基于GIS的露天开采矿区地形特征及植被恢复研究

2016-12-22刘进来马树恩

中国水土保持 2016年12期

关键词：崖壁坡面高程

刘进来，马树恩，刘玲

(1.河北省千松坝林场，河北丰宁 068350； 2.北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

基于GIS的露天开采矿区地形特征及植被恢复研究

刘进来1，马树恩1，刘玲2

(1.河北省千松坝林场，河北丰宁 068350； 2.北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

露天开采矿区；生态修复；地形分析；植被恢复

以露采矿山为研究对象，以破损地形特点及植被恢复为研究目标，利用ArcGIS技术分析研究区地形复杂程度及汇水情况，探讨了露天开采矿区植被修复和绿化的技术方法。结果表明：以数字高程模型为基础，对矿区的高程、坡度和坡向的空间分布情况进行统计分析，同时得到区域汇水分布图，可作为区域规划依据。选取地形起伏度、地表粗糙度和高程变异系数作为地形复杂度指标，根据地形复杂度对矿区进行分区治理，在矿区地形特征基础上因地制宜地选择植被恢复技术，并根据植物配置营造符合不同季节的植物景观效果，使矿山迹地重建地貌相对稳定并与周围景观相和谐，为废弃矿区生态修复提供了借鉴和思路。

矿山开采规模和强度的逐渐增大，不仅使资源枯竭，还导致环境污染和生态失衡，引发地质灾害[1-2]。因此，如何快速有效地进行矿区生态重建，是釆矿行业面临的重点问题之一。目前，发达国家已建立较为完善的土地复垦理论体系：美国矿区生态重建已形成法制化体系，在矿区植被恢复、煤矸石综合利用等方面都有成功经验[3-4]；德国通过大量实验形成了以技术为先锋的矿区生态修复科研网络[5]；澳大利亚在矿区动植物栖息地恢复上具有成功经验[6]。国内学者也针对露天开采矿区的生态修复进行了研究和实践，论述了可垦性分析的一般程序和综合评价方法：针对废弃矿山不同的破坏类型论述了生态修复的基本原理和方法[7]；提出了生态修复规划方案[2]。

目前，GIS 技术在矿山修复、景观规划、地质灾害监测等方面得到了运用：陈秋计等[8]利用DEM的空间分析，对矿区土地复垦前后的景观变化进行了分析与评价；张召等[9]应用RS与GIS技术对平朔露天矿区近33年的土地利用与碳汇量的动态变化进行了研究；叶宝莹[10]利用“3S”技术完成了露天煤矿空间数据库构建及虚拟；杨翠霞等[11]从流域角度，对废弃矿区的地形地貌进行分析并重新规划了子流域及沟道。本研究以天津市蓟县西石矿露天开采矿区地形和水文特征为研究对象，以GIS空间分析为主要研究方法，对矿区数字地形、水文网、地形复杂度进行研究，针对不同地形特征探讨土壤改良和植被恢复方案，以期达到废弃矿区的可持续利用和景观效果的提升。

1 研究区概况

西石矿露采矿区位于天津市蓟县五名山，距县城3 km，处于燕山山脉与华北平原交接地带，矿区北部为蓟县低山丘陵区，海拔100～300 m，矿区南部为山前冲洪积平原区，海拔15～30 m。由于采矿作业，五名山主峰已不复存在，标高降至177.7 m。属暖温带半湿润大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，多年平均降水量678.6 mm，年内降水量分布极不均匀，6—9月降水量约占全年降水量的80%，多年平均蒸发量1 907.8 mm，多年平均气温11.60 ℃，无霜期181 d，土壤冻结期124 d，最大冻结深度81 cm。

矿区采石遗留崖壁为高陡边坡，边坡高差10～80 m，坡度50°～85°，开采面中部有7～8级开采平台，平台垂直间距10～15 m不等。坡面风化破碎，无植被覆盖，存在崩塌、落石、水土流失等灾害隐患。开采平台客土土层瘠薄，植被覆盖度极低。

2 露天开采矿区地形因子特征分析

在对数字地形信息分析的基础上，根据不同的坡面特征划分治理区域，进而在各区域采用相应的治理措施。本研究选取矿区实地测绘1∶500地形图为基础数据，采取西安80坐标系，等高距为1 m。

2.1 高程分析

数字高程模型(DEM)是地形高程的数值表示，是进行各种空间分析和水文分析的基础数据。研究区高程为31～246 m，高程分布频率见表1(表中的频率表示的是各分级范围内的面积占研究区总面积的比值)。从表1可知，高程值在70～110 m的分布频率最大，高程不大于110 m的频率之和达74.4%，说明研究区内大部分高程在110 m以下，高程大于190 m的仅占总面积的1.5%。根据研究区内地貌景观，高程小于100 m区域为采矿坑前场地，100～170 m区域为主要的采石崖壁区域。

表1 矿区高程、坡向、坡度分级统计

2.2 坡度与坡向分析

通过运用ArcGIS 9.3中的3D Analyst—Surface Analysis工具便可得到研究区的坡度和坡向提取结果图，见图1。

图1 矿区坡度、坡向分布

坡向是指每个像素面的朝向，以正北方为0°，按顺时针方向计为0°～360°。为了便于统计各坡度、坡向分级的分布情况，将坡向分为平地、阴坡(0°～45°、315°～360°)、半阴坡(45°～135°)、阳坡(135°～225°)和半阳坡(225°～315°)5个等级，将研究区坡度依据不同坡度条件下的地质稳定性、土壤侵蚀特点、植被恢复措施类型的差异划分为0°～5°、5°～25°、25°～35°、35°～55°、>55°共5个等级。对研究区坡向和坡度分级进行频率统计分析，统计结果见表1。

综合坡度、坡向分布图和统计数据，崖壁所在区域的坡向主要是阴坡和半阳坡，崖壁坡度均在35°以上，相当一部分崖壁坡度大于55°，坡度极陡。因此，崖壁的植被恢复需要考虑植物的耐阴性，高陡崖壁也加大了治理工程的难度。

2.3 汇水分析

研究区的地形是经过人工采石活动开挖山体形成的，复杂多变。人为活动造成的边坡坡度的变化，对区域内地表径流的产生、集流、下渗及土壤流失状况产生了重大影响，同时区域的汇流状况也有所改变。通过对自然流水进行模拟，在无洼地DEM、水流方向、汇流累积量提取基础上，提取了区域内的水系分布图，见图2。

图2 矿区水系分布

采矿区域汇水主要来自矿区中部崖壁汇水区、山体北部冲沟汇水区、崖壁对面山体西南—东北方向汇水区。其中矿区中部崖壁为主要汇水区，汇水面积77 248 m2，雨水汇水量约8 767.6 m3。该区域内汇水为雨水自然汇集水量，无法满足中心水域的水景用水量，水景观的构建需从场区外水源引水。

3 露天开采矿区地形复杂度分析

地形复杂度是评价地表起伏和粗糙程度的指标，研究方法主要分为统计法和几何法两种。统计法描述地形复杂度的参数主要有高程方差和标准差、地形起伏度、高程空间自相关、平均坡向、平均坡度和水文网密度等。几何法描述地形复杂度的参数包括地表粗糙度、地表曲率、分形维数、地形复杂度指数、坡度坡向变率等[12-13]。

3.1 地形复杂度评价

3.1.1 地形起伏度

地形起伏度(Relief Amplitude)表示局部区域内高程的最大值与最小值的差，可用公式RA=Hmax-Hmin表示。地形起伏度是定量描述地貌形态的重要指标，在一定程度上反映地貌的发育阶段，起伏度大小又是影响坡面物质的潜在侵蚀强度的重要因素之一，在矿区水土保持治理和生态重建上具有重要的意义。

从图3分析结果计算出，地形起伏度在0～2 m之间的面积占总面积的28.1%，在2～5 m之间的占39.7%，在5～8 m之间的占21.6%，大于8 m的占10.6%。崖壁及其边缘区域地形起伏度大，说明该区域高程变异大。

图3 矿区地形起伏度分布

3.1.2 地表粗糙度

地表粗糙度(Relief Roughness)是指局部区域地形的曲面表面积与其在水平面上的投影面积之比。曲面表面积一般通过是栅格单元计算。地表粗糙度提取方法，是在提取栅格DEM的坡度专题图基础上，计算坡度余弦值的倒数。地表粗糙度是衡量地表侵蚀程度的重要量化指标，值越大说明水土流失越严重。

从研究区的地表粗糙度分布(图4)计算出，粗糙度≤1.5的面积占总面积的89.9%，粗糙度>1.5的面积占总面积的10.1%，也就是地表侵蚀相对很严重的区域，也是矿区废弃地以后治理的重点区域，这可为后期的流域治理规划提供可靠的设计依据。

图4 矿区地表粗糙度分布

3.1.3 高程变异系数

地形高程变异系数(Variance Coefficient in Elevation)是表示一定距离内高程相对变化的指标，用该区域内高程标准差与平均值的比值表示。高程标准差反映了局部区域地形的平均起伏程度，其值越大表示高程变化的范围越大，地形越不平坦。

从研究区高程变异系数分布(图5)来看，崖壁区域及整个开采边坡的边缘区域高程变化大，原地貌破坏严重。

图5 矿区高程变异系数分布

3.2 根据地形特点分区治理

由于地形、水文、地质等条件在空间分布上的异质性，因此在区域内部沟谷单元划分中，要注意单元之间的明显差异。本研究主要的集水区单元为崖壁区域，可作为一个比较完整的水文单元，基本能反映矿区废弃地的地形、水文和地质环境条件。结合地质灾害治理技术设计及崖壁生态景观的整体恢复目标，根据地形复杂情况将项目区分为3个区域进行设计：位于矿区崖壁北部和南部的A区(A1、A2)，位于崖壁东部和东南部的B区(B1、B2)，位于B区中间位置的C区(见图6)。根据不同区段边坡坡面特点和地质灾害治理措施的不同，有针对性地对不同类型坡面采用不同的景观提升与绿化措施。

图6 矿区景观分区

4 露天开采矿区植被恢复研究

景观绿化设计应与周围景区文化相呼应，针对南部崖壁已有成形的台阶，东边崖壁部分有台阶、部分没有台阶的情况，通过点、线、面渐变的设计思路，使整个崖面在不同的生态治理措施下保持统一性和协调性。

4.1 生态修复植物群落配置设计

4.1.1 A区景观与绿化设计

A区破损面高差较大，断面较陡直，坡面岩体破碎，坡脚有碎石堆积，人工开采原有平台消失，未进行绿化。植被恢复结合崖面微地形，采取植生槽、钻孔植生、挂网高次团粒喷播等方法。主要针对坡面、坡脚进行绿化设计。坡面绿化根据现场微地形，砌筑种植槽，种植槽形状可根据地形情况设置为圆形、方形等形式，槽高30～50 cm，种植槽内客土栽植灌草，槽内配施一定量的有机肥与保水剂，种植槽外侧土面高于内侧，便于蓄水，栽植后槽内土层表面低于槽上沿2～5 cm；充分利用微地形在崖壁凿孔，开凿的石孔向下倾斜45°角，利于保存土壤和水分。坡脚前堆砌生态袋，生态袋与崖壁之间客土回填，种植乔灌植被，形成植被群落较为完整的山前缓冲区；生态袋表面可喷播草灌种子，实现坡面覆绿，以获得更好的生态效果。

4.1.2 B区景观与绿化设计

B区坡体岩体破碎，坡面有7～8级马道平台，平台宽度一般2～3 m，部分平台已绿化，但植物生长状况较差，生态护坡与绿化效果不佳。绿化设计主要针对坡面、坡脚、平台进行。坡面绿化以挂网高次团粒喷播为主，并利用藤本植物上爬下挂覆盖；坡脚在碎落带进行绿化，通过生态缓冲带乔灌栽植，起到安全防护和景观融合双重功效；平台在不破坏原有植被的基础上，增加腐殖土厚度，逐步完善平台植被搭配，丰富植被色彩。

4.1.3 C区景观与绿化设计

C区位于东南两侧坡面交汇处，可产生汇水，破损面高差较大，断面较陡直，断崖局部有碎石断层。根据景观设计，该区域为人工瀑布景观。在156平台(高程156 m)建设人工湖，用于瀑布蓄水。为了使C区与B区景观自然衔接，在瀑布两侧钻孔栽植灌草植物。瀑布的下方在原有采石场开采坑基础上设计人工湖，结合不规则湖岸在湖畔营造林带，实现水清木华。

4.2 绿化植物选择

根据不同区段的边坡特点，有针对性地采用不同植物配置方式。本方案绿化区域及相应的植物构建目标为：①崖壁植被恢复，增加覆绿面积；②平台绿化，丰富植物品种；③坡脚缓冲带，构建植物景观。

4.2.1 坡面绿化，重点突出覆绿效果

为快速形成坡面植被覆盖，持久恢复边坡生态，崖壁坡面部分应选择适生植物。护坡坡脚和平台外沿栽植攀缘和藤本植物，起到防护和美化作用。

客土喷播：选择耐贫瘠、根系发达、覆盖快的草灌种子客土喷播，主要有紫穗槐、紫叶小檗、荆条、胡枝子、紫花苜蓿、黑麦草、草木樨、小冠花和野花组合。

钻孔植生、植生槽：灌木选择黄栌、紫穗槐、藤本月季等苗木，草本以撒播紫花苜蓿、黑麦草种子为主。

藤本覆盖：选择爬山虎、凌霄和蔷薇，通过藤本和攀缘植物上爬下挂，进行垂直绿化。

4.2.2 平台绿化，重点突出丰富的植物群落

在改善平台土壤养分的基础上，改变单一植物的景观效果，增加适应性强、见效快、浅根性的观花观叶植物品种，提升绿化景观效果。灌木选紫叶李、金银木、榆叶梅、丁香、黄栌、紫穗槐，草花选月季、小冠花、野花组合，藤本选爬山虎、蔷薇、凌霄。

4.2.3 坡脚缓冲带，重点突出冬绿、春花、夏花、秋叶景观

坡脚设置生态缓冲带，回填客土种植乔木、开花灌木，撒播草灌种子。生态缓冲带外沿采用生态袋挡墙技术，生态袋挡墙的坡面采用客土喷播技术进行绿化。缓冲带与前置景观相协调，遮挡裸露崖壁。缓冲带以景观类植物为主，以栾树、油松为背景，配合种植黄栌、榆叶梅、紫叶李等，突出不同季节色彩；下层以金山绣线菊、紫叶小檗、珍珠梅苗木和地被草花为主，突出多层次的植物搭配。缓冲带靠近崖壁处种植藤本植物。

5 结论

以露天开采矿区为研究对象，对矿山迹地的植被恢复与生态重建进行了实践。以天津蓟县西石矿采石场为例进行的应用和评价，主要取得如下结论：

(1)以数字高程模型为基础，对区域的地形复杂度和水文特征进行分析，为地形改造和植被恢复治理提供了设计依据。利用地形起伏度、地表粗糙度和高程变异系数来综合评价地形复杂度，确定了以采石崖壁及开采区边缘为治理重点的治理区划分。数字水文网的提取，为研究区矿山生态修复和水域景观规划提供了依据。

(2)根据生态思维和可持续发展理念，对不同的地形特征分区绿化设计，实现了近自然植被恢复。根据不同区域内地形特征、土壤条件和局部环境特征，选择了适宜的绿化植被。

露采矿区的地形改造和生态修复是进行土地复垦和土地整理利用的基础，随着城市不断发展和土地资源的限制，采石迹地将成为城市绿地及城市生态景观发展的延续。在利用ArcGIS技术对露天开采矿区地形特征分析的基础上进行植被恢复，可使矿山迹地重建地貌相对稳定并与周围景观相和谐，这为废弃矿区生态重建提供了借鉴和思路。

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