淺談尾礦庫壩坡無土植被護(hù)坡

淺談尾礦庫壩坡無土植被護(hù)坡

國內(nèi)外采用功能植物，對熱帶地區(qū)道路和鐵路的保護(hù)進(jìn)行了大量研究，效果顯著。本項目是國內(nèi)首次在廢棄物堆場的邊坡上,在不覆蓋土層的條件下采用生物穩(wěn)定技術(shù),直接種植有強(qiáng)大護(hù)坡功能的植物,建立植被,形成“生物壩”使其達(dá)到穩(wěn)定。銅都銅業(yè)冬瓜山銅礦與北京礦冶研究總院中澳廢棄物復(fù)墾中心合作,自1998年起著手在冬瓜山銅礦水木沖尾礦庫進(jìn)行試驗,至2005-05月護(hù)坡工程結(jié)束。項目實施情況良好,效果顯著。1項目實施現(xiàn)場的總結(jié)1.1水庫底分層堆石壩壩區(qū)冬瓜山銅礦水木沖尾礦庫1982年設(shè)計,1990年底建成投產(chǎn),設(shè)計服務(wù)年限9.32a,設(shè)計庫容670.48萬m3,初期壩22m,透水堆石壩。堆積壩設(shè)計壩高38m,外坡1∶4,2004-06月達(dá)到壩體最終81m標(biāo)高。水木沖尾礦庫三面環(huán)山,南有烏木山,高189m,北有小峰山,高130m,庫址處于U型山間谷地,山谷內(nèi)大,東面出口狹窄,是基本壩位置。是地形、地貌良好的庫址。1.2基巖類型及發(fā)育時期庫址位于銅官山銅礦背斜南東翼,地質(zhì)水文條件簡單。地層產(chǎn)狀北東～南西,傾向南東?；鶐r有三迭紀(jì)灰?guī)r、火成巖和變質(zhì)巖。巖溶發(fā)育條件不好,區(qū)內(nèi)無常年流水。深部地下水以巖溶洞水為主,淺部為破碎帶和灰?guī)r巖溶裂隙水,流向為自西向東。1.3氣溫、降水量區(qū)內(nèi)地處北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,四季分明,夏季炎熱多雨,冬季較短。屬氣候多變,降水年變化大的地帶,長出現(xiàn)秋季干旱。多年平均氣溫16.2℃;歷年極端最高氣溫40.2℃;極端最低氣溫-7.8℃;日最高氣溫大于35℃天數(shù)歷年平均為18d。多年平均降水量1364.4mm,汛期降水量占全年總量60%;最大日降水量218.8mm。全年主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng),平均風(fēng)速3.1m/s。平均無霜期258d。1.4粘土和亞粘土區(qū)內(nèi)主要地層為第四系覆蓋層,主要有粘土和亞粘土。厚層優(yōu)質(zhì)粘土稀少,多為夾有片巖碎石的風(fēng)化巖,土質(zhì)較好的地段主要分布在谷地,植被繁茂,品種齊全。2項目試驗2.1尾砂的后期保護(hù)條件差試驗測試結(jié)果表明,本項目試驗種植基質(zhì)生存條件惡劣。特別是近期堆筑的后期壩,比以前堆筑的后期壩尾砂更為松散?；|(zhì)對于植被護(hù)坡工程主要影響因素有下列5方面。(1)表層重金屬as、cu、cd超異性分析基質(zhì)的各層剖面中,重金屬As、Cu、Mn、Cd、Zn均全部超過國家土壤標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)。其中,表層重金屬As超出三類土壤界限值5.7倍,Cu超出三類土壤界限值4.9倍,Cd超出三類土壤界限值22.6倍。高達(dá)1.729g/kg。根據(jù)上述國家標(biāo)準(zhǔn)中“三類土壤質(zhì)量指基本為對植物和環(huán)境不造成危害和污染者”的基本含義。因此,作為本項目試驗種植基質(zhì)質(zhì)量,屬于嚴(yán)重低于三類土壤,屬對植物生長不利的種植介質(zhì)。(2)土壤肥力等級本項目試驗種植基質(zhì)的各層剖面中營養(yǎng)成分極低,PKN含量小于0.05%,速效K含量相當(dāng)于氧化鉀0.0028%,相當(dāng)于P2O5<0.00075%,根據(jù)我國土壤肥力標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)N%含量在<0.06%、K2O含量<0.1%、P2O5含量0.02%～0.04%時,肥力等級為極低。因此,本項目試驗種植基質(zhì)的肥力等級應(yīng)為極低級標(biāo)準(zhǔn)以下。(3)充填材料田間持水能力本項目試驗種植基質(zhì)由于地勢特點是坡度大,坡度達(dá)到1∶2.5～1∶3,尾砂粗,田間持水能力極差,所以,基質(zhì)種植區(qū)水分極低。根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)查,在不采取人工措施的情況下,即使經(jīng)過幾年,其坡體表面上也難以出現(xiàn)植被自然分布生長。(4)土壤有機(jī)物的降解正常土壤中每一克土壤含細(xì)菌數(shù)目可高達(dá)50億個,還有絲狀細(xì)菌、真菌和黏菌。自然界微生物在其進(jìn)化中形成形形色色的種類,能產(chǎn)生不同的酶,降解土壤中的天然有機(jī)物。這些有機(jī)物通過復(fù)雜的微生物作用形成腐殖質(zhì),成為供植物生長的重要基質(zhì)。本項目試驗種植基質(zhì)中,由于基質(zhì)生存環(huán)境惡劣,沒有植物、動物自然分布,嚴(yán)重缺乏水分,也無土壤中團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等基本生活條件,所以基本沒有微生物生存。2.2項目實驗室考試進(jìn)行溫室盆栽試驗要掌握以下3方面情況,為現(xiàn)場小區(qū)試驗打好基礎(chǔ)。(1)肥料的選用和用量是發(fā)酵有機(jī)肥的主要依據(jù)基質(zhì)的熟化主要進(jìn)行了培肥比例的摸索與確認(rèn);生物酶的平衡試驗;微生物培養(yǎng)與移植;菌根的培養(yǎng)與接種等。經(jīng)過多次摸索,確定了肥料的用量和品種,即發(fā)酵有機(jī)肥、無機(jī)肥及部分補(bǔ)充磷肥;確定了熟化劑的品種與比例以及用量,熟化劑的施用比例一般確定為BB/OG=1∶0.7。(2)快根系發(fā)達(dá)品種主要是要篩選出抗貧瘠、耐熱性強(qiáng)、發(fā)芽率高繁衍快、分蘗快根系發(fā)達(dá)的品種。經(jīng)過幾年數(shù)千盆溫室盆栽試驗的篩選,選定了禾本科和豆科的Y、Z、SH、GF、BSY等十多個品種作為現(xiàn)場小區(qū)試驗的品種。(3)生物配置及種植效果從項目實施基質(zhì)和現(xiàn)場的氣候條件等方面考慮,單一品種是難以成活的,故考慮互生植物并進(jìn)行配置。對各品種的數(shù)量、總量和匹配嚴(yán)格要求,對種植方式、密度、方法、施肥進(jìn)行多方位的試驗。共選出30多種互生植物匹配方式。并在小區(qū)試驗中進(jìn)一步驗證。同時,根據(jù)實施現(xiàn)場壩坡特性和尾砂特性,特選擇植株VR進(jìn)行模擬栽種,效果令人十分滿意。VR的植株根系強(qiáng)大,具有明顯的提升與固水于表層的作用;且其4個月生長期根系深度達(dá)0.5m以上,強(qiáng)有力地固結(jié)了十分松散的壩坡尾砂;還能阻擋水流沖蝕,阻止種子和肥料流失。2.3試驗設(shè)計及分組1999-04月在水木沖尾礦庫的壩坡,完成36組現(xiàn)場小區(qū)秋季品種篩選試驗,已觀察兩季以上,長勢基本良好,試驗效果較明顯。已篩選出適生耐旱抗貧瘠單一品種3個、最佳熟化劑2種、基質(zhì)改善劑1種。1999-10月對水木沖尾礦庫壩坡試驗小區(qū)的邊界、水溝予以平整連片,除長勢良好的部分外全部補(bǔ)種,現(xiàn)已實現(xiàn)實驗區(qū)連接成片。在1999年特大日降雨量(24h降雨量163mm)的考驗下,植被試驗區(qū)的壩坡部位經(jīng)受住了雨水的沖刷,保持了壩坡的穩(wěn)定。2000-04月,在水木沖尾礦庫的第11期子壩壩坡上,進(jìn)行了A、B、C3個區(qū)的植被種植試驗。3個試驗區(qū)的面積各為260m2。A區(qū)主要試驗內(nèi)容是灌木和間種草,間種草品種為5個品種的3個組合;在B試驗區(qū)采用7個草品種、進(jìn)行4個匹配組合適宜性試驗;在C試驗區(qū),以6個品種進(jìn)行強(qiáng)根系草與其它3個草品種組合間種的適生性試驗。一個月后的跟蹤調(diào)查:A區(qū)灌木未發(fā)芽;C區(qū)XG長勢不好,約有一半干死;B區(qū)草出的好,綠油油的,長勢好,一般株高3cm。兩個月后的跟蹤調(diào)查:C區(qū)XG成活率50%,高度5～6cm,上部新生葉因天不下雨而干枯,中間草長勢好些;A區(qū)灌木未活,中間草密度好;B區(qū)2#、4#雨水沖蝕,長勢還好,密度小,約30%;凡密度大的抗旱能力強(qiáng),密度小的容易枯死。三個月后的跟蹤調(diào)查:A區(qū)MD未出,SH出芽10%～20%,A區(qū)的覆蓋度70%～80%,一般15cm高,BSY少,GF20%,15cm高;B區(qū)Y覆蓋度60%～70%,15cm高;C區(qū)XG成活30%～40%,80cm高,套種Y覆蓋度90%。2001-04月,在水木沖尾礦庫兩級子壩壩坡的垂直相同部位,上下各1000m2作為擴(kuò)大試驗區(qū),進(jìn)行全面積建立植被覆蓋試驗。依前期試驗結(jié)果選定的GM、QM、BSY、Z、SH、GY6個品種。采用高密度、依一定比例混播,確保播種深度及首次給水,熟化及施肥比BB∶OG=1∶1。兩級壩坡頂部平臺各種植灌木,品種選擇ZSH、NT等,控制熟化及施肥條件,合理密植。3項目實施情況通過項目的實施,要實現(xiàn)子壩壩坡經(jīng)過2～3個種植季節(jié),植被覆蓋率達(dá)90%,基本控制一般情況下的水土流失,確保邊坡的穩(wěn)定。3.1壩體材料以粗尾砂為主水木沖尾礦庫尾礦排放入庫的沉積特性以及筑壩要求,致使構(gòu)成后期子壩的材料主要以粗尾砂為主。本項目實施場地在后期壩上,場地種植基質(zhì)具有如下物理力學(xué)特性。3.1.1尾砂粒徑測定后期壩尾砂粒徑分布見表1。表1數(shù)據(jù)表明,該尾礦庫尾砂粒徑在0.1～0.2mm占40%左右。而壩坡全部為粗砂構(gòu)成,粒度在0.1～0.2mm。3.1.2物理力學(xué)屬性見表23.2水沖尾礦庫壩區(qū)建設(shè)時期工程實施分3次進(jìn)行,2002、2003、2005年春季,分別對水木沖尾礦庫的第11、12、13期,第14、15期,第16期子壩實施無土植被護(hù)坡工程,同時將第14、15期子壩壩坡進(jìn)行了補(bǔ)種。(1)壩坡機(jī)裝復(fù)式壩坡帶種子運輸及接種準(zhǔn)備工作包括:①水源及供水系統(tǒng)。水源管線及盛裝設(shè)備,供水安裝系統(tǒng);②種苗準(zhǔn)備。數(shù)十萬株種苗,運輸?shù)綁纹率┕すさ鼐臀?③人員組織。每次參加的人數(shù)達(dá)300余人次。(2)種植vr的方法第11期至第16期每期子壩壩坡被排水溝分割成10個區(qū),按等高線種植,即平行方向種植;給出經(jīng)小區(qū)試驗成功的品種、配合、數(shù)量,主品種VR及間植草種植方式、密度、種植方法、施肥、栽植澆水等詳細(xì)要求及具體施工方法。每期子壩壩坡種植VR約10萬株,總量共為47萬株。14～15期子壩施工時因受“非典”影響,VR沒有及時到貨,采用的是替代品種。(3)y+by+zys及gf組匹配的必要性按試驗設(shè)計品種,采用小區(qū)試驗證實的Y+BSY+ZSY組及Y+Z+GF組匹配組合,對各種植小區(qū)種植品種、數(shù)量、總量、匹配比等均嚴(yán)格施工。(4)施肥和成熟的植物基質(zhì)采用小區(qū)試驗獲得的成功熟化條件,施用三種針對性肥料,對每個種植區(qū)施肥品種、數(shù)量及施工程序均按計劃嚴(yán)格施工。(5)種植過程詳細(xì)給出植被護(hù)坡工程施工程序,施工流程見圖1,間植草施工流程見圖2。(6)每個時期水庫里的總種植量①VR種植量。6期共種植47萬株;②施肥料量。水木沖尾礦庫第11～16期壩坡植被護(hù)坡主要材料、種植草種量見表4。4該項目實施后的觀察結(jié)果4.1生物群落多樣性配合品種的選擇在原有較好品種及其配合基礎(chǔ)上,作了適當(dāng)調(diào)整,增加了ZSY新品種,減少了GF品種比例。2002年春季護(hù)坡工程項目經(jīng)過6個月生長,依據(jù)全面生長情況及試驗結(jié)果表明:VR、Y、Z、SH、ZSY適宜性強(qiáng)、長勢好、抗貧瘠、抗熱性較強(qiáng)、適宜組合推廣品種。BSY作為植物多樣性配合品種。主要品種2003年與2002年同期生長情況比較見表5。在種植條件基本相同的情況下,2003年因受“非典”影響,VR植株沒有及時到貨,采用的是替代品種,所以,其豆科植株的長勢,無論是發(fā)芽率、株高、覆蓋度均比上一年有所下降。VR植株高大,并且根系強(qiáng)大,具有明顯提升與固水于表層的作用。因此,即使在比較干旱的條件下,也能維系周圍間植草的正常生長,其植被品種互補(bǔ)作用不可忽視。在后來的2005年種植時,采取了下列措施:①繼續(xù)種植和補(bǔ)種高桿植物VR,用已補(bǔ)償旱季表層缺水問題;②在品種匹配措施上,選擇高低互補(bǔ)型品種;③豆科品種播種期適當(dāng)提前。4.2植物生長4.2.1生長期7810cm,種植高度5.根據(jù)現(xiàn)場跟蹤觀察,種植約1個月后,VR植株返青率依據(jù)不同的位置達(dá)到30%～60%,各類草發(fā)芽率約在80%以上。2個月后隨溫度升高,VR生長速度加快,株高開始增加,7月中旬開始生長進(jìn)入旺盛期,日增高速度在8～10cm,7～8月底前一直保持旺盛的生長,此時株高平均達(dá)到130～160cm。在同一時期,VR分蘗速度加快,種植2個月后分蘗數(shù)平均達(dá)到8～10,在旺盛期分蘗數(shù)平均達(dá)到15,甚至有的植株分蘗數(shù)達(dá)到20～25,植株莖桿粗壯直立性強(qiáng),葉片比較厚,供試品種VR顯示出性能優(yōu)越,植株高度1.5m以上(植株修剪過4次)。其11期、12期、13期植株平均生長曲線見圖3。4.2.2株,3個月后溫度高,58月溫度高,溫度高,溫度高,溫度高VR種植返青后,植株隨溫度升高分蘗加快,種植2個月后,分蘗數(shù)一般在10～15株,3個月后分蘗數(shù)一般在15～20株,至溫度最高期的7～8月份,分蘗數(shù)一般在25～30株,甚至達(dá)到37～38株。隨8月后溫度逐漸下降分蘗速度逐漸減緩,其典型的VR代表種植行的分蘗變化及與株高關(guān)系見圖4。4.2.3壩坡面的覆蓋效果VR根系為叢生根系,根系粗壯發(fā)達(dá)。4個月生長期的根系深度達(dá)50cm以下,已經(jīng)顯示出能有效抵御住當(dāng)年雨水沖刷,基本防止了植被區(qū)水土流失。在同等條件下,壩坡無可見溝蝕、面蝕,壩坡面被具有強(qiáng)根系力的植被覆蓋。VR及其它間植草的根系發(fā)育和植株分蘗情況見表5。4.3三種草生長(1)發(fā)育特點和發(fā)芽率豆科BSY品種在種植一周內(nèi)發(fā)芽,半個月發(fā)芽率達(dá)80%以上,一個月后株高達(dá)15cm以上,一個半月后,豆科株高達(dá)30～70cm。一年后,已經(jīng)開花結(jié)籽開始自行繁衍。其它禾本科植物發(fā)芽早,發(fā)芽率高達(dá)90%以上。品種Y發(fā)芽較遲,一個月后發(fā)芽率達(dá)60%～70%,植株高度約10cm,2個月后發(fā)芽率高達(dá)80%～90%以上,長勢好。在2個月后,Y株莖長達(dá)25～43cm,在75d后株莖長達(dá)到85cm,在水勢較好的地段,例如水溝旁,莖長已達(dá)2.8m,其主要間植草Y平均生長勢見圖5,其秋冬季變黃,春天轉(zhuǎn)為碧綠。(2)壩坡面積對尾砂干重的影響種植VR植株與間植各類草,在返青與發(fā)芽后,迅速生長,當(dāng)?shù)貧鉁氐脑龈吆退畡莸脑黾?為草類生長提供了良好的條件,在種植基質(zhì)的成功改良措施下,植被各品種均得到比較強(qiáng)的生長勢,在不到60d里,壩坡整體植被覆蓋率已經(jīng)上升到86%以上,有效地控制了尾砂的自由移動,強(qiáng)有力的固著了壩坡上十分松散的尾砂,從而從源頭上抑制了尾砂粉塵污染。第11期壩坡覆蓋度優(yōu)于12、13期壩坡,主要是尾砂多經(jīng)過1a的沉積和雨水的作用,其堿性降低,持水性能等指標(biāo)比新堆積的壩體有所改善