李長(zhǎng)明, 符玉冰, 狄龍飛, 金永報(bào), 曲福來(lái), 賈東洋, 田小娟

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450045; 2.河南省黃河流域環(huán)境保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003; 3.中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450001; 4.中電建河南萬(wàn)山綠色建材有限公司,河南 洛陽(yáng) 471000)

在黃河中游晉、陜、蒙交界地區(qū)分布著一種風(fēng)化嚴(yán)重、松散破碎的特殊互層巖體——砒砂巖,其干燥時(shí)堅(jiān)硬如石,遇水潰散成沙,是黃河粗泥沙的主要來(lái)源。砒砂巖主要指由古生代二疊紀(jì)、中生代三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)的厚層砂巖、泥巖、泥砂巖、頁(yè)巖組成的互層巖體,其總面積為1.17萬(wàn)～3.20萬(wàn)km2[1-6]。砒砂巖區(qū)地形支離破碎、溝壑縱橫,土壤營(yíng)養(yǎng)成分低、不適宜植物生長(zhǎng),生態(tài)承載力低下。加之受多類型侵蝕循環(huán)及復(fù)合侵蝕作用的影響,土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)2萬(wàn)t/(km2·年)[7],個(gè)別區(qū)域侵蝕模數(shù)達(dá)3萬(wàn)～4萬(wàn)t/(km2·年)[8],該地區(qū)是黃土高原最集中的碎屑基巖產(chǎn)沙區(qū)。其多年平均輸沙量約1.61億t[9],約占黃土高原地區(qū)輸入黃河中上游泥沙總量的30%[10]。砒砂巖區(qū)輸入黃河的粗泥沙(粒徑d≥0.05 mm)約占入黃粗泥沙總量的62%[5],淤積在下游河床泥沙的1/4來(lái)源于此,是河床抬升、洪澇災(zāi)害頻發(fā)的“元兇”之一。同時(shí),該區(qū)沙漠化、荒漠化和水土流失多重危害并存,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活,被稱為“世界水土流失之最”和“地球生態(tài)癌癥”。

隨著“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”國(guó)家戰(zhàn)略[11]的提出,砒砂巖區(qū)水土保持工作與砒砂巖資源化利用迎來(lái)了新機(jī)遇。如何治理砒砂巖區(qū)的水土流失,高效修復(fù)砒砂巖區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)砒砂巖的資源化利用,將直接影響入黃粗泥沙的數(shù)量,對(duì)改善黃河水沙關(guān)系、減緩黃河下游河床抬升具有重要意義,是“黃河流域生態(tài)長(zhǎng)廊”建設(shè)的重要環(huán)節(jié),對(duì)于保障黃河的長(zhǎng)治久安具有深遠(yuǎn)影響。

1 砒砂巖的物化性質(zhì)

1.1 砒砂巖成因及分布

在石炭紀(jì)之前的古生代,砒砂巖區(qū)是一片海洋。二疊紀(jì)時(shí)期,地殼抬升,海洋消失,砒砂巖區(qū)變?yōu)閮?nèi)陸盆地,沉積了陸相紅色泥巖、碎屑巖。在三疊紀(jì)早、中期,盆地快速下沉,陸相紅色泥巖、碎屑巖繼續(xù)沉積。同時(shí),在印支期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下,盆地出現(xiàn)上升,風(fēng)化侵蝕引起地層間的假整合和角度不整合接觸。在三疊紀(jì)晚期,地殼緩緩下降,引起地層間的平行不整合接觸和角度不整合接觸,紅色地層逐漸減少,灰綠色碎屑巖及煤層透鏡體等有機(jī)物質(zhì)開始沉積,呈河湖相沉積特點(diǎn)。在三疊紀(jì)末期,由于印支期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),盆地全面抬升,地層普遍遭受侵蝕。至侏羅紀(jì)早期,地殼逐漸下沉,氣候由干熱的氧化環(huán)境轉(zhuǎn)為溫濕的還原環(huán)境,灰綠色和灰色含煤細(xì)砂頁(yè)巖地層開始沉積。侏羅紀(jì)早期,地殼上升,出現(xiàn)紅色泥巖沉積物,到侏羅紀(jì)中末期,地殼開始下降,南北部盆地下沉速度不一,導(dǎo)致侏羅紀(jì)早期部分地層覆蓋于老地層之上。到中末期,形成紅色泥巖沉積層。到了白堊紀(jì),地殼轉(zhuǎn)向下沉,泥巖、粗碎屑巖大量沉積,呈河湖相沉積特點(diǎn)。白堊紀(jì)末期,受燕山晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,地殼逐漸抬升, 隆起的盆地遭受風(fēng)蝕。到第三紀(jì)上新世時(shí)期,地殼開始下沉,紅色泥巖黏土層出現(xiàn)沉積,呈湖泊相沉積特點(diǎn)。第三紀(jì)末期,在地殼構(gòu)造的升降運(yùn)動(dòng)中形成了高原。到第四紀(jì),黃土風(fēng)化成沙、古人類出現(xiàn),現(xiàn)代地貌景觀基本形成[12-17]。目前,砒砂巖集中分布在晉、陜、蒙交界區(qū)域,范圍東達(dá)黃河,西抵內(nèi)蒙古杭錦旗的毛不拉孔兌,南至陜西省神木市,北臨庫(kù)布齊沙漠南緣。鄂爾多斯東勝區(qū)、準(zhǔn)格爾旗、伊金霍洛旗、達(dá)拉特旗、杭錦旗等地是砒砂巖的主要分布區(qū)。陜西神木、府谷兩縣,山西河曲、保德兩縣和內(nèi)蒙古清水河縣有零星分布[1]。相關(guān)文獻(xiàn)中的砒砂巖分布面積見表1。

表1 砒砂巖分布面積 萬(wàn)km2

由表1可知,相應(yīng)文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)的砒砂巖分布面積為1.17萬(wàn)～3.2萬(wàn)km2[1-6]。由于研究手段和類型區(qū)定義的不同,以及臨近沙漠的裸露砒砂巖可能會(huì)隨時(shí)間演變?yōu)樯w沙砒砂巖,所以界定的面積會(huì)存在差異。3種類型區(qū)面積占比如圖1所示。

圖1 砒砂巖類型區(qū)面積占比

1.2 砒砂巖的物化組成及力學(xué)性能

砒砂巖的顏色主要包括粉紅色、紫紅色、灰白色、灰綠色和黃綠色[5,18-20]。砒砂巖主要由石英(17.10%～88.80%)、鈣蒙脫石(2.51%～51.33%)、鉀長(zhǎng)石(3.70%～23.00%)、斜長(zhǎng)石(0.20%～30.20%)、方解石(1.00%～52.70%)、伊利石(0.22%～22.00%)、高嶺石(0.00%～44.00%)等組成,砒砂巖各礦物含量如圖2所示。此外,有些砒砂巖中含有少量赤鐵礦,含量為1.00%左右。文獻(xiàn)[26]中還檢測(cè)出砒砂巖中含有云母類礦物。對(duì)于不同地域砒砂巖的斜長(zhǎng)石、方解石、伊利石和高嶺石含量存在較大差異。不同顏色砒砂巖中的石英、鈣蒙脫石、斜長(zhǎng)石和方解石的含量差異較大,其他礦物含量差異較小[4,21-27]。

注:樣本1—7為灰白色,8—11為紫紅色,12—15為粉紅色,16—19為黃色,20為灰綠色,21為灰白紫紅條帶,樣本2、3、9、12引自文獻(xiàn)[4];樣本1、8、21引自文獻(xiàn)[21],樣本4—6、10、11、13、16—20引自文獻(xiàn)[22],樣本23引自文獻(xiàn)[23],樣本7、14引自文獻(xiàn)[24],樣本15引自文獻(xiàn)[25],樣本22引自文獻(xiàn)[26]。

砒砂巖主要化學(xué)成分為SiO2(51.20%～78.25%),Al2O3(9.57%～15.37%)和Fe2O3(0.05%～9.28%),具體化學(xué)成分含量如圖3所示。

注:樣本1—7為灰白色,8、9為紫紅色,10—15為粉紅色,16為黃色,樣本22引自文獻(xiàn)[2],樣本2、3、8、11引自文獻(xiàn)[4],樣本4、9、12引自文獻(xiàn)[20],樣本6、14引自文獻(xiàn)[28],樣本5、13引自文獻(xiàn)[29],樣本17引自文獻(xiàn)[23],樣本18引自文獻(xiàn)[25],樣本1、10引自文獻(xiàn)[30],樣本19—21引自文獻(xiàn)[27],樣本7、15、16引自文獻(xiàn)[31]。

由圖3可知,堿性氧化物Na2O、K2O、CaO的總含量為0.90%～20.76%,其他化學(xué)成分含量較少,為0.00%～1.00%。堿性氧化物的存在使巖體呈堿性,pH值為7.66～10.02。灰白色砒砂巖中的CaO含量最高,達(dá)14.00%,紅色砒砂巖中Fe2O3含量為9.00%左右。而Fe2O3含量的差異正是砒砂巖呈現(xiàn)紅白兩色的主要原因。此外,研究表明,部分砒砂巖中還存在少量的SO3、CO2、MnO、P2O5[2,4,19-20,23,25,27-33]。

砒砂巖塊體密度為1.56～2.50 g/cm3,顆粒密度為2.62～2.84 g/cm3。孔隙率為6.02%～35.15%,滲透系數(shù)為5.2×10-3mm/s。液限WL、塑限Wp分別為29.30%和19.60%,塑性指數(shù)Ip為9.40。巖體顆粒主要由質(zhì)量百分比為10.73%～57.60%的中細(xì)砂(0.10～0.25 mm)和1.40%～44.76%的中粗砂(0.25～0.50 mm)組成,其大部分粒徑為0.10～0.50 mm,占比近50.00%,粒徑d≤0.005 mm的黏粒占比為1.40%～10.40%。砒砂巖的粒徑累計(jì)分布曲線如圖4所示。砒砂巖的不均勻系數(shù)為2.55%～23.90%,表明砒砂巖為級(jí)配不良沙,其曲率系數(shù)為0.51%～5.54%。因此,砒砂巖是典型的砂類土,且以粗砂和中砂為主,砂粒和粉粒含量較大,黏粒含量相對(duì)較小,整體為非等粒結(jié)構(gòu)[19,21,23-24,28,30,33-40]。

注:樣本1—6引自文獻(xiàn)[19];樣本7、8引自文獻(xiàn)[24];樣本9引自文獻(xiàn)[28];樣本10、11引自文獻(xiàn)[33];樣本12引自文獻(xiàn)[34];樣本13引自文獻(xiàn)[38];樣本14、15引自文獻(xiàn)[39];樣本16引自文獻(xiàn)[40]。

砒砂巖的微觀結(jié)構(gòu)以粒狀或絮狀鏈為主,內(nèi)部含有較多的孔隙,且連通性不高,其孔體分布具有非均質(zhì)性。礦物顆粒以膠結(jié)連接為主,起膠結(jié)作用的物質(zhì)主要有碳酸鹽和黏土物質(zhì),膠結(jié)類型為顆粒間相互支撐、孔隙式膠結(jié),長(zhǎng)石石英雜砂巖中還發(fā)現(xiàn)接觸式膠結(jié)。但粗細(xì)顆粒大小懸殊、顆粒磨圓程度低、棱角分明,碎屑大小不一、雜基含量大,致使兩種膠結(jié)類型的致密性和礦物顆粒的定向性差[19,21,30]。砒砂巖力學(xué)性能見表2,由表2可知:砒砂巖在自然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為0.40～39.70 MPa,干燥狀態(tài)下可提高到25.30 MPa;抗剪強(qiáng)度為0.00～4.15 MPa,干燥和飽和狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度的差距很小;抗拉強(qiáng)度為0.01～0.74 MPa,在干燥和飽和狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度差距不大,遇水后抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度均大幅下降,軟化系數(shù)為0.05～0.42。飽水抗剪強(qiáng)度和干抗剪強(qiáng)度決定了巖體抵抗徑流沖刷和抗崩塌的能力。因此,砒砂巖的抗侵蝕性能較差[21,23,25,30,33,36]。

表2 砒砂巖力學(xué)性能

2 砒砂巖的侵蝕

2.1 砒砂巖的侵蝕過(guò)程

砒砂巖區(qū)受多重侵蝕交互作用,包括水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕、重力侵蝕及人為侵蝕等。畢慈芬和王富貴[42]按照動(dòng)力類型,將巖體侵蝕分為季節(jié)性降雨徑流侵蝕和常年性非徑流侵蝕。水力侵蝕包括雨滴濺蝕、坡面流水侵蝕和溝谷流水侵蝕。坡面水力侵蝕較為強(qiáng)烈,主要形式有片蝕、細(xì)溝侵蝕。溝侵蝕是產(chǎn)沙的主要途徑,流域內(nèi)70%以上的泥沙由此形成。砒砂巖區(qū)風(fēng)向大多垂直于溝道或與溝道大角度交叉,致使風(fēng)力侵蝕嚴(yán)重。風(fēng)力侵蝕表現(xiàn)形式為風(fēng)積作用和風(fēng)蝕作用[8]。風(fēng)蝕作用幾乎影響整個(gè)巖區(qū),但蓋土區(qū)以及毛烏素沙地的過(guò)渡地帶是風(fēng)蝕作用的主要影響區(qū)。迎風(fēng)谷坡、溝谷階地和梁峁地等特殊地帶也是風(fēng)蝕作用的高強(qiáng)區(qū)。強(qiáng)風(fēng)蝕區(qū)形成于高地貌之間或迎風(fēng)坡及其兩側(cè),弱風(fēng)蝕區(qū)形成于背風(fēng)坡或較平坦的區(qū)域,而風(fēng)沙堆積區(qū)則形成于背風(fēng)坡、洼地和溝道[43-46]。重力侵蝕主要形成于溝谷地帶,風(fēng)化等因素誘發(fā)重力侵蝕[35]。據(jù)統(tǒng)計(jì),重力侵蝕產(chǎn)沙量約占流域總產(chǎn)沙量的1/3。重力侵蝕以直接和間接兩種方式產(chǎn)沙,產(chǎn)沙最直接、最主要的途徑是瀉溜和滑坡。坍塌和崩塌產(chǎn)生的各種滑落物堆積于坡腳,也是產(chǎn)沙的重要形式,而滑落物在水流中沖刷崩解為粗泥沙,從而間接提供了沙源[8]。凍融侵蝕是由于溫度劇烈波動(dòng),水分固液循環(huán)轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致巖體發(fā)生脹縮碎裂等機(jī)械破壞,并在水力和重力侵蝕等作用下移動(dòng)流失的過(guò)程,其中:在凍結(jié)過(guò)程中,顆粒間的結(jié)合水轉(zhuǎn)化為固態(tài)水,土體出現(xiàn)膨脹;溫度上升后,顆粒間的固態(tài)水開始融化,土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,引發(fā)邊緣土體的重力侵蝕[44-45]。

不同砒砂巖類型區(qū)域的侵蝕情況差異較大,見表3[18,46]?？傮w來(lái)看,在3種砒砂巖類型區(qū)域的復(fù)合侵蝕中都存在水力、風(fēng)力侵蝕,而且只要有砒砂巖出露,就會(huì)有凍融侵蝕的發(fā)生。同時(shí),砒砂巖區(qū)的多種侵蝕方式在空間上耦合作用、在時(shí)間上交替發(fā)生。泥沙流失主要發(fā)生在夏秋季,冬春兩季主要發(fā)生凍融侵蝕,其中都伴隨有重力侵蝕和風(fēng)力侵蝕及二者引起的流水侵蝕。春夏季過(guò)渡期是凍融侵蝕和風(fēng)力侵蝕的高發(fā)期,4—5月是風(fēng)蝕高發(fā)期,5—6月是重力侵蝕高發(fā)期,7—9月是水力侵蝕高發(fā)期。其中,5—9月是重力侵蝕與水力侵蝕的耦合期,其他時(shí)期則以風(fēng)力侵蝕、重力侵蝕和凍融侵蝕交互耦合作用為主[44,47]。

表3 不同砒砂巖類型區(qū)侵蝕模數(shù)

2.2 砒砂巖抗侵蝕機(jī)理

砒砂巖抗侵蝕性低的主要原因是巖體中含有較多的蒙脫石、長(zhǎng)石、高嶺土、碳酸鹽等礦物[22]。具有礦物解理和雙晶發(fā)育的長(zhǎng)石,在干旱、大風(fēng)的巖區(qū)極易風(fēng)化,導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破壞,其抗侵蝕能力減弱,且長(zhǎng)石的主要風(fēng)化物高嶺石抗侵蝕能力最差。砒砂巖中的基質(zhì)是親水性黏土礦物,其易被水流侵蝕,而蒙脫石中黏土礦物含量最高,所以其對(duì)砒砂巖抗侵蝕能力的影響最大。蒙脫石的晶層間距大,其負(fù)電性產(chǎn)生的靜電引力容易吸引極性水分子進(jìn)入,產(chǎn)生滲透壓力,導(dǎo)致晶體膨脹[5],其體積可擴(kuò)大至原來(lái)的40倍[48-49]。由此產(chǎn)生的巨大壓力使巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)崩解。碳酸鹽礦物中活性方解石遇水后易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),部分產(chǎn)物隨水流失,巖體顆粒間的膠結(jié)能力隨之下降。此外,巖石礦物在當(dāng)?shù)貝毫迎h(huán)境下,易發(fā)生機(jī)械風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化,降低巖石本身的抗侵蝕能力,而蒙脫石、伊利石、高嶺石正是砒砂巖主要的化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物[21]。

從化學(xué)角度來(lái)看,砒砂巖所含的Na2O、K2O、CaO性質(zhì)活潑,易發(fā)生化學(xué)變化,Ca2+、Na+、K+等離子遇水易流失,致使巖石礦物間的孔隙逐漸增大,導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破壞,降低砒砂巖的抗侵蝕能力。此外,砒砂巖內(nèi)部存在水-巖復(fù)合作用,例如SO3和P2O5這兩種不穩(wěn)定成分極易吸濕,與水作用生成硫酸、磷酸等,使巖體結(jié)構(gòu)遭到破壞,其抗侵蝕能力進(jìn)一步下降[20,25]。從結(jié)構(gòu)角度來(lái)看,砒砂巖礦物顆粒粒徑懸殊且排列不規(guī)律,砂粒和粉粒含量較大,黏粒含量相對(duì)較小,膠結(jié)能力差。因此,砒砂巖抗風(fēng)化能力較弱,易被侵蝕。砒砂巖內(nèi)部孔隙發(fā)育,結(jié)構(gòu)受力不均,遇水后抗壓和抗拉能力較弱,水平方向更易發(fā)生片蝕,形成沖溝。同時(shí),砒砂巖孔隙、裂隙中的水在冬季反復(fù)凍融,導(dǎo)致巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接和排列方式發(fā)生改變,進(jìn)而其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,加劇了巖體孔隙、裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)張,巖體風(fēng)化通道再次擴(kuò)大。因此,砒砂巖抗風(fēng)蝕、水蝕能力差[34,50-51]。此外,砂巖與砂質(zhì)泥巖組合在一起時(shí),由于砂質(zhì)泥巖具有親水性,易軟化崩解被水流沖走,隨之引發(fā)重力崩塌侵蝕。淺色巖體與深色巖體的吸熱能力存在差異,導(dǎo)致相應(yīng)礦物脹縮體積不一致,進(jìn)而使巖體結(jié)構(gòu)遭到破壞,加劇了巖體抗侵蝕能力的下降[23]。

3 砒砂巖區(qū)治理進(jìn)展

20世紀(jì)90年代初,我國(guó)開始對(duì)砒砂巖侵蝕問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究,黃河水利委員會(huì)先后完成了《晉陜蒙接壤地區(qū)砒砂巖分布范圍及侵蝕類型區(qū)劃分》[52]和《砒砂巖地區(qū)植物“柔性壩”試驗(yàn)研究階段總報(bào)告(1995—1998)》[53]。隨后,陸續(xù)通過(guò)“國(guó)家水土保持重點(diǎn)治理項(xiàng)目”“水土保持治溝骨干工程”“晉陜蒙砒砂巖沙棘生態(tài)工程”“小流域綜合治理項(xiàng)目”[54-56],探索了以沙棘為主體的生物措施,取得了良好的生態(tài)效益。在沙棘治理的基礎(chǔ)上,畢慈芬和李桂芬[57]提出“沙棘柔性壩”的構(gòu)想。許多學(xué)者陸續(xù)對(duì)利用沙棘構(gòu)筑溝道柔性壩攔截泥沙的相關(guān)課題展開了研究,使沙林治理取得了顯著成效[58-60]。但沙棘存在成片枯死的現(xiàn)象,其僅能在巖區(qū)溝道處生存,從而導(dǎo)致發(fā)生于坡面和溝坡的侵蝕難以遏制。

中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所聯(lián)合企業(yè)高校共同研發(fā)了砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù),基于兩者結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的互補(bǔ)性,將砒砂巖與沙復(fù)配為新型土壤,實(shí)現(xiàn)了砒砂巖的資源化利用[61-62]。但該項(xiàng)技術(shù)主要用于沙地改造,難以解決砒砂巖區(qū)的水土流失問(wèn)題。溫婧等[63-64]研究發(fā)現(xiàn),砒砂巖的靜電吸附和離子交換能力較為突出,具有良好的吸附特性,可實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的吸附,從而修復(fù)污染土壤,且經(jīng)濟(jì)環(huán)保。因此,砒砂巖可視為良好的天然吸附材料。甄慶等[65]選取砒砂巖、黃土、風(fēng)沙土3類礦區(qū)典型土體,設(shè)計(jì)3種土體結(jié)構(gòu)以模擬入滲過(guò)程,研究表明,砒砂巖能降低土體入滲能力,可應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)。蘇濤等[66-67]開展EN-1固化劑對(duì)砒砂巖力學(xué)特性影響的試驗(yàn),并模擬邊坡徑流沖刷,對(duì)不同因素下的水動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了研究,優(yōu)選出了固化劑摻量、壓實(shí)度、含水率和養(yǎng)護(hù)齡期。目前,EN-1固化劑不能直接作為改性材料,且無(wú)法達(dá)到固結(jié)抗蝕、蓄水促生的綜合性能要求,不能應(yīng)對(duì)多重侵蝕耦合交互的環(huán)境條件,難以遏制巖區(qū)溝道高邊坡的水土流失問(wèn)題。黃科院依托“砒砂巖區(qū)復(fù)合土壤侵蝕綜合治理技術(shù)”項(xiàng)目,針對(duì)傳統(tǒng)工程措施不具有施工性,生物措施又存在局限性的問(wèn)題,研發(fā)了砒砂巖抗蝕促生材料和改性筑壩技術(shù),實(shí)施水土保持材料-工程-生物措施、坡面-溝道系統(tǒng)二元立體綜合治理措施,治理效果顯著[68-70]。大連理工大學(xué)同期開展了砒砂巖改性筑壩技術(shù)的研發(fā),制備出性能良好的改性筑壩材料[28-29,71-72]。

經(jīng)過(guò)多年的治理,黃河中游水土保持工作卓有成效,但是水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)的矛盾仍然突出。圖5為近百年來(lái)黃河輸沙量變化趨勢(shì)[73],2021年潼關(guān)站實(shí)測(cè)年輸沙量為1.71億t,相比于1919—1959年15.92億t的年均輸沙量,出現(xiàn)了顯著下降,但仍需深入治理。目前,聚焦于砒砂巖區(qū),傳統(tǒng)治理措施實(shí)施的全面性、統(tǒng)一性、持續(xù)性不足,缺乏全區(qū)域全機(jī)制的一體化綜合治理,沒有從根本上遏制砒砂巖區(qū)生態(tài)惡化的趨勢(shì)。而諸如復(fù)配成土、抗蝕促生、改性筑壩、吸附材料、礦區(qū)修復(fù)材料、改性建筑材料等具有創(chuàng)新性的技術(shù)未在全區(qū)域覆蓋實(shí)施,未能建立起行之有效的空間綜合治理體系。

圖5 黃河年輸沙量

4 砒砂巖的資源化利用

4.1 復(fù)配成土材料

21世紀(jì)初,國(guó)內(nèi)已有一些沙地綜合利用方面的研究[74-75]。HAN J C等[76]認(rèn)為沙結(jié)構(gòu)疏松,漏水漏肥,砒砂巖透水性差,可以作為沙地的保水劑。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn):砒砂巖在沙的摻入下,孔隙度增大,滲透性提高;沙在砒砂巖的摻入下,毛細(xì)管孔隙度增大,保水保肥效能提高,繼而提出基于砒砂巖與沙的互補(bǔ)性,將兩種物質(zhì)復(fù)配為新型土壤。

目前,國(guó)內(nèi)外開展了對(duì)復(fù)配土的大量研究。李裕瑞等[77]利用掃描電鏡對(duì)復(fù)配土壤的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,證明了復(fù)配技術(shù)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良作用。彭飚等[22]從礦物組成方面分析,確定了在復(fù)配土壤中耕種作物的可能性。LI J和HAN J C[78]測(cè)定并分析了不同復(fù)配比例的土壤質(zhì)地、貯水量、光譜和在土壤中培育冬小麥的光譜差異得出,最佳復(fù)配比為1∶2。童偉等[79]研究了砒砂巖和沙復(fù)合土壤的防風(fēng)固沙效應(yīng)發(fā)現(xiàn),在摻入砒砂巖后,復(fù)配土壤中黏粉粒含量提高,飽和導(dǎo)水率下降,而土壤含水率、結(jié)皮厚度、凍土深度和地表粗糙度都有所增加,復(fù)配土抗風(fēng)蝕能力提高。姚絲思和席慧[80]對(duì)復(fù)配土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量、作物生長(zhǎng)水平及產(chǎn)量4個(gè)方面進(jìn)行分析表明,沙地復(fù)合砒砂巖后,土壤宜耕層厚度增加,土壤結(jié)構(gòu)得以改善,肥力逐漸增加。張海歐等[81]分析了不同復(fù)配比例下的土壤顆粒組成動(dòng)態(tài)變化特征發(fā)現(xiàn),隨著砒砂巖摻入比例的增加,顆粒粒徑分布趨于合理,砒砂巖的摻入改善了復(fù)配土的結(jié)構(gòu),土壤質(zhì)地呈現(xiàn)砂土→砂壤→壤土→粉壤過(guò)渡的良好趨勢(shì)。此外,魏雨露和張露[82]探索了砒砂巖與沙復(fù)配成土作為路基材料的可能性,測(cè)得不同比例復(fù)配土的顆粒級(jí)配與最大干密度,確定最佳質(zhì)量比為2∶1,當(dāng)含水率為7%～9%時(shí),最大干密度為2.04～2.05 g/cm3,壓實(shí)特性最佳,適宜用作路基填料。ZHU J H和LI X L[83]通過(guò)堿激發(fā)技術(shù)將粉煤灰與砒砂巖水泥土混合制成復(fù)合土,強(qiáng)度可達(dá)6.85 MPa,滿足公路結(jié)構(gòu)用土的設(shè)計(jì)要求。

4.2 改性建筑材料

李長(zhǎng)明等[28]研究了飽和石灰水和不同濃度NaOH溶液對(duì)砒砂巖中SiO2、Al2O3溶出量的影響,通過(guò)膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)砒砂巖活性進(jìn)行了探討,證明了將砒砂巖改性為地聚物材料的可行性。在堿性環(huán)境下,由于SiO2、Al2O3的硅氧鍵和鋁氧鍵會(huì)發(fā)生斷裂,形成低聚硅(鋁)四面體單元,這些低聚結(jié)構(gòu)單元逐漸脫水重組發(fā)生聚合反應(yīng),生成具有膠凝性質(zhì)的水化硅酸鈣和地聚物膠體,使孔隙結(jié)構(gòu)得到改善、顆粒間連接更加緊密、結(jié)構(gòu)致密性大為提高[84]。此外,一些學(xué)者進(jìn)一步探究了粉煤灰、礦渣的摻入對(duì)砒砂巖地聚物材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,在最佳配合比下,改性粉煤灰和砒砂巖復(fù)合材料與改性礦渣和砒砂巖復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到20.3 MPa和56.2 MPa,其耐久性能也顯著提升,符合工程要求,改性礦渣和砒砂巖復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的性能,并兼具經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保性[71,85-88]。

大連理工大學(xué)王立久教授和華北水利水電大學(xué)李長(zhǎng)明副教授通過(guò)研究,提出了減小膨脹元膨脹力、增加膠結(jié)元彈性模量的砒砂巖改性方法,研制了砒砂巖改性筑壩材料,并在鄂爾多斯準(zhǔn)格爾旗二老虎溝淤地壩工程中進(jìn)行應(yīng)用,驗(yàn)證了砒砂巖改性材料在巖區(qū)淤地壩建設(shè)中應(yīng)用的可行性[69-70,89]。此外,董晶亮等[29]還探究了砒砂巖作為混凝土摻合料的可行性,結(jié)果表明:在砒砂巖摻量不大于20%時(shí),材料的抗折強(qiáng)度和耐久性明顯提高,且不影響其初凝時(shí)間和抗壓強(qiáng)度;摻量超過(guò)30%時(shí),材料各方面性能明顯下降,得出砒砂巖適宜的摻入量應(yīng)在20%以下的結(jié)論。GENG K Q等[90]探究了水泥用量對(duì)砒砂巖性能的影響,結(jié)果表明,隨著水泥摻入量的增加,砒砂巖的孔隙率逐漸下降,內(nèi)聚力呈上升趨勢(shì),材料趨于脆性,凍融作用下的砒砂巖孔隙劣化程度減弱,抗凍性能顯著提升,確定最優(yōu)水泥摻量為20%。楊健等[91]和王輝等[92]分別探究了粉煤灰和玄武巖纖維對(duì)改性水泥-砒砂巖材料力學(xué)性能的影響,得出少量的粉煤灰有利于提升材料的密實(shí)度和剛度,而摻量小于0.2%的玄武巖纖維對(duì)材料有加筋效應(yīng),會(huì)抑制材料的形變,表明少量粉煤灰和玄武巖纖維都具有提升其材料力學(xué)性能的作用。張美香等[93-94]將砒砂巖作為河砂替代物進(jìn)行水泥砂漿性能試驗(yàn),結(jié)果表明,紅砒砂巖替代率在10%以下時(shí),其對(duì)膠砂試件各齡期干縮量影響不大,不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在20%的紅砒砂巖替代率下均能滿足力學(xué)性能要求,而水泥砂漿在50%以上的紅砒砂巖替代率下,用水量顯著增加,導(dǎo)致試件強(qiáng)度降低、干縮率增大,材料耐久性不符合要求。因此,提出引入減水劑控制水膠比,以此提高砒砂巖的替代率和水泥砂漿的力學(xué)性能。以上證明了砒砂巖替代河砂制備建筑材料的可行性。

4.3 礦區(qū)修復(fù)材料

砒砂巖區(qū)位于我國(guó)煤炭能源基地核心區(qū),能源開采給該地區(qū)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,但嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,露天煤礦對(duì)大氣、土壤、植被、水源和地形地貌等造成了不可恢復(fù)的破壞[95]。目前,煤礦排土場(chǎng)的生態(tài)系統(tǒng)亟待修復(fù)。

甄慶等[65]選取砒砂巖、黃土、風(fēng)沙土3類礦區(qū)典型土體模擬了單一構(gòu)型、分層構(gòu)型和土石混合構(gòu)型的入滲過(guò)程,研究表明,砒砂巖可降低土體入滲能力,良好的排土場(chǎng)重構(gòu)結(jié)構(gòu)自下而上依次為土石混合結(jié)構(gòu)、砒砂巖、黃土。溫婧等[63-64]探究了紅、白和灰3種不同顏色砒砂巖對(duì)Pb的吸附效果,分析了吸附劑用量、pH值和離子強(qiáng)度等因素對(duì)其的影響。此外,通過(guò)模擬試驗(yàn),研究了砒砂巖摻入量對(duì)Pb的形態(tài)分布和毒性溶出量的影響,并探究了土壤孔隙度、土壤持水量、土壤酶活性、pH值的變化規(guī)律。以上研究結(jié)果表明,砒砂巖可顯著降低土壤弱酸提取態(tài)鉛含量和土壤鉛毒性溶出量,其吸附效果主要與鉛濃度、吸附劑用量、pH值、離子強(qiáng)度有關(guān),且與吸附劑用量、pH值成正比,與離子濃度成反比。不同顏色砒砂巖吸附速率存在差異,吸附速率從大到小的砒砂巖的顏色依次為灰色、白色、紅色。

砒砂巖特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的抗?jié)B性和吸附性,有效降低了土體入滲能力,砒砂巖具有在降低土壤毒性的同時(shí),改善土壤理化性質(zhì)的特點(diǎn),對(duì)污染土壤改良具有一定作用。相比其他材料,砒砂巖來(lái)源廣泛,無(wú)需加工,可就地取材,具有較好的應(yīng)用前景。

4.4 旅游資源

砒砂巖區(qū)具有獨(dú)特的地質(zhì)地貌,在溝谷中表現(xiàn)為“黃土戴帽,砒砂巖穿裙”的特殊地貌景觀,或形成部分沙丘及薄層沙和砒砂巖相間分布,或成“風(fēng)沙戴帽,砒砂巖穿裙”的地貌景觀,色彩斑斕,觀賞性強(qiáng),旅游資源價(jià)值高,可開發(fā)第三產(chǎn)業(yè)。目前,內(nèi)蒙古砒砂巖地質(zhì)公園已建成投入使用,帶動(dòng)了當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)蓬勃發(fā)展。

5 展望

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略,為我國(guó)新時(shí)期的水土保持事業(yè)提供了新的發(fā)展契機(jī),同時(shí)也對(duì)未來(lái)黃河中游砒砂巖區(qū)的水土保持和生態(tài)治理提出了新的使命和任務(wù)。目前,砒砂巖區(qū)水土流失問(wèn)題依然嚴(yán)峻,生態(tài)環(huán)境依舊脆弱不堪,生態(tài)建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展仍面臨嚴(yán)重阻礙。傳統(tǒng)治理手段諸如沙棘“柔性壩”、傳統(tǒng)淤地壩在一定程度上緩解了水土流失現(xiàn)象,但仍存在局限性。將改性淤地壩及護(hù)坡工程與抗蝕促生材料、植物措施等相結(jié)合的多元立體治理模式具有攔截泥沙、延阻土壤侵蝕和修復(fù)植被的良好效果,是未來(lái)治理砒砂巖區(qū)水土流失的新方向。同時(shí),還要貫徹綠色發(fā)展理念,開拓資源化利用新思路,形成可持續(xù)發(fā)展模式。諸如:通過(guò)對(duì)砒砂巖物化性質(zhì)的研究,將砒砂巖與沙復(fù)配成土,改良土壤結(jié)構(gòu);利用礦區(qū)廢棄物與砒砂巖結(jié)合制成改性建筑材料用于淤地壩和邊坡護(hù)坡建設(shè)以及將砒砂巖應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)。此外,還可以充分挖掘砒砂巖地質(zhì)文化價(jià)值,促進(jìn)巖區(qū)旅游產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。通過(guò)生態(tài)恢復(fù)、工程治理、砒砂巖改性與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)砒砂巖區(qū)“水土流失治理-資源利用-產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)”的高質(zhì)量發(fā)展模式。這對(duì)實(shí)現(xiàn)砒砂巖區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和水土保持以及黃河的長(zhǎng)治久安具有重要意義。