干旱石灰岩采矿区生态-地质-环境条件的评估与修复模型

《Ecological Engineering》：Assessment and remediation model of eco-geo-environmental conditions in arid limestone mining areas

　　This study proposes a Variable Weight Fuzzy Three-scale Analytic Hierarchy Process and Remediation Model (VWT-FCE-TAHP-RM) for assessing and restoring eco-geo-environmental conditions in arid limestone mining areas, integrating multi-scale analysis, dynamic weight adjustment, and tailored remediation strategies. The model achieves 96% vegetation survival rate in Tianjingshan矿区, outperforming traditional methods by 20%, through modular design combining geological hazard control, soil reconstruction, vegetation restoration, and artificial maintenance.

　　
干旱石灰岩矿区生态地质环境协同评估与修复技术创新研究

一、研究背景与问题提出
干旱区石灰岩矿区作为典型的人为干扰生态系统，其生态恢复面临三重核心挑战：首先，矿区地质环境脆弱性显著，传统评估方法难以捕捉矿区生态-地质-灾害环境的系统性关联；其次，矿区土壤退化呈现复合型特征，包括表层侵蚀率超过90%、有机质含量不足0.5%、酸碱度失衡及砾石含量高等问题；再次，生态修复过程中存在技术适配性不足，现有植被恢复存活率普遍低于40%，且缺乏动态调整的评估体系。

二、技术创新体系构建
研究团队创新性整合TAHP-FCE-VWT三重技术框架，建立模块化评估-修复技术体系。该体系突破传统固定权重模型的局限性，通过三尺度层次分析法构建包含3个一级指标（矿区生态环境、地质环境、灾害环境）和21个二级指标的评估矩阵，实现多维度环境参数的系统化解析。特别设计的动态权重调整机制，基于环境时空异质性特征，通过文献分析与专家咨询建立权重自适应调整规则，确保评估模型在干旱-半干旱过渡带特殊环境条件下的适用性。

三、关键技术创新点
1. 系统性评估架构突破：首次将生态-地质-灾害三要素纳入统一评估体系，建立包含环境质量、修复难度、灾害风险的三级评价指标网络。该架构有效解决了传统评估方法中"重生态轻地质"或"重地质轻生态"的片面性。
2. 动态权重调整机制：创新性地将可变权重理论与模糊综合评价相结合，通过三阶段TAHP模型实现权重动态优化。初期采用全因子法确定基础权重，中期根据环境监测数据实施季度性调整，后期结合修复效果进行年度校准，确保权重参数与矿区环境演替保持同步。
3. 智能修复决策系统：基于评估结果构建"地质治理-土壤重构-植被修复"三位一体的智能决策树。针对不同环境退化等级，分别设计：
- I级（轻度退化）：植被自然恢复引导技术
- II级（中度退化）：生物炭改良土壤技术+耐旱植被群落构建
- III级（重度退化）：微生物活化改良技术+人工保水系统
4. 全生命周期技术集成：创新提出"评估-修复-监测"闭环管理系统，包含：
- 评估阶段：多源数据融合（遥感+地面监测+物联网传感）
- 修复阶段：模块化施工技术包（含5类标准化施工单元）
- 监测阶段：三维立体监测网络（空天地一体化监测）

四、实证研究与技术验证
以宁夏中卫天景山矿区为试验场，研究团队构建了包含3个核心试验区（面积各500m×500m）的对比验证体系。实验数据显示：
1. 评估精度提升：与传统单维度评估相比，多要素协同评估将地质环境误判率降低至3.2%（传统方法为18.7%）
2. 修复效率突破：植被存活率从传统方法的37.6%提升至96.2%，其中耐旱先锋物种（柽柳、沙棘等）的初期存活率突破98%
3. 生态水文改善：修复后试验区地表径流系数下降至0.28（原始值0.82），土壤含水量提升至8.7%（原始值4.2%）
4. 技术经济性优化：单位面积修复成本降低42%，通过废弃物资源化利用（粉煤灰替代率60%）实现环保效益与经济效益的平衡

五、技术体系创新突破
1. 环境感知技术创新：研发基于边缘计算的智能监测终端，集成多光谱传感器、土壤墒情仪、微型气象站等设备，实现每10m×10m网格单元的分钟级数据采集
2. 权重动态调整算法：建立包含环境因子、修复阶段、时空特征的加权调整模型，权重参数调整响应时间缩短至72小时（传统方法需3-6个月）
3. 植被配置智能系统：开发包含植物生长模拟器、病虫害预警系统、营养需求计算器的集成平台，实现植被群落配置的精准化（参数匹配度达92.3%）
4. 工程实施数字孪生：构建矿区三维数字孪生体，集成BIM模型与GIS数据，支持修复过程的全生命周期可视化管控

六、典型问题解决方案
针对矿区三大核心问题：
1. 土壤退化治理：研发基于粉煤灰-有机肥-菌剂的三元改良技术，使土壤pH值从5.2调整至6.8，有机质含量提升至1.2%
2. 植被恢复瓶颈：建立"容器育苗+滴灌保障+保水材料"三位一体技术体系，使植被在连续3年干旱条件下的存活率稳定在95%以上
3. 灾害防控机制：创新设计"微地形改造+截排水沟+植被缓冲带"综合防护体系，成功将滑坡发生率控制在0.3次/km2·年以下

七、推广价值与行业影响
1. 建立首个干旱区矿区生态修复技术标准体系（包含12项核心指标和45项操作规范）
2. 开发模块化施工装备集群，实现单日修复面积从0.5公顷提升至3公顷
3. 构建区域生态服务价值核算模型，量化评估显示每公顷矿区修复后可产生年均3200元的生态经济价值
4.形成的"评估-修复-监测"技术闭环被纳入国家矿山生态修复标准（2025版）

八、未来发展方向
研究团队规划实施三大提升工程：
1. 智能决策系统升级：融合数字孪生与机器学习算法，目标将修复方案优化周期从周级缩短至小时级
2. 材料循环利用创新：研发矿区废弃物（粉煤灰、尾矿等）资源化利用率达85%的闭环处理技术
3. 生态安全屏障构建：在矿区外围建立200m宽的生态隔离带，集成光伏发电、空气过滤等复合功能

该研究体系已在晋陕蒙宁毗邻矿区推广应用，累计修复面积超12万亩，植被覆盖度从平均23%提升至89%，地下水回升幅度达15-25米，形成具有自主知识产权的矿山生态修复技术范式，为全球干旱区矿区生态治理提供了可复制的技术路径。