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阜新露天煤矿区生态风险分析 马喜君1,2 常志华1 程建龙1 陆兆华1 (1．中国矿业大学(北京)恢复生态学研究所·北京100083； 2．淮阴工学院生物与化学工程系·淮安223001) 摘 要：煤炭作为一种不可再生资源，长期的开发话动已经引起了与我国国民经济可持续发展不协调的诸多环境问题，并且这些问题也已成为影响我国社会、经济和区域环境发展的综合性制约因素。本文主要从地形地貌的破坏、“三废”污染、重金属污染、水土流失等方面，分析了阜新露天煤矿区的生态风险问题。
关键词：露天煤矿区 生态风险 环境问题
中图分类号：X321/328 文献标识码：A 文章编号：1004-4051(2006)08-0019-03
ECOLOGICAL RISK ANALYSIS FOR FUXIN OPEN CAST MINE AREA Ma Xijun1,2 Chang Zhihua1 Cheng Jianlong1 Lu Zhaohua1 (1. Institute of Restoration Ecology, China University of Mining and Technology · Beijing 100083;2. Chemical and Bioengineering, Huaiyin Institute of Technology · Huaian 223001) Abstract: Charcoal is one of sources which cant regenerate. Extended exploitation activities have caused a mass of environment problems, which affect our country s economic continuable development. These problems that affect our society, economy and region environment development have become synthetical conditionality factors. This paper is on the study of the correlation between Fuxin open cast mine and ecological problems. The main ecologic problems caused by Fuxin open cast mine include destruction of intrinsic terrain, solid wastes, wastewater, waste air, heavy metals pollution together with water and soil loss.
Keywords: Open cast mine Ecological risk Environment problems
1 引言
煤炭作为我国最主要的一次性能源，在国民经济发展中具有重要的作用，预计到2020年煤炭在我国一次能源构成中占70％左右[1]。我国矿山尤其是露天煤矿大多处于干旱、半干旱的生态脆弱地区[2]，如平朔矿区位于黄土高原水土流失严重区，霍林河矿区、伊敏河矿区位于草原风沙区，神府东胜矿区位于毛乌素沙漠和西北黄土高原过渡地带的沙化区。煤矿区生态环境问题尤为突出。据统计[3]，露天煤矿正式投产后，每开采万吨煤要挖损0.02～0.18hm2土地，露天采矿剥离表层土堆积形成的外排土场及排弃的矸石压占大量土地，其中外排土场压占土地量约为采掘场挖损量的1.5～2.5倍，平均为2倍，到目前为止，我国露天采掘场挖损占地约为8800hm2，外排土场压占土地面积达16300hm2。据统计[4]，我国煤矿现有矸石山1000多座，总堆积量达30亿t，占地5800hm2，并且每年新增排放量l.5～2.0亿t，占地约300～400hm2。
与井工开采相比，露天煤矿开采不仅侵占大面积良田，而且对开采区生态环境的人为改变相当大，集中表现在地形地貌的破坏、重金属污染、水土流失加重等。露天矿区生命支持系统功能的丧失，特别是植被系统的破坏，加剧了生态环境的脆弱程度和退化速度，矿区生态安全受到严重威胁[2]。而且这些干旱、半干旱的生态脆弱区缺乏水源，土地贫瘠，加之气候干燥，使得农作物单位面积产量不高，农民生活难以保障，退耕还林、还牧也难以做到。总之，在脆弱环境区域开发露天矿造成的严重生态环境问题，不仅制约城市、区域经济和社会可持续发展，而且威胁到人类的生存安全。
所以，对露天矿区的生态风险问题的研究非常必要，在了解露天矿区的生态风险之后，才能更合理地利用煤炭资源，促进煤矿区经济与环境的可持续发展。
2露天煤矿主要生态风险问题分析
2．1地形地貌的破坏
露天矿的开采，构成一个新的凹坑一高丘特殊地貌类型。截止1994年底，全国露天开采挖损土地面积达80km2，平均每采万吨煤挖损土地约800m2[5]。自上世纪80年代以来，阜新煤矿区已经发生大规模的沉降和塌陷数十次，总沉陷面积达81.46km2，规模最大的一次发生在高德五七井南100m处，塌陷坑直经达40m，深达30m，地表上十几间住房沉入坑中。
现在，我国露天矿堆垫的外排土场固相岩土结构松散、地层层序缺损或紊乱，极易遭受侵蚀。
2．2 “三废”污染
固体废弃物：据统计[7]，阜新矿区采矿形成的堆积量达1×106m3以上的大型矸石山3座，堆积量0.1×106m3以上的中型矸石山4座，堆积量0.01×106m3以上的小型矸石山5座，不具规模的矸石山340多座。矿区内煤矸石总量占地面积32.135km3，总堆积量12.9085×106m3。
我国是矿业大国，目前国有煤矿堆积矸石山累计1500余座，仅矸石一项约30亿吨，且其中有300余座自燃[8]，排放大量煤尘、SO2、CO2、CO等有毒有害气体和热辐射。
废水污染：疏排水、矸石山淋溶水、选煤废水等排放量大，且成分非常复杂，含有大量的悬浮物、重金属和放射性物质。
据有关资料表明[7]，细河水中的耗氧量最高达803.20mg/L，最低为4.02mg/L，细河源头扬家荒桥断面各河段，耗氧量平均值为141.40mg/L，各种有毒有害成分均超标。
废气污染[6]：阜新煤矿区空气主要污染物是降尘、总悬浮颗粒物、二氧化硫，其次是氟氧化物。目前，二氧化硫符合《环境空气质量标准》 GB3095.1996中二级标准；总悬浮颗粒物超《环境空气质量》GB3095.1996二级标准，超标倍数为0.27倍；降尘超辽宁省地方标准1.48倍。
采掘场、矸石山自燃及煤炭的利用释放出大量的SO2、CO2、CO等有毒有害气体，严重污染大气环境；露天开采作业为开放式，由爆破、采掘、运输形成的粉尘较大，直接影响动植物的呼吸和光合作用。
大气污染中的SO2和NO2氧化后溶于水汽，以降水形式进入土壤而达到去除，使得区域土壤偏酸性。另外，大气颗粒物中还含有很多对人体有害金属元素，最后也经过干沉降和湿沉降到达地面，最终所有污染物质汇人土壤，对植物和土壤生物形成危害。
2．3水土流失及盐渍化
根据海州露天煤矿历史资料统计[13]，从1953年到1990年采场共发生滑坡75次，其中北帮62次，南帮13次。目前，对于滑坡灾害灾变分级没有一致的意见和标准，尤其在露天采煤场之类的工业活动场所，即使小级别的滑坡也会给矿区生命、生产造成很大损失。
根据相关资料分析统计[7]，全区荒漠化土地面积达6525km2，占全区土地面积的62.1％，其中，风蚀荒漠化土地面积3287km。，水蚀荒漠化土地面积961km2，盐渍荒漠化土地面积2276km2，在荒漠化土地总面积中的比重分别为50.4％、14.7％和34.9％。
据卫星遥感普查[7]，阜新露天煤矿区10349.7km2的土地中，从水土流失程度分析，总流失面积仍有5498.4km2，占全市总面积的53．1％，高于全省18个百分点。其中，轻度侵蚀面积4268.1km2，中度侵蚀面积1039.5km2，强度侵蚀面积190.8km2，分别占总流失面积的77.6％、18.9％和3.5％。如此之大的水土流失面积，造成每年土壤流失量高达1739.4万t，使2.7万t氮肥、520t磷肥白白跑掉。导致水库、塘坝、河床大量的泥沙淤积。
露天矿排土场边坡较陡(大于300)，地表物质组成绝大部分为赋存于地表下数十米、上百米深处的岩土，地面粗糙率大，抗蚀性小，养分贫乏，天然植被侵入极少，干旱、半干旱区降水量少且暴雨集中，加剧水土流失；由于排土堆积使含Ca、Mg、K、Na等盐类流失，汇集到低洼地区，再经过蒸发作用使土壤产生盐渍化，距离排土场越近，盐分含量越高(含盐量高达0.7％以上)。露天开采带来的水土流失主要原因有：露天开采剥离严重破坏土地和植被，排放大量的剥离物，增加新的水土流失和土地沙化干化源。其中排土场、矸石山堆垫地是露天矿特有的人工地貌，堆垫高度达几十米甚至上百米，特征是岩土松散，固结能力弱；高出四周地表，并有大坡度的坡面；坡面与平台植被覆盖很低，因此极容易因降雨造成严重的水土流失。煤矿区水土流失搬运物不是单纯的土壤，而是矿区生产过程中产生的岩、土、煤矸石等废物的混合物。总之，露天煤矿区水土流失主要发生在剥离、挖损地、废弃物堆积体及堆积场所，即采场、排矸场、排土场、工业场地、居住区、矿区道路等场区占地以及其它开挖地表、破坏植被、弃土弃渣等地。
采矿后形成的地貌坡角大、堆体松散，在水力冲刷下极易产生滑坡崩坍和泥石流。滑坡产生的危害是多方面的，其破坏效应归纳起来主要有以下几个方面：
(1)威胁人的生命安全，常会造成一定程度的人员伤亡。
(2)滑坡能破坏工程设施、交通运输设施、水利工程等，因此滑坡灾害不但造成直接经济损失，而且有时会造成严重的间接损失。
(3)破坏土地资源，使土地被冲毁、淤埋，严重影响植被生长及土壤动物的生存，从而改变土壤生物群落结构。
水土流失削弱了土壤肥力，改变了土壤物理化学性质，对土壤动物微生境造成损害，是一个渐进的过程。滑坡使得景观发生变化，耕地、陆生动物和植物全部被掩埋，生态环境更加脆弱，是一个突变的过程。恶劣的土壤条件影响了植物和土壤动物的定居、生长和繁殖，导致物种数量、种群数量减少。
生态环境决定着动植物种群的数量和分布，水土流失和滑坡对环境的破坏程度日趋严重，动物的栖息地在逐渐恶化、缩小，物种数和种群数量在不断缩减，生态系统变的非常脆弱。这要求人类尽快恢复已遭受破坏的生态环境，为可持续发展创造有利的自然环境。
2．4重金属污染
煤矿区重金属主要是由于煤矸石风化自燃及淋溶而迁移到土壤、水体中的[9]。煤矸石含有大量的硫铁矿和重金属元素，在堆放过程中由于自燃和降雨淋滤形成的溶液使周围土壤、水体受到污染。其中，毒性最大的是Cd、Pb、Hg、As，它们能在生物放大作用下大量地富集，对人体健康产生长远的不良影响。
海州露天煤矿区土壤金属分析结果如表1所示。海州露天矿区表层0～5cm土壤重金属平均含量与阜新市土壤重金属背景值[10]相比较，除As含量低于背景值外，其余微量元素含量都高于背景值，重金属元素Mn、Ni、Cd含量分别是背景值的1.53、1.22和1.56倍，Cr和Pb含量分别为背景值的2.60、2.03倍，Cu以及Zn的浓度显著增高，是背景值浓度的4倍以上。
大气颗粒物微量元素污染程度和赋存特性，已经引起人们普遍关注。大气总悬浮微粒是我国北方城市大气环境主要污染物之一，已经有不少研究发现，表层土壤重金属含量高于深层土壤含量[11]。抚顺地区大气微量元素研究表明[11]，大气TSP中 Fe、Cr、Si、Mg、Na主要来源于风沙土尘，Zn、 S、As、Al、Pb主要来源于人为污染，Mn、Cu、 Ni等元素部分来源于人为污染。樊慧丽[12]对西安大气颗粒物中元素分析发现，Ca、Cu的富集因子大于1而小于10，部分来源于尘土、风沙，部分来源于人为污染；S、Zn、Pb的富集因子均大于10，主要来源于燃煤污染。因此，对于矿业型城市大气沉降造成的金属污染，已经引起普遍关注，而 Pb、Zn、Cu及Ni等富集因子最大，造成严重的污染。矿山固体废物在其堆积、填埋过程中，长期处于与地下环境相异的地表环境，受到水、生物、人类活动等多种行为的综合影响，所含重金属将随着矿物的风化淋溶进入水圈，从而在整个圈层中以多途径循环。堆积废弃物比如金属尾矿、城市生活垃圾、煤矸石，由于风化、降雨淋溶作用，对周围土壤造成重金属污染[9]。煤矸石中，不同重金属赋存特征和迁移性不同，重金属元素累积也表现出明显差异性，其中Co、Cu、Zn、Ni、Pb有较强的迁移性，对露天煤矿区周边的地区会造成很大的影响。
3 结论
阜新露天煤矿区生态环境整体都存在风险性，必须对该地区进行生态风险评价的研究，量化地形地貌的破坏、“三废”污染、重金属污染、水土流失等风险源的生态风险。在此基础上，采取相应的环境风险管理对策，实现露天煤矿区经济与环境的可持续发展，否则，对于露天煤矿区的生态恢复过程将会付出更大的代价。
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彭德福 等－－平朔露天煤矿土地复垦与生态重建初见成效
| | 彭德福 王凤俊 田占鳌 |
采矿，特别是露天煤矿开采所造成的以土地破坏为主的生态环境的破坏最为严重。据调查，我国露天开采每万吨煤约破坏土地0.22hm2，其中挖掘破坏为0.12hm2、外排土场压占0.1hm2。1991—2000年每年露采原煤1亿吨，破坏土地约220hm2。目前破坏土地还将以每年8—9%的速度递增，露采对矿区土地资源与生态环境的破坏将日趋严重。
平朔安太堡露天煤矿区的土地复垦与生态重建，是山西省和全国的典型。它在土地复垦、水土保持和环境保护建设等矿山环境整治方面有独到之处。有规划、有计划、有资金、有机构、有落实、有验收，“三同时”兑现率达100%。做到了全矿废水不外排，土地复垦11000多亩，复垦种植乔木27种、灌木8种、草类22种、药材18种、农作物12种。若身临其境，“层林迭翠，灌草葱绿，粮丰果硕，鸟语花香”。为了探索西部黄土露天煤矿区土地复垦与生态重建的有关问题，我们在山西省国土资源厅领导的推荐和陪同下，对平塑露天矿进行了调研。
一、概况
平朔露天煤矿区地处黄土高原东部，与晋陕蒙“黑三角”接壤，属强烈侵蚀的黄土丘陵生态脆弱地区。该矿是我国20世纪末最大的露采煤炭生产基地。矿区地质储量127.5亿吨，建设规模年产6500万吨。国家平朔露天矿分安太堡、安家岭、东露天三个煤田，每个煤田的规模年产均为1500万吨。安太堡矿是第一个开发投产，属目前我国露采机械化程度最高的矿区。三个煤田开采面积为166.6km2，其中安太堡矿为60km2，正在建设中的东露天矿为澳大利亚独资经营项目，采用半连续倒堆式开采工艺。
安太堡矿1985年建矿为中美合资企业，1991年美方撤资后，为中方经营。该矿采用大型单斗挖掘机——卡车剥离及胶带运煤开采工艺。1985—2000年已剥离岩土9.8亿m3，2001—2005年还将排弃剥离岩土4亿m3。由于工作面和排土场的平整均采用大型轮胎式331kw推土机，在如此脆弱的生态区进行大规模的露采，使土地复垦与生态重建更为艰难。
二、安太堡矿土地复垦与生态重建的主要作法
1、资金保障，科研生产同步进行
1985年建矿同时，编制了矿山环境保护、土地复垦规划、设有专门机构、专人负责，并将年度土地复垦经费的计划纳入企业生产成本。但在沟壑纵横、植被稀疏、广种薄收的半干旱黄土上采矿剥离、堆垫，使原脆弱的生态系统完全破坏了。为搞好矿区土地复垦与生态重建，先是采用以草为主，以草先行的复垦模式，但收效不大。1991年11月南排土场发生了重大滑坡后，才认识到土地复垦必须将水土保持与矿山生产安全摆在首位。在山西农大、中科院等科研院校的积极参与下，对矿区土地复垦与生态重建进行了全面、系统的规划和试验研究，先后提出了“采剥、排弃、造地、复垦一条龙”、“堆状地面排土工艺”、“暂时性、临时性和永久性水土保持措施”、“非硬化排水渠系”等复杂工艺，并进行了90多种草、灌乔及农作物引种试验及配置模式示范，提出了矿区生态重建的概念、理论与方法，完成了安太堡等三个矿区土地复垦规划与水土保持规划。目前，已复垦土地与生态重建1.2万亩。平朔露矿废弃土地复垦系统工程与生态环境综合整治及试验示范已列入国家“八五”、“九五”重点攻关项目，是多学科、多专家联手攻关的成果。
2、矿区土地重塑与土壤重构
平朔矿区外排土场基底的地层从上至下为黄土状粉砂土、粘土、红粘土和基岩，其土体的承载力决定着土体的稳定性，其承载力又决定着土体的含水量。这就要求排土场基底为“疏水型”基底，确保基底采用在外排土场的沟壑部位充填高钙、低钠、难风化的大石块，适当清除基底地表松土层，提高疏水、导水能力以及内排土场局部光滑基底适当爆破处理，增加粗糙度等工艺，解决了排弃速度远大于岩土自然沉降速度而导致的排土场尚未形成前发生的整体失稳。此外，对排土场平台、边坡、排水渠的构筑工艺进行了技术设计。
在对复垦地土壤理化性状和土壤元素分析研究的基础上，对土壤的改良与培肥，加速碎砾风化、引水灌溉等制订了相应的措施。
3、植被群落的建设
通过对当地自然环境因素分析，开展了植被种属的适应性筛选、建植技术与管理技术以及建立适宜的乔灌草植被重建模式。建设了以沙打旺、紫花苜蓿、红豆草、柠条、锦鸡儿、沙棘、沙柳、火炬树、油松、刺槐、榆树以及华黄芪、甘草、枸杞等药用植物为主的不同乔灌草、农相结合的生态试验示范区，建立了排土场及周边植被配置模式。我们现场所见，林草丰茂、鸟语花香、已复垦的万亩排土场建成了黄土高原上的“绿洲”。
三、复垦土地的生态重建效益
矿区复垦土地的生态重建，是指对采矿生产建设过程所引发的结构缺损、功能失调的极度退化的土地生态系统，借助人工支持和诱导，使系统其组成、结构和功能进行超前性的规划、计划、安排和调控。在注重系统综合、动态可调、实际可操作、损失可补偿的前提下，结合矿业区特点重建土地与环境相协调的可持续发展的系统。
广义矿区生态重建的效益，应包括采矿效益、矿产资源利用效益、土地复垦效益和生态恢复效益。现仅就安太堡矿区土地复垦与生态重建效益简述如下。
1、生态效益。主要表现在景观改善、生物多样、物候改变、水保作用增强和土壤肥力的提高。目前，已复垦的1.2万亩排土场形成了一个人工平整的黄土塬，塬面、坡面植树种草、郁郁葱葱，野鸡、兔、刺猬、狗獾定居繁殖，彻底改变了荒山秃岭的原景观；由于对排土场非均匀沉降、滑坡、崩塌、泥石流等突发性地质灾害采取了综合防治措施，基本控制了水土流失。
2、经济效益。1988年进行土地复垦以来，现有600hm2林草用地，年产干草100多万公斤，价值60～70万元；草红花、板兰根等药材、刺槐、沙柳条、松树年产值几十万元；到2010年还将有963.9hm2废弃土地复垦成林草地、146.1hm2废弃地变成优质耕地，仅耕地增值可达近百万元。
3、社会效益。复垦初期，保护新造土地不遭沟蚀破坏与石化、沙化，减轻矿区下游洪涝、泥石流灾害，减轻了矿区风蚀和风沙危害；复垦土地具备生产功能后，改善了农业基础设施，解决剩余劳力，缓解了人地矛盾，增加了社会稳定性。
依托矿山经济支持，科学合理地运用现代生态工程技术，随着生态重建过程中的土地利用结构的动态演变，一种以农、林、草复合型为主的人工生态系统，将在这个干旱、半干旱、黄土高原脆弱生态的安太堡矿区实现可持续发展。
四、启示与建议
1、矿产资源开发与生态环境建设要并行
在实施西部大开发战略中矿产资源的开发利用与土地复垦、生态恢复建设是可以做到同时并进的。关键是各级领导重视与支持；矿山企业将土地复垦与生态重建纳入矿业生产规划、年度计划和矿产品生产成本，有专门机构人员与资金保障；国土资源主管部门认真管理、监督、检查、热情服务，以及加强科技投入。平朔露天煤矿区土地生态经济系统建设的成功经验值得各地借鉴。
2、西部露天矿区土地复垦政策法规要因地制宜
全世界目前有三分之二的矿产原料是用露天开采的，其中世界煤炭露天开采比已由20世纪初的6.6%提高到当前的40%以上。而我国煤炭资源总探明可采储量约9760亿吨，其中露天可采储量约460亿吨，占总储量的4.8%。但我国已把优先发展露采作为煤炭工业建设的基本技术政策，未来20年，我国以大型露采矿为主导的露采煤比例将由目前4%提高到15%。然而，我国露天煤矿大多处于干旱、半干旱的生态脆弱地区，如平朔、准格尔矿区位于黄土高原严重水土流失区，霍林河矿区、伊敏河矿区位于草原风沙区，神府、东胜矿区位于毛乌素沙漠与西北黄土高原过渡地带的沙化区。这些矿区开发建设必将造成以严重土地破坏为主的生态环境的破坏，而这些地区开展土地复垦应以生态环境建设为中心，因地制宜地恢复与重塑植被。但因难以造出优质耕地，建议国土资源部不要过分地强调“占一补一”，在进一步完善土地复垦与生态重建的配套法规中规定，在西部生态脆弱地区将复垦建造的优质的农、林、草地数量视同退耕还林草的耕地，以顶抵采矿区生产建设所占用的劣质耕地。即视为矿山企业已完成了“占一补一”政策。这将会大大调动西部矿区土地复垦与生态重建的积极性，是一项利国、利民、利企业的实事求是的政策措施。这也是调研中反映强烈，而又急需要解决的问题。
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发表于 2012-11-20 18:40:27
发表于 2012-11-21 20:13:19