煤炭是我国的优势矿产资源,在我国的能源结构中具有基础性保障地位[1]。近年来煤炭在能源中的比例有一定下降,但仍占我国能源的60%左右,且煤炭的生产和消费量仍在逐年增加。煤炭开采引起的生态环境问题与生态修复治理已经得到广泛的关注,根据我国煤炭资源“九宫”分区的特征[2],结合地形地貌、自然气候和生态功能分区等因素,除西藏及周边地区煤炭资源赋存少且未大规模开发之外,将我国煤炭生态地质恢复治理类型分区划分为以下8 种:东北平原区、黄淮海平原区、东南低山丘陵地区、沙漠草原区、沙漠戈壁区、高原高寒区、黄土高原区和山地岩溶区,其中高原高寒地区生态环境脆弱,是生态环境修复治理和资源保护的难点地区,笔者以青海省木里矿区为例,通过矿山生态恢复治理工程实践研究高原高寒地区生态修复治理模式和关键技术。
木里矿区位于祁连山南麓腹地,黄河重要支流大通河源头,背靠祁连山国家公园,祁连山是我国西北地区重要的地理分界线和生态安全屏障的重要组成部分,也是物种遗传基因库和生物多样性保护优先区域和青海湖水源涵养地,又是我国西部生态安全屏障的重要组成部分,生态地位和水源涵养功能都极其重要。近些年来,在全球变暖的大背景下,气候环境的变化对青藏高原生态系统群落组成和结构、植物生长状况、植被覆盖度[3-5]、草地植被和土壤环境[6]、高寒植被的物候特征[7-8]都产生了一定的影响,但相对气候产生的影响,人类采矿活动造成的影响程度更大。
木里矿区是青海省最大的煤炭矿区也是西北地区重要的炼焦煤资源产地[9],同时又是我国陆域天然气水合物分布区[10]。前人对木里地区在煤炭资源赋存规律 [11-14]以及天然气水合物[10,15-17]等方面的研究较多,20世纪60年代木里煤田发现以后,逐步进行小规模开采,大规模的开采始于21世纪初,主要为大开挖式露天开采,在开采煤炭资源的同时,对生态环境的影响日益加剧,引起了国内外不同程度的关注。2014年8月英国《卫报》报道了木里露天煤矿开采对生态系统扰动与破坏情况,在国内外引起了强烈反响。2014—2018年,青海省对木里矿区进行了生态环境综合整治,并取得了较好的治理效果,但仍有企业非法开采煤炭资源,2020年8月《经济参考报》对兴青公司非法开采进行了报道[18],在社会上产生了一定的影响,青海省委省政府迅速行动,开展大面积矿山环境恢复治理。
新时代生态文明建设已上升到国家战略高度,绿水青山就是金山银山,生态环境保护与修复要遵循“山水林田湖草”生命共同体理念[19],煤矿山环境治理及生态修复技术研究是煤炭地质研究的重要方向[20],必须统筹好资源保障与生态环境的关系[21],以水而定、量水而行,因地制宜[22],在修复中最大程度的保护水资源。针对煤矿生态修复治理,国内有学者提出“边采边复[23]”的理念与技术,但大部分是基于低海拔地区的煤矿山生态修复。近年来,专家学者从高原高寒地区生态修复的现状出发,就加强统一规划、划定生态红线、积极完善生态补偿机制等方面提出对策建议[24-27],并在采坑回填及地表生态恢复[28]、覆土措施[29]、冻土保护[30-31]及矿山遥感监测[32-35]等方面都做了有益的探索,但尚未形成系统化的修复治理体系。木里矿区生态恢复是目前我国在高原、高寒、高海拔地区开展的大面积矿山治理的首例示范性工程,国内外鲜有成功经验和成熟模式可借鉴,具有很强的探索和试验意义。笔者在主持开展木里矿区生态环境综合治理的实践过程中,以“山水林田湖草”为一个生命共同体的理念,从煤炭生态地质勘查[21]角度,针对矿区生态环境与资源的破坏和扰动,开展有针对性的关键技术研究,形成高原高寒区的生态环境修复治理模式,着力实现木里矿区生态系统质量整体修复提升,与周边自然生态环境有机融合,为高原高寒地区煤矿区生态修复提供借鉴。
1 矿区现状与主要生态环境问题
1.1 矿区现状
木里矿区地处中祁连山高海拔地区,主要以高原冰缘地貌类型为主,海拔3 800～4 200 m,为典型的高原高寒缺氧地区,属典型的高原大陆性气候,自然条件非常严酷,土壤类型主要以高山草甸土、沼泽草甸土为主,土层厚度10～50 cm,常年冻土覆盖,沼泽、湿地和高山草甸发育。植被类型分为高寒沼泽类和高寒草甸类,具有较明显的高寒地区形态特征。区内生态环境较脆弱,易被破坏,且难以恢复[9]。区内发育的河流有上哆嗦河、下哆嗦河、江仓曲及其支流,均属大通河水系。河水依靠高山融雪水、泉水及大气降水补给,采坑两侧多为季节性冲沟。水文地质条件简单,地表水动态随季节性变化明显。木里矿区含煤地层为中侏罗统江仓组和木里组,主要开采煤层为下1、下2 煤层,煤层埋深0～1 000 m,平均煤层厚度7～12 m,属暴露式-半隐伏式煤田。根据《木里煤田矿区总体规划》,该矿区由江仓、聚乎更、弧山和哆嗦贡玛4个区组成,目前,弧山区尚未开发,聚乎更区、江仓区和哆嗦贡玛区进行了不同程度的开发,共形成11 个露天采坑、 19 座渣山,采坑总面积1 433.04 万m2、容积68 242.94 万m3;渣山总面积1 856.79 万m2、总体积48 946.62 万 m3, 采坑渣山总占地面积达3 289.83 万m2。其中以聚乎更区开采规模最大,共有聚乎更三号、四号、五号、七号、八号和九号井6 个采坑,采坑总面积1 118.74 万m2,最大采坑深度150 m,共形成12 座渣山,渣山最大高达50 m,总面积1 337.24 万m2,总体积35 068.1 万m3(图1)。
图1 木里矿区聚乎更区采坑、渣山分布
Fig.1 Distribution of mining pits and slag hills in Jvhugeng District of Muli mining area
1.2 主要生态环境问题
以往“有水快流”的简单开采方式,特别是一些非法露天开采对矿区原生态环境造成了破坏,影响了生态景观、生态安全屏障、水源涵养能力、土壤保持及生物多样性保护功能。2014年以来,青海省对木里矿区开展了一系列修复治理工作,主要开展了采坑边坡与渣山整治、局部覆土复绿和网围栏管护等治理措施,取得了一定的积极成效,矿区生态环境总体呈好转趋势[34],但木里矿区分布地域跨度大,治理任务重,加之自然条件差,虽然生态环境综合整治之后生态功能有所提升,但距离原生状态下的生态系统功能仍有一定差距,恢复效果有待进一步提高。
通过遥感解译并结合野外现场调查,木里矿区主要生态环境问题具体表现为:地貌景观破坏、植被破坏、土地挖损和压占、冻土破坏、水系湿地破坏与采坑积水、地下水含水层破坏、土地沙化与水土流失、不稳定边坡8 种类型。
(1)地貌景观破坏。木里矿区采矿活动主要发生在盆地内湿地和草甸地区。露天开采共形成11 个规模不等的采坑和19 座渣山,同时大规模的工业场地建设,在地面上形成了大量的人工建筑物和道路,采坑-渣山-工业场地等工程景观与周边自然景观极不协调,严重破坏了高寒沼泽草甸及原河流生态系统。受煤矿开采导致采坑-渣山-工业场地等非天然景观的出现,由原来的高寒草甸变为裸地景观,2001年矿区开采前,高寒草甸景观优势度达77.43%,且斑块连通性好;矿区开采后至2019年,优势景观变为裸地,景观占比达到88.02%,景观优势度达67.98% [36]。
(2)植被破坏。因煤矿露天开采形成的采坑、渣山、道路、工业场地等工程及其周边地区植被均遭受了破坏,湿地严重退化。同时露天采掘、道路扬尘及爆破烟尘形成的降尘污染周围草地,影响牲畜牧食,致使草地使用功能有所降低。牲畜常年吸食受污染的水源、牧草后,影响正常发育,使畜牧业经济受损,采掘、爆破、运输等已对矿区周边草场造成煤尘和土壤扬尘污染。
对比木里矿区2001年开采前和2019年开采后的植被覆盖状况,高寒草甸面积占矿区总面积的比例由2001年的93.98%降至2019年的6.56%;裸地面积由2001年的1.42% 上升至2019年的88.02%。平均植被覆盖度(FVC)由0.89 降至0.29,平均植被指数(NDVI)由0.67 降至0.37。
(3)土地挖损和压占。矿区主要土地类型为天然牧草地,据2020-07-25 遥感解译结果显示,聚乎更区内矿山开发占损土地共计3 798.29 万m2,损毁土地类型为沼泽草地。其中采场1 206.43 万m2,沿北西方向展布;渣堆占地面积2 105.96 万m2,沿采坑两侧分层堆放;工业广场包括办公区、生活区、矿区道路等,面积485.90 万m2。土地损毁和压占导致天然草甸、湿地破坏,影响了原生态系统功能。
(4)冻土破坏。煤炭开采形成的采坑(积水)、渣山改变了原有的多年冻土层埋藏深度、厚度、破坏原有的冻融平衡关系。开挖揭露并破坏了原有的冻融层和多年冻土层,导致多年冻土层上限下移和侧移;采坑积水会在坑底形成融区,从而阻碍冻土层的形成,同时渣石堆放形成渣山,改变了冻融层下限,破坏了原有的冻融平衡;其次矿井工业场地建设和工程扰动,造成冻融层下限下移,打破了原有的冻-融平衡。近10 a 冻土地温监测资料显示,木里矿区周边多年冻土上限下降率在0～20 cm/a,2014年矿区全面停止生产后,矿区的冻土环境不再有显著的变化,但已破坏的冻土环境并未有显著改善。
(5)水系湿地破坏与采坑积水。木里矿区煤炭露天开采造成局部地表地形地貌条件的改变,天然河道被人为截断、改道,破坏了地表水系、地表水径流条件,水源输送能力和水源涵养功能下降。地表水疏干、原始承压水位将逐渐下降,地下潜水(冻结层上水)下降,多年冻土的完整性破坏,使地下水、地表水发生水力联系,导致湿地退化,造成植被退化,造成水源流通能力和水源涵养功能下降。除采场、排渣场、工业场地等占地对湿地直接造成破坏外,原有的地层热平衡被打破、被开挖或被占压、占用区域周围的冻土层不断地扩大其热融范围,其地表水不断的下渗,导致周边湿地退化。
开采形成的采坑,形成负地形,地表水直排或通过下渗潜流、地下含水层被揭露,不同水源的水汇聚到采坑,在部分采坑内形成积水,积水直接影响采坑和渣山边坡的稳定性,同时采坑积水的热融效应,对周边冻土层造成破坏。聚乎更区采坑总积水面积130.08 万 m2,积水深度3～ 42 m,总积水量1 476.51 万m3,以四号井和八号井积水规模最大,均位于上哆嗦河穿越的位置,采坑积水除个别点锰略高于限制之外,其他监测指标均达到Ⅱ类水标准,水质良好[37]。
(6)地下含水层破坏。区内多年冻土层是冻结层上水和冻结层下水的重要隔水层。采坑内有大量积水时,会在坑底形成融区,从而阻碍冻土层的形成,造成冻结层下水失去隔水层,形成地下水“天窗”,破坏地表水系,打破了地下水原有的补径排条件和地表水-地下水动态平衡,使得地表水、地下潜水和地下裂隙承压水发生直接的水力联系。一方面地下水通过融区不断向坑内排泄,破坏了地下含水层;另一方面地表水和冻结层上潜水,通过融区不断补给地下水,从而降低水源涵养功能和地表水源输送。
(7)土地沙化与水土流失。采坑周边地表水和冻结层上水解冻后不断向坑内排泄,引发采坑周边的潜水水位下降,导致植被退化,而地表植被一旦遭受破坏,植被复绿难度大,成活率小,植被破坏或退化,矿区水源涵养功能就会衰减。露天采场边坡岩体上部、渣山堆放受水力冲蚀和热融影响,极易造成滑坡、坍塌等问题,引起并加剧水土流失。另外,露天剥采形成新的裸露地表,亦可增加水土流失量。
(8)不稳定边坡。不稳定边坡主要位于采坑高陡边坡和渣山四周,开挖产生的渣石在采坑附近层叠堆放,由于压实处理不到位、排水设施不完善,加之区内特有的冻胀融沉作用等原因,在重力作用下坡体产生拉张裂缝,导致边坡失稳。在聚乎更区内共发现不稳定斜坡11 处,集中发育在四号井、五号井和七号井。从发育部位来看,大多位于渣堆的边坡处,共9处,采坑内多为基岩,稳定性相对较好,不稳定斜坡发育较少。
其中以四号井南渣山滑坡规模最大,是生态修复的难点和重点。该滑坡呈圈椅状,东西长780～1 520 m,南北宽1 000 m,高差约173 m。滑坡体坡度25°,滑动方向NNE,属牵引式滑坡(图2)。在上覆渣山重力作用下,边帮垮塌变形,基底有效载荷降低,滑坡体表层发育密集的拉张裂隙,且处于原上哆嗦河古河道位置,渣山底部和原始地表的界面长期处于饱水状态,滑坡体前缘采坑边帮基岩长期受潜水径流而淋滤侵蚀,有效应力降低,基底载荷力下降,渣山基底一直以蠕滑方式向采坑内滑动,严重影响地貌景观的协调和修复治理施工的安全。
图2 四号井采坑南滑坡立体影像(视角方向:90°)
Fig.2 Three-dimensional image of the No.4 well landslide(angle of view direction:90°)
2 生态修复治理思路
2.1 治理思路
本次治理遵循“山水林田湖草是一个生命共同体”理念,用系统思维统筹山水林田湖草治理[22],以“技术可靠、经济合理、景观融合、贴近自然”为出发点,基于矿区生态环境现状与煤炭资源开发的调查分析,根据矿区生态地质、水文地质、工程地质、环境地质特征,按照“水源涵养、冻土保护、生态恢复、资源储备”的生态治理思路和“一坑一策、分区管控、经济合理、创新支撑”的工程治理思路,将“地质+生态”领域的关键治理技术运用到“自然恢复+工程治理”之中,实现生态保护与节约优先,自然恢复与资源保护有机结合,遏制生态系统退化,尽最大可能恢复原有生态系统功能,打造高原高寒地区矿山生态环境修复示范工程。
2.2 生态修复治理体系
木里矿区地处高寒高海拔地区,多年冻土发育,成土时间短,植被抗干扰能力弱,生态修复难度大,且生态修复基础科学研究相对薄弱。诸如冻融作用下的边坡失稳问题、冻土扰动对水生态系统和植被生态系统影响、冻土保护与湿地退化问题、高寒土壤重构与植被修复、高寒冻土区施工技术和施工工艺等问题需要深入研究。在“山水林田湖草是一个生命共同体”的理念下,按照煤炭生态地质勘查理论[20],探索煤炭开采矿区生态系统的一体化修复、综合治理模式将是重大的科学问题。
煤炭生态地质勘查理论强调勘查中既要重视矿产资源协同勘查,还要加强开采中和开采后的生态地质修复工作,木里矿区生态修复治理工作是煤炭生态地质勘查理论的有效实践。在综合考虑各采坑渣山的规模及稳定程度、存在的生态环境问题等因素基础上提出来“一坑一策”方案,按照总体规划、不同采坑和渣山分别设计、平行施工、分类因地因势差别化治理的总体思路,有针对性地运用采坑回填、边坡与渣山整治、土壤重构、植被复绿、水系自然连通、煤炭资源保护等技术措施,实现采坑、渣山一体化治理与自然地貌景观相协调(图3)。
图3 综合治理技术路线
Fig.3 Road of comprehensive treatment technology
3 主要工程治理关键技术
2014年以来的修复治理中,主要开展了地形地貌重塑、土壤重构和植被修复,并取得了一定的效果。本次木里矿区生态环境修复治理实践中,针对以往煤矿开发造成的八大生态环境问题,在以往治理技术的基础上,进行了新的探索,综合研究并形成了五大关键技术,分别是:地形地貌重塑技术、土壤重构及植被修复技术、水系自然连通技术、煤炭资源保护技术、边坡稳定性综合监测技术,综合运用以上技术,使木里矿区生态环境得到有效修复。
3.1 采坑渣山地形地貌重塑技术
采坑、渣山的地形地貌综合治理是覆土复绿的前提,是生态环境恢复治理的核心工程之一。稳定的地形地貌是土壤改良和植被复绿的基础,采坑渣山地形地貌重塑技术包括:渣山降高减载和边坡减坡、梯田台阶再造、积水采坑整治形成高原湖泊以及山坡浅坑依势就形4 种技术。
3.1.1 高危渣山降高减载和边坡减坡技术
煤矸石的堆放不仅占用大量的土地、破坏区域生态平衡,并且易产生污染,是亟须破解的环境保护难题[38],是矿山环境治理中的重点之一,木里矿区渣山分布面积广且规模大,渣山主要由三叠系砂泥岩、侏罗系砂泥岩和煤矸石、第四系砾石、沙土和腐殖土等组成,结构松散,沿采坑周围分层堆放,渣山占地从35.5～292.85 万m2,高度20～50 m,平均高度36 m,台阶宽度5 m,坡度33°～50°,平均坡度42°。由于压实处理不到位、长期处于饱水状态和冻融作用等原因,在重力作用下部分坡体垮塌,加之物理风化作用及表面局部有松散堆积体,造成局部稳定性较差,形成不稳定边坡。
为保证采坑边坡和渣山稳定,为后期复绿创造良好的立地条件,需通过统一削坡减载的方法,使渣山边坡达到稳定状态。即通过对采坑上部台阶清坡、渣山削坡整形、碾压,将采坑边坡平台和渣山塑造为稳定的种床,对边坡进行清坡处理,消除浮石和崩塌等灾害,对渣山削坡减荷,渣山总体高度控制在30 m 以下,坡体由台阶组成,台阶高度为10 m,台阶坡面角为20°,整体边坡角不高于20°。并用重型机械碾压,保证渣山边坡的稳定,坡面修筑截排水沟,避免造成水土流失。
聚乎更四号井南渣山高度50 m,渣山中部已经发生了滑坡(滑向采坑),为保证渣山稳定,对南渣山滑坡后缘中部进行削顶减载,同时从东西两侧向中部削坡减载,中部通道形成由南向北倾斜的大缓坡,将滑坡后缘高程从4 040 m 削减至4 010 m,后缘削坡减载后,滑坡实时形变位移减小,滑坡基本趋于稳定(图4(a))。
3.1.2 梯田台阶再造技术
由于矿区露天采场边坡岩体上部、渣山堆放处植被稀少,在受到水力冲蚀时,极易引起水土流失并伴随滑坡、坍塌等地质灾害,修建梯田台阶可以起到蓄水保土,维持边坡稳定的作用,有利于后期覆土复绿,为植物的生长提供基础条件。采用梯田台阶再造技术,具体措施是:对于完整性好、稳定性好的岩质边坡保持原有坡型不变,将采坑、渣石边坡按照台阶式坡型整治,总坡角小于25°,平台宽度和台阶高度一般为10 m 左右,坡率1 ∶2,为保持排水通畅,避免产生下雨冲刷坡面和台阶地面产生积水,影响植物的生长,台阶平面及排渣形成凹槽部位设置排水沟,沿坡顶线修建截水沟,在垂直方向连接处设置排水口,平台近水平,略向排水渠倾斜,以便于雨水排泄。
以聚乎更五号井为例,基于坑底具有西高东低的条件,对采坑底部进行部分回填,以采坑中东部分水岭为界,西坑回填区标高自最西端至分水岭依次降低,东坑回填区自分水岭向东呈台阶状下降,整体坑底形成西高东低依次降低的梯田状地形(图4(b)),为后期覆土复绿奠定了良好的基础。
3.1.3 积水采坑整治形成高原湖泊技术
在聚乎更三号井、四号井、七号井、八号井生态修复治理中,均采用了改造积水采坑为高原湖泊的技术。保留高原湖泊可以起到调节河川径流、涵养水源、繁衍水生生物、改善区域生态环境的作用。具体措施包括:①对积水坑周围的渣山降高减载,对边坡进行削坡整形,消除滑塌隐患,与周边环境相协调(图4(c));②将积水坑与河流、湖泊连通,使之形成河湖交错,湿地发育一体的高原景观(图4(d));③对于积水量较小的采坑,如聚乎更三号井,采用引水代填的治理模式,引地表水进入采坑形成高原湖泊(图4(e)),在注满之后与地表水体相连,据对聚乎更八号采坑水样化验,目前水质达到Ⅱ类水质。相比渣土回填方案,一方面充分体现了经济高效的理念,另一方面更重要的是在保护煤炭资源的同时,修复后的湖泊水体景观更加协调,实现了新的山谷起伏与河湖辉映的有机和谐。
3.1.4 山坡浅坑区依势就形技术
图4 治理关键技术示意
Fig.4 Schematic diagram of key governance technologies
山坡浅坑区采用削高填低、随坡就势,对陡坎位置清挖平整,回填至坡脚凹坑处,就近实现土方平衡。渣山边坡如处于稳定状态,局部坡面有松动岩块及渣土,对采坑边坡进行清理整平工作。如聚乎更九号井区地表地形相对平缓,一般坡度10°～15°,为保持自然地表的美观,治理中对杂乱无序的采坑及渣堆随坡就势,削高填低,对坡面进行整形。针对深度较大的采坑,从周边渣山挖方回填,渣土回填主要是随坡就势,保持斜坡坡度平顺,修复中尽量与周边原始地形地貌顺畅衔接。对裸露边坡、回填区域及全部建筑物进行拆除后覆土复绿,总体达到地貌恢复与周围环境相协调。
3.2 土壤重构及植被恢复技术
木里地区高寒草甸、高寒湿地腐殖质层形成的时间数以千年计,一旦受到破坏,恢复非常困难,故需要采用人工复绿方式加快恢复矿区生态环境[39]。木里矿区土壤厚度小,2014年以来聚乎更三号井采用客土进行土壤重构,取得了一些积极效果[40],但采用这种模式将会大大增加工程投资。国内针对生态脆弱区露天煤矿生态修复土壤重构做了一定的研究,在表土替代的选择上,利用粉煤灰[41]、煤矸石[42]、Ⅲ层亚黏土[43]等材料制作表土进行土壤重构。在木里矿区,研究人员对不同人工恢复措施下矿区煤矸石山植被和土壤恢复效果[44],以及对土壤重构的覆土厚度[29]等进行了实验研究。考虑因高寒高海拔地区无充足的客土资源可供客土覆盖、复绿,结合本区地层中含有大量泥岩和粉砂岩,以及牧区充足的牲畜粪便,可采用渣山风化的泥岩和粉砂粉末混合羊板粪等有机肥代替土壤。
对聚乎更区渣山土壤的采样分析测试显示,土壤pH 值7.3～8.6,整体呈碱性,有机质含量为1.37～5.64 mg/kg,全氮含量为760～1 500 mg/kg,速效钾为77～239 mg/kg,有效磷为0～4.8 mg/kg,钾元素含量2.1×104～2.8×104 mg/kg,磷元素含量为436～611 mg/kg,钠元素含量为0.30×104～0.70×104 mg/kg,有机质、全氮含量较丰富而速效磷含量较缺乏,重金属的最大值均不超过风险筛选值,整体处于低风险状态。据此提出矿坑、渣山土壤重构、植被复绿的技术模式为削坡+有机肥+泥页岩+混播+无纺布覆盖,即削坡使边坡角小于25°并压实,将羊板粪与粉碎后的泥页岩按质量比1 ∶3混合覆盖30 cm,选用青海当地生产的、适宜高海拔地区生长的多年生禾本科牧草按照一定的比例进行混播,播种后镇压、覆盖无纺布,促进种子萌发,上述技术在木里矿区前期修复治理中已有小面积试验经验可借鉴。
通过采坑、渣山整治,木里矿区覆土复绿区域主要包括3 类:渣山边坡及平台、采坑岩质边坡的平台、拆除地面建筑后的区域(图5),对于岩质边坡的坡面清坡后保持自然状态,不复绿。通过对采坑上部台阶削坡,渣山削坡整形、碾压,将采坑边坡平台和渣山塑造为稳定的种床,以保证在蓄水状态下上部边坡的稳定。再在采坑上部及坡面分层回填细渣土,局部地段覆盖新近系系红黏土,经往复碾压一方面使渣土整体实现稳定,另一方面使渣土上部相对密实,构建成相对能保水、保温的人工防渗层,在其上进行覆土,保证在植物种植后水分的充分利用,起到增温保墒的效果。
图5 土壤重构剖面示意
Fig.5 Schematic diagram of soil reconstruction section
3.3 水系自然连通技术
木里矿区在露天开采过程中,致使地表形成大量采坑和渣山,地形、地貌条件被改变,天然河道被人为截断、改道,大通河源头区、上下哆嗦河上游段、江仓曲等多条支流径流条件被破坏,进一步导致地下潜水(冻结层上水)下降,湿地及植被退化,生态系统原有的水系连通被割断,水源流通能力和水源涵养功能下降。采坑积水对边坡和渣山的稳定性造成不良影响,并且不利于后期采坑、渣山的覆土复绿植被的恢复,因此,有必要建立新的水系连通,使各水体之间的物质、能量、生物得以传输。
采取一系列的工程措施使研究区的水系自然连通,包括4 种空间维度的水系连通,分别是宏观尺度的河流与河流、河流与湖泊之间的连通,中观尺度的河流、湖泊与湿地的连通,细观尺度湿地内部的连通(图6)以及微观尺度的空隙与植物根系之间的水系传输。
图6 水系自然连通示意
Fig.6 Schematic diagram of natural connection of water system
宏观尺度的水系自然连通采取依山就势保留高原湖泊,引入上哆嗦河地表水自流进入聚乎更八号井湖泊,出湖泊后汇入上哆嗦河,沿途接纳支流后,通过人工河道,引流进入四号井形成湖泊,出四号井湖泊后流入上哆嗦河,最终形成宏观尺度自西向东的水系自然连通,恢复木里矿区原有的水源输送能力和水源涵养功能。
中观尺度的水系连通是木里矿区普遍存在的,在实际治理中,通过人工措施,对前期煤矿开采时截流、改道的河流与周边湿地重新连通,恢复采坑周边湿地的水源涵养功能。
因道路的修建,道路两侧湿地萎缩植被出现退化,临近河湖一侧的道路植被生长正常,与河湖相隔离的一侧湿地出现萎缩,植被出现退化,本区七号采坑北部通往哆嗦贡玛公路南北侧草甸明显退化。本区土壤腐殖层厚度仅5～10 cm,道路修建之后压实破坏了上部的腐殖层,从微观上来看,阻隔了土壤内部水系的连通性,进而影响了湿地土壤水系的内在连通性,出现了湿地萎缩植被退化的现象。治理中因地制宜地对道路实施改道,或者在道路下方埋设导水管使湿地与河水重新、湖泊连通,逐步恢复湿地与植被生态系统。
3.4 煤炭资源保护技术
在矿区生态环境治理的过程中,如何统筹资源保护工作,有效地保护好煤炭资源,是一项十分紧迫而重要的任务。资源的节约和保护是木里矿区生态环境修复治理模式的重要内容,矿区的焦煤资源是生态修复治理过程中的主要保护目标,治理中采取的煤炭资源保护技术主要为:人造“冻土层”恢复资源原始赋存状态,针对人工开挖剥揭露的煤层、煤层露头、煤层露头自燃3 种情况开展煤炭资源的保护。对暴露煤层自地表向下开挖80～100 cm;对自燃煤层则采用包括煤层燃烧和烧变围岩全部剥离。然后在煤层开挖面上用细渣土或泥土覆盖压实,加入水冻结,反复多次形成人造冻土层,人造“冻土层”形成后其上在覆土整平实现与周围地形相协调(图7)。
图7 煤层自燃区回填保护示意
Fig.7 Schematic diagram of backfill protection in coal seam spontaneous combustion area
3.5 边坡稳定性综合监测技术
区内大多数渣山边坡处于亚稳定或不稳定状态,部分渣山边坡已处于失稳状况。如何通过工程措施,保持渣山边坡长期的稳定,是矿区治理的基础工作。通过空天地深一体化多源数据融合和多手段在线监测系统,全面识别、监测和评估区内渣山边坡的稳定性,是针对性地采取工程措施的必要前提。
聚乎更四号井南渣山为区内规模最大的滑坡,综合采用遥感技术、地表调查、物探及钻探等技术开展空天地深一体化多源多层次数据核查比对,采用In-SAR 技术,对滑体上不同部位的滑移速率进行监测,2017年至今滑坡形变速率为-143.4 mm/a(图8)。掌握滑坡规模、空间形态及滑动结构面等情况,根据滑坡所处地质环境条件,分析其控制因素、影响因素和诱发因素,认为该滑坡体底部受上哆嗦河古河道淋滤侵蚀,在前缘牵引作用下,不断以蠕滑方式向后缘发展,提出了“后缘削顶减载+渣山坡脚疏排截挡水并举”的治理措施,达到了良好的治理效果。
图8 四号采坑南渣山滑坡形变速率
Fig.8 Deformation rate of slag mountain landslide Southern of No.4 mining pit
4 高原高寒地区生态修复治理模式讨论
木里矿区生态环境综合整治始终遵循生态环境系统的整体性、系统性、动态性及其内在规律,将山水林田湖草视为一个生命共同体,改变过去只侧重于某一环境问题,各自为战的治理模式,对采坑渣山治理、土壤重构、植被恢复、水环境和资源等进行统筹规划、综合治理、一体化修复。木里矿区形成的各个采坑面积、规模、边坡稳定和水文地质状况、与周边的水系联系程度不一,周边渣山的起伏状况、植被的生态状况各有差异,综合考虑各个井开采现状,结合工程地质和水文地质条件,实行针对性分类治理,在以往矿区生态修复工作的基础上,梳理出各采坑现存的主要生态环境问题,形成具有高原高寒特色的重点治理模式(图9)。
图9 生态环境综合治理模式
Fig.9 Ecological environment comprehensive management model diagram
根据矿区生态环境现状和背景条件分析,针对具体问题采用不同的治理模式,针对采坑积水和河湖水系、湿地破坏提出水系连通和引水代填的治理模式,针对高原煤炭资源保护和土壤重构防渗层问题,采用关键层再造的治理模式,针对地形地貌破坏采用依山就势的治理模式,并最终形成“一坑一策”的7 种治理方法,多种治理模式的综合形成整个矿区有机协调的生态修复治理体系。
(1)重点模式1:水系连通。积水采坑整治形成高原湖泊与水系自然连通的治理模式分2 种情况:一种是采坑积水已经形成规模,但积水坑杂乱无序分布,边坡滑塌现象严重,雨季时积水通过低洼处漫溢,时而淹没周边原有的草甸等,针对这种类型的积水采坑,如何经济有效的修复是治理中面临的主要难题。
聚乎更八号井采坑长2.06 km,宽0.56 km,坑内积水深28.04 m,积水量509.39 万m3;聚乎更四号井采坑长3.73 km,宽1.05 km,坑内积水深42.63 m,积水量800 万m3。聚乎更七号井西采坑有3 个积水坑,积水坑水面高程自东向西依次为4 148,4 143 和4 142 m,呈串珠状阶梯式分布,深10.15～11.04 m,积水量75 万m3,本着高效经济的原则,在水文水质定期监测的基础上,保留积水坑形成人工高原湖泊,并对采坑边坡地形进行整治,保持自然坡表的美观及平顺性,随坡就势削高填低,对不稳定渣山及部分陡坎进行削坡整平。后期随着湖泊汇水量的增多,湖泊积水可通过低洼处与上哆嗦河实现自然连通,聚乎更四号井采坑长3.73 km,宽1.05 km,坑内积水深42.63 m,积水量803.30 万m3。
聚乎更七号井西采坑的3 个积水坑治理过程中一方面对采取采坑积水有效保留,同时考虑采坑边坡和渣山整治美观效果,后期随着积水量的增多,采坑积水可逐级下跌,最终通过低洼处实现与措喀莫日湖(湖面标高4 096 m)水系自然连通,效果更佳。
聚乎更五号井采坑底部呈西高东低的趋势,治理中对采坑底部进行部分回填,形成一西高东低的缓坡降的梯田,为复绿提供基础条件。同时坑底由两侧采坑边帮向沟心线坡降3°～5°,将积水排至沟心线最低处,避免积水及冻融对整治后边坡产生破坏,雨季积水量较大时,在采坑东端与下哆嗦河自然连通。
(2)重点模式2:引水代填。采坑积水形成高原湖泊的另一种情况是:采矿形成的采坑规模已经很大,采用渣土回填工程量很大,而且很难彻底治理。这种采坑坑底面积巨大,采矿局部揭露导水断裂使地下水沿断裂带向上溢出,形成人工泉眼,地下水和大气降水共同作用坑内不断形成积水,一方面造成采坑边坡不稳定,另一方面积水对坑底的复绿造成破坏或淹没。因此采用引水代填能够有效解决此类采坑的治理。
聚乎更三号井采坑长3.23 km,宽1.47 km,坑口面积377.05 万m2,采坑容积23 079 万m3。采坑边坡总体稳定, 坑底形成两个积水坑, 中部有约22 万m2 的煤炭资源已揭露,坑底西低东高,东部采坑边缘与下哆嗦河河面标高基本接近,采取“坑底注水(以水代填)+边坡与渣山整治”的修复治理模式。从采坑东侧开挖渣山埋设注水管道,从下哆嗦河引水注入采坑,积水先在东段坑底最低处汇集,东段采坑低洼处注满水后,以溢流方式向西段采坑流入,引水代填,最终形成高原湖泊,实现与河流、湿地的水系连通,同时保护了采坑内已剥露的煤炭资源。
(3)重点模式3:关键层再造。修复中针对煤炭资源保护层和土壤重构的防渗层进行关键层再造。
聚乎更区煤炭资源为优质炼焦用煤,采矿活动退出后,聚乎更七号井东采坑和聚乎更九号井北采坑残留大量的煤炭资源,暴露煤层高度最大20 m,高原地区蒸发量大,煤炭资源风氧化和自燃隐患加剧,如不及时处置,易造成煤炭资源的浪费和环境污染。在恢复治理过程中,如何做到资源保护与环境治理的统筹协调,若通过直接掩埋的方式工程量和投资巨大,且不能有效保护煤炭资源,本着经济高效的原则,对暴露煤炭资源进行剥离回收,并就地取材,因地制宜,提出采用再造“模拟冻土层”的方式,对煤层资源进行保护,符合高原高寒生态脆弱区生态修复的要求。
生态修复治理中渣山边坡土壤重构是下一步保障复绿效果的关键,以往渣山修复中普遍存在水土流失和渗漏严重、土壤养分难以保留等问题,在本次木里矿区生态修复治理中,针对上述问题,提出了人造防渗层的重点模式,即在整治好的渣山和采坑平台表面,先用红黏土或筛分的细渣土填充并压实,作为防渗层,保护土壤养分和水分不流失,其上再按要求覆土复绿。
(4)重点模式4:依山就势。聚乎更九号井和哆嗦贡玛区海拔高度大部位于4 200 m 以上,均临近雪线。九号井整体上可分为北翼采坑区、北东凹槽、中部剥表区、南侧挖坑区和南翼采坑群,规模大小、深浅不一。区内地表地形相对平缓一般坡度10°～15°,最大坡度35°,对杂乱无序的采坑及渣堆随坡就势,削高填低,对坡面进行整形,保持斜坡坡度平顺,尽量与原始地形地貌景观协调。而哆嗦贡玛区采坑主要是沿露头开采,形成5 个不同规模不等的小型采坑,已形成的露天采坑范围相对较小,不存在高陡和不稳定边坡。按现状地形,采取“就坑治坑”的方式将采坑周边渣堆回填至采坑底部的局部深坑,就势整平,恢复自然地形,尽量减少新的扰动。最终采坑、渣山整治完成后,实现地形地貌与周边景观自然协调。
在以上重点模式基础上,通过与各井渣山边坡稳定程度、水系传输与采坑积水情况、资源赋存状态等相结合最终形成“一坑一策”的7 种治理方法:①边坡阶梯整治+坑底部分复绿+引水代填形成高原湖泊(聚乎更三号井);②保留采坑积水形成的高原湖泊+边坡与渣山整治+覆土恢复植被+水文定期监测(聚乎更四号井);③采坑部分回填形成梯田+边坡与渣山整治+植被复绿+地表水系自然连通(聚乎更五号井);④资源保护+边坡与渣山整治+采坑形成高原湖泊+水系自然连通+植被复绿(聚乎更七号井);⑤边坡与渣山平整+植被复绿+保留高原湖泊+水系自然连通(聚乎更八号井);⑥资源保护+采坑回填+削坡整治美化+地貌恢复与周围环境相协调(聚乎更九号井);⑦采坑回填+边帮整形+坑底就势整平+景观协调(哆嗦贡玛区)。
5 结 论
(1)木里矿区目前仍存在地貌景观、植被、冻土、水系及湿地破坏、土地占损毁、土地沙化与水土流失、渣山及矿坑边坡失稳等8 个方面的生态环境问题。
(2)遵循“山水林田湖草是一个生命共同体”理念,以“技术可靠、经济合理、景观融合、贴近自然”为出发点,建立了高原高寒地区生态修复治理体系,提出“一坑一策”的治理方案,建立了4 种重点修复治理模式,形成了五大关键治理技术和7 种生态治理方法。
(3)木里矿区生态环境修复治理工程实践中,综合运用了地形地貌重塑、土壤重构及植被恢复、水系自然连通、煤炭资源保护和边坡稳定性综合监测技术,取得了良好的治理效果,并提供了高原高寒地区生态修复治理的参考。
(4)煤炭生态地质勘查理念在木里矿区生态环境修复治理中得到了良好的应用,目前采坑渣山整治已取得明显的效果,为实现矿区生态与祁连山周边自然环境有机融合奠定了基础。煤炭生态地质勘查将是新时代煤炭地质工作的重要发展方向,需进一步加强理论和技术研究。
致谢 参加本研究的还有王永、方惠明、梁振新、李永红、谢色新、宁康超、王英坡、刘 伟、杨庆祝、梁峰伟、梁俊安、文怀军等,在此一并表示感谢!
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