基于自然邊坡模型的草原煤礦排土場(chǎng)坡形重塑

李 恒，雷少剛，黃云鑫，程 偉，鄧 彪，張周愛

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116; 2.神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026015; 3.神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021500)

采礦活動(dòng)會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞，主要體現(xiàn)在改變了礦區(qū)原有地表形態(tài)和自然景觀，從而引發(fā)一系列的土地與環(huán)境問題，因此將受采礦擾動(dòng)的區(qū)域一定程度地恢復(fù)到擾動(dòng)前的生態(tài)服務(wù)功能，使之能與周圍的自然環(huán)境相協(xié)調(diào)是十分重要的[1-2]。在土地復(fù)墾與生態(tài)重建過程中，地形重塑、土壤重構(gòu)和植被重建被認(rèn)為是3個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，其中地形重塑為基礎(chǔ)[3]。但以往的土地復(fù)墾方案更重視土壤重構(gòu)[4-5]和植被重建[6]方面，而地形重塑受制于理論和技術(shù)層面的問題，往往會(huì)被研究者所輕視。在這種情況下，排土場(chǎng)往往被重塑為簡(jiǎn)單的階梯式地形，未能與當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境相融合，不僅養(yǎng)護(hù)成本較高，且缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生較為嚴(yán)重的水土流失和景觀破碎現(xiàn)象。因此尋找合理的地形重塑理論依據(jù)和方法顯得十分重要。

近自然地形重塑作為一種仿造當(dāng)?shù)刈匀恍螒B(tài)進(jìn)行地形重塑模型構(gòu)建的理論，在礦區(qū)復(fù)墾活動(dòng)中被國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者應(yīng)用。國(guó)外學(xué)者和研究單位在結(jié)合水文地質(zhì)學(xué)[7-8]、自然地理學(xué)[9]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論和原則的基礎(chǔ)上，以塑造不會(huì)輕易變動(dòng)，且與周圍未損毀土地相適應(yīng)的近自然地形為目的[10-11]，從流域角度開發(fā)出了GeoFluv[12]，GeoWEPP[13-15]等模型進(jìn)行廢棄礦區(qū)的地形重塑。國(guó)內(nèi)學(xué)者也逐漸意識(shí)到近自然地形重塑的優(yōu)勢(shì)，并應(yīng)用河流動(dòng)力學(xué)[16-17]和流域地貌學(xué)[18-20]的相關(guān)理論和分析重新構(gòu)建項(xiàng)目區(qū)的流域格局。現(xiàn)有近自然地形重塑的相關(guān)研究主要著眼于以水文為基礎(chǔ)的損毀地形整體構(gòu)建[21]，在排土場(chǎng)等工地形的坡面形態(tài)方面研究較少。

近自然地形重塑的主要理論依據(jù)是“師法自然”，即學(xué)習(xí)受當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥?、植被、水文條件影響下的自然地表形態(tài)，并應(yīng)用其重塑礦區(qū)損毀地形。筆者以內(nèi)蒙古勝利礦區(qū)為研究區(qū)，為設(shè)計(jì)出適宜勝利礦區(qū)自然條件的排土場(chǎng)邊坡模型，將研究區(qū)內(nèi)未受采礦擾動(dòng)的自然地表形態(tài)的關(guān)鍵特征參數(shù)化并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析其特征參數(shù)之間的相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相適應(yīng)，土壤損失量較小的近自然邊坡模型。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)勝利礦區(qū)(圖1)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市西北部，錫林河以西的緩坡丘陵干草原與河谷沖積、湖積平原的過渡帶,西部屬緩坡丘陵,東部為河谷、湖積平原。氣候類型屬中溫帶半干旱、干旱大陸性季風(fēng)氣候[22]。勝利礦區(qū)排土場(chǎng)共5層臺(tái)階，每層臺(tái)階高15 m，邊坡角為33°，排土場(chǎng)整體坡角為17°。由于排土場(chǎng)簡(jiǎn)單的采用階梯式方法構(gòu)建，長(zhǎng)期受到雨水的沖刷侵蝕，土壤受侵蝕強(qiáng)度遠(yuǎn)大于周邊自然環(huán)境，由此導(dǎo)致排土場(chǎng)邊坡已經(jīng)出現(xiàn)溝蝕、垮塌等現(xiàn)象。

圖1 研究區(qū)區(qū)位Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 DEM數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為4月，進(jìn)行邊坡特征參數(shù)提取的參照區(qū)位于勝利礦區(qū)內(nèi)的自然區(qū)域，其中陡坡提取區(qū)域位于勝利礦區(qū)西北部，緩坡提取區(qū)域位于勝利礦區(qū)西部。在研究區(qū)未受采礦擾動(dòng)的自然區(qū)域內(nèi)，使用大疆精靈3無人機(jī)獲取高精度的地面數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)范圍為3 000 m×3 000 m，像元大小為0.068 m×0.068 m。

2.2 邊坡特征參數(shù)提取及邊坡模型構(gòu)建

在Arcmap10.2中對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼后進(jìn)行坡向分析和獲取等高線兩部分處理，進(jìn)行這兩部分處理的原因是坡向分析后的圖像可較為清晰的顯示出分水嶺，而等高線分布可以顯示出參照區(qū)域的坡度。以此為基準(zhǔn)獲取自然地形部分的邊坡剖面線，通過邊坡剖面線提取可知?jiǎng)倮V區(qū)自然地形部分的主要邊坡類型為反S型邊坡，共提取出52組反S型邊坡剖面線，其中包括28組陡坡部分的邊坡剖面線及24組緩坡部分的邊坡剖面線。

反S型邊坡以拐點(diǎn)為分界處分為上側(cè)的凸起部分和下側(cè)的凹陷部分。反S型邊坡與其他類型邊坡有部分共同的邊坡特征參數(shù)，包括坡高、坡長(zhǎng)、凸面曲率和凹面曲率，但反S型邊坡與其他類型邊坡的不同之處在于其凸起部分和凹陷部分存在拐點(diǎn)，因此這兩部分分別在水平面和鉛垂面上有不同的占比。為此筆者提出了凸面水平占比和凸面豎直占比兩個(gè)新的邊坡特征參數(shù)，通過這兩個(gè)參數(shù)可以確定拐點(diǎn)在邊坡上的位置，進(jìn)而可以確定反S型邊坡的具體形狀。

根據(jù)剖面線數(shù)據(jù)計(jì)算反S型邊坡的特征參數(shù)，包括坡高、坡長(zhǎng)、凸面曲率、凹面曲率、凸面水平占比、凸面垂直占比。其中，坡高指邊坡坡面在鉛垂面上的投影距離，坡長(zhǎng)指邊坡坡面在水平面上的投影距離，凸/凹面曲率指邊坡凸起/凹陷部分形成的圓弧的曲率，凸面水平占比指邊坡上側(cè)凸起部分在水平面上的投影長(zhǎng)度占坡長(zhǎng)的百分比，凸面豎直占比指邊坡凸起部分在鉛垂面上的投影長(zhǎng)度占坡高的比例，根據(jù)這些邊坡特征參數(shù)可確定反S型邊坡的坡形。分析邊坡特征參數(shù)之間的相關(guān)性，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)建勝利礦區(qū)自然邊坡的邊坡模型。

2.3 邊坡土壤損失量對(duì)比

利用土壤水蝕預(yù)報(bào)模型WEPP對(duì)構(gòu)建的自然邊坡模型和勝利礦區(qū)原排土場(chǎng)邊坡模型進(jìn)行土壤水蝕分析。WEPP模型在進(jìn)行模擬時(shí)需要?dú)庀蟆⑼寥兰爸脖桓采w情況等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中氣象數(shù)據(jù)以研究區(qū)2016年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用氣候發(fā)生器CLIGEN生成模型所需要的氣象數(shù)據(jù)文件。土壤數(shù)據(jù)包括沙粒含量、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、石礫含量、陽(yáng)離子交換量及土壤容重，將這些數(shù)據(jù)輸入WEPP中即可生成土壤數(shù)據(jù)文件。由于本次研究主要考慮反S型邊坡模型與原排土場(chǎng)邊坡模型之間土壤損失量的差異，為控制變量先假設(shè)邊坡坡面的植被覆蓋程度為0，即全部為裸地的情況。在確定了氣象、土壤、植被覆蓋情況等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，通過對(duì)比不同坡高、不同模擬年份條件下反S型邊坡模型和原排土場(chǎng)模型的土壤損失量和土壤流失曲線圖，以驗(yàn)證構(gòu)建的近自然邊坡模型的適用性。

3 研究結(jié)果

3.1 邊坡特征參數(shù)相關(guān)性分析

為得到勝利礦區(qū)自然邊坡特征參數(shù)之間的擬合公式，首先需要分析這些邊坡特征參數(shù)之間的相關(guān)性。在利用SPSS進(jìn)行相關(guān)性分析之前，由于選取的邊坡特征參數(shù)有可能存在偏離一般規(guī)律的數(shù)值，因此首先要對(duì)偏離值進(jìn)行去除。在去除了偏離值之后，根據(jù)坡高和坡長(zhǎng)的關(guān)系制作散點(diǎn)圖(圖2)，根據(jù)圖像可看出，勝利礦區(qū)緩坡部分與陡坡部分有著不同的規(guī)律，因此需要對(duì)兩部分分別進(jìn)行分析。

圖2 坡高對(duì)坡長(zhǎng)的散點(diǎn)Fig.2 Scatter plot and fitting curves of slope height to slope length

陡坡部分的邊坡剖面線坡度在22%～46%，對(duì)陡坡部分的邊坡特征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，坡高與坡長(zhǎng)、凸面水平占比與凸面豎直占比在0.01水平上顯著相關(guān);坡長(zhǎng)與凸面曲率、坡長(zhǎng)與凹面曲率在0.05水平上顯著相關(guān)。

緩坡部分的邊坡剖面線坡度在6%～10%，對(duì)緩坡部分的邊坡特征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，坡高與坡長(zhǎng)、凸面曲率與凹面曲率、凸面水平占比與凹面豎直占比分別在0.01水平上顯著相關(guān)。

3.2 邊坡模型構(gòu)建

3.2.1陡坡部分邊坡模型構(gòu)建

根據(jù)陡坡部分邊坡特征參數(shù)之間的相關(guān)性分析，選取坡高對(duì)坡長(zhǎng)、坡長(zhǎng)對(duì)凸面曲率和凹面曲率、凸面水平占比對(duì)凸面豎直占比這4組相關(guān)特征參數(shù)進(jìn)行曲線擬合，通過這種擬合得到的公式組，可以得到一個(gè)以坡高為自變量的近自然邊坡模型。在進(jìn)行曲線擬合之前，為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，將提取兩組數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。在曲線擬合的過程中(圖3)，通過分析R2值，參數(shù)的T檢驗(yàn)和方差的F檢驗(yàn)后，分別得到了4組相關(guān)特征參數(shù)的擬合式:

s=e3.829+0.024d

(1)

qt=e2.530-0.007s

(2)

qa=e2.039-0.011s

(3)

zt=e-2.219+2.673pt

(4)

式中，d為坡高;s為坡長(zhǎng);qt為凸面曲率;qa為凹面曲率;pt為凸面水平占比;zt為凸面豎直占比。

圖3 陡坡部分邊坡特征參數(shù)擬合Fig.3 Slope characteristic parameter fitting diagram of steep part

其中由于凸面水平占比和凸面豎直占比與其他邊坡特征參數(shù)沒有相關(guān)性，而最終的邊坡模型只能有坡高一個(gè)自變量，為獲取特征規(guī)律應(yīng)盡量采取與自然邊坡特征參數(shù)相近的數(shù)值，因此求取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)凸面水平占比的均值為46.82%，根據(jù)式(4)計(jì)算凸面豎直占比的參考值為38.01%。由此構(gòu)建出陡坡部分的自然邊坡模型。將驗(yàn)證數(shù)據(jù)的坡高代入模型中，所得到的坡長(zhǎng)、凸面曲率和凹面曲率數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相差幅度均低于10%，可說明模型的準(zhǔn)確性。

3.2.2緩坡部分邊坡模型構(gòu)建

根據(jù)緩坡部分邊坡特征參數(shù)的相關(guān)性分析，分別選取坡高對(duì)坡長(zhǎng)、凸面曲率對(duì)凹面曲率、凸面水平占比對(duì)凹面豎直占比這3組相關(guān)特征參數(shù)進(jìn)行曲線擬合(圖4)。同樣提取出兩組數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證，用上述方法擬合出了3組特征參數(shù)的擬合式:

s=e3.782+0.103d

(5)

qa=e0.24-0.443qt

(6)

zt=e-1.187+0.736pt

(7)

同樣對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的凸面曲率和凸面水平占比求取均值，并按照式(6)，(7)計(jì)算凹面曲率和凸面豎直占比的數(shù)值。經(jīng)計(jì)算的凸面曲率參考值為1.41×10-3，凹面曲率為0.69×10-3，凸面水平占比為52.39%，凸面豎直占比為45.26%。

3.3 反S型邊坡模型與原排土場(chǎng)邊坡模型對(duì)比

考慮到實(shí)際情況，由于在進(jìn)行排土場(chǎng)邊坡重塑時(shí)不可能按照緩坡的坡度進(jìn)行放坡處理，而陡坡部分邊坡模型的坡度與原排土場(chǎng)邊坡相近，為此在對(duì)比分析時(shí)使用陡坡部分邊坡模型與原排土場(chǎng)邊坡模型進(jìn)行分析。在進(jìn)行水蝕分析的時(shí)候，為確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)當(dāng)對(duì)除坡型因素外的其他變量進(jìn)行控制，主要包括邊坡高度，土壤類型，氣候數(shù)據(jù)，植被覆蓋以及模擬年份。為了使分析結(jié)果更加符合原排土場(chǎng)的實(shí)際情況，在進(jìn)行水蝕分析模擬時(shí)，應(yīng)當(dāng)以一個(gè)或者數(shù)個(gè)臺(tái)階的高度作為基準(zhǔn)考慮。在綜合考慮邊坡設(shè)計(jì)需要的基礎(chǔ)上，筆者最終選取邊坡高度分別為15，30，45和60 m來構(gòu)建不同的邊坡模型。而在模擬年份這一變量中，由于邊坡形狀或許會(huì)因?yàn)槌Ｄ晔艿角治g而發(fā)生改變，導(dǎo)致土壤損失量發(fā)生變化，因此需要?jiǎng)澐植煌哪M年份。本次分析將以1，10和50 a分別進(jìn)行水蝕分析。分析結(jié)果見表1。

圖4 緩坡部分邊坡特征參數(shù)擬合Fig.4 Slope characteristic parameter fitting diagram of gentle part

表1 不同邊坡的特征參數(shù)及年均土壤損失量
Table 1 Characteristic parameters annual soil loss of each slope

參數(shù)原排土場(chǎng)邊坡反S型邊坡坡高/m1530456015304560坡長(zhǎng)/m56.86113.72170.58227.4465.9694.54135.50194.22邊坡特征參數(shù)凸面曲率/10-3————7.916.484.863.22凹面曲率/10-3————3.722.721.730.91凸面水平占比/%————46.8246.8246.8246.82凸面豎直占比/%————38.0138.0138.0138.011 a23.9348.5072.1495.3917.0031.8642.2750.64土壤損失量/(kg·m-2)10 a32.0765.4696.40127.9021.6741.1854.0559.9150 a35.0071.78106.30141.2023.3544.3258.7065.65

由表1可知，在模擬坡高為15 m時(shí)，反S型邊坡1，10，50 a的土壤損失量分別為原排土場(chǎng)邊坡的71.04%,67.57%,66.71%；在模擬坡高為30 m時(shí)，反S型邊坡1,10,50 a的土壤損失量分別為原排土場(chǎng)邊坡的65.69%,62.91%,61.74%；在模擬坡高為45 m時(shí)，反S型邊坡1,10,50 a的土壤損失量分別為原排土場(chǎng)邊坡的58.59%,56.07%,55.22%；在模擬坡高為60 m時(shí)，反S型邊坡1,10,50 a的土壤損失量分別為原排土場(chǎng)邊坡的53.09%,46.84%,46.49%。

在對(duì)各個(gè)坡型的年均土壤損失量進(jìn)行了對(duì)比分析后，為了對(duì)不同坡型土壤流失的分布情況進(jìn)行對(duì)比，還需要根據(jù)兩種坡型的土壤流失曲線圖進(jìn)行分析，圖5分別為模擬年份為1 a，邊坡高度為30 m的條件下兩種坡型的土壤流失曲線圖。其中紅色的曲線表示坡面剖面線，綠線表示坡面上相應(yīng)點(diǎn)的侵蝕情況，灰色的面積圖形在Y軸上的數(shù)值為實(shí)際上的土壤流失量或土壤沉積量。

圖5 原排土場(chǎng)邊坡和反S型邊坡的土壤流失曲線Fig.5 Soil loss curves of the slope of the original dump and anti-s slope

根據(jù)原排土場(chǎng)邊坡模型的土壤流失曲線圖(圖5(a))可知，原排土場(chǎng)邊坡的土壤流失從第1坡面開始，而在第2平臺(tái)上有土壤顆粒的沉積，由此可看出平臺(tái)設(shè)置對(duì)邊坡保土能力有一定的影響。但在第2坡面位置，土壤損失量比第1坡面位置提升了一倍左右，而最終在第2坡面底部土壤損失量達(dá)到最大，最大分離量為116 kg/m2。

根據(jù)反S型邊坡模型的土壤流失曲線圖(圖5(b))中可知，邊坡的土壤損失量從坡頂開始增長(zhǎng)，在到達(dá)邊坡長(zhǎng)度50 m左右的時(shí)候在47 kg/m2處上下波動(dòng)并保持到坡底。最大分離量為48.4 kg/m2。而在邊坡長(zhǎng)度為51.5 m處的位置土壤損失量有一個(gè)驟減，之后繼續(xù)增加。由于此位置接近反S型邊坡凸起部分和凹陷部分的拐點(diǎn)位置，因此推測(cè)出現(xiàn)此峰值的原因是此位置剖面曲率趨于平緩，地表徑流流速減慢，導(dǎo)致地表徑流中攜帶的土壤顆粒得以沉降，在此處部分堆積使得土壤損失量減少。

4 討 論

4.1 反S型邊坡與其他類型邊坡的對(duì)比

由于自然地形的復(fù)雜性，在勝利礦區(qū)未受采礦擾動(dòng)的自然區(qū)域內(nèi)對(duì)邊坡剖面線進(jìn)行提取時(shí)，獲得的坡型并不只有反S型邊坡一種。陡坡部分在提取過程中總共獲得60條邊坡剖面線(圖1)，其中反S型邊坡28條，凸型邊坡21條，S型邊坡6條，凹型邊坡4條，直線型邊坡1條，反S型邊坡和凸型邊坡分別占邊坡提取總數(shù)的46.67%和35%。緩坡部分在提取過程中總共獲得55條邊坡剖面線，其中反S型邊坡24條，凸型邊坡15條，S型邊坡3條，凹型邊坡6條，直線型邊坡7條，反S型邊坡和凸型邊坡分別占邊坡提取總數(shù)的43.63%和27.28%。由于后3種邊坡在本次提取中獲得的數(shù)量過少，可以認(rèn)為其并非為勝利礦區(qū)自然邊坡的主要坡型。而在對(duì)凸型邊坡進(jìn)行特征參數(shù)提取和邊坡模型構(gòu)建并進(jìn)行水蝕分析后，發(fā)現(xiàn)該邊坡模型的土壤損失量高于反S型邊坡，因此采用反S型邊坡模型對(duì)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在對(duì)陡坡部分反S型邊坡進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí)，統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的凸面水平占比并求取均值為46.82%，根據(jù)凸面水平占比和凸面豎直占比的擬合式(4)，計(jì)算得出凸面豎直占比為38.01%，即凹面部分的豎直占比為61.99%，十分接近61.80%。這表明陡坡部分的反S型邊坡模型，其凸面向凹面過渡的拐點(diǎn)在坡高方向上的投影位置在黃金分割點(diǎn)左右。據(jù)此可以推測(cè)，自然界的反S型邊坡，其凹面部分和凸面部分在豎直方向上的拐點(diǎn)位于黃金分割點(diǎn)附近，蘊(yùn)含著豐富的美學(xué)價(jià)值。

4.2 反S型邊坡的保土能力和長(zhǎng)期穩(wěn)定性

保土能力是評(píng)價(jià)邊坡模型優(yōu)劣的重要依據(jù)。邊坡的保土能力越強(qiáng)，土壤損失量越少，其穩(wěn)定性就越高。隨著坡高的增加，無論是原排土場(chǎng)邊坡模型還是反S型邊坡模型的年均土壤損失量都有一定程度的提升。原排土場(chǎng)邊坡模型在坡高分別為30,45,60 m時(shí)的1 a年均土壤損失量分別比15 m時(shí)的1 a年均土壤損失量增加了102.67%,201.46%,298.62%，而反S型邊坡模型同等條件下的增加百分比分別為87.41%,148.65%,197.88%，相較于原排土場(chǎng)邊坡模型分別減少了15.26%,52.82%,100.74%，并且原排土場(chǎng)邊坡模型的年均土壤損失量增幅差異不大，而反S型邊坡模型的年均土壤損失量增幅呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。這表明隨著坡高的增加，反S型邊坡模型的保土能力相較于原排土場(chǎng)邊坡模型越來越強(qiáng)。

另一方面，隨著模擬年份的增加，兩種邊坡模型的年均土壤損失量都有一定程度的提升，這可能是因?yàn)檫吰略诮?jīng)歷數(shù)年的侵蝕導(dǎo)致邊坡形狀發(fā)生改變后，其保土能力有所下降，因此邊坡模型的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)依據(jù)。隨著模擬年份的增加，邊坡模型在不同坡高條件下的年均土壤損失量增加百分比相差不多，如原排土場(chǎng)模型在坡高為15,30,45,60 m的10 a年均土壤損失量相較于1 a年均土壤損失量增加百分比分別為34.02%,34.97%,33.63%,34.08%，故可以用均值代替。原排土場(chǎng)邊坡模型各坡高條件下的10 a年均土壤損失量相較于1 a年均土壤損失量提升了34.17%左右，50 a年均土壤損失量相較于1 a年均土壤損失量提升了47.41%左右;而反S型邊坡模型分別提升了28.2%和38.44%左右。這表明反S型邊坡模型在長(zhǎng)時(shí)間尺度下的保土能力優(yōu)于原排土場(chǎng)邊坡模型。

4.3 近自然邊坡模型的應(yīng)用和局限

地面坡度越小，地表越平緩，其受侵蝕的影響效果也就越低[23]，從這種角度而言使用緩坡部分的邊坡模型貌似是最佳選擇。但考慮到實(shí)際情況，現(xiàn)有排土場(chǎng)的坡角為17°，若把坡度放緩到緩坡部分(大多<10%)，那將占用坡底部分極多的土地，與實(shí)際情況不符。而陡坡部分的反S型邊坡模型，其坡角與原排土場(chǎng)的坡角相近，但其保土能力和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的提升效果十分顯著，故使用陡坡部分的反S型邊坡模型對(duì)勝利礦區(qū)排土場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)是可行的。

本文構(gòu)建邊坡模型的方法不僅適用于排土場(chǎng)邊坡，還可用于自然地形和設(shè)計(jì)地形的銜接區(qū)域。長(zhǎng)久以來，各近自然重塑研究都著眼于以流域?yàn)橹鞯恼w地形構(gòu)建[24]，而構(gòu)建形成的地形往往與自然地形不能很好的進(jìn)行銜接。本文使用的邊坡模型構(gòu)建方法為解決設(shè)計(jì)地形與自然地形的銜接問題提供了一種思路，即根據(jù)研究區(qū)周邊自然地形的邊坡特征參數(shù)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)建出自然地形和設(shè)計(jì)地形的過渡區(qū)，使得設(shè)計(jì)地形能較好的與自然地形進(jìn)行銜接，與當(dāng)?shù)氐牧饔虻孛蚕鄥f(xié)調(diào)。

另一方面，本文構(gòu)建邊坡模型的方法也可用于礦區(qū)復(fù)墾規(guī)劃中的排土場(chǎng)設(shè)計(jì)。根據(jù)開采前獲取的埋深、采深、采厚等地質(zhì)信息估算外排土場(chǎng)的土方量，計(jì)算松散系數(shù)和下沉系數(shù)后設(shè)計(jì)外排土場(chǎng)高度，利用本文所構(gòu)建的近自然邊坡模型對(duì)外排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于采掘區(qū)域的煤層埋深和采深一般具有空間異質(zhì)性，可以利用本文構(gòu)建的近自然邊坡模型將內(nèi)排土場(chǎng)重塑為近自然地形而非傳統(tǒng)復(fù)墾模式中的平地，并對(duì)內(nèi)、外排土場(chǎng)與周圍地貌的銜接區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，將具有一定高度差的銜接區(qū)域設(shè)計(jì)成近自然的反S型邊坡，使其能與周圍的自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。

本文對(duì)邊坡模型保土能力的評(píng)價(jià)是基于WEPP土壤水蝕預(yù)報(bào)模型進(jìn)行的。該模型的優(yōu)點(diǎn)是能在短時(shí)間內(nèi)模擬不同時(shí)間尺度下的土壤侵蝕過程，相較于野外不同時(shí)段實(shí)測(cè)來進(jìn)行對(duì)比的方法而言，簡(jiǎn)化了研究過程并降低了研究難度。但應(yīng)用WEPP模型進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法存在一定的局限性。一方面，WEPP模型是基于美國(guó)本土環(huán)境開發(fā)的水蝕模型，因此在很多文獻(xiàn)中提到過WEPP模型的模擬過程中有部分經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，雖然通過氣候、土壤等數(shù)據(jù)能減弱這些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的影響，但還是有可能造成模擬結(jié)果上的誤差。另一方面，WEPP模型是基于水力侵蝕進(jìn)行的預(yù)報(bào)模型，對(duì)以水力侵蝕為主的勝利礦區(qū)而言適用性較好，但對(duì)于風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕影響效果遠(yuǎn)大于水力侵蝕的區(qū)域，WEPP模型的預(yù)測(cè)結(jié)果可能與實(shí)際結(jié)果有偏差。

5 結(jié) 論

(1)勝利礦區(qū)自然區(qū)域內(nèi)邊坡類型主要為反S型邊坡。通過對(duì)邊坡形態(tài)進(jìn)行分析，提出了反S型邊坡不同于其他類型邊坡的兩個(gè)邊坡特征參數(shù)，即凸面水平占比和凸面豎直占比。分別對(duì)陡坡部分和緩坡部分的反S型邊坡的邊坡特征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，陡坡部分邊坡特征參數(shù)的坡高與坡長(zhǎng)、凸面水平占比與凸面豎直占比、坡長(zhǎng)與凸面曲率、坡長(zhǎng)與凹面曲率顯著相關(guān);緩坡部分邊坡特征參數(shù)的坡高與坡長(zhǎng)、凸面曲率與凹面曲率、凸面水平占比與凹面水平占比顯著相關(guān)。

(2)在對(duì)邊坡特征參數(shù)進(jìn)行擬合后分別得出陡坡部分和緩坡部分的反S型邊坡模型，并發(fā)現(xiàn)陡坡部分的反S型邊坡模型，其凸面和凹面在豎直方向上的占比符合黃金比例。考慮到實(shí)際情況，確定了以陡坡部分反S型邊坡模型與原排土場(chǎng)邊坡模型進(jìn)行對(duì)比分析。

(3)在WEPP模型中輸入勝利礦區(qū)的氣候、土壤、植被覆蓋等數(shù)據(jù)，對(duì)不同坡高、不同模擬年份條件下反S型邊坡模型和原排土場(chǎng)邊坡模型進(jìn)行了水蝕分析，得到了兩種邊坡模型的土壤損失量及土壤流失曲線圖。結(jié)果表明隨著坡高和模擬年份的增加，反S型邊坡模型的保土能力和長(zhǎng)期穩(wěn)定性明顯優(yōu)于原排土場(chǎng)邊坡模型，驗(yàn)證了反S型邊坡模型在排土場(chǎng)邊坡設(shè)計(jì)中的適用性。

(4)本文基于自然邊坡特征參數(shù)構(gòu)建近自然邊坡模型的方法不僅適用于排土場(chǎng)坡形設(shè)計(jì)，也為解決礦區(qū)土地復(fù)墾活動(dòng)中設(shè)計(jì)地形與自然地形的銜接問題提供了一種思路，可作為其他地區(qū)進(jìn)行地形重塑的理論依據(jù)。