全 強(qiáng)，孫立新，成格爾，李 龍

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

隨著對(duì)礦產(chǎn)資源不斷的開采利用，引發(fā)了生態(tài)破壞、環(huán)境污染、生存危機(jī)等一系列生態(tài)問題與社會(huì)問題，其中，人與自然環(huán)境之間的矛盾日益尖銳。在自然條件下，礦山生態(tài)恢復(fù)至少需要百年以上的時(shí)間[1-2]，因此，礦山的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理迫在眉睫，廢棄礦山的生態(tài)治理恢復(fù)尤為突出[3-4]。

光伏發(fā)電具有清潔、永續(xù)的優(yōu)勢(shì)，其原理是光生伏特效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能[5-6]。目前已有學(xué)者針對(duì)光伏加設(shè)對(duì)周邊植被生長(zhǎng)的擾動(dòng)研究，研究結(jié)果表明布置光伏陣列的土地植物種類多樣性表現(xiàn)為：未遮蔭>遮蔭>周邊。這主要是因?yàn)楣夥逭谑a，減少了水分蒸發(fā)[7]，同時(shí)減弱了強(qiáng)風(fēng)對(duì)地表的侵蝕，增加了地表粗糙度，為植被提供了更好的生長(zhǎng)環(huán)境[8-9]，“光伏+生態(tài)治理”模式即在生態(tài)治理的同時(shí)，配合光伏發(fā)電，以達(dá)到綠色生態(tài)與清潔能源產(chǎn)業(yè)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“光-林-草-農(nóng)”四位一體化發(fā)展[10]。

本文以內(nèi)蒙古林西縣關(guān)溝廢棄礦山為例，以“山水林田湖草沙是一個(gè)生命共同體”為指導(dǎo)理念，本著堅(jiān)持保護(hù)優(yōu)先、合理利用，堅(jiān)持科學(xué)規(guī)劃、合理布局，堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求起步，堅(jiān)持立足當(dāng)前、穩(wěn)步推進(jìn)等四個(gè)基本原則，采用“光伏+生態(tài)修復(fù)”治理模式，對(duì)廢棄礦山進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。

1 研究對(duì)象

關(guān)溝廢棄礦山位于內(nèi)蒙古林西縣縣城西北方向14.7 km處，行政區(qū)劃隸屬林西縣官地鎮(zhèn)，早期為林西縣關(guān)溝含鐵砂石礦，現(xiàn)已廢棄，本文廢棄礦山治理區(qū)總面積約16.67 km2，其中，廢棄礦山9.58 km2，其余為荒地，零星分布草本、灌木等植被。礦區(qū)地處大興安嶺南段山地與燕山山脈交匯處，總體地勢(shì)西北高、東南低，海拔高度700～1 000 m，相對(duì)高差200～300 m。區(qū)內(nèi)出露地層主要有古生界二疊系及新生界第四系地層，侵入巖有早三疊世中細(xì)粒斑狀花崗閃長(zhǎng)巖、晚侏羅世細(xì)粒斑狀黑云母二長(zhǎng)花崗巖、晚侏羅世微細(xì)粒斑狀黑云母二長(zhǎng)花崗、早白堊世細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖及早白堊世中粒斑狀二長(zhǎng)花崗巖。地下水含水層類型單一，主要為第四系松散巖類孔隙水含水層。礦區(qū)屬于中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，四季分明，春季少雨而干旱，夏季炎熱而短促，降水集中，秋季晝夜溫差變化大，日照充足，冬季寒冷干燥，降水稀少。多年平均日照時(shí)數(shù)為2 950.5 h，無霜期105～138 d，多年平均風(fēng)速3.1 m/s，主要集中在春、冬兩季。

礦山地質(zhì)環(huán)境問題及生態(tài)修復(fù)主要為礦山地質(zhì)環(huán)境問題分析、地質(zhì)災(zāi)害治理與生態(tài)環(huán)境修復(fù)三方面，修復(fù)治理技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 廢棄礦山生態(tài)修復(fù)治理技術(shù)流程圖Fig.1 Technical flow chart of ecological restoration and treatment of abandoned mine

2 礦山主要地質(zhì)環(huán)境問題

關(guān)溝廢棄礦山主要地質(zhì)環(huán)境問題為礦山地質(zhì)災(zāi)害、地形地貌破壞、土地資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等四方面。

2.1 礦山地質(zhì)災(zāi)害

礦區(qū)內(nèi)共有29處露天采場(chǎng)，露天采場(chǎng)部分存在高陡邊坡，邊坡高度為4～20 m，個(gè)別高達(dá)30 m，邊坡坡度平均約85°，局部近乎直立；有22處廢砂堆，為露天采場(chǎng)剝離篩選后產(chǎn)生的砂石堆積形成，堆高為1～32 m，堆積坡度28°～39°；有4處尾礦砂堆，主要為采礦形成的廢砂堆積形成，尾礦砂堆形態(tài)規(guī)模大小不一，堆高為3～18 m，坡度30°～45°；有2處表土存儲(chǔ)場(chǎng)，為前期剝離的碎石土堆積形成，堆高為5～12 m，堆積坡度30°～40°，礦區(qū)圖斑示意圖及現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

關(guān)溝礦山露天開采對(duì)山體外部的直接破壞造成其地質(zhì)的不穩(wěn)定性，從而易發(fā)生山體滑坡，甚至是山體崩塌，不論何種情況的發(fā)生，都會(huì)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)造成極大的破環(huán)[11-12]。如遇暴雨、大風(fēng)等極端氣象條件，易產(chǎn)生泥石流等自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，威脅周邊居民財(cái)產(chǎn)及生命安全。

2.2 地形地貌破壞

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及歷史遙感影像分析(圖2)，關(guān)溝礦山開采前為低山丘陵地貌，地勢(shì)較為平坦，地勢(shì)自西北向東南傾斜，西北部最高海拔978 m，東南部最低海拔812 m，境內(nèi)分布有喬木、灌木及草本等原生植被。由于關(guān)溝礦山礦體本身露出于地表，采用露天開采，對(duì)地形地貌產(chǎn)生巨大的變化，開采產(chǎn)生的廢砂堆、尾礦砂堆及表土存場(chǎng)對(duì)地形地貌有很大影響[13]。廢棄后也未對(duì)礦區(qū)進(jìn)行合理有效的地形地貌修復(fù)，礦區(qū)內(nèi)植被遭到嚴(yán)重破壞，地形起伏不平，裸露的沙石巖土，高聳陡立的砂堆隨處可見，廢棄的工業(yè)場(chǎng)地有15處，與周圍地形地貌景觀不協(xié)調(diào)，嚴(yán)重影響地形地貌景觀。

2.3 土地資源浪費(fèi)

礦山廢棄后，礦區(qū)內(nèi)大面積工業(yè)場(chǎng)地隨之閑置，開采遺留的露天采場(chǎng)、廢砂堆等近9.58 km2土地被荒廢。其中，露天采場(chǎng)均勻分布于礦區(qū)各個(gè)位置，占地面積5 612 751.51 m2，占比58.60%；廢砂堆與露天采場(chǎng)相鄰堆置，占地2 937 276.40 m2，占比30.67%；尾礦砂堆數(shù)量較少，東部礦區(qū)2個(gè)，中部礦區(qū)、西部礦區(qū)各1個(gè)，占地384 726.50 m2，占比4.01%；表土存場(chǎng)零星分布于礦區(qū)，占地20 310.40 m2，占比0.21%；工業(yè)場(chǎng)地主要分布于東部礦區(qū)，占地623 036.80 m2，占比6.50%。 根據(jù)第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查進(jìn)行地類分析，廢棄礦山治理區(qū)總面積約16.67 km2，主要分布有沙地、低覆蓋度草地與旱地等，其中，沙地占41.58%，低覆蓋度草地占30.92%，廢棄礦山造成土地資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，各地類面積見表1。

2.4 環(huán)境污染

礦區(qū)內(nèi)堆積存放的固體廢棄物對(duì)空氣、土壤及水資源造成很大影響。關(guān)溝廢棄礦山位于中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，春季多風(fēng)，易形成揚(yáng)沙，甚至形成沙塵暴[14-15]。 冬季氣溫在0 ℃以下，易出現(xiàn)靜穩(wěn)天氣，表現(xiàn)出顯著的逆溫現(xiàn)象，當(dāng)?shù)V區(qū)出現(xiàn)逆溫層時(shí)，粉塵在空氣中濃度升高，造成空氣污染[16]。同時(shí)，雨水經(jīng)過廢砂堆、尾礦砂堆等的浸潤(rùn)淋濾，存在含鉛(Pb)、銅(Cu)、鉻(Cr)等金屬離子的酸性水污染土壤及水資源的風(fēng)險(xiǎn)。一部分雨水匯聚在礦區(qū)低洼處，滲入地下土壤，隨時(shí)間推移，滲入地下水中，對(duì)土壤及地下水資源均造成污染[17-18]；另一部分形成地表徑流，最終匯入查干木倫河，造成地表水污染。

表1 關(guān)溝廢棄礦山土地類型統(tǒng)計(jì)Table 1 Land type statistics of Guangou Abandoned Mine

3 廢棄礦山生態(tài)修復(fù)治理方案

3.1 總體修復(fù)治理方案

為牢固樹立“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)理念，貫徹落實(shí)“守護(hù)好祖國(guó)北疆這道亮麗風(fēng)景線”的責(zé)任與使命，關(guān)溝廢棄礦山生態(tài)修復(fù)應(yīng)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌規(guī)劃，全面布局。對(duì)于現(xiàn)存礦山地質(zhì)災(zāi)害問題，通過地質(zhì)災(zāi)害治理工程進(jìn)行修復(fù)；關(guān)于地形地貌破壞、土地資源浪費(fèi)及環(huán)境污染等問題，通過生態(tài)修復(fù)工程實(shí)現(xiàn)防風(fēng)降塵固沙、金屬污染物去除[19]、地貌植被恢復(fù)、“光-林-草-農(nóng)”四位一體化發(fā)展。

關(guān)溝廢棄礦山生態(tài)修復(fù)工程堅(jiān)持預(yù)防、治理、利用有機(jī)結(jié)合，實(shí)行多種防治措施，加強(qiáng)綜合治理，推進(jìn)礦山修復(fù)重點(diǎn)工程，實(shí)行灌草結(jié)合，生物措施與非生物措施結(jié)合，實(shí)施人工造林、封山育林育草和工程固沙等措施，在外圍、沿道路作為重點(diǎn)防護(hù)區(qū)，著力構(gòu)建生態(tài)安全屏障。 以修復(fù)受損生態(tài)系統(tǒng)，改善生態(tài)環(huán)境為目標(biāo)，生態(tài)修復(fù)、防護(hù)體系建設(shè)兼顧農(nóng)林生產(chǎn)。

3.2 礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程

關(guān)溝廢棄礦山地質(zhì)災(zāi)害涉及范圍廣，安全隱患大。根據(jù)實(shí)地調(diào)查勘測(cè)，在安全穩(wěn)定的原則下，提出以下地質(zhì)災(zāi)害治理方案。

①露天采場(chǎng)削坡采用一坡到底式，削坡后邊坡坡度為30°，由于部分采場(chǎng)邊坡周邊原生植被較好或栽植有灌木，其削坡坡度可為35°或40°。將坡面危巖體進(jìn)行清除，對(duì)場(chǎng)地回填整平，選用表土存場(chǎng)土壤進(jìn)行覆土，厚度為0.15 m；②將部分較小廢砂堆與尾礦砂堆清運(yùn)處理，剩余的進(jìn)行邊坡修整，以消除隱患，美化地貌，同時(shí)頂部進(jìn)行整平翻耕，厚度為0.3 m；③將儲(chǔ)存表土徹底清運(yùn)，但不得破壞地表原土體，其中部分可用于采場(chǎng)覆土；④工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)廢棄建筑進(jìn)行拆除，部分存在陡坡的場(chǎng)地，進(jìn)行削坡處理，削坡坡度為30°。

通過恢復(fù)治理區(qū)被壓占土地的基本功能，使遺留下的礦山地質(zhì)環(huán)境問題得到妥善解決，為生態(tài)修復(fù)治理工作提供基礎(chǔ)保障。

3.3 礦山生態(tài)修復(fù)工程

生態(tài)修復(fù)工程按照促進(jìn)生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀的總體要求，以維護(hù)地區(qū)生態(tài)安全、改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為基本著力點(diǎn)，從生態(tài)系統(tǒng)整體性、關(guān)聯(lián)性、協(xié)同性出發(fā)，推動(dòng)生態(tài)保護(hù)從單要素、單環(huán)節(jié)向“優(yōu)化結(jié)構(gòu)、調(diào)控過程、確保功能、提升質(zhì)量”的綜合管理方式轉(zhuǎn)變。堅(jiān)持保護(hù)優(yōu)先、生態(tài)修復(fù)為主，推進(jìn)重點(diǎn)位置生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)，構(gòu)建生物多樣性保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，全面提升各功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生態(tài)服務(wù)功能。

根據(jù)關(guān)溝廢棄礦山的地形狀況、資源分布等特點(diǎn)，綜合考慮生態(tài)修復(fù)、防沙固土的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)功能以及“光伏+生態(tài)修復(fù)”治理模式，本文生態(tài)修復(fù)主要實(shí)現(xiàn)兩大功能，即生態(tài)修復(fù)保護(hù)和生態(tài)修復(fù)利用。

治理區(qū)空間區(qū)劃整體呈現(xiàn)“一環(huán)兩軸五區(qū)”格局。“一環(huán)”是圍繞核心治理區(qū)外圍建設(shè)防沙治沙固土防護(hù)林帶；“兩軸”分別是貫穿治理區(qū)南北方向和東西方向的生態(tài)景觀道路；“五區(qū)”是治理區(qū)分劃的五個(gè)主體功能區(qū)，分別為沙生灌木林區(qū)、光伏+灌木經(jīng)濟(jì)林區(qū)、光伏+牧草種植區(qū)、地道藥材種植區(qū)、植被恢復(fù)區(qū)(圖3)。

圖3 治理區(qū)功能分區(qū)圖Fig.3 Functional zoning map of governance area

1) 外圍防護(hù)林帶。防護(hù)林帶沿核心治理區(qū)外圍邊界布設(shè)，林帶長(zhǎng)度為15 825.4 m。以防風(fēng)固沙功能為主要目的，選擇當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土樹種檸條錦雞兒、黃柳、花棒等進(jìn)行防護(hù)林帶配置，同時(shí)配合節(jié)水灌溉措施，營(yíng)建一條沙生灌木防護(hù)性林帶。

2) 沙生灌木林區(qū)。根據(jù)國(guó)家氣象信息中心數(shù)據(jù)，林西縣春、冬兩季風(fēng)速最大，主要為西北風(fēng)，為保障治理區(qū)內(nèi)其他功能區(qū)免受風(fēng)沙活動(dòng)危害，又不影響光伏發(fā)電設(shè)備正常運(yùn)行，在治理區(qū)北側(cè)建立沙生灌木林區(qū)。篩選當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)灌木樹種搭配牧草(披堿草、蒙古冰草)，體現(xiàn)沙地優(yōu)勢(shì)種子庫資源，兼顧防風(fēng)治沙固土效益，按照植物種類劃分為三個(gè)單元，自東到西分別為花棒單元、檸條錦雞兒?jiǎn)卧?、黃柳單元，生態(tài)修復(fù)保護(hù)面積為4.79 km2。

3) 光伏+灌木經(jīng)濟(jì)林區(qū)。治理區(qū)中部風(fēng)活動(dòng)較弱，采取“光伏+生態(tài)治理”模式。灌木經(jīng)濟(jì)林區(qū)位于治理區(qū)東南部，以防風(fēng)治沙固土、經(jīng)濟(jì)灌木種植與光伏發(fā)電為目的，共計(jì)3.12 km2。功能區(qū)內(nèi)自東至西依次種植歐李、沙棘、山杏三種植物單元，光伏電板下以撒播草籽、植被恢復(fù)為主，既能起到防風(fēng)固土作用，保障光伏設(shè)備正常運(yùn)行，同時(shí)可以帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

4) 光伏+牧草種植區(qū)。牧草種植位于治理區(qū)西南部，同樣采取“光伏+生態(tài)治理”模式，面積1.78 km2。牧草種植為紫花苜蓿與沙打旺交錯(cuò)種植，第一茬刈割在牧草始花期之后35～40 d，每年可刈割3～4次，通常4 kg鮮草曬制l kg干草，留茬高度以5 cm為宜。

5) 地道藥材種植區(qū)。林西縣是典型的農(nóng)牧交錯(cuò)地帶，也是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)縣，在特色產(chǎn)業(yè)加速推進(jìn)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的背景下，中藥材產(chǎn)業(yè)在林西縣“十三五”規(guī)劃中被定位為農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)，礦山生態(tài)修復(fù)治理規(guī)劃地道藥材種植區(qū)，展示了特色農(nóng)業(yè)種植，豐富了治理區(qū)景觀設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了地方優(yōu)勢(shì)種植業(yè)資源。地道藥材種植區(qū)位于治理區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)較弱的中部，選取地勢(shì)平坦地塊133 333.4 m2(200畝(1)1畝=666.67 m2)，分為甘草、麻黃、防風(fēng)三個(gè)種植單元，既能起到防風(fēng)固沙、恢復(fù)植被的作用，也能提升區(qū)域經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)興旺，助力鄉(xiāng)村振興。

6) 植被恢復(fù)區(qū)。植被恢復(fù)區(qū)位于各主體功能區(qū)與防護(hù)林帶之間，主要發(fā)揮防風(fēng)固土效益，恢復(fù)面積6.85 km2。由于廢棄礦山自身存在的沙化土地及礦山地質(zhì)災(zāi)害治理與主體功能區(qū)治理過程中產(chǎn)生的裸沙地段，為風(fēng)蝕坑的形成提供了有利條件，因此需對(duì)區(qū)間進(jìn)行植被恢復(fù)，以有效防止風(fēng)蝕坑的形成。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，礦區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)有天然禾本科草本植物，因此采用披堿草與冰草1∶1混合撒播的模式進(jìn)行植被恢復(fù)，能夠保障項(xiàng)目區(qū)草本植被蓋度，和其他各主體功能區(qū)形成灌草綜合防治系統(tǒng)。

7) 生態(tài)景觀道路防護(hù)林。治理區(qū)內(nèi)生態(tài)景觀道路呈“十字”交叉，全長(zhǎng)8 489.0 m。沿道路兩側(cè)呈“品”字形栽植兩行灌木，選植小葉錦雞兒、花棒與沙柳等生命力強(qiáng)，耐干旱的沙生灌木，主要發(fā)揮道路防護(hù)與景觀美化功能。

3.4 效益分析

關(guān)溝廢棄礦山“光伏+生態(tài)修復(fù)”治理中光伏陣列布置區(qū)總面積為4.90 km2(灌木經(jīng)濟(jì)區(qū)與牧草種植區(qū))，在不影響生態(tài)修復(fù)和植被生長(zhǎng)的前提下，可排布容量為100 MW的光伏發(fā)電設(shè)備，年發(fā)電量約為1.49億kW·h，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4.73萬t，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值4.12億元。作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值759.64萬元，其中，灌木經(jīng)濟(jì)區(qū)產(chǎn)值520.16萬元，優(yōu)質(zhì)牧草產(chǎn)值159.96萬元，地道藥材產(chǎn)值79.52萬元。

依靠“光伏+生態(tài)治理”模式，統(tǒng)籌礦山生態(tài)的保護(hù)與利用，科學(xué)布局主體功能區(qū)，與沒有植被的空曠地帶相比，治理區(qū)內(nèi)風(fēng)速可降低19%～85%，降水節(jié)流可達(dá)50%，降水對(duì)地表的沖刷減少77%，徑流中含沙量減少了70.3%。對(duì)防止水土流失，避免土壤風(fēng)蝕與土地荒漠化發(fā)揮了關(guān)鍵作用，遏制關(guān)溝廢棄礦山進(jìn)一步沙化、退化的進(jìn)程，有效控制了局部生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢(shì)。

通過探索形成廢棄礦山的“光伏+生態(tài)修復(fù)”治理模式，為當(dāng)?shù)卦黾泳蜆I(yè)崗位，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，真正實(shí)現(xiàn)生態(tài)、生產(chǎn)、生活有效結(jié)合，達(dá)到穩(wěn)定發(fā)展、長(zhǎng)期收益的目的。

4 結(jié) 語

林西縣是我國(guó)北疆的重要縣域，礦產(chǎn)資源不斷開采后，遺留的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境破壞等問題長(zhǎng)期積累，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，影響了人與自然的和諧發(fā)展，亟需全面有效開展廢棄礦山生態(tài)修復(fù)治理工作。本文通過對(duì)關(guān)溝廢棄礦山地質(zhì)災(zāi)害分析，提出有效適宜的地質(zhì)災(zāi)害治理方案；生態(tài)修復(fù)采取“一環(huán)兩軸五區(qū)”空間格局，通過“光伏+生態(tài)修復(fù)”的治理模式，生產(chǎn)輔助生態(tài)，恢復(fù)林草植被，提高廢棄礦山生態(tài)系統(tǒng)功能，發(fā)展綠色清潔能源產(chǎn)業(yè)和農(nóng)林產(chǎn)業(yè)，改善地區(qū)人民群眾生產(chǎn)生活條件。促進(jìn)生態(tài)、生產(chǎn)與生活的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)“綠水青山就是金山銀山”。