北京市矿山生态修复主要应用新技术的分析与探讨

1北京市关停废弃矿山生态修复主要实用技术的分析与探讨陈京弘（2009年6月）概要北京市关停废弃生态修复工程2007年正式启动，主要针对已关停废弃的煤矿、石灰场、采石场、金属矿等矿山及矿区进行植被恢复建设，涉及房山、门头沟、丰台、海淀、昌平、延庆、怀柔、顺义、密云和平谷10个区县，是北京市“十一五”期间投资规模大、涉及范围广的重点生态建设之一。关停废弃矿山生态修复是一个复杂的系统工程，生态修复的关键技术不是单项技术，更不是几个单项技术的简单组合，它是一系列跨学科、跨行业的实用技术经过有机集成，形成一体的技术体系。北京市关停废弃矿山生态修复采用的主要技术包括岩面工程措施、植被恢复技术措施以及配套措施等。本文通过对矿山生态修复的理论概念进行分析提炼，对北京地区关停废弃矿山生态修复工程实用技术进行概括总结，对主要实用技术的功能特点、应用范围等方面进行研究探讨,同时重点针对实践中应用的主要实用新技术进行调查研究，逐个解剖鑫三角生态袋、格宾网档墙、挂网喷播等各项实用新技术，分析其特点、优势、应用范围及局限性，试图探索一个切实可行的矿山生态修复综合技术体系，为北京市关停废弃矿山生态修复的实践活动提供参考意见。2北京市关停废弃矿山生态修复主要实用技术的分析与探讨一、生态修复理论与矿山生态修复理念探讨（一）生态修复的生态学原理。根据生态学原理，生态系统的结构和功能在自然干扰或人为干扰下发生了改变，打破了生态系统原有的平衡状态，使系统的结构和功能发生变化和障碍，造成物种多样性改变、系统稳定性降低、生态功能减弱，这称之为受损生态系统。生态系统是具有在遭到外界干扰因素的破坏以后恢复到原状的能力，这称之为恢复力稳定性或自我恢复能力。但恢复力稳定性是有限度的，当生态系统受损较严重、受损规模巨大，超过临界值时，自我恢复能力会急剧下降，直至丧失。但这种情况出现是比较极端的或渐进的，如：行星撞击地球、世界核大战、全球气候变暖和全球荒漠化等。通常来讲只要给出足够的时间，受损生态态系统是可以自我恢复的。最近，耶鲁大学森林环境学院的一项研究结果表明：生态系统恢复速度比想象要快，15%的生态系统具有良好的恢复能力，生态系统的平均恢复时间为20年甚至更少，最长不会超过56年。此外，研究还发现，生态系统遭到人为破坏后，其所需的恢复时间比自然破坏所需恢复时间都要长。在不同生态系统中，森林体系所需的恢复时间最长。这样可以理解，矿山开采对生态系统的破坏，相对是局部的、范围与规模不大的破坏，如果所在的生态系统恢复力稳定性良好的话，一般能够无需太久时间就能够恢复到一定程度。如在降水量较多、周边生态环境较好的南方各省。但如果在较干旱地区可能会需要很长的一段时间。实际上在北京这样干旱和半干旱地区，有3-5年时间，在开采创面的石缝中都会3生长出来很多像臭椿、荆条等植物来。（二）生态修复之自然修复与人工修复。目前，国内外对于生态修复这一概念尚无统一的认识，提出了“生态恢复”和“生态修复”两种概念。虽然两者在概念上稍有区别，但目的都是通过自然恢复和人工干预等手段，使受损生态系统达到原有的生态服务功能。1、自然修复。自然修复是指受损生态系统在停止人为干扰后，依靠本身的自我调节能力和自我恢复能力，使受损生态系统恢复其生态服务功能和价值，如：封山育林、围栏封育等。理论上讲，通过自然修复的生态系统在适应性和稳定性上要远远强于人工修复的结果，应是生态修复的理想状态，但需要足够长的时间，且时间越长状态越稳定。2、人工修复。人工修复是指受损生态系统通过人工干预、引导或人工建设，在短时间内恢复、重建或改进原有生态系统，使其达到原有的生态服务功能和价值，如：人工造林绿化、林分改造、抚育等。理论上讲，如果人工修复后不再进行人工维护，那么自然干预就会起到很大作用，如：物种自然选择、生物群落演替等。因此，人工修复应以自然修复为蓝本，是尽量对自然修复进行摹写的过程，也是对自然修复的加速过程。（三）生态修复的三个目标。根据生态学原理，一个受损生态系统的生态恢复，应包括物种多样性、系统结构、食物网、能量流动效率、物质循环、生产力、其他服务功能、系统稳定性等八个方面的恢复。在矿山的生态修复中我们把目标锁定在稳定性、生物多样性、生态景观等三个主要方面，这里重点指的是植被恢复，不包括土地复垦及开发。1、稳定性。一方面是恢复生态系统的系统稳定性，包括：抵抗力稳定4性、恢复力稳定性。另一方面是地质稳定性，由于矿业开采对地质结构破坏较严重，矿山存在着塌陷、泥石流等多种地质灾害隐患，在这样地质条件下建立的生态系统必将势如危卵。因此，地质稳定性既是矿山生态修复的前提条件，也是生态修复的建设目标之一。2、生物多样性。生物多样性是矿山生态修复的根本目标，其中植被恢复是其首要目标。因此，北京市关停废弃矿山的生态修复工程叫做植被恢复工程。3、生态景观。矿山生态景观的修复是实施生物多样性修复的副产品，是植被恢复的结果，但对于我们人类而言是一个重要目标。（四）矿山植被恢复的三要素。矿山生态修复的首要目标是植被恢复，实现植被恢复的三个必要条件是土壤、水、植物（种子）。土壤、水、植物（种子）构成了矿山植被恢复的三要素，因此，我们所运用的植被恢复技术措施及工作思路基本上是围绕这三个要素出发的。二、北京市关停废弃矿山植被恢复工程概况（一）基本情况。北京的矿产资源丰富，截止2004年底，全市共发现各类矿产126种（含亚种），其中固体矿产122种，非固体矿产4种。历史上，矿产资源的开发利用曾对北京市经济社会的发展做出过重大贡献，在一些乡（镇）、村，矿业开采已成为农民就业和地方经济发展的支柱产业。但长期以来，矿产开采只重开采而疏于修复，致使矿区生态环境破坏严重，地质灾害、水土流失、土壤沙化和水污染等一系列环境问题日益凸显。市委、市政府高度重视矿区生态环境修复工作，指示要加大矿山开采关停力度，加快生态修复进度。为及早解决矿山生态破坏问题，2005年3月7日，王岐山市长专门召开了第75次市长办公会议，讨论我市关停废弃5矿山的生态修复工作。2006年，在开展调研摸底的基础上，北京市出台了《关于推进山区小流域综合治理和关停废弃矿山生态修复的意见》，并在房山、门头沟等地区开展了不同类型的矿山生态修复试点工程（主要包括煤矿、采石场等），加强了农村环境综合治理。2007年3月，市发展和改革委、市园林绿化局、市国土资源局、市财政局联合下发了《北京市山区关停废弃矿山植被恢复规划（2007—2010）》。根据规划，北京市山区关停废弃矿山需要治理面积11.8万亩，2205处，其中，煤矿513处，铁矿232处，灰岩（类）矿1210处，铜矿2处，其它固液体矿248处。涉及房山、门头沟、丰台、海淀、昌平、延庆、怀柔、顺义、密云和平谷10个区县。北京市矿山类型主要是采石场、石灰场、煤矿、金属矿等，其中煤矿主要集中分布在太行山脉的门头沟区和房山区，金属矿主要分布在燕山山脉的密云县和怀柔区，采石场和石灰场的分布较为广泛，各地区均有分布。（二）工程建设情况。2007年下半年北京市正式启动了关停废弃矿山植被恢复工程，治理总面积2.2万亩，其中：中心区生态修复1.2万亩，周边绿化1万亩。涉及房山、门头沟、丰台、海淀、昌平、延庆、怀柔、顺义、密云、平谷等区县，主要治理位于市区及奥运场馆干道两侧、重点景点周边可视范围内的废弃矿山。到2008年底工程全部完工，据统计，中心修复区完成栽植各类苗木160万株，修建各类挡渣墙20.6.1万立方米、建排水沟5.4万米、铺设生态袋5万立方米、铺设植生袋3.9万立方米、铺设输水管线19.3万米、建蓄水池101座。经过1年多时间的工程建设，取得了显著的效果，项目区植被盖度明显增加，扬沙起尘、水土流失、滑坡、泥石流等现象得到有效控制，当地6生态环境质量和景观效果明显改善，为提高首都国际大都市形象，建设“宜居城市”、“生态城市”创造基础条件，为2008年绿色奥运目标的实现提供积极保障。三、北京市关停废弃矿山生态修复实用技术分析（一）北京主要应用的生态修复实用技术。通过2006年工程试点建设，将北京地区主要应用的实用技术归纳为岩土工程技术措施、植被恢复技术措施以及配套措施3大类共10项技术，分别是开采岩面处理技术、高陡边坡稳定处理技术、弃渣控制及修复技术、客土整理造林技术、绿化美化技术、经济林营造技术、封育治理技术、水利配套、养护管理和生态效益监测与评估技术等。所采用的技术都比较成熟，在国内外有成功应用的先例或事先做过试验示范，并且各项技术通过集成后配套使用，形成技术体系，大大提高了技术的可靠性。同时，归纳成五种治理模式，分别是废弃石灰场治理模式、铁矿石采石场治理模式、煤矿治理模式、道路边坡治理模式、封育修复模式。（二）北京关停废弃矿山生态修复实用技术的分析。上述三大类技术中配套技术以水电配套技术和养护管理为主，是通用技术，本文不做重点讨论。本文着重分析岩土工程技术和植被恢复技术及其混合集成技术在北京关停废弃矿山生态修复中的应用。1、岩土工程技术。岩土工程技术是以提高地质稳定性、减轻地质灾害危险为主，并通过客土整理为植被恢复提供一个有利的环境。岩土工程技术的对象包括对开采创面、弃渣坡、裸露边坡、排土场及矸石山的稳定处理。一方面对矿山进行稳定处理是植被恢复的前提条件，另一方面矿山开7采造成的地质灾害危险直接威胁人身财产安全。因此，在生态修复之前要进行必要的地质灾害危险性评估，采取相应的岩土工程技术。据调查统计，北京市2007年关停废弃矿山植被工程项目区主要地质灾害危险是滑坡、崩塌、泥石流，其中：滑坡危险64处、崩塌危险15处、泥石流危险54处。根据2007年工程项目的地质灾害危险性评估，除海淀区香山北沟道路边坡治理工程存在的地质灾害危险性较为严重外，其他工程区现状地质灾害危险性较小，评估级别分别为2或3级。2007年北京市关停废弃矿山植被恢复工程岩土工程技术主要采用了消坡降坡、坡面清理、开采面浮石清理、截排水沟工程和挡土墙工程等，对地质灾害危险较重的地区还应用了预应力锚索、挂网喷砼工程、格构工程和抗滑桩工程等。从地质结构和采矿类型来分析，绝大多数的采石场、石灰场虽然对山体破坏较重，创面面积大，坡度陡，但整体岩体还较为牢固，主要危险是存在一定量的浮石和弃渣坡滑坡，适用的岩土工程技术为消坡降坡、坡面清理、浮石清理、截排水沟工程和挡土墙工程等；北京煤矿主要为深井开采，目前沉降和塌陷不很明显，主要危险是矿区的矸石山或排土场滑坡，适用的岩土工程技术为消坡降坡、坡面清理、截排水沟工程和挡土墙工程等；北京金属矿主要以露天开采为主，一般作业面较大、坡面较平缓，地质灾害危险性较弱，适用的岩土工程技术为消坡降坡、截排水沟工程和挡土墙工程等；公路边坡的地质灾害危险性是根据其山体地质结构及破损面大小决定的，2007年工程项目中涉及公路边坡治理为西山试验林场、海淀区四季青、温泉、苏家坨等地防火公路裸露边坡治理，全部集中在北京西8山地区。而北京西山地区的地质构造非常复杂，有侏罗纪的火山沉积岩，有冰河期的古山洪泥石流形成的砾石堆积，经过多次地质构造运动和风化侵蚀，每一路段地质情况不尽相同。经过调查，多数防火路边坡较为稳定，可以通过挡土墙、生态袋技术处理。只要四季青香山北沟防火公路边坡地质灾害危险性较为严重，其中1190米-1270米一段80米长道路边坡破损面积大，立面陡峭，岩层非常破碎，极易发生崩塌、泥石流，地质灾害危险风险最大，因此在这一段道路边坡治理中采用了截排水沟工程、挡土墙工程预应力锚索、挂网喷砼工程、格构工程和抗滑桩工程等多种岩土工程技术，保证了山体稳定。目前看，2007年工程项目中应用的各项岩土工程技术基本适应北京市矿山情况，可满足矿山生态修复工程的需要，起到了提高地质稳定性、减轻地质灾害危险的效果。2、植被恢复技术。2-1．开采创面植被恢复技术开采创面是关停废弃矿山生态恢复的一个技术难点、重点。如开采创面较缓，且弃渣较多，则应在坡脚外侧修建干砌石、浆砌石挡土墙或植生袋挡墙。挡土墙内侧回填客土，局部整地栽植绿化植物。绿化植物选择一些抗性强的植物，如侧柏、沙地柏以及攀援植物地锦、扶