矿区损毁地生态环境破坏现状分析及治理方式研究

王 斌

(惠州市博润生态工程咨询有限公司，广东 惠州 516003)

1 概述

鞍山市是我国重要的工业基地，以“钢都”蜚声中外，经济实力已跃入全国50强之列。随着市场经济体制的建立及国家“重振老工业基地”战略的实施，采矿业发展势头迅猛，除国有大、中型采矿企业生产规模不断扩大外，个体私营矿点也大量涌现。采矿业虽然对全市、全省乃至全国经济发展和综合国力的提升做出了突出贡献[1]，但是长期以来，由于偏重经济效益，忽视环境保护，采矿业大规模的基本建设，在开采过程中造成严重的环境问题[2]。尤其是露天开采方式，造成植被破坏、水污染、水土流失等现象[3-4]。采矿造成的废料，不仅占用大量的土地资源，而且造成植被破坏、土壤侵蚀等，严重危害区域生态环境安全[5-6]，同时高强度的资源开发，还会造成弃土、弃石、弃渣的任意倾倒[7]，严重破坏环境，形成了大面积的矿区损毁地。

在采矿过程中会造成地面沉陷、坍塌、泥石流等地质灾害，以及较大范围景观破坏等[8-10]；采矿过程中产生的“三废”会造成大气、地下水污染、重金属对土壤污染等对周边环境的影响[11-14]；还会对生态环境造成严重破坏，露天开采造成植被盖度下降，甚至会导致土地完全裸露，与此同时，废弃物会导致土壤物理性质变差，不利于植物生长[15-17]。损毁地严重的水土流失，恶化的生态环境，制约了鞍山市经济的可持续发展。因此，探索鞍山市矿区损毁地生态环境保护和生态重建方式迫在眉睫。

通过对全市矿点的相关信息进行普查、统计分析，获取全市矿点种类、数量、破坏面积、水土流失量等资料，全面摸清矿区损毁地破坏状况及其危害程度，了解矿区损毁地破坏特点，掌握其生态环境破坏规律，从管理上、技术上和投入上有针对性地启动全市矿区损毁地生态重建，保护水土资源，改善生态环境，有着重要的指导意义；同时对保护全市的生态安全，实现经济社会的可持续发展和重振辽宁省老工业基地战略目标，有着重要的历史意义。

2 研究内容与方法

2.1 调查研究内容

调查研究对象为鞍山市所有采矿企业，分为金属类(铁、锰、铜、金、铅、钨、钼等)和非金属类(石、砖厂、菱镁、煤、滑石、石灰石、磷、膨润土、石棉等)两类。

调查内容如下：① 企业基本情况(包括矿点地理位置、初采时间、开采年限、固体废弃物年排放量和累计排放量等)；② 植被、地貌破坏情况(生态环境破坏面积、植被盖度、坡度、坡长等)；③ 生态环境因子(下垫面表层及矿区损毁地气温、下垫面表层物质含水量及矿区损毁地空气湿度等)；④ 水土保持状况(林草措施种类及面积、工程措施种类及数量等)；⑤ 生态环境破坏类型及危害。

2.2 数据统计分析方法

采用访问调查、GPS实地测量和观测试验相结合的方法，对矿区植被、地形地貌、生态环境破坏类型及危害、水土保持状况等进行调查，由于全市矿点种类丰富、数量众多，数据统计分析任务繁重，为确保及时、准确完成对全市矿点的统计分析工作，利用Excel、SPSS数据处理工具对鞍山市矿点种类、数量、所有制结构、生态环境破坏面积、水土流失量、水土流失侵蚀模数等数据进行统计分析。

3 矿区损毁地破坏情况

调查结果表明，鞍山市共有452处矿场(废弃15处，437处正在开采)，分为26个不同矿种，其中金属矿场164处(以铁、金、铅、锌为主)，占总数的36.28%；非金属矿点288处(以各种石材和砖为主)，占总数的63.72%。

3.1 矿区损毁地破坏面积

利用SPSS对鞍山市矿点情况进行统计分析，不同种类矿点损毁地破坏面积情况见表1。从表1可以看出，全市矿场平均单位破坏面积为22.63 hm2，金属矿破坏规模较大，矿场平均单位破坏面积达50.24 hm2，非金属矿破坏规模较小，矿场平均单位破坏面积仅为6.92 hm2。采矿场、排岩场、尾矿库和道路造成的破坏面积中，金属矿分别是水金属矿的2.6、18.4、1 695、2.6倍，主要由采矿工艺、矿产和尾矿库等形式不同造成的，尾矿库破坏面积差异最大。从破坏土地类型及面积看，全市矿区开采占用荒山最多，林地次之，农地最少。由于金属矿破坏面积巨大，因此，矿区损毁地重建重点应放在金属矿上。

表1 鞍山市不同种类矿点损毁地破坏面积情况

3.2 矿区损毁地水土流失状况

采矿在取得很好的经济效益的同时，对生态环境也造成了严重破坏(如水土流失现象)[18]。矿区损毁地水土流失量的计算是根据各矿点不同组成部分的水土流失特点，选用相应的土壤侵蚀模数计算数学关系模型[19]，具体模型见表2所示。

表2 矿区损毁地土壤侵蚀模数计算数学关系模型

通过选用不同处理方式的土壤侵蚀模数计算模型，计算不同种类矿点的不同组成部分开矿前、后水土流失量，以及水土流失增量(万t/a)，计算结果如图1所示。

从图1中可以看出，非金属矿平均每个矿点引起新增水土流失量为359.38 t/(处·a)，而金属矿引起新增水土流失量为9 141.46 t/(处·a)，是非金属矿的25.4倍，这与其较大的破坏面积有很大关系；若从不同种类矿点单位面积水土流失增量看，非金属矿新增水土流失量为51.97 t/(hm2·a)，金属矿新增水土流失量为181.96 t/(hm2·a)，是非金属矿的3.5倍，由此可见金属矿对生态环境扰动的剧烈性及其破坏区域内水土流失的严重性，因此金属矿是矿区损毁地治理的关键区域。从矿区损毁地组成结构看，采场、排岩场、尾矿库、道路和厂区单位面积水土流失增量分别为77.94 t/hm2、426.02 t/hm2、75.42 t/hm2、35.98 t/hm2和20.61 t/hm2，由此可见排岩场、采场和尾矿库是水土流失最严重的区域，是矿区损毁地生态重建的重点区域。

图1 鞍山市不同种类矿点水土流失情况示意

3.3 矿区损毁地生态环境破坏危害

矿山开采对地形、地貌产生剧烈扰动，破坏矿区水土资源、植被，再塑地貌的作用和影响之大是空前的。矿山开采形成大面积的挖损地貌和堆垫地貌，与原地貌相比，这些人为再塑地貌坡度大、植被盖度低，同时堆积物结构松散，极易产生水土流失，进而对其周边地区和下游河道及两岸村屯、城市、道路和农田造成危害。

1) 生态环境破坏严重，恢复难度大

调查结果表明，露天采场开采后、排岩场排弃后和尾矿库库区植被盖度变为0%，露天采场坡度开采后平均增加到52°，最高为90°；地下采场及其周边地区植被盖度平均比开采前降低19%。地下采场塌陷后边坡都增至60°～90°；排岩场排放后坡度增至平均41.4°，有的可达52°。

同时采矿对地温、气温、岩土含水量、水分蒸发及空气相对湿度等生态环境因子都有较大的影响。对地面温度而言，当气温升高时排岩场的地面温度高于开采前(夏季可高3℃～7℃，最高达10℃以上)，当气温降低时排岩场的地面温度低于开采前[20]。在春、夏、秋三季排岩场不同深度土层地温都表现出明显的白天骤升、夜晚骤降的统一趋势，直到80 cm土层才达到恒温层。矿区损毁地气温，春、秋季节比开采前低1℃～2℃，夏季则比开采前高2℃～3℃，极端最高温度比开采前高6℃，极端最低气温比开采前低9℃以上。矿区损毁地岩土含水量，明显低于对照土壤含水量，平均低6%～11%，最多的低15%以上，且涵养水源能力大大减弱。排岩场平均日蒸发量比开采前高1～5 mm，但空气相对湿度却显著低于开采前。

由于表土剥离与压埋，植被破坏，基岩裸露，砂砾遍布，地面坡度增加，致使矿区损毁地立地条件相当恶劣。同时损毁地地温的骤升骤降、气温与土壤含水量低调解能力以及高的蒸发量与低的空气相对湿度，致使植物易遭遇冻害、灼伤、干旱等威胁，使其恢复治理难度加大。

2) 水土流失强度大，恢复治理率低

根据对全市矿区损毁地现状的调查、统计、计算与分析，采矿活动扰动原地貌、破坏植被致使基岩裸露、砂砾遍布，同时固体废弃物的松散堆放、大量尾矿的随意排放，在强降雨和大风的作用下大大增加了矿区损毁地的水土流失强度。

全市矿区损毁地平均侵蚀模数为18 070 t/(km2·a)，是全市平均侵蚀模数的5.2倍。金属矿侵蚀模数为20 492.43 t/(km2·a)，是全市平均侵蚀模数的5.9倍，非金属矿侵蚀模数为8 048.72 t/(km2·a)，是全市平均侵蚀模数的2.3倍，金属矿对矿区生态环境造成剧烈扰动，并且还会对区域内严重水土流失的破坏，因此，金属矿是矿区损毁地恢复治理中的重点；从矿区损毁地组成结构看，排岩场侵蚀模数为44 355.04 t/(km2·a)，是全市平均侵蚀模数的12.7倍，其次为采场，侵蚀模数为11 050.80 t/(km2·a)，是全市平均侵蚀模数的3.2倍，之后依次为尾矿库、道路、厂区，侵蚀模数分别为8 706.47 t/(km2·a)、6 723.17 t/(km2·a)和3 349.71 t/(km2·a)，分别是全市平均侵蚀模数的2.5倍、1.9倍和1倍。全市矿区损毁地每年水土流失量高达184.87万t/a，这相当于全市1 0230.77 hm2的矿区损毁地每年流失表土厚度为1.34 cm。全市10 230.77 hm2的矿区损毁地面积，已恢复治理的面积为525.02 hm2，仅占总破坏面积的5.13%。

3) 水蚀淤积下游河库，增加洪涝灾害，污染水质

由于矿区损毁地地表植被覆盖率较低，其涵养水源能力相当差，每逢降雨，很快就形成地表径流，并携带着表层细颗粒物质进入下游沟道河流，淤积河床、水库，抬高河床、缩短水库使用寿命，有可能导致水库调蓄雨洪能力降低，增大洪水危害。更为严重的是，有些采矿固体废弃物中含有大量有毒、有害物质，输移到下游河道、水库后，造成水质污染，致使水资源利用价值降低甚至丧失。

4) 风蚀灰尘蔽日，危害人民群众身体健康

采矿过程中产生的废弃物结构松散、碎屑多，特别是选矿过程中形成的尾矿，颗粒细小，多为粉尘状物质，表面又无任何覆盖物，遇大风严重时，能见度不足10 m，对周边环境产生极为不利的影响。

4 矿区损毁地生态环境恢复措施

全市现有治理面积相对于破坏面积是相当小的，全市矿区损毁地水土流失治理率仅为5.13%。矿区损毁地生态恢复治理任务十分艰巨，因此，应建立相应的生态环境治理措施，恢复矿区损毁地生态环境。白中科等[21]提出了矿区“地貌重塑、土壤重构、植被重建、景观重现、生物多样性重组与保护”生态系统恢复重建的“五阶段”。结合本市现有生态环境治理情况，应对矿区损毁地地貌与植被恢复、水土流失防治、生态环境恢复等提出相应的恢复措施。

4.1 地貌与植被恢复措施

为满足矿区植被生长发育需要，结合矿区实际情况与周围环境的实际情况，确保自然景观的协调发展。首先对矿区坡度较大边坡进行削坡处理，并将其碎石回填低洼处。采用“台阶式”削坡处理方式对于坡度较高的边坡进行削坡处理，全坡面遵循自上而下进行人工坡面修整，每段施工长度不小于10 m，按照要求制成间距20 m的台阶和排水措施。碎石的处理方式为：对体积较大的碎石进行填埋(表面的碎土层应为30～50 cm以上)，小碎石直接进行夯实处理。在处理过程中，还应当格外注意边坡的倾斜角度，控制在5°～10°左右，便于降雨和农业生产用水等的排放，确保不发生滑坡和小面积垮塌等[22]。

进行植被恢复时，金属矿采用ArcGIS空间插值分析方法研究金属矿(铁、锰、铜、金、铅、钨、钼等)的空间分布，通过相关性分析判断重金属来源并讨论污染成因。然后金属矿和非金属矿都采用客土整理方法对矿区损毁地进行修复，为了避免对矿山周围的生态环境造成二次破坏，遵循气候环境适应性原则和相关植物的生长特点，选择适宜于本地生长的植被(灌木为丁香、乔木等，乔木为枫树和愉树等)。在种植植被的同时进行封山育林，通过封山育林可减少人类活动对植物的影响，有效提高植被的自我繁殖能力，从而确保矿区绿化后，植物快速生长，尽快恢复被破坏的矿区生态环境。

4.2 矿区水土流失防护措施

矿区损毁地大面积地貌形态和植被破坏，地表风化层疏松，即使利用客土法整治后，整治区域仍会因砂砾化面蚀、沟蚀和土砂流泻等而再次毁坏。为防止水土流失，以保土为原则，恢复植被，首先矿区损毁地种植先锋植物(如沙打旺、首猎、红豆草、刺槐等)，使地表迅速覆盖，保持表层土[23]，同时，在矿区边坡坡度较缓的区域，修建排水沟，采取明沟开挖和自然排水方式，使降雨能沿着排水沟顺利排泄，引致矿区地势较低处使其自然排放。但是过分排水，会导致矿区土壤干旱，增加植被恢复难度；蓄水太多，使堆积体深层形成软弱面而产生滑坡和泥石流。因此，建立相应的排蓄系统，采取必要的抗滑、抗崩塌措施，有助于矿区的稳定性和环境恢复。

4.3 矿区生态环境恢复措施

矿区损毁地会对生态环境造成严重的破坏，容易导致水土流失、土壤沙漠化等自然灾害，生态环境修复是对矿区环境产生的损毁进行修复。矿区环境修复主要恢复土壤特性和提高植被覆盖率，修复矿区土壤和植被能有效地缓解水土流失、土壤沙漠化，还能够防止粉尘污染、泥石流和滑坡等等自然灾害的发生。生态环境恢复过程中主要采用工程技术措施(坡形修整技术、土体压实技术、地表水系改造技术等)、物理修复技术(物理粉粒技术、蒸汽浸提技术、热力学技术和冰冻技术等)和化学修复技术(化学氧化技术、电化学技术、化学淋洗技术和溶剂浸提技术等)等措施相结合的方法[24]。

土地修复是植被和水资源等环境修复的前提保障，矿区产生的有害气体会导致矿区土壤积累过多的有害物质，造成矿区植被数量减少，同时会对矿区土壤微生物生活环境造成严重破坏，可以利用化学修复技术来调整土壤中有害物质(氮、磷、钾等)的含量，提高土壤生产能力，增强矿区土壤肥力，使矿区植被能更好地生长，还可以利用植物降低土壤中有害物质含量。矿区废弃物中的无机添加剂(如煤灰、氯化钙以及石膏等物质)可以降低废弃物中有毒物质的对土壤环境的破坏，对土壤一定的改良作用。通过物理方法优化土壤结构使其逐渐恢复原有结构形态，能够通过覆盖、培育并维持矿区表土结构，有效控制表层土壤的水土流失[25]。可以通过控制矿区水资源污染源头方法来减少矿区废水的排放量，植被可以吸收矿区空气中的有害气体(CO2)，合理利用植被可有效改善矿区大气和水体环境，进而使其得以修复[26]。

5 结论与建议

鞍山市矿场平均单位破坏面积为22.63 hm2，金属矿排岩场、采场和尾矿库是水土流失最严重的区域，是矿区损毁地生态重建的重点区域。矿区水土流失强度大，水蚀淤积下游河库，增加洪涝灾害，污染水质，风蚀灰尘蔽日，恢复难度大；恢复治理率低；危害人民群众身体健康。

矿区损毁地地貌与植被恢复中应当遵循以下步骤：① 针对坡度较大边坡进行削坡处理，并将其碎石回填低洼处；② 采用客土整理方法对矿区损毁地进行修复；③ 通过植树造林提高植被覆盖率，起到防沙固土减少水土流失的目的，同时应当建立相应的排蓄系统，采取必要的抗滑、抗崩塌措施；④ 采用物理和化学修复技术调整土壤中有害物质(氮、磷、钾等)的含量，使矿区植被能更好地生长。