河南省澎河柒樹溝—達店段山水林田湖草一體化生態保護與修復研究

宋紅偉,陳 奎,余 陽,趙百順,劉坤朋

(1.河南省地質局礦產資源勘查中心,河南 鄭州 450000; 2.中原能礦投資開發有限公司,河南 鄭州 450016)

山水林田湖草生命共同體理論自2013年提出伊始,便以其整體性、系統性、原真性、協同性和長期性的理論優勢,以及全域治理、統籌實施、自然恢復為主、多部門協作和可持續發展的治理理念,成為生態保護和修復領域的基本遵循和行動指南。2016—2018年,全國陸續開展了3批次共25個山水林田湖草生態保護修復工程試點項目,在國家重要生態功能區和生態屏障區部署實施一體化生態修復工程,對維護國家生態安全、提高生態系統質量起到了良好的示范作用。試點工程的實踐進一步催生了國內學者對山水林田湖草理論的深入研究。宏觀政策方面,主要集中于山水林田湖草的科學內涵、機制體制、生態系統服務提升、生態過程、實施路徑等[1-8];技術措施方面,多數致力于生態功能分區、生態保護尺度與修復的基礎、生態修復策略和治理思路等,如宇振榮等[9]提出了管控、修山、治水、復綠、整地、擴濕等綜合性生態修復策略;彭建等[10]提出了對關鍵要素控制和全要素耦合相結合的治理思路;楊銳等[11]提出“再野化”的我國山水林田湖草生態保護修復新思路;蘇沖等[12]提出了優先區識別是科學有序推進山水林田湖草生態保護修復工作的重要基礎;付建新等[8]對山水林田湖草時空分異和自然環境要素分布特征的差異引起的生態環境保護、管制和修復進行了一定研究;楊崇曜等[13]基于自然解決方案(NbS)對山水林田湖草生態保護時空尺度、目標設置、技術措施和管理機制進行了探索。

澎河發源于伏牛山區方城縣四里店鄉曬衣山南麓,經達店、神林流入魯山縣境內,最后注入白河和白龜山水庫。方城縣境內河段長25 km,流域面積118 km2,系一季節性河流,豐水期主要集中在5—10月,最大洪峰流量197.8 m3/s,河流上建有澎河水庫,蓄水量為7 112.15萬m3[14]。柒樹溝—達店段往年由于大面積開采花崗巖風化殼型超貧磁鐵礦,生態環境破壞嚴重,存有泥石流、不穩定斜坡等地質災害隱患。

隨著生態文明建設思想日益深入,方城縣地方政府積極改變以往單要素、單領域、單部門的環境治理模式,將礦山地質環境恢復治理和土地綜合治理、水流域生態環境治理與生態修復以及旅游區建設相結合,以山水林田湖草生命共同體理論作指導,在生態功能分區和一體化設計的基礎上,將尾礦、廢渣等固體廢棄物進行資源化利用,不僅可從根本上消除泥石流形成的物源條件,避免泥石流災害的發生,而且可通過循環經濟的方式為整個項目的實施提供足夠資金,破解地方財政資金不足的難題,并為社會資金參與該類項目提供盈利點。生產機制砂的同時,可將壓占、損毀的土地和殘次林地進行復墾,將相關河道進行清淤、蓄水和景觀建設,使原本遭受嚴重破壞的工礦廢棄地變成一個集生態觀光、休閑旅游、水源凈化等多種生態功能于一身的景觀綜合體,為推動當地生態重建和旅游發展奠定堅實的基礎,并為社會資金參與生態環境治理提供了一個良好的實施模式。

1 研究區概況

研究區位于方城縣西北四里店鄉,地貌類型為剝蝕低山丘陵,區內河谷發育,且河谷與山嶺走向多呈一致。四里店花崗巖體(K1SL1)在研究區地表廣為分布,是伏牛山花崗巖基的組成部分,主要巖性為中粒黑云二長花崗巖,富含鉀長石大斑晶和副礦物磁鐵礦。鉀長石大斑晶含量約占10%,磁鐵礦含量一般6%～10 %,平均7%,風化殼厚度10～20 m,2003—2012年曾被當作超貧磁鐵礦開采,其表層覆蓋厚20～30 cm的強風化坡積土,土壤類型為黃褐土,熟化程度較高。

研究區地處北亞熱帶和暖溫帶過渡帶,屬大陸性季風氣候,地表水資源年內年際分配不均,每年6—9 月份降水占全年降水量的70%以上,降水集中,易發洪澇和干旱災害[14]。研究區地下水類型為塊狀巖類裂隙水,含水巖性即為四里店中粒黑云二長花崗巖,沿斷裂帶有泉水出露,泉流量<0.1 L/s,水化學類型為HCO3-Ca型,礦化度為0.15～0.35 g/L,地下水徑流模數1.262～1.540 L/s。研究區工程地質巖組為碎裂狀較軟花崗巖強風化巖組,中粒結晶,新鮮巖石致密,淺層巖石風化嚴重。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015),該區地震動峰值加速度為0.05g,地震烈度反應譜特征周期為0.35 s。

2 生態環境問題

根據可持續發展理論,自然保護和資源的永續利用必須達到一種相對均衡狀態[15],生態環境問題往往由于資源承載能力不足或者自然保護程度不夠、保護方式不當引起,過度開采資源勢必引起生態功能退化甚至生態環境破壞,當超出一定閾值就必須借助人工干預方能恢復。

研究區內風化殼性型花崗巖超貧磁鐵礦的無序開采是區內生態環境遭受破壞的根本原因,此后由于砂石骨料價格暴漲,尾礦可用作機制砂的加工原料因而遭受私挖濫盜,進一步加重了環境的破壞程度。礦山主要地質環境問題如圖1所示。具體來說,區內生態環境問題主要表現如下。

圖1 礦山主要地質環境問題Fig.1 Main geological environment problems of mine

2.1 礦山環境問題

(1)礦山地質災害。突出問題是礦渣遭遇瞬時暴雨形成泥石流,以及礦渣堆積過高形成的不穩定邊坡。兩種災害均由超貧磁鐵礦無序開采和尾礦大量堆積引起,是資源過度開采和環境修復力度不足耦合所致。

礦渣泥石流物源區主要分布在澎河支流月后溝南岸和北岸次一級溝谷兩側,流通區為整個月后溝,沉積區為月后溝匯入澎河口附近,危害區域包括柒樹溝和達店2個行政村的5個生產組,危害對象分別為建筑、田地、橋梁、道路與河床。經統計,研究區25個地塊中有24個地塊堆積累計1 250.39萬m3尾礦渣(圖1(a)),為泥石流的發生提供了充足的物源。因礦渣隨意堆積且過于集中,一旦瞬時降雨量達到相應臨界值,極易引發泥石流災害。根據當地氣象條件及澎河最大洪峰流量推測,研究區礦渣泥石流具有多期次、高頻率、突發性強,歷時短等特點,一般集中發生于6—9月份。

礦渣不穩定斜坡是由于礦渣大量堆積于溝谷、河道兩側引起,渣堆凌空面一般高20～30 m,局部達30～60 m,一旦遭遇暴雨沖刷或者經受機械作業極易誘發裂縫,進而引起滑塌(圖1(b))。由于渣堆系松散堆積,滑塌災害的發生同樣具有突發性強和來勢兇猛的特點,不僅會危及過往行人的安全,而且為泥石流的形成提供了物源。

(2)壓占、損毀土地植被。研究區廢棄礦渣的無序堆放,共導致86.8 hm2不同類型土地被壓占和損毀,包括旱地11.07 hm2、有林地12.2 hm2、灌木林地49.2 hm2、廢棄工礦地9 hm2和未利用地12 hm2,原生植被受到極大破壞(圖1(c)),使得土壤侵蝕加劇,水土保持困難,農田保水保肥能力不足,農作物產量降低,土地逐漸退化,地勢較低地帶通常形成水洼地(圖1(d)),植被不易生存。

(3)破壞地形、地貌景觀。露天采礦生成大片裸地、廢渣堆、高深礦坑和廢棄建(構)筑物,在壓占土地的同時,改變了原有地貌形態(圖1(e)),進而破壞了自然生態景觀,尤其在村莊周邊和道路可視范圍,露天開采將原有景觀挖出一道道“傷痕”,與周邊天然植被形成極大反差,造成視覺污染。

2.2 水生態問題

四里店鎮轄地植被茂盛,為澎河流域水源涵養區,由于風化殼型鐵礦的過度開采,形成了大量工礦廢棄地,尾礦渣散亂堆放于月后溝,不僅侵占河岸線,而且淤積河道,使河道的排水功能大為降低,且雨水匯集后流經尾礦渣,水質也將有所下降。此外,澎河各支流聯通性差,未形成有效水網,每年有多個月份呈干涸狀態,難以形成穩定的水系生態,即便豐水季節水體自凈能力、水環境恢復能力仍然較低。

2.3 土地環境問題

月后溝及其上游礦渣壓占和損毀土地較為普遍,土壤受損嚴重,主要表現為土壤環境的惡化和理化性質的改變,有機質和N、P、K等營養元素減少,肥力下降,土層變薄,土壤結構遭到破壞,水土流失較為嚴重。

3 生態保護與修復方案

3.1 工作思路與實施條件

生態保護修復的對象是山水林田湖草生命共同體,其本質是景觀綜合體[10]。通過移動式機制砂生產線,首先篩出礦渣中鉀長石顆粒,再對礦渣進行分選、整形、脫水和除泥,通過持續變現不斷為工礦廢棄地、殘次林地復墾和水環境治理籌集資金,治理思路堅持從項目尺度轉向景觀尺度[11],以景觀建設和景觀提升為根本目的,兼顧山體復綠、水環境治理、廢渣清除,在消除地質災害的同時,恢復重建當地生態。

(1)尾礦資源化利用的前提條件。研究區存有少部分風化殼型超貧磁鐵礦未經碾碎,其鉀長石斑晶由于抗風化能力較強得以保留,并可作為鉀長石礦利用。參考相鄰油坊莊風化殼型鉀長石礦,斑晶含礦率一般7.0%～15.4%[16],區內未經碾碎礦渣鉀長石斑晶含礦率目估可達5%。參照相鄰油坊莊鉀長石礦區化學分析結果:全鐵(TFe)含量大于1%,二氧化鈦(TiO2)含量大于0.2%,燒后白度小于20%,區內鉀長石礦經選礦提純后可以作為陶瓷和玻璃的工業原料[17]。

通過對礦渣代表性樣品進行分選試驗和亞甲藍值測試,判定砂石成分、細度模數及亞甲藍值(MBV),作為制定生產工藝及流程的依據。

試驗證明,尾礦渣中砂石含量68%左右,泥土雜質含量20%～28%,金屬礦物含量僅0.8%,含泥量高。粒度>4.75 mm的顆粒占比14%,粒度<0.075 mm的顆粒占比10%,細度模數均值3.3,超出機制砂細度模數2.5～3.0的要求范圍,粒度偏粗。綜合以上2項特性,機制砂工藝流程必須考慮除泥、整形和分選。考慮泥土含量偏高和未遭受重金屬污染,生產流程中設計將所含泥土除水去濕,壓干成餅,作為工礦廢棄地復墾的底層土壤,充分體現循環經濟廢物再利用的原則。測試樣品未測出亞甲藍值(MBV),不存在膨脹性黏土礦物,所產機制砂性能穩定。

(2)生態功能分區是一體化設計的基礎。生態功能分區是制定生態保護對象和方案的立足點,也是山水林田湖草一體化設計的基礎。一體化設計,必須保證與上級生態功能區劃銜接,與土地利用規劃一致。

針對研究區生態環境現狀及存在的突出問題,根據生態服務功能重要性和生態敏感性[15],對研究區進行生態功能分區(圖2):①水源涵養區。研究區屬于澎河發源地,地勢較高、植被茂盛,除采礦活動破壞嚴重的區域以及水體范圍,均劃入水源涵養區,側重于自然保護,輕微損害地段尋求自然恢復[13],主要工作是科普宣傳,防止人為破壞。②水土保持區。即礦渣堆放區域,包括工礦廢棄地、壓占的殘次林地及少量耕地。充分利用采礦遺留底盤和壓占土地地面平坦的優勢,以及機制砂生產線副產品泥餅可粉碎作底層土壤的特點,將其復墾成耕地,并在各地塊建設防護林帶,防止水土流失和土地沙化。③水生態恢復和生物多樣性保護區。在澎河兩岸,以主河道與月后溝交匯區域為中心,通過修建2號溢流堰和3號漫水橋,逐級抬升水位并蓄水成湖;在河岸線附近營建濕地,通過引進魚苗、蝌蚪、野鴨等水生動物和種植蘆葦、菖蒲、水蔥、睡蓮等水生植物,逐步恢復生物多樣性。

圖2 生態功能分區及工程、景觀布置Fig.2 Ecological function zoning and engineering,landscape layout

3.2 一體化設計的工程布局

景觀設計依托生態功能分區,通過工程措施和生物措施,在泥石流溝物源區、流通區和沉積區分別采用不同手段,消除地質災害,恢復或重建生態,提升景觀質量。

物源區通過機制砂生產線消耗廢棄礦渣,騰退的土地根據土地利用規劃,結合地形坡度和微地貌特征進行復墾,可復墾地塊24個,復墾方向為耕地。

流通區主要任務是疏通河道,清除淤泥,清理堆存礦渣,同時為營建水生態修建1號、2號、4號3座溢流堰。為了方便通行修建2號交通橋,該區段共有2處景觀:①在南崗東北打造“梨園風情帶”,種植梨樹;②在河道急轉處營建“福滿塘”,種植水蔥和荷花。

沉積區是整體設計的景觀核心區,工程重點是重建濕地水生態,塑造一派田園風光。具體為清除主河道淤泥,在其下首柿園東側修建3號漫水橋,抬升上游水位和蓄水量,形成月明湖景觀,利用河心灘建造月牙島景觀,月牙島上建“許愿閣”。在主河道兩岸行洪道外側和月后溝河道彎曲度較大處岸線營建淺灘濕地樂園,主河道兩旁濕地寬度16～65 m,月后溝濕地寬度4～15 m,規劃面積1.67 hm2,敷設駁岸石和生態袋,局部地段利用漿砌石墻或者格賓石籠護坡,種植菖蒲、水蔥、睡蓮等低矮水生植物。為配合景觀建設和通行方便,建設1號交通橋、壩頂道路,修建石材欄桿,并于月牙島對岸臨湖設置觀景臺,與許愿閣相映。

3.3 重點治理工程

(1)尾礦的清除和綜合利用工藝。鑒于尾礦渣系露天堆放,且當地雨水較多,設計采用濕法生產工藝,先分選出鉀長石礦物斑晶,再生產機制砂,然后除泥并壓濾成泥餅。

具體流程如下:原料經膠帶機輸送至振動篩,振動篩上設置噴水裝置對物料進行水洗,粒度大于10 mm(粒度可以調整)的物料收集后送入鉀長石堆場;粒度3～9 mm的物料收集后進入制砂機整形,制砂機出來的物料進入振動篩,大于4.75 mm的物料返回制砂機,4.75 mm以下的物料進入脫水篩,經過脫水篩的物料進入膠帶機送入成品砂堆場,脫水篩收集到的水進入濃縮池;粒度3 mm以下的物料進入螺旋洗砂機,將洗出的成品砂輸送至成品砂堆場。小顆粒物料和污泥通過渣漿泵送入旋流器,經過旋流器的分離作用,將細砂經過脫水篩后送入成品砂堆場,污泥混合污水送入濃縮池。進入濃縮池的污水經過濃縮池的濃縮,將清水收集起來送至循環水池。高濃度的污泥經過渣漿泵輸送至攪拌池,攪拌池里的物料通過渣漿泵輸送至壓濾機,將壓濾后的泥餅輸送至泥餅堆場,作為土地復墾底層土壤,收集的水輸送至循環水池,循環水池需要定時補水。具體工藝流程如圖3所示。

圖3 尾礦綜合利用工藝流程Fig.3 Comprehensive utilization process of tailings

(2)土地整治工程。包括工礦廢棄地、殘次林地復墾以及壓占耕地恢復,工程內容主要有土地平整、覆土、翻耕、培肥、灌溉、排水,田間道路和防護林、配電工程建設等。其中,地塊4、5、11、17含有工礦廢棄地,共計9.00 hm2,其余地塊包含殘次林地和少量其他草地,面積66.47 hm2,復墾方向均為旱地(圖2)。

(3)水生態環境治理工程。水生態環境治理以水利工程為基礎,首先保證主河道夏季行洪能力。具體做法是,對主河道鏵尖河橋—柿園段進行清淤、河槽拓挖、河堤防護、河岸道路修筑及綠化,在行洪道內側,則蓄水成湖,并實施岸線地形改造、岸帶護坡、防滲,溢流堰、堤防道路等工程,在河道邊緣形成濕地景觀,杜絕月后溝上游生活污水的排入,通過濕地過濾凈化水質,通過蘆葦、水蔥、菖蒲種植和魚苗、蝌蚪、野鴨引入逐步營建水生態,將人工湖泊與周邊林木生態融為一體,促進生物多樣性保護。

(4)景觀打造與提升。以水系為載體,在新建濕地的基礎上進行了景觀提升,并賦予景觀總體以富有詩意的名稱——“如意川七景”,增強景區文化底蘊。具體包括:月明湖濕地、月牙島、觀景臺、相思樹、淺灘樂園、梨園風情帶和福滿塘七大景觀。景觀打造效果如圖4所示。

圖4 景觀打造效果(如意川七景)Fig.4 Effect drawing of landscape creation(Seven views of Ruyi River)

月明湖濕地包括淺灘濕地(圖4(a))和溢流堰跌水(圖4(b))2個景觀。淺水區岸線處按駁岸石景觀設計,并在石頭縫隙放置一定數量生態袋進行岸線防護,可在生態袋上劃開不同規格的十字型開口,撒播濕地植物種子或繁殖幼體。淺水區需種植水蔥、蘆葦與睡蓮。

月牙島景觀以河心灘為基礎修建,既可用于河水分流,也可用于穩定水體,對汛期洪水能起緩沖滯留作用,并為水鳥等提供活動和休息場所(圖4(c))。規劃面積0.83 hm2,島上布設環形步道 500 m,步道用滲水磚鋪設,岸線邊坡坡降為 1∶3。島上大量種植狗牙根、垂柳、水杉等植物,在島中心建造許愿閣,采用仿古建筑風格,占地面積0.13 hm2。

觀景臺景觀位于柿園東南主河道環流岸堤上,是“月明湖” 濕地的最高處,登臨此臺,周邊景觀可一覽無遺(圖4(d))。

相思樹景觀位于達店村東北隅,圍繞2棵1 300年樹齡的銀杏打造(圖4(e))。銀杏樹圍6 m,樹高 15 m,枝繁葉茂,極具觀賞和文化價值,擬在樹外修建圍欄和科普石碑。

淺灘樂園景觀營建在澎河主干道行洪道外圍淺灘濕地,可為周邊群眾提供一個休閑戲水的去處,也可為水鳥、魚蝦等提供一個良好的生活場所(圖4(f))。規劃面積1.67 hm2,布設駁岸石與生態袋等,種植低矮水生植物蘆葦、水蔥和菖蒲等。

梨園風情帶景觀位于南崗村組東北側,規劃面積7.67 hm2,位于河堤路旁,緊鄰月明湖南側,每逢春暖花開,可供人們游覽。

福滿塘景觀位于椴樹灣村組西側,由于常年河道沖刷周邊道路,每逢汛期嚴重影響周邊村民出行安全。此處河道狹窄,需要拓寬挖深河道,消除洪水隱患。在此挖塘蓄水,可變災患為福瑞,表達人們消除洪水災禍、迎接美好生活的期望,故命名“福滿塘”。規劃面積2.3 hm2,種植水蔥和荷花。

4 結語

山水林田湖草生態保護與修復工程,其本質是以山水林田湖草生命共同體思想為理論指導,圍繞生態功能區劃,對已經遭受破壞或者生態功能退化的地區進行整體保護、系統修復和綜合治理。根據研究區現狀條件下呈現的主要生態問題,結合土地利用規劃進行生態功能分區,圍繞景觀綜合體打造這一生態治理與恢復的基本目標,將礦山環境治理、土地整治,水生態與水環境重建,濕地景觀提升等融合為一個系統工程,通過尾礦資源化利用將固廢轉化為資金,從而實現回收型循環經濟。通過工礦廢棄地和殘次林地復墾幫助當地完成補充耕地指標,且所打造景觀可以成為旅游基底平臺,為美麗鄉村建設和發展鄉村旅游奠定良好的基礎,對地方政府出資或者社會基金參與山水林田湖草修復項目具有重要的借鑒意義。