作业平台属于露天矿边坡的一部分,但相对于坡面而言,其生态修复较易实现。目前多采用在平台外边缘处修建土埂或挡墙,在其内侧覆土后栽种木本或播种草本植物,以实现坡面平台生态修复。
但也存在土壤缺乏与土壤贫瘠问题,对其进行覆土后,还需进行土壤改良与培肥,在此基础上,应做好灌溉系统设计,防止在干旱季节导致植物遭受旱灾,同时还应采取防止水土流失的技术措施。在植物选取方面,应优先选用乡土植物,以增强植物的抗逆性。
矿坑底通常是矿山标高的最低处,矿山闭坑后,地下水、地表水往往汇集于坑底,这对植被恢复产生了不利影响,但可为矿山边坡生态修复提供灌溉水源,或根据矿山所处的区域位置,可将矿坑开发为景观地,使其具有观赏性和娱乐性,以充分利用矿坑的地形地势特点,使得闭坑矿山仍具有可持续发展的空间。
如矿区处于干旱、半干旱地区,矿坑底部不能形成长时间的积水,可将坑底开发成林草地。有效改善了土壤的理化性质。
从生态修复技术层面来说,坑底生态修复涉及的技术相对较少且较为简单,这主要是由于矿山闭坑后坑底地形较为平缓。坑底生态修复虽易于取得较好的效果,但其成败主要取决于边坡稳定与否、边坡生态修复效果的好坏及整个矿区的水土流失情况,如局部滑坡产生的滑坡体或水土流失产生的泥沙均会对坑底已恢复的植被造成淤积破坏。
排土场是露天矿开采过程中形成的结构松散、植被覆盖度低、养分含量低、平台和边坡相间的松散堆积体,由岩石、土壤共同组成,是一种工程扰动土。
当前,排土场大多是在土壤重构、蓄水截流整地和优化植被配置模式的基础上进行生态修复。矿山在排土过程中,可将大块废石放置于排土场底部,而将细粒土覆盖在坡面和平台处,为植物生长提供基本条件。
大型排土场面临着旱季缺水和雨季易造成水土流失和坡体失稳的矛盾,如何充分利用雨季的雨水资源,减少集中降雨引起的水土流失与植物生境退化也是排土场需要解决的关键问题之一。
裸露的岩质边坡和大型排土场是生态修复的难点与重点区域。现在常用的岩质边坡喷射类的绿化技术有:液压喷播技术、厚层基材喷播技术、三维植被网生态防护技术、喷混植生技术、客土喷播技术和植被混凝土生态防护技术等,还有铺挂长条生态袋、飘板、飘台、燕窝穴、植生孔、挂网爬藤类等构工技术。喷射类的技术因其具有机械化程度高、施工速度快、养护方便、覆盖效果好、建植初期能防止坡面水土流失等优点,在岩质边坡生态修复中得到了广泛应用。
因为矿山岩质边坡快速喷射的草本植物具有抗寒性与抗旱性差、绿期短、根系锚固作用差等缺点,若单纯采用草本植物进行绿化,修复后期植被退化严重。随着应用年限的增加,在降雨、冻融等因素的影响下基材中的氮、磷、钾等元素,铁、锰、锌等微量元素流失严重,同时,在雨水的冲刷作用下,基材本身也将受到侵蚀而产生水土流失现象。冀东某石灰岩矿边坡采用客土喷播后,受干湿交替和冻融效应影响,出现了局部脱落现象,影响了整体的绿化效果。
目前,边坡植被恢复更多的是追求快速绿化,而忽视了植被生长的可持续性,同时,由于在一定程度上缺乏植被恢复效果的长效评价机制,且在后期管理不力、植被生长监控缺失等诸多因素的影响下,护坡植被覆盖度逐年下降,基材在冻融—干湿或强降雨作用下与坡面分离,整个群落向逆演替方向发展,最终导致边坡生态防护工程失去生态防护作用。
针对上述问题,需在植生基材—根系生长协同耦合调控机制,植生基材、根系复合体—岩体界面黏结强度劣化模型,边坡表层裂隙化岩体—植物根系—植生基材整体稳定机理、生态修复效果评价长效机制与动态监测技术等方面开展研究工作。同时,上述技术的修复成本对于矿山企业来说偏高,因此还需研发低成本的植生基材,如以铁尾矿为主要材料的植生基材等。
除了上述常用的边坡生态修复技术外,针对高陡边坡还开发出爆破燕窝、种植槽、植生袋、鱼鳞坑法和石壁挂笼法等生态修复技术。但在实际应用过程中,这些技术均有不足之处。如爆破燕窝技术在施工过程中,爆破震动会破坏坡面岩体的完整性,使得坡面岩体强度降低,雨水很难进入燕窝内部,增加了后期管理与养护的难度;种植槽技术具有施工难度大、槽内土壤少、会发生槽体失稳风险及成本相对较高等不足;鱼鳞坑法和石壁挂笼法要求有支撑点;植生袋的成本相对较高。
在露天矿生态修复技术研究方面,我们已取得了大量的研究成果和宝贵的经验,为石矿迹地生态修复提供了有益参考。
(1)低成本植生基材研发。在矿山生态修复与重建中,基材是植物、土壤微生物与土壤动物生长、繁衍的基础,同时控制着整个矿区生态修复的成本,其物理、化学、力学特性和植物生长适宜性的协同耦合调控机制;以腐殖质+微生物菌+土壤为主要原材料的低成本植生基材合理配比;基材在冻融、干湿循环、强降雨及连续降雨等外界条件下的耐久性、抗冲刷性、内部微结构的变化及水分、养分的运移及流失规律;基材肥力及持续供肥能力等关键技术还需进行深入、系统地研究。
(2)植生基材—根系生长协同耦合调控机制研究。这方面需要进一步开展系统性研究的内容有:分析根系生长过程中,植生基材—根系复合体在冻融、干湿、连续降雨、强降雨等作用下物理、化学、力学、渗透、保水及其内部微结构的变化规律;植物根系对植生基材的正效应(增强植生基材的强度、提高表层土体强度等)和负效应(根系腐烂形成的洞穴、导水通道、动物洞穴、高含水率根—土间强度下降等;植生基材理化性质与基材呼吸间的关系;根系生长过程中,植生基材—根系复合体整体稳定性和耐久性的演化规律等。
(3)边坡表层裂隙化岩体—植物根系—植生基材整体稳定机理研究。在坡面角、岩石结构与成分、风化程度、界面粗糙度(JRC)、裂隙发育程度、优势结构面产状、植被配置模式等不同的情况下,分析边坡浅部裂隙化岩体在冻融—干湿与水化学耦合作用下的裂纹扩展机制、植物根系生长对岩体裂隙网络扩展行为及植生基材加筋锚固作用的影响机制,探究冻融—干湿与水化学耦合作用下的边坡浅部裂隙化岩体—根系—植生基材整体稳定演化规律,揭示三者协同作用机理。这部分内容为石矿迹地岩质边坡生态修复研究的难点。
(4)排土场地裂缝监测、控制技术与植被配置模式研究。安全稳定是排土场生态修复取得成功的前提,而地裂缝的发展速度及趋势是生态修复能否成功的关键。目前在排土场沉降、变形、灾害监测、稳定性监测等方面的监测技术较为成熟,而地裂缝实时监测与控制技术、地裂缝扩展对植被恢复的不良影响及植物根系抑制地裂缝扩展机理、地裂缝发展过程中植被配置模式等方面的研究工作尚需加强。
(5)融合5G技术的节水适时灌溉养护技术研究。灌溉养护是保持石矿迹地(尤其是边坡工程)生态修复效果的关键手段,是体现矿区生态修复成果的重要指标。当前的灌溉养护技术仍存在模式传统、资源浪费、缺乏专业管理等问题。5G技术强化和深度融合了物联网、大数据、人工智能等技术,有力推动了各行业的转型升级和智能化发展。根据智能实时监测获取矿区不同区域植生基材、土壤水分含量、空气湿度及其动态变化规律,结合矿区天气变化,将5G技术与矿区节水适时灌溉养护技术相融合,可有效提升矿区生态修复工程质量,降低成本,这也是未来发展的方向之一。
(6)石矿迹地生态修复一体化动态监测技术与评价指标体系研究。矿区生态修复是大尺度、长效过程,修复中需监测、评价同步进行,但传统的监测技术难以实现多通道、全区域覆盖,由于不能实时跟踪、评价生态修复效果,导致部分生态修复工作不能满足实际需要。矿区生态修复的目的是构建相对稳定的生态系统,这就需要建立健全修复效果评价指标体系,研究科学合理的植被指标评价方法。面对建设“绿水青山就是金山银山”的全面要求,需要完成矿区立地条件分析、生态修复措施实施、土壤墒情动态变化规律研究、修复后的监测评价全过程工作,需将5G技术、GIS、RS进行有效结合,在人工智能技术支持下,获取矿区破坏、生态修复及修复效果动态监测数据,利用数字模型模拟监测评价修复效果,将信息技术、空间技术融入到传统矿区生态修复工作中,将有助于促进生态修复技术在石矿迹地中的应用,解决区域范围大、数据量多、数据庞杂等问题。
(7)石矿迹地生态修复与重建是一项复杂的系统工程,涉及多学科的交叉融合。人工修复与自然修复相结合的生态修复关键技术,微生物、植物与工程修复关键技术,地下水系统变化对矿区生态环境的影响机制,不同受损区域生态修复关键技术,生态安全评价及调控模式等方面是未来矿区生态恢复与重建的重要研究方向。
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