廢棄礦區(qū)修復(fù)的設(shè)計研究—以平煤七礦為例

朱晗宇，馬冀磊，邢 燕

(1.河南城建學(xué)院 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，河南 平頂山 467036; 2.元晟工程咨詢有限公司，河南 鄭州 450018)

近年來，由于我國各地礦井的關(guān)閉退出速度不斷加快，產(chǎn)生出許多廢棄礦井及礦區(qū)廢棄地。如何開展礦區(qū)廢棄地修復(fù)重建已成為社會熱門議題，礦產(chǎn)開采引起的生態(tài)破壞已成為當(dāng)今亟待解決的環(huán)境問題之一。我國礦區(qū)生態(tài)修復(fù)引起相關(guān)部門和學(xué)者的廣泛重視和關(guān)注，但與國外礦業(yè)發(fā)達國家生態(tài)修復(fù)研究相比相對滯后[1]，生態(tài)修復(fù)的研究具有重要意義。

學(xué)者和專家對生態(tài)修復(fù)進行了大量的研究，已具有較完善的廢棄地修復(fù)理論[2-3]，但礦業(yè)廢棄地的生態(tài)重建和開發(fā)實踐尚處于探索性實踐階段。隨著人們對生活質(zhì)量的要求不斷提高[4]，探索礦區(qū)土地開發(fā)多元化也不僅僅局限于復(fù)墾農(nóng)業(yè)用地，而是開發(fā)建設(shè)大量林業(yè)用地、水域以及兼具自然生態(tài)景觀的休閑用地，例如生態(tài)公園、野營地、運動場館、音樂場館等[5]。對礦區(qū)修復(fù)的已有研究主要包括礦區(qū)土壤改良[6]、礦區(qū)規(guī)劃[7-8]、礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)[9]等。目前，針對平頂山礦區(qū)的研究主要包括煤矸石中微量元素[10]、礦區(qū)坡地土壤重金屬污染[12]、礦區(qū)周邊農(nóng)田重金屬污染[13]、矸石山周邊重金屬污染[14]、礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃[15-17]等。本文在以往研究的基礎(chǔ)上，對平煤七礦的廢棄礦區(qū)修復(fù)設(shè)計進行研究，以期對七礦的礦區(qū)廢棄地進行合理改造。

1 七礦礦區(qū)簡介

平頂山是我國重要的資源型城市，平頂山礦區(qū)是國家大型煤炭基地。全市大型煤礦企業(yè)21個、中型煤礦15 個、小型煤礦140 個，主要的開采方式是地下開采。平頂山礦區(qū)煤矸石中有害微量元素Be、V、Cr、Co、Cu、Sr、Cd、Pb、U、Hg、Se的含量大于中國土壤元素背景值，可淋失率較高，對環(huán)境具有較大的潛在危害性[12]。平頂山礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬整體處于輕度污染[13]，平頂山礦區(qū)矸石山周邊土壤受重金屬Cd-Cr-Pb -Cu復(fù)合污染[14]。

平煤七礦位于平頂山市區(qū)西部，原名郝堂礦，隸屬于中國平煤神馬集團。2016年2月七礦全面停止生產(chǎn)，同年6月七礦關(guān)井閉坑完成。通過前期實地考察，七礦現(xiàn)狀場地可分為6個功能區(qū)，分別是工業(yè)廣場、居住區(qū)、加工區(qū)、采煤區(qū)、洗煤區(qū)、矸石山區(qū)[11](詳見圖1)。通過分析得出七礦改造過程中最大的障礙是修復(fù)已破壞的生態(tài)環(huán)境以及退化的生態(tài)系統(tǒng)。

圖1 七礦現(xiàn)狀功能分區(qū)圖

圖2 七礦礦區(qū)改造功能分區(qū)圖

七礦礦區(qū)土壤污染嚴(yán)重，礦區(qū)地表出現(xiàn)嚴(yán)重變形和塌陷，因此使用功能受到限制，綠化分布零散。根據(jù)以往研究建議建造七礦煤礦遺址公園[11]，總體規(guī)劃設(shè)計分為植物凈化區(qū)、休閑娛樂區(qū)、遺址觀光區(qū)、生態(tài)林地區(qū)、親水游憩區(qū)、飲食生活區(qū)、文化體驗區(qū)和歷史博覽區(qū)八個區(qū)域(詳見圖2)。本文在此總體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，從礦區(qū)廢棄地土壤凈化與修復(fù)、水系統(tǒng)的生態(tài)治理、植被修復(fù)和植物種植三方面設(shè)計分別進行探討。

2 礦區(qū)廢棄地土壤凈化與水系統(tǒng)的生態(tài)治理

2.1 礦區(qū)廢棄地土壤凈化

煤礦礦區(qū)地表堆積的垃圾及土壤中重金屬物質(zhì)的積累都對土壤的活性造成嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致土質(zhì)下降，植物喪失生長能力。礦區(qū)土壤修復(fù)包括毒性處理、基質(zhì)改良和植被恢復(fù)，通過人為措施和自然生態(tài)修復(fù)相結(jié)合，重建已破壞的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，達到恢復(fù)土地綠化功能、提升美觀等效果。

場地地表污染區(qū)的清理需分門別類，將普通垃圾和具有污染性質(zhì)的垃圾分開處理，確保有污染垃圾處理程序的嚴(yán)格性、安全性、合格性。對場地內(nèi)的土壤、水體、保留建筑及設(shè)施首先進行嚴(yán)重污染物質(zhì)的排除。

土壤重金屬污染的治理主要有物理、化學(xué)、生物三大途徑。物理治理采用焚燒、換土的方式進行凈化；化學(xué)途徑常采用化學(xué)溶劑將土壤中的重金屬元素溶解；生物途徑是借助于具有生命力的植物、微生物凈化土壤污染。生物途徑治理成本低且效率較高，因此對重金屬污染土壤通常采用該方法進行植物修復(fù)。

2.2 水系統(tǒng)的生態(tài)治理

水污染能夠?qū)е轮参?、農(nóng)作物、微生物、生命體等受到侵害，水污染得到控制后，才能進一步考慮水的循環(huán)和利用。工業(yè)廢棄地中存在的水污染一般分為地表水污染和地下水污染。地表水污染主要來源于工業(yè)管道的排放水以及地表污染物，也是地下水污染的源頭。地下水流速緩慢，污染物不易稀釋或分解，植物難以生存，植物凈化無法順利進行。地下水污染的處理方式常采用泵水方法，將地下污染水體抽到密閉的容器，運輸?shù)綀龅赝猓⒓右蕴幚?，另一種較為先進的科學(xué)技術(shù)是通過微生物來對地下水進行清理。

3 七礦礦區(qū)水系統(tǒng)的生態(tài)治理設(shè)計

重金屬普遍具有穩(wěn)定性、隱蔽性、難分解、容易富集等特點，治理相對比較困難。依靠土壤自我修復(fù)時間相對漫長，人工介入可及時處理污染物質(zhì)，控制污染物質(zhì)的蔓延，減少對土壤造成侵害的同時能夠縮短土壤修復(fù)的時間。對七礦水系統(tǒng)治理分別從地表水污染處理、地下水污染處理及水循環(huán)利用進行設(shè)計。水資源的循環(huán)采用常用LID技術(shù)和生物滯留方法。

低影響開發(fā)技術(shù)稱為LID 技術(shù)，是通過對雨水的收集和凈化來解決場地缺少水源和原有水循環(huán)被破壞等問題，達到水體循環(huán)和利用，將收集到的雨水用于植物的灌溉、補足場地的景觀水源，不僅能夠減少地表雨水徑流，同時緩解場地中重金屬的污染。七礦改造過程中運用了LID技術(shù)，采用透水鋪裝系統(tǒng)和生物滯留設(shè)施。透水鋪裝系統(tǒng)主要是通過加大透水面積來控制地表徑流，如生態(tài)停車場可采用透水植草格鋪裝，并且間隔種植綠化喬木，起到雨水收集的作用。透水鋪裝的形式主要有：嵌草磚、透水混凝土、鵝卵石等，都可以使地表雨水滲透至鋪裝內(nèi)部，凈化后的雨水可以補充地下用水。七礦的雨水循環(huán)見圖3。

圖3 七礦場地雨水循環(huán)分析圖

通過數(shù)據(jù)顯示：透水路面對常規(guī)重金屬污染物具有良好的凈化效果，其中對Pb、Zn 和Cu的去除率分別達到74%～99%、73%～99%和98%～99%。生物滯留技術(shù)對懸浮顆粒和油脂具有一定的去除作用，能夠緩解雨水徑流中的重金屬成分，可以采用雨水花園對七礦雨水徑流進行處理。植物凈化區(qū)采用生物滯留，通過設(shè)置多個下凹綠地、樹池、植草溝等來實現(xiàn)雨水的再利用。雨水花園的植物選擇具有一定的局限性，可通過栽植耐旱耐水淹的植物對雨洪水進行有機質(zhì)分解和凈化。生物滯留系統(tǒng)對徑流中Cu、Zn 和Pb的去除率分別為70.9%～98.1%、77.6%～98.5%和71.7%～98.6%。

4 植被修復(fù)和植物種植

七礦經(jīng)過多年采礦活動，礦區(qū)生態(tài)破壞比較嚴(yán)重，場地的可持續(xù)性修復(fù)需要植物長年累月的作用。合理的種植設(shè)計不僅有利于恢復(fù)生態(tài)，同時對整個場地的景觀營造有至關(guān)重要的作用。要營造一個全新的城市景觀，必須有鮮活的植物群落和健康的生態(tài)系統(tǒng)作為基礎(chǔ)。

4.1 植被的修復(fù)

污染嚴(yán)重的場地，土壤無法短時間修復(fù)到健康的狀態(tài)。景觀設(shè)計中對景觀的營造較大程度依賴于植物，植物的選擇通常選擇適應(yīng)性強的植物種類，例如：先鋒植物、固氮植物、超富集植物、鄉(xiāng)土植物等。

先鋒植物生命力相對頑強，有良好的抗逆性，能夠改善土地質(zhì)量，例如：葦狀羊茅、狗牙根、白喜草、香根草等；固氮植物每公頃每年達到的固氮量為50～150 kg，例如：合歡、二月蘭、紫云英、紫花苜蓿、水葫蘆、沙棘、羅漢松等；超富集植物對重金屬環(huán)境有較強的適應(yīng)能力，吸收重金屬Pb、Zn、Cu 等，例如：野菊花、莎草、銀柳、旱柳、楊樹等；鄉(xiāng)土植物有較好適應(yīng)性，生命力強，易于管理，成本較低，能夠很好適應(yīng)場地的生長、應(yīng)對場地土壤肥力不足的問題，還能夠體現(xiàn)場地的區(qū)域特色。

在生物多樣性保護中盡可能地恢復(fù)和建立動植物的棲息地，通過建立濕地來保護生物的多樣性。濕地是城市生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的重要部分，也是微生物的密集繁殖地，可調(diào)節(jié)小氣候，還能夠?qū)⑵扑榈木G地斑塊進行銜接，維持生態(tài)環(huán)境的平衡和穩(wěn)定，能夠豐富因工業(yè)污染而漸漸消失的生物群落，保護生物多樣性，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

4.2 植物種植設(shè)計

七礦的植物種植分別根據(jù)功能分區(qū)、種植形態(tài)、排列方式三個層面進行設(shè)計。

4.2.1 功能分區(qū)種植設(shè)計

根據(jù)礦區(qū)各部分的功能不同，將植物的配置分為游覽景區(qū)和生態(tài)種植區(qū)植物配置。游覽景區(qū)主要功能為娛樂、游憩和觀賞，因此主要對邊角空間進行綠化，突出其景觀節(jié)點，多以本地土植物為主。建筑密集的區(qū)域采用規(guī)則式種植，營造四季多變的效果，較多采用常綠樹種搭配彩葉樹，達到豐富的視覺效果。觀花類植物采用櫻花、迎春、杜鵑、君子蘭、紫薇、荷花、月季、牡丹、菊花、梅花、桂花、薔薇等。觀葉類植物采用銀杏、紅楓、海桐、側(cè)柏、垂柳、旱柳、國槐、法桐、白玉蘭、羅漢松等。觀干類植物采用梧桐、南天竹、龍爪槐、白皮松、樸樹、白樺等。草本植物采用黑麥草、牽牛花、馬齒莧、雞冠花、高羊茅等。

生態(tài)種植區(qū)植物采用多種形式的種植手法，構(gòu)建四季多變的植物景觀帶，融入平頂山的鄉(xiāng)土植物。平頂山常見本土植物主要有：冬青、桂花、香樟、紫薇、小葉女貞、大葉女貞、垂柳、槐樹、梧桐、雪松等。

4.2.2 種植形態(tài)設(shè)計

當(dāng)場地修復(fù)基本達到預(yù)期的要求時，就需要對植物進行美觀設(shè)計。七礦改造設(shè)計采用6種種植形態(tài)類型，植物密集的區(qū)域采用類型1的植物搭配方式，視野空曠的區(qū)域采用類型2、類型3、類型4的植物搭配方式，花壇、草坪以及屋頂花園則采用類型5和類型6的種植形式，通過疏密對比襯托出空間的變化。種植類型分布分析圖見圖4，場地植物種植分析圖見圖5。

圖4 七礦種植類型分布分析圖

圖5 七礦場地植物種植分析圖

4.2.3 排列方式設(shè)計

運用整形排列、無序排列、孤植種植三種形式對七礦進行景觀營造。整形排列的方法常見于行道樹的種植。設(shè)計中在生態(tài)林地的營造、遮擋建筑物邊緣、圍合封閉空間等方面均采用無序排列的方法，在生態(tài)林地區(qū)、親水游憩區(qū)與休閑娛樂區(qū)靠近場地邊緣的植物種植都采用無序密集的種植方法，不僅起到圍合場地的作用，同時也可以有效地消減場地外的噪音。孤植種植的方法用在植物景觀營造時，利用樹蔭能給場地留下季節(jié)、時節(jié)痕跡的特點，一般在靠近景觀中心采取整形排列種植、孤植等相結(jié)合的種植方法，起到指示方向、點綴景觀等作用。

4.3 植物種植景觀效果分析

污染較嚴(yán)重區(qū)域植物種植，起到凈化、修復(fù)、美化環(huán)境等重要作用。七礦景觀改造設(shè)計在人們與景觀進一步的互動前提下，同時體現(xiàn)七礦歷史的煤文化。以下分別對植物凈化景觀效果及親水游憩區(qū)、生態(tài)林區(qū)和休閑游樂區(qū)的景觀設(shè)計效果進行介紹。

4.3.1 植物凈化景觀效果

以下分別對歷史博覽區(qū)入口、場地花壇、陽光大草坪及植物凈化區(qū)的景觀效果進行分析。歷史博覽區(qū)入口設(shè)計為開放式，入口景觀鳥瞰圖見圖6。左側(cè)設(shè)計大花壇，入口的右側(cè)設(shè)計安置在樹蔭下的停車位，節(jié)省用地面積，并且能夠在炎熱夏日降低汽車表層溫度。

圖6 入口景觀鳥瞰圖

場地花壇采用不規(guī)則形狀設(shè)計，隨意的座椅擺放形式營造出舒適的陽光休息區(qū)(圖7)，樹池還能夠供人們休息，體驗背靠大樹帶給人們的安全感，水池設(shè)計噴泉，增加了硬質(zhì)上的靈動性，硬質(zhì)上點綴著簡單的綠色能夠讓人們在午后盡享陽光的溫暖。

圖7 花壇樹池效果圖

在文化體驗區(qū)設(shè)計陽光大草坪(圖8)，結(jié)合微地形營造一個開敞空間，設(shè)計景觀廊架，帶給人們在穿梭草坪時不一樣的體驗，草坪上設(shè)計紀(jì)念性的雕塑，充分表達了場地的歷史內(nèi)涵，如：設(shè)計工人推煤車的雕塑隱喻了七礦是一個靠煤炭發(fā)展起來的工業(yè)場所，煤車上的字樣讓人們銘記七礦的歷史，簡單而富有寓意的雕塑、別致的廊架、空曠的大草坪完美地結(jié)合在一起，成為一道亮麗的景觀。

圖8 陽光草坪效果圖

植物凈化區(qū)位置圍繞著歷史博覽區(qū)，占地面積約2 ha。場地草坪設(shè)計成階梯形式，形成景觀的視覺層次感，靠近場地邊界部分植物采取密集種植，起到降噪的作用，生態(tài)種植區(qū)的植物選擇要考慮場地的土壤狀況，盡量選擇本土植物，不僅能夠起到凈化土壤的作用，還能體現(xiàn)七礦地域特色，效果圖見圖9。

圖9 植物凈化區(qū)效果圖

4.3.2 親水游憩區(qū)效果

親水游憩區(qū)位于遺址觀光區(qū)后側(cè)，占地面積約3.8 ha，現(xiàn)為白鷺洲濕地公園的人工湖。水的形態(tài)保持自然，設(shè)計結(jié)合生態(tài)林地營造自然山水的景象，與園區(qū)的其他部分形成截然不同的風(fēng)景，使七礦遺留的建筑在自然的風(fēng)景襯托下顯得靜謐莊重(詳見圖10)。

圖10 親水游憩區(qū)效果圖

4.3.3 生態(tài)林地區(qū)效果

生態(tài)林地區(qū)與親水游憩區(qū)相融合構(gòu)成場地自然山水景觀，占地面積約3.8 ha，主要用植物來塑造景觀。植物采用密集種植，種類繁多，多采用鄉(xiāng)土植物，構(gòu)成四季有景的景觀帶，增大綠地面積，不僅起到凈化場地土壤和空氣，同時大面積的綠色植物能夠帶給人們心曠神怡的感受(詳見圖11)。

圖11 生態(tài)林區(qū)效果圖

4.3.4 休閑娛樂區(qū)效果

休閑娛樂區(qū)占地面積約6.2 ha，整個地勢較高，是原煤矸石堆積所在地。煤矸石區(qū)域的治理不僅要對表層進行殘留物質(zhì)清理，而且要采用植物的凈化功能對場地進行綠化。七礦改造設(shè)計將煤矸石山設(shè)置為戶外休閑娛樂場所，采用大面積的綠化，微地形結(jié)合植物種植。休閑娛樂區(qū)效果圖見圖12。

圖12 休閑娛樂區(qū)效果圖

休閑娛樂區(qū)分為休閑散步走廊(圖13)和兒童游樂廣場(圖14)。人們在休閑散步走廊進行戶外活動，草坪階梯設(shè)計為不規(guī)則形狀，使人們能夠親近自然；設(shè)計煤礦沙漏作為七礦歷史的紀(jì)念性雕塑，放在半透明廊架旁，代表著七礦曾經(jīng)的輝煌如沙漏般流逝，提醒人們銘記七礦歷史。兒童游樂廣場提供各種兒童娛樂活動場所，設(shè)計生動活潑，設(shè)置滑梯、攀巖、秋千等游樂設(shè)施。場地中設(shè)計巨型銅人滑梯，金屬的復(fù)古效果和鮮亮的色彩形成對比，代表著懷舊和新生。

圖13 散步區(qū)分析圖

圖14 兒童游樂廣場效果圖

5 結(jié)束語

礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的成功與否，決定了礦區(qū)未來的功能轉(zhuǎn)型、社會效益及經(jīng)濟效益。以平煤七礦為例，對廢棄礦區(qū)生態(tài)修復(fù)設(shè)計進行研究，對土壤凈化、水系統(tǒng)的生態(tài)治理方法、生態(tài)修復(fù)和植物種植進行設(shè)計，并對景觀設(shè)計效果進行分析，將景觀設(shè)計、休閑娛樂與七礦的歷史相互結(jié)合，凈化了場地土壤和空氣，達到生態(tài)自我修復(fù)的目的，為人們提供心曠神怡的休閑場所，為類似廢棄礦區(qū)的設(shè)計和修復(fù)提供參考。