矿区废弃地水土保持措施配置探讨

李 猛，陈瑞华，席光超，左 琴

（海南省水利水电勘测设计研究院，海南 海口570203）

1 引言

矿产资源开采是迄今最大规模改变地球表面景观和破坏地表生态系统的有组织的人类活动［1，2］。据统计，到20世纪末全国矿区累计被破坏的土地达2.88×106km2，并且每年以大约467km2的速度增长，使本已稀缺的土地资源呈加速减少的趋势［2］。矿区废弃地是指在采矿活动中所破坏的、未经一定处理而无法使用的土地，包括：由剥离表土、开采的岩石碎块和低品位矿石堆积而成的排土场废弃地；矿体采完后留下的采空区和塌陷区形成的采矿区废弃地；开采出的矿石经选出精矿后产生的尾矿堆积形成的尾矿库废弃地；采矿作业面机械设施、矿山辅助建筑物和道路交通等先占用后废弃的其他废弃地［3］。矿区废弃地生态系统的破坏十分严重，特别是土壤和植被的丧失，使土地失去利用价值，地表裸露，废弃物大量堆积，形成了矿区最大的水土流失源；废弃物内的有毒有害物质伴随着水土流失污染土壤和水源。水土流失不但使矿区废弃地的生态环境变得更加恶劣，也使矿区废弃地的生态恢复变得更加困难。因此对矿区废弃地进行水土流失治理就显得尤为重要。本文在分析矿区废弃地水土流失特点的基础上，结合对国内外矿区废弃地水土保持的研究，分别从时间和空间上进行矿区废弃地水土保持措施配置，以期为我国矿区废弃地的水土流失治理提供理论依据和成功模式。

2 矿区废弃地水土流失特点分析

矿区废弃地水土流失是指由于人为扰动地表或堆置固体废弃物而造成的岩、土、废弃物的混合搬运、迁移和沉积，其结果是导致水土资源的破坏和损失，最终使土地生产力下降甚至完全丧失，是一种典型的现代人为加速侵蚀。它包括矿区废弃地及其影响区域范围内的水损失（包括水资源及其环境的破坏）和土体损失（包括土壤、岩石、土状物、废渣、尾矿等的流失）［4，5］。矿区废弃地水土流失是在人为作用下诱发产生的，但完全不同于毁林开荒、陡坡种植等一般性的人为水土流失，具有以下几个方面的特点。

（1）受矿产资源赋存地点和条件限制，矿区一般多位于山区、丘陵区和风沙区等水土流失严重的地区，土壤侵蚀模数背景值多在0.2～1.3万t／km2·年之间［6］。采矿过程中，岩土扰动程度大，地表植被和土壤破坏严重，本来脆弱的生态环境很容易遭到损坏。采矿形成的废弃地多为高陡边坡和松散堆积体，地表裸露，土壤侵蚀变得更加剧烈。露天矿排土场头几年土壤侵蚀模数可达1.5～3.0万t／km2·年［5］；据陕西省水土保持监督部门在神府矿区大柳塔母河沟监测，开矿后土壤侵蚀模数从1.0万t／km2·年增加到2.1万t／km2·年［6］。

（2）矿区废弃地植被、土壤、岩层遭到破坏，尤其是地面塌陷，导致地表水渗漏、地下深层储水结构破坏，水损失由表层及深层，地面水文平衡和整个水分循环系统发生改变。废弃物中的有毒有害物质伴随着淋溶、地表径流和渗漏，造成地表水和地下水污染，成为水资源破坏的一种特殊形式。矿区废弃地水资源系统的破坏不仅影响矿区，而且波及周围区域。

（3）矿区废弃地土壤侵蚀类型多样，使治理更加复杂、困难。矿区废弃地地表裸露，大量废弃物松散堆积，极易产生水力、风力侵蚀。采矿形成的高陡边坡、岩性软弱相间的层状岩体边坡、破碎结构和散体结构边坡等均可能发生滑坡、倾倒和崩塌等重力侵蚀。另外，矿渣多堆放在原状土上，土层结合不紧密、缺乏整体性，再因矿渣沉积时间短、质地疏松，降雨后堆积物极易含水，且在结合部饱和，一旦发生超过排水能力的汇水，堆积物与底层土壤剥离，发生滑坡及泥石流［7］。矿区地面塌陷形成大面积的下沉盆地，因潜水位相对提高，极易引起土壤次生盐渍化，固体废弃物在风雨侵蚀下，其中的盐类成分淋失汇集到低洼处，经过蒸发作用也会使周围土壤盐渍化［8］。除了上述常见的土壤侵蚀类型外，矿区废弃地还有固体废弃物堆积体非均匀沉降、采空区塌陷、土砂液化等引起的特殊侵蚀类型［5］。

（4）矿产资源开发不可避免地要占用大量的土地，一般地说，露天采矿所占用土地面积相当于采矿场面积的5倍以上［9］。又如煤炭矿区，一般都属大型或特大型区域开发项目，其组成有井工矿、露天矿、选煤厂等生产设施，机修厂、热电厂和建材厂等辅助、附属企业，矿区铁路、公路、供水、供电等配套工程以及行政福利、生活居住、商业服务设施等。开发规模一般可达500～3000万t／年，矿区范围可达100～1200km2，人口可达3～10万人，服务年限一般在100年左右，建设期长达5～20年［6］。伴随着矿山开采，矿区废弃地面积逐渐增大，水土流失影响范围越来越广，持续时间延长。矿区废弃地水土流失是一个动态、有时空变化的过程。

3 国内外矿区废弃地水土保持概况

矿区废弃地水土保持起源于土地复垦，是伴随着土地复垦而发展的。土地复垦是指对在生产建设活动中，因挖损、塌陷、压占等造成的破坏土地，采取整治措施，使其恢复到可利用状态的活动，是研究人类生产活动造成的废弃地的恢复与利用的方法和技术。矿区废弃地水土保持实际上包括了矿区土地复垦的大部分内容，但是土地复垦在复垦工艺、复垦地利用方向及其某些特殊技术方面是有别于水土保持的。矿区废弃地恢复难度很大，若不及时采取水土保持措施，就会因为水土流失使土地复垦无法进行，或使新复垦土地再次毁坏而前功尽毁［5，10］。矿区废弃地水土保持是土地复垦的前提和保证，必须贯穿于土地复垦的始终。下面结合矿区土地复垦对国内外矿区废弃地水土保持进行介绍。

国外矿区土地复垦最早始于德国和美国，德国在20世纪20年代初就开始对露天开采褐煤区进行绿化；50年代末到60年代许多国家陆续颁布有关法律、法令和法规，开展矿区土地复垦的实践活动；进入70年代，土地复垦逐步形成了一门多学科、多行业、多部门联合协作的系统工程［5，11］。矿区土地复垦的方式向多样化发展，主要有：农业复垦、林业复垦、旅游休闲胜地复垦、自然保护复垦、水域复垦和建筑复垦等［12］。为了提高复垦效率，降低复垦成本，稳定和提高复垦地的生产力，在矿区废弃地进行土地复垦过程中，通过确定和设计合理边坡角度、沿等高线分割斜坡修筑台阶来保证边坡稳定，为植被恢复创造条件；修筑排水工程、斜坡固定工程、拦挡工程等，拦蓄降雨，保护边坡稳定，防治复垦地土壤侵蚀；在复垦土地上采取植物恢复措施，主要目的是覆盖地表，控制水土流失，包括立地条件的调查、分析和评价，先锋植物种的试验筛选，立地改良措施，播种、种植技术和特殊植被恢复技术等。这些措施在改良、维护和提高复垦土地生产力的同时，也起到防治矿区废弃地水土流失的作用。

我国矿区土地复垦工作开始于20世纪50年代末，直到80年代后期，全国开展复垦的矿山企业不足1%，已复垦利用的土地不到被破坏土地的1%。为了保护国土资源、改善矿区生态环境，国务院1988年12月第19号令颁布了《土地复垦规定》，以法规的形式对土地复垦工作进行了规定，提高了全国各行业的复垦意识，使土地复垦工作有了长足的发展。但是由于经济和技术等方面的原因，目前我国土地复垦率为12%左右，远远落后于复垦先进国家［13，14］。我国矿区土地复垦，农林利用是很重要的方面，复垦技术主要包括场地平整、覆盖表土、基质改良并结合适生树种的筛选等。这些复垦技术也起到了水土保持作用。

根据对国内外矿区废弃地水土保持的研究，矿区废弃地水土保持与土地复垦有着密切关系，贯穿于土地复垦之中，为土地复垦服务，但并未形成独立的体系。这就导致矿区废弃地水土保持研究更多地以保护复垦土地为出发点，对一些没有复垦利用价值的废弃地的水土流失治理研究较少；对闭矿后矿区废弃地水土保持研究较多，而并未重视采矿过程中形成的废弃地的水土流失。

4 矿区废弃地水土保持措施配置

常规的水土保持措施只是针对相对静止的原地貌，而矿区废弃地水土保持措施是面对有时空变化的新地貌，下面分别从时间和空间上对矿区废弃地水土保持措施进行配置。

4.1 不同时段水土保持措施配置

4.1.1 采矿前水土保持措施

采矿项目立项后，根据《水土保持法》规定编制《水土保持方案报告书》，报告书的编写要在实地勘察和熟悉采矿工艺的基础上进行。在《水土保持方案报告书》和项目获得批准后，根据“三同时”制度，进行水土保持设施施工。前期实施的水土保持措施在减少项目土建过程中的水土流失、保障后期生产安全、美化绿化矿区环境等方面起到很大作用，也为采矿过程中不断形成的矿区废弃地的水土流失防治打下坚实基础，尤其是排土场、尾矿库的拦挡、排水措施等。

4.1.2 采矿过程中水土保持措施

过去我国采矿企业普遍存在“重开采，轻保护”的现象，对采矿过程中形成的大量废弃地没有采用任何水土保持措施，严重的水土流失造成了巨大的经济损失，也使闭矿后的水土流失治理变得更加困难。所以，对采矿过程中形成的废弃地，要“边开采，边治理”。这就要求编制矿山采掘计划时，综合考虑采矿和水土保持的要求，融水土保持与采矿于一体，统筹规划采剥作业和水土流失治理作业。采用“剥离、采矿、水土流失治理”一体化工程技术（图1），首先，剥离采矿场、排土场等将要破坏或占压土地的表土，进行集中堆放，并结合覆盖、撒播草籽、拦挡等临时措施进行防护；然后，采取分区开采、采场外部配矿及强化采矿等先进技术，并将开采的岩石碎块和低品位矿石运往排土场，或者进行采空区内排，排土过程中，严格按照设计的安全边坡坡度和坡高进行堆放，按“上土下岩、上细下粗、上中性下酸碱性、上易风化下难风化、上肥下贫”的排土顺序，分层碾压，并与修建的挡土墙和排水措施紧密结合；最后，在排土完毕后，将剥离表土回填，并进行整地、土壤培肥、植被恢复以及配套排水措施等，达到水土流失治理的目的。“剥离、采矿、水土流失治理”一体化工程技术在废弃地形成之后即采取水土保持措施，减少了采矿过程中矿区废弃地的水土流失，也使闭矿后的水土流失治理变得更加容易。

图1 “剥离、采矿、水土流失治理”一体化工程技术流程

4.1.3 闭矿后水土保持措施

矿区一般占地面积比较大，开采时间长。大部分矿区废弃地在采矿过程中采取了水土保持措施，闭矿后，对已实施的水土保持措施进行检查、验收和经验总结，并不断完善剩余废弃地（辅助建筑物占地及道路占地等）的水土保持措施，使整个矿区废弃地的水土保持措施形成一个完整的体系。矿区废弃地进行水土流失治理后产生了一定生态效益和经济效益，但是这种效益需要有人继续进行生产性投资和经营管理。如果得不到有效地管护，已采取的水土保持设施就不能很好地发挥效益。但矿区废弃地面积大，全部由矿山进行管理会使其负担日益加重。这是影响矿山水土流失治理积极性的一个严重问题。解决这一问题的出路是如何将治理好的土地转交给当地农民经营管理。由于矿山土地为国家所有，不能任意出让，目前有关部门向国土资源部提出“农民集资治理”、“租地”等方式来解决水土流失治理土地的归属问题，以使治理好的土地能够最大地发挥水土保持效益。

4.2 不同区域水土保持措施配置

4.2.1 总体配置

矿区废弃地分布类型多样，包括排土场废弃地、采矿区废弃地、尾矿库废弃地、道路及附属建筑等先利用后废弃土地，其中排土场分为填凹式和堆山式，采矿区又由露天开采和井工开采两种方式形成。不同类型区的水土流失形式及强度均不一样，根据不同废弃地的水土流失特点，进行工程措施、植物措施和临时措施相结合的水土保持措施总体配置，见表1。

表1 矿区废弃地水土保持措施总体配置

4.2.2 矿区废弃地水土保持关键技术措施

每个矿区废弃地水土保持措施体系的建立，应根据具体情况，按轻重缓急，有主有次，逐步完成。整体上来讲，矿区废弃地水土保持关键技术措施主要是：

（1）土地整治。当排土场、尾矿库的废弃物堆放达到设计标高，采矿区矿产开采完毕，首先对形成的废弃地进行土地整治，为后续植物措施等布设打下基础。地面平缓、面积大的废弃地只用大型松土机统一整平。对废弃物堆放和矿产开采形成的山丘和边坡废弃地，多平整成阶梯式，为便于边坡治理，边坡角度控制在25°以内，平台整治成内低外高，横向坡度为2°～3°，纵向坡度为3%～5%，与内侧设置的排水措施相结合，以利保水保墒和暴雨期间引导平台汇水排出，保障平台稳定。沿平台眉线修筑断面为梯形、高度不低于0.5m的土石埂，拦截平台汇水，避免形成径流冲刷边坡［11］，详见图2。

图2 阶梯式整地及水土保持措施配置

（2）排蓄水工程。矿区废弃地土地整治过程中，配套进行排蓄水工程建设。在阶梯式整地平台内侧修建截水沟，边坡修建截水沟、急流槽，将平台、坡面雨水汇入垂直等高线方向的排水沟内，结合沉砂池排入低处蓄水池内，同时完善道路及附属建筑物的排、蓄水系统。这样即减少了雨水对地表的冲刷，又解决了矿区废弃地水资源紧缺的问题。

（3）边坡固定工程。开挖或堆积形成的边坡，极易因各种因素作用而失衡，发生水力、重力侵蚀等，根据边坡稳定性和对周围影响来确定不同类型的边坡固定工程。对于稳定性较好且周围无建筑物的边坡，采用覆土并结合人工栽植乔灌草、铺草皮等植物措施，对于覆土困难的边坡可以采用液压喷播技术，或者结合混凝土框格、三维网、植生带、土工格室等措施固土进行植被恢复；对于不稳定或周围有工业设施、居民点的边坡，采用水泥喷浆护坡、锚杆喷浆护坡、浆砌石护坡、护面墙护坡等工程措施［15］。边坡固定工程要与排蓄水工程紧密结合，发挥最大效益。

（4）废弃物拦挡工程。矿区废弃物堆置沟道、凹地、平地，形成大量松散的堆积体，特别是倾斜沟道、河道内极易引起泥石流，因此需要修建各种拦挡建筑物，如拦渣坝、挡土墙、尾矿坝等措施。如果下游有重要工业设施、居民点等，更应高度重视，要进行水土流失定位监测，以防患于未然。

（5）防洪及泥石流排导工程。大多矿区排土场、尾矿库侵占排洪河道，使行洪能力降低，汛期洪水危害严重，疏浚河道、修筑护堤，配合拦挡工程达到防洪防汛的目的。如果危害太大，可以考虑改变排洪河道。在山区，坡面岩土体的破坏和沟道废弃物的堆放，为泥石流的形成创造条件，在修筑各类拦挡建筑物的同时，考虑泥石流的排导工程，做到拦排结合，综合治理。

（6）植被重建技术。几乎所有情况下，矿山开采活动的干扰都超过了开采前生态系统恢复力的承受限度，若任由矿区废弃地依靠自然演替恢复，可能需要100～10000年［16］。在矿区废弃地影响植物定居的主要环境胁迫因子有［17，18］：物理结构不良，持水保肥能力差；极端贫瘠，N、P、K及有机质含量极低；重金属毒性大，抑制植物的正常生长；极端pH值（强酸或强碱性）；干旱或盐分过高引起的生理干旱；表层不稳定性和表层温差变化大。因此必须对矿区废弃地进行基质改良和适生植物筛选才能达到植被重建的目的。

表土覆盖是最简单且有效的基质改良措施，最好是利用原表土，平台覆土厚度0.6～0.8m，边坡最佳复土厚度为0.15～0.20m，这样既保证了边坡植被的出苗率，又不造成工程的浪费［19］；施工中仍应保持整地留有的反坡和纵坡，避开雨季，尽量使用轻型履带式设备，避免造成对土壤结构的破坏。或者采用一些含较高有机质的无害废料，如污泥、堆肥、泥炭土、牲畜粪便、生活垃圾等与基质混合或直接覆盖，必要时再施加石灰、化肥、保水剂等进行改良。在土壤基质改良后，可以先播种牧草，提高土壤肥力，豆科植物中的草木樨（Melilotus suaveolens）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、红 豆草（Onobrychis vicilfolia）、香豌豆（Lathyrus odoratus）等皆适于播种［20］。

目前许多学者在不同的矿区废弃地上筛选出了大量能够富集有毒有害物质且生长良好的植物（见表2）。植被品种筛选好后只能作为先锋品种来种植，要达到长久治理的目的必须乔、灌、草搭配，进行多植被间种、套种、混种。植被栽植时可以结合鱼鳞坑、水平阶整地，达到蓄水保墒目的。

（7）临时措施。在采矿过程中，对剥离表土采取临时防护措施，包括土工布覆盖或撒播草籽、编织袋挡土墙、排水沟、沉砂池等，可以防止雨水冲刷或大风吹蚀，以减少水土流失，保持土壤养分。由于废弃地形成时间比较长，大量裸露边坡并不能及时得到治理，采用临时排水沟和临时挡土埂等措施。临时措施的实施减少了废弃地形成过程中的水土流失，降低了后期废弃地治理的难度（表2）。

表2 可用于我国矿区废弃地植被重建的植物种

5 结语

矿产资源的开发和利用，对经济发展起了巨大推动作用，但也对环境产生重大影响。矿山开采形成了大量废弃地，其水资源破坏严重，土壤侵蚀剧烈，水土流失影响范围广、持续时间长。国内外矿区废弃地水土保持研究多是伴随着矿区土地复垦开始的，其没有形成独立的体系。本文分别从时间上（采矿前、采矿中、闭矿后）和空间上（排土场废弃地、采矿区废弃地、尾矿库废弃地、道路及附属建筑等先利用后废弃土地）对矿区废弃地水土保持措施进行总体配置，并对矿区废弃地水土保持关键技术措施进行介绍，以期为矿区废弃地水土流失治理提供理论依据和成功模式。

对矿区废弃地水土流失治理的建议：相关科研单位应当加强矿区废弃地水土流失治理新技术的研究，并提出矿区废弃地水土流失治理标准；水土流失治理是事关子孙后代的大事，国家应加强矿区废弃地水土保持工作的专门立法，采用贴息、低税和低息贷款等优惠政策，鼓励企业进行水土流失治理；改革矿区土地征用制度，理顺矿山企业与地方政府之间的关系，本着“谁治理，谁受益”的原则，保障企业水土流失治理的经济利益。

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