喀斯特廢棄礦區(qū)近自然地形重塑模擬

劉 賢，李月臣，陳群利，邱 盈，張鵬飛，游 萍

(1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院，貴州 畢節(jié) 551700；2.西南大學 地理科學學院，重慶 400715)

礦產(chǎn)資源作為人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，受到世界各國廣泛重視。礦產(chǎn)資源產(chǎn)業(yè)是我國很多地區(qū)的重要支柱性產(chǎn)業(yè)，其開發(fā)利用推動了社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平改善。然而，過去由于受經(jīng)濟利益的驅(qū)動而缺乏對環(huán)境保護重視，導致礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[1]、生物多樣性破壞[2]、可利用土地資源減少[3]等一系列生態(tài)問題，嚴重制約礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。近年來，隨著生態(tài)保護意識和力度的增強，在土壤改良[4]、植被恢復(fù)[5]和采礦產(chǎn)生的廢棄物綜合利用[6]等方面的研究受到廣泛關(guān)注，已形成比較完整的理論與技術(shù)體系。

地形作為土壤重構(gòu)和植被重建的載體與骨架，其穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性決定了在廢棄礦區(qū)能否重建一個具有自我維護能力并與周圍生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系起來的生態(tài)系統(tǒng)。西方發(fā)達國家較早認識到采礦對生態(tài)系統(tǒng)的影響[7，8]，肯定了地形重塑在生態(tài)修復(fù)中的重要地位。在方法上，先后采用了從坡度恒定的梯田式分級的傳統(tǒng)地形設(shè)計方法[9，10]、以地貌學理論為主的近似原始輪廓(AOC)方法[11]、以The Platform-Bank 模型和Geofluv模型等為代表的地形設(shè)計[12](GLD)。相關(guān)研究表明：重塑后的地形侵蝕是造成礦山修復(fù)失敗的主要原因[13]。傳統(tǒng)階梯狀階地的修復(fù)方式中，地形的統(tǒng)一性導致較少的生態(tài)位和較差的穩(wěn)定性[14]；AOC方法創(chuàng)建的地形在地質(zhì)上穩(wěn)定，但在生態(tài)性上較弱[11]；GLD方法通過模仿自然地形的地形，傾向于構(gòu)建具有自我維持能力的功能性生態(tài)系統(tǒng)，該方法被科學界廣泛接受[12]。

國內(nèi)煤礦生態(tài)修復(fù)研究起步較晚，研究多集中于土地復(fù)墾[15]、生態(tài)補償與保證金[16]、植物修復(fù)重金屬污染[17，18]、地質(zhì)災(zāi)害治理[19，20]、綠色礦山與礦山公園建設(shè)[21，22]、土地利用和景觀格局變化[23，24]等方面，在廢棄煤礦地地形重塑方面研究較少，且多采用階梯狀地形進行修復(fù)，鮮有對重塑后地形穩(wěn)定性長期跟蹤監(jiān)測評價。有極少部分研究采用GeoFluv模型對廢棄礦區(qū)進行了地形重建[4，25]，結(jié)果證明了該模型在重塑穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的地形方面有一定的積極作用，但缺乏從流域的角度，以及對喀斯特地區(qū)地形的獨特性與復(fù)雜性的考慮。

現(xiàn)有研究極大地豐富了礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建的理論和方法，為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供了多角度的研究思路，但多集中于土壤重建與植被恢復(fù)，專門針對地形重塑的研究很少，且缺少流域的全局觀念及對喀斯特特殊地形的考慮，構(gòu)造的地形或多或少地存在景觀不協(xié)調(diào)、連接性差、穩(wěn)定性不夠等問題。貴州省廢棄煤礦地眾多，其生態(tài)修復(fù)與資源再利用是實現(xiàn)“大扶貧、大生態(tài)”的戰(zhàn)略需求，礦山生態(tài)修復(fù)兼具喀斯特地貌的獨特性和經(jīng)濟發(fā)展的復(fù)雜性。因此，本研究選擇金沙縣金鳳煤礦作為研究對象，利用3S技術(shù)、GeoFluv等方法，選擇鄰近處于侵蝕平衡狀態(tài)的成熟地形作為參考，兼顧喀斯特地區(qū)的獨特性和復(fù)雜性，在廢棄煤礦地重塑具有長期的抗侵蝕穩(wěn)定性、在生態(tài)和視覺上融入周圍不受干擾的地形，并對其地形特征和挖填方量進行估算。以期為大量類似廢棄礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的地形重塑提供方法參考和示范。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

本文研究區(qū)為貴州省金沙縣金鳳煤礦的排土場、沉陷區(qū)、煤矸石堆放場、開采坑、道路等廢棄地，面積共1.42km2，為構(gòu)造剝蝕溶蝕中山地形，礦區(qū)地勢總體為南高北低，高程介于1330～1565m之間。屬北亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫13.4℃，年日照時數(shù)為1098h，年平均降雨量775.7mm，降雨主要集中在每年的四至九月。早期礦區(qū)內(nèi)由于居民無序私挖亂采，導致山體破損嚴重，后續(xù)采礦活動也導致一定的土地裂縫、地面塌陷、植被破壞、水土流失、水污染、石漠化、地形景觀破壞等系列問題。本文所需數(shù)據(jù)主要為DEM數(shù)據(jù)，是按照無人機圖像采集、生成密集點云、生成3D模型、生成紋理、生成DEM等流程制作得到精度為1m的DEM數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 地形復(fù)雜度分析方法

摸清研究區(qū)地形現(xiàn)狀，是地形重塑的基礎(chǔ)。本文在已有研究[26，27]基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)實際，選擇可表征地形基本特征和多樣性變化的海拔高度(E)、坡度(S)和地表粗糙度(R)作為評價指標，在對各因子進行歸一化消除量綱影響后，采用以下方式構(gòu)建地形復(fù)雜度評價方法對研究區(qū)地形現(xiàn)狀進行綜合評價。

C=λ1E+λ2S+λ3R

式中，C為地形復(fù)雜度；海拔高度E為地面某點沿鉛垂線方向到海平面的距離，使用數(shù)字高程模型(DEM)表示；坡度S表示研究區(qū)地形的陡緩程度，利用DEM計算得到；地表粗糙度R為局部區(qū)域地形的曲面表面積與其在水平面上的投影面積之比；λ為各指標權(quán)重，參照牛叔文等[27]研究設(shè)定，λ1、λ2、λ3分別是0.3、0.3和0.4。

2.2 地形設(shè)計原則與方法

本文采用GeoFluv模型進行地形設(shè)計[28]，該模型是由Nicholas Bugosh提出的一種受專利保護的地形設(shè)計方法。它基于坡度和河流地貌原理算法，通過從研究區(qū)附近的穩(wěn)定參考地形獲取特征值。這些特征值是參考地形在當?shù)氐耐寥?、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、氣候和植被等綜合條件下，通過長時間的侵蝕過程演變成穩(wěn)定狀態(tài)后的物理特征的度量。將其用作設(shè)計與穩(wěn)定參考地形相似的地形設(shè)計的輸入，旨在設(shè)計出與參考地形類似，且符合研究區(qū)氣候和自然條件的自然、成熟穩(wěn)定的地形。

2.2.1 設(shè)計原則

為重建成熟穩(wěn)定、與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)融洽的地形，以及最大程度地減少地形的挖填方量，在進行地形設(shè)計時，應(yīng)遵循以下原則：

1)因地制宜，經(jīng)濟節(jié)約。地形設(shè)計在滿足目標要求條件下，應(yīng)盡量利用原有地形，盡量避免龐大的挖填方，以保證地基穩(wěn)定和減少侵蝕，同時節(jié)約人力、物力和財力。

2)生態(tài)優(yōu)先，相互聯(lián)系。廢棄煤礦區(qū)人口少，且存在地質(zhì)災(zāi)害、土壤污染、水污染等隱患，所以地形設(shè)計不考慮人類活動需要，以生態(tài)恢復(fù)為主。同時，充分發(fā)揮地形與周圍環(huán)境的連接作用，使其與周圍環(huán)境有機聯(lián)系，做到生態(tài)、和諧、整體，以便后期形成具有與周圍自然過程完整融合、具有自我維護能力的生態(tài)系統(tǒng)。

3)穩(wěn)定為主。流水侵蝕、采空區(qū)、喀斯特地貌等是造成地形不穩(wěn)定的主要因素，流水侵蝕在地形設(shè)計階段可以通過設(shè)計大小合適的流域和密度合理的溝道來減少流水侵蝕，而采空區(qū)和喀斯特溶洞則在地形設(shè)計后的施工階段，通過采空區(qū)揭露，渣土石方回填和黏土回填等方式降低地形的不穩(wěn)定性。

2.2.2 設(shè)計流程與方法

設(shè)計過程中，統(tǒng)籌兼顧設(shè)計原則及研究區(qū)實際，進行如下設(shè)計(圖1)。第一步：結(jié)合廢棄煤礦區(qū)地形現(xiàn)狀和參考流域特征值對廢棄煤礦區(qū)流域及溝道進行重新規(guī)劃。參考流域選取需滿足其巖性、氣候、土壤和植被等環(huán)境因子與研究區(qū)類似的條件，且要求穩(wěn)定性較好。而參考流域的特征值，根據(jù)GeoFluv模型的參數(shù)，以及流域地形形態(tài)相似性評價的需要，參考承繼成[29]、Morisawa[30]等研究和計算方法，選取可表征流域的形狀特征、結(jié)構(gòu)特征和河道幾何特征的主溝道長度、流域面積、溝道密度、流域圓度、高程差和平均坡度等作為流域形態(tài)的特征值。在此基礎(chǔ)上，參考研究區(qū)現(xiàn)狀和參考流域特征值確定研究區(qū)流域大小和范圍，然后再確定各個流域的溝道。其中，優(yōu)先確定主溝道位置，所有溝道均由參考流域和研究區(qū)實際共同決定，且要兼顧上游的徑流量。第二步：以流域及溝道規(guī)劃數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以參考流域特征值作為研究區(qū)重塑的目標值，利用GeoFluv模型，分別對研究區(qū)子流域進行地形近自然重塑。第三步：重塑地形質(zhì)量檢查。通過重塑地形結(jié)果特征值與參考流域特征值對比、挖填方量計算、3D地形查看等綜合判斷重塑地形質(zhì)量。符合要求則進行地形等高線、3D視圖等結(jié)果的輸出，用以指導工程實施。如果不符合要求，則進行相關(guān)參數(shù)及溝道的調(diào)整，直到符合要求為止。第四步：導出3D設(shè)計以指導施工。

圖1 地形重塑流程圖

2.3 重塑地形特征值分析與挖填方計算

從流域的形狀特征、結(jié)構(gòu)特征、河道幾何特征等維度，選取表征河道幾何特征的溝道密度、主溝道長度，表征形狀特征的流域面積、流域圓度，以及表征流域結(jié)構(gòu)的高差和坡度等作為表征地形特征的指標，進行重塑后地形特征值與參考流域進行比較，以判定二者相似度。

挖填方量方面，通過不規(guī)則三角網(wǎng)TIN來計算生成重塑后地形的挖填方量，并計算挖方和填方比值cf(%)，以表示挖填方平衡程度；cf值為100%表示切割和填充平衡；值大于100%，表示創(chuàng)建表面所需切割的材料要比需要填充的材料多(cf-100)%；值小于100%，表示創(chuàng)建表面所需割的材料要比需要填充的材料少(cf-100)%。

3 重塑結(jié)果與評價

3.1 廢棄煤礦地形復(fù)雜度分析

由地表復(fù)雜度公式得到研究區(qū)地形復(fù)雜度評價結(jié)果(圖2)?？傮w上，廢棄煤礦區(qū)地形的復(fù)雜程度由北向南逐漸升高，高復(fù)雜度區(qū)域條帶性特征明顯。說明由北向南地表起伏程度、粗糙程度和土壤侵蝕程度逐漸增高。北部復(fù)雜度較低是由于該地區(qū)前期已進行推土平整處理，地勢比較平坦。大量呈條帶狀的高復(fù)雜度區(qū)域主要是采礦活動產(chǎn)生的煤矸石、廢渣的壓占，以及采土作業(yè)形成大量條帶狀的陡峭邊坡。復(fù)雜度評價是流域及溝道規(guī)劃中流域范圍、溝道位置及走向確定的重要參考。由研究區(qū)遙感影像現(xiàn)狀圖(圖3)可以看出，地形復(fù)雜度綜合評價結(jié)果與實際情況相符。

圖2 地形復(fù)雜度綜合評價

圖3 研究區(qū)遙感影像現(xiàn)狀

3.2 廢棄煤礦區(qū)地形近自然重塑

3.2.1 參考流域選取及特征計算

為保證選取的未干擾流域具有完整性，在確定未干擾區(qū)域前，需對擬選區(qū)域進行流域提取。匯流面積閾值對提取流域、水系影響較大，采用匯流面積閾值與河網(wǎng)密度折線圖尋找拐點的方式確定最佳河網(wǎng)提取閾值為15000，以此作為匯流面積閾值提取流域及河網(wǎng)。由于提取的流域小且繁多，結(jié)合河網(wǎng)，根據(jù)實際情況進行流域調(diào)整。根據(jù)前述參考區(qū)選取要求，考慮到鄰近區(qū)域水文、氣候等特征相似，且未發(fā)現(xiàn)大面積的侵蝕存在，總體上比較穩(wěn)定，特選擇如圖4所示區(qū)域作為本研究的參考流域，共包含6個子流域。

圖4 鄰近參考流域空間分布

根據(jù)GeoFluv模型的參數(shù)，以及流域地形形態(tài)相似性評價的需要，分別計算出主溝道長度、流域面積、溝道密度、流域圓度、高程差和平均坡度共6個指標值見表1，這些指標是研究區(qū)地形重塑的目標值。

表1 鄰近未擾動子流域地形形態(tài)特征

3.2.2 廢棄煤礦區(qū)流域及溝道規(guī)劃與重塑

根據(jù)前文所述流域及溝道規(guī)劃原則和方法，綜合考慮地形現(xiàn)狀、地形復(fù)雜度和參考流域特征值，把研究區(qū)劃分為4個子流域(圖5)。劃分后的各個子流域，有各自的主要特征，子流域1總體上海拔低、地勢平坦，是地形復(fù)雜程度最低的區(qū)域；子流域2是由北向南海拔低的平坦區(qū)域向海拔較高的陡坡區(qū)域的過渡地帶，地形復(fù)雜程度較高；子流域3海拔高、地形破碎度大、平均復(fù)雜度最高，其間分布著多個由于采土留下的土坑；流域4自西向東海拔逐漸增高，地形復(fù)雜程度較高。流域劃分后，需要對溝道進行規(guī)劃，同樣按照前文所述設(shè)計原則和方法流程，綜合考慮地形現(xiàn)狀、地形復(fù)雜度和參考流域特征值對溝道進行規(guī)劃。首先，確定各流域主溝道位置，一個子流域有一個主溝道，根據(jù)參考流域主溝道平均值、研究區(qū)地形復(fù)雜度評價結(jié)果與實際地形共同決定，同時兼顧上游的徑流量，主溝道的出水口必須延伸到流域邊界之外。然后，根據(jù)地形現(xiàn)狀和參考流域溝道平均密度值繪制樹狀的支流溝道，每個支流必須在規(guī)定的流域邊界與直流溝道頂部的距離內(nèi)開始，并且必須非?？拷魍ǖ澜Y(jié)束，但不與主通道連接。最終溝道規(guī)劃結(jié)果如圖5所示。

圖5 研究區(qū)流域及溝道規(guī)劃結(jié)果

在流域、主溝道、支流溝道規(guī)劃基礎(chǔ)上，利用GeoFluv模型，依次對流域1至流域4進行地形重塑。選擇流域1的范圍及溝道，輸入模型主要參數(shù)值(表2)，對研究區(qū)已規(guī)劃的流域、溝道、參數(shù)等進行微調(diào)，并通過預(yù)覽查看設(shè)計效果是否符合要求，符合要求后輸出為創(chuàng)建的3D表面。重復(fù)流域1的重塑步驟直至所有流域都重塑完成，重塑結(jié)果如圖6、圖7所示。

表2 GeoFluv模型主要參數(shù)信息表

圖6 研究區(qū)子流域1、子流域2地形重塑結(jié)果

圖7 研究區(qū)子流域3、子流域4地形重塑結(jié)果

3.3 廢棄煤礦地形近自然重塑結(jié)果評價

3.3.1 重塑流域與參考流域特征值對比

分別計算表征重塑后流域的形狀和結(jié)構(gòu)特征的流域面積、流域圓度和最大高程差等表征流域特征的指標，以及表征河道幾何特征的主溝道平均長度、溝道密度，結(jié)果見表3?？傮w而言，重塑后流域與參考流域在形態(tài)特征方面相似，河道幾何特征差異較小，結(jié)構(gòu)特征差異較明顯。表征形狀特征的子流域平均面積和流域平均圓度值均比較相近，說明重塑后流域與參考流域在形態(tài)特征方面相似。河道幾何特征方面，主溝道平均長度和溝道密度較參考流域值均有所增加，其中主溝道長度與原參考流域相近，僅增加0.27km，溝道密度增加較多，增量為3.19km/km2。主要是由于重塑后河道多呈彎曲型，從而導致其長度有所增加。彎曲型河流有助于減緩水流速度，降低水流對河岸的沖刷，穩(wěn)定性較強。流域結(jié)構(gòu)特征方面，最大高程和平均坡度差異均較大，都有較大程度的降低，使得重塑后地形更加穩(wěn)定。主要是由于重塑過程中需要綜合考慮與參考流域的相似性、穩(wěn)定性和挖填方量等因素，會對重塑前由于挖土導致的陡峭的邊坡、高地等進行改造和平衡，所以最大高程和平均坡度均有所降低。類似之處說明了重塑地形與鄰近處于侵蝕平衡狀態(tài)的地形一樣比較穩(wěn)定，而差異有助于重塑地形的穩(wěn)定性，以及挖填方量的平衡。

表3 研究區(qū)重塑后與未擾動參考區(qū)特征值對比分析

3.3.2 挖填方計算

在流域和溝道重新規(guī)劃與重塑中，綜合考慮重塑成本，盡量合理利用原有地形，避免龐大的挖填方，把挖填方限制在研究范圍內(nèi)，挖高填低，從而達到節(jié)約成本的目的，并且較小的挖填方也有助于重塑后地基穩(wěn)定，從而減少侵蝕。根據(jù)以上要求進行高程參數(shù)調(diào)整，以達到其目的，然后利用不規(guī)則三角網(wǎng)TIN來計算生成重塑后地形的挖填方量，結(jié)果見表4?？偟膩砜矗偼诜搅亢吞罘搅坎町愝^小，挖方與填方百分比為114.81%，說明創(chuàng)建該地形表面所需切割的材料要比需要填充的材料多14.81%，為33806.32m3。分流域來看，流域1挖填方量失衡最嚴重，其次是流域4，流域2和流域3較好，但4個子流域作為一個重塑整體，最終的挖填方量差異總體不大，有助于節(jié)約施工成本。

表4 重塑后地形挖填方量計算

4 結(jié) 論

本文利用3S技術(shù)、GeoFluv模型，以鄰近處于侵蝕平衡狀態(tài)的成熟地形作為參考，對金沙縣金鳳煤礦廢棄地重塑具有長期的抗侵蝕穩(wěn)定性、在生態(tài)和視覺上融入周圍不受干擾的地形。結(jié)果表明，利用此種方法重塑的地形與鄰近參考地形相比，具有類似的形狀特征和幾何特征，較小的高程和坡度，能夠較好融入周圍地形，穩(wěn)定性更強。并且，總挖方量和填方量差異較小，有利于降低成本。鑒于文中對重塑地形穩(wěn)定性的判斷是通過與鄰近處于侵蝕平衡狀態(tài)的參考地形對比間接得出，對重塑后地形穩(wěn)定性進行長期監(jiān)測和直接評價是下一步進行探討的問題。