基于自然的重金属污染矿地解决方案
广东省大宝山矿是以铁铜为主的大型多金属矿山,其矿床上部为风化淋滤型褐铁矿床,中部为层状菱铁矿床,下部为铜、铅、锌、硫铁矿床以及斑岩型钼矿床和矽卡岩型钼多金属矿床,主要产品为成品铁矿石、铜精矿、硫精矿。在大宝山矿产开采过程中,形成了采场区、露采边坡、排土场和尾矿库,严重破坏了当地的地形地貌景观,造成滑坡、水土流失等问题,还导致了植被消失、生态系统毁坏、土壤污染等生态环境问题。基于自然的解决方案（NbS）为该矿区的污染源头控制与生态修复提供了新的技术路径。
建立监测与优化的机制和措施。在生态系统修复的同时,遵循国际先进的生态修复适应性管理理念,分类建立监测区块或样方,进行生态系统修复的长期定位监测,对比分析不同修复模式的成效,不断对矿地生态修复方案进行优化调整,以保证修复效益的化,实现矿区土地的可持续利用。
土壤改良措施。土壤改良主要是对矿区土壤进行原位基质改良。根据矿区地形地貌、污染分布和工程类型,划分改良工程分区。土壤改良材料的用量与配方,依照土壤检测分析的结果,进行适时适地选择。原位基质土壤改良方案是对整理后的种植条沟、表土采用复合基质,以硫还原菌的微生物菌剂等生物措施为核心进行土壤改良,进而调整土壤pH值,改变土壤酸性条件,增加土壤有机质含量,降低土壤重金属活性,起到固化、稳定化的目的。同时,实施土壤改良的前期酸化预测与土壤改良的全过程酸化控制,营造有益微生物生长的适宜环境,通过有益微生物的作用持续改良土壤。
在生态系统修复过程中,基于自然的解决方案的核心在于遵循或模仿本地生态系统,从"理念指导——规划控制——措施实现"的逻辑出发,在修复的全过程中体现整体性、系统性和综合性。其中,整体性体现在修复方案应涵盖到一个相对完整的生态流域和生态功能区；系统性体现在生态要素变化的全过程或相互作用的全链条；综合性体现在识别多要素的相互作用,而不是单要素的修复,这也是系统生态修复的本质特征。
"因势利导"疏导水流。在治理区重塑地形的同时,因势利导、合理有序地设计导水、排水工程,分流水源,实现在场地内的清污分流。治水措施充分满足生态恢复前期控制水土流失的需要。排水沟走向设计坚持因地制宜、根据暴雨期间观察的水流走向设计,构造坡顶及平台内侧截水、排水及坡面导水的纵横排水沟网络系统,逐层有序截水排水,控制边坡水蚀与水土流失。
"柔性防护"稳定边坡。对裸露边坡以柔性防护为主、工程措施为辅,采用柔性材料进行柔性防护,不构建挡墙、格构梁等钢筋混凝土构筑物,促进排土场中的沟床稳定。对排土场内松散的堆积物以排导为主,设置生态袋植物堤、生态岛停淤区域；利用生态袋能过滤泥沙、生长植被的特性,利用植物树冠与根系的作用控制侵蚀,增加边坡的稳定性；利用植物群落作用,固土防蚀,改善松散土质的抗冲性,增强治理区排土场堆积体的稳定性,消除地质灾害威胁。
构建矿区三维径流场和水系,获取污染扩散路径。根据大宝山地区所在的流域范围,依据矿区植被、地形地貌和水文条件,首先构建大宝山三维立体景观模型。基于三维地形地理信息等相关要素的拓扑关系,科学划分矿区降水汇水面,构建三维径流场和水系。
大宝山矿地生态修复设计中遵循"依山势重塑地形、因势利导疏导水流、柔性防护稳定边坡"的理念开展生态修复工程设计,通过植被修复控制水土面状侵蚀,利用土壤与植被相结合,原位固化和拦截重金属的迁移扩散。
实施清污分流,严控污染面和污染汇水,从源头控制污染扩散。根据矿区已形成的现状径流水系分布,结合矿区汇水面和降雨量,进行基于三维径流场及水系的清污分流区、排水沟渠的规划设计,因势利导、合理有序地设计导水、排水工程分流水源,在场地内实现清污分流,同时沿水流走向因地制宜地截、排山洪,减缓山洪集中冲刷,减少降雨集中往低处汇集的排洪压力。其中,截洪沟等排水工程设计根据地形地貌、地质结构合理布设,将地表径流合理有序地导出；对泥石流的水源进行调节和分流,对形成泥石流的固体物源进行稳固,对泥石流在冲沟中的运动进行控制和消能。据测算,大宝山矿区径流面积为25平方千米,实施清污分流工程后,通过修建截排水沟可实现拦水面积12平方千米,每年拦水量1836万立方米,可节约2203万元的污水处理费用。
自然植被恢复。经土壤改良后,在生态恢复条件成熟时,及时对修复土地进行植被恢复,构建乔灌草立体植被体系。由于采矿土地损毁后,原植被也遭到损毁,因此应筛选适当的先锋植物对损毁土地进行先行修复,同时筛选适宜的适生植物作为矿区生态修复的对象。种植品种的选择应以当地品种优先为原则,修复后生态景观要与周边环境容为一体。因此,依据大宝山矿区原有气象气候条件、植被类型、地形条件,选择的造林树种主要为马尾松、胡枝子、盐肤木、紫穗槐；草种主要以豆科草类为主,主要选择大叶草、狗牙根等草本植物,利用豆科作物的固氮能力改良土壤。在种植模式上,采取种、播相结合,形成先锋植物、长期定居植物、短期植物、四季植物更替的人工群落系统；实行草灌相结合,尽快形成能够覆盖表层土壤的植物群落,实现短期植被与长期植被的自然演替。
针对大宝山矿区场地露采场、排土场的现有堆体,根据生态环境评估与预测结果,按照系统工程的思路综合治理,实施局地"地貌重塑——土壤重构——植被重建"工程,因地制宜、逐步恢复大宝山矿区自然生态系统,营造一个适合植物生长的健康环境,缓解环境重金属污染,恢复场地生态活力,重塑动植物自然生境,寻找新的生态平衡与景观生态,强化区域生态系统功能。
大宝山矿区露天开采历史周期长,地形地貌损毁已经影响到了矿区水系的分布。同时,由于多年平均降水量高达1500毫米,土壤酸化更影响植被恢复。水文及水动力是矿区污染元素扩散的核心动力源,也是污染防控的关键因素。因此,遵循自然地形地貌特征,因势利导、利用自然,构建矿区径流场,可起到事半功倍的效果。
"依山势"重塑地形。根据治理区的水文、地质、气候环境条件,结合地形地貌特点和场地排水的需要,进行地形重塑,保持原有地形地貌及边坡的固有稳定性,用少的扰动确保边坡地形地貌的自然态,依山势整形,减少修筑平台、削坡减载土石方工程带来的大量的松散堆积物可能引发的新的边坡不稳定隐患。
大宝山矿区基于自然解决方案的生态修复案例中,通过开展基于径流场原理的矿区流域污染控制和遵循自然原理的生态修复规划设计、修复措施以及适应性的生态修复管理,按照地貌重塑、土壤重构和植被修复的系统进程,快速建立了人工介入下的植被群落系统,模拟自然生态系统,实现土壤正常化、植物乡土化,并依靠植物自身的抗逆性和植物群落物种的多样性,提高生态系统的稳定性,逐步形成自我完善、正向演替的自然生态系统,终实现了人工修复生态系统与所在区域生态环境背景的协调一致,保障了修复后的矿地生态系统的健康稳定和自然资源管理的可持续性。
场地平整措施。由于大范围的露天开采和不规范的排土,大宝山矿区地表造成了强烈的扰动和破坏,形成了比较严重的土壤侵蚀问题。场地平整设计基本遵循现有总体地势。针对区域特殊的地形地貌及现状,进行地形整理,依现状地势设置成缓坡及台地,并以生态方法治理边坡环境,坚持植物措施为主,逐步恢复生态系统。其中,在不影响后续的种植和排水等条件下,适当保留原有的台地,不刻意治理成平缓的坡地,场地平整依山势确保边坡整体稳定,同时使整个地形的坡面曲线保持排水通畅,以消除滑坡或泥石流等地质灾害隐患。
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