撫順西露天礦西端幫內(nèi)排土場生態(tài)修復技術(shù)

肖 平，王雪峰，馮 萍，張千宇，張 博，李海福

（1.撫順礦業(yè)集團有限責任公司 西露天礦，遼寧 撫順 113000；2.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院，遼寧 沈陽 110161）

自工業(yè)時代開始，煤炭開采對世界經(jīng)濟發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用[1]。但在露天開采的過程中，煤炭上層的巖土及劣質(zhì)煤會不斷堆積在礦區(qū)周邊形成不同類型的排土場，隨著開采的進行，排土場不僅占據(jù)了可觀的土地資源，在風蝕和雨蝕的作用下巖石內(nèi)部的重金屬會不斷溶出進入土壤環(huán)境中，對土壤和地下水造成污染的同時破壞土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)使生態(tài)環(huán)境變的更加脆弱[2-3]。

近年，越來越多的科研工作者開始探究露天礦區(qū)的生態(tài)修復技術(shù)。生態(tài)修復以生態(tài)原理為指導，以生物修復為基礎(chǔ)，結(jié)合物理、化學和工程技術(shù)措施，通過優(yōu)化組合，達到最具性價比的綜合性環(huán)境污染修復方法[4-9]。

撫順西露天礦位于撫順煤田西部，開采于1901年，1914 年轉(zhuǎn)為露天開采，歷經(jīng)百余年開采，形成了東西長6.6 km，南北寬2.2 km，垂直深度距地表420 m（海拔-340 m），面積為10.87 km2的礦坑，是國內(nèi)露天開采史上最長的國有大型露天礦。2019 年6月，西露天礦進入由采轉(zhuǎn)治新的歷史階段。通過對礦區(qū)西端幫內(nèi)排土場土地的理化性質(zhì)及有機污染物的檢測分析，利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進行生態(tài)風險評價，開展了礦區(qū)廢棄地的生態(tài)修復技術(shù)研究和工程示范，構(gòu)建了礦坑山水林田湖草和諧統(tǒng)一的生態(tài)修復體系。為西露天礦綜合治理與整合利用總體方案的全面實施、實現(xiàn)礦坑生態(tài)環(huán)境綠色重構(gòu)和生態(tài)效益最大化，發(fā)揮了重要技術(shù)支撐和示范作用。

1 撫順西露天礦區(qū)自然條件概述

1.1 氣象與水文

西露天礦礦區(qū)屬北中溫帶大陸性季風氣候。年日照時間2 255～2 517 h，四季分明。年平均氣溫4.8～6.6 ℃，最低氣溫-40.5 ℃、最高氣溫40.3 ℃。無霜期132～152 d，結(jié)冰期130～140 d。最大凍結(jié)深度1.50 m，標準凍土深度1.20 m，每年10 月下旬土壤開始凍結(jié)成為凍土層，次年4 月下旬逐漸解凍開化，從凍結(jié)到化凍大約需要6 個月時間。

西露天礦區(qū)水資源充足，年均降水量750～850 mm，多集中在每年汛期7—9 月。礦坑附近地表水系發(fā)育，北有渾河，距離西露天礦坑邊界1.2～1.5 km；西有古城子河，距離西露天礦坑邊界200～300 m；南有楊柏人工河，距離西露天礦坑邊界200～400 m。礦坑涌水的來源主要有地下水補給和地表水補給。地下水補給主要包括第四紀、白堊紀、第三紀綠色泥巖含水層和基巖裂隙水，撫順西露天礦各含水層相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 撫順西露天礦各含水層相關(guān)參數(shù)

地表水補給一部分來自大氣降水，另一部分則為渾河、古城子河、楊柏人工河等河流的水沿第四系及大規(guī)模邊坡巖體內(nèi)賦存豐富的地下水沿層面、結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造面滲透至坑下補給，礦坑匯水量約為2 500 萬m3/a，礦坑不同水平建有截水溝和泵站，滿足日常排水和汛期需要。

1.2 地層巖性特征

撫順西露天礦地層巖性由新生界古近系（老第三系）撫順群的老虎臺組（E1l）、栗子溝組（E1lz）、古城子組（E2g）、計軍屯組（E2j）、西露天組（E2x）、耿家街組（E3g）組成；煤田基底為太古代花崗質(zhì)片麻巖（Ar）及中生界白堊系大峪組（K2d）地層；上覆第四系（Qh）砂礫石層。建礦以來，西露天礦先后經(jīng)歷了5次技術(shù)改造，形成了“分區(qū)開采，聯(lián)合運輸，內(nèi)部排土”的總體設計，西露天礦按照總體設計方案，于1992 年開始從礦坑西端幫實施內(nèi)部排土，從西到東從上到下依次布設28-7、28-6、28-5、28-3、28-2、28-1、負6-1、負6-2、負38-5、負38-3、負38-2 和負38-1 共12 條排土線。推進強度80～100 m/a，平均高程為+70 m 水平。內(nèi)排土場的排棄物料以綠色泥巖為主，另有油頁巖貧礦、凝灰?guī)r、油頁巖廢渣和少量的煤矸石等。礦坑西端幫28-7、28-6 排土線已于2019 年到界，目前，經(jīng)過近2 年多的生態(tài)修復實踐，效果顯著。

2 礦區(qū)廢棄地污染現(xiàn)狀研究方法與評價

2.1 樣品采集

1）采樣點的選擇。在礦區(qū)西幫端內(nèi)排土場及周邊土地確定4 個典型區(qū)域采樣點，分別為WP-1～WP-4，采樣點基本情況描述見表2。

表2 采樣點基本情況描述

2）樣品采集方法。2018 年10 月進行采樣，按照均勻布點法布設定位調(diào)查樣點，并通過實際勘測調(diào)查加以修正。在每個調(diào)查樣點分別采集地表向下0～10 cm、10～20、20～30 cm 共3 個層次的土壤，每個采樣點按“S”形線路重復取樣3 次，并將多個樣品混合成1 個土樣。共采集土壤樣品4 個，用無菌袋包裝好后運回實驗室。樣品經(jīng)自然風干后，剔除石爍、雜草、在植物根系等雜物用瑪瑙研缽將土壤研碎，過250 μm 尼龍篩，并用四分法縮分到約1.0 kg，然后放置于自封袋以備進一步的物理化學性質(zhì)分析。

2.2 樣品分析

1）土壤養(yǎng)分分析。選取土壤pH、有機質(zhì)、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀作為評價指標，各指標數(shù)據(jù)通過室內(nèi)試驗測定獲取[10]。

2）多環(huán)芳烴污染分析。按照文獻[11]、文獻[12]的方法檢測采土壤中的多環(huán)芳烴。

3）重金屬含量檢測。按照文獻[3]的方法檢測材料中各種重金屬含量。

2.3 生態(tài)風險評價方法

根據(jù)GB 15601—2018 土壤環(huán)境質(zhì)量-農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）中的農(nóng)用地土壤污染風險篩選值作為評價標準值，采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對土壤環(huán)境質(zhì)量進行風險評價[13]。

按照內(nèi)梅羅污染指數(shù)的大小將土壤污染水平分為5 組：①內(nèi)梅羅指數(shù)≤0.7，土壤清潔；②0.7＜內(nèi)梅羅指數(shù)≤1，土壤為警戒限值；③1＜內(nèi)梅羅指數(shù)≤2，土壤輕微污染；④2＜內(nèi)梅羅指數(shù)≤3，土壤中度污染；⑤內(nèi)梅羅指數(shù)＞3，土壤重度污染。

3 研究結(jié)果與討論

3.1 土壤養(yǎng)分分析結(jié)果

依據(jù)土壤綜合養(yǎng)分分級標準（表3）和采樣點土壤綜合養(yǎng)分系數(shù)（表4）可知：0～10 cm 層次上，綜合養(yǎng)分系數(shù)范圍2.103～3.212，介于Ⅲ級和Ⅳ級之間；10～20 cm 層次上，綜合養(yǎng)分系數(shù)范圍1.987～2.586，屬Ⅲ級中等，20～30 cm 層次上，綜合養(yǎng)分系數(shù)范圍1.906～2.249，屬Ⅲ級中等；0～30 cm 層次上，綜合養(yǎng)分系數(shù)范圍2.170～2.775，介于Ⅲ級和Ⅳ級之間。土壤養(yǎng)分質(zhì)量處于中等水平，養(yǎng)分不夠充足，需重點改善土壤養(yǎng)分中的限制性因子，優(yōu)化生態(tài)修復措施，全面提升土壤養(yǎng)分質(zhì)量，促進生態(tài)修復。

表3 土壤綜合養(yǎng)分分級標準

表4 采樣點土壤綜合養(yǎng)分系數(shù)

3.2 土壤PAHs 的評價結(jié)果

西端幫內(nèi)排土場土壤PAHs 的含量對比見表5。

表5 西端幫內(nèi)排土場土壤PAHs 的含量對比mg/kg

由表5 可知，與GB 15601—2018 土壤環(huán)境質(zhì)量-農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）中農(nóng)用地土壤污染風險篩選值進行對比發(fā)現(xiàn)：在撫順西露天礦西端幫排土場中的4 個點位中，PAHs 超標最嚴重的是茚苯（1,2,3-c,d）芘；此外WP-3 和WP-4 點位的苯并（a）芘含量分別為1.75 和4.3 mg/kg，遠遠大于農(nóng)用地土壤污染風險篩選值（0.55 mg/kg），這2 個位點的PAHs 總量也達到了35 mg/kg 以上。而前2個點僅在13 mg/kg 左右。

3.3 PAHs 污染評價結(jié)果

采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對撫順西露天礦西端幫排土場圍巖風化土進行評價（未對無風險管控值的指標進行評價），土壤多環(huán)芳烴的評價結(jié)果見表6。

由表6 可知，西端幫排土場圍巖風化土的內(nèi)梅羅污染指數(shù)平均為2.09，故礦區(qū)風化土壤中PAHs多為中污染（2＜內(nèi)梅羅指數(shù)＜3）。就單項指標來看，苯并（a）芘對礦區(qū)污染的貢獻最大，其單因子污染指數(shù)均值為2.86，為中度污染（2＜單因子污染指數(shù)≤3）；其次為茚苯（1,2,3-c,d）芘，其單因子污染指數(shù)均值為1.80，屬于輕微污染級別（1＜單因子污染指數(shù)≤2）。由此可見，西端幫排土場PAHs 特征污染物為苯并（a）芘和茚苯（1,2,3-c,d）芘，PAHs 總體水平屬于中度污染，需通過治理措施減少土地中PAHs的質(zhì)量分數(shù)，提高土地利用率，擴大土地適用范圍。

表6 多環(huán)芳烴的生態(tài)風險評價

3.4 土壤改良新材料（OSM）研制

為解決西端幫排土線基底多環(huán)芳烴輕微污染，減少土地中多環(huán)芳烴的質(zhì)量分數(shù)，和土壤養(yǎng)分不夠充足，改善土壤養(yǎng)分中的限制性因子，全面提升土壤環(huán)境質(zhì)量，促進生態(tài)修復。撫礦集團研發(fā)中心以油頁巖工業(yè)副產(chǎn)品（油頁巖半焦，OS）為主要原料，通過添加一定量的輔料，經(jīng)煅燒、水淬、堆漚、調(diào)酸堿、烘干、破碎、篩分、混合攪拌等特殊工藝加工配制成改良土壤新材料OSM，具有供肥、保肥、保水、改土等功效，可用于防風蝕固沙、土壤改良、土地復墾、中低產(chǎn)田改造等，廣泛用于西露天礦生態(tài)修復工程中。

1）OSM 的理化特性與肥力指標分析。OSM 利用了OS 中含有的豐富有機質(zhì)（15%～ 30%）和植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，如：氮、磷、鉀、鐵、鋅、鈣、鎂等，具有一定的黏結(jié)性、黏著性、可塑性和吸附性等，OSM 的理化特性及肥力指標檢測結(jié)果見表7。

表7 理化特性及肥力指標檢測值

2）OSM 保水保肥特性分析。該新材料具有多孔結(jié)構(gòu)，擁有吸附性、保水性、保肥性，其中有機質(zhì)含量為253.12 g/kg，陽離子代換量（CEC）15.23 cmol/kg。

3）OSM 重金屬含量檢測。新材料OSM 中重金屬鎘、汞、鉛、鉻、砷的含量均未超過國家及相關(guān)行業(yè)標準規(guī)定的標準值，新材料重金屬含量與國家相關(guān)標準對照見表8。

表8 新材料重金屬含量與國家相關(guān)標準對照mg/kg

將OSM 應用于撫順西露天礦生態(tài)修復工程中，取得了顯著的改善植物生長的土壤環(huán)境條件和提高植物長勢的效果。

4 礦坑生態(tài)修復工程示范

4.1 生態(tài)修復原則

充分考慮地理氣候等自然條件、資源稟賦和生態(tài)區(qū)位等特點，堅持“宜造則造、宜保則保、宜用則用，宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草、宜田則田”原則，增強生態(tài)治理的科學性、系統(tǒng)性和長效性。以多樣化本土樹種、草種為主，科學造林種草，合理配置林草植被，著力提高生態(tài)系統(tǒng)修復能力，增強生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，促進撫順西露天礦排土場生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的整體改善與全面提升。采取人工干預與排土場自然修復相結(jié)合方式進行地貌改造，修復多元生態(tài)環(huán)境，提高生物多樣性。

4.2 生態(tài)修復方案設計與工程示范

針對28-7、28-6 區(qū)域現(xiàn)狀，依據(jù)土壤環(huán)境分析結(jié)果，綜合礦坑生態(tài)安全、地質(zhì)環(huán)境、土地性質(zhì)、土壤性質(zhì)、樹種選擇、景觀營造、旅游發(fā)展、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等因素，運用土壤調(diào)理修復技術(shù)和生態(tài)邊坡修復技術(shù)，由外而內(nèi)、由上而下逐步推進，進而形成“修復+景觀+生態(tài)+產(chǎn)業(yè)”四位一體的排土場綜合治理與整合利用體系。

1）西端幫28-7 區(qū)域生態(tài)修復設計與工程示范。28-7 區(qū)域土地以生態(tài)邊坡修復技術(shù)，推動礦區(qū)特色景觀建設，在滿足游覽功能的基礎(chǔ)上，建設健步休閑廊道和觀光礦坑休憩景觀點。西端幫28-7 排土線到界區(qū)域全長1 900 m，為一坡到底單臺階。高差32 m、邊坡角37°，坡度較陡，無法直接栽植植物。本次生態(tài)修復設計單臺階坡度為18°、高差8 m、平臺寬度8～ 9 m，平臺由外至內(nèi)設置3°～ 5°的反向坡度，平臺內(nèi)側(cè)設置截水溝，利于汛期排水。采用挖溝機、推土機聯(lián)合作業(yè)將原有單一臺階改為退臺坡地，坡面修整后，覆800 mm 客土，并進行壓實，栽植本土水蠟、丹東檜、金葉榆、冷杉、云杉、刺槐苗、冷杉、紫葉稠李、紅葉海棠等特色灌木、喬木和三葉草植被，形成臺地花園，滿足礦區(qū)土地生態(tài)修復及營造良好的景觀效果。

2）西端幫28-6 區(qū)域生態(tài)修復設計與工程示范。28-6 區(qū)域土地采用土壤調(diào)理材料（OSM）強化植物生態(tài)修復技術(shù)。利用煤矸石鋪設道路，設計環(huán)狀通道，以竹柳、沙棘、鈣果、野花組合、多季玫瑰、枸杞、向日葵、大豆、花生等為主進行特色種植，滿足區(qū)域土地植被生態(tài)修復，采用OSM 材料改良土壤狀態(tài)，充分利用其上述植物的固土、凈化、綠化、藥用價值，全面打造集生態(tài)觀光、養(yǎng)生休閑等為一體的礦區(qū)土地生態(tài)修復技術(shù)實驗示范區(qū)。

3）生態(tài)修復發(fā)展規(guī)劃。①近期（2021—2023 年）。引入全新生態(tài)技術(shù)修復，完成到界區(qū)及回填儲備區(qū)的生態(tài)修復工程建設；②中期（2024—2026 年）。形成較為完善的生態(tài)修復安全格局體系，生態(tài)修復產(chǎn)業(yè)體系得到合理統(tǒng)籌，完成除礦坑核心區(qū)外的生態(tài)修復工作；③遠期（2027—2030 年）。形成完善的生態(tài)修復安全格局體系，引入光伏、水電新能源產(chǎn)業(yè)、文旅產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)體系和生態(tài)修復布局，完成全部生態(tài)修復工作。

5 結(jié)語

通過生態(tài)修復技術(shù)探索和實踐，對西露天礦坑實施分層次分階段生態(tài)修復，使西露天礦區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境得到極大提升，生態(tài)文化意識得到全面提高，將促進礦坑空間資源合理利用，實現(xiàn)生態(tài)修復和可持續(xù)發(fā)展和諧統(tǒng)一，為西露天礦整合利用奠定堅實基礎(chǔ)。通過生態(tài)修復全面實施，將促進百年礦山歷史文化的保護和開發(fā)，通過新型產(chǎn)業(yè)和文旅、農(nóng)林產(chǎn)業(yè)接續(xù)，使礦山企業(yè)文化、工業(yè)文化、歷史文化和生態(tài)文化等特色文化得到發(fā)揚，非物質(zhì)文化得到傳承，有利于地區(qū)文化繁榮建設。