生态环境恢复技术苏州旺山废弃矿山的应用

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简介： 苏州吴中区旺山废弃石矿是国内较早进行生态环境治理的矿区，在生态环境恢复过程中采用了当时比较先进的客土喷播、植生袋、厚层基材等边坡绿化工艺，尽管存在着某些不足，经过两年的养护和半年的自然维护，植被整体生长良好，与周边山林能够融合。基本达到了预期的绿化效果。
关键字：旺山；生态环境治理；客土喷播；厚层基材；植生袋

伴随着经济的快速发展，人类对矿产资源，特别是石矿资源的需求呈跳跃式发展的趋势，特别是改革开放以来，经济的迅猛发展刺激了采石场的发展。这些采石场在促进整个社会经济发展和基础设施的建设过程中发挥了不可磨灭的作用，但是，同时我们也注意到采石场给环境、生态和景观带来了一系列的危害和问题，因此采石场的生态环境恢复日益成为社会普遍关注的问题之一。

　　由于以前没有成熟的采石场生态治理技术与资金支持，许多废弃的采石场暴露在城市中成为一个个“伤疤”，影响了人与自然的和谐发展。最近几十年里，国内外生态专家与工程技术人员为采石场等裸露边坡的生态重建开展了深入系统的研究，并创造了各种各样的生态恢复技术。近几年，随着环保意识的提高，我国地矿、公路、国土等部门对于生态防护越来越重视，设立了矿山生态环境恢复保证金制度，确保了废弃矿山生态恢复的资金难题。结合现有成熟的边坡生态环境恢复工艺，如客土喷播、植生袋、厚层基材等使废弃矿山的生态重建成为可能。

　　在江苏省与苏州市进行的废弃矿山生态环境治理规划的指导下，苏州吴中区旺山采石场于2002年关闭，同年5月21日杭州环复园林工程有限公司开始对旺山进行生态环境治理，成为江苏省首批进行生态环境恢复的矿山，此项工程的施工期到2003年1月20日截止，共治理山体面积8万平方米，通过2年的养护观察，已经基本达到了生态恢复的要求。在旺山生态环境治理过程中，综合采用了以厚层基材为主，包括植生袋，客土喷播等多种国内外的先进工艺。

　　本文就旺山生态恢复过程中使用的主要工艺进行介绍，并对旺山废弃矿山的持续观察效果进行重点阐述。

1 旺山地区基本概况

　　旺山地区属亚热带季风海洋性气候，四季分明，全年平均温度15.7℃，年平均降水量1088.5mm (最多1782.9mm，最少600mm)：常年6月16日入梅，7月9日出梅，梅雨量194mm；无霜期240天；年日照时数1940.3小时，年日照百分率为45％。

2 材料与方法

　　2.1喷播植物种子

　　根据旺山废弃矿山所处地区的气候、地质与水文条件，在前期采用了高羊茅 (Festuca arundinacea)、弯叶画眉草（Eragrostis curvula）、狗牙根（Cynodon dactylon）、百喜草（Paspalum notatum）、白三叶（Trifolium repens）等禾本科和豆科草本植物，后期更多的采用了胡枝子（Lespedeza bicolor）、紫穗槐（Amorpha fruiticosa）、马棘（Indigofera pseudotinctoria）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、紫花苜蓿（Medicago sativa）等草灌木品种，并对前期单一的草本坡面进行了灌木种子补播。

表1 种子用量表

Table1 dosage of seeds

3 工艺方法

　　3.1 客土喷播工艺

　　客土喷播是以团粒剂使客土形成团粒化结构，加筋纤维在其中起到类似植物根茎的网络加筋作用，从而造就有一定厚度的具有耐雨水、风侵蚀，牢固透气，与自然表土相类似或更优的多孔稳定土壤结构。

　　3.1.1特点

　　1、锚杆、铁丝网（土工网），混合在客土基质中的粘合剂、团粒剂、加筋纤维，有边坡防护和支撑客土基质的双重功能。

　　2、用空压机、客土喷播机等设备对客土基质进行高压喷播 (0.5MPa)，保证了基质在边坡的稳定性，且机械化作业速度快、效率高。

　　3、植物根系生长，尤其是灌木根系的生长，给坡面的长期稳定起到了重要的作用，同时改善和美化生态环境。

　　3.1.2技术要点

　　1、喷播基材是保证喷播成功的重要因素。泥炭土是喷播的好材料，可和木纤维 (或纸浆)按一定的配比混合使用，比单用纯木纤维具有更优良的附着和保水性能，可在土壤层较薄且非常瘠瘦，甚至风化岩的坡面上进行喷播，一般喷播厚度在10～20cm。

　　2、保水剂及粘合剂用量。保水剂可根据各地气候条件及石场特点的不同而做相应的调整；粘合剂可根据石壁的坡度而定，与坡度大小成正比。

　　3、挂网。先把锚钉按一定的间距固定在石壁上，然后挂网。

　　4、草种选择。所喷播的草种应是根系发达、生长成坪快、抗旱、耐贫瘠的多年生品种；如果当地的冬季寒冷的话，还应考虑品种的抗冻性。

　　5、混播。利用草种的互补性，如深根性和浅根性、豆科和禾本科、外地与本地、发育早与发育晚等特性进行混合喷播。

　　3.1.3施工流程施工准备à作业面清理à截、排水沟施工à铺网、钉网à客土喷播à喷播植物种子à覆盖à养护管理

　　3.1.3.1施工准备

　　设安全防护区：施工现场附近，禁止行人、车辆通过，界定安全防护区，在施工场地两头设施工标志。根据施工安全操作规范要求，选择安全防护措施，搭设钢管脚手架，下铺毛竹脚手片，上挂防护网，或从山顶下悬绳索，系安全带施工。脚手架搭设按脚手架搭设施工规范进行施工，现场施工人员配戴安全帽及必要的劳保用具。

　　3.1.3.2作业面清理

　　清除作业面杂物及松动岩块，对坡面转角处及坡顶的棱角进行修整，使之呈弧形，尽可能将作业面平整，以利于客土喷播施工，同时增加作业面绿化效果。保证施工前作业面的凹凸度平均为±10cm，最大不超过±15cm；对低洼处适当覆土夯实回填或以植生袋装土回填，以填至使反坡段消失为准，有条件的可在作业面上每隔一定高度开一横向槽，以增加作业面的粗糙度，使客土对作业面的附着力加大。若岩石边坡本身不稳定，应该采用预应力锚杆锚索进行加固处理。

　　3.1.3.3截、排水沟施工

　　作业面排水系统得设置是否恰当和合理直接关系到作业面植被的生长环境，对于长、大边坡，坡顶、坡脚以及平台均需要设置排水沟。并根据作业面水流量的大小考虑是否设置坡面排水沟。

　　3.1.3.4铺网、钉网

　　采用高镀锌棱形铁丝网或高强塑料加强土工网，网孔规格为5cm×5cm。岩石处用风钻或电钻按1×1m间距梅花形布置锚杆和锚钉。锚杆长90~100cm。锚钉长约15~40cm。挂网施工时采用自上而下放卷，相邻两卷铁丝网（土工网）分别用绑扎铁丝连接固定，两网交接处至少要求有10cm的重叠，锚钉每平方米不少于5只。网与作业面保持一定间隙，并均匀一致，。较陡岩面处，可用草绳按一定间隔缠绕在网上，以增加附着力，使客土厚度得到保证。挂网可以使客土基质在岩石表面形成一个持久的整体板块。

　　3.1.3.5客土喷播

　　客土喷播前浇水湿润坡面，将泥炭、腐殖土、草纤维、缓释营养肥料等混合材料经过专用机械的搅拌后喷播在铁丝网上，厚度为2~8cm。由于基质水分丧失会造成基质厚度不够，一般要求喷射厚度为设计厚度的125%。

　　3.1.3.6喷播植物种子

　　根据施工作业面土壤或岩面性质、当地气候条件、施工季节，并结合各种植物生长特性选择植物的种子，并增加当地类似地貌作业面上的乡土树种种子，使次生植被在今后的数年内逐渐与自然生态植被融合，不显人工雕琢的痕迹。乔、灌木种子用60~80℃热水（含浸种剂）浸种1天，草本植物种子在喷播前浸种1-2小时使种子吸水湿润即可。将处理好的种子与纤维、粘合剂、保水剂、复合肥、缓释肥、微生物菌肥等经过喷播机搅拌混匀成喷播泥浆，在喷播泵的作用下，均匀喷洒在工作作业面上。

　　3.1.3.7覆盖

　　为保证多雨季节，植物种子生根前免受雨水冲刷；寒冷季节，植物种子和幼苗免受冻伤害；以及正常施工季节的保温保湿。要求采用无纺布（或稻草帘）覆盖、并力求仔细，这样可防早期无纺布被风吹跑，其目的一是预防成型后的作业面被雨冲刷；二是可保温保湿，促进植物的生长。

　　3.1.3.8养护管理

　　植物种子从出芽至幼苗期间，必须浇水养护，保持土壤湿润。从开始坚持每天早晨浇一次水（炎热夏季早晚各浇水一次），浇水时应将水滴雾化（有条件的地方可以安装雾化喷头），随后随植物的生长可逐渐减少浇水次数，并根据降水情况调整。在草坪草逐渐生长过程中，对其适时施肥和防治病虫害，施肥坚持“多次少量”的原则。喷播完成后一个月，应全面检查植草生长情况，对生长明显不均匀的位置予以补播。

　　1.4适用范围

　　客土喷播工艺主要应用在旺山废弃矿山坡度小于60°，岩石风化或有较薄土层的边坡上。在更为陡峭或贫瘠的边坡上需要采用厚层基材工艺。

　　2 厚层基材工艺

　　厚层基材喷射植被是采用混凝土喷射机把基材与植物种子的混合物按照设计厚度均匀喷射到需要防护的工程坡面的绿色护坡技术。厚层基材喷射植被护坡技术主要针对岩石边坡的植被防护而开发。岩石边坡不同于土质边坡，目前常用的植被护坡（如撒播、液压喷播、植生带、框格植被、三维土工网植草等）无法应用于岩石边坡，因为岩石边坡无法供给植物生长所需的土壤、水分和养分。

　　2.1基本原理

　　将泥炭土、腐植土、陶土、保水剂、黏结剂和长效复合肥、木纤维等混合，制成岩质陡坡植被生长所需要的大量和持续性较强且具有较持久肥力的活性土（人工土），在岩坡上设置塑料PVC树脂镀锌网或钢筋网，将配制好的活性土与草种、乡土草木种子及防止水土流失的土壤安定剂、黏合剂、保水剂等掺和后，经搅拌机拌匀，在干料状态用空压机和混凝土喷射泵输送，在喷射口前与水混合喷射到作业面，形成喷射厚度较大，粘稠度较高，能促进植物长期生长所需的基材。

　　3.2.2施工流程施工准备à作业面清理à截、排水沟施工à铺网、钉网à喷射混合土à喷播植物种子和营养液à覆盖à养护管理厚层基材工艺主要体现在喷播基质的厚度与强度与客土喷播不同，其他主要步骤类似。

　　3.2.2.1铺网、钉网

　　①钻孔：石质边坡硬度大，必须用风机钻孔，孔向与坡面基本垂直。

　　②钢钉：用直径6 mm、长度为30㎝的L型铁钉（或钢钉）固定镀锌网，每平方米为4-5根左右。

　　③对于个别不平顺的坡面，为保证铁网贴附坡面，可增设锚钉。

　　④网面不须紧贴坡面，可留8cm左右空隙。

　　3.2.2.2喷射混合土

　　将晒干的泥炭土、腐殖土（过筛）和木（纸）纤维、粘结剂、保水剂，用搅拌机搅和均匀，然后用喷射泵和空压机将混合干料送到喷射管，在喷射管口与适量的水混合后喷射在坡面上，厚度为10cm。

　　3.2.2.3喷播植物种子和营养液

　　对于选好的种子应进行催芽处理，而后用木纤维、粘合剂、保水剂、复合肥、缓释肥等，经过喷播机搅拌成喷播浆，在喷播泵的作用下，均匀地喷洒在岩面上。

　　3.2.3适用范围适用于坡度高陡的岩石斜面 (坡度大于75°、未风化岩面等高难度岩)；景观要求高的绿化坡面，是旺山废弃矿山生态恢复的主要工艺。

　　3.3 植生袋工艺

　　3.3.1基本原理

　　植生袋是将选好的草、花、灌木种子、保水剂、微生物肥料等材料，通过机器设备均匀的复合在两层可降解的无纺布中间，并覆上一层抗老化绿网，然后将复合好的材料按一定的规格缝制成的袋状，是一种新型边坡绿化材料。

　　3.3.2施工流程施工准备à作业面清理à截、排水沟施工à填装基质à铺设植生袋à养护管理省略步骤参见客土喷播工艺。

　　3.3.2.1填装基质将植生袋平铺，把混合好的基质填装到每个袋口中，饱满度达到80%时扎紧袋口。

　　3.3.2.2铺设植生袋

　　将装好基质的绿生（植生）袋，平整的铺在作业面上，并以紧固件加固。紧固件拟采用铁钉或Ø6mm的钢锚钉，一般采用200mm-400mm等不同长度。岩石处用电钻钻孔后用锚钉紧固。紧固件每平方米不少于5只。铺设前将作业面浇足浇透水，每铺设一块，固定后再浇水保持袋中基质湿润。

　　3.3.3适用范围主要用于反坡、地形不规则的裸露岩石边坡的绿化。

图1 旺山废弃矿山治理前原貌

Fig1. Original looks of Wangshan abandoned mine

图2 坡面喷播后效果

Fig2. Scene of Wangshan abandoned mine after spraying

图3施工完成2个月后效果

Fig3. 2 months of maintenance

图4 施工完成6个月后效果

Fig4. Six months of maintenance

图5 施工完成2年6个月后效果

Fig5. Two years of artificial maintenance and half a year of natural maintenance

4 养护管理

　　在施工完成后，随即进行养护管理，并根据苏州吴中区地区的气候特点制定了养护方案，在植物种子处于萌发与植物幼苗阶段，特别注重保持湿度和平衡养分。在植被成坪后加强对植物抗逆性的锻炼，逐渐减少浇水、施肥次数，促进深根性的灌木生长。由于喷播的植物种子以豆科和禾本科植物种子为主，因此特别注意对锈病、斜纹夜蛾的防治。

5 结果

　　旺山废弃矿山生态恢复工程经过两年的精心养护，植被生长良好，没有引发地质灾害，工程质量与养护管理效果都令人满意。撤除人工灌溉、施肥等管养措施半年后，植被表现良好，整个坡面基本上已经形成1~2米的灌木为主的草灌植物群落，植物基本上能自然生长。安然度过了3个雨季，植被与土壤基质没有被冲刷的现象，周围山林的乡土草木本也逐渐侵入到边坡上来，达到了人工快速过渡的效果。而且恢复的植被基本上与周围的环境融为一体，趋于自然。

6 讨论

　　苏州旺山废弃矿山生态环境治理工程在综合采用客土喷播、植生袋和厚层基材工艺结合科学的施工、养护、管理手段，实现了石质边坡植被的重建与边坡的稳定。说明了利用植物进行废弃矿山的生态环境恢复是可行的。可以在2~3年内形成植被的有效覆盖、防止地质灾害、水土流失、绿化美化了环境，具有良好的生态效益和社会效益。

　　同时我们也注意到，同样的工艺在不同地区、季节，或不同的施工队伍进行施工，效果就大相径庭。说明在对废弃矿山生态环境恢复工作中还缺乏统一、科学的技术标准，单靠经验进行施工往往阻碍了我国的生态环境恢复技术的发展。

　　因此，我们在对更多废弃矿山进行生态环境治理的同时，还需要对植物种子配方、基质配方等进行研究，提高技术、管理内涵，促进生态环境恢复产业与技术的发展。

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