基于GIS的露天開采礦區(qū)地形特征及植被恢復(fù)研究

劉進(jìn)來，馬樹恩，劉 玲

(1.河北省千松壩林場，河北 豐寧 068350； 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083)

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基于GIS的露天開采礦區(qū)地形特征及植被恢復(fù)研究

劉進(jìn)來1，馬樹恩1，劉 玲2

(1.河北省千松壩林場，河北 豐寧 068350； 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083)

露天開采礦區(qū)；生態(tài)修復(fù)；地形分析；植被恢復(fù)

以露采礦山為研究對象，以破損地形特點(diǎn)及植被恢復(fù)為研究目標(biāo)，利用ArcGIS技術(shù)分析研究區(qū)地形復(fù)雜程度及匯水情況，探討了露天開采礦區(qū)植被修復(fù)和綠化的技術(shù)方法。結(jié)果表明：以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，對礦區(qū)的高程、坡度和坡向的空間分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時得到區(qū)域匯水分布圖，可作為區(qū)域規(guī)劃依據(jù)。選取地形起伏度、地表粗糙度和高程變異系數(shù)作為地形復(fù)雜度指標(biāo)，根據(jù)地形復(fù)雜度對礦區(qū)進(jìn)行分區(qū)治理，在礦區(qū)地形特征基礎(chǔ)上因地制宜地選擇植被恢復(fù)技術(shù)，并根據(jù)植物配置營造符合不同季節(jié)的植物景觀效果，使礦山跡地重建地貌相對穩(wěn)定并與周圍景觀相和諧，為廢棄礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供了借鑒和思路。

礦山開采規(guī)模和強(qiáng)度的逐漸增大，不僅使資源枯竭，還導(dǎo)致環(huán)境污染和生態(tài)失衡，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。因此，如何快速有效地進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)重建，是釆礦行業(yè)面臨的重點(diǎn)問題之一。目前，發(fā)達(dá)國家已建立較為完善的土地復(fù)墾理論體系：美國礦區(qū)生態(tài)重建已形成法制化體系，在礦區(qū)植被恢復(fù)、煤矸石綜合利用等方面都有成功經(jīng)驗(yàn)[3-4]；德國通過大量實(shí)驗(yàn)形成了以技術(shù)為先鋒的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)科研網(wǎng)絡(luò)[5]；澳大利亞在礦區(qū)動植物棲息地恢復(fù)上具有成功經(jīng)驗(yàn)[6]。國內(nèi)學(xué)者也針對露天開采礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)進(jìn)行了研究和實(shí)踐，論述了可墾性分析的一般程序和綜合評價方法：針對廢棄礦山不同的破壞類型論述了生態(tài)修復(fù)的基本原理和方法[7]；提出了生態(tài)修復(fù)規(guī)劃方案[2]。

目前，GIS 技術(shù)在礦山修復(fù)、景觀規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等方面得到了運(yùn)用：陳秋計(jì)等[8]利用DEM的空間分析，對礦區(qū)土地復(fù)墾前后的景觀變化進(jìn)行了分析與評價；張召等[9]應(yīng)用RS與GIS技術(shù)對平朔露天礦區(qū)近33年的土地利用與碳匯量的動態(tài)變化進(jìn)行了研究；葉寶瑩[10]利用“3S”技術(shù)完成了露天煤礦空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建及虛擬；楊翠霞等[11]從流域角度，對廢棄礦區(qū)的地形地貌進(jìn)行分析并重新規(guī)劃了子流域及溝道。本研究以天津市薊縣西石礦露天開采礦區(qū)地形和水文特征為研究對象，以GIS空間分析為主要研究方法，對礦區(qū)數(shù)字地形、水文網(wǎng)、地形復(fù)雜度進(jìn)行研究，針對不同地形特征探討土壤改良和植被恢復(fù)方案，以期達(dá)到廢棄礦區(qū)的可持續(xù)利用和景觀效果的提升。

1 研究區(qū)概況

西石礦露采礦區(qū)位于天津市薊縣五名山，距縣城3 km，處于燕山山脈與華北平原交接地帶，礦區(qū)北部為薊縣低山丘陵區(qū)，海拔100～300 m，礦區(qū)南部為山前沖洪積平原區(qū)，海拔15～30 m。由于采礦作業(yè)，五名山主峰已不復(fù)存在，標(biāo)高降至177.7 m。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，多年平均降水量678.6 mm，年內(nèi)降水量分布極不均勻，6—9月降水量約占全年降水量的80%，多年平均蒸發(fā)量1 907.8 mm，多年平均氣溫11.60 ℃，無霜期181 d，土壤凍結(jié)期124 d，最大凍結(jié)深度81 cm。

礦區(qū)采石遺留崖壁為高陡邊坡，邊坡高差10～80 m，坡度50°～85°，開采面中部有7～8級開采平臺，平臺垂直間距10～15 m不等。坡面風(fēng)化破碎，無植被覆蓋，存在崩塌、落石、水土流失等災(zāi)害隱患。開采平臺客土土層瘠薄，植被覆蓋度極低。

2 露天開采礦區(qū)地形因子特征分析

在對數(shù)字地形信息分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的坡面特征劃分治理區(qū)域，進(jìn)而在各區(qū)域采用相應(yīng)的治理措施。本研究選取礦區(qū)實(shí)地測繪1∶500地形圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采取西安80坐標(biāo)系，等高距為1 m。

2.1 高程分析

數(shù)字高程模型(DEM)是地形高程的數(shù)值表示，是進(jìn)行各種空間分析和水文分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究區(qū)高程為31～246 m，高程分布頻率見表1(表中的頻率表示的是各分級范圍內(nèi)的面積占研究區(qū)總面積的比值)。從表1可知，高程值在70～110 m的分布頻率最大，高程不大于110 m的頻率之和達(dá)74.4%，說明研究區(qū)內(nèi)大部分高程在110 m以下，高程大于190 m的僅占總面積的1.5%。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地貌景觀，高程小于100 m區(qū)域?yàn)椴傻V坑前場地，100～170 m區(qū)域?yàn)橹饕牟墒卤趨^(qū)域。

表1 礦區(qū)高程、坡向、坡度分級統(tǒng)計(jì)

2.2 坡度與坡向分析

通過運(yùn)用ArcGIS 9.3中的3D Analyst—Surface Analysis工具便可得到研究區(qū)的坡度和坡向提取結(jié)果圖，見圖1。

圖1 礦區(qū)坡度、坡向分布

坡向是指每個像素面的朝向，以正北方為0°，按順時針方向計(jì)為0°～360°。為了便于統(tǒng)計(jì)各坡度、坡向分級的分布情況，將坡向分為平地、陰坡(0°～45°、315°～360°)、半陰坡(45°～135°)、陽坡(135°～225°)和半陽坡(225°～315°)5個等級，將研究區(qū)坡度依據(jù)不同坡度條件下的地質(zhì)穩(wěn)定性、土壤侵蝕特點(diǎn)、植被恢復(fù)措施類型的差異劃分為0°～5°、5°～25°、25°～35°、35°～55°、>55°共5個等級。對研究區(qū)坡向和坡度分級進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

綜合坡度、坡向分布圖和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，崖壁所在區(qū)域的坡向主要是陰坡和半陽坡，崖壁坡度均在35°以上，相當(dāng)一部分崖壁坡度大于55°，坡度極陡。因此，崖壁的植被恢復(fù)需要考慮植物的耐陰性，高陡崖壁也加大了治理工程的難度。

2.3 匯水分析

研究區(qū)的地形是經(jīng)過人工采石活動開挖山體形成的，復(fù)雜多變。人為活動造成的邊坡坡度的變化，對區(qū)域內(nèi)地表徑流的產(chǎn)生、集流、下滲及土壤流失狀況產(chǎn)生了重大影響，同時區(qū)域的匯流狀況也有所改變。通過對自然流水進(jìn)行模擬，在無洼地DEM、水流方向、匯流累積量提取基礎(chǔ)上，提取了區(qū)域內(nèi)的水系分布圖，見圖2。

圖2 礦區(qū)水系分布

采礦區(qū)域匯水主要來自礦區(qū)中部崖壁匯水區(qū)、山體北部沖溝匯水區(qū)、崖壁對面山體西南—東北方向匯水區(qū)。其中礦區(qū)中部崖壁為主要匯水區(qū)，匯水面積77 248 m2，雨水匯水量約8 767.6 m3。該區(qū)域內(nèi)匯水為雨水自然匯集水量，無法滿足中心水域的水景用水量，水景觀的構(gòu)建需從場區(qū)外水源引水。

3 露天開采礦區(qū)地形復(fù)雜度分析

地形復(fù)雜度是評價地表起伏和粗糙程度的指標(biāo)，研究方法主要分為統(tǒng)計(jì)法和幾何法兩種。統(tǒng)計(jì)法描述地形復(fù)雜度的參數(shù)主要有高程方差和標(biāo)準(zhǔn)差、地形起伏度、高程空間自相關(guān)、平均坡向、平均坡度和水文網(wǎng)密度等。幾何法描述地形復(fù)雜度的參數(shù)包括地表粗糙度、地表曲率、分形維數(shù)、地形復(fù)雜度指數(shù)、坡度坡向變率等[12-13]。

3.1 地形復(fù)雜度評價

3.1.1 地形起伏度

地形起伏度(Relief Amplitude)表示局部區(qū)域內(nèi)高程的最大值與最小值的差，可用公式RA=Hmax-Hmin表示。地形起伏度是定量描述地貌形態(tài)的重要指標(biāo)，在一定程度上反映地貌的發(fā)育階段，起伏度大小又是影響坡面物質(zhì)的潛在侵蝕強(qiáng)度的重要因素之一，在礦區(qū)水土保持治理和生態(tài)重建上具有重要的意義。

從圖3分析結(jié)果計(jì)算出，地形起伏度在0～2 m之間的面積占總面積的28.1%，在2～5 m之間的占39.7%，在5～8 m之間的占21.6%，大于8 m的占10.6%。崖壁及其邊緣區(qū)域地形起伏度大，說明該區(qū)域高程變異大。

圖3 礦區(qū)地形起伏度分布

3.1.2 地表粗糙度

地表粗糙度(Relief Roughness)是指局部區(qū)域地形的曲面表面積與其在水平面上的投影面積之比。曲面表面積一般通過是柵格單元計(jì)算。地表粗糙度提取方法，是在提取柵格DEM的坡度專題圖基礎(chǔ)上，計(jì)算坡度余弦值的倒數(shù)。地表粗糙度是衡量地表侵蝕程度的重要量化指標(biāo)，值越大說明水土流失越嚴(yán)重。

從研究區(qū)的地表粗糙度分布(圖4)計(jì)算出，粗糙度≤1.5的面積占總面積的89.9%，粗糙度>1.5的面積占總面積的10.1%，也就是地表侵蝕相對很嚴(yán)重的區(qū)域，也是礦區(qū)廢棄地以后治理的重點(diǎn)區(qū)域，這可為后期的流域治理規(guī)劃提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖4 礦區(qū)地表粗糙度分布

3.1.3 高程變異系數(shù)

地形高程變異系數(shù)(Variance Coefficient in Elevation)是表示一定距離內(nèi)高程相對變化的指標(biāo)，用該區(qū)域內(nèi)高程標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值表示。高程標(biāo)準(zhǔn)差反映了局部區(qū)域地形的平均起伏程度，其值越大表示高程變化的范圍越大，地形越不平坦。

從研究區(qū)高程變異系數(shù)分布(圖5)來看，崖壁區(qū)域及整個開采邊坡的邊緣區(qū)域高程變化大，原地貌破壞嚴(yán)重。

圖5 礦區(qū)高程變異系數(shù)分布

3.2 根據(jù)地形特點(diǎn)分區(qū)治理

由于地形、水文、地質(zhì)等條件在空間分布上的異質(zhì)性，因此在區(qū)域內(nèi)部溝谷單元劃分中，要注意單元之間的明顯差異。本研究主要的集水區(qū)單元為崖壁區(qū)域，可作為一個比較完整的水文單元，基本能反映礦區(qū)廢棄地的地形、水文和地質(zhì)環(huán)境條件。結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害治理技術(shù)設(shè)計(jì)及崖壁生態(tài)景觀的整體恢復(fù)目標(biāo)，根據(jù)地形復(fù)雜情況將項(xiàng)目區(qū)分為3個區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)：位于礦區(qū)崖壁北部和南部的A區(qū)(A1、A2)，位于崖壁東部和東南部的B區(qū)(B1、B2)，位于B區(qū)中間位置的C區(qū)(見圖6)。根據(jù)不同區(qū)段邊坡坡面特點(diǎn)和地質(zhì)災(zāi)害治理措施的不同，有針對性地對不同類型坡面采用不同的景觀提升與綠化措施。

圖6 礦區(qū)景觀分區(qū)

4 露天開采礦區(qū)植被恢復(fù)研究

景觀綠化設(shè)計(jì)應(yīng)與周圍景區(qū)文化相呼應(yīng)，針對南部崖壁已有成形的臺階，東邊崖壁部分有臺階、部分沒有臺階的情況，通過點(diǎn)、線、面漸變的設(shè)計(jì)思路，使整個崖面在不同的生態(tài)治理措施下保持統(tǒng)一性和協(xié)調(diào)性。

4.1 生態(tài)修復(fù)植物群落配置設(shè)計(jì)

4.1.1 A區(qū)景觀與綠化設(shè)計(jì)

A區(qū)破損面高差較大，斷面較陡直，坡面巖體破碎，坡腳有碎石堆積，人工開采原有平臺消失，未進(jìn)行綠化。植被恢復(fù)結(jié)合崖面微地形，采取植生槽、鉆孔植生、掛網(wǎng)高次團(tuán)粒噴播等方法。主要針對坡面、坡腳進(jìn)行綠化設(shè)計(jì)。坡面綠化根據(jù)現(xiàn)場微地形，砌筑種植槽，種植槽形狀可根據(jù)地形情況設(shè)置為圓形、方形等形式，槽高30～50 cm，種植槽內(nèi)客土栽植灌草，槽內(nèi)配施一定量的有機(jī)肥與保水劑，種植槽外側(cè)土面高于內(nèi)側(cè)，便于蓄水，栽植后槽內(nèi)土層表面低于槽上沿2～5 cm；充分利用微地形在崖壁鑿孔，開鑿的石孔向下傾斜45°角，利于保存土壤和水分。坡腳前堆砌生態(tài)袋，生態(tài)袋與崖壁之間客土回填，種植喬灌植被，形成植被群落較為完整的山前緩沖區(qū)；生態(tài)袋表面可噴播草灌種子，實(shí)現(xiàn)坡面覆綠，以獲得更好的生態(tài)效果。

4.1.2 B區(qū)景觀與綠化設(shè)計(jì)

B區(qū)坡體巖體破碎，坡面有7～8級馬道平臺，平臺寬度一般2～3 m，部分平臺已綠化，但植物生長狀況較差，生態(tài)護(hù)坡與綠化效果不佳。綠化設(shè)計(jì)主要針對坡面、坡腳、平臺進(jìn)行。坡面綠化以掛網(wǎng)高次團(tuán)粒噴播為主，并利用藤本植物上爬下掛覆蓋；坡腳在碎落帶進(jìn)行綠化，通過生態(tài)緩沖帶喬灌栽植，起到安全防護(hù)和景觀融合雙重功效；平臺在不破壞原有植被的基礎(chǔ)上，增加腐殖土厚度，逐步完善平臺植被搭配，豐富植被色彩。

4.1.3 C區(qū)景觀與綠化設(shè)計(jì)

C區(qū)位于東南兩側(cè)坡面交匯處，可產(chǎn)生匯水，破損面高差較大，斷面較陡直，斷崖局部有碎石斷層。根據(jù)景觀設(shè)計(jì)，該區(qū)域?yàn)槿斯て俨季坝^。在156平臺(高程156 m)建設(shè)人工湖，用于瀑布蓄水。為了使C區(qū)與B區(qū)景觀自然銜接，在瀑布兩側(cè)鉆孔栽植灌草植物。瀑布的下方在原有采石場開采坑基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)人工湖，結(jié)合不規(guī)則湖岸在湖畔營造林帶，實(shí)現(xiàn)水清木華。

4.2 綠化植物選擇

根據(jù)不同區(qū)段的邊坡特點(diǎn)，有針對性地采用不同植物配置方式。本方案綠化區(qū)域及相應(yīng)的植物構(gòu)建目標(biāo)為：①崖壁植被恢復(fù)，增加覆綠面積；②平臺綠化，豐富植物品種；③坡腳緩沖帶，構(gòu)建植物景觀。

4.2.1 坡面綠化，重點(diǎn)突出覆綠效果

為快速形成坡面植被覆蓋，持久恢復(fù)邊坡生態(tài)，崖壁坡面部分應(yīng)選擇適生植物。護(hù)坡坡腳和平臺外沿栽植攀緣和藤本植物，起到防護(hù)和美化作用。

客土噴播：選擇耐貧瘠、根系發(fā)達(dá)、覆蓋快的草灌種子客土噴播，主要有紫穗槐、紫葉小檗、荊條、胡枝子、紫花苜蓿、黑麥草、草木樨、小冠花和野花組合。

鉆孔植生、植生槽：灌木選擇黃櫨、紫穗槐、藤本月季等苗木，草本以撒播紫花苜蓿、黑麥草種子為主。

藤本覆蓋：選擇爬山虎、凌霄和薔薇，通過藤本和攀緣植物上爬下掛，進(jìn)行垂直綠化。

4.2.2 平臺綠化，重點(diǎn)突出豐富的植物群落

在改善平臺土壤養(yǎng)分的基礎(chǔ)上，改變單一植物的景觀效果，增加適應(yīng)性強(qiáng)、見效快、淺根性的觀花觀葉植物品種，提升綠化景觀效果。灌木選紫葉李、金銀木、榆葉梅、丁香、黃櫨、紫穗槐，草花選月季、小冠花、野花組合，藤本選爬山虎、薔薇、凌霄。

4.2.3 坡腳緩沖帶，重點(diǎn)突出冬綠、春花、夏花、秋葉景觀

坡腳設(shè)置生態(tài)緩沖帶，回填客土種植喬木、開花灌木，撒播草灌種子。生態(tài)緩沖帶外沿采用生態(tài)袋擋墻技術(shù)，生態(tài)袋擋墻的坡面采用客土噴播技術(shù)進(jìn)行綠化。緩沖帶與前置景觀相協(xié)調(diào)，遮擋裸露崖壁。緩沖帶以景觀類植物為主，以欒樹、油松為背景，配合種植黃櫨、榆葉梅、紫葉李等，突出不同季節(jié)色彩；下層以金山繡線菊、紫葉小檗、珍珠梅苗木和地被草花為主，突出多層次的植物搭配。緩沖帶靠近崖壁處種植藤本植物。

5 結(jié) 論

以露天開采礦區(qū)為研究對象，對礦山跡地的植被恢復(fù)與生態(tài)重建進(jìn)行了實(shí)踐。以天津薊縣西石礦采石場為例進(jìn)行的應(yīng)用和評價，主要取得如下結(jié)論：

(1)以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，對區(qū)域的地形復(fù)雜度和水文特征進(jìn)行分析，為地形改造和植被恢復(fù)治理提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。利用地形起伏度、地表粗糙度和高程變異系數(shù)來綜合評價地形復(fù)雜度，確定了以采石崖壁及開采區(qū)邊緣為治理重點(diǎn)的治理區(qū)劃分。數(shù)字水文網(wǎng)的提取，為研究區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)和水域景觀規(guī)劃提供了依據(jù)。

(2)根據(jù)生態(tài)思維和可持續(xù)發(fā)展理念，對不同的地形特征分區(qū)綠化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了近自然植被恢復(fù)。根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)地形特征、土壤條件和局部環(huán)境特征，選擇了適宜的綠化植被。

露采礦區(qū)的地形改造和生態(tài)修復(fù)是進(jìn)行土地復(fù)墾和土地整理利用的基礎(chǔ)，隨著城市不斷發(fā)展和土地資源的限制，采石跡地將成為城市綠地及城市生態(tài)景觀發(fā)展的延續(xù)。在利用ArcGIS技術(shù)對露天開采礦區(qū)地形特征分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行植被恢復(fù)，可使礦山跡地重建地貌相對穩(wěn)定并與周圍景觀相和諧，這為廢棄礦區(qū)生態(tài)重建提供了借鑒和思路。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

S157.2；P208

A

1000-0941(2016)12-0062-05

劉進(jìn)來(1962—)，男，河北承德市人，高級工程師，學(xué)士，主要從事林業(yè)工作。

2015-12-27