李長明, 符玉冰, 狄龍飛, 金永報, 曲福來, 賈東洋, 田小娟

(1.華北水利水電大學 土木與交通學院,河南 鄭州 450045; 2.河南省黃河流域環(huán)境保護與修復重點實驗室,河南 鄭州 450003; 3.中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450001; 4.中電建河南萬山綠色建材有限公司,河南 洛陽 471000)

在黃河中游晉、陜、蒙交界地區(qū)分布著一種風化嚴重、松散破碎的特殊互層巖體——砒砂巖,其干燥時堅硬如石,遇水潰散成沙,是黃河粗泥沙的主要來源。砒砂巖主要指由古生代二疊紀、中生代三疊紀、侏羅紀、白堊紀的厚層砂巖、泥巖、泥砂巖、頁巖組成的互層巖體,其總面積為1.17萬～3.20萬km2[1-6]。砒砂巖區(qū)地形支離破碎、溝壑縱橫,土壤營養(yǎng)成分低、不適宜植物生長,生態(tài)承載力低下。加之受多類型侵蝕循環(huán)及復合侵蝕作用的影響,土壤侵蝕模數高達2萬t/(km2·年)[7],個別區(qū)域侵蝕模數達3萬～4萬t/(km2·年)[8],該地區(qū)是黃土高原最集中的碎屑基巖產沙區(qū)。其多年平均輸沙量約1.61億t[9],約占黃土高原地區(qū)輸入黃河中上游泥沙總量的30%[10]。砒砂巖區(qū)輸入黃河的粗泥沙(粒徑d≥0.05 mm)約占入黃粗泥沙總量的62%[5],淤積在下游河床泥沙的1/4來源于此,是河床抬升、洪澇災害頻發(fā)的“元兇”之一。同時,該區(qū)沙漠化、荒漠化和水土流失多重危害并存,嚴重影響當地人民的生產生活,被稱為“世界水土流失之最”和“地球生態(tài)癌癥”。

隨著“黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展”國家戰(zhàn)略[11]的提出,砒砂巖區(qū)水土保持工作與砒砂巖資源化利用迎來了新機遇。如何治理砒砂巖區(qū)的水土流失,高效修復砒砂巖區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及實現砒砂巖的資源化利用,將直接影響入黃粗泥沙的數量,對改善黃河水沙關系、減緩黃河下游河床抬升具有重要意義,是“黃河流域生態(tài)長廊”建設的重要環(huán)節(jié),對于保障黃河的長治久安具有深遠影響。

1 砒砂巖的物化性質

1.1 砒砂巖成因及分布

在石炭紀之前的古生代,砒砂巖區(qū)是一片海洋。二疊紀時期,地殼抬升,海洋消失,砒砂巖區(qū)變?yōu)閮汝懪璧?沉積了陸相紅色泥巖、碎屑巖。在三疊紀早、中期,盆地快速下沉,陸相紅色泥巖、碎屑巖繼續(xù)沉積。同時,在印支期構造運動的影響下,盆地出現上升,風化侵蝕引起地層間的假整合和角度不整合接觸。在三疊紀晚期,地殼緩緩下降,引起地層間的平行不整合接觸和角度不整合接觸,紅色地層逐漸減少,灰綠色碎屑巖及煤層透鏡體等有機物質開始沉積,呈河湖相沉積特點。在三疊紀末期,由于印支期構造運動,盆地全面抬升,地層普遍遭受侵蝕。至侏羅紀早期,地殼逐漸下沉,氣候由干熱的氧化環(huán)境轉為溫濕的還原環(huán)境,灰綠色和灰色含煤細砂頁巖地層開始沉積。侏羅紀早期,地殼上升,出現紅色泥巖沉積物,到侏羅紀中末期,地殼開始下降,南北部盆地下沉速度不一,導致侏羅紀早期部分地層覆蓋于老地層之上。到中末期,形成紅色泥巖沉積層。到了白堊紀,地殼轉向下沉,泥巖、粗碎屑巖大量沉積,呈河湖相沉積特點。白堊紀末期,受燕山晚期構造運動的影響,地殼逐漸抬升, 隆起的盆地遭受風蝕。到第三紀上新世時期,地殼開始下沉,紅色泥巖黏土層出現沉積,呈湖泊相沉積特點。第三紀末期,在地殼構造的升降運動中形成了高原。到第四紀,黃土風化成沙、古人類出現,現代地貌景觀基本形成[12-17]。目前,砒砂巖集中分布在晉、陜、蒙交界區(qū)域,范圍東達黃河,西抵內蒙古杭錦旗的毛不拉孔兌,南至陜西省神木市,北臨庫布齊沙漠南緣。鄂爾多斯東勝區(qū)、準格爾旗、伊金霍洛旗、達拉特旗、杭錦旗等地是砒砂巖的主要分布區(qū)。陜西神木、府谷兩縣,山西河曲、保德兩縣和內蒙古清水河縣有零星分布[1]。相關文獻中的砒砂巖分布面積見表1。

表1 砒砂巖分布面積 萬km2

由表1可知,相應文獻中統(tǒng)計的砒砂巖分布面積為1.17萬～3.2萬km2[1-6]。由于研究手段和類型區(qū)定義的不同,以及臨近沙漠的裸露砒砂巖可能會隨時間演變?yōu)樯w沙砒砂巖,所以界定的面積會存在差異。3種類型區(qū)面積占比如圖1所示。

圖1 砒砂巖類型區(qū)面積占比

1.2 砒砂巖的物化組成及力學性能

砒砂巖的顏色主要包括粉紅色、紫紅色、灰白色、灰綠色和黃綠色[5,18-20]。砒砂巖主要由石英(17.10%～88.80%)、鈣蒙脫石(2.51%～51.33%)、鉀長石(3.70%～23.00%)、斜長石(0.20%～30.20%)、方解石(1.00%～52.70%)、伊利石(0.22%～22.00%)、高嶺石(0.00%～44.00%)等組成,砒砂巖各礦物含量如圖2所示。此外,有些砒砂巖中含有少量赤鐵礦,含量為1.00%左右。文獻[26]中還檢測出砒砂巖中含有云母類礦物。對于不同地域砒砂巖的斜長石、方解石、伊利石和高嶺石含量存在較大差異。不同顏色砒砂巖中的石英、鈣蒙脫石、斜長石和方解石的含量差異較大,其他礦物含量差異較小[4,21-27]。

注:樣本1—7為灰白色,8—11為紫紅色,12—15為粉紅色,16—19為黃色,20為灰綠色,21為灰白紫紅條帶,樣本2、3、9、12引自文獻[4];樣本1、8、21引自文獻[21],樣本4—6、10、11、13、16—20引自文獻[22],樣本23引自文獻[23],樣本7、14引自文獻[24],樣本15引自文獻[25],樣本22引自文獻[26]。

砒砂巖主要化學成分為SiO2(51.20%～78.25%),Al2O3(9.57%～15.37%)和Fe2O3(0.05%～9.28%),具體化學成分含量如圖3所示。

注:樣本1—7為灰白色,8、9為紫紅色,10—15為粉紅色,16為黃色,樣本22引自文獻[2],樣本2、3、8、11引自文獻[4],樣本4、9、12引自文獻[20],樣本6、14引自文獻[28],樣本5、13引自文獻[29],樣本17引自文獻[23],樣本18引自文獻[25],樣本1、10引自文獻[30],樣本19—21引自文獻[27],樣本7、15、16引自文獻[31]。

由圖3可知,堿性氧化物Na2O、K2O、CaO的總含量為0.90%～20.76%,其他化學成分含量較少,為0.00%～1.00%。堿性氧化物的存在使巖體呈堿性,pH值為7.66～10.02。灰白色砒砂巖中的CaO含量最高,達14.00%,紅色砒砂巖中Fe2O3含量為9.00%左右。而Fe2O3含量的差異正是砒砂巖呈現紅白兩色的主要原因。此外,研究表明,部分砒砂巖中還存在少量的SO3、CO2、MnO、P2O5[2,4,19-20,23,25,27-33]。

砒砂巖塊體密度為1.56～2.50 g/cm3,顆粒密度為2.62～2.84 g/cm3?？紫堵蕿?.02%～35.15%,滲透系數為5.2×10-3mm/s。液限WL、塑限Wp分別為29.30%和19.60%,塑性指數Ip為9.40。巖體顆粒主要由質量百分比為10.73%～57.60%的中細砂(0.10～0.25 mm)和1.40%～44.76%的中粗砂(0.25～0.50 mm)組成,其大部分粒徑為0.10～0.50 mm,占比近50.00%,粒徑d≤0.005 mm的黏粒占比為1.40%～10.40%。砒砂巖的粒徑累計分布曲線如圖4所示。砒砂巖的不均勻系數為2.55%～23.90%,表明砒砂巖為級配不良沙,其曲率系數為0.51%～5.54%。因此,砒砂巖是典型的砂類土,且以粗砂和中砂為主,砂粒和粉粒含量較大,黏粒含量相對較小,整體為非等粒結構[19,21,23-24,28,30,33-40]。

注:樣本1—6引自文獻[19];樣本7、8引自文獻[24];樣本9引自文獻[28];樣本10、11引自文獻[33];樣本12引自文獻[34];樣本13引自文獻[38];樣本14、15引自文獻[39];樣本16引自文獻[40]。

砒砂巖的微觀結構以粒狀或絮狀鏈為主,內部含有較多的孔隙,且連通性不高,其孔體分布具有非均質性。礦物顆粒以膠結連接為主,起膠結作用的物質主要有碳酸鹽和黏土物質,膠結類型為顆粒間相互支撐、孔隙式膠結,長石石英雜砂巖中還發(fā)現接觸式膠結。但粗細顆粒大小懸殊、顆粒磨圓程度低、棱角分明,碎屑大小不一、雜基含量大,致使兩種膠結類型的致密性和礦物顆粒的定向性差[19,21,30]。砒砂巖力學性能見表2,由表2可知:砒砂巖在自然狀態(tài)下抗壓強度為0.40～39.70 MPa,干燥狀態(tài)下可提高到25.30 MPa;抗剪強度為0.00～4.15 MPa,干燥和飽和狀態(tài)下抗剪強度的差距很小;抗拉強度為0.01～0.74 MPa,在干燥和飽和狀態(tài)下的抗拉強度差距不大,遇水后抗壓、抗拉和抗剪強度均大幅下降,軟化系數為0.05～0.42。飽水抗剪強度和干抗剪強度決定了巖體抵抗徑流沖刷和抗崩塌的能力。因此,砒砂巖的抗侵蝕性能較差[21,23,25,30,33,36]。

表2 砒砂巖力學性能

2 砒砂巖的侵蝕

2.1 砒砂巖的侵蝕過程

砒砂巖區(qū)受多重侵蝕交互作用,包括水力侵蝕、風力侵蝕、凍融侵蝕、重力侵蝕及人為侵蝕等。畢慈芬和王富貴[42]按照動力類型,將巖體侵蝕分為季節(jié)性降雨徑流侵蝕和常年性非徑流侵蝕。水力侵蝕包括雨滴濺蝕、坡面流水侵蝕和溝谷流水侵蝕。坡面水力侵蝕較為強烈,主要形式有片蝕、細溝侵蝕。溝侵蝕是產沙的主要途徑,流域內70%以上的泥沙由此形成。砒砂巖區(qū)風向大多垂直于溝道或與溝道大角度交叉,致使風力侵蝕嚴重。風力侵蝕表現形式為風積作用和風蝕作用[8]。風蝕作用幾乎影響整個巖區(qū),但蓋土區(qū)以及毛烏素沙地的過渡地帶是風蝕作用的主要影響區(qū)。迎風谷坡、溝谷階地和梁峁地等特殊地帶也是風蝕作用的高強區(qū)。強風蝕區(qū)形成于高地貌之間或迎風坡及其兩側,弱風蝕區(qū)形成于背風坡或較平坦的區(qū)域,而風沙堆積區(qū)則形成于背風坡、洼地和溝道[43-46]。重力侵蝕主要形成于溝谷地帶,風化等因素誘發(fā)重力侵蝕[35]。據統(tǒng)計,重力侵蝕產沙量約占流域總產沙量的1/3。重力侵蝕以直接和間接兩種方式產沙,產沙最直接、最主要的途徑是瀉溜和滑坡。坍塌和崩塌產生的各種滑落物堆積于坡腳,也是產沙的重要形式,而滑落物在水流中沖刷崩解為粗泥沙,從而間接提供了沙源[8]。凍融侵蝕是由于溫度劇烈波動,水分固液循環(huán)轉化,導致巖體發(fā)生脹縮碎裂等機械破壞,并在水力和重力侵蝕等作用下移動流失的過程,其中:在凍結過程中,顆粒間的結合水轉化為固態(tài)水,土體出現膨脹;溫度上升后,顆粒間的固態(tài)水開始融化,土體結構發(fā)生改變,引發(fā)邊緣土體的重力侵蝕[44-45]。

不同砒砂巖類型區(qū)域的侵蝕情況差異較大,見表3[18,46]?？傮w來看,在3種砒砂巖類型區(qū)域的復合侵蝕中都存在水力、風力侵蝕,而且只要有砒砂巖出露,就會有凍融侵蝕的發(fā)生。同時,砒砂巖區(qū)的多種侵蝕方式在空間上耦合作用、在時間上交替發(fā)生。泥沙流失主要發(fā)生在夏秋季,冬春兩季主要發(fā)生凍融侵蝕,其中都伴隨有重力侵蝕和風力侵蝕及二者引起的流水侵蝕。春夏季過渡期是凍融侵蝕和風力侵蝕的高發(fā)期,4—5月是風蝕高發(fā)期,5—6月是重力侵蝕高發(fā)期,7—9月是水力侵蝕高發(fā)期。其中,5—9月是重力侵蝕與水力侵蝕的耦合期,其他時期則以風力侵蝕、重力侵蝕和凍融侵蝕交互耦合作用為主[44,47]。

表3 不同砒砂巖類型區(qū)侵蝕模數

2.2 砒砂巖抗侵蝕機理

砒砂巖抗侵蝕性低的主要原因是巖體中含有較多的蒙脫石、長石、高嶺土、碳酸鹽等礦物[22]。具有礦物解理和雙晶發(fā)育的長石,在干旱、大風的巖區(qū)極易風化,導致巖體結構破壞,其抗侵蝕能力減弱,且長石的主要風化物高嶺石抗侵蝕能力最差。砒砂巖中的基質是親水性黏土礦物,其易被水流侵蝕,而蒙脫石中黏土礦物含量最高,所以其對砒砂巖抗侵蝕能力的影響最大。蒙脫石的晶層間距大,其負電性產生的靜電引力容易吸引極性水分子進入,產生滲透壓力,導致晶體膨脹[5],其體積可擴大至原來的40倍[48-49]。由此產生的巨大壓力使巖體內部結構產生破壞,導致其結構崩解。碳酸鹽礦物中活性方解石遇水后易發(fā)生化學反應,部分產物隨水流失,巖體顆粒間的膠結能力隨之下降。此外,巖石礦物在當地惡劣環(huán)境下,易發(fā)生機械風化和化學風化,降低巖石本身的抗侵蝕能力,而蒙脫石、伊利石、高嶺石正是砒砂巖主要的化學風化產物[21]。

從化學角度來看,砒砂巖所含的Na2O、K2O、CaO性質活潑,易發(fā)生化學變化,Ca2+、Na+、K+等離子遇水易流失,致使巖石礦物間的孔隙逐漸增大,導致巖體結構破壞,降低砒砂巖的抗侵蝕能力。此外,砒砂巖內部存在水-巖復合作用,例如SO3和P2O5這兩種不穩(wěn)定成分極易吸濕,與水作用生成硫酸、磷酸等,使巖體結構遭到破壞,其抗侵蝕能力進一步下降[20,25]。從結構角度來看,砒砂巖礦物顆粒粒徑懸殊且排列不規(guī)律,砂粒和粉粒含量較大,黏粒含量相對較小,膠結能力差。因此,砒砂巖抗風化能力較弱,易被侵蝕。砒砂巖內部孔隙發(fā)育,結構受力不均,遇水后抗壓和抗拉能力較弱,水平方向更易發(fā)生片蝕,形成沖溝。同時,砒砂巖孔隙、裂隙中的水在冬季反復凍融,導致巖體內部結構連接和排列方式發(fā)生改變,進而其物理力學性質發(fā)生改變,加劇了巖體孔隙、裂隙的進一步擴張,巖體風化通道再次擴大。因此,砒砂巖抗風蝕、水蝕能力差[34,50-51]。此外,砂巖與砂質泥巖組合在一起時,由于砂質泥巖具有親水性,易軟化崩解被水流沖走,隨之引發(fā)重力崩塌侵蝕。淺色巖體與深色巖體的吸熱能力存在差異,導致相應礦物脹縮體積不一致,進而使巖體結構遭到破壞,加劇了巖體抗侵蝕能力的下降[23]。

3 砒砂巖區(qū)治理進展

20世紀90年代初,我國開始對砒砂巖侵蝕問題進行系統(tǒng)研究,黃河水利委員會先后完成了《晉陜蒙接壤地區(qū)砒砂巖分布范圍及侵蝕類型區(qū)劃分》[52]和《砒砂巖地區(qū)植物“柔性壩”試驗研究階段總報告(1995—1998)》[53]。隨后,陸續(xù)通過“國家水土保持重點治理項目”“水土保持治溝骨干工程”“晉陜蒙砒砂巖沙棘生態(tài)工程”“小流域綜合治理項目”[54-56],探索了以沙棘為主體的生物措施,取得了良好的生態(tài)效益。在沙棘治理的基礎上,畢慈芬和李桂芬[57]提出“沙棘柔性壩”的構想。許多學者陸續(xù)對利用沙棘構筑溝道柔性壩攔截泥沙的相關課題展開了研究,使沙林治理取得了顯著成效[58-60]。但沙棘存在成片枯死的現象,其僅能在巖區(qū)溝道處生存,從而導致發(fā)生于坡面和溝坡的侵蝕難以遏制。

中國科學院地理科學與資源研究所聯合企業(yè)高校共同研發(fā)了砒砂巖與沙復配成土技術,基于兩者結構特點的互補性,將砒砂巖與沙復配為新型土壤,實現了砒砂巖的資源化利用[61-62]。但該項技術主要用于沙地改造,難以解決砒砂巖區(qū)的水土流失問題。溫婧等[63-64]研究發(fā)現,砒砂巖的靜電吸附和離子交換能力較為突出,具有良好的吸附特性,可實現對重金屬的吸附,從而修復污染土壤,且經濟環(huán)保。因此,砒砂巖可視為良好的天然吸附材料。甄慶等[65]選取砒砂巖、黃土、風沙土3類礦區(qū)典型土體,設計3種土體結構以模擬入滲過程,研究表明,砒砂巖能降低土體入滲能力,可應用于礦區(qū)生態(tài)修復。蘇濤等[66-67]開展EN-1固化劑對砒砂巖力學特性影響的試驗,并模擬邊坡徑流沖刷,對不同因素下的水動力學特征進行了研究,優(yōu)選出了固化劑摻量、壓實度、含水率和養(yǎng)護齡期。目前,EN-1固化劑不能直接作為改性材料,且無法達到固結抗蝕、蓄水促生的綜合性能要求,不能應對多重侵蝕耦合交互的環(huán)境條件,難以遏制巖區(qū)溝道高邊坡的水土流失問題。黃科院依托“砒砂巖區(qū)復合土壤侵蝕綜合治理技術”項目,針對傳統(tǒng)工程措施不具有施工性,生物措施又存在局限性的問題,研發(fā)了砒砂巖抗蝕促生材料和改性筑壩技術,實施水土保持材料-工程-生物措施、坡面-溝道系統(tǒng)二元立體綜合治理措施,治理效果顯著[68-70]。大連理工大學同期開展了砒砂巖改性筑壩技術的研發(fā),制備出性能良好的改性筑壩材料[28-29,71-72]。

經過多年的治理,黃河中游水土保持工作卓有成效,但是水沙關系不協調的矛盾仍然突出。圖5為近百年來黃河輸沙量變化趨勢[73],2021年潼關站實測年輸沙量為1.71億t,相比于1919—1959年15.92億t的年均輸沙量,出現了顯著下降,但仍需深入治理。目前,聚焦于砒砂巖區(qū),傳統(tǒng)治理措施實施的全面性、統(tǒng)一性、持續(xù)性不足,缺乏全區(qū)域全機制的一體化綜合治理,沒有從根本上遏制砒砂巖區(qū)生態(tài)惡化的趨勢。而諸如復配成土、抗蝕促生、改性筑壩、吸附材料、礦區(qū)修復材料、改性建筑材料等具有創(chuàng)新性的技術未在全區(qū)域覆蓋實施,未能建立起行之有效的空間綜合治理體系。

圖5 黃河年輸沙量

4 砒砂巖的資源化利用

4.1 復配成土材料

21世紀初,國內已有一些沙地綜合利用方面的研究[74-75]。HAN J C等[76]認為沙結構疏松,漏水漏肥,砒砂巖透水性差,可以作為沙地的保水劑。進一步研究發(fā)現:砒砂巖在沙的摻入下,孔隙度增大,滲透性提高;沙在砒砂巖的摻入下,毛細管孔隙度增大,保水保肥效能提高,繼而提出基于砒砂巖與沙的互補性,將兩種物質復配為新型土壤。

目前,國內外開展了對復配土的大量研究。李裕瑞等[77]利用掃描電鏡對復配土壤的微觀結構進行分析,證明了復配技術對土壤結構的改良作用。彭飚等[22]從礦物組成方面分析,確定了在復配土壤中耕種作物的可能性。LI J和HAN J C[78]測定并分析了不同復配比例的土壤質地、貯水量、光譜和在土壤中培育冬小麥的光譜差異得出,最佳復配比為1∶2。童偉等[79]研究了砒砂巖和沙復合土壤的防風固沙效應發(fā)現,在摻入砒砂巖后,復配土壤中黏粉粒含量提高,飽和導水率下降,而土壤含水率、結皮厚度、凍土深度和地表粗糙度都有所增加,復配土抗風蝕能力提高。姚絲思和席慧[80]對復配土壤質地、有機質、水穩(wěn)定性大團聚體含量、作物生長水平及產量4個方面進行分析表明,沙地復合砒砂巖后,土壤宜耕層厚度增加,土壤結構得以改善,肥力逐漸增加。張海歐等[81]分析了不同復配比例下的土壤顆粒組成動態(tài)變化特征發(fā)現,隨著砒砂巖摻入比例的增加,顆粒粒徑分布趨于合理,砒砂巖的摻入改善了復配土的結構,土壤質地呈現砂土→砂壤→壤土→粉壤過渡的良好趨勢。此外,魏雨露和張露[82]探索了砒砂巖與沙復配成土作為路基材料的可能性,測得不同比例復配土的顆粒級配與最大干密度,確定最佳質量比為2∶1,當含水率為7%～9%時,最大干密度為2.04～2.05 g/cm3,壓實特性最佳,適宜用作路基填料。ZHU J H和LI X L[83]通過堿激發(fā)技術將粉煤灰與砒砂巖水泥土混合制成復合土,強度可達6.85 MPa,滿足公路結構用土的設計要求。

4.2 改性建筑材料

李長明等[28]研究了飽和石灰水和不同濃度NaOH溶液對砒砂巖中SiO2、Al2O3溶出量的影響,通過膠砂強度試驗對砒砂巖活性進行了探討,證明了將砒砂巖改性為地聚物材料的可行性。在堿性環(huán)境下,由于SiO2、Al2O3的硅氧鍵和鋁氧鍵會發(fā)生斷裂,形成低聚硅(鋁)四面體單元,這些低聚結構單元逐漸脫水重組發(fā)生聚合反應,生成具有膠凝性質的水化硅酸鈣和地聚物膠體,使孔隙結構得到改善、顆粒間連接更加緊密、結構致密性大為提高[84]。此外,一些學者進一步探究了粉煤灰、礦渣的摻入對砒砂巖地聚物材料微觀結構及力學性能的影響,結果表明,在最佳配合比下,改性粉煤灰和砒砂巖復合材料與改性礦渣和砒砂巖復合材料的抗壓強度分別達到20.3 MPa和56.2 MPa,其耐久性能也顯著提升,符合工程要求,改性礦渣和砒砂巖復合材料具有更加優(yōu)異的性能,并兼具經濟性和節(jié)能環(huán)保性[71,85-88]。

大連理工大學王立久教授和華北水利水電大學李長明副教授通過研究,提出了減小膨脹元膨脹力、增加膠結元彈性模量的砒砂巖改性方法,研制了砒砂巖改性筑壩材料,并在鄂爾多斯準格爾旗二老虎溝淤地壩工程中進行應用,驗證了砒砂巖改性材料在巖區(qū)淤地壩建設中應用的可行性[69-70,89]。此外,董晶亮等[29]還探究了砒砂巖作為混凝土摻合料的可行性,結果表明:在砒砂巖摻量不大于20%時,材料的抗折強度和耐久性明顯提高,且不影響其初凝時間和抗壓強度;摻量超過30%時,材料各方面性能明顯下降,得出砒砂巖適宜的摻入量應在20%以下的結論。GENG K Q等[90]探究了水泥用量對砒砂巖性能的影響,結果表明,隨著水泥摻入量的增加,砒砂巖的孔隙率逐漸下降,內聚力呈上升趨勢,材料趨于脆性,凍融作用下的砒砂巖孔隙劣化程度減弱,抗凍性能顯著提升,確定最優(yōu)水泥摻量為20%。楊健等[91]和王輝等[92]分別探究了粉煤灰和玄武巖纖維對改性水泥-砒砂巖材料力學性能的影響,得出少量的粉煤灰有利于提升材料的密實度和剛度,而摻量小于0.2%的玄武巖纖維對材料有加筋效應,會抑制材料的形變,表明少量粉煤灰和玄武巖纖維都具有提升其材料力學性能的作用。張美香等[93-94]將砒砂巖作為河砂替代物進行水泥砂漿性能試驗,結果表明,紅砒砂巖替代率在10%以下時,其對膠砂試件各齡期干縮量影響不大,不同強度等級的混凝土在20%的紅砒砂巖替代率下均能滿足力學性能要求,而水泥砂漿在50%以上的紅砒砂巖替代率下,用水量顯著增加,導致試件強度降低、干縮率增大,材料耐久性不符合要求。因此,提出引入減水劑控制水膠比,以此提高砒砂巖的替代率和水泥砂漿的力學性能。以上證明了砒砂巖替代河砂制備建筑材料的可行性。

4.3 礦區(qū)修復材料

砒砂巖區(qū)位于我國煤炭能源基地核心區(qū),能源開采給該地區(qū)帶來了巨大的經濟效益,但嚴重破壞了當地的生態(tài)環(huán)境,露天煤礦對大氣、土壤、植被、水源和地形地貌等造成了不可恢復的破壞[95]。目前,煤礦排土場的生態(tài)系統(tǒng)亟待修復。

甄慶等[65]選取砒砂巖、黃土、風沙土3類礦區(qū)典型土體模擬了單一構型、分層構型和土石混合構型的入滲過程,研究表明,砒砂巖可降低土體入滲能力,良好的排土場重構結構自下而上依次為土石混合結構、砒砂巖、黃土。溫婧等[63-64]探究了紅、白和灰3種不同顏色砒砂巖對Pb的吸附效果,分析了吸附劑用量、pH值和離子強度等因素對其的影響。此外,通過模擬試驗,研究了砒砂巖摻入量對Pb的形態(tài)分布和毒性溶出量的影響,并探究了土壤孔隙度、土壤持水量、土壤酶活性、pH值的變化規(guī)律。以上研究結果表明,砒砂巖可顯著降低土壤弱酸提取態(tài)鉛含量和土壤鉛毒性溶出量,其吸附效果主要與鉛濃度、吸附劑用量、pH值、離子強度有關,且與吸附劑用量、pH值成正比,與離子濃度成反比。不同顏色砒砂巖吸附速率存在差異,吸附速率從大到小的砒砂巖的顏色依次為灰色、白色、紅色。

砒砂巖特殊的內部結構使其具有較強的抗?jié)B性和吸附性,有效降低了土體入滲能力,砒砂巖具有在降低土壤毒性的同時,改善土壤理化性質的特點,對污染土壤改良具有一定作用。相比其他材料,砒砂巖來源廣泛,無需加工,可就地取材,具有較好的應用前景。

4.4 旅游資源

砒砂巖區(qū)具有獨特的地質地貌,在溝谷中表現為“黃土戴帽,砒砂巖穿裙”的特殊地貌景觀,或形成部分沙丘及薄層沙和砒砂巖相間分布,或成“風沙戴帽,砒砂巖穿裙”的地貌景觀,色彩斑斕,觀賞性強,旅游資源價值高,可開發(fā)第三產業(yè)。目前,內蒙古砒砂巖地質公園已建成投入使用,帶動了當地旅游業(yè)蓬勃發(fā)展。

5 展望

黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略,為我國新時期的水土保持事業(yè)提供了新的發(fā)展契機,同時也對未來黃河中游砒砂巖區(qū)的水土保持和生態(tài)治理提出了新的使命和任務。目前,砒砂巖區(qū)水土流失問題依然嚴峻,生態(tài)環(huán)境依舊脆弱不堪,生態(tài)建設和高質量發(fā)展仍面臨嚴重阻礙。傳統(tǒng)治理手段諸如沙棘“柔性壩”、傳統(tǒng)淤地壩在一定程度上緩解了水土流失現象,但仍存在局限性。將改性淤地壩及護坡工程與抗蝕促生材料、植物措施等相結合的多元立體治理模式具有攔截泥沙、延阻土壤侵蝕和修復植被的良好效果,是未來治理砒砂巖區(qū)水土流失的新方向。同時,還要貫徹綠色發(fā)展理念,開拓資源化利用新思路,形成可持續(xù)發(fā)展模式。諸如:通過對砒砂巖物化性質的研究,將砒砂巖與沙復配成土,改良土壤結構;利用礦區(qū)廢棄物與砒砂巖結合制成改性建筑材料用于淤地壩和邊坡護坡建設以及將砒砂巖應用于礦區(qū)生態(tài)修復。此外,還可以充分挖掘砒砂巖地質文化價值,促進巖區(qū)旅游產業(yè)化發(fā)展。通過生態(tài)恢復、工程治理、砒砂巖改性與產業(yè)經濟相結合,實現砒砂巖區(qū)“水土流失治理-資源利用-產業(yè)經濟”的高質量發(fā)展模式。這對實現砒砂巖區(qū)的生態(tài)恢復和水土保持以及黃河的長治久安具有重要意義。