大型石灰巖礦區水土保持設計實踐

連 燕

(四會市宏禹水利水電勘測設計有限公司，廣東 四會 526200)

1 概述

我國能源礦產行業發展快速，過去粗放式礦山開發的持續存在，產生的大量礦山廢棄物，嚴重影響了許多原有地形地貌和礦山的生態環境，目前礦山生態修復的現狀問題嚴重，尾礦廢礦導致的水土流失、重金屬污染等問題突出，過去開采技術和治理修復經驗的缺乏加劇了資源生產和生態環境之間的矛盾[1]。主要問題有:開采規劃設計不合理，例如礦產邊坡開挖過于陡高，增加了產生滑坡、崩塌的風險。尾礦廢棄物沒有進行合理的堆積管理，污染了周邊的水土環境、大氣質量等。廢棄地的不合理管理、廢棄物隨意堆放也容易產生尾礦潰壩，同時影響周邊水土、空氣質量等[2]。

因此，開采礦山的水土保持工作顯得尤為重要，對于保證礦山安全生產，發展綠色礦山經濟顯得尤為重要，本文在充分分析礦山水土保持影響因素和策略的基礎上，以封開大旺塘礦為例，提出了該大型石灰巖礦山的水土保持生態恢復和綠色生產治理對策，通過水土流失預測和監測分析，達到了預期效果。

2 礦山水土保持的治理經驗

2.1 土壤對礦山水土保持的作用

土壤條件會影響礦山的水土保持，土壤的成分和結構對礦山植被有著決定性的影響。是推動影響植物的發育、生長、演化方向的直接因素[3]，從而影響著礦山的水土保持。礦山土體的酸堿值、磷的含量以及堿解氮都密切影響著礦山植被的生長[4]。而且礦山的植物群落的修復也密切受土壤中的全氮、有機質成分和鉀含量等因素的影響[5]。所以礦山水土保持首先需要改善土壤、提升肥力、改善基質。

改善土壤基質的主要方法包括理化改善和生物改善，理化改善的方法存在著量大、造價高、作用效果和時間短等問題，不利于礦產土壤的持續長期改善和管理恢復。生物改善的方法包括動植物改善、微生物改善等，有造價小、持續作用時間久、恢復修復效果好的特點。生物改善法可以通過改變土壤的物理化學性質，進而提升土壤肥力，保證土壤有充足的水、氧、空氣等提高土壤的生長條件，防止開采后礦山的水土流失。

2.2 綠色植物對礦山水土保持的作用

植物群落的演替實質上能代表礦山修復的重要演替更新過程，在廢礦尾礦的修復過程中發揮著至關重要的作用[6]。隨著礦山恢復年限的增加，植物群落結構也逐漸復雜，其植物群落的多樣性也逐漸伴隨恢復年限增加而變得復雜[7]。

實現礦山廢棄地的水土保持需要有合適的植物種類，因地制宜的選擇合適的植被種類是實現水土保持的重要關鍵因素，對于大型石灰巖礦區的開采，應該選擇一些抗逆性好、耐旱性強、生根能力強，發育快速成活率高的植物種類。對于一些沙生植物，能夠很好的吸收銅鎳礦的金屬。

3 石灰巖礦區概況

3.1 自然環境概況

礦區位于廣東省西部，賀江下游，與廣西毗鄰。礦區屬丘陵山區，地勢自東、西兩側向中部傾斜，形成狹長槽形地帶。礦區位于狹長槽形地帶的北段，為低矮丘陵及山間盆地。礦區附近海拔標高最低為+47.70m，最高為+249.20m，最大相對高差201.50m。礦區為典型巖溶地貌，四周多為懸崖峭壁，時見突起孤峰，除陡壁外，地形坡度一般小于50°?？偲綀D如圖1所示。礦體出露地表，開采平臺平整，四周多見開采遺留下的殘壁及爆破造成的堆石。

圖1 礦區總平分布圖

3.2 工程建設現狀

項目區屬于全國土壤侵蝕類型區劃中的南方紅壤丘陵區，土壤侵蝕以水力侵蝕為主，開采礦種為水泥用石灰巖，生產規模988萬t/a；礦區面積為1.03739km2，標高范圍在+284.2m～(+50m)。服務年限分為基建期、生產期和復墾造綠整治期。占地區域主要為露天采場區、礦山道路區、破碎區和辦公生活區4個分區。礦區開采現狀圖如圖2所示。

圖2 礦區地形地質及開采現狀圖

由于礦山的多年開采，自西向東已形成標高為+60m、+70m、+85m、+100m及+120m共5級開采平臺。開采終了剖面圖如圖3所示?，F狀露天采場最高邊坡位于1號拐點南側山體靠近采場一側的邊坡，邊坡頂部高程為+245m，邊坡底部標高為+105m，邊坡總高度約140m，其中共設+150m、+135m、+120m和+105m共4個臺階，形成的臺階坡面角75°～85°。最高邊坡剖面如圖4所示。其中+150m以上形成了高陡邊坡，臺階高度最高達95m。

圖3 開采最終邊坡構成圖

圖4 開采最終邊坡構成圖

3.3 礦區流失現狀與防治目標

項目區水土流失類型屬南方紅壤丘陵區，以水力侵蝕為主，土壤容許流失量為500t/(km2·a)，根據降雨、地形等各因素進行修正。

截至2021年12月，本項目已開采多年，礦山道路區已發生擾動，期間產生土壤流失總3613t。通過水土流失預測，在采取水土保持措施的情況下，本項目可能造成水土流失量為113013.60t，新增水土流失量110042.53t。水土流失重點時期為開采期，重點區域為露天采場區。

修正后水土流失總體防治指標值：水土流失治理度達到95%、土壤流失控制比為1.0、渣土防護率達到97%、林草植被恢復率達到95%、林草覆蓋率應達到24%。項目分區防治指標見表1：

表1 項目水土流失防治指標值

4 水土保持設計方案

開采的年限分別為基建期、開采期、恢復期。水土流失重點時期為開采期，重點區域為露天采場區。根據水土流失防治分區和水土流失防治措施布局原則，本方案針對工程建設生產期各主要分區的水土流失具體情況。并因地制宜采取防治措施，治理高邊坡，重點介紹整片場區的復墾和綠植恢復方案。

4.1 露天開采區

露天采場區占地面積為103.74hm2。實際挖損面積為103.74hm2，實際開采標高為+284.2m～(+50)m。根據采場終了情況，采場+65m標高以上為山坡露天。山坡露天開采完成后轉入凹陷露天開采，凹陷露天采場運輸主要采用路塹。主要階段的防治措施如下：

(1)基建期：

設置漿砌石截水溝和漿砌石沉沙池。本項目主體設計在采場區開采境界邊緣較高地勢地段3～5m處挖掘截水溝，設計形狀為梯形，底寬0.4m，頂寬0.8m，深度0.5m，漿砌石襯砌0.3m，縱向順地形布置，縱坡坡度≥5%，截水溝長度為4511m；截水溝尺寸圖如圖5所示。采礦場排水匯集后，在礦區下游排水出水口位置設置2座沉沙池，用于沉淀來水夾帶的泥沙進行水質處理，采用沉沙池尺寸為15.0m(長)×15.0m(寬)×1.6m(深)。具體沉沙池設計分析如下：

根據主體設計中的礦區10年一遇洪峰流量Q=0.3m3/s，設計池中沉淀流速v=0.1m/s，沉沙池斷面積為S=Q/v≈5.0m2。

設計沉淀時間t=150s，則沉沙池長度L=vt=0.1×150=15m。據此，設計沉沙池寬度15m,深度1.6m，長度15m，過水斷面積5.0m2，容量360m3。

圖5 截水溝排水溝設計圖

(2)生產期：

主體已設表土回填20.90萬m3，平臺排水溝9733m，臺階擋土墻9733m，坡底排洪溝4635m，栽植灌木14600株，栽植喬木27720株，栽植藤本植物28160株，栽植果樹134850株，撒播草籽8.87hm2。

4.2 礦山道路區

運輸道路區主要為簡易公路和采場斜坡道。采場內有礦巖運輸道路通至采場底部，有支線道路通至采場各個臺階，形成較為完善的開拓運輸系統。礦山道路區占地面積為2.06hm2。工業場地區沿用現有的設施，不重新建設。區內地面均已硬化處理，周邊布設有漿砌石排水溝，植物生長茂盛。運輸道路高邊坡路段臨空面堆有塊石擋車樁，轉彎地段設安全警示樁，道路內側分段開挖簡易排水溝，路側邊坡栽植有喬木、灌木，植被生長良好，能有效防止水土流失。

在基建期，主體工程已設措施有路邊排水溝，栽植藤本植物；方案新增漿砌沉沙池1座。在生產期，主體已設栽植喬木。礦山道路長約1800m，總面積2.06hm2。在道路兩側各種植一排榕樹和園葉烏柏。

4.3 破碎區和辦公區

本項目破碎區已建成，該破碎區主要為水泥用石灰巖原礦進行粗碎，以便于運輸。水泥用石灰巖破碎站設置卸礦平臺、破碎平臺及產品堆場共3級平臺。破碎區占地面積為2.13hm2。在基建期，主體在磚砌圍墻外側設置了漿砌石排水溝；方案新增漿砌石沉沙池1座。在生產期，主體已設栽植灌木，栽植喬木，植草綠化0.19hm2。礦山閉坑復墾后，辦公生活區的生產、生活設施可進行充分利用，在其周圍的空地應種植樹木和植草，

4.4 礦區開終高邊坡處理

位于礦區24拐點附近山坡，最高標高為+190m，同邊坡處采場底標高為50m，邊坡最大高度為140m，經計算最大的最終邊坡角為54°，終了邊坡角偏陡，主要原因在于該區域終了邊坡上部為已開采邊坡，邊坡高而陡，為了保證邊坡安全，需要針對上部已開采邊坡進行邊坡安全整治，采用削坡減載或邊坡防護等治理措施。

4.5 復墾工程設計

(1)平臺復墾方法。采場開采終了臺階的安全平臺4m、清掃平臺寬度8m，為灰巖，無土則無法復墾綠化，因此采用覆土法進行林地復墾治理。平臺經整治后，在平臺表面均勻鋪墊剝離土或客土，用于草類種植。清掃平臺種植3排喬木和1排灌木。

(2)邊坡復墾方法。在邊坡根部鑿挖坑槽，并在坑槽里回填有機土，每個坑槽種植爬藤類植物。

(3)采場底部平臺復墾方法。大旺塘礦段底部、石逕村礦段底部水平終了平臺經整治后，在平臺表面均勻鋪墊剝離土或客土，用于果木種植。

(4)平臺排水溝和坡底排洪溝?？诱芜^程中，在采礦平臺一側設置排水溝。

(5)臺階擋土墻。閉坑整治過程中，在采礦平臺一側設置臺階擋土墻。

4.6 植草種樹的選擇和種植技術

4.6.1植物的選擇

根據礦區自然生態及植被群落發育情況，應選擇根系發達、適應能力強的植物栽種，耐受石灰巖地區高鈣離子的作用，故宜選擇當地優勢闊葉喬木、灌木、草藤類等品種進行配套種植。考慮常綠樹種與落葉樹種的搭配。落葉樹種對干旱有很強的適應性，也有助于土壤肥力的提高。常綠樹種在同化CO2與生物量累計方面具有明顯的優勢。喬木中的任豆、刺槐等豆科植物，因其具有固氮根瘤，對石灰巖地區土壤肥力的提高有重要作用，應以主要植物，刺槐屬石灰巖山地綠化的優良樹種，而榆科樹種有較強的抗旱性能，可加速石灰巖山地綠化。灌木以石巖楓、牛耳楓等為主，草類以竹葉草、青皮竹等為主，藤類以龍須藤、雞血藤、爬山虎等為主，形成與周邊植物群落一致的“草、藤、喬、灌木”相結合的立體生態景觀。果木則選擇適合當地氣候條件、土壤條件、適應能力強且產品比較受歡迎的桔樹、芭蕉、李為主。

4.6.2種植技術

應選擇在雨季進行植樹，草籽直接撒播。為防止水土流失對環境的污染，采用鑿坑填土栽培法，坑內置可降解薄膜，防止雨水泄漏，并在坑底施加復合肥和磷肥，以幫助植物的生長、發育。

5 水土流失預測及監測布置

5.1 水土流失的影響因素

項目建設對水土流失的影響主要在基建期、生產期以及復墾期。基建期、生產期損壞原地貌及植被，使工程用地范圍內原地貌植被所具有的水土保持功能迅速降低或喪失，大量松散堆積物易被沖刷造成流失；復墾期(植被恢復期)由于植被恢復是一個緩慢的過程，水土流失強度仍高于工程未建設前的水平。

項目建設伴隨著礦區道路修建、露天開采、產品運輸等，這些施工活動都將占壓土地、改變原有地貌、毀壞植被或原有水土保持設施，降低植被覆蓋率，破壞原有生態防護體系，造成大量地表裸露，勢必加大水土流失發生的可能性和危害程度。

此外，在項目建設過程中，若臨時防護措施不到位，產生的新增水土流失將給項目區及其周邊環境帶來危害。項目的水土流失布設總圖如圖6所示。

圖6 礦區水土流失防治措施總體分布圖

5.2 水土流失量的計算

包括水土流失總量和新增水土流失量。新增水土流失量是指項目施工建設可能造成的土壤流失總量較對應區域、相同時間內原生地貌條件下所增加的土壤流失量。

水土流失量采用侵蝕模數法，按以下公式計算土壤流失量：

(1)

新增土壤流失量預測公式：

(2)

式中，W—擾動地表土壤流失量，t；ΔW—擾動地表新增土壤流失量，t；i—預測單元，i=1，2；k—預測時段，1，2，指施工期和自然恢復期；Fi—第i預測單元面積，km2；Mik—擾動后不同單元各時段的土壤侵蝕模數，t/km2.a；ΔMik—不同單元各時段新增土壤侵蝕模數，t/km2·a；Mik—擾動前不同預測單元土壤侵蝕模數，t/km2·a；Tik—預測時段，a。

通過預測，下階段施工可能造成水土流失總量為116013.60t，新增水土流失總量110042.53t；其中基建期水土流失量45t，新增水土流失量42.28t；開采期水土流失量113745.60t，新增水土流失量108888.75t；自然恢復期水土流失量2223.00t，新增水土流失量1111.50t。從預測結果看，新增水土流失時段主要集中在基建期和開采期。因此，開采期應作為水土流失防治重點階段，防治的重點區域為露天采場區、礦山道路區、破碎區，并應加強開采期的水土保持監測工作，以便及時調整方案和掌握防治措施實施進度，確保水土流失在可控狀態下的施工。

5.3 監測布置

根據《生產建設項目水土保持監測規程(試行)》中的規定，結合工程建設水土流失特點，擬設4個臨時監測點位，如下：1#監測點：露天采場南部下游的沉沙池；2#監測點：西側辦公生活區的沉沙池；3#監測點：破碎區；4#監測點：礦山道路區。主要的監測目標包括流失量的監測和水土保持手段的監測。

5.3.1水土流失量監測

(1)水土流失類型及形式應在綜合分析相關資料的基礎上，實地調查確定。每年不應少于1次。

(2)典型項目水土流失面積監測應采用普查法，每季度不應少于1次。

(3)土壤侵蝕強度應根據行業標準SL190《土壤侵蝕分類分級標準》按照監測分區分別確定，施工準備期前和監測期末各1次，施工期每年不應少于1次。

(4)重點區域和重點對象不同時段的土壤流失量應通過監測點觀測獲得：水力侵蝕土壤流失量應根據監測區域的特點、條件和降雨情況，選擇不同方法進行觀測，統計每月的土壤流失量；可采用調查、實測等方法，對崩塌、滑坡、泥石流等土石方量進行量測。

5.3.2水土流失植物防治措施監測

(1)植物類型及面積應在綜合分析相關技術資料的基礎上，實地調查確定。

(2)成活率、保存率及生長狀況宜采用抽樣調查的方法確定。應在栽植6m后調查成活率，且每年調查1次保存率及生長狀況。

(3)郁閉度與蓋度監測應每年在植被生長最茂盛的季節監測1次。

(4)林草覆蓋率應在統計林草地面積的基礎上分析計算獲得。

6 結論

本文在治理石灰巖礦山的水土流失中發現，綠色植被對礦山修復有著重要意義，應該合理搭配綠植，層次上錯落。應動態監測與評價項目區內的水土保持情況，監測應該置于治理期之前，考慮治理中施工擾動的影響，保持動態監測。而且必須對擾動區域采取相關的水土保持措施，在開采結束后必須對該區域進行復綠工作與采取相應的永久防治措施。對于石灰巖礦區高邊坡的治理研究，本文仍有研究不深的地方，有待進一步研究。