浅谈尾矿库坝坡无土植被护坡

浅谈尾矿库坝坡无土植被护坡

国内外采用功能植物，对热带地区道路和铁路的保护进行了大量研究，效果显著。本项目是国内首次在废弃物堆场的边坡上,在不覆盖土层的条件下采用生物稳定技术,直接种植有强大护坡功能的植物,建立植被,形成“生物坝”使其达到稳定。铜都铜业冬瓜山铜矿与北京矿冶研究总院中澳废弃物复垦中心合作,自1998年起着手在冬瓜山铜矿水木冲尾矿库进行试验,至2005-05月护坡工程结束。项目实施情况良好,效果显著。1项目实施现场的总结1.1水库底分层堆石坝坝区冬瓜山铜矿水木冲尾矿库1982年设计,1990年底建成投产,设计服务年限9.32a,设计库容670.48万m3,初期坝22m,透水堆石坝。堆积坝设计坝高38m,外坡1∶4,2004-06月达到坝体最终81m标高。水木冲尾矿库三面环山,南有乌木山,高189m,北有小峰山,高130m,库址处于U型山间谷地,山谷内大,东面出口狭窄,是基本坝位置。是地形、地貌良好的库址。1.2基岩类型及发育时期库址位于铜官山铜矿背斜南东翼,地质水文条件简单。地层产状北东～南西,倾向南东。基岩有三迭纪灰岩、火成岩和变质岩。岩溶发育条件不好,区内无常年流水。深部地下水以岩溶洞水为主,浅部为破碎带和灰岩岩溶裂隙水,流向为自西向东。1.3气温、降水量区内地处北亚热带湿润季风气候,四季分明,夏季炎热多雨,冬季较短。属气候多变,降水年变化大的地带,长出现秋季干旱。多年平均气温16.2℃;历年极端最高气温40.2℃;极端最低气温-7.8℃;日最高气温大于35℃天数历年平均为18d。多年平均降水量1364.4mm,汛期降水量占全年总量60%;最大日降水量218.8mm。全年主导风向为东北风,平均风速3.1m/s。平均无霜期258d。1.4粘土和亚粘土区内主要地层为第四系覆盖层,主要有粘土和亚粘土。厚层优质粘土稀少,多为夹有片岩碎石的风化岩,土质较好的地段主要分布在谷地,植被繁茂,品种齐全。2项目试验2.1尾砂的后期保护条件差试验测试结果表明,本项目试验种植基质生存条件恶劣。特别是近期堆筑的后期坝,比以前堆筑的后期坝尾砂更为松散。基质对于植被护坡工程主要影响因素有下列5方面。(1)表层重金属as、cu、cd超异性分析基质的各层剖面中,重金属As、Cu、Mn、Cd、Zn均全部超过国家土壤标准(GB15618-1995)。其中,表层重金属As超出三类土壤界限值5.7倍,Cu超出三类土壤界限值4.9倍,Cd超出三类土壤界限值22.6倍。高达1.729g/kg。根据上述国家标准中“三类土壤质量指基本为对植物和环境不造成危害和污染者”的基本含义。因此,作为本项目试验种植基质质量,属于严重低于三类土壤,属对植物生长不利的种植介质。(2)土壤肥力等级本项目试验种植基质的各层剖面中营养成分极低,PKN含量小于0.05%,速效K含量相当于氧化钾0.0028%,相当于P2O5<0.00075%,根据我国土壤肥力标准,当N%含量在<0.06%、K2O含量<0.1%、P2O5含量0.02%～0.04%时,肥力等级为极低。因此,本项目试验种植基质的肥力等级应为极低级标准以下。(3)充填材料田间持水能力本项目试验种植基质由于地势特点是坡度大,坡度达到1∶2.5～1∶3,尾砂粗,田间持水能力极差,所以,基质种植区水分极低。根据现场实际情况调查,在不采取人工措施的情况下,即使经过几年,其坡体表面上也难以出现植被自然分布生长。(4)土壤有机物的降解正常土壤中每一克土壤含细菌数目可高达50亿个,还有丝状细菌、真菌和黏菌。自然界微生物在其进化中形成形形色色的种类,能产生不同的酶,降解土壤中的天然有机物。这些有机物通过复杂的微生物作用形成腐殖质,成为供植物生长的重要基质。本项目试验种植基质中,由于基质生存环境恶劣,没有植物、动物自然分布,严重缺乏水分,也无土壤中团粒结构等基本生活条件,所以基本没有微生物生存。2.2项目实验室考试进行温室盆栽试验要掌握以下3方面情况,为现场小区试验打好基础。(1)肥料的选用和用量是发酵有机肥的主要依据基质的熟化主要进行了培肥比例的摸索与确认;生物酶的平衡试验;微生物培养与移植;菌根的培养与接种等。经过多次摸索,确定了肥料的用量和品种,即发酵有机肥、无机肥及部分补充磷肥;确定了熟化剂的品种与比例以及用量,熟化剂的施用比例一般确定为BB/OG=1∶0.7。(2)快根系发达品种主要是要筛选出抗贫瘠、耐热性强、发芽率高繁衍快、分蘖快根系发达的品种。经过几年数千盆温室盆栽试验的筛选,选定了禾本科和豆科的Y、Z、SH、GF、BSY等十多个品种作为现场小区试验的品种。(3)生物配置及种植效果从项目实施基质和现场的气候条件等方面考虑,单一品种是难以成活的,故考虑互生植物并进行配置。对各品种的数量、总量和匹配严格要求,对种植方式、密度、方法、施肥进行多方位的试验。共选出30多种互生植物匹配方式。并在小区试验中进一步验证。同时,根据实施现场坝坡特性和尾砂特性,特选择植株VR进行模拟栽种,效果令人十分满意。VR的植株根系强大,具有明显的提升与固水于表层的作用;且其4个月生长期根系深度达0.5m以上,强有力地固结了十分松散的坝坡尾砂;还能阻挡水流冲蚀,阻止种子和肥料流失。2.3试验设计及分组1999-04月在水木冲尾矿库的坝坡,完成36组现场小区秋季品种筛选试验,已观察两季以上,长势基本良好,试验效果较明显。已筛选出适生耐旱抗贫瘠单一品种3个、最佳熟化剂2种、基质改善剂1种。1999-10月对水木冲尾矿库坝坡试验小区的边界、水沟予以平整连片,除长势良好的部分外全部补种,现已实现实验区连接成片。在1999年特大日降雨量(24h降雨量163mm)的考验下,植被试验区的坝坡部位经受住了雨水的冲刷,保持了坝坡的稳定。2000-04月,在水木冲尾矿库的第11期子坝坝坡上,进行了A、B、C3个区的植被种植试验。3个试验区的面积各为260m2。A区主要试验内容是灌木和间种草,间种草品种为5个品种的3个组合;在B试验区采用7个草品种、进行4个匹配组合适宜性试验;在C试验区,以6个品种进行强根系草与其它3个草品种组合间种的适生性试验。一个月后的跟踪调查:A区灌木未发芽;C区XG长势不好,约有一半干死;B区草出的好,绿油油的,长势好,一般株高3cm。两个月后的跟踪调查:C区XG成活率50%,高度5～6cm,上部新生叶因天不下雨而干枯,中间草长势好些;A区灌木未活,中间草密度好;B区2#、4#雨水冲蚀,长势还好,密度小,约30%;凡密度大的抗旱能力强,密度小的容易枯死。三个月后的跟踪调查:A区MD未出,SH出芽10%～20%,A区的覆盖度70%～80%,一般15cm高,BSY少,GF20%,15cm高;B区Y覆盖度60%～70%,15cm高;C区XG成活30%～40%,80cm高,套种Y覆盖度90%。2001-04月,在水木冲尾矿库两级子坝坝坡的垂直相同部位,上下各1000m2作为扩大试验区,进行全面积建立植被覆盖试验。依前期试验结果选定的GM、QM、BSY、Z、SH、GY6个品种。采用高密度、依一定比例混播,确保播种深度及首次给水,熟化及施肥比BB∶OG=1∶1。两级坝坡顶部平台各种植灌木,品种选择ZSH、NT等,控制熟化及施肥条件,合理密植。3项目实施情况通过项目的实施,要实现子坝坝坡经过2～3个种植季节,植被覆盖率达90%,基本控制一般情况下的水土流失,确保边坡的稳定。3.1坝体材料以粗尾砂为主水木冲尾矿库尾矿排放入库的沉积特性以及筑坝要求,致使构成后期子坝的材料主要以粗尾砂为主。本项目实施场地在后期坝上,场地种植基质具有如下物理力学特性。3.1.1尾砂粒径测定后期坝尾砂粒径分布见表1。表1数据表明,该尾矿库尾砂粒径在0.1～0.2mm占40%左右。而坝坡全部为粗砂构成,粒度在0.1～0.2mm。3.1.2物理力学属性见表23.2水冲尾矿库坝区建设时期工程实施分3次进行,2002、2003、2005年春季,分别对水木冲尾矿库的第11、12、13期,第14、15期,第16期子坝实施无土植被护坡工程,同时将第14、15期子坝坝坡进行了补种。(1)坝坡机装复式坝坡带种子运输及接种准备工作包括:①水源及供水系统。水源管线及盛装设备,供水安装系统;②种苗准备。数十万株种苗,运输到坝坡施工工地就位;③人员组织。每次参加的人数达300余人次。(2)种植vr的方法第11期至第16期每期子坝坝坡被排水沟分割成10个区,按等高线种植,即平行方向种植;给出经小区试验成功的品种、配合、数量,主品种VR及间植草种植方式、密度、种植方法、施肥、栽植浇水等详细要求及具体施工方法。每期子坝坝坡种植VR约10万株,总量共为47万株。14～15期子坝施工时因受“非典”影响,VR没有及时到货,采用的是替代品种。(3)y+by+zys及gf组匹配的必要性按试验设计品种,采用小区试验证实的Y+BSY+ZSY组及Y+Z+GF组匹配组合,对各种植小区种植品种、数量、总量、匹配比等均严格施工。(4)施肥和成熟的植物基质采用小区试验获得的成功熟化条件,施用三种针对性肥料,对每个种植区施肥品种、数量及施工程序均按计划严格施工。(5)种植过程详细给出植被护坡工程施工程序,施工流程见图1,间植草施工流程见图2。(6)每个时期水库里的总种植量①VR种植量。6期共种植47万株;②施肥料量。水木冲尾矿库第11～16期坝坡植被护坡主要材料、种植草种量见表4。4该项目实施后的观察结果4.1生物群落多样性配合品种的选择在原有较好品种及其配合基础上,作了适当调整,增加了ZSY新品种,减少了GF品种比例。2002年春季护坡工程项目经过6个月生长,依据全面生长情况及试验结果表明:VR、Y、Z、SH、ZSY适宜性强、长势好、抗贫瘠、抗热性较强、适宜组合推广品种。BSY作为植物多样性配合品种。主要品种2003年与2002年同期生长情况比较见表5。在种植条件基本相同的情况下,2003年因受“非典”影响,VR植株没有及时到货,采用的是替代品种,所以,其豆科植株的长势,无论是发芽率、株高、覆盖度均比上一年有所下降。VR植株高大,并且根系强大,具有明显提升与固水于表层的作用。因此,即使在比较干旱的条件下,也能维系周围间植草的正常生长,其植被品种互补作用不可忽视。在后来的2005年种植时,采取了下列措施:①继续种植和补种高杆植物VR,用已补偿旱季表层缺水问题;②在品种匹配措施上,选择高低互补型品种;③豆科品种播种期适当提前。4.2植物生长4.2.1生长期7810cm,种植高度5.根据现场跟踪观察,种植约1个月后,VR植株返青率依据不同的位置达到30%～60%,各类草发芽率约在80%以上。2个月后随温度升高,VR生长速度加快,株高开始增加,7月中旬开始生长进入旺盛期,日增高速度在8～10cm,7～8月底前一直保持旺盛的生长,此时株高平均达到130～160cm。在同一时期,VR分蘖速度加快,种植2个月后分蘖数平均达到8～10,在旺盛期分蘖数平均达到15,甚至有的植株分蘖数达到20～25,植株茎杆粗壮直立性强,叶片比较厚,供试品种VR显示出性能优越,植株高度1.5m以上(植株修剪过4次)。其11期、12期、13期植株平均生长曲线见图3。4.2.2株,3个月后温度高,58月温度高,温度高,温度高,温度高VR种植返青后,植株随温度升高分蘖加快,种植2个月后,分蘖数一般在10～15株,3个月后分蘖数一般在15～20株,至温度最高期的7～8月份,分蘖数一般在25～30株,甚至达到37～38株。随8月后温度逐渐下降分蘖速度逐渐减缓,其典型的VR代表种植行的分蘖变化及与株高关系见图4。4.2.3坝坡面的覆盖效果VR根系为丛生根系,根系粗壮发达。4个月生长期的根系深度达50cm以下,已经显示出能有效抵御住当年雨水冲刷,基本防止了植被区水土流失。在同等条件下,坝坡无可见沟蚀、面蚀,坝坡面被具有强根系力的植被覆盖。VR及其它间植草的根系发育和植株分蘖情况见表5。4.3三种草生长(1)发育特点和发芽率豆科BSY品种在种植一周内发芽,半个月发芽率达80%以上,一个月后株高达15cm以上,一个半月后,豆科株高达30～70cm。一年后,已经开花结籽开始自行繁衍。其它禾本科植物发芽早,发芽率高达90%以上。品种Y发芽较迟,一个月后发芽率达60%～70%,植株高度约10cm,2个月后发芽率高达80%～90%以上,长势好。在2个月后,Y株茎长达25～43cm,在75d后株茎长达到85cm,在水势较好的地段,例如水沟旁,茎长已达2.8m,其主要间植草Y平均生长势见图5,其秋冬季变黄,春天转为碧绿。(2)坝坡面积对尾砂干重的影响种植VR植株与间植各类草,在返青与发芽后,迅速生长,当地气温的增高和水势的增加,为草类生长提供了良好的条件,在种植基质的成功改良措施下,植被各品种均得到比较强的生长势,在不到60d里,坝坡整体植被覆盖率已经上升到86%以上,有效地控制了尾砂的自由移动,强有力的固着了坝坡上十分松散的尾砂,从而从源头上抑制了尾砂粉尘污染。第11期坝坡覆盖度优于12、13期坝坡,主要是尾砂多经过1a的沉积和雨水的作用,其碱性降低,持水性能等指标比新堆积的坝体有所改善