生產建設項目棄土棄渣資源化利用及生態修復研究

李建明，王志剛，許文盛，王家樂，王 可，張長偉，劉晨曦，張冠華，王一峰，劉紀根

(1.長江水利委員會 長江科學院，湖北 武漢 430010；2.水利部 山洪地質災害防治工程技術研究中心，湖北 武漢 430010；3.中國科學院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 4.中國科學院大學，北京 100049)

當前，生產建設項目大型棄渣場已成為各級主管部門重點監督管理的對象，也是水土保持領域關注的熱點[1]。工程棄渣不僅占壓有限的土地資源，造成土壤流失、水污染，而且會削弱區域水土保持能力，誘發滑坡、泥石流、崩塌等地質災害[2-3]。針對生產建設項目尤其是棄土棄渣造成的水土流失已有大量研究，但大多數是采用模擬降雨、沖刷或者自然觀測等方法研究影響棄土棄渣水土流失的因素、侵蝕特征及內在機制等[4]，而對于如何實現棄土棄渣高效資源化利用的方向、方法等目前研究較少[5]。另外，對于棄土棄渣的水土流失防護現階段也是基于單個項目、單種類型或區域，研究內容大部分是單一的植被措施或工程措施[6-7]。而對于新堆棄的棄渣場而言，植被措施能夠發揮長久的生態效益，但效益發揮需要一定的周期，在前期如果沒有采用工程措施予以匹配，那么仍會發生嚴重侵蝕。但如果采用單一的工程措施，在達到使用年限后也無法持續發揮防護效益，更主要的是工程措施的生態效益不顯著。目前，針對工程棄土棄渣水土保持措施體系構建是生產建設項目水土保持方案編制的重要內容，但也僅是要求實施工程措施、植物措施和臨時措施，無法有效指導工程施工。另外，現有研究對棄渣場穩定性影響因素、計算方法及治理方面有少量報道[8]，而對棄渣場原位識別、堆置優化方面尚缺乏深入探討，制約著棄渣場后續的生態修復及再利用。

為有效解決現階段棄土棄渣存量大、危害嚴重、從源頭上控制棄土棄渣產生等亟待解決的問題，在國家自然科學基金、水利部“948”計劃和技術示范等項目持續資助下，從棄土棄渣現狀著手分析，探討實現棄土棄渣資源化利用的有效途徑和潛力評價體系，旨在集成基于原位識別技術的一體化棄渣場生態修復技術體系。本技術體系也是搞好生態文明建設，踐行“建設資源節約型、環境友好型社會”的先行舉措。

1 生產建設項目棄土棄渣概況

根據已有研究及調查，估算自“十五”以來，我國每5年由生產建設項目產生的棄土棄渣量均接近100億t，加之原有的存量，棄土棄渣總量超過400億t[9]。根據項目特色歸類，筆者統計了長江科學院自2010年以來承擔或參與的13大類以及4個特殊生態脆弱區(西藏、新疆)共計30個項目的棄土棄渣概況，每個類別選取2個典型項目(表1)，旨在闡明不同類型生產建設項目棄土棄渣差異性，為后續從源頭控制棄土棄渣產生、實現資源化利用和生態修復研究提供指導。

表1 不同類型生產建設項目土石方概況

根據項目特點，劃分為點型工程和線型工程兩大類，其中點型工程在一個區域范圍內所處的地形地貌、氣候水文等自然概況大致相同，代表類型包括水利工程、采礦工程、涉水交通工程(含港口碼頭)、機場工程、工業園區工程和房地產/景觀工程等；線型工程經過區域較多，沿線的自然環境和社會環境較復雜，自然概況有差異，代表類型有輸水工程、公路工程、鐵路工程、輸變電工程、管道工程、城市軌道交通工程等。大部分線型工程一般包括部分點型工程，例如輸變電工程的變電站為點型工程，而輸變電線路屬于線型工程，輸油管網工程的輸油站場屬于點型工程，輸油管線屬于線型工程，也稱為混合型工程。不同類型工程棄土棄渣特點如下：

(1)占地面積。線型工程中輸水工程、公路工程、鐵路工程、管道工程相較于輸變電工程、城市軌道交通工程、城市管網工程而言占地面積較大，主要是由于城市軌道交通工程和城市管網工程一般在一個城市范圍內，線路較短，而輸變電工程沿線的占地主要是塔基及塔基施工所需的配套設施(牽張場、施工便道、施工生產生活區等)占地，并未對紅線范圍內全方位擾動，而是由單個作業單元累加而來。而輸水工程、公路工程、鐵路工程和管道工程由于線路較長，且對征地紅線范圍內全方位擾動，進而導致了其總占地面積較大。

(2)土石方。輸變電工程、管道工程、城市軌道交通工程和城市管網工程一般不設置棄渣場，其中輸變電工程和管道工程一般能夠實現土石方總體平衡，多余的土方一般在沿線攤平即可；而輸水工程、公路工程、鐵路工程一般跨越多個區域，較難實現不同區域的土石方總體平衡，比如不同的地質條件也可能產生無法利用的棄土棄渣，項目區周邊的其他項目由于施工工期、信息無法共享等問題，無法合理利用的多余棄土棄渣，需要增設棄渣場。點型工程中，水電站、采礦工程、機場工程相對于房地產工程而言，一般占地面積較大，涉水交通工程中單純碼頭工程較小，但水庫工程因涉及淹沒區占地面積較大，工業園區、景觀工程的占地受規劃影響較大。水電站、采礦工程、水庫工程由于土石方開挖量大，且大部分無法回填，需要增設棄渣場進行存放。

為直觀比較不同類別生產建設項目棄土棄渣差異性，采用棄渣場面積占項目總面積的比例(U)、棄方量與挖方量的比值(流棄比)(V)、單位面積開挖量(W)及棄方量(X)共計4個指標進行分析(表1)：

(1)棄渣場面積占項目總面積的比例(U)。采礦工程由于需要存放尾礦及棄土棄渣，U值最大，可以達到36.40%；輸水工程(26.60%)、鐵路工程(10.12%)和公路工程(8.96%)次之，其他類別項目尤其是位于城區內的項目一般不設置棄渣場或者棄渣場占項目總面積比一般小于3%。即使是烏東德、銀盤等大型水電站工程，其U值也僅為2.57%。而位于西藏、新疆生態脆弱區的項目，其U值(除輸變電工程外)則高達14.71%～21.23%。

(2)流棄比(V)。城市軌道交通工程由于需要占用大量的地下空間，開挖的土石方無法回填，形成大量的棄土棄渣，V值高達85.11%；其次是采礦工程V值為59.24%，V值超過40%的還有鐵路工程(51.47%)、水利工程(47.46%)、輸水工程(46.06%)和房地產/景觀工程(45.43%)。城市管網工程由于挖方可以回填，其流棄比也未超40%。公路工程的挖方經處理后可以用于路基墊層，V值為27.88%，其他類別項目V值均低于20%。西藏和新疆的公路工程由于特殊的地形地貌、土壤質地等，其V值均高于40%。

(3)單位面積開挖量(W)和棄方量(X)。采礦工程W值和X值最大；城市軌道交通工程次之；機場工程W值為5.95萬m3/hm2，但由于機場一般位于海拔較高地區，其開挖的土石方多在項目建設區范圍內填充，棄方量較少。房地產/景觀工程、公路工程和城市管網工程的W值也均大于2萬m3/hm2，其他類別包括輸水工程、鐵路工程、輸變電工程、管道工程、涉水交通工程、工業園區工程單位面積土石方開挖量和棄方量均較小。而西藏、新疆等生態脆弱區公路工程W值和X值均小于1萬m3/hm2。

2 棄土棄渣資源化利用方向及潛力評價

2.1 棄土棄渣資源化利用的緊迫性

棄渣場在整個生產建設項目水土流失防治分區中處于核心地位，也是減少生產建設項目人為水土流失首要的區域，實現棄土棄渣資源化利用是減少棄土棄渣最有效的措施。

《中華人民共和國長江保護法》第六十九條明確規定，長江流域縣級以上地方人民政府應當建設廢棄土石渣綜合利用信息平臺，加強對生產建設活動廢棄土石渣收集、清運、集中堆放的管理，鼓勵開展綜合利用；《中華人民共和國水土保持法》第二十八條明確規定，生產建設項目在建設活動中排棄的砂、石、土、矸石、尾礦、廢渣等首先應當綜合利用，無法利用的需要放置在水土保持方案確定的專門存放地即棄渣場；《生產建設項目水土流失防治標準》(GB/T 50434—2018)[10]將原標準中的攔渣率修改為渣土防護率；2019年10月水利部首次提出了水土保持率的概念，其定義是“區域內水土保持狀況良好的面積(非水土流失面積)占國土面積的比例”。根據2018—2019年水土流失動態監測成果，生產建設項目造成的水土流失已成為新增侵蝕的重要來源，而棄渣場是發生嚴重水土流失的主要區域[11]。因此，為使生產建設項目產生的棄土棄渣管理符合法律、法規等要求，全面科學做好并實現水土保持率閾值目標，做好生產建設項目棄土棄渣資源化利用及生態修復成為現階段解決生產建設項目水土流失的重要內容。

另外，做好生產建設項目棄土棄渣管理及資源化利用也是水利行業落實國務院關于“無廢城市建設”的具體舉措。“無廢城市建設”針對的是固體廢棄物，而生產建設項目棄土棄渣也屬于固體廢棄物的一類，相較于建筑垃圾、生活垃圾等，其資源化利用的成本較低，利用途徑更容易實現[9]。因此，深入探索生產建設項目棄土棄渣資源化利用及生態修復已成為現階段水土保持行業工作者的重點關注方向。

2.2 現階段棄土棄渣資源化利用方向

目前，針對生產建設項目棄土棄渣的研究主要集中在管理方面，在項目可研、初設、施工圖設計、水土保持方案等報告中均有涉及，但也僅從土石方平衡角度進行考慮，并未對項目多余棄土棄渣的后續處理進行深度分析。經對已有相關文獻的統計分析，目前對棄土棄渣進行資源化利用主要包含六方面：一是經篩選及粉碎后作為骨料；二是棄渣中的石方經處理后可作為新型墻材；三是部分棄土可用于制作空心磚；四是棄土棄渣直接用于礦坑或采礦塌陷區回填；五是用于景觀綠化微地形構造砌筑；六是將棄土棄渣經過一定方式處理后與土壤改良劑、生長基混合后作為客土[12-13]。

2.3 潛力評價體系構建

基于棄土棄渣資源化利用前景調研和市場需求的分析，構建工程棄土棄渣評價指標體系，對棄土棄渣不同利用途徑進行等級劃分，確定最終的利用方向，并對其效益進行分析，目的是最終實現棄土棄渣資源化利用的經濟、安全、健康、綠色發展目標。本研究構建的工程棄土棄渣綜合利用技術體系為工程調研、市場需求分析→工程棄渣來源及物質組成分析→理化性質、污染物特性分析→工程棄渣資源化等級劃分→工程棄渣資源化利用潛力評價→工程棄渣資源化利用方向→工程棄土棄渣資源化利用效益分析→目標實現(圖1)。

圖1 工程棄土棄渣綜合利用技術體系

為了實現工程棄土棄渣資源化利用的目標，參考農業廢棄物資源化利用評價指標計算方法[14]，構建了具體的指標體系(表2)。該指標體系包括目標層(A)、約束層(B)、準則層(C)和指標層(D)，最終計算公式為

表2 工程棄土棄渣資源化利用潛力評價指標體系

A=αB+βC+κD

(1)

式中：α、β、κ為權重值，主要根據專家經驗確定；B、C、D由各自所對應的指標和權重乘積累加計算獲得。

2.4 基于渣土調配中心的棄土棄渣資源化高效利用

針對生產建設項目棄土棄渣管理，資源化利用是在項目產生最終棄土棄渣基礎上實施的減少棄土棄渣危害的有效措施。但從區域、流域等宏觀方面考慮，從源頭上減少棄土棄渣產生是解決棄土棄渣問題的首要途徑。這就要求生產建設項目在立項之初就需要嚴格按照相關規范減少棄土棄渣產生，確需有棄土棄渣的項目在工程立項(可研、初設、施工圖)階段需要對土石方工程進行優化設計，減少土石方量的同時注重生態效益，盡量減少土石方外棄。對于生產建設項目無法做到土石方平衡，確需外棄的，根據《中國人民共和國長江保護法》要求，鼓勵開展綜合利用。關于建立廢棄土石渣綜合利用信息平臺的提議，2018年已有[15]，目前關于平臺建設的內容已有少量研究。平臺的建設需要由相關政府部門統一實施，建立統一的土石資源調配中心[15]，便于各生產建設項目及時發布棄土棄渣供需信息，最終實現區域內土石方平衡，減少棄土棄渣占地以及由其造成的水土流失等環境危害。

3 棄渣場生態修復及再利用

3.1 棄渣場原位識別及堆置優化

在棄渣場實施生態修復措施之前，掌握棄渣場物質組成、堆置概況、滲流場分布情況，是保障棄渣場安全穩定的重要基礎，也是進行生態修復的前提。工程棄渣土石混合、孔隙度大、裂隙多、飽和含水率高，且容易形成地下水流和潛蝕，從而導致邊坡失穩。摸清棄渣體內部含水率和滲流場分布，對渣體內部水分排導和棄渣場產匯流路徑優化設計具有重要影響。但準確測定棄渣體內部含水率和可視化表達滲流場分布卻是較大的技術難題。同時，為了減少占地、增加容量，棄渣場邊坡一般較陡，而松散的堆積方式又導致棄渣體臨界坡度(一般在25°～28°)小于自然休止角(一般在30°～33°)，一旦邊坡坡度超過臨界坡度，侵蝕形式極易由水力侵蝕轉變為水力與重力混合侵蝕。超高堆置的渣體坡長較大，溝蝕發育快且嚴重，也容易導致邊坡失穩，需要對渣體進行削坡分級縮短坡長。實時獲取棄渣體三維模型對指導棄渣堆置、削坡分級，防治重力侵蝕、溝蝕和邊坡失穩具有重要意義，但目前仍缺少實時獲取棄渣體三維模型的成套可靠技術。

基于無人機、探地雷達和高密度電法的大型棄渣場原位識別技術包括：無人機低空遙感和立體攝影技術獲取棄渣場地表形態參數(高程、坡度、坡長、匯水面積、植被覆蓋度等)；探地雷達識別渣體物質組成(土石混合比、空間異質性)和底面形態[16]；高密度電法獲取棄渣場內部滲流場分布。通過棄渣場地表形態和底面形態，可精確計算堆渣量，實時推送棄渣堆置優化方案[17]。在判定棄渣場內、外部物質組成后，采用高密度電法構建工程棄渣滲流場三維可視化模型，可精準指導棄渣場暗管、盲溝布設，高效排除渣體內部水分，保證棄渣場穩定。基于棄渣場原位識別技術，制定工程棄土棄渣堆置和產匯流路徑優化設計，可為后續棄渣場生態修復奠定基礎(圖2)。

圖2 棄渣場原位識別技術及堆置優化示意

3.2 集成一體化的棄渣場生態修復技術體系

棄渣場原位識別和堆置優化設計，保證了棄渣場的安全穩定，對闡明棄渣場邊坡侵蝕內在機制，為棄渣場實施生態修復奠定了基礎。根據棄渣場不同水土流失形式，按照“坡腳加固→內部增強→表面減蝕→植被優選”的思路，可集成渣體表面減蝕抗沖技術、覆土內部纖維加筋固土技術、棄渣場坡腳生態混凝土護坡技術和植物智能優選技術于一體的棄渣場生態修復技術體系。

首先，利用生態混凝土加固棄渣場坡腳，在保證后期植物生長的前提下進一步提高棄渣場安全穩定[18]；其次，將纖維加筋材料與棄土棄渣混合，在保證植物生長的同時增強棄土棄渣抗剪強度，提高淺層棄渣穩定性[19]；再次，為保證棄渣體表層覆土厚度滿足植被生長的基本要求，在覆土表面噴灑減蝕抗沖材料以減少覆土流失[20]；最后，綜合考慮棄渣場土層薄、土石混合、表層水分少且分布不均等特點，根據植物智能優選技術，基于Hydrus模型從立體條件、景觀需求、植被吸水特性等方面，結合棄渣場物質組成、滲流場分布、水分條件綜合選擇植被類型并優化配置(圖3)。對于恢復良好的棄渣場，同樣可以通過棄土棄渣資源化利用潛力評價體系評估不同利用方向的潛力，實現棄渣場的資源化再利用，有效實現工程棄土棄渣資源化利用的可持續發展。

圖3 棄渣場生態修復技術體系示意

基于原位識別和堆置優化的棄渣場生態修復技術體系及資源化利用，相較于現有研究結果，具有以下兩個特點：一是采用無人機、探地雷達、高密度電法等高新技術識別并探明工程棄渣的物質組成及內部滲流場分布，可為工程棄渣排水及措施精準布設提供科學指導；二是在闡明工程棄渣侵蝕機制的前提下，在無人機、探地雷達和高密度電法的棄渣場原位識別技術基礎上，可集成減蝕抗沖技術、纖維加筋固土技術、生態混凝土護坡技術和植物智能優選技術于一體的棄渣場生態修復技術體系。

4 結 論

基于現階段生產建設項目棄土棄渣的概況，選擇不同類型生產建設項目棄渣場面積占項目總面積的比例、流棄比，以及單位面積開挖量及棄方量進行的統計分析結果表明，應特別關注采礦工程、城市軌道交通工程、水利工程，以及公路工程、鐵路工程等涉及土石方量大、流棄比高或者需要設置專門棄渣場的生產建設項目。建議在生產建設項目立項的各個階段優化設計，盡可能減少土石方外棄。對于新疆、西藏等生態脆弱區，在生產建設項目建設過程中尤其要加強對土石方的管理。針對目前棄土棄渣存量大、潛在威脅嚴峻等形勢，梳理了現有研究成果，提出了棄土棄渣主要利用方向，并構建了棄土棄渣資源化利用潛力評價體系，建議加快構建渣土調配中心，提高棄土棄渣資源化利用效率。提出將物探技術引進棄渣場管理，聯合應用無人機、探地雷達、高密度電法等高新技術識別并探明工程棄渣的物質組成及內部滲流場分布，以指導棄渣場堆置優化設計，提高棄渣場安全穩定性。按照“坡腳加固→內部增強→表面減蝕→植被優選”的思路，可集成渣體表面減蝕抗沖技術、覆土內部纖維加筋固土技術、棄渣場坡腳生態混凝土護坡技術和植物智能優選技術于一體的棄渣場生態修復技術體系。相關成果可為項目建設單位、監督管理部門及相關從業人員提供借鑒。