一种高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法与流程

1.本发明属于高原矿山环境修复技术领域，具体涉及一种高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法。


背景技术：

2.季节性冻土是一种冬季含冰冻结、夏季全部融化的岩土。我国季节性冻土区面积约占国土面积的53.5%，主要分布于东北北部、西部高山区和青藏高原地区。夏天季节性冻土融化时，由于冰层及冰透镜体分布的不均匀，形成土层不均匀沉降是导致各类建筑物变形和破坏的重要原因。季节性冻土的冻胀性、融沉性等特性对工程影响重大。季节性冻土的融冻直接决定了冻结层上水、浅层水的活化和径流、迁移和保持。此外，季节性冻土还从相对微观的尺度上决定着浅层土壤中水分的空间部分，进而影响地表植被的生长和土壤沙化等。季节性冻土对环境温度、降雨、能量传递等反映敏感，对区域地下水资源平衡、冻土相关地质灾害、植被系统、生态系统的稳定性和支撑意义重大，甚至对深部季节性冻土的稳定和保护同样显得不可或缺。
3.目前，对高原高寒地区采坑季节性冻土层的修复技术尚处于研究阶段，实际中使用的方法多为客土回填，或者将原采坑开挖的冻土一次性地简单机械回填到采坑中，不足的部分使用客土补充，由于简单回填没有遵循季节性冻土原有的结构特点，导致原有的季节性冻土的生态地质功能无法恢复，这是本领域技术人员面临的问题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法，包括以下步骤：（1）对待修复地区原有的季节性冻土或周边的季节性冻土进行基础地质数据搜集，并进行冻土特征调查，确定待修复地区的季节性冻土的岩性特征和岩层序列；（2）根据步骤（1）确定的岩层序列，设计构建待修复地区的季节性冻土的人工再造剖面，季节性冻土层由下至上包括基底层、粗粒砂岩碎粒层、细粒碎屑层、土壤层和植被层；（3）根据步骤（1）确定的岩性特征和岩层序列，分层确定待修复地区的仿冻土材料的组成；（4）根据步骤（1）确定的岩层序列，采用机械回填的方法，将步骤（3）制备不同层的仿冻土材料分层回填至待修复地区，在土壤层表面进行微地貌塑造，在植被层进行植被复绿，随后待其自然恢复为季节性冻土。
5.可选的，步骤（1）中，所述基础地质数据包括但不限于地方降雨和温度的气候条件、季节性冻土的底界深度、冻土的分布、露天采坑剥离区域原始土层分层结构及层位和压实系数、基岩砂岩和泥岩结构及层位位置、冻结层的含水情况、水质类型、含水层和隔水层的结构和层位位置。
6.所述冻土特征调查包括但不限于对待修复地区采取遥感、浅钻、槽探、温度监测、
地质调查；通过步骤（1）获得待修复地区的季节性冻土的特征信息，确定待修复地区季节性冻土的岩性特征和岩层序列，为露天采坑季节性冻土的结构设计提供地质依据。
7.所述步骤（1）确定的岩层序列为基底层、实际冻土层、土壤层、植被层由下至上依次排列，实际冻土层为含水层和隔水层交替排列。所述步骤（1）确定的岩性特征包括基底层的位置（即季节性冻土的底深）、每个含水层和隔水层的相对层位和压实系数、土壤层的底界、植被层的底界。
8.可选的，步骤（2）具体为：根据步骤（1）确定的岩层序列，以待修复地区周边的季节性冻土的基底层、实际冻土层、土壤层、植被层的相对位置，分别作为待修复地区的冻土层的基底层、实际冻土层、土壤层、植被层的位置标尺，使得待修复地区的人造季节性冻土的各个功能层对应周边原始季节性冻土的各个功能层。
9.可选的，步骤（3）中，以粗粒砂岩碎粒层对应含水层，以细粒碎屑层对应隔水层，所述仿冻土材料包括基底层、粗粒砂岩碎粒层、细粒碎屑层和土壤层；所述基底层包括第一砂岩和第一泥岩；粗粒砂岩碎粒层包括第二泥岩、第二砂岩、盐类和回填植物；细粒碎屑层包括第三泥岩、第三砂岩和第一混合有机质；土壤层包括细渣土和第二混合有机质。
10.进一步可选的，所述基底层中，以100质量份的第一泥岩为基础，所述第一砂岩为30-40份，第一砂岩的粒径为5-10cm，第一泥岩包括质量相同的粉砂岩和第四泥岩，粉砂岩和第四泥岩的粒径均小于5cm；所述粗粒砂岩碎粒层中，以100质量份的第二砂岩为基础，所述第二泥岩为80-90份，盐类为0.01-0.05份，回填植物为10-20份；第二泥岩和第二砂岩的粒径均为5-10cm；细粒碎屑层以细粒泥岩为主，以100质量份的第三泥岩（即细粒泥岩）为基础，所述第三砂岩为70-90份，第一混合有机质为8-15份，第三泥岩的粒径小于5cm，第三砂岩的粒径为5-10cm，第一混合有机质包括质量相同的细沙土和第一有机质，第一有机质选自有机质黏土或羊板粪；所述细渣土的粒径小于3cm，第二混合有机质包括羊板粪、牧草专用肥和普通有机肥，土壤层的各组分的配比根据植被层的植物具体种类而灵活调整。
11.进一步可选的，所述盐类包括钾盐、钠盐、铵盐和钙盐，例如氯化钙、无水硫酸钠、氯化钾、季铵盐等，既能在回填施水时大部分溶于水中，均匀分布在粗粒砂岩碎粒层中，当气温低于零度时，在含水层中形成较为均匀的冷冻结构，同时提高粗粒砂岩碎粒层的保水涵水能力，又能增加冻土层的肥力，使冻土层修复之后种植植物时，植物更容易成活。
12.进一步可选的，所述回填植物包括高原牧草、苔藓和地衣。在粗粒砂岩碎粒层中加入植物，使得植物均匀分散在粗粒砂岩碎粒层中，不仅增加了有机质含量，使得人工重构的冻土层在成分上与真实的季节性冻土更接近，而且植物的茎秆、根系等纤维在施水后能够增加粗粒砂岩碎粒层内部的结合力，在气温低于零度渣土层上冻时，渣土层更容易保持整体土层结构，减少冻裂而松散的现象。
13.可选的，步骤（4）具体包括以下步骤：（a）将步骤（3）的基底层材料混合均匀、回填摊铺，压实后再均匀施水，压实系数为0.85-0.90，形成基底层；（b）根据步骤（2）构建的所述人工再造剖面，在基底层上方交替铺设粗粒砂岩碎粒
层和细粒碎屑层，每层均压实并进行人工施水，完成实际冻土层的回填；再在实际冻土层的上方铺设土壤层；（c）在土壤层表面浅耕塑造表层土壤层文脉，形成土壤表层文脉系统，并连接至截排水系统，抑制地表积水，提升土壤水源涵养能力；（d）选取当地种属的草籽，能够适应当地特殊气候，人工或机械播种，播种后植被盖度不低于周边原状植被盖度的5%。
14.步骤（b）中，粗粒砂岩碎粒层的各组分混合均匀后再通过人工翻斗车回填入采坑，回填植物无需提前切碎，保持自然形态即可；细粒碎屑层和土壤层各自组分分别混合均匀后，再通过人工翻斗车回填入采坑。
15.进一步可选的，步骤（b）中，所述粗粒砂岩碎粒层的厚度为0.5-1米，细粒碎屑层的厚度为0.3-0.5米；每层施水后，表面不得有明显积水，例如施水量不大于粗粒砂岩碎粒层或细粒碎屑层的5wt%，如因积水产生明显冻结冰层，应采取工程手段予以清除，然后继续向上逐层分层回填，每层的压实系数为0.80-0.85。
16.进一步可选的，施水水质的ph值为7.0-7.5，每层的施水量体积占比不超过该层总体积的5%。
17.进一步可选的，季节性冻土修复厚度整体较厚时，例如整体厚度大于50米时，每当粗粒砂岩碎粒层和细粒碎屑层的总共回填厚度达到3-5米时，压实一次，压实系数为0.80-0.85。
18.可选的，步骤（c）中，所述土壤表层文脉选自s型波浪纹理，或者不同间距、不同方向角度组合构建成的网格式纹理，纹理高度不超过5cm，形成土壤表层文脉系统，最终便于在土壤表层文脉系统引导下对大气降水起到有目的涵养和输导的效果，为植物生长提供有利条件；所述截排水系统为开采矿区原有的截排水系统，为了在降水较多时，排除植被层的积水。
19.由于高原高寒地区的季节性冻土是经过多年自然过程演化而成，经历了长期的反复冻结、融化的自然过程，而露天采坑的冻土修复是短期内分层回填形成的，每层结构经历的自然演化过程很短，使得人工修复的冻土层与自然形成的原始的季节性冻土层在土质结构上有一定差异，为了尽量减少差异，本发明在步骤（b）的回填过程中进行了改进。
20.进一步可选的，每个含水层或隔水层回填之后，经历气温低于零度的夜晚冷冻，再经历气温稍高的白天解冻，白天时使用热风和人工光源均匀作用在最上面的渣土层上；人工光源为氙灯，热风的温度高于当地日间的最高气温10-15℃，在日间分次均匀施水，充分润湿渣土层，利于最上面的渣土层，即当前处理的渣土层，在日间充分解冻、经历模拟风吹、日晒的环境以及充分吸水，在夜晚充分上冻，在短时间内经历变化较为剧烈的人造模拟高原环境，使得本发明修复的人造季节性冻土层的性状更接近真实季节性冻土层。
21.由于粗粒砂岩碎粒层的厚度普遍大于细粒碎屑层的厚度，所以上述渣土层的处理方法在时间上，粗粒砂岩碎粒层大于细粒碎屑层，处理时间与渣土层厚度呈正比，可根据当地具体的气象条件和季节性冻土情况，灵活设定。
22.本发明所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法，具有以下有益效果：本发明利用修复区以往或周边的基础地质数据，再借助及遥感、浅钻、槽探、温度
监测、地质调查的技术手段，对地表已挖损区周边季节性冻土的特征信息认识的基础上，确定待修复地区季节性冻土的岩性特征和岩层序列，建立的季节性冻土剖面原理模型，设计构建待修复地区的季节性冻土的人工再造剖面，随后通过分层回填、压实、覆土复绿等施工措施，实现配制出的仿冻土材料与周边原始季节性冻土的各功能层搭接融合。同时，更好的抑制因冻融作用诱发的冻土地质灾害，并对修复区下部的多年冻土起到间接的保护作用，最终为高原高寒特殊自然环境下生态系统的恢复和稳固提供有力保障。
附图说明
23.图1为所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法的流程图；图2为露天采坑修复冻土的整体示意图；图3为图2中a处的放大图。
具体实施方式
24.实施例1本实施例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法，如图1-图3所示，包括以下步骤：（1）对待修复地区（西藏某高原某煤矿露天采坑）原有的季节性冻土或周边的季节性冻土进行基础地质数据搜集，包括地方降雨和温度的气候条件、季节性冻土的底界深度、冻土的分布、露天采坑剥离区域原始土层分层结构及层位和压实系数、基岩砂岩和泥岩结构及层位位置、冻结层的含水情况、水质类型、含水层和隔水层的结构和层位位置；并利用采取遥感、浅钻、槽探、温度监测、地质调查的技术手段对待修复地区进行冻土特征调查，确定待修复地区的季节性冻土的岩性特征和岩层序列；所述岩层序列为基底层、实际冻土层、土壤层、植被层由下至上依次排列，实际冻土层为含水层和隔水层交替排列，所述岩性特征包括基底层的位置（即季节性冻土的底深）、每个含水层和隔水层的相对层位和压实系数、土壤层的底界、植被层的底界；（2）根据步骤（1）确定的岩层序列，以待修复地区周边的季节性冻土的基底层、实际冻土层、土壤层、植被层的相对位置，分别作为待修复地区的冻土层的基底层、实际冻土层、土壤层、植被层的位置标尺，使得待修复地区的人造季节性冻土的各个功能层对应周边原始季节性冻土的各个功能层；（3）根据步骤（1）确定的岩性特征和岩层序列，分层确定待修复地区的仿冻土材料的组成；以粗粒砂岩碎粒层对应含水层，以细粒碎屑层对应隔水层，所述仿冻土材料包括基底层、粗粒砂岩碎粒层、细粒碎屑层和土壤层；具体的，所述基底层包括第一砂岩和第一泥岩，以100质量份的第一泥岩为基础，所述第一砂岩为40份，第一砂岩的粒径为5-10cm，第一泥岩包括质量相同的粉砂岩和第四泥岩，粉砂岩和第四泥岩的粒径均小于5cm；所述粗粒砂岩碎粒层包括第二泥岩、第二砂岩、盐类和回填植物，以100质量份的第二砂岩为基础，所述第二泥岩为90份，盐类为0.05份，回填植物为20份；第二泥岩和第二砂岩的粒径均为5-10cm；所述细粒碎屑层包括第三泥岩、第三砂岩和第一混合有机质，以100质量份的第三
泥岩为基础，所述第三砂岩为90份，第一混合有机质为15份，第三泥岩的粒径小于5cm，第三砂岩的粒径为5-10cm，第一混合有机质包括质量相同的细沙土和第一有机质，第一有机质选自有机质黏土或羊板粪；所述土壤层包括细渣土和第二混合有机质，所述细渣土的粒径小于3cm，第二混合有机质包括羊板粪、牧草专用肥和普通有机肥，第二混合有机质与细渣土的体积比为1:3，羊板粪、牧草专用肥和普通有机肥质量相等；所述盐类包括相等质量的氯化钙、无水硫酸钠、氯化钾、季铵盐-73，回填植物包括相等体积的高原牧草、苔藓和地衣；（4）根据步骤（1）确定的岩层序列，在9月份时采用机械回填的方法，将步骤（3）制备不同层的仿冻土材料分层回填至待修复地区，在土壤层表面进行微地貌塑造，在植被层进行植被复绿，随后待其自然恢复为季节性冻土，具体为：（a）将步骤（3）的基底层材料混合均匀、回填摊铺，压实后再均匀施水，压实系数为0.90，形成基底层；（b）根据步骤（2）构建的所述人工再造剖面，在基底层上方交替铺设粗粒砂岩碎粒层和细粒碎屑层，每层均压实并进行人工施水，完成实际冻土层的回填；再在实际冻土层的上方铺设土壤层；粗粒砂岩碎粒层的各组分混合均匀后再通过人工翻斗车回填入采坑，回填植物无需提前切碎，保持自然形态即可；细粒碎屑层和土壤层各自组分分别混合均匀后，再通过人工翻斗车回填入采坑；所述粗粒砂岩碎粒层的厚度为1米，细粒碎屑层的厚度为0.3米；每层施水后，施水量不大于粗粒砂岩碎粒层或细粒碎屑层的5wt%，表面不得有明显积水，如因积水产生明显冻结冰层，应采取工程手段予以清除，然后继续向上逐层分层回填；季节性冻土修复的整体较厚大于50米，每当粗粒砂岩碎粒层和细粒碎屑层的总共回填厚度达到3米时，额外压实一次，压实系数为0.85；施水水质的ph值为7.0-7.5，每层的施水量体积占比不超过该层总体积的5%，每层的压实系数为0.85；（c）在土壤层表面浅耕塑造表层土壤层文脉，形成土壤表层文脉系统，并连接至截排水系统，抑制地表积水，提升土壤水源涵养能力；所述土壤层文脉为s型波浪纹理，纹理高度不高于5cm，形成土壤表层文脉系统，最终便于在土壤表层文脉系统引导下对大气降水起到有目的涵养和输导的效果，为植物生长提供有利条件；所述截排水系统为开采矿区原有的截排水系统，为了在降水较多时，排除植被层的积水；（d）选取当地种属的草地早熟禾、冷地早熟禾、中华羊矛草籽，能够适应当地特殊气候，人工或机械播种，播种后植被盖度不低于周边原状植被盖度的5%。
25.对比例1本对比例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法，直接使用客土整体回填至露天采坑，不分层回填，整体填完后进行压实和注水，客土为普通砂土，然后在回填后的土层表面施肥，具体为羊板粪、牧草专用肥和普通有机肥，再在肥料上种植植物。
26.对比例2本对比例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法与实施例1的区别仅在于，不设置基底层，步骤（3）中，在露天采坑底部不铺设基底层，而是直接铺设实际冻土层，即不包括步骤（a）。
27.实施例2本实施例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法与实施例的区别仅在于，不设置土壤层，步骤（b）中，在实际冻土层上方不铺设土壤层，步骤（c）中，直接在实际冻土层的最上一层的表面塑造表层土壤层文脉，形成土壤表层文脉系统。并连接截排水结构。
28.实施例3本实施例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法与实施例1的区别仅在于，不包括步骤（c），直接在土壤层表面种植植物。
29.实施例4本实施例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法与实施例1的区别仅在于，步骤（2）中，根据步骤（1）确定的岩层序列，待修复地区的人造季节性冻土的各个功能层不再对应周边原始季节性冻土的各个功能层，按照固定厚度回填，基底层、粗粒砂岩碎粒层、细粒碎屑层、土壤层的厚度分别为0.4m、1m、0.3m、0.3m。
30.实施例5本实施例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法与实施例1的区别仅在于，步骤（3）中，在粗粒砂岩碎粒层中不加入盐类。
31.实施例6本实施例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法与实施例1的区别仅在于，步骤（3）中，在粗粒砂岩碎粒层中不加入回填植物。
32.实施例7本实施例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法与实施例1的区别仅在于，步骤（3）中，在粗粒砂岩碎粒层中只有第二砂岩，不包括第二泥岩、盐类和回填植物。
33.实施例8本实施例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法与实施例1的区别仅在于，步骤（3）中，在细粒碎屑层中只有第三泥岩，不包括第三砂岩和第一混合有机质。
34.实施例9本实施例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法与实施例1的区别仅在于，步骤（b）中，每个渣土层回填之后，经历气温低于零度的夜晚冷冻，再经历气温高于零度的白天解冻，白天时使用热风和人工光源均匀作用在最上面的渣土层上；人工光源为氙灯，热风的温度高于当地日间的最高气温15℃，在日间分3次均匀施水，充分润湿渣土层，利于最上面的渣土层在日间充分解冻、经历模拟风吹环境以及充分吸水，在夜晚充分上冻；上述渣土层的处理方法在时间上，粗粒砂岩碎粒层大于细粒碎屑层，处理时间与渣土层厚度呈正比。
35.实施例10本实施例所述的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法与实施例1的区别仅在于，步骤（3）中，所述基底层中，以100质量份的第一泥岩为基础，所述第一砂岩为30份；
所述粗粒砂岩碎粒层中，以100质量份的第二砂岩为基础，所述第二泥岩为80份，盐类为0.01份，回填植物为10份；所述细粒碎屑层中，以100质量份的第三泥岩为基础，所述第三砂岩为70份，第一混合有机质为8份。
36.表1 实施例和对比例的冻土修复效果比较季节性冻土的恢复标准为冬季冻土季节和夏季冻土消融季节，在冬季冻土季节开挖时冻土断面可见空洞或空隙构造，空洞或空隙中可见冰粒或冻结充填物；作为补充的，在夏季消融季节开挖时表层为常规土壤层，湿度较大，即为季节性冻土层。
37.由上表可见，本发明提供的高原高寒地区季节性冻土的生态修复方法，能够快速恢复露天采坑的冻土层的性能，使得修复的冻土层在较短时间内能够恢复，为修复冻土层在日后的自然环境下自然演化提供了良好基础。
38.另外，实施例2不设置土壤层，植被层的恢复速度为实施例1的植被层的恢复速度的1/5。实施例3无土壤层文脉系统，水分流失快、易造成局部地表积水等情况严重且水源涵养能力下降，植被层的恢复速度为实施例1的植被层的恢复速度的1/3。实施例4中，修复地区的季节性冻土的各层与周边季节性冻土的各层位置不对应，出现了修复区与周边原始地表接合处出现积水、开裂或弱沉陷等现象。