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矿山自然生态环境治理技术与治理方案
前言
自然生态破坏是我国当前环境质量恶化的重要原因之一，已成为我国经济、社会可持续发展的严重障碍。二十世纪八十年代以来，随着国家对矿产资源需求的迅速增加及矿业经济的迅猛发展，因矿山开采而造成的生态环境破坏问题也日趋严重，特别是露天开采，不但影响自然景观、造成污染环境，而且还会诱发山体滑坡，造成水土流失等地质灾害。
采矿业是一个古老的行业，它为人类做出了巨大的贡献，但也导致了严峻的环境问题，威胁着我们的生存。采矿，尤其是露天开采矿山，对生态环境的破坏、影响和破坏森林植被与自然景观，有的矿山位于各类自然保护区、风景名胜区、旅游度假区、地质遗址保护区、历史文化保护区、水源保护区、重要基础工程设施保护区及城镇周边等，严重影响自然景观、旅游资源、文物资源、水资源、森林资源和重要的基础工程设施的保护和城镇的发展及环境的改善。某些采矿业如对建筑石料、石灰石、水泥配料和砖瓦用粘土等矿山资源的大量开采，与其它资源的开发利用与保护之间的矛盾十分突出。矿山固体废料的不合理遗弃堆放，导致边坡失稳，诱发滑坡崩塌、泥石流等地质灾害；部分重金属及放射性元素的矿山废碴，随雨水冲刷，造成污染转移，危害人们的身体健康。
这些不当的采矿造成的森林植被和景观破坏、良田毁坏、水土流失、侵占土地、环境污染、诱发地质灾害等，严重影响重要基础设施及其它资源的保护等，也直接威胁和破坏人居环境、加速生态环境的恶化，影响矿区及其周边地区居民环境质量的改善与提高，特别是在城镇周边、风景名胜区、交通干道（铁路、高速公路、国道、省道和主航道等）两侧可视范围内，严重破坏旅游资源、影响观瞻，制约了资源效益与环境、经济、社会效益的统一和协调发展。
在我们生活的空间中，生物与生物之间，生物与非生物之间，存在着相互依赖又互相制约的关系。在正常情况下它们之间保持着动态平衡，我们称之谓生态平衡。但是，就人类来说，如果因人为因素，人的生活环境遭到污染，或是自然环境遭到破坏，人类的生活，甚至生存就会受到威胁。随着人们生活水平的提高，对自然生态环境了解的加深和自我保护意识的加强，采矿业对人身和环境的危害也日益受到关注。因此，矿山环境治理和保护已经成为新世纪重要的课题。
环境质量的好坏，与人类生存和人体健康密切相关，而绿化对改善和维护环境质量起着极为重要的作用。植物（以及我们肉眼看不见的微生物）的生命活动对保护自然环境中的生态平衡，保护矿山环境，促进人们身心健康具有重要作用。开展以植物为主体的矿山生态环境治理（植物修复）对于改善和修复环境质量，实现环境友好，促进环境与经济、社会发展的和谐与可持续发展具有重大意义。
植物修复，即植物治理技术，就是以人工种植的方法形成连续的植物覆盖，达到保持地面的长期稳定性。这一技术的一大优点，是能建立与周围环境一致的植被景观或生态系统，并且以其观赏价值、生物生产力或自然保护效果而创造效益，这是其他任何方法都难以做到的。
人们对绿化功能的认识，是随着科学的发展逐步提高的。矿山的绿化是环境保护的重要手段之一。对环境保护这个概念，过去我们往往理解得比较狭窄，好象就是对工厂“三废”治理而言的，实际上它的内容和方法非常广泛。用植物绿化矿山的方法保持生态平衡，保护自然环境是重要的方法之一。
在自然生态环境中，绿色植物是人类和生物界赖以生存的物质基础。绿色植物通过它的生命活动对生态平衡功能的调节是任何其它物质所不能替代的。增加绿化面积，提高植被覆盖率，绿化矿山是改善人们的生存环境，提高环境质量最积极、稳定、长效和经济的手段。
采用植物绿化矿山可以植物的巨大防护作用，诸如防止水土流失、涵养水分、加固残坡积物、增强终边边帮的稳定性起到防止和减少滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的作用等。同时矿山绿化后，空气质量改善。植物有吸滞烟灰、粉尘的功能，植物能有效的吸收有害气体，放氧，从而净化环境。某些特殊的植物能吸收、分解或固定有毒物质，净化有害废弃物或防止有毒物质扩散污染。
矿山绿化植被，对改善小气候的功能也是显著的。在城市周边，建筑物密集地段热空气不断上升，绿地中较冷空气随之向市区补充，形成气流，起到调节气温的作用。严冬时，则可减缓风速，减弱寒风侵袭，起到屏障作用。绿化还可以吸收噪声，起到消声器的作用。
通过矿山绿化不仅改善和修复自然环境质量，还可以直接或间接的改善地方的发展环境质量，有力的推动和促进地方产业的发展，实现良性生态环境和经济、社会共同繁荣。如矿山绿化可以有力的促进旅游业的发展，反过来，旅游业的发展也对绿化提出了更高的要求。对开采矿山进行植物修复，不但恢复了生态环境，而且对特殊环境进行的绿化（如陡坡的垂直绿化等）还可以产生新的景观，开辟新的旅游资源。
随着生产力水平的提高，人们的生活方式、消费结构正在发生深刻的变化。旅游业已成为一个新兴的方兴未艾的经济产业。据联合国有关人士估算，早在20世纪70年代后期，旅游业已超过钢铁工业，成为比钢铁工业更大的产业。有专家预测旅游业将成为世界各行业中最大的经济部门。而且发展旅游业可以带动另外一些行业的发展，还可解决一大批就业问题。
矿山环境的治理与社会经济的发展密切相关。由于对矿山的掠夺式经营或不良经营，给矿山及其周边的环境造成了巨大的危害。随着社会经济的发展，矿山的环境治理也得到了发展，从原始的未加任何治理，到以物理性治理（如石砌等）为主，发展到现在的生态治理，即结合当地的社会自然环境和长远规划把受破坏的自然景观，建设成以绿色（植被）为主的生态景观，因地制宜地把矿区建设成森林公园、风景胜地等；对有毒废弃物，采用植物修复的办法，清除毒物（如重金属等）。总之，采用植物绿化环境、治理矿山、美化生态环境、改善矿区生态环境质量，从社会——经济——自然复合生态系统的观点出发，突出人地关系，追求整体协调、共生协调和发展协调，从矿区的社会形态、经济结构、产业布局、价值伦理等进行区域综合规划、评价、整治和管理，已成为共识。
一、国内外露天开采矿山自然生态环境治理进展
露采矿山开采所致的主要问题有，耗费过量的土地资源；被破坏的土地尚难被有效利用，既破坏了原有的自然生态系统，又难以直接成为进一步服务于某种社会、经济目的用地；矿山边坡失稳易造成地质灾害；矿山废弃物堆置占用土地，又造成周围环境的严重污染源等。当矿山位于城市、各类保护区、河流或交通干线附近时，采矿土地的破坏，成为干扰区域经济规划和实施的障碍、妨碍可持续发展、影响人类生存的重大问题。
随着全球或区域经济的迅速增长，人类面临着越来越尖锐的发展与环境的矛盾。环境污染及其恶化、资源枯竭、温室效应、森林与植被减少、土壤退化和土地荒漠化、生物多样性的破坏等一系列影响人类生存与发展的重大问题已摆在了我们的面前。为此，1972年6月联合国在斯德哥尔摩召开了人类环境大会，将全球环境问题列入世界发展的议事日程。1987年联合国环境与发展委员会在提交的环境发展报告中明确提出了“可持续发展（sustainabledevelopment）”的概念。1992年6月联合国在巴西举行了环境与发展大会，大会通过了以全球持续发展中心议题的“21世纪议程”其核心是强调环境与发展的可持续性，即在保护环境和生态不受破坏、资源可持续利用的前提下发展经济。这次大会的召开标志着人类进入一个环境和发展的新时代。1997年1月27日英国金融时报发表题为“联合国就世界资源使用情况发出警告”的报道，指出世界对自然资源的消耗速度已超过自然资源再生产的速度，呼吁悬崖勒马扭转环境恶化。保护生态环境和维持可持续发展已成为21世纪全人类共同的中心问题。其中，植物在维护生态环境中的重要作用已为人类所共识，并受到了广泛的重视。
（一）矿山环境生态治理的观念
最初，治理矿山土地主要是使它赋予使用价值，所以过去一段时期内各国都曾使用“复垦”一词。如我国的1989年1月1日起施行土地复垦规定。据初步统计，19881989年全国开发复垦耕地近7000km2，超过同期非农业建设占地面积。可以说，全国耕地大幅度净减少的势头已得到控制。第二种提法就是国外大多采用“recl－amation”这一术语，虽然其涵义既包括“复垦”又可含其它的社会经济目的，但它也是单纯以人类利益为出发点的。
从真正持续发展的观点看，即从维护生态持续能力的观点看，采矿土地的治理，应服务于包括人类在内的整个自然界。因此，上面提到的仅侧重于人类直接利益的两种提法——“复垦”和“reclamation”都实为片面。于是采矿土地的治理应当有两类目标选择：在条件许可的情况下建设一个与当地自然界相和谐的人类生态系统（如农业生态系统、城市生态系统等）；或建立一个自然生态系统（它可以是被破坏的生态系统的恢复，也可以是一个新的自然生态系统的创造），以弥补、充实和丰富这一地区原有的自然生态系统。不论是哪一类选择，整个治理本质上都是生态学的，而且都应在生态系统水平上进行。鉴于此，我们将采矿土地的治理概括为“生态治理（ecologicalmanagement）”并以此替代“复垦”和“reclamation”的提法。
（二）国内外矿山生态环境治理技术措施进展
由于先期强调“复垦”使大多数研究和实践主要针对矿山地面、矿碴堆场，即使是在坡面上也大多采用放缓边坡30度下复垦种植，在这方面各国都取得了长足的进展。主要方法有充填式和非充填式复垦。充填式复垦又包括堆垫地貌的复垦利用和矿山固体废弃物回填低洼地的复垦利用。非充填式复垦主要有土地平整式、梯田式、疏排法复垦等形式及挖深垫浅式复垦。这些方式都是在比较容易复垦的矿山地面使用。总的来说，方法单一，手段简单。这一时期对土壤的保护利用和植物种源选择上做了大量有益的探索，取得巨大的成就。
随着社会经济的发展，高等级公路、铁路的建设，以及景区、保护区建设等，人们已经不能满足于仅仅对矿山的“复垦”利用。开展了包括裸石坡面在内的矿山“生态环境治理”这一恢复“自然生态”与“人工生态”的更高境界的治理活动。该项治理主要包括边坡稳定性治理和自然生态环境治理（“复绿”），边坡稳定性治理目前已取得比较成熟的经验和方法。如何“复绿”上研究起步稍晚，国外也不过半个世纪。国内刚刚起步，还没有形成统一的固定模式，或最佳方案。目前采用的方式主要有：
1）喷浆喷播型：可有锚网固定和非锚网固定二类型。此技术在国内已引进使用。如日本，在交通干线两侧大坡度岩面，锚网固定喷浆，然后喷播含种籽（主要是草籽及小量耐旱先锋灌木种籽）及保水剂、高效能肥料、胶着剂等材料，形成植被。
2）放缓边坡覆土型：如澳大利亚、美国等矿山大多把边坡开成30度坡角以下，并扩大境界，与周边形成缓坡，覆土然后复绿。
3）台阶型：把矿山边坡或废料堆坡面开挖成15米高，0。51米宽的护坡道或台阶，在台阶上复土植草植树。
4）植生袋、植生盘型：如日本在含有一定土壤的碴土堆坡面上进行阶梯状水平开沟，放置含草籽和各种基质的网袋或放置经过加工压缩的植生基质盘。
5）堆土袋型：用袋土草袋治坡堆砌，再在草袋间撒种籽盖土。
6）其它：还有框架法、直升飞机喷播法、原生植物移植法、以及复草皮法、抗侵蚀被、网席法等多种形式。国内，还有四旁绿化法、藤本攀缘法、暗台阶复土法等。
二、露采矿山自然生态环境治理原理与技术
（一）治理原则
生态治理的目的是使自然——社会——经济系统的综合效益最大化。矿山开采必须遵循最小量化原则、无害化原则、资源化原则、生态系统的恢复和重建原则、立法原则（这里暂不讨论资源化和立法原则等问题），最终达到地形、植被在视觉和环境上与周围的区域生态融为一体。同时，复绿后的坡地要经受雨季和干旱的考验。
自然生态系统的形成和演替是一个漫长的过程。比如在陆地生态系统中，从裸露岩石开始的演替称之为旱生演替。其演替顺序一般是：
这种演替过程是很长的，可达百万年。即使从草本群落阶段开始，也需几个世纪的历史。表1是美国东部丘陵区次生演替过程。在自然条件下，这种次生演替需要经几十年至数百年才能发展到顶级群落。
表1美国东部丘陵区次生演替过程
主要植物
矮草
草
草+灌
松林
栎+山核桃
演替年龄
12
23
152025
3536
150200
因此在矿山环境中，如果不通过人工建造一个新的生态系统，演替是相当漫长的，所以利用人为介入是必要的。但我国经济相对落后，国土面积大，矿山数量多，采用大量投入的方法一开始就想建成一个完整的生态系统是不可能的，也是不合理的。因此，应本着尽量采取适量的人工投入，使人工生态系统本着由低级向高级阶段过渡的办法，就是模拟自然生态系统形成演替规律，人工压缩演替周期的办法，进行矿山生态环境修复。可以根据矿区干旱、贫瘠等环境资源状况，结合小量工程手段以抗性较强的先锋树种、草种和抗旱灌木等，建成人工生态系统，利用生物对环境的改良作用，提高当地的生态位。然后再进行第二期生态恢复工程。如一开始用旱生植物，这种做法虽然慢了一些，但总体却是稳妥而高效的。
（二）矿山生态治理系统设计
矿山生态环境治理，已被视为一项有着高度经济、社会、生态环境效益的事业。一切需要恢复的采矿土地，最终将成为建设用地（用于工业或居住目的）、农业用地、娱乐、休闲用地（公园式体育运动场地）和保护用地（野生动物、地质遗迹、重要基础设施）等恢复自然植被等。据此采矿土地生态治理的设计应具有相应结构和功能的生态系统。
在采矿土地上重建哪一类生态系统，不仅取决于需要，而且取决于可能。如，根据开采后的矿山景观特征，人们顺势利用采矿活动形成的新的景观特点，设计成象绍兴东湖建成旅游胜地；慈溪旦山石矿，把原先凹陷开采的矿境改造成湖，周边进行景观绿化、建广场、凉亭、雕塑、植大树及园林小品等，形成了一个市民观光、休闲的好去处。
假设，杭州旅游西进，而周浦大理石矿山关停后留下大规模高百米的直立致密稳固大理石岩面，如一味复绿将是一块硬骨头，不但需要大量工程，并且投入巨额资金，今后效益并不明显。可以考虑形成旅游休闲等开发性项目，设想这个岩面也是资源，并且是不可多得的雕刻资源（当然这需要相关专家论证）。当地环境优美，地理优越，旅游市场旺。如果我们把矿山凹陷采区建成湖，坡面建成石级台阶，加护栏，适地造半悬式亭台，削直岩壁，形成世界性的磨崖石刻场所，让全世界的雕刻家、企业家、名人竟标雕刻，展示自己。周边加以景观营造，形成新的景点。可能会成为一个新的景区亮点。
所以，创造什么样的生态系统，要因地制宜。在选择治理工程措施时需要考虑的因素很多，从气候地理，社会经济，政治法律到生态环境诸方面相互关联，相互制约。这些因素难以用数学模型描述也难以定量化。
（三）边坡治理工程
1、露采石矿边坡的特点
在进行矿山生态环境治理的工程时，矿山边坡治理是“复绿”的基础工作，其中边坡的稳定性治理是生态治理的前提，它直接关系到人身和财产的安全。石矿边坡的特点主要有：
1）露天矿边坡一般比较高，从几十米到几百米均有，走向长从几百米到数公里，因而边坡揭露的岩层多；未经治理的石矿，其边坡大，多为陡坡，甚至几乎与地面垂直或呈鹰嘴状。各部分地质条件往往差异大，变化复杂；
2）石矿最终边坡是由上而下逐步形成，上部边坡服务年限可达几十年，下部边坡则服务年限较短，底部边坡在采矿结束时即可废止，因此上下部边坡的稳定要求也不相同；
3）在未停采的石矿，由于矿场每天频繁的穿孔、爆破作业和车辆行走，使边坡岩体经常受到震动影响；
4）边坡是用爆破、机械开挖等手段形成的，暴露岩体一般未加维护，因此边坡岩体较破碎，并易受风化等影响产生次生裂隙，破坏岩体的完整性，降低岩体强度。
由于采矿本身是一种对原岩的破坏，采剥作业打破了边坡岩体内的原始应力的平衡状态，出现了次生应力场，在次生应力场和其它因素的影响下，常使边坡岩体发生变形破坏，使岩体失稳，导致崩落、散落、座落、倾倒坍塌和滑动等。
2、边坡稳定性治理
露采石矿大多位于城市周边，水、陆交通要道旁。基本上也是人们生产、生活频繁出入的区域，因此，矿山关闭前（对于已经废弃的露采石矿，在进行矿山生态环境治理的工程开始之前），应首先进行边坡的安全评估，然后开始治理。一般石矿边坡的治理方法有以下几种：
(1)对坡度不符合要求，开采面已过山顶的边坡可以进行削坡减载。对于高度不大的此类边坡，也可填方压坡脚。
(2)对富水地区边坡必须进行疏干排水，必要时可钻引水孔排水。
(3)对于地质条件易造成滑坡或小范围岩层滑动的岩体，须采用抗滑桩、挡石坝方法治理。
(4)对局部受地质构造影响的破碎带，采用锚杆、钢筋网喷砼护面。
(5... -->>
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