选的生活垃圾与人肥、厩肥、工业废渣搅拌在一起，覆盖在复垦场地上，可以认为是良好的“人造土壤层”。有的矿区几乎没有土壤，也可将岩石破碎后覆盖一层“造林砂砾层”，规格由0.1-2毫米、2-10毫米、大于10毫米级配而成，亦可在级配人造上层中掺入垃圾、污泥、尾矿粉、粉煤灰等。这种人造的“造林砂砾层”适宜于植树。“造林砂砾层”中粒级比例可视当地条件（如岩石硬度、掺入量）酌定。砾石、砂和粘土的级配，其规格（毫米）为：砾石﹥1（66％）、粗砂1-0.5（17％）、中砂0.5-0.25（11％）、细砂0.25-0.15（4％）、淤泥0.15-0.002（1％）；及粘土（﹤1％）。2露天矿采场复垦露天矿采场的复垦主要取决于矿床赋存与地形条件，其次与围岩、表土及当地实际需要有关。2.1浅采矿场复垦浅采矿场一般为水平或缓斜赋存，其造地工艺与矿山开采工艺紧密结合，主要工艺为：①采区的合理划分：在采矿场安排两个或两个以上的采区，每个采区沿矿体走向再划分为若干个采场用开采块段，当第一采区开采时，第二采区进行剥离，第二采区剥离时第一采区开采，交替连续进行，剥、采互不干扰，避免二次搬运。②表土储存：采区表层肥沃的土壤是土地复垦时进行再种植成功的关键，因此必须妥善就近储存并与底土分别堆放，防止岩石混入使土质恶化，尽可能作到回填保持原有的土壤结构，以利种植。③回填、覆土：将开采中形成的废岩土回填至采空区，使采矿与废石回填相互配合，尽量使废岩土在采区内解决，避免往返运输，缩短造地周期。2.2倾斜或急倾斜矿床体复垦开采倾斜或急倾斜矿床体的露天矿可采用内排法。其复垦工艺流程是：①将矿体分为若干小矿田，对剥离系数最小的一块矿田进行强化开采，尽快将矿物采出以腾出空间；②将剥离的表土暂时堆弃在该矿田周围边上，再开采另一块矿田并将剥离物填在已腾出空间的采空区上，将其周边的表土覆盖上去并整平。2.3山坡采矿场复垦对于倾斜或急倾斜的坡积矿床，用水力开采或随等高线开挖后，裸露的石坡一般成“石林”状，这类地形的复垦可就地取材修筑梯田，即按等高线堆筑石墙，并尽量与“石林”联结，然后在墙内填尾矿，待尾矿干涸后即成为可供农业或林业用的梯田。其造地工艺具体为：①将表土和底土驳运至场外贮存；②在采空区周围用尾矿砂筑坝；③将水力剥离的泥浆和选矿场排弃的尾矿砂浆用泥浆泵吸取，经过管道直接充填采矿区；④尾矿回填到设计标高后，即在尾砂池四周开沟排水，使泥浆彻底干缩以免大面积下沉，积压疏干后要保持5°以上的坡度，以满足复垦时排灌的要求；⑤在平整后的地面上铺土整平，覆盖土层厚度一般不少于0.4-0.5m，以满足农业或林业种植要求。3煤矿塌陷地复垦对矿区塌陷地可以实行梯次动态复垦，根据采区内煤层赋存情况，合理布置回采工作面，厚薄煤层交替配采，使地表塌陷呈梯次动态变化。煤矿塌陷地复垦技术可分为充填复垦与非充填复垦。3.1充填复垦（1）煤矸石为填充物复垦工艺用煤矸石充填复垦可分为两种情况，即新排矸复垦和预排矸覆田。新排矸石复垦是指不再起新矸石山，将矿井新产生的煤矸石直接排入塌陷坑，推平覆土造地，称为排矸复垦方法。预排矸覆田，是指建井过程中和生产初期，塌陷区未形成前或未终止沉降时，在采区上方，将沉降区域的表土先剥离取出堆放在四周，然后根据地表下沉预计的等值线图预先排放矸石，待塌陷稳定下沉后再覆土造田。其工艺流程如图7-5所示。（2）以粉煤灰为填充物复垦工艺粉煤灰是煤矿塌陷区复垦造田的重要材料来源之一。利用电厂粉煤灰复垦，方法简单、经济、安全。矿区电厂离煤矿距离较近，一般以10-15km之内，利用电厂原有设备和增加所需要的输灰管道，便可将灰水直接充填塌陷区。贮灰场沉积的粉煤灰达到设计标高后停止充灰，将水排净，而后覆土，覆土厚度为10-50cm。利用煤矿塌陷区作贮灰场复垦后的土地可种植各种农作物以及盖厂房、平房等。其工艺流程如图7-6所示。装运矸石建筑或种植充填塌陷区推平压实覆土图7-5煤矸石填充工艺流程矿