姚文藝, 申震洲, 姚京威, 楊才千, 李曉龍, 李長明

(1.水利部 黃土高原水土保持重點實驗室,河南 鄭州 450003; 2.水利部 黃河水利委員會 黃河水利科學研究院, 河南 鄭州 450003; 3.東南大學,江蘇 南京 210096; 4.鄭州大學,河南 鄭州 450001; 5.華北水利水電大學,河南 鄭州 450046)

砒砂巖是我國特有的一種地質構造物,是對一種由砂巖、砂頁巖和泥質砂巖構成的巖石互層的總稱[1]。黃河流域砒砂巖區(qū)位于鄂爾多斯高原,屬于黃河流域乃至我國北方生態(tài)安全屏障的關鍵帶[2],其生態(tài)退化嚴重,水土流失劇烈,是黃河粗泥沙集中來源的核心區(qū)[3],雖然其面積僅約占黃河流域總面積的2%,但是所產生的粗泥沙卻占到黃河下游河道淤積量的1/4,這給實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護、確保黃河長治久安的國家戰(zhàn)略目標帶來極大挑戰(zhàn)。新近頒布的《中華人民共和國黃河保護法》第三章第三十三條明確規(guī)定了將砒砂巖區(qū)作為生態(tài)脆弱區(qū)首要保護和治理的重點。

長期以來,砒砂巖區(qū)水土流失與生態(tài)修復一直是黃河治理的重點和難點。早在20世紀60年代就開展了以生物措施為主的砒砂巖區(qū)探索性的治理工作[1]。在20世紀80年代中期,水利部做出了以沙棘資源開發(fā)作為砒砂巖區(qū)治理突破口的重要決策,并制定了《開發(fā)建設晉陜蒙接壤區(qū)水土保持規(guī)劃》《1991—1995年沙棘開發(fā)利用發(fā)展規(guī)劃》。之后,先后實施了諸如內蒙古砒砂巖區(qū)沙棘專項治理工程、黃土高原水土保持世界銀行貸款項目、晉陜蒙砒砂巖區(qū)生態(tài)工程、鄂爾多斯高原砒砂巖沙棘生態(tài)工程,以及近年來各地陸續(xù)實施的黃河粗泥沙集中來源區(qū)攔沙工程建設等多項治理工程。同時,治理實踐也推動了砒砂巖區(qū)水土保持和生態(tài)治理理論與技術的研究,并取得多項突出進展[4-5]。尤其是對作為治理砒砂巖突破口的沙棘生物,在生理生態(tài)、生長發(fā)育規(guī)律、人工培育技術及減蝕作用等方面開展了大量研究,取得了較多成果[6-13]。據此,畢慈芬等[14]在20世紀90年代末提出了“沙棘柔性壩”的生物工程措施,通過試驗推廣,該措施發(fā)揮了明顯的攔沙治溝、改善生態(tài)環(huán)境等效益[15]。為滿足生態(tài)文明建設國家戰(zhàn)略實施的科技需求,近十多年來,國家多類科技計劃均設立了砒砂巖區(qū)生態(tài)退化過程與治理方面的研究專項,這些大大促進了我國生態(tài)脆弱區(qū)治理理論與技術的進步[16-17]。例如針對砒砂巖“無水堅如磐石,遇水爛如稀泥”,難以作為修建淤地壩等水土保持工程措施建筑材料的突出問題,揭示了其易蝕的巖石和化學機理,認識到砒砂巖成巖程度低,結構強度弱,所含遇水易脹的蒙脫石含量高,所含Ca2+、Na+、K+等多種陽離子的水化作用強等是導致其被劇烈侵蝕的主要原因[16,18-19]。試驗表明,通過添加活性材料對砒砂巖改性,可以顯著提高其結構強度和耐水性能[20]。據此,楊大令等提出了砒砂巖改性材料淤地壩建造技術,并得到示范應用[21]。砒砂巖質地土壤極為貧瘠[16],林草等水土保持生物措施難以有效實施,為此,黃河水利科學研究院和東南大學聯(lián)合團隊基于砒砂巖組分、結構及侵蝕機理,通過親水性材料復合方法,研發(fā)了抗蝕促生材料與技術,對于阻控坡面砒砂巖侵蝕、促進植被生長具有明顯效果[16,22],該技術也可應用于其他環(huán)境下高陡邊坡的治理。目前,這類技術的研發(fā)依然受到人們的關注[23]。砒砂巖區(qū)土壤侵蝕類型和發(fā)生過程從坡頂至溝底具有明顯的分異性,這就要求在空間上應有不同的水土保持措施配置。姚文藝等提出的“二元立體配置模式”在治理實踐上遵循了坡面-溝道系統(tǒng)與水土保持措施體系應該相匹配的基本原理[24]。由于砒砂巖的獨特地域性,除我國外,沒有見到國外有關砒砂巖區(qū)生態(tài)治理方面的研究報道。國外文獻大多集中于對單一砂巖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)、植被退化、侵蝕、地貌演化等問題的研究,治理措施主要包括封育修復、小型攔水攔沙壩(Check Dam)等[25-30]。

為進一步深化砒砂巖區(qū)生態(tài)治理理論的研究,突破砒砂巖區(qū)生態(tài)治理的關鍵技術難點,在“十三五”期間,國家重點研發(fā)計劃設立了“鄂爾多斯高原砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理技術”研究專項,其目標為:在揭示砒砂巖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)時空格局變化規(guī)律、生態(tài)系統(tǒng)退化與復合侵蝕互饋機制的基礎上,提出坡頂-坡面-溝道系統(tǒng)復合侵蝕阻控技術、不同類型退化植被恢復重建技術、資源開發(fā)生態(tài)安全保障技術等,為實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展國家戰(zhàn)略(簡稱黃河國家戰(zhàn)略)的重大目標提供堅實的科技支撐。本文結合該項目的研究目標與主要創(chuàng)新點,對研發(fā)的主要關鍵技術進行凝練綜述,以期為砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理實踐提供技術支撐,促進脆弱生態(tài)區(qū)治理關鍵技術的深化研究。

1 研究區(qū)概況

黃河流域砒砂巖區(qū)位于鄂爾多斯高原的山西、陜西與內蒙古的接壤區(qū),北臨庫布齊沙漠,自西北到東南延伸到毛烏素沙地,東至黃河緊鄰黃土區(qū)(圖1),位于北緯38°10′～40°10′、東經108°45′～111°31′,是黃河流域生態(tài)安全屏障的關鍵帶,對于構筑我國北方生態(tài)安全屏障具有重要的地位。砒砂巖區(qū)跨越內蒙古自治區(qū)達拉特旗、杭錦旗、東勝區(qū)、伊金霍洛旗、準格爾旗、清水縣,陜西省神木市,山西省河曲縣、保德縣,黃河一級支流窟野河、孤山川、清水川、皇甫川、渾河和十大孔兌(內蒙古語,指洪水溝)等流經其間,總面積為1.67萬km2[1]。

圖1 砒砂巖區(qū)位置

砒砂巖區(qū)地質構造屬于華北地臺鄂爾多斯臺向斜,為中生代所形成的河湖沉積相巖層,構造運動主要表現(xiàn)為地殼升降運動。目前,砒砂巖區(qū)仍處于抬升之中,這是造成該區(qū)土壤侵蝕的內營力。由于砒砂巖區(qū)毗鄰沙漠、沙地和黃土區(qū),因此不同區(qū)域的地表覆蓋物質不同,據其將砒砂巖區(qū)分為覆土區(qū)、覆沙區(qū)和裸露區(qū),其面積分別為0.84萬、0.37萬、0.46萬km2,如圖2所示。

圖2 砒砂巖類型區(qū)分布示意圖

無論是覆土區(qū)還是覆沙區(qū),在坡面及溝坡,基本上均是出露的砒砂巖。覆土區(qū)主要分布于砒砂巖區(qū)的東部和西南部,植被覆蓋度僅約25%,風蝕、水蝕和凍融侵蝕交錯,侵蝕模數(shù)約1.5萬t/(km2·年),溝道水系相對發(fā)育,溝壑密度為3～6 km/km2,屬于劇烈侵蝕區(qū);覆沙區(qū)位于砒砂巖區(qū)西部,緊鄰毛烏素沙地,在沙地下部掩埋有砒砂巖,以風蝕和水蝕為主,侵蝕模數(shù)約0.8萬t/(km2·年),溝壑密度為1～3 km/km2;裸露區(qū)主要分布于砒砂巖區(qū)西北部的鄂爾多斯市和十大孔兌上游,侵蝕劇烈,侵蝕模數(shù)達到2萬t/(km2·年)以上,溝壑密度高達5～7 km/km2,除坡頂和溝底有稀疏的草被外,其他部位基本上沒有植被覆蓋。

砒砂巖區(qū)氣候為干旱半干旱大陸性氣候,最低氣溫可達到-34.5 ℃,多年平均降水量為310 mm,7—9月多年平均降水量占年均降水量的60%～70%,且一場降水的最大降水量可達全年降水量的90%以上。因此,侵蝕性降水次數(shù)占到降水總次數(shù)的41.50%。風多風大也是該地區(qū)的顯著氣候特征,最大風力可達8～9級。

砒砂巖區(qū)土壤多由風化砒砂巖、黃土、紅土和風成沙所構成,土壤結構松散、顆粒粗、空隙大。同時,砒砂巖區(qū)土壤養(yǎng)分含量極低,例如全氮、全磷、全鉀含量均不足0.1%,按全國統(tǒng)一劃分標準,砒砂巖質地土壤基本上為五級至六級的水平,很貧瘠,這是砒砂巖區(qū)植被覆蓋度很低的重要原因之一。

2 技術研發(fā)目標與技術方案

2.1 技術研發(fā)目標

針對鄂爾多斯高原砒砂巖區(qū)風蝕、水蝕和凍融復合侵蝕劇烈,生態(tài)系統(tǒng)退化嚴重,資源開發(fā)等人類活動加劇生態(tài)系統(tǒng)退化的突出問題,圍繞砒砂巖不同類型區(qū)坡頂-坡面-溝道系統(tǒng)復合侵蝕綜合治理、不同類型退化植被恢復重建、資源開發(fā)的生態(tài)安全保障等關鍵技術,開展砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理技術體系研發(fā)。該技術體系主要包括砒砂巖塊體狀重力侵蝕注漿固結技術、砒砂巖改性材料谷坊建造技術、不同類型區(qū)優(yōu)勢物種篩選與退化植被恢復重建技術、砒砂巖煤矸石資源化利用技術和基于微生物菌群的砒砂巖土壤改良等核心技術。構建固結植生一體化多元措施全流域立體配置復合侵蝕治理模式,為砒砂巖區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)恢復重建和黃河粗泥沙治理提供技術支撐。

2.2 研發(fā)技術方案

圍繞辨識過程、明晰機理、創(chuàng)新技術、示范應用的研究目標,利用多學科交叉、多方法多技術集成,在揭示砒砂巖區(qū)復合侵蝕與生態(tài)系統(tǒng)退化耦合機理的基礎上,研發(fā)砒砂巖不同類型區(qū)植被恢復重建、復合侵蝕綜合治理、生態(tài)安全保障等技術,形成生態(tài)綜合治理技術體系。

采用野外抽樣調查、解譯統(tǒng)計、砒砂巖三大類型區(qū)坡溝系統(tǒng)徑流試驗小區(qū)和代表性溝道小流域水文氣象觀測、土壤參數(shù)實時監(jiān)測等方法,獲取地形地貌、植被、產流產沙、土壤含水量和養(yǎng)分含量、降水和土壤侵蝕等關鍵參數(shù),通過多源數(shù)據融合分析,辨識砒砂巖區(qū)坡溝系統(tǒng)結構特征,分析塊體狀重力侵蝕、植被覆蓋度與群落結構、土壤質地、侵蝕類型等的分異規(guī)律,為技術研發(fā)提供基礎數(shù)據和功能參數(shù)設計依據;利用生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學、水文水資源學和水土保持學、系統(tǒng)論的理論與方法,研發(fā)阻控復合侵蝕的生物-植生固結-工程-砒砂巖改性綜合措施體系,提出適合砒砂巖區(qū)復合侵蝕治理的模式;基于砒砂巖不同類型區(qū)塊體狀重力侵蝕的影響因素、發(fā)生機制及分布特征,利用聚合反應原理,通過理論分析和模型試驗,研究非水反應高聚物注漿材料在砒砂巖地層中的擴散機理,研發(fā)治理塊體狀重力侵蝕高聚物注漿固結技術和其施工工藝;利用砒砂巖膠凝改性技術,研制砒砂巖改性工程材料,提出利用砒砂巖改性材料建造谷坊或溝坡堆積物穩(wěn)固的技術;分析砒砂巖不同類型區(qū)的立地條件、植物種類及生境的分異規(guī)律,選擇三大類型砒砂巖區(qū)鄉(xiāng)土物種和生境相似的外來物種,依據系統(tǒng)優(yōu)化、層次功能結構和耦合理論,研究生態(tài)恢復與重建途徑,進一步集成砒砂巖區(qū)風化物培土和客土改良、節(jié)水抗旱、異質性營養(yǎng)袋坑等技術,研發(fā)具有抗旱、抗寒、抗風功能的砒砂巖區(qū)植被快速恢復重建模式;分析煤礦開采伴生物砒砂巖煤矸石的特性,利用機械活化、熱活化和化學活化原理,研發(fā)由砒砂巖煤矸石制備膠凝材料和煤矸石混凝土路緣石的技術及由煤矸石改性三合土路基的應用技術,實現(xiàn)降害、資源化利用雙目標。

3 主要新技術

3.1 塊體狀重力侵蝕高聚物注漿固結技術

砒砂巖區(qū)坡面的上坡段往往呈現(xiàn)出近似垂直的陡崖地貌,而且其垂直節(jié)理發(fā)育,形成有大量裂隙。據調查,在覆土區(qū)5 000 m2的樣區(qū)內,共有167處豎向裂隙,其在坡頂?shù)乃介L度平均為0.29 m、垂直深度大多在1 m以上,裂隙開度平均為0.005 m,裂隙密度為1.7條/100 m;覆沙區(qū)樣區(qū)內發(fā)育171處豎向裂隙,裂隙水平長度平均為0.41 m、垂直深度大多在2 m左右,裂隙開度平均為0.012 m,裂隙密度為1.7條/100 m;裸露區(qū)樣區(qū)內發(fā)育184處豎向裂隙,裂隙水平長度平均為0.48 m,垂直深度大多在2 m以上,裂隙開度平均為0.015 m,裂隙密度為1.8條/100 m。這些豎向裂隙構成了水流下滲的通道,在水力、凍融和風化等作用下,巖層不斷剝落,導致上部巖體漸失支撐,產生傾覆趨勢,裂隙間巖石塊體重心不斷外移,后側裂隙逐漸擴大,在重力作用下,當巖塊傾覆力矩大于穩(wěn)定力矩時,驟然發(fā)生傾倒式大塊體積的崩塌,這就是所謂的塊體狀重力侵蝕。根據覆土區(qū)典型小流域的觀測結果,塊體狀重力侵蝕占總侵蝕量的50%左右。

3.1.1 技術原理

高聚物注漿是20世紀70年代發(fā)展起來的用于治理如地基等建筑物工程脫空、裂損病害的技術。其原理是通過將雙組分材料混合制成一種高聚物漿液,將該漿液注射到裂隙后,迅速發(fā)生化學反應釋放熱能,漿液溫度不斷升高,溶解的物理發(fā)泡劑隨之逐漸氣化形成大量微小閉孔氣泡懸浮于漿液中,使?jié){液體積不斷膨脹而填充整個裂隙。由于砒砂巖巖性特殊,對水敏感,傳統(tǒng)的注漿材料如水泥漿、水玻璃、水泥砂漿等均以水作為溶劑或主要反應成分,會對砒砂巖結構造成破壞,使得加固效果被嚴重削弱,甚至完全喪失加固作用,必須對漿液膨脹過程進行有效調控,使之處于低壓膨脹過程。因此,對于砒砂巖裂隙的治理而言,是不能用此類高聚物注漿技術的。如何利用注漿方式防治砒砂巖塊體狀重力侵蝕是一個技術難題。

針對這一難題,基于無水注漿理念,把高聚物注漿材料應用到塊體狀重力侵蝕治理中,研發(fā)砒砂巖豎向裂隙高聚物注漿固結技術。為此,利用聚合反應原理,優(yōu)化設計異氰酸酯、多元醇、催化劑和氣化劑等多料劑類型和配比,成功研發(fā)了反應速率、膠凝時間、膨脹性能可調可控、具有凝聚內拉作用的、適用于砒砂巖塊體狀重力侵蝕治理的高聚物注漿材料。同時,結合砒砂巖裂隙發(fā)育程度、塊體狀重力侵蝕形式等特征,研發(fā)的注漿方式包括高聚物豎向裂隙注漿、高聚物錨固注漿和高聚物滲透注漿等方式,根據不同注漿方式對漿液性能的需求,分別研制了快膨脹高黏結型、慢膨脹高錨固型和低黏度型3種高聚物注漿材料和其施工技術。

快膨脹高黏結型高聚物常溫下的反應時間為40～80 s,體積膨脹率視裂隙規(guī)模進行調控,以便有效阻止高膨脹壓力的產生,一般設體積膨脹范圍為10～20倍。豎向裂隙被填充后,即可阻斷水流通道,避免水流下滲對裂隙面的侵蝕,阻止裂隙下切,同時借助高聚物漿液固化后所產生的黏結力,使裂隙兩側巖塊黏結在一起,提高臨坡面巖塊的穩(wěn)定性;低膨脹高錨固型高聚物常溫下反應時間為1～2 min,膨脹率可調控,膨脹范圍為其體積的2～6倍,利用漿液固化后的錨固作用所產生的抗拔力,為臨坡面砒砂巖塊體提供抗傾覆力,從而提高其穩(wěn)定性,避免失穩(wěn)后發(fā)生崩塌;低黏度型高聚物常溫下反應時間為5～15 min,漿液黏度較低,流動性好,用于滲透注漿,加固結構較為松散、強度相對較低的紅色泥巖層。漿液固化后形成膠結骨架,阻斷水汽滲入,增強紅色砒砂巖的整體性、強度和抗風化侵蝕能力,避免上部砂巖層失去支撐、發(fā)生崩塌。

該技術的相關參數(shù)包括膨脹壓力、抗傾覆力矩、注漿孔數(shù)、注漿量等。為計算巖體豎向裂隙面允許承受的最大膨脹壓力,需先確定單位長度巖體重量G:

G=ρAs。

(1)

式中:ρ為巖體密度;As為垂直于坡面走向的巖體橫斷面面積。

根據垂直于坡面走向巖體橫斷面的幾何尺寸確定其重心橫坐標位置。將裂隙面上作用的膨脹壓力視為均布荷載,巖體繞旋轉點傾覆,根據式(2)—(6)分別計算巖體抗傾覆力矩M1、傾覆力矩M2,分別根據抗傾覆平衡條件和抗滑移平衡條件計算裂隙面允許承受的單位面積上的膨脹壓力q1、q2等參數(shù)值。各參數(shù)值的計算式如下:

M1=ZgG;

(2)

M2=q1h2/2;

(3)

F1=μG;

(4)

F2=q2h;

(5)

F2≤λF1;

(6)

q2≤λμG/h。

(7)

式中:Zg為旋轉點到重心的距離;h為豎向裂隙高度;λ為安全系數(shù),λ≤1;F1為砒砂巖塊體自重產生的抗滑移力;F2為滑動力;μ為巖體與下部支撐土層之間的摩擦系數(shù),μ≤1。

取q1和q2的最小值作為裂隙面允許承受的單位面積上的膨脹壓力q;根據裂隙開度、單孔注漿量與最大膨脹壓力的關系,計算單孔注漿量;根據裂隙開度、單孔注漿量與擴散范圍的關系,計算漿液擴散范圍;根據漿液擴散范圍、單孔注漿量、實際巖體的幾何尺寸以及注漿孔布置形式(可采用正三角形、梅花形以及矩形中的一種)計算注漿孔數(shù)和沿陡坡裂隙垂向高度、沿坡頂裂縫水平長度布設的注漿孔間距,這兩個方向的注漿孔間距均按下式計算:

(8)

式中:R為漿液擴散半徑;L為注漿孔間距。

高聚物豎向裂隙注漿參數(shù)確定流程見圖3。

圖3 高聚物豎向裂隙注漿參數(shù)確定流程圖

3.1.2 高聚物注漿固結技術

3.1.2.1 高聚物豎向裂隙注漿固結技術

針對巖層中豎向裂隙,采用膨脹型高聚物漿液進行注漿加固。高聚物豎向裂隙注漿固結技術的原理是通過注射系統(tǒng)和注漿導管,向裂隙中注射雙組分高聚物漿液,漿液注入裂隙后迅速發(fā)生低壓膨脹反應,充填整個裂隙,從而封閉水流通道,避免水流下滲對裂隙面的侵蝕,阻止裂隙下切。同時,借助高聚物漿液固化后所產生的黏結力,使裂隙兩側巖塊黏結在一起,這樣可起到內拉作用,提高臨坡面巖塊的穩(wěn)定性。由于高聚物具有自膨脹特性,為防止?jié){液膨脹過程中對裂隙面產生膨脹壓力而破壞巖體的穩(wěn)定性,除控制注漿物的膨脹參數(shù)外,需要合理控制單孔注入漿液量。由于高聚物漿液反應速度快,一定量漿液從注漿孔注入后迅速固化,形成一定擴散范圍,為保證不同注漿孔的高聚物漿液固化后能夠相互搭接,有效充填裂隙,需要合理確定注漿孔間距,以保證注漿施工質量。

施工工藝流程包括布置注漿孔、鉆注漿孔、下注注漿孔、注射高聚物材料和封孔幾個步驟。通常采取三角形布孔形式,根據設計的單孔注漿量和裂隙尺寸綜合確定注漿孔間距和層數(shù)。鉆孔直徑一般為12 mm,鉆孔深至裂隙面位置,鉆孔軸線與水平方向夾角為5°～10°。按照從下到上、逐排間隔順序,依據設定的單孔注漿量逐孔注漿,相鄰兩注漿孔注漿間隔時間不小于漿料初凝時間。當有相互平行或近似平行的多層豎向裂隙時,按從外向內的順序逐層注漿,如圖4所示。

圖4 豎向裂隙注漿孔示意圖

3.1.2.2 高聚物錨固注漿技術

該技術的原理主要是利用鉆機向塊體狀侵蝕巖體鉆孔,然后向錨孔內放入中空錨筋,通過注射設備向錨孔注射雙組分低膨脹高聚物漿液,利用漿液固化后的錨固作用所產生的抗拔力,為臨坡面砒砂巖塊體提供抗傾覆力,從而提高其穩(wěn)定性,如圖5所示。

圖5 高聚物錨固注漿示意圖

確定發(fā)生塊體狀重力侵蝕巖體的幾何尺寸、裂隙開度,然后計算所需錨孔數(shù)量、錨孔間距和錨桿長度。一般情況下采用矩形或梅花形布置錨孔,錨孔軸線間的水平間距為0.40～1.00 m,沿裂隙豎向間距為0.25～0.40 m,錨孔距巖塊邊緣為0.25 m。根據巖塊尺寸和穩(wěn)定性計算確定錨孔排數(shù)、列數(shù)。當塊體高度小于0.50 m時,沿塊體水平中線設置一行錨孔;當塊體的寬度小于0.50 m時,沿塊體豎向中線設置一列錨孔。

3.1.2.3 高聚物滲透注漿技術

對結構松散、空隙率高的巖層利用高聚物漿液實施滲透注漿,如圖6所示。

圖6 高聚物滲透注漿示意圖

該技術主要適用于黏性低的紅色砒砂巖。其技術原理是通過注射系統(tǒng)和注漿導管,將雙組分高聚物漿液注射到待加固的砒砂巖巖體內,沿砒砂巖孔隙滲透擴散,填塞孔隙,固化后形成膠結骨架,阻斷水分滲入,增強砒砂巖的整體性、強度和抗風化侵蝕能力。

注漿參數(shù)確定的主要內容包括:確定單孔注漿量與水平擴散半徑的關系,以及單孔注漿量與豎向擴散深度的關系;確定加固區(qū)的深度;根據加固區(qū)的深度以及巖體臨界自然穩(wěn)定狀態(tài)下的邊坡坡度確定加固區(qū)的厚度;根據加固區(qū)的厚度確定豎向注漿孔的間距,依據單孔注漿量與豎向擴散深度的關系確定對應的單孔注漿量以及對應的漿料水平擴散范圍;根據式(8)計算注漿孔間距。

通常采取正三角形布孔,注漿孔間距為25～50 cm,根據待加固區(qū)的厚度和注漿孔間距確定注漿孔的層數(shù)。鉆孔至設計深度,孔徑為12 mm。注漿孔軸線相對于水平方向傾角為-5°～5°,孔位偏差不大于3 cm。在鉆孔內插入直徑8 mm的注漿導管,注漿導管長度大于注漿孔深度5 cm。

3.2 砒砂巖改性材料建造谷坊技術

由于砒砂巖具有遇水潰散的特性,難以直接利用砒砂巖作為建筑材料建造谷坊等水土保持工程。為此,通過對砒砂巖改性,提高其結構強度,增強其耐水性能,并有效降低膨脹率,使其可作為水土保持工程的建筑材料。

3.2.1 技術原理

基于砒砂巖膨脹抑制改性技術[31],消除砒砂巖中黏土物質的吸水膨脹性,提高其黏聚力,將其改性為性質類似于黃土或黏土的能夠滿足谷坊建設規(guī)范和設計要求的壩身材料。改性砒砂巖谷坊壩身材料的最大干密度為2.03 g/cm3,壓實度在0.95時的滲透系數(shù)為1.8×10-6cm/s,黏聚力為74 kPa,內摩擦角為48.9°,符合《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL 274—2020)和《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251—2015)的要求?；谟坞x氧化物膠結及結構增強改性原理,依據游離氧化物膠結及結構增強協(xié)同改性新思路,引入起膠結作用的游離氧化物,外摻活性礦物材料,研制出可用于建設滿足溢水要求的谷坊壩體的高強材料,其抗壓強度最高可達39.0 MPa,抗折強度最高達7.5 MPa,耐水軟化系數(shù)達0.90以上,均滿足上述設計規(guī)范的要求。

3.2.2 改性材料建造谷坊技術

根據水利行業(yè)技術規(guī)程的要求,配置滿足建造谷坊的改性材料。改性砒砂巖的開采位置應離壩址不遠,在施工時不能引起開采區(qū)新的人為水土流失。一般可在修筑谷坊現(xiàn)場配置改性材料。改性劑一般由無機鹽或有機物或兩者混合配制而成。無機鹽改性劑主要是弱堿金屬鹽類硅膠結物和碳酸鹽膠結物。有機物改性劑隸屬于聚合物一類,一般是由多種聚合物或單體以及緩沖劑、聚合催化劑等成分組成的水溶性乳液或者濃縮液,如聚乙烯醇、水性聚氨酯乳液、羥基纖維素丁苯乳液、改性橡膠(ABS)乳液、丙烯酸衍生物等,改性劑的選擇均應符合國家相關標準的有關規(guī)定。無機改性劑摻量一般為0.5%～10.0%(以砒砂巖原巖用量為基準),而有機改性劑摻量為千分之幾到萬分之幾,有機或無機改性劑的摻量主要由摻合料的品種、品質和數(shù)量甚至配合方式決定。所選擇的粉煤灰、?；郀t礦渣粉、高嶺土粉、天然沸石粉、火山灰粉、石灰或消石灰粉(hydrate lime)、氧化鎂粉、石灰石粉、自燃煤矸石粉、硅灰等改性摻合料的指標參數(shù)均應符合國家、行業(yè)有關技術規(guī)范的要求。

根據建造谷坊施工設備、方式及工程材料的相關規(guī)范要求,確定所需砒砂巖改性材料的控制關鍵指標,如干容重、最優(yōu)含水率、壓實度等,確定所需的最優(yōu)碾壓層厚度、碾壓遍數(shù)、碾壓機械設備參數(shù)等指標。例如通過對砒砂巖覆土區(qū)現(xiàn)場筑壩材料性能指標的野外試驗和相關參數(shù)的觀測數(shù)據,確定主要相關參數(shù)的數(shù)據如下:最優(yōu)壓實遍數(shù),為3～5遍;谷坊壩體改性材料的最優(yōu)含水率,為11.2%;壓實系數(shù),為0.95;干密度,不小于1.65 g/cm3;谷坊壩身材料含水率,為7.0%～14.0%;滲透系數(shù),應控制在1.4×10-6～1.8×10-6cm/s。

施工工序主要包括:①清理基礎,在確定好谷坊位置后,把表土、草皮、樹根刨凈,清除深度一般為20 cm以上;②削坡,把岸坡削低,控制坡度不大于1∶1.5;③在壩基和壩肩處開挖底寬不小于1.0 m、深0.5 m、邊坡1∶1的結合槽;④將備好的砒砂巖原巖按比例均勻拌和,噴灑設計好的增黏抑膨改性材料,用螺旋攪拌機將砒砂巖和摻合料攪拌均勻;⑤攤鋪,攤鋪厚度應等于壓實厚度乘以松鋪系數(shù)(機械施工時松鋪系數(shù)一般為1.2左右),每層攤鋪厚度不得大于30 cm。攤鋪時要求土料的含水量為15%～18%,均質,沿壩軸線方向鋪土;⑥碾壓,可選擇人工夯實機夯實,壓實干容重控制在1.55 t/m3(紅色砒砂巖)或1.60 t/m3(白色砒砂巖);⑦修整,對局部高出部分刮平,低洼部分填平,壩頂做成田字格種植植物,壩體背水面撒播草籽形成植被覆蓋,以防治水土流失。

3.3 砒砂巖煤矸石治理技術

砒砂巖區(qū)煤炭資源豐富,如鄂爾多斯高原煤炭產量為全國煤炭總產量的1/6,建有不少煤礦,產生了大量的砒砂巖煤矸石,這些煤矸石量占煤炭產量的15%～20%。砒砂巖煤矸石不同于其他煤矸石,砒砂巖煤矸石采出后甚至月余就會風化,采出3個月的砒砂巖煤矸石如圖7所示,砒砂巖煤矸石風化后釋放出二氧化硫,不僅難以利用,而且產生二次污染。因此,研發(fā)砒砂巖煤矸石資源化利用技術具有重要意義。

圖7 采出3個月的砒砂巖煤矸石

3.3.1 技術原理

砒砂巖煤矸石主要由石英、高嶺石、方解石、伊利石等礦物組成,主要化學成分為SiO2和Al2O3,這些礦物共占砒砂巖煤矸石總量的80.37%。砒砂巖煤矸石中含有As、Cr、Cd、Hg以及Pb等9種重金屬,其中Hg含量遠高于世界其他煤矸石的,砒砂巖煤矸石屬于高汞煤矸石。為降低砒砂巖煤矸石的重金屬污染,以砒砂巖煤矸石為原料,利用其中二氧化硅和氧化鋁含量高的特點,制備具有骨架結構的多孔晶體材料分子篩,利用該分子篩對重金屬進行吸附,實現(xiàn)該煤矸石的無害化處理。利用砒砂巖煤矸石制備的NaX型分子篩對重金屬的吸附容量高、吸附能力強,可有效去除廢水中的重金屬離子。當給分子篩的投量達到2 g/L時,對初始濃度為100 mg/L溶液中的Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的吸附率均達到90%以上。在pH值為5～8的條件下,分子篩的吸附能力相對較強,當溫度從15 ℃升至45 ℃時,其吸附能力會進一步提高。

利用砒砂巖區(qū)煤矸石中二氧化硅和氧化鋁含量高的特點,采用機械活化、熱活化和化學活化相結合的復合活化技術,提高煤矸石中火山灰的活性,并將其作為膠凝材料代替水泥。機械活化表明,煤矸石粒徑越小,試件的抗壓強度就越高,當煤矸石粒徑過200目分子篩時,試件的抗壓強度為58.8 MPa;煅燒熱活化可以改變煤矸石的物質組成,通過熱活化使煤矸石發(fā)生高嶺石→偏高嶺石→無定形氧化鋁和二氧化硅→莫來石的反應過程;通過添加水玻璃等化學物質,使無定形狀態(tài)的SiO2和Al2O3與硅酸鈉反應生成Na-A-S-H凝膠,填充縫隙,增加結構密實度。

3.3.2 煤矸石治理及資源利用技術

經大量室內外試驗獲得了提高煤矸石活性、降低其污染的主要技術指標值為:堿激發(fā)劑模數(shù)為1.3,水玻璃摻量為10%,水膠比為0.3,煅燒溫度為700 ℃,煅燒時間為2 h,煤矸石混凝土的28 d抗壓強度達到58.8 MPa。堿激發(fā)劑模數(shù)、堿摻量、水膠比、煅燒溫度和煅燒時間對提高煤矸石活性有顯著影響,其影響作用大小為:堿摻量>堿激發(fā)劑模數(shù)>煅燒溫度>煅燒時間>水膠比。在此基礎上,研發(fā)了煤矸石混凝土制備路緣石和煤矸石改性三合土材料的技術,該技術明顯提高了煤矸石混凝土的抗壓強度,如當煤矸石摻量為50%時,改性后的三合土材料的抗壓強度約為改性前的5倍。煤矸石改性的三合土材料在準格爾旗昶旭煤礦等礦區(qū)的道路建設中得到應用。

3.4 砒砂巖質地土壤提質改良技術

貧瘠的砒砂巖質地土壤嚴重制約植被恢復,為此,研發(fā)砒砂巖質地土壤改質-肥力提升生物技術。

3.4.1 技術原理

利用復合生物菌劑改良砒砂巖土壤,增強土壤酶活性,提升土壤肥力,改造土壤結構,進而達到提質砒砂巖土壤的效果。合適的益生菌可以通過分泌、分解、繁殖、代謝等作用改善土壤結構、提升土壤品質、增加土壤肥力。因此,可以通過篩選和培育,從砒砂巖土壤和植物樣品中的優(yōu)勢菌種研制復合微生物菌劑對砒砂巖進行改良。對于砒砂巖地區(qū),利用生物菌劑改良土壤需要攻克三個技術難點:①砒砂巖土壤極度貧瘠,菌類少、菌群落寡,遴選出改良砒砂巖沙化土壤功能強、菌群結構合理的優(yōu)勢菌株是第一個技術難點;②砒砂巖土壤養(yǎng)分全要素匱乏,構建結構合理、功能互補、菌群落穩(wěn)定的復合菌群是第二個技術難點;③保量保質、菌群落穩(wěn)定、活性持久的復合菌液制備和砒砂巖生態(tài)基質配制是第三個技術難點。為此,通過構建篩選改良功能強、適生環(huán)境寬的砒砂巖土壤優(yōu)勢菌種指標體系,針對砒砂巖質地土壤結構、養(yǎng)分、病害等突出問題,選擇優(yōu)質菌種;通過菌株分離活化、功能融配調控和活性保量保質技術集成創(chuàng)新,優(yōu)配改良砒砂巖沙化土壤的復合菌液制劑和砒砂巖生態(tài)基質;研發(fā)生態(tài)友好型菌劑,改良沙化土壤施工工藝,進而形成適宜砒砂巖區(qū)復合菌群土壤改質、肥力提升的技術體系。

3.4.2 砒砂巖土壤化改質-肥力提升技術

1)篩選供試菌株。從砒砂巖質地土壤和苜蓿根莖中共分離得到能在胰酪大豆胨液體培養(yǎng)基LB表面上形成生物膜的12種優(yōu)勢菌群樣本,其中包括植物促生芽孢桿菌、根瘤菌、解磷菌和枯草芽孢桿菌,及砒砂巖土壤中的有益菌,從中遴選改良砒砂巖土壤的優(yōu)勢菌株。

2)基于優(yōu)勢菌株,以供試芽孢桿菌的總DNA為模板,采用16S rRNA,通用引物擴增PCR,并對擴增產物測序,用BLAST軟件將測序結果與GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov) 中的細菌基因序列比對同源性,研制包括液體、固體的微生物復合菌劑。

3)通過菌株分離活化、功能融配調控和活性保量保質技術集成創(chuàng)新,將微生物菌劑分別與砒砂巖復配成土,制備含復合菌劑的砒砂巖土壤化改質-肥力提升的復合菌劑生態(tài)基質,其中,生物菌劑基材含有機肥、草炭和蛭石等成分,既能夠為供試菌株和植物生長提供一定的養(yǎng)分,又能在一定程度上提高砒砂巖土壤的養(yǎng)分含量和改良砒砂巖的結構組成。

4)根據砒砂巖區(qū)的地形、地貌和土壤特征,確定生態(tài)友好型液體和固體菌劑協(xié)同改良沙化土壤的施工工藝。

利用砒砂巖質地土壤改質-肥力提升技術研制的微生物菌劑能夠有效提高砒砂巖質地土壤的肥力,促進植物生長,例如可使苜蓿、黑麥草等幼苗株增高18.0%～39.2%,根長增加37.4%～70.5%,土壤有機質含量增加38.5%、銨態(tài)氮含量增加159.6%、硝態(tài)氮含量增加56.7%、速效磷含量增加76.3%、速效鉀含量增加41.4%,土壤蔗糖酶和脲酶活性分別增加22.6%和148.5%,砒砂巖土壤的結構得到明顯改善,粒徑大于0.25 mm的團聚體質量分數(shù)為63.4%,增加14.2%。

3.5 生態(tài)綜合治理技術與模式

砒砂巖覆土、覆沙、裸露區(qū)的植被、土壤、地形地貌和侵蝕特征具有明顯的分異性,其治理技術與模式應不同。

3.5.1 技術原理

砒砂巖區(qū)的生態(tài)治理措施與小流域坡溝系統(tǒng)的結構特征、植物群落的結構特征、坡溝系統(tǒng)侵蝕空間的分異特征、地貌-植被-侵蝕耦合關系空間分異特征的相適配是實現(xiàn)治理效益最大化應遵循的基本原則。

根據遙感解譯和調查分析,砒砂巖區(qū)海拔高度為774～1 646 m,其中海拔位于1 000 m以上的區(qū)域占總面積的94%;海拔位于1 500 m以上的區(qū)域面積占總面積的2%。海拔每升高100 m,年均氣溫降0.56 ℃,因降水與氣溫隨著海拔的變化而變化,所以海拔變化將引起植被分布格局的變化。雖然砒砂巖區(qū)多為丘陵溝壑區(qū),但較黃土丘陵溝壑區(qū)而言,其坡更陡,地形起伏更大,坡面上半部坡度往往陡于下半部,其坡度多在70°以上,且垂直節(jié)理發(fā)育,是發(fā)生塊體狀重力侵蝕的主要坡段。在覆沙區(qū)、裸露區(qū)的整個坡面的坡度基本上都在70°以上,且沒有明顯的溝緣線。砒砂巖區(qū)坡面大多朝向南,坡向占比差別大,這與砒砂巖區(qū)地形塑造有著直接關系。坡面朝向南,太陽輻射和日照時長均明顯大于其余坡向,其坡度越陡侵蝕越嚴重。砒砂巖區(qū)地表粗糙度大,其中覆沙區(qū)、裸露區(qū)的地表粗糙度相對較小,覆土區(qū)的最大。砒砂巖區(qū)侵蝕切割大,覆土區(qū)的地表切割深度為200～400 m,覆沙區(qū)的地表切割深度相對較小,裸露區(qū)的地表切割深度居中。不同于一般山區(qū),砒砂巖區(qū)坡度、起伏度、地表粗糙度和切割深度在空間上具有高度疊合的特點。同時,砒砂巖區(qū)植被覆蓋度及植物群落結構與海拔、起伏度、坡度的相關性明顯,在低海拔、低起伏度、低坡度區(qū),以中、低覆蓋度草地為主;覆沙區(qū)和裸露區(qū)的高海拔、高起伏度、大坡度區(qū)以低覆蓋草地為主,且植被群落結構單一;在覆土區(qū),高海拔和低海拔區(qū)均以中高植被覆蓋度為主。相對于坡頂和坡面,海拔1 177 m左右的溝底上出現(xiàn)植被的總量和類型都最多。雖然退耕還林還草使覆蓋度增加,但植被的這種分布規(guī)律和群落結構無變化。

砒砂巖區(qū)小流域地貌單元系統(tǒng)具有明顯的結構特征:①覆土區(qū)坡面由黃土垂直節(jié)理發(fā)育單元、黃土覆蓋不穩(wěn)定單元和黃土覆蓋穩(wěn)定單元組成。黃土垂直節(jié)理發(fā)育單元,坡面極為陡峭,近似垂直,植被覆蓋度很低;黃土覆蓋不穩(wěn)定單元主要是垂直節(jié)理發(fā)育區(qū)坍落形成的二次不穩(wěn)定坡面,通常覆蓋在陡峭的砒砂巖基巖表層(坡度大于 45°),未發(fā)現(xiàn)該類坡面有植被生長;黃土覆蓋穩(wěn)定單元坡面角度主要集中在35°～45°,植被自然恢復良好,生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定。②裸露區(qū)坡面由白色砒砂巖垂直單元、白色砒砂巖不穩(wěn)定單元和紅白相間砒砂巖不穩(wěn)定單元組成。侵蝕最為嚴重的是白色砒砂巖垂直單元,其坡度一般大于70°,發(fā)育有節(jié)理,經常發(fā)生塊體狀重力侵蝕;白色砒砂巖不穩(wěn)定單元坡度多為35°～70°,不適宜植被生長,也不適宜人工植樹;紅白相間砒砂巖不穩(wěn)定單元坡度多為35°～45°,萬年蒿、蒙古蕕形成了該單元的優(yōu)勢植被群落。③覆沙區(qū)坡面包括砒砂巖溜沙坡單元和砒砂巖穩(wěn)定單元。砒砂巖溜沙坡單元接近溝道底部,植物群落主要由禾本科的賴草、蘆葦、假葦拂子茅、白草和藜科的繩蟲實構成;砒砂巖穩(wěn)定單元坡面角度主要集中在 35°以下,植被良好,生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定。

砒砂巖區(qū)坡溝系統(tǒng)植物群落組合具有明顯特征。溝道尺度不同坡位的植被類型分布呈現(xiàn)出“U”形,即溝底的植被種類最少,溝坡和溝頂?shù)妮^多。溝道植被種類在陽坡和陰坡有明顯差別,陽坡出現(xiàn)頻率高的植被有13種,陰坡的有16種。

砒砂巖區(qū)為典型的水力、風力、凍融復合侵蝕區(qū)。①水力侵蝕多發(fā)生于夏季7—8月,此時降水集中,且多為暴雨,其降水量約占全年總降水量的64%;②凍融侵蝕多發(fā)生于春季解凍期,具有白天-晝夜尺度的解凍-上凍小循環(huán)規(guī)律;③風力侵蝕的主要作用時段在每年的3—5月,該時段植被覆蓋度低、風力大,平均風速為2.4 m/s,最大風速可達15～28 m/s。觀測表明,單一風蝕作用不會造成砒砂巖坡面產沙量的明顯增加,只有在水力等作用下,風蝕對砒砂巖表層的風化影響才會顯現(xiàn)。另外,復合侵蝕作用存在著侵蝕疊加放大的效應,兩相或三相作用力的交互作用使砒砂巖坡面的產沙量增加1倍以上。平均而言,水蝕作用對坡面的影響最大,凍融侵蝕作用的次之,風蝕作用的最小。例如,在覆土區(qū)坡面侵蝕量中水蝕占58.45%、凍融和風蝕共占41.55%。

砒砂巖區(qū)植被修復初期階段群落結構演替速度快,后期越來越慢直至群落達到穩(wěn)定狀態(tài)。植被演替雖然會有不同的演替路徑和軌跡,比如土壤亞頂級等,但終將走向氣候頂級。影響砒砂巖區(qū)植被演替的主要環(huán)境因子為坡向、土壤含水量、全氮、堿解氮、有機質等。一年生草本類植物如草紅花、蘇丹草、高丹草等具有較好的生長適宜性,多年生優(yōu)勢植物主要有甘草、知母、苦參、苜蓿、黃芪、箭筈豌豆等;木本類植物如酸棗、沙棘、長柄扁桃、山杏等生長適宜性相對較強。草紅花、知母、苜蓿和苦參耐雜草入侵良好,可用于植被生態(tài)建設,牧草和藥用經濟植物在覆土區(qū)可以大面積種植。

3.5.2 綜合治理技術

3.5.2.1 治理措施配置

1)覆土區(qū)。覆土區(qū)存在的突出問題是坡頂徑流沖刷嚴重、水資源難以被利用和坡陡重力侵蝕嚴重。因此,治理的重點是坡頂控沖和水資源利用、陡坡固結防塌、溝道攔沙。坡頂治理配置的措施體系為:坡頂縱橫溝網截流、道路侵蝕溝生物+分流工程防沖、溝間油松+酸棗+草被防沖;坡頂平緩區(qū)建山杏+甘草果林經濟園;坡面陡坎固結防崩,緩坡灌草抗蝕固結植生[25];改性谷坊+沙棘酸棗固溝;植物柔性壩封溝;溝口砒砂巖改性材料淤地壩攔沙淤地。

2)裸露區(qū)。裸露區(qū)存在的突出問題是坡頂土層覆蓋極薄,土壤養(yǎng)分全要素匱乏,坡陡,重力侵蝕嚴重,水資源難以被利用。治理的重點是坡頂土壤改良和水資源利用、陡坡固結防塌、溝道谷坊攔沙。配置的措施體系為:坡頂集流+溝網攔水、土壤生物改良、林果生態(tài)經濟園+灌草混交坡面陡坡注漿固結、緩坡蘺灌藤草封坡抗侵蝕;溝底改性材料谷坊+灌草柔性壩[14];溝口砒砂巖改性淤地壩[16,21],滯沙減洪淤地增效。

3)覆沙區(qū)。覆沙區(qū)存在的突出問題是雨水滲失嚴重、土壤保水能力差、風蝕嚴重、塊體狀重力侵蝕嚴重。因此,治理的重點是坡頂防風固沙-水資源截滲、陡坡固結防塌。配置的措施體系為:坡頂?shù)雀呓貪B竹節(jié)水平溝+截滲集水池、坡頂溝間檸條+甘草+草被+沙障防風固沙;豎向節(jié)節(jié)設池蓄滲,地衣結皮護埂;溝坡宜草則草宜灌則灌,輔以注漿固溝;溝下灌草封溝,重力侵蝕區(qū)注漿固結。

3.5.2.2 優(yōu)勢物種的選擇及配置

1)覆土區(qū)。覆土區(qū)可選擇的耐寒、耐旱、耐貧瘠的喬木,有山桃、山杏、油松、樟子松、側柏、圓柏、杜松、文冠果、歐子李;灌木,包括沙棘、檸條、紫穗槐、長柄扁桃、達烏里胡枝子;草本植物,有狗尾草、豬毛蒿、賴草、大針茅、長芒草、百里香、冰草、苜蓿等。植被建造模式主要包括:沙棘林模式;油松(樟子松)+草帶狀混交模式;山桃(山杏)+草帶狀混交模式;山桃山杏+沙棘帶狀混交模式?？臻g配置模式為:梁峁頂部較為平坦、水土條件較好的區(qū)域營造沙棘林與山桃(山杏)+草混交林;梁峁頂部較陡且水土條件不好的部位營造油松(樟子松)+草帶狀混交林。同時,采取魚鱗坑整地和水平深坑整地措施。針對蓄積于魚鱗坑內的雨水入滲困難、無效蒸發(fā)損失大的問題,在魚鱗坑內鋪設枯枝落葉層。對于退化沙棘實施平茬復壯,將生長不良沙棘從基部 5 cm處剪除,以促進新株萌發(fā),并配以化肥深施技術(施肥深度30 cm,化肥施用量為氮30 kg/畝+磷15 kg/畝)。

2)覆沙區(qū)。覆沙區(qū)優(yōu)勢物種主要有檸條、沙柳、苜蓿、甘草等,還有對齒蘚、銀葉真蘚等苔蘚類植物,植物群落有沙柳-沙蒿+沙蓬+霧冰藜+苔蘚和牛心樸子+刺黎+苔蘚等。由于風沙土松散且養(yǎng)分十分缺乏,在植被修復中需要采取砒砂巖+風沙土技術[31-32]改良土壤。但是風沙土和砒砂巖改良風沙土的養(yǎng)分含量均很低,不利于植被修復,為此,利用粉煤灰改良土壤,添加比例不超過10%的燃煤電廠粉煤灰對土壤進行改良后,可以顯著增加紫花苜蓿等植物的生物量。

3)裸露區(qū)。針對該區(qū)土壤水分和養(yǎng)分含量低的問題,提出異質性營養(yǎng)袋坑增肥-保水生境提升技術,如圖8所示。該技術包含魚鱗坑+覆蓋、魚鱗坑+入滲孔、魚鱗坑+入滲孔+覆蓋3項雨水高效利用模式。通過開挖種植穴,利用砒砂巖和沙復配對土壤改良等方式,對裸露區(qū)水分和養(yǎng)分含量進行人為干預。對于坡度較大區(qū)域,開挖種植穴種草,種植穴表層(深度0～5 cm)的直徑為15 cm,收集的雨水儲存于種植層和保水層;在5～25 cm深度,種植穴直徑為7 cm,集中儲水,以達到收集雨水、提高土壤水分含量的作用。在0～5 cm深度覆沙,在減少蒸發(fā)的同時保證水分快速入滲;在5～25 cm深度填充改良土壤。對于坡緩區(qū),實施穴狀栽植小型喬木和灌木。利用帶有特殊鉆頭的打孔機進行螺旋打孔,孔徑為40 cm,孔深為50 cm。在孔內輔以砒砂巖+風沙土措施,沙土、砒砂巖和自主研發(fā)的高摩爾比緩釋肥[16]按1∶1∶1復配。

1為種植穴;2為5 cm孔徑;3為直徑7 cm的土壤改良孔;4為保水層(厚度5 cm);5為土壤充填層(厚度15 cm);6為防蒸發(fā)層;7為適生草

4 結語與展望

4.1 結語

雖然以往對砒砂巖區(qū)生態(tài)治理開展了不少關鍵技術研究和實踐探索,但仍未有效遏制砒砂巖區(qū)植被退化、復合侵蝕劇烈的問題。因此,創(chuàng)新砒砂巖區(qū)生態(tài)治理關鍵技術與模式是非常迫切的。為此,近期研發(fā)了砒砂巖區(qū)植被恢復重建、塊體狀重力侵蝕治理、砒砂巖質地土壤改良、砒砂巖煤矸石改性利用和生態(tài)綜合治理措施配置等多項關鍵技術,并通過示范應用驗證,取得了有效恢復植被、阻控侵蝕的顯著效果。根據現(xiàn)場監(jiān)測在覆土、覆沙和裸露區(qū)的技術實施效果,發(fā)現(xiàn)技術實施后可減少徑流60%以上,減沙量達80%以上;植被覆蓋度均增加到70%以上,局部區(qū)域可以達80%以上,具有很大的推廣應用價值。

砒砂巖區(qū)復合侵蝕與植被退化互饋,地貌-植被-土壤-侵蝕耦合關系復雜,治理難度大,目前仍然是黃河流域的弱治理區(qū)[33],生態(tài)問題突出。因此,除迫切需要推廣新技術外,仍有必要深化對砒砂巖區(qū)生態(tài)退化規(guī)律和機理的認識,進一步研究植被恢復重建、土壤侵蝕治理的關鍵技術,這對于實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展國家戰(zhàn)略目標、構建黃河流域生態(tài)安全屏障具有十分重要的意義。

4.2 展望

黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展國家戰(zhàn)略、《中華人民共和國黃河保護法》提出的有關加強黃河流域砒砂巖區(qū)、多沙粗沙區(qū)、水蝕風蝕交錯區(qū)等重點區(qū)域生態(tài)保護與修復、堅持山水林田湖草沙一體化保護與修復等戰(zhàn)略目標任務,必將進一步推動砒砂巖區(qū)生態(tài)治理理論與應用實踐的新進展。

在應用基礎方面,砒砂巖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化,人為作用多重脅迫下的響應機制,覆土、覆沙、裸露區(qū)生態(tài)系統(tǒng)異質性與演化關系,砒砂巖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化關鍵動力過程與修復機理,砒砂巖區(qū)復合侵蝕阻控與生態(tài)系統(tǒng)調控協(xié)同機制,砒砂巖區(qū)山-水-林-田-湖-草-沙系統(tǒng)內生關系及其多過程演變規(guī)律等大系統(tǒng)、全過程、一體化、協(xié)同化的生態(tài)演變與調控理論的研究將成為研究的熱點;在治理技術方面,需要聚焦砒砂巖區(qū)山水林田湖草沙綜合治理和功能提升,以砒砂巖覆土區(qū)、覆沙區(qū)、裸露區(qū)分區(qū)域全系統(tǒng)生態(tài)功能最優(yōu)為目標的生態(tài)修復設計、全區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)結構綜合調控與一體化修復等關鍵技術的研發(fā)。堅信以黃河國家戰(zhàn)略重大需求為牽引、以砒砂巖區(qū)生態(tài)保護與修復重大實踐應用為目標、以多學科多方法交叉融合為途徑,砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理基礎理論與關鍵技術方面的研究一定會取得新突破,這將為服務國家戰(zhàn)略提供更為堅實的科技支撐,并使我國在生態(tài)極度脆弱區(qū)治理領域的技術水平走向世界領先行列。

致謝：中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心張興昌教授對本文有關綜合治理技術的研發(fā)也做出了貢獻,特此致謝!