我國東部草原區(qū)露天礦排土場仿自然地貌土地整形方法

李樹志，郭孝理 ，李學(xué)良，孫忠祥，閆建成

(1.中國煤炭科工集團(tuán) 北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院,北京 100013; 2.中國煤炭科工集團(tuán) 唐山研究院有限公司,河北 唐山 063012; 3.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司,河北 唐山 063000)

東部草原區(qū)是我國東北部重要的生態(tài)屏障，同時也是以露天開采為主的大型煤電基地，由于生態(tài)環(huán)境較為脆弱，露天開采對該區(qū)生態(tài)破壞嚴(yán)重引起各種環(huán)境問題。對生態(tài)脆弱區(qū)進(jìn)行土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)已成為熱點(diǎn)研究[1]。不僅采場開挖會破壞地表植被，而且在內(nèi)排開始前，外排土場壓占了大量土地的同時還改變了區(qū)域的地形地貌[2]。礦山可持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)展與開采場邊坡和排土場邊坡的穩(wěn)定有直接關(guān)系[3]。排土場邊坡主要由松散堆積物構(gòu)成的塔狀多臺階式邊坡，除了會發(fā)生面蝕、溝蝕外，還出現(xiàn)了沉陷、崩塌、坡面泥石流等新的侵蝕類型，是排土場最不穩(wěn)定、水土流失最嚴(yán)重的地方。排土場邊坡穩(wěn)定性影響露天礦生產(chǎn)安全，而外排土場邊坡治理難度遠(yuǎn)大于平盤[4]。

目前，外排土場邊坡的研究集中在不同的植被配置模式[5-6]、侵蝕程度與控制侵蝕途徑[7-8]及其土壤理化生性質(zhì)[9-12]等方面，對邊坡整形方法的研究較少，有學(xué)者指出仿照自然地貌的設(shè)計能使重建和再造的土地景觀更具協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性，生態(tài)結(jié)構(gòu)更加合理，視覺效果和經(jīng)濟(jì)型均有所提高[13-14]。美國的拉普拉塔露天煤礦和圣胡安露天煤礦分別在2001和2002年利用GeoFluv設(shè)計方法將水文地貌原理運(yùn)用到礦區(qū)土地復(fù)墾中，且拉普拉塔露天煤礦仿自然地貌重塑項(xiàng)目獲得了2004年美國內(nèi)政部頒發(fā)的生態(tài)修復(fù)大獎[15]。然而因國內(nèi)地形地貌、土壤類型復(fù)雜、生物氣候帶多樣，現(xiàn)有地貌重塑研究與周圍景觀的協(xié)調(diào)性存在不足。景明[16]在山西平朔露天礦利用Geofluv模型仿礦區(qū)周圍臨近成熟的、未擾動的地貌在復(fù)墾區(qū)建設(shè)自然式緩坡地使傳統(tǒng)的“平臺-邊坡-平臺”的設(shè)計被凹形緩坡代替，溝道河網(wǎng)也設(shè)計成了蜿蜒自然的模式;楊翠霞[17]同樣結(jié)合Geofluv模型重建了太行山北段東麓的典型廢棄采石場的流域地形,探討了露天開采礦區(qū)廢棄地的近自然地形重塑機(jī)理與技術(shù);陳曉輝[15]也以平朔露天礦為例分析了傳統(tǒng)地貌重塑與仿自然地貌重塑的差異，探討其仿自然地貌重塑的可行性。國內(nèi)研究人員對礦區(qū)仿自然地貌整形研究較少且都停留在理論和模擬研究上，缺乏實(shí)地現(xiàn)場研究。因此，開展東部草原區(qū)排土場仿自然地貌整形對邊坡整形方法研究、水土流失控制具有指導(dǎo)意義，并能填補(bǔ)國內(nèi)空白。排土場邊坡的立地特殊性決定了其具有不穩(wěn)定性，歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、坡度、植被類型、坡面起伏度等是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，排土場邊坡整形主要是對其坡角、植被進(jìn)行優(yōu)化，NDVI能夠直觀表現(xiàn)邊坡植被覆蓋度和水土保持能力，ZHANG等[18]利用高分1號衛(wèi)星來獲取植被覆蓋度研究敦煌市植被變化情況，而邊坡的水土保持能力與其穩(wěn)定性成正相關(guān)關(guān)系。

因此，筆者以寶日希勒露天礦外排土場為研究對象，依據(jù)該礦采損區(qū)地形地貌特點(diǎn)，模仿周圍臨近成熟的、未擾動的地貌對邊坡進(jìn)行3種不同整形處理，構(gòu)建與當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境相協(xié)調(diào)的流域貌景觀[13]，通過分析整形區(qū)域及自然區(qū)域的植物覆蓋狀況、邊坡穩(wěn)定性來評價邊坡整治效果，篩選出最適合的整形方法，以期為排土場邊坡整形提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

寶日希勒露天礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市陳巴爾虎旗(圖1)，地理坐標(biāo):119.983 6°～119.968 6°E，49.312 5°～49.491 7°N，屬大陸性亞寒帶氣候，春冬兩季風(fēng)多且風(fēng)力較大，冬冷夏涼;年均降水量315.00 mm，主要集中在夏季，年平均蒸發(fā)量1 344.80 mm，年均氣溫-2.6 ℃;地勢東北高而西南低，海拔在601.88～724.09 m，地形起伏呈緩波狀，表層大部分為第四系所覆蓋，土壤類型以黑鈣土、栗鈣土及灰黑土為主;野生植被以禾本科和菊科植物為主，人工種植喬木為樟子松、油松等和灌木植物為珍珠梅、紫丁香等;露天礦邊坡巖層主要為軟巖，易受泥巖弱層及地下水影響，穩(wěn)定性較差;排土場排棄物主要為第四系松散巖組，分為砂土巖、黏土巖和砂礫巖，堆積方式為對剝離物堆積進(jìn)行壓實(shí)，由于該區(qū)為堆積而成的新臺階故表面并沒有進(jìn)行覆土，復(fù)墾年限為1 a。對照的自然地貌地塊位于距離寶日希勒露天礦區(qū)東明露天礦西北部3 km處，該區(qū)為未受人為干擾的自然草地。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用的遙感影像為歐洲空間局(European Space Agency,ESA)Sentinel-2衛(wèi)星2019-07-27L1C級別的影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為10 m×10 m。數(shù)據(jù)來源于Copernicus Open Access Hub(https://scihub.copernicus.eu)，L1C產(chǎn)品需要利用SNAP軟件中Sen2cor模塊進(jìn)行大氣校正處理為L2A級別數(shù)據(jù)，然后將校正結(jié)果用波段運(yùn)算方法提取歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI);最后在ArcGIS中對其進(jìn)行裁剪得到研究區(qū)的NDVI。區(qū)域像元數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、方差分析在SigmaPlot、SPSS軟件中進(jìn)行。邊坡物料的數(shù)據(jù)來源于相關(guān)工程地質(zhì)報告及文獻(xiàn)，邊坡的穩(wěn)定性分析在Slide軟件中進(jìn)行。

1.3 研究方法

1.3.1NDVI的計算及比較方法

植被光譜特征反映了植被的灰度屬性，可以建立相關(guān)植被指數(shù)來表示植被信息，植被區(qū)域光譜特征明顯，反射率高[19]。NDVI是目前最為常用的表征植被狀況的指標(biāo),一定程度上客觀反映植被覆蓋信息[20]，計算式(1)為

(1)

式中，ρNIR和ρRED分別為Sentinel-2數(shù)據(jù)的Band8和Band4的反射率。

方差分析是對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢驗(yàn)方差相等的多個正態(tài)總體均值是否相等，進(jìn)而判斷各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響是否顯著。用于兩個及兩個以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗(yàn)，在本研究中將各地塊所包含的像元分為4組，對每組像元的NDVI值進(jìn)行單因素方差分析。

箱線圖(BoxPlot)是利用數(shù)據(jù)中的5個統(tǒng)計量:最小值、第一四分位、中位數(shù)、第三四分位與最大值來描述數(shù)據(jù)的一種方法。分析上、下四分位以及上、下限相對于中位數(shù)的跨度,可以得出相關(guān)數(shù)值是否穩(wěn)定,而中位數(shù)可以對比不同類型的大致趨勢[21]，通過箱線圖法可以分析不同整形地塊的植被覆蓋狀況，從而驗(yàn)證研究區(qū)不同整形方法的整形效果。

1.3.2邊坡穩(wěn)定性分析

極限平衡分析法是邊坡穩(wěn)定性分析中最早出現(xiàn)的方法，也是發(fā)展最完善的方法，它能滿足力和力矩的平衡、摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則和應(yīng)力邊界條件。張蓮花等總結(jié)了土-巖復(fù)合型邊坡的穩(wěn)定性分析方法和具體思路，提出對排土場可以采用圓弧滑動和組合滑動分析[22]。本研究根據(jù)外排土場邊坡工程地質(zhì)條件，采用簡化Bishop法[23]計算3種整形邊坡的穩(wěn)定性。邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)F指把巖土體的抗切剪強(qiáng)度減小至c′/F和tanφ′/F，巖土體沿著滑面各處都處于極限平衡，計算式(2)為

τ=c′e+σ′ntanφ′e

(2)

式中，tanφ′e=tanφ′/F,c′e=c′/F;F為穩(wěn)定安全系數(shù);c′為黏聚力;φ′為內(nèi)摩擦力;τ為剪應(yīng)力;σ′n為正應(yīng)力。

Bishop法是把邊坡體分成了若干條塊，假設(shè)條塊為剛體(不考慮條塊的變形)，建立條塊的靜力平衡方程，通過求解靜力的平衡方程得到邊坡安全系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿自然地貌整形方法

研究區(qū)降雨主要集中在夏季，為防止連續(xù)降雨對排土場坡面形成沖刷，同時保證植被生長用水。本研究參照周圍自然地貌設(shè)計了臺階式、斜坡式及波浪式3種邊坡整形方法，邊坡為2018年統(tǒng)一進(jìn)行整形，2019年開始植被恢復(fù)工作。臺階式整形是對原排土場設(shè)計的670，660，650 m三個平臺及邊坡進(jìn)行優(yōu)化，為其余兩種整形方法的對照，在680 m平臺頂部修擋土墻，規(guī)格為上頂寬2 m，高度1 m，自然放坡設(shè)計參數(shù)為平臺寬度為50 m，臺階高度為10 m，斜坡角度為33°(圖2);斜坡式整形是根據(jù)排土場條件及邊幫角趨勢，將排土平臺邊坡進(jìn)行削坡處理，取消50 m平臺，臺階高度不變，使原有33°的邊坡角進(jìn)一步縮小成(11±0.5)°，形成4個斜坡;波浪式整形也是根據(jù)排土場條件及邊幫角趨勢，將排土平臺原有的33°邊坡進(jìn)行削坡處理，并在平臺邊緣構(gòu)建反坡區(qū)，坡度3°～5°，用以控制水土流失和保水，設(shè)計參數(shù)為取消50 m平臺，臺階高度不變，最終形成與周邊地貌相似的斜坡角度(15±0.5)°。在每個平臺內(nèi)側(cè)設(shè)計寬淺干砌區(qū)，寬度為6 m，深度0.8 m，上鋪0.3 m的礫石。最后，在平臺與斜坡處播種披堿草，每平方米播種量為40 g。管護(hù)措施為定期噴灌進(jìn)行澆水。

2.2 不同整形方式對植被覆蓋度影響

植被覆蓋情況可以反應(yīng)不同邊坡整形方法對水分保持與抵抗侵蝕的能力的大小。對3種邊坡整形方式的NDVI值進(jìn)行分析。由圖3可知，650 m平臺的NDVI值明顯高于660和670 m平臺，670 m平臺NDVI值最低。在降雨條件下雨水部分向表層下滲，當(dāng)雨水繼續(xù)下滲時，下層土壤滲透系數(shù)低于上層土壤，雨水會積聚在上層，由于坡降存在，在重力作用下積水將沿坡降向下流動，最終形成在表層流動的壤中流[24]。由此可知，表層流對排土場的侵蝕最先發(fā)生的位置位于坡面上部和中部，670 m平臺受到侵蝕概率會比其他兩個平臺大，650 m平臺最小。

由2.1節(jié)可知，3個整形邊坡上部680 m平臺均修建有擋土墻用以擋土，臺階式整形僅在平臺之間存在徑流場，而斜坡式和波浪式整形邊坡整個邊坡均存在徑流場，波浪式和斜坡式整形邊坡排水效果優(yōu)于臺階式整形邊坡;坡角影響了邊坡侵蝕的程度，臺階式邊坡坡角為33°大于斜坡式和波浪式，斜坡式和波浪式雖坡角相近，但波浪式邊坡設(shè)有反坡區(qū)，能夠貯存更多的水分和減少侵蝕損害，邊坡受侵蝕程度越輕，植被生長情況越好，植被覆蓋度越高。

圖3 排土場邊坡的NDVI分布Fig.3 NDVI distribution of dump slope

將臺階式、波浪式、斜坡式3個斜坡及排土場附近典型自然地貌地塊像元的NDVI值提取出采用箱線圖來匯總和分析其變化情況。由圖4和表1可知，斜坡式整形邊坡像元的NDVI離散程度較大，波浪式和臺階式次之且較為接近，自然地貌最小，自然地貌和斜坡式呈現(xiàn)左偏態(tài)，臺階式和波浪式呈現(xiàn)右偏態(tài);從中位數(shù)來看，自然地貌的NDVI>波浪式的NDVI>斜坡式的NDVI>臺階式的NDVI，自然地貌地塊未受到或受采煤活動影響較小處于穩(wěn)定狀態(tài)，排土場3種整形邊坡是在人為干預(yù)下修建且完成時間較短，相比較于自然地貌區(qū)域其穩(wěn)定性較差，而在3種整形邊坡中，波浪式的NDVI值最大且接近于自然地貌，斜坡式次之，臺階式最差;第一、三四分位與中位數(shù)呈現(xiàn)相同的趨勢。由此可知，波浪式邊坡的植被覆蓋度大于斜坡式和臺階式，但因其完成時間較短且基底穩(wěn)定性較差，低于自然地貌。

將從上述地塊提取出的4組NDVI值進(jìn)行單因素方差分析，方差分析的前提是各個水平下的總體服從方差相等的正態(tài)分布，用Homogeneity of variance test方法進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)。由表1可知，4個地塊中自然地貌植被覆蓋度最高，臺階式最低，斜坡式與總體均值較為接近。由表2可知，不同邊坡整形方式下NDVI的方差齊性檢驗(yàn)值35.93，概率p值為0，明顯小于顯著性水平0.05，應(yīng)該拒絕零假設(shè)，認(rèn)為不同整形地塊的NDVI值總體方差顯著差異。3種整形邊坡在初始階段雖有相同的植被措施，但隨著時間推移，不同邊坡對水土保持的能力產(chǎn)生差異，水土保持效果好的植被覆蓋度越高。由此可知，波浪式整形的水土保持能力最好，NDVI值最大，但對于處于穩(wěn)定狀態(tài)的自然地貌而言，波浪式整形仍有改進(jìn)之處。

圖4 不同整形邊坡NDVI值的箱線Fig.4 Boxplot of NDVI values of different shaping slopes

表1 不同整形邊坡NDVI值描述性統(tǒng)計
Table 1 Descriptive statistical of NDVI values of different shaping slopes

處理類型斑塊數(shù)量均值標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)誤差均值的95%置信區(qū)間下限上限極小值極大值斜坡式4950.4750.1500.0070.4620.4890.1190.816臺階式4950.3400.1340.0060.3280.3520.1120.750波浪式5220.5510.1380.0060.5390.5630.2430.788自然地貌5220.6570.1020.0040.6490.6660.4010.877總數(shù)2 0340.5090.1750.0040.5010.5160.1120.877

表2NDVI值的方差齊性檢驗(yàn)
Table 2 Homogeneity test of variance for NDVI value

Levene 統(tǒng)計量df1df2顯著性35.93232 0300

2.3 不同整形邊坡穩(wěn)定性分析

排土場邊坡穩(wěn)定性的影響因素主要有基底地質(zhì)條件、氣候條件、排土工藝、排棄物料物理性質(zhì)等。排棄物料的強(qiáng)度直接影響邊坡穩(wěn)定性，是邊坡穩(wěn)定性分析計算的主要參數(shù)。根據(jù)寶日希勒露天礦工程地質(zhì)資料，確定排土場剖面構(gòu)型及巖土體物理力學(xué)指標(biāo)，剖面構(gòu)型為排棄物-粉砂層-黏土層，排棄物容重為16.86 kN/m3，內(nèi)摩擦角為25.5°，黏聚力為2.98 kPa;粉砂層容重為18.42 kN/m3，內(nèi)摩擦角為26°，黏聚力為2.62 kPa;黏土層容重為18.42 kN/m3，內(nèi)摩擦角20°，黏聚力6.78 kPa。外排土場邊坡的潛在滑動模式為圓弧滑動，采用簡化Bishop法結(jié)合Slide軟件對排土場3個整形邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，揭示坡角對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，確定邊坡最優(yōu)形態(tài)。

圖5 不同整形邊坡的穩(wěn)定性分析Fig.5 Stability analysis of different shaping slopes

由圖5可知，臺階式邊坡的安全系數(shù)F<斜坡式的安全系數(shù)F<波浪式的安全系數(shù)F;排土場邊坡安全系數(shù)與坡角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，坡角越小，邊坡越穩(wěn)定，越不容易發(fā)生滑坡。根據(jù)《GB 50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》中服務(wù)年限大于20 a的外排土場邊坡安全系數(shù)在1.2～1.5和《DZ/T 0218—2006滑坡防治工程勘查規(guī)范》滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分，臺階式整形邊坡安全系數(shù)(F=1.073)低于1.2，邊坡滑坡處于基本整體暫時穩(wěn)定-變形狀態(tài)，斜坡式、波浪式整形邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中波浪式邊坡安全系數(shù)最高(F=2.711)，斜坡式(F=2.513)次之。3個邊坡位置相鄰且排棄物、地質(zhì)條件相一致，坡角對寶日希勒露天礦外排土場邊坡的穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用。

3 討 論

排土場邊坡的水土保持性能與植被種類、坡角、排棄物性質(zhì)等存在相關(guān)關(guān)系。邊坡穩(wěn)定程度越高，植被生長狀況越好、覆蓋度越高;同樣地，植被能夠改善土壤理化性質(zhì)使其膠結(jié)性、黏結(jié)性、黏著性提高從而有利于邊坡的穩(wěn)定，是一種相輔相成的關(guān)系。邊坡要首先在人為因素的影響下采用工程措施整形邊坡使其有利于水土防治。本文利用遙感影像提取不同整形邊坡的NDVI，結(jié)果表明波浪式整形斜坡的植被覆蓋度最高，仿自然地貌的波浪式整形方法在平臺邊緣構(gòu)建反坡，這與國內(nèi)學(xué)者[25-27]研究結(jié)果一致，研究發(fā)現(xiàn)反坡措施能有效削減地表徑流量，降低了坡面侵蝕的發(fā)育。

排土場在排棄物料自重應(yīng)力的作用下，排棄土壓密產(chǎn)生沉降變形;另一方面，由于自重應(yīng)力作用過大，基底承載能力不夠，擠壓剪切基底軟弱層，易產(chǎn)生塑性流動，引起排土場滑坡[28]。在670，660，650 m這3個平臺中，670 m平臺在降雨集中時水土保持能力相對于其他兩個平臺差，植被覆蓋度較低，應(yīng)注重提高平臺的水土保持性能，否則易產(chǎn)生滑坡事故。

排土場邊坡坡面較長,巖土疏松、土壤蓄水性能差，植物生長困難，極易發(fā)生土壤侵蝕。對3個整形邊坡穩(wěn)定性和NDVI進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，坡角大小影響了邊坡穩(wěn)定性，NDVI和邊坡的穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)良好的一致性。斜坡式和波浪式邊坡經(jīng)過削坡處理后安全系數(shù)提高的同時水土保持能力也相對上升。一般而言，坡角越小邊坡越穩(wěn)定，斜坡式邊坡坡角小于波浪式邊坡，但波浪式邊坡安全系數(shù)大于斜坡式邊坡都處于穩(wěn)定范圍之內(nèi)，這可能是因?yàn)椴ɡ耸竭吰略谛藿ǚ雌聟^(qū)后水土保持性能提高，植被生長狀況好，提高了邊坡穩(wěn)定性。通過對比國內(nèi)外學(xué)者的研究[4,29-30]發(fā)現(xiàn)，對外排土場邊坡整形大都在11°～24°，研究根據(jù)仿自然地貌原理結(jié)合寶日希勒露天礦實(shí)際條件所設(shè)置的斜坡和波浪式整形邊坡角度是合理的，波浪式整形方法是最適合的邊坡整形方法。

4 結(jié) 論

(1)通過比較臺階式、斜坡式、波浪式整形邊坡及自然地貌的NDVI值發(fā)現(xiàn)自然地貌的植被覆蓋程度大于排土場邊坡，波浪式整形邊坡NDVI值高于斜坡式、臺階式，波浪式邊坡植被生長狀況最好;高平臺整體比低平臺的NDVI值低，易受到侵蝕，邊坡上部分受到侵蝕程度大于下部，應(yīng)加強(qiáng)邊坡上部的管理。

(2)通過分析邊坡穩(wěn)定性，斜坡式、波浪式整形邊坡都處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中波浪式邊坡最為穩(wěn)定，臺階式整形邊坡滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。NDVI與邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)相同的變化趨勢。

基于水土保持的仿自然地貌的波浪式整形方法對寶日希勒外排土場整形是一項(xiàng)投資低、維護(hù)少、生態(tài)效益高的景觀及生態(tài)修復(fù)技術(shù)。同時，對植被也應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化配置，冰草和紫花苜蓿等能很好地適應(yīng)呼倫貝爾地區(qū)的氣候條件，是構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)基本框架的主要物種。