黃光明
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.福建省煤田地質(zhì)勘查院,福建 福州 350005)
近年來(lái),對(duì)礦山的環(huán)境問(wèn)題及治理保護(hù)越來(lái)越重視,已有較多針對(duì)礦山環(huán)境問(wèn)題的宏觀研究見(jiàn)諸文獻(xiàn)[1-3],提出了分區(qū)治理方法并論述了生態(tài)恢復(fù)的可行性。福建省也加大了綠色生態(tài)環(huán)境的建設(shè)力度,黃毓明[4]在福建省礦山環(huán)境及區(qū)劃研究中明確指出永安灰?guī)r礦山地質(zhì)環(huán)境為嚴(yán)重區(qū),亟需投入較大的人力物力進(jìn)行治理,以改善當(dāng)?shù)氐V山生態(tài)環(huán)境;程慶展[5 ]、張業(yè)智等[6]、饒如龍等[7]、姜宏汝等[8]分別從機(jī)制、法制、政策、資金保障、技術(shù)等方面對(duì)礦山環(huán)境生態(tài)治理進(jìn)行研究與探討,如實(shí)行相關(guān)制度,對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重的礦山采取閉坑,建立專(zhuān)門(mén)的基金實(shí)施礦山土地復(fù)墾等。
灰?guī)r礦山環(huán)境問(wèn)題現(xiàn)嚴(yán)重影響我國(guó)的生態(tài)環(huán)境,也引起國(guó)家的高度重視,雖然前人已從不同視角取得了一定的研究成果,但灰?guī)r礦山地質(zhì)環(huán)境是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)[9],受區(qū)域地質(zhì)條件、氣候背景、人類(lèi)采礦活動(dòng)強(qiáng)度及開(kāi)采方式、開(kāi)發(fā)程度等多因素影響,表現(xiàn)出不同的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題及特點(diǎn),其治理方式和綜合利用規(guī)劃需經(jīng)具體分析方可擬定。福建省永安市灰?guī)r采區(qū)多位于永安曹遠(yuǎn)一大湖盆地內(nèi),灰?guī)r作為重要的工業(yè)用料,為永安地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了較大的貢獻(xiàn)。與此同時(shí),由于前期粗放式開(kāi)采遺留下較多的廢棄礦坑,引起一系列環(huán)境破壞問(wèn)題。主要的破壞表現(xiàn)為灰?guī)r露采場(chǎng)形成的高陡邊坡呈“鬼剃頭”狀,植被破壞,嚴(yán)重影響地貌景觀,并引起水土流失,也隱藏著崩塌、滑坡的隱患;廢渣棄土不合理占地既浪費(fèi)了土地資源,也成為了泥石流隱患。本文在充分收集研究區(qū)灰?guī)r露采區(qū)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合三明城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目野外調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)情況,針對(duì)所暴露的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題、生態(tài)治理的影響因素、綜合利用措施進(jìn)行研究和討論。
永安市位于福建省中部,地處武夷山脈和戴云山脈之間,屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。受大陸性和海洋性季風(fēng)的影響,區(qū)內(nèi)氣候溫暖潮濕、降水充沛、四季分明,多年平均降水量1 587.6~1 855.2 mm,雨量具有年、季節(jié)的變化,3—9月份降水量占全年的73.51%;其中5—6月份降水量占全年35.11%,7—9月多為臺(tái)風(fēng)降雨,短時(shí)降雨量大且集中,暴雨極易引發(fā)山洪。
區(qū)內(nèi)巖溶現(xiàn)象發(fā)育,巖溶作用以侵蝕-剝蝕作用為主,為中-強(qiáng)巖溶發(fā)育,地貌上為以巖溶洼地、溶蝕殘丘為主的巖溶盆地,巖溶洼地標(biāo)高多在215.0 m左右,溶蝕殘丘山頂標(biāo)高多在320~425 m,地下溶洞呈成層發(fā)育,其中在標(biāo)高200~220 m溶洞發(fā)育較為密集。區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型為碳酸巖巖溶水,據(jù)調(diào)查,水位標(biāo)高多在210.0 m左右,區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面在210.0 m左右。礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為二疊紀(jì)地層和第四紀(jì)地層(見(jiàn)圖1),分述如下:
1)早二疊紀(jì)船山組(P1c):灰、灰白色厚層質(zhì)純微晶灰?guī)r、生物屑灰?guī)r,產(chǎn)狀SE115~120°,<18~25°,厚度220 m。
2)中二疊紀(jì)棲霞組(P2q):深灰-灰黑色中薄層含燧石微晶灰?guī)r、生物屑灰?guī)r,產(chǎn)狀SE125~136°,<20~30°,厚度486 m。
3)中二疊紀(jì)文筆山組(P2w):灰、灰黑色薄-中厚層泥頁(yè)巖、粉砂巖夾少量細(xì)砂巖。
4)第四系紅粘土(Qel):為灰?guī)r風(fēng)化、溶余物,分布廣泛。含有未風(fēng)化完全的灰?guī)r角礫;具大孔隙,厚度0~35 m。
礦區(qū)內(nèi)主要開(kāi)采對(duì)象為溶蝕丘陵體,基本為山坡露天階梯式開(kāi)采,展布標(biāo)高為215.00~401.44 m,其中多數(shù)處于215~225 m和245~250 m兩個(gè)標(biāo)高平臺(tái)處。由于礦山開(kāi)采時(shí)存在著采富棄貧、亂采濫挖的現(xiàn)象,廢棄后遺留下不同高度、坡度的人工切坡、采坑,同時(shí)產(chǎn)生了大量的廢渣,占用了土地,易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,加劇了區(qū)內(nèi)的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題(圖2)。
武強(qiáng)[10]在研究我國(guó)礦山環(huán)境問(wèn)題的性質(zhì)和影響時(shí)將礦山環(huán)境問(wèn)題分為:三廢問(wèn)題、地面變形問(wèn)題、礦山排(突)水和供水與生態(tài)環(huán)保的矛盾問(wèn)題、水土流失和荒漠化(石漠化)等五大類(lèi)。礦山的開(kāi)采開(kāi)發(fā)對(duì)于周邊環(huán)境的影響首先體現(xiàn)為對(duì)巖、土和植被的原始狀態(tài)進(jìn)行了改變,其次對(duì)土地資源造成了破壞(占用)并可能引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)本次野外調(diào)查情況,現(xiàn)將研究區(qū)內(nèi)灰?guī)r礦山環(huán)境問(wèn)題及其誘發(fā)的綜合環(huán)境效應(yīng)劃分為3大類(lèi)(表1),即:占用與破壞土地資源、礦山次生地質(zhì)災(zāi)害以及自然景觀與生態(tài)破壞。
表1 礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題及綜合環(huán)境效應(yīng)分析Table 1 Problems of environmental geology in mines and environmental effects
如表1所示,由于露天無(wú)序開(kāi)采、開(kāi)挖、爆破造成了自然景觀破壞、生態(tài)系統(tǒng)失衡、土地資源占用及破壞、次生地質(zhì)災(zāi)害隱患等諸多環(huán)境問(wèn)題。據(jù)《2014年福建省永安市地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查成果報(bào)告》[11]及本次研究的野外測(cè)繪調(diào)查成果,區(qū)內(nèi)對(duì)土地資源的占用破壞達(dá)97.78 hm2,產(chǎn)生崩塌12處、滑坡2處、泥石流1處、水土流失等,開(kāi)發(fā)區(qū)域水土流失面積約占總水土流失面積的2%,對(duì)周邊的生態(tài)環(huán)境造成了一定的破壞,在土地資源破壞、水土流失、次生地質(zhì)災(zāi)害等方面的問(wèn)題較為嚴(yán)重[4,6]。
灰?guī)r露采礦山與其它類(lèi)型露天礦山引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題存在共性,其生態(tài)修復(fù)治理效果的影響因素都包含礦山邊坡穩(wěn)定、棄土(渣)場(chǎng)穩(wěn)定、采坑治理、環(huán)境污染治理和植被恢復(fù)等多個(gè)方面。但另一方面,灰?guī)r礦山又因其巖性特征而有所區(qū)別,即灰?guī)r礦山在不同的區(qū)域地質(zhì)條件和氣候背景下易產(chǎn)生差異性巖溶溶蝕,這將很大程度上影響到灰?guī)r露采礦山生態(tài)修復(fù)治理的有效性和長(zhǎng)效性。
灰?guī)r的溶蝕速率主要受巖性成分、裂隙發(fā)育情況、水文地質(zhì)條件、氣候條件等因素控制。本次研究礦區(qū)內(nèi)灰?guī)r地球化學(xué)主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分析結(jié)果如表2所示。
表2 研究區(qū)內(nèi)灰?guī)r主要成分Table 2 Main compositions of limestone in the surface mining area
表2中,樣號(hào)與圖1中“采樣點(diǎn)”對(duì)應(yīng),CaO/MgO為影響巖溶發(fā)育的主要巖性成分指標(biāo),研究區(qū)內(nèi)灰?guī)rCaO/MgO比值范圍99.36~204.48,平均值為154.15,據(jù)趙吉發(fā)[12]研究,當(dāng)CaO/MgO值大于10時(shí)其相對(duì)溶解度趨于1,將有利于巖溶發(fā)育,這與該區(qū)域內(nèi)已剝露的灰?guī)r巖溶現(xiàn)象(溶溝、石芽)異常發(fā)育基本吻合(圖2)。在裂隙發(fā)育方面,灰?guī)r礦山的開(kāi)采過(guò)程中對(duì)原始巖體產(chǎn)生了破壞,遺留下破碎的巖面,裂隙發(fā)育,在一定的氣候條件下,有利于巖溶發(fā)育。在水文、氣候方面,區(qū)內(nèi)受亞熱帶季風(fēng)氣候作用,3—9月份降水量占全年的70%,雨量分布不均,在引發(fā)季節(jié)性物理干旱、嚴(yán)重限制成土速率和植被生長(zhǎng)[13]的同時(shí),也造成雨季大強(qiáng)度集中降水對(duì)巖面的劇烈沖刷侵蝕,進(jìn)而引起巖體崩落。另外出于生態(tài)復(fù)綠需要在巖面上覆蓋種植的各類(lèi)植物,其凋零物經(jīng)過(guò)腐化和微生物分解產(chǎn)生有機(jī)酸和CO2,酸性物質(zhì)同雨水結(jié)合后滲入巖石裂隙中,進(jìn)行緩慢溶蝕,受損巖面在應(yīng)力-水流-化學(xué)的耦合作用下更加容易產(chǎn)生溶蝕和力學(xué)性質(zhì)變化[14]。因而在治理時(shí)尤其需要考慮灰?guī)r可溶性這一特性,巖溶的發(fā)育將嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性及治理的長(zhǎng)效性。
由于區(qū)內(nèi)灰?guī)r主要成分為CaO,能夠引起環(huán)境污染的重金屬及其他有害物含量極低(表2),故灰?guī)r礦山棄土(石)場(chǎng)不存在重金屬污染等問(wèn)題,但對(duì)土地資源的大量占用、浪費(fèi)仍然需要予以重視,在綜合治理及應(yīng)用中需要重視的是生態(tài)修復(fù)有效性及綜合利用的風(fēng)險(xiǎn)控制。場(chǎng)內(nèi)棄土與灰?guī)r碎石混合,平整度差,自然狀態(tài)下成土率低,植被覆蓋有限,在強(qiáng)度變化較大的雨水沖刷下,極易產(chǎn)生嚴(yán)重水土流失,從而引發(fā)荒漠化問(wèn)題。因而在進(jìn)行場(chǎng)地修復(fù)時(shí),除進(jìn)行必要的平整處理、工程穩(wěn)定處理外,還應(yīng)重視客土回填厚度把握和植被引種的選取,以保證植物的成活率和固土有效性。
依據(jù)前文的討論,研究區(qū)灰?guī)r礦山環(huán)境治理應(yīng)綜合考慮灰?guī)r在一定的氣候下有溶蝕的作用特殊性,采用分區(qū)治理模式[2],將治理的有效性、長(zhǎng)效性相結(jié)合,將礦石開(kāi)采對(duì)地質(zhì)環(huán)境所造成的影響降到最低。在進(jìn)行礦山生態(tài)環(huán)境治理時(shí),各方應(yīng)結(jié)合礦山工程地質(zhì)條件,并在《環(huán)境保護(hù)法》《礦產(chǎn)資源法》《福建省礦山環(huán)境保護(hù)管理?xiàng)l例》《水土保護(hù)法》《地質(zhì)災(zāi)害防治管理辦法》等法律、法規(guī)框架下開(kāi)展設(shè)計(jì)施工,進(jìn)行邊坡穩(wěn)定支護(hù)、土地復(fù)墾、地貌景觀改善、廢棄礦山綜合利用等[15]。
區(qū)內(nèi)灰?guī)r礦山宕口邊坡含基巖、土質(zhì)、土巖混合邊坡(圖2)3類(lèi),各類(lèi)邊坡性質(zhì)差異較大,邊坡治理應(yīng)按不同類(lèi)型區(qū)別對(duì)待。
針對(duì)巖質(zhì)邊坡,治理措施為:(1)處理邊坡上的危巖。要詳細(xì)調(diào)查巖層傾向、傾角、裂隙發(fā)育情況、邊坡形態(tài)等影響穩(wěn)定性的要素,并進(jìn)行穩(wěn)定性分析,及時(shí)清除露采坡面的危石,防止發(fā)生巖塊崩落、滾落等崩塌地質(zhì)災(zāi)害;(2)在邊坡的上方修建截排水溝,防止水流強(qiáng)烈沖刷邊坡。(3)施工SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。由于當(dāng)?shù)貧夂蛴绊憛^(qū)內(nèi)有利巖溶作用,受降雨及植物腐植酸影響,溶蝕作用強(qiáng)烈,采場(chǎng)巖面不可避免地產(chǎn)生落石,建議采用SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行治理。SNS柔性防護(hù)網(wǎng)通過(guò)局部錨固,形成柵欄式的攔石網(wǎng),此種防護(hù)網(wǎng)允許落石在相對(duì)限制空間內(nèi)順坡滾落至坡腳或坡上平臺(tái)[16],能夠有效攔截因長(zhǎng)期巖溶作用而形成的滾石,保證邊坡穩(wěn)定的長(zhǎng)效性。圖3是SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)及植被混凝土復(fù)綠邊坡示意圖。(4)噴植被混凝土進(jìn)行坡體綠化,以復(fù)綠采場(chǎng)邊坡。植被混凝土施工技術(shù)要點(diǎn):將植被混凝土原料噴射到巖石坡面,厚度控制在8~10 cm。噴射完畢后,覆蓋紡布防曬保墑,經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)可在坡面形成植被覆蓋[17-19]。
土質(zhì)邊坡、土巖混合邊坡的支擋工程措施包括擋墻、抗滑樁、錨索框架(地梁)等。區(qū)內(nèi)該類(lèi)邊坡宜采用下部擋墻、上部錨索框架格構(gòu),在保證邊坡穩(wěn)定的同時(shí)也對(duì)恢復(fù)植被及美化環(huán)境有利。具體恢復(fù)治理措施為:(1)對(duì)邊坡進(jìn)行修整;(2)下部施工擋土墻,高度6~8 m,上部施工錨索框架格構(gòu);(3)在邊坡的上方修建截排水溝,防止沖刷邊坡;(4)對(duì)邊坡進(jìn)行坡體綠化,混種草、灌木,灌木為胡枝子、多花木藍(lán)等植物,以防止表土溜滑、地表水入滲及沖刷邊坡,平臺(tái)施種馬尾松以復(fù)綠采場(chǎng)。
區(qū)內(nèi)土地資源框架為“八山一水一分田”,土地資源捉襟見(jiàn)肘。目前當(dāng)?shù)卣趯?shí)施三明生態(tài)工貿(mào)區(qū)永安貢川園建設(shè),用地更為緊張。對(duì)于已廢棄的采場(chǎng)及棄渣堆場(chǎng)建議按不同標(biāo)高段215~225 m、245~250 m分別進(jìn)行利用。
針對(duì)標(biāo)高215~225 m的采場(chǎng),依照政策對(duì)區(qū)內(nèi)采場(chǎng)及棄渣堆場(chǎng)的無(wú)證、有證礦山進(jìn)行了關(guān)停閉坑,并不再續(xù)期。關(guān)閉后的采場(chǎng)及堆場(chǎng)可考慮作為建設(shè)用地,以避免與耕地競(jìng)爭(zhēng)。為更好地解決礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理資金來(lái)源,更好地實(shí)現(xiàn)土地資源利用,可嘗試建立“誰(shuí)治理、誰(shuí)受益”的治理制度,達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的互利互贏。
針對(duì)245~250 m的采場(chǎng)及棄渣堆場(chǎng),宜采用土地復(fù)墾進(jìn)行恢復(fù)治理,治理目標(biāo)為林地,可選擇植草、灌木、喬木的立體植被模式[20],樹(shù)種為馬尾松,灌木為胡枝子[21]。具體有如下4條恢復(fù)措施。(1)平整場(chǎng)地。對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行適當(dāng)平整,坡度≤5°。(2)修建截排水溝。在堆場(chǎng)的四周和采場(chǎng)內(nèi)側(cè)(采場(chǎng)邊坡的下側(cè))分別修建排水溝,防止沖刷造成水土流失。(3)覆土。覆土整平,達(dá)到恢復(fù)土地植種的功能,按照喬木(馬尾松) 覆土標(biāo)準(zhǔn)0.60 m進(jìn)行覆土,并施基肥。(4)生物措施。按草、灌木、喬木的立體植被模式進(jìn)行種植(圖4)。
灰?guī)r露采礦山在不同的區(qū)域地質(zhì)條件和氣候背景下產(chǎn)生不同強(qiáng)度的巖溶溶蝕作用,尤其在亞熱帶降雨充沛區(qū)域內(nèi),氣候極有利于灰?guī)r礦山的巖溶作用,易使灰?guī)r開(kāi)采邊坡在巖溶溶蝕下失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌掉塊隱患,并在很大程度上影響灰?guī)r露采礦山地質(zhì)環(huán)境治理的有效性和長(zhǎng)效性。由于礦山環(huán)境是一開(kāi)放的系統(tǒng),灰?guī)r礦山地質(zhì)環(huán)境治理因地制夷是關(guān)鍵,并把當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和土地綜合開(kāi)發(fā)利用需求作為礦山生態(tài)治理的重點(diǎn)目標(biāo)。福建處于亞熱帶降雨充沛區(qū),省內(nèi)其它地區(qū)的露采灰?guī)r礦山可參照此模式進(jìn)行治理,使礦山開(kāi)采活動(dòng)破壞和影響的地質(zhì)環(huán)境得到治理,破壞和壓占的土地資源得到恢復(fù),更長(zhǎng)效性地消除地質(zhì)災(zāi)害隱患和恢復(fù)美麗生態(tài)環(huán)境。
此外,由于區(qū)內(nèi)降雨充沛,地表徑流相對(duì)穩(wěn)定,構(gòu)造斷裂發(fā)育,溶蝕作用強(qiáng)烈,建議選擇適當(dāng)區(qū)域建立灰?guī)r礦山生態(tài)恢復(fù)治理實(shí)驗(yàn)室,將裸露的未治理區(qū)和已治理區(qū)進(jìn)行綜合對(duì)比,采集相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)治理措施進(jìn)行實(shí)效性評(píng)價(jià),并指導(dǎo)其它區(qū)域類(lèi)似礦山的治理。
本文結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)資料和野外調(diào)查、采樣試驗(yàn)分析成果,探討了永安灰?guī)r露采區(qū)礦山環(huán)境破壞問(wèn)題、治理措施的有效性和長(zhǎng)效性,得到以下結(jié)論:
1)區(qū)內(nèi)存在的灰?guī)r礦山環(huán)境問(wèn)題及其環(huán)境效應(yīng)主要有3大類(lèi):占用與破壞土地資源、礦山次生地質(zhì)災(zāi)害以及自然景觀與生態(tài)破壞,其中在土地資源破壞、水土流失、次生地質(zhì)災(zāi)害等方面的問(wèn)題較為嚴(yán)重。
2)區(qū)內(nèi)灰?guī)r礦山露采區(qū)受巖性成分、裂隙發(fā)育情況、水文地質(zhì)條件、氣候條件等因素控制,巖溶作用強(qiáng)烈,持續(xù)造成邊坡不穩(wěn)、水土流失以及荒漠化等問(wèn)題,嚴(yán)重影響治理長(zhǎng)效性,因而在綜合治理時(shí)應(yīng)著重將有效性和長(zhǎng)效性緊密結(jié)合。
3)針對(duì)不同的邊坡類(lèi)型采取相應(yīng)的治理措施:巖質(zhì)邊坡采用SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和植被混凝土進(jìn)行坡體綠化,土質(zhì)邊坡、土巖混合邊坡采用下部擋墻、上部錨索框架格構(gòu),在美化環(huán)境的同時(shí)保證邊坡穩(wěn)定。
4)對(duì)已廢棄的采場(chǎng)和棄渣堆場(chǎng)應(yīng)依據(jù)政策導(dǎo)向、標(biāo)高條件及土地資源需求進(jìn)行綜合利用。高程較低(215~225 m)的采場(chǎng)可開(kāi)發(fā)為建設(shè)用地,高程較高(245~250 m)的采場(chǎng)可經(jīng)過(guò)平整、截排水溝修建、覆土和生物綠化后恢復(fù)為林地。選取適當(dāng)區(qū)域建立實(shí)驗(yàn)室,加強(qiáng)對(duì)生態(tài)修復(fù)綜合治理及地下水巖溶作用的研究,為礦山生態(tài)修復(fù)治理、綜合利用規(guī)劃及城市建設(shè)提供依據(jù)。
5)在亞熱帶降雨充沛區(qū)域的露采灰?guī)r礦山,應(yīng)充分考慮灰?guī)r可溶性對(duì)灰?guī)r邊坡穩(wěn)定性影響,采用分區(qū)治理模式,并根據(jù)礦山的實(shí)際情況因地制夷進(jìn)行地質(zhì)生態(tài)綜合治理,實(shí)現(xiàn)灰?guī)r露采礦山生態(tài)綜合治理與當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和土地綜合開(kāi)發(fā)利用相適應(yīng)。
致謝:感謝三明城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目組成員參加野外調(diào)查及資料整理,同時(shí)感謝永安市國(guó)土資源局的工作人員在此工作中給予的協(xié)助。
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