粤东莲花山矿区钨矿山生态修复研究与实践

杜瑛娜， 林广清2， 谢键泓， 林煊垲

(1. 广东中大新华水环境工程研究院， 东莞523000； 2. 汕头市生态环境澄海监测站， 汕头 515000)

矿山生态修复是践行“两山”理论的重要抓手，也是降低地质灾害发生几率、建设生态文明的重要措施[1]。我国矿山生态修复起步于20世纪50年代，主要开展零散的造田植树活动[2]。《土地复垦条例》和《矿山地质环境保护规定》的出台，标志着我国矿山生态修复进入规范化管理阶段[3]。目前，我国矿山生态修复已由简单复绿转变为注重生态修复模式[4]，如李国政研究了矿山生态修复与多产业融合发展的3.0模式[5]。国外矿山修复走在前列的包括美国、德国、澳大利亚等国家[6]，注重将矿山修复为原来的用地状态[7]。澳大利亚将大部分矿山恢复为以桉树为主的生态系统[8]，或将其修复为农业、休闲和建筑用地[9]，如HOWIESON等[10]成功将圣诞岛上部分矿山修复为农田。然而，仅采用单一技术难以实现对矿山生态系统的修复[11]，也难以将其完全恢复到初始状态，需根据矿山类型及状态，综合考虑修复时间、成本、目标等因素以选择合适的修复模式[12]。本文以粤东莲花山矿区生态修复一期工程为例进行研究，旨在验证其修复模式的可行性和有效性，为钨矿山生态修复提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况及主要环境问题

粤东莲花山钨矿系属地下开采的中型矿山，位于潮澄饶三县(区)交界处，面积约2.122 km2，属粤东莲花山脉，地形为低山丘陵。矿区属于南亚热带季风气候，年平均气温达21.2 ℃，年平均降雨量为1 512.7 mm。莲花山钨矿始建于1956年，1991年因资源枯竭闭矿。莲花山矿区地势南高北低，地表径流通道有山前、山后2条，山前水集中在矿区原精选尾矿库——山前库区，下游流入澄海市盐鸿地界，通过7 km长的排污沟排入大海，以三君桥断面(W1)作为地表水常规监控断面；山后库区包括1～5号库以及废矿石堆拦石坝和锥形山，山后水集中在4号库区，流入下游饶平县钱东镇经径南村地界延续至潮安县铁铺镇地界，流经樟厝堤水库、白石岭水库和岗山水库，最后流入韩江，以4号坝底渗流、排水涵洞汇合点下游10 m处作为跨界监控点(W2)。研究区域位置如图1所示。

图1 莲花山矿区的监测点位置

2010年，莲花山矿区生态修复一期工程被列入有色金属资源枯竭矿山尾矿库闭库安全治理工程项目，2016年完成尾矿库消库手续，不再列为尾矿库管理[13]，安全方面的隐患已经消除，但环境污染问题没有得到全面治理，存在较多环保遗留问题。主要体现为：山体大面积裸露，缺乏表层土及植物必需的养分元素，同时Cu、Cd、Pb、Ni、As等重金属含量较高，尤其是作为钨矿特征重金属因子As的质量分数高达893.17 mg/kg[14]，比As的矿区背景值(167 mg/kg)高出4.3倍，植被难以生长，需要进行基质改良才能恢复植被；另外，矿区雨污分流不彻底，雨水浸泡产生的含重金属渗流直接超标排放影响了周围水体环境，山前地表水三君桥断面(W1)As超标倍数为1.33倍，山后排水跨界监控点(W2)Cu、Cd、As等主要重金属指标均超标，超标倍数分别高达6.14、48.60、33.56倍(表1)。

表1 修复前矿区地表水及表层土中金属元素监测结果 Table1 The metal monitoring results of surface water and surface soil in the mining area before restoration

1.2 环境质量效果评估方法

1.2.1 样品采集 样品采集包括3项共18个，具体布设见图2，包括：(1)生态复绿区域布设14个土壤表层采样点(T1～T14);(2)在山前、山后2套重金属废水治理设施出水口各设置1个水污染物排放情况监测点(D1～D2);(3)在山前地表水常规监测断面(三君桥断面)、山后排水跨界监控点(4号坝底渗流、排水涵洞汇合点下游10 m处)各设置1个监测点(W1～W2)。样品采集与样品检测工作委托具有中国计量认证(CMA)资质的公司进行监测并出具报告，土壤样品的采集及测定按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)的要求实施，平行样采集比例为10%，相对偏差低于7.3%，均小于允许的相对偏差；地表水和水污染物排放样品的采集按照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)要求进行，地表水和水污染物排放平行样采集比例分别为12.5%、11.3%，相对偏差低于9.0%，均小于允许的相对偏差。

图2 样品采集布点图

1.2.2 评价方法 选取钨矿山的特征重金属指标As、Cd、Pb、Cu、Ni，与该项重金属污染物评价标准进行比对，评价其是否达标；将矿区环境质量作为一个整体，与当地背景值或与历史资料进行比较，从而评价该矿区生态修复一期工程实施后的环境质量改善情况。

1.3 生态复绿效果评估方法

1.3.1 样方设置及群落调查 在莲花山矿区4个生态复绿区域设置5个样方，并在矿区外设置1个参照样方，每个样方调查面积为10 m×10 m，共设置6个样方。 采用样点记录法进行群落调查，记录所有植物种类、数量及盖度等各项指标。调查内容包括群落组成、总盖度、物种数、群落结构等。植被群落分类采用《中国植被》的分类原则和方法进行。

1.3.2 植被生态环境质量评价方法 绿色植物的生物量和净生产量是生态系统物流和能流的基础，是生态系统的重要特征和本质标志，物种量是环境植被组成的基础。植被是综合反映生态环境质量的重要指标，但目前尚无统一的评价标准。本调查中，采用植物群落的生物量、净生产量、物种量作为生态环境评价的基本参数[15]。

根据目前对地带性植被南亚热带常绿阔叶林的研究，其生物量的最大值约400 t/hm2，净生产量的最大值约25 t/(hm2·a)，最大物种量(1 000 m2内的物种数，全文同)约100种[16]，以此值作为最高一级生物量、净生产量、物种量以及标定生物量、标定净生产量、标定物种量，并将它们各分为6级(见表2)，每一级评价参数与标定评价参数的比值为标定相对参数值。将标定相对生物量、标定相对净生产量、标定相对物种量相加得到生态环境质量综合指数，该指数在很大程度上反映了环境生态质量的变化[17]。

Ba=Bi/Bmax，

(1)

其中，Ba为标定相对生物量，Bi为生物量(t/hm2)，Bmax为标定生物量(t/hm2)，取400 t/hm2。

Pa=Pi/Pmax，

(2)

其中，Pa为标定相对净生产量，Pi为净生产量(t/(hm-2·a-1))，Pmax为标定净生产量(t/(hm-2·a-1))，取25 t/(hm2·a)。

Sa=Si/Smax，

(3)

其中，Sa为标定物种量，Si为物种量，Smax为每千平方米的标定物种量，取100种。

表2 南亚热带各级植被的生物量、净生产量、物种量及其标定量的分级表标准

2 结果与讨论

2.1 环境质量监测结果与效果评估

2.1.1 表层土壤主要重金属污染情况 莲花山矿区一期工程实施前后表层土壤主要重金属指标监测数据见表3，As作为钨矿最重要的重金属特征指标，经过一期工程实施后，表层土中As的平均质量分数为206.86 mg/kg，比修复前削减了76.8%，但14个测点中仍有8个测点超标，超标率达57.1%，尤其是T1、T4和T7点表层覆土中As质量分数明显超标，分别处在1号库、5号库和锥形山。莲花山矿区一期工程覆土主要来自莲花山附近饶平县辖区台地，修复过程未对覆土土壤主要重金属指标进行检测，T1、T4和T7点相比As的矿区背景值(167 mg/kg)分别高出3.9、1.6、6.3倍，其原因可能是由于修复植被尚处在幼苗阶段，修复面上覆土受到雨水冲刷现象明显。雨水冲刷将少部分覆土层下的受覆盖物翻动到表层，导致修复面低洼处局部表层覆土As质量分数明显超标。随着复绿植被的生长，对土壤固着能力的增加，这种修复面覆土被雨水冲刷的现象将会消失。而Cu、Cd、Pb、Ni等4种重金属的质量分数在一期工程实施前后均能满足评价标准的要求，修复后4种重金属的平均质量分数分别为76.36、0.27、137.77、3.64 mg/kg，比修复前分别削减了61.4%、95.7%、72.2%、82.8%。表层土壤As、Cu、Cd、Pb、Ni等5种重金属指标监测结果(表3)表明：在矿区1号库、5号库、锥形山、拦石坝4个区域采取的工程措施及生态复绿措施有效控制了废石堆和尾矿砂中重金属的淋溶冲刷，并且未见明显的污染输入问题，修复效果明显。可见该修复方案有效，但矿区As的质量分数超标问题并非仅仅一期工程就能解决，还有赖于下一阶段工程的持续努力。

2.1.2 水污染物排放及地表水影响 山前、山后2套重金属废水治理设施出水口监测结果详见表4。2020年1月监测值表明，山前重金属废水治理设施出水口Cu、Ni、Pb等3项重金属指标均未被检出，Cd、As的平均质量浓度分别为0.007 5、0.2 mg/L，均能达到广东省《水污染物排放限值》(DB44/26—2001)第二时段一级标准要求；山后重金属废水治理设施出水口Cu、Cd、Pb、Ni、As等5项重金属指标均未被检出，而废水处理设施2019年台账也表明As、Cu这2项重金属指标均能稳定达标。可见采用“前段氧化+石灰中和沉淀”、“石灰中和+混凝沉淀”的主体工艺处理矿区重金属废水可行。

山前、山后地表水监控点的监测结果(表5)表明：在修复前山前地表水三君桥断面5种重金属指标中，As的质量浓度严重超标，平均值为1.164 mg/L，比评价标准0.1 mg/L高出10.6倍，一期工程实施后，As的平均质量浓度为0.609 mg/L，比修复前削减47.7%，但仍是评价标准的6倍。而Cu、Cd、Pb、Ni等4种重金属指标修复前后均能达标，修复后比修复前分别削减84.1%、86.4%、89.4%、90.0%，可见一期修复工程在阻滞矿区重金属的淋溶流失中起到了较为明显的效果。

在山后监测点4号坝底渗流、排水涵洞汇合点下游10 m处，修复前5项重金属指标中有3项超标，为Cu、Cd、As，超标倍数分别为6.1、48.6、33.6倍，而一期工程修复后，Cu、Cd、Pb、Ni、As等5种重金属指标均能达标，尤其是As未被检出，相对于修复前削减了98.8%以上，修复效果显著，跨界污染得到非常有效的阻隔。

在一期工程实施的11个子工程中，仅有莲花山钨矿专线排污清淤工程、山前库坝顶硬底化工程、山前库区重金属废水治理工程这3项子工程位于山前，其余8项子工程均位于山后。以上监测结果也表明，山后地表水修复效果明显优于山前。因此，山前三君桥断面中As超标问题应引起重视，山前库治理应作为下一阶段的修复重点。

表3 莲花山矿区一期工程实施前后表层土壤中主要重金属的质量分数

表4 山前、山后2套重金属废水治理设施出水口中重金属的质量浓度

表5 山前、山后监控点地表水中重金属质量浓度的监测结果 Table 5 The monitoring results of surface water at monitoring points in front and back of the mountain mg/L

2.2 植被复绿效果评估

2.2.1 样方主要植物群落及生态环境质量综合指数 经调查，6个样方的植物群落分别为马尾松-皇竹草群落、尾叶桉+马尾松+马占相思-皇竹草群落、樟+马尾松+马占相思-皇竹草群落、秋枫-灰莉-五节芒群落、尾叶桉-五节芒群落和尾叶桉群落等。在6个群落中，有5个群落的灌木层/草本层不成层，2个群落无藤本植物。6个样方主要植物群落的生物量、净生产量范围分别为7.2～28.0、3.1～7.1 t/(hm2·a)，每千平方米物种量为6～14种，标定相对生物量、标定相对净生产量、标定相对物种量以及生态环境质量综合指数范围分别为0.018～0.070、0.124～0.284、0.06～0.14、0.212～0.444，生态环境质量综合指数均为Vb级(表6)。

表6 一期工程修复后植被恢复区样方调查结果Table 6 The survey results of vegetation restoration area after the first-phase ecological restoration project

2.2.2 生态复绿效果评估 一期修复工程实施后，莲花山矿区4个生态复绿工程区域5个样方全部存活每千平方米拥有3～5种植物形成的植被群落，生态环境质量综合指数均为Vb级，锥形山生态环境质量综合指数最低(0.212)，是矿区外参照样方的47.7%；5号库复绿效果最佳(0.350)，生态环境质量综合指数达到参照样方的78.8%。

总体上，粤东莲花山矿区环境整治工程植被修复效果显著，下一阶段工程需要持续精心抚育本次工程修复成活的植被，及时补种锥形山废石植被修复面约占12.5%的修复植物未成活的裸露面，以期增加修复面上植物群落的净生产量，强化其固化修复面土壤的功效。

3 结论

粤东莲花山矿区生态修复一期工程实施后有效改善了矿区的景观；控制了矿区雨水、矿坑涌水和尾矿库渗出水对矿区废石及尾矿砂的淋溶；遏制了矿区酸性含重金属废水对下游水环境质量造成的影响，跨界污染问题得以解决，修复环境效益明显，可见采用“工程措施加生态复绿”的生态修复模式对钨矿山进行生态修复是可行的，可为其他钨矿山初期生态修复提供借鉴与参考。

矿山生态修复是恢复绿水青山、建设金山银山的过程，也是持续推进的过程，下一阶段通过寻求更有价值的修复模式盘活矿区周边用地，是缓解城镇建设用地紧张局面和提高生态系统服务价值重要举措，而生态修复资源再利用带来的土地供应的增加与增值，也将反哺下一轮生态修复工程，成为持续生态修复的源动力。