劉訓(xùn)良,侯秋麗
(北京市礦產(chǎn)地質(zhì)研究所,北京 101500)
北京市礦產(chǎn)資源豐富,種類齊全,礦產(chǎn)資源的開發(fā)能夠帶來巨大的物質(zhì)財(cái)富,但在開發(fā)利用過程中會(huì)造成一系列的生態(tài)環(huán)境破壞,制約著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展(賈曉青等,2013;張進(jìn)德等,2020;胡振琪等,2012;韓寶富等,2021)。在開發(fā)礦產(chǎn)資源的過程中,長期高強(qiáng)度的開采活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成了不同程度的破壞,如:露天開采遺留的裸露巖壁、礦坑、廢渣堆和尾礦庫等問題(李玉倩等,2021);井工開采出現(xiàn)的地面塌陷、地裂縫、地下采礦誘發(fā)地震和破壞地下含水層等問題(王利群,2015;武強(qiáng),2003)。
礦山生態(tài)修復(fù)是指將采礦破壞的生態(tài)環(huán)境利用生態(tài)修復(fù)、人工修復(fù)相結(jié)合的方法,因地制宜地使礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)到與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的行動(dòng)和過程(董瑩等,2021;李曉艷等,2021;Bradshaw,1997)。北京市密云區(qū)東邵渠鎮(zhèn)大石門村老爺廟廢棄礦山屬于石灰?guī)r礦山,1979年開始開采,2000年關(guān)閉,開采方式為露天開采,開采規(guī)模為8000 t·a-1。該礦區(qū)經(jīng)過長期粗放露天開采,毀壞了原生的植被,破壞了山體結(jié)構(gòu),造成一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問題,改變原有地形地貌景觀,使之與周邊環(huán)境極不協(xié)調(diào),影響景觀和視覺,該類礦山環(huán)境問題亟待解決。因此,本文在查明礦區(qū)主要地質(zhì)環(huán)境問題的基礎(chǔ)上,采取相應(yīng)措施進(jìn)行礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理,不僅對(duì)礦山環(huán)境修復(fù)治理具有重要實(shí)際意義,而且能為類似礦山的生態(tài)修復(fù)提供借鑒和指導(dǎo)。
密云區(qū)東邵渠鎮(zhèn)大石門村石灰?guī)r礦區(qū)位于密云區(qū)東邵渠鎮(zhèn)大石門村老爺廟北520 m(圖1),東西長90 m,南北長290 m,面積約2.2 hm2。該區(qū)降雨主要集中在夏季,降雨量504.5 mm,占全年降雨量的76%,且在地形影響下,多局部暴雨,山地易受洪水沖淤(賈芳等,2016)。無地表徑流經(jīng)過。礦區(qū)位于低山丘陵區(qū),受構(gòu)造剝蝕,地形起伏較大,最高山峰高程達(dá)640 m,相對(duì)高差一般為200~300 m。溝谷形態(tài)大都為較開闊的U型谷,個(gè)別溝谷發(fā)育有寬20~30 m、深10~30 m的較寬溝谷。區(qū)內(nèi)出露新生界第四系上更新統(tǒng)(QP3)和中元古界長城系高于莊組(Chg)。
圖1 研究區(qū)具體位置Fig.1 The specific location of the study area
本次勘查工作采取的方法包括資料收集,地形測量,工程地質(zhì)測繪,專項(xiàng)環(huán)境地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害測量和槽探。
1)資料收集:主要收集礦區(qū)及周邊的區(qū)域地質(zhì)資料及氣象、水文等基礎(chǔ)資料,為本次勘查提供基本依據(jù)。
2)地形測量:采用RTK動(dòng)態(tài)直接測量法。執(zhí)行GB50026-2007《工程測量規(guī)范》,內(nèi)容包括GPS控制測量、地形圖測量、地質(zhì)剖面測量。地形圖測量精度為1∶500,采用2000國家大地坐標(biāo)系,高程為1985國家高程基準(zhǔn)。
3)工程地質(zhì)測繪:本次專項(xiàng)工程地質(zhì)測繪工作嚴(yán)格按照DB11/T 1732-2020《礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行,以1∶500地形圖為手圖,查明了工程地質(zhì)條件。共完成1∶500專項(xiàng)工程地質(zhì)測繪面積約0.022 km2,完成1∶500專項(xiàng)工程地質(zhì)剖面測量0.19 km(3條),完成1∶200專項(xiàng)工程地質(zhì)剖面測量0.19 km(3條)。
4)專項(xiàng)環(huán)境地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害測量:嚴(yán)格按照DB11/T 1732-2020《礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行,采用1∶2000地形圖為手圖,對(duì)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)環(huán)境問題進(jìn)行調(diào)查,并在手圖上勾勒,查明勘查區(qū)內(nèi)的環(huán)境地質(zhì)問題和地質(zhì)災(zāi)害條件。填寫地質(zhì)點(diǎn)、不良地質(zhì)現(xiàn)象,野外記錄簿1本,拍攝數(shù)碼照片137張,無人機(jī)航拍25張航片,調(diào)查面積0.44 km2。
5)槽探:探槽為本次勘查的主要巖土工程勘察手段,通過探槽揭示坡積層和廢渣層厚度、顆粒特征、結(jié)構(gòu)特征、物質(zhì)成分及物理力學(xué)性質(zhì)和松散堆積層邊界條件等。探槽挖好后進(jìn)行了編錄,繪制探槽四壁一底展布圖,并及時(shí)進(jìn)行回填。達(dá)到了規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。沿勘探線共開挖探槽3個(gè),開挖總方量20.4 m3。
礦區(qū)由于采礦活動(dòng)產(chǎn)生的礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要有地形地貌景觀破壞、土地資源壓占與損毀。
地形地貌景觀破壞主要為開采邊坡3處,開采平臺(tái)1處,采坑1處,實(shí)測破壞面積6750 m2(圖2)。
圖2 地形地貌景觀破壞區(qū)域Fig.2 landform and landscape damage area
1)開采邊坡
礦區(qū)內(nèi)共有3處開采邊坡,其中1處為巖質(zhì)邊坡,2處為巖土混合邊坡,總計(jì)實(shí)測破壞面積3980 m2。
BP01為巖質(zhì)邊坡,坡面為深灰色和淺灰色相間的石灰?guī)r,坡寬135 m,邊坡整體北高南低,坡高2~16 m,坡度70~90°,坡向115°,坡面面積1832 m2。坡頂?shù)谒南灯路e物厚0.3~0.5 m,坡積物主要為黏土與礫石粗砂組成。坡面凹凸不平,中等風(fēng)化,局部強(qiáng)風(fēng)化,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎。
BP02為巖土混合邊坡,坡寬125 m,坡高9 m,坡度為60°,坡向125°,坡面面積1278 m2。坡頂松散廢渣覆蓋,厚度1~2 m,廢渣下部第四系碎石土厚度約0.5 m,較密實(shí),下部基巖出露高1~4 m,中風(fēng)化,巖面破碎。坡面上有少量荊條、雜草。
BP03為巖土混合邊坡,坡寬91 m,坡體北高南低,坡 高1~11 m,坡 度50~65°,坡 向90°,坡 面 面 積870 m2。坡頂覆蓋人工堆積的廢石渣,厚約0.3 m,廢渣層下面為第四系黏土與碎石層厚0.5~1.5 m。坡頂植被主要為酸棗、荊條。坡面局部有石灰?guī)r出露,出露高1~3 m,大部分被廢渣和碎石土覆蓋,厚度約為0.3 m。
依據(jù)GB50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》,對(duì)BP02、BP03邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行判定,評(píng)價(jià)結(jié)果表明,邊坡整體基本穩(wěn)定,但在降雨、地震、人工開挖等不利因素下,局部可能會(huì)有廢石渣坍落。
2)開采平臺(tái)
區(qū)內(nèi)存在1個(gè)較大開采平臺(tái),編號(hào)PT01。PT01寬11~40 m,長127 m,高程185~188 m,實(shí)測破壞面積2250 m2,整個(gè)平臺(tái)廢石渣覆蓋,廢石渣厚0.5~2.0 m。平臺(tái)上長有荊條和雜草。
3)采坑
區(qū)內(nèi)有1個(gè)采坑,編號(hào)CK01。CK01長80 m,寬4~10 m,深1.0~5.0 m,實(shí)測面積破壞520 m2,坑底高程177 m。CK01兩側(cè)可見基巖出露,出露高度1.0~3.0 m,采坑寬窄不一,坡面不平整,且有廢渣堆積。
區(qū)內(nèi)由于粗放采石,形成了高陡裸巖邊坡、開采裸露平臺(tái),同時(shí)大量廢渣隨意堆積在平臺(tái)、坡面及山坡各處上,容易發(fā)生水土流失,破壞原有的植被,而且壓占破壞了大量土地資源,造成了土地資源的極大浪費(fèi),破壞了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。
經(jīng)過調(diào)查,巖土混合邊坡、開采平臺(tái)、采坑壓占損毀土地實(shí)測總面積4918 m2。
通過資料收集和現(xiàn)場勘查,治理區(qū)屬于淺山區(qū),降雨量較小。本次治理工程主要有地形地貌整治工程、植被恢復(fù)工程。地形地貌整治工程主要參照DB11/T 1732-2020《礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理技術(shù)規(guī)程》,植被恢復(fù)工程主要參照DB11/T 211-2017《園林綠化用植物材料木本苗》、DB11/T 213-2003《城市園林綠化養(yǎng)護(hù)管理標(biāo)準(zhǔn)》。
通過勘查,本次礦山生態(tài)修復(fù)主要治理內(nèi)容為地形地貌景觀破壞、土地資源壓占與損毀等地質(zhì)環(huán)境問題,其中高陡巖質(zhì)邊坡治理為老爺廟治理區(qū)的治理技術(shù)難點(diǎn)。通過對(duì)區(qū)內(nèi)礦山生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及存在問題、恢復(fù)植被的各項(xiàng)特征參數(shù)以及當(dāng)前巖質(zhì)邊坡治理、渣坡治理的各種工藝方法進(jìn)行了調(diào)研,為了達(dá)到廢棄礦山生態(tài)修復(fù)治理項(xiàng)目的總體治理目標(biāo),同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山生態(tài)修復(fù)治理思路的多元化考慮和治理工程安全耐久、經(jīng)濟(jì)高效、生態(tài)環(huán)境融合的目標(biāo),選擇坡頂坡腳種植攀緣植物垂直綠化,坡度較緩的基巖區(qū)域采用植生格室、種子拌合土和椰絲毯覆蓋等方法進(jìn)行綜合恢復(fù)。該治理方案因地制宜,可以充分利用空地和空間,施工可不考慮坡面特征條件,施工可操作性強(qiáng),相對(duì)其他工程措施便于實(shí)施。
根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境問題,選取的治理措施主要有削坡整形、采坑整治和擋墻和綠化等。各區(qū)域整治實(shí)測工作量統(tǒng)計(jì)見表1,礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理前后對(duì)比見圖3,礦區(qū)治理措施工程布置見圖4。
圖3 研究區(qū)生態(tài)修復(fù)治理前后對(duì)比圖(a鏡向220°,b鏡向190°)Fig.3 Comparison diagram of ecological restoration and governance in the study area before and after(a mirror direction 220°,b mirror direction 190°)
圖4 研究區(qū)治理措施工程布置圖Fig.4 engineering layout of treatment measures in the study area
表1 整治區(qū)工作量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Workload statistics of regulation area
1)邊坡削坡
BP01節(jié)理裂隙發(fā)育、巖石較破碎,坡面上不同程度存有部分浮石、碎石和欠穩(wěn)固塊石,平均厚度0.1~0.3 m不等。在進(jìn)行植被恢復(fù)工程前,需人工進(jìn)行坡面清危,清除坡面的浮石、碎石和欠穩(wěn)固塊石。對(duì)坡面的廢渣堆進(jìn)行清運(yùn),對(duì)坡腳處垮塌、滑塌堆積體進(jìn)行清理,以消除其隱患。實(shí)測平整面積1832.0 m2,清理渣堆方量366.42 m3。
BP02坡面凹凸不平,坡頂上覆蓋有廢石、廢渣且局部坡度較大,在暴雨、地震、人工開挖等不利因素影響下易發(fā)生坡體的局部垮塌或滑塌,需要對(duì)坡面進(jìn)行適當(dāng)修整。對(duì)坡面凸起塊石及突出影響工程治理的部位采用機(jī)械方法進(jìn)行清除,對(duì)坡頂廢渣進(jìn)行削坡修整,放坡坡比為1∶1.3,減少可能發(fā)生塌落破壞的風(fēng)險(xiǎn),降低邊坡的荷載,消除其隱患,對(duì)局部垮塌部位進(jìn)行回填(圖5)。實(shí)測平整面積746.5 m2,清理渣堆方量452.3 m3。
圖5 削坡工程示意圖Fig.5 Schematic diagram of slope cutting project
BP03坡腳有垮塌、滑塌堆積體,需要對(duì)坡面進(jìn)行適當(dāng)修整。對(duì)坡面的廢渣堆進(jìn)行清運(yùn),對(duì)坡腳處垮塌、滑塌堆積體進(jìn)行清理,以消除其隱患。實(shí)測平整面積77.4 m2,清理渣堆方量38.7 m3。邊坡削坡前后對(duì)比見圖6。清理盈余的浮石、碎石及第四系松散堆積物不得外運(yùn),需場地內(nèi)土石方平衡,可回填至礦區(qū)地勢低洼處。
圖6 邊坡削坡前后對(duì)比圖(a鏡向170°,b鏡向210°)Fig.6 Comparison of slope before and after cutting(a mirror direction 170°,b mirror direction 210°)
2)平臺(tái)整形
針對(duì)PT01場地不平整,在現(xiàn)有地貌的基礎(chǔ)上,根據(jù)原有平臺(tái)的高程,進(jìn)行地形整平,盡可能形成集中連片、面積較大的可利用土地資源。平臺(tái)向內(nèi)傾3‰的坡度,有利于蓄水,減少水土流失;平臺(tái)中部應(yīng)略高于平臺(tái)兩側(cè),有利于平臺(tái)匯水隨地勢向兩側(cè)排出。回填土?xí)r,需要對(duì)填土進(jìn)行分層碾壓夯實(shí),壓實(shí)度不宜小于90%。平臺(tái)原有喬灌木應(yīng)當(dāng)保留。實(shí)測平整面積2250.0 m2,清理渣堆方量2100.0 m3。平臺(tái)整形前后對(duì)比見圖7。
圖7 平臺(tái)整形前后對(duì)比圖(a鏡向280°,b鏡向280°)Fig.7 comparison diagram before and after platform plastic treatment(a mirror direction 280°,b mirror direction 280°)
由于CK01凹凸不平、寬窄不一,需對(duì)采坑進(jìn)行適當(dāng)修整,作為排水溝槽使用。地形整平寬度不小于4.8 m,整平后采坑起始高程182.1 m,終止高程177.8 m;對(duì)CK01外側(cè)坑壁進(jìn)行削坡修整,放坡坡比為1∶1.3。回填土?xí)r,需要對(duì)填土進(jìn)行分層碾壓夯實(shí),壓實(shí)度不宜小于90%。整治盈余的土方量不得外運(yùn),需場地內(nèi)土石方平衡,可回填至礦區(qū)地勢低洼處。實(shí)測整治面積為520.0 m2,挖方量為407.0 m3。采坑整治前后對(duì)比圖(圖8)。
圖8 采坑整治前后對(duì)比圖(a鏡向300°,b鏡向260°)Fig.8 Comparison before and after pit renovation(a mirror direction 300°,b mirror direction 260°)
為了保護(hù)BP02南側(cè)坡底道路安全,鞏固坡體,防止坡面渣土滑落,對(duì)斜坡上松動(dòng)土石清除后,沿斜坡坡腳邊緣砌筑一道漿砌石擋土墻進(jìn)行防護(hù),編號(hào)DQ01。CK01段用作坡腳種植槽,長度75.1 m。擋土墻總長157.6 m,高度3.5 m,地上墻高2.5 m,頂寬0.6 m,底寬1.35 m,基礎(chǔ)埋深1.0 m,背坡坡率1∶0.2,面坡坡率1∶0.1,基礎(chǔ)底板澆筑一層厚0.1 m的C20素混凝土墊層,基礎(chǔ)以沖洪積碎石土作為持力層。
擋土墻采用強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不低于MU30的塊石,黏結(jié)材料采用DM10-MR砌筑砂漿。墻身設(shè)置2排直徑為0.11 m的CPVC塑料管泄水孔,下排水孔呈“品”字排列,排水孔行間距2 m,外斜度5%,排水管伸出墻外一定長度,一般3~5 cm。上排出水口端距基礎(chǔ)1.5 m,下排出水口端距基礎(chǔ)0.5 m,進(jìn)水側(cè)設(shè)置濾水層,濾水層選用卵石、砂礫石等透水性材料。擋土墻每隔10 m處設(shè)置伸縮變形縫,縫寬2~3 cm,縫內(nèi)沿墻內(nèi)、外、頂三邊填塞瀝青麻筋或其他有彈性的防水材料,塞入深度不得小于0.2 m(圖9)。
圖9 DQ01漿砌石擋土墻結(jié)構(gòu)圖Fig.9 DQ01 mortar masonry retaining wall structure diagram
修建工程措施時(shí)繞開灰窯遺址區(qū)域,對(duì)灰窯遺址區(qū)域周邊進(jìn)行加固,保留現(xiàn)存的遺址原貌。
對(duì)整治后的巖質(zhì)邊坡、緩坡平臺(tái)及邊坡坡腳進(jìn)行綠化,恢復(fù)生態(tài)。主要選用耐寒耐旱的鄉(xiāng)土草種與小灌木,適宜生長并且能保證較好的成活率,坡頂種植爬藤植被為三葉地錦和五葉的錦;坡腳種植攀緣植被為扶芳藤;其他籽種選用耐寒耐旱的鄉(xiāng)土草種與小灌木,主要物種有紫花苜蓿、野牛草、結(jié)縷草、馬蓮、臭椿、刺槐、紫穗槐、荊條和二月蘭等,礦區(qū)各區(qū)域綠化工作量統(tǒng)計(jì)見表2。
表2 礦區(qū)綠化工作量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of greening workload in each region of the study area
針對(duì)BP01巖質(zhì)邊坡因地制宜,綜合考慮環(huán)保、造價(jià)、施工可行性和綠化效果等因素,采用坡頂種植爬藤垂直綠化、坡腳種植攀緣植物綠化、坡腳坡度較緩的基巖區(qū)域植生格室+種子拌合土+椰絲毯覆蓋進(jìn)行綜合恢復(fù)(圖10),多種工藝相結(jié)合綜合治理,工藝間相互輔助,實(shí)現(xiàn)恢復(fù)綠化最大效果。
圖10 綠化工程示意圖Fig.10 Schematic diagram of afforestation project
BP02靠CK01側(cè)為巖土混合邊坡,在坡腳種植槽砌筑完成后,槽內(nèi)種植攀緣植物、噴播植草(灌木)籽進(jìn)行綠化,種植槽長75.1 m。
PT01和BP03坡腳空地經(jīng)過地形地貌整治結(jié)束后,采用噴播植草(灌木)籽進(jìn)行簡單綠化。
礦區(qū)上游溝谷流水經(jīng)采坑CK01區(qū)域北側(cè)溝谷匯入下游現(xiàn)有蓄水池中,蓄水池滿足收集的雨水及上游溝谷匯水的要求。利用區(qū)內(nèi)已有蓄水池作為水源地,采用水罐車輸水到蓄水池中,從蓄水池中采用人機(jī)結(jié)合的方式對(duì)治理區(qū)植被進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。
1)環(huán)境效益
通過地形地貌整治工程和綠化措施,平整土地5425.9 m2,噴播植草3395.0 m2,種植藤本植物(地錦、扶芳藤)共5803株。使礦區(qū)裸露巖壁及整理的綠化場地植被得到恢復(fù),最大程度減少礦區(qū)周邊揚(yáng)塵污染、水土流失問題,恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,使之與周圍的自然生態(tài)環(huán)境相融合,構(gòu)建基本一致的生態(tài)環(huán)境景觀。
2)社會(huì)效益
修復(fù)措施實(shí)施后,廢棄礦山生態(tài)景觀得以修復(fù),將有效改善處于西北風(fēng)下風(fēng)向老爺廟村居民的人居環(huán)境、發(fā)揮首都生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)功能,且能更好地造益于當(dāng)?shù)匕傩?。該礦山生態(tài)修復(fù)措施的實(shí)施可以為其他地區(qū)的廢棄礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理工作提供經(jīng)驗(yàn)。
3)經(jīng)濟(jì)效益
一方面清理渣堆方量3364.42 m3,能夠就地取材,大大節(jié)省了施工開銷;另一方面,該項(xiàng)目地處北京北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū),是密云生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展帶的重要組成部分,完成大石門村石灰?guī)r礦礦山生態(tài)修復(fù)且保留了灰窯遺址,為以后的礦山生態(tài)公園建設(shè)預(yù)留了空間,不僅提升了東邵渠鎮(zhèn)附近景點(diǎn)的生態(tài)環(huán)境,還能夠帶動(dòng)地方旅游業(yè)發(fā)展,有效提高治理區(qū)周邊土地資源的利用價(jià)值,間接產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
對(duì)廢棄礦山進(jìn)行生態(tài)修復(fù)能夠極大地縮短礦山恢復(fù)的周期,快速改善廢棄礦山生態(tài)環(huán)境,是踐行社會(huì)主義生態(tài)文明建設(shè)的必然要求。本研究通過對(duì)北京密云區(qū)東邵渠鎮(zhèn)大石門村老爺廟石灰?guī)r礦山采用工程措施和綠化措施相結(jié)合的綜合治理方式進(jìn)行生態(tài)修復(fù),解決了其地形地貌景觀破壞、土地資源壓占與損毀等主要地質(zhì)環(huán)境問題。工程措施主要體現(xiàn)在充分利用空地和空間的基礎(chǔ)上保證邊坡的穩(wěn)定性和安全性,施工可操作性強(qiáng);綠化工程主要采用植生格室+種子拌合土+椰絲毯覆蓋,植被選用三葉地錦和五葉地錦、扶芳藤、當(dāng)?shù)啬秃秃档泥l(xiāng)土草種與小灌木等,不僅施工快、經(jīng)濟(jì)效益好,且有利于邊坡穩(wěn)定性。綜合生態(tài)修復(fù)治理使得礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)到與周邊生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的地步,達(dá)到廢棄礦山生態(tài)景觀恢復(fù)目的。不僅獲得了良好的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)為保障首都生態(tài)環(huán)境安全作出了重要貢獻(xiàn)。