喀斯特废弃矿区近自然地形重塑模拟

刘 贤，李月臣，陈群利，邱 盈，张鹏飞，游 萍

(1.贵州工程应用技术学院，贵州 毕节 551700；2.西南大学 地理科学学院，重庆 400715)

矿产资源作为人类生存和发展的重要物质基础，受到世界各国广泛重视。矿产资源产业是我国很多地区的重要支柱性产业，其开发利用推动了社会经济发展和人民生活水平改善。然而，过去由于受经济利益的驱动而缺乏对环境保护重视，导致矿区地质灾害频发[1]、生物多样性破坏[2]、可利用土地资源减少[3]等一系列生态问题，严重制约矿区的可持续发展。近年来，随着生态保护意识和力度的增强，在土壤改良[4]、植被恢复[5]和采矿产生的废弃物综合利用[6]等方面的研究受到广泛关注，已形成比较完整的理论与技术体系。

地形作为土壤重构和植被重建的载体与骨架，其稳定性、协调性决定了在废弃矿区能否重建一个具有自我维护能力并与周围生态系统联系起来的生态系统。西方发达国家较早认识到采矿对生态系统的影响[7，8]，肯定了地形重塑在生态修复中的重要地位。在方法上，先后采用了从坡度恒定的梯田式分级的传统地形设计方法[9，10]、以地貌学理论为主的近似原始轮廓(AOC)方法[11]、以The Platform-Bank 模型和Geofluv模型等为代表的地形设计[12](GLD)。相关研究表明：重塑后的地形侵蚀是造成矿山修复失败的主要原因[13]。传统阶梯状阶地的修复方式中，地形的统一性导致较少的生态位和较差的稳定性[14]；AOC方法创建的地形在地质上稳定，但在生态性上较弱[11]；GLD方法通过模仿自然地形的地形，倾向于构建具有自我维持能力的功能性生态系统，该方法被科学界广泛接受[12]。

国内煤矿生态修复研究起步较晚，研究多集中于土地复垦[15]、生态补偿与保证金[16]、植物修复重金属污染[17，18]、地质灾害治理[19，20]、绿色矿山与矿山公园建设[21，22]、土地利用和景观格局变化[23，24]等方面，在废弃煤矿地地形重塑方面研究较少，且多采用阶梯状地形进行修复，鲜有对重塑后地形稳定性长期跟踪监测评价。有极少部分研究采用GeoFluv模型对废弃矿区进行了地形重建[4，25]，结果证明了该模型在重塑稳定、协调的地形方面有一定的积极作用，但缺乏从流域的角度，以及对喀斯特地区地形的独特性与复杂性的考虑。

现有研究极大地丰富了矿区土地复垦与生态重建的理论和方法，为矿区生态修复提供了多角度的研究思路，但多集中于土壤重建与植被恢复，专门针对地形重塑的研究很少，且缺少流域的全局观念及对喀斯特特殊地形的考虑，构造的地形或多或少地存在景观不协调、连接性差、稳定性不够等问题。贵州省废弃煤矿地众多，其生态修复与资源再利用是实现“大扶贫、大生态”的战略需求，矿山生态修复兼具喀斯特地貌的独特性和经济发展的复杂性。因此，本研究选择金沙县金凤煤矿作为研究对象，利用3S技术、GeoFluv等方法，选择邻近处于侵蚀平衡状态的成熟地形作为参考，兼顾喀斯特地区的独特性和复杂性，在废弃煤矿地重塑具有长期的抗侵蚀稳定性、在生态和视觉上融入周围不受干扰的地形，并对其地形特征和挖填方量进行估算。以期为大量类似废弃矿区生态修复中的地形重塑提供方法参考和示范。

1 研究区概况与数据来源

本文研究区为贵州省金沙县金凤煤矿的排土场、沉陷区、煤矸石堆放场、开采坑、道路等废弃地，面积共1.42km2，为构造剥蚀溶蚀中山地形，矿区地势总体为南高北低，高程介于1330～1565m之间。属北亚热带湿润季风气候，年平均气温13.4℃，年日照时数为1098h，年平均降雨量775.7mm，降雨主要集中在每年的四至九月。早期矿区内由于居民无序私挖乱采，导致山体破损严重，后续采矿活动也导致一定的土地裂缝、地面塌陷、植被破坏、水土流失、水污染、石漠化、地形景观破坏等系列问题。本文所需数据主要为DEM数据，是按照无人机图像采集、生成密集点云、生成3D模型、生成纹理、生成DEM等流程制作得到精度为1m的DEM数据。

2 研究方法

2.1 地形复杂度分析方法

摸清研究区地形现状，是地形重塑的基础。本文在已有研究[26，27]基础上，结合研究区实际，选择可表征地形基本特征和多样性变化的海拔高度(E)、坡度(S)和地表粗糙度(R)作为评价指标，在对各因子进行归一化消除量纲影响后，采用以下方式构建地形复杂度评价方法对研究区地形现状进行综合评价。

C=λ1E+λ2S+λ3R

式中，C为地形复杂度；海拔高度E为地面某点沿铅垂线方向到海平面的距离，使用数字高程模型(DEM)表示；坡度S表示研究区地形的陡缓程度，利用DEM计算得到；地表粗糙度R为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；λ为各指标权重，参照牛叔文等[27]研究设定，λ1、λ2、λ3分别是0.3、0.3和0.4。

2.2 地形设计原则与方法

本文采用GeoFluv模型进行地形设计[28]，该模型是由Nicholas Bugosh提出的一种受专利保护的地形设计方法。它基于坡度和河流地貌原理算法，通过从研究区附近的稳定参考地形获取特征值。这些特征值是参考地形在当地的土壤、地质结构、气候和植被等综合条件下，通过长时间的侵蚀过程演变成稳定状态后的物理特征的度量。将其用作设计与稳定参考地形相似的地形设计的输入，旨在设计出与参考地形类似，且符合研究区气候和自然条件的自然、成熟稳定的地形。

2.2.1 设计原则

为重建成熟稳定、与周围环境协调融洽的地形，以及最大程度地减少地形的挖填方量，在进行地形设计时，应遵循以下原则：

1)因地制宜，经济节约。地形设计在满足目标要求条件下，应尽量利用原有地形，尽量避免庞大的挖填方，以保证地基稳定和减少侵蚀，同时节约人力、物力和财力。

2)生态优先，相互联系。废弃煤矿区人口少，且存在地质灾害、土壤污染、水污染等隐患，所以地形设计不考虑人类活动需要，以生态恢复为主。同时，充分发挥地形与周围环境的连接作用，使其与周围环境有机联系，做到生态、和谐、整体，以便后期形成具有与周围自然过程完整融合、具有自我维护能力的生态系统。

3)稳定为主。流水侵蚀、采空区、喀斯特地貌等是造成地形不稳定的主要因素，流水侵蚀在地形设计阶段可以通过设计大小合适的流域和密度合理的沟道来减少流水侵蚀，而采空区和喀斯特溶洞则在地形设计后的施工阶段，通过采空区揭露，渣土石方回填和黏土回填等方式降低地形的不稳定性。

2.2.2 设计流程与方法

设计过程中，统筹兼顾设计原则及研究区实际，进行如下设计(图1)。第一步：结合废弃煤矿区地形现状和参考流域特征值对废弃煤矿区流域及沟道进行重新规划。参考流域选取需满足其岩性、气候、土壤和植被等环境因子与研究区类似的条件，且要求稳定性较好。而参考流域的特征值，根据GeoFluv模型的参数，以及流域地形形态相似性评价的需要，参考承继成[29]、Morisawa[30]等研究和计算方法，选取可表征流域的形状特征、结构特征和河道几何特征的主沟道长度、流域面积、沟道密度、流域圆度、高程差和平均坡度等作为流域形态的特征值。在此基础上，参考研究区现状和参考流域特征值确定研究区流域大小和范围，然后再确定各个流域的沟道。其中，优先确定主沟道位置，所有沟道均由参考流域和研究区实际共同决定，且要兼顾上游的径流量。第二步：以流域及沟道规划数据为基础，以参考流域特征值作为研究区重塑的目标值，利用GeoFluv模型，分别对研究区子流域进行地形近自然重塑。第三步：重塑地形质量检查。通过重塑地形结果特征值与参考流域特征值对比、挖填方量计算、3D地形查看等综合判断重塑地形质量。符合要求则进行地形等高线、3D视图等结果的输出，用以指导工程实施。如果不符合要求，则进行相关参数及沟道的调整，直到符合要求为止。第四步：导出3D设计以指导施工。

图1 地形重塑流程图

2.3 重塑地形特征值分析与挖填方计算

从流域的形状特征、结构特征、河道几何特征等维度，选取表征河道几何特征的沟道密度、主沟道长度，表征形状特征的流域面积、流域圆度，以及表征流域结构的高差和坡度等作为表征地形特征的指标，进行重塑后地形特征值与参考流域进行比较，以判定二者相似度。

挖填方量方面，通过不规则三角网TIN来计算生成重塑后地形的挖填方量，并计算挖方和填方比值cf(%)，以表示挖填方平衡程度；cf值为100%表示切割和填充平衡；值大于100%，表示创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%，表示创建表面所需割的材料要比需要填充的材料少(cf-100)%。

3 重塑结果与评价

3.1 废弃煤矿地形复杂度分析

由地表复杂度公式得到研究区地形复杂度评价结果(图2)。总体上，废弃煤矿区地形的复杂程度由北向南逐渐升高，高复杂度区域条带性特征明显。说明由北向南地表起伏程度、粗糙程度和土壤侵蚀程度逐渐增高。北部复杂度较低是由于该地区前期已进行推土平整处理，地势比较平坦。大量呈条带状的高复杂度区域主要是采矿活动产生的煤矸石、废渣的压占，以及采土作业形成大量条带状的陡峭边坡。复杂度评价是流域及沟道规划中流域范围、沟道位置及走向确定的重要参考。由研究区遥感影像现状图(图3)可以看出，地形复杂度综合评价结果与实际情况相符。

图2 地形复杂度综合评价

图3 研究区遥感影像现状

3.2 废弃煤矿区地形近自然重塑

3.2.1 参考流域选取及特征计算

为保证选取的未干扰流域具有完整性，在确定未干扰区域前，需对拟选区域进行流域提取。汇流面积阈值对提取流域、水系影响较大，采用汇流面积阈值与河网密度折线图寻找拐点的方式确定最佳河网提取阈值为15000，以此作为汇流面积阈值提取流域及河网。由于提取的流域小且繁多，结合河网，根据实际情况进行流域调整。根据前述参考区选取要求，考虑到邻近区域水文、气候等特征相似，且未发现大面积的侵蚀存在，总体上比较稳定，特选择如图4所示区域作为本研究的参考流域，共包含6个子流域。

图4 邻近参考流域空间分布

根据GeoFluv模型的参数，以及流域地形形态相似性评价的需要，分别计算出主沟道长度、流域面积、沟道密度、流域圆度、高程差和平均坡度共6个指标值见表1，这些指标是研究区地形重塑的目标值。

表1 邻近未扰动子流域地形形态特征

3.2.2 废弃煤矿区流域及沟道规划与重塑

根据前文所述流域及沟道规划原则和方法，综合考虑地形现状、地形复杂度和参考流域特征值，把研究区划分为4个子流域(图5)。划分后的各个子流域，有各自的主要特征，子流域1总体上海拔低、地势平坦，是地形复杂程度最低的区域；子流域2是由北向南海拔低的平坦区域向海拔较高的陡坡区域的过渡地带，地形复杂程度较高；子流域3海拔高、地形破碎度大、平均复杂度最高，其间分布着多个由于采土留下的土坑；流域4自西向东海拔逐渐增高，地形复杂程度较高。流域划分后，需要对沟道进行规划，同样按照前文所述设计原则和方法流程，综合考虑地形现状、地形复杂度和参考流域特征值对沟道进行规划。首先，确定各流域主沟道位置，一个子流域有一个主沟道，根据参考流域主沟道平均值、研究区地形复杂度评价结果与实际地形共同决定，同时兼顾上游的径流量，主沟道的出水口必须延伸到流域边界之外。然后，根据地形现状和参考流域沟道平均密度值绘制树状的支流沟道，每个支流必须在规定的流域边界与直流沟道顶部的距离内开始，并且必须非常靠近主通道结束，但不与主通道连接。最终沟道规划结果如图5所示。

图5 研究区流域及沟道规划结果

在流域、主沟道、支流沟道规划基础上，利用GeoFluv模型，依次对流域1至流域4进行地形重塑。选择流域1的范围及沟道，输入模型主要参数值(表2)，对研究区已规划的流域、沟道、参数等进行微调，并通过预览查看设计效果是否符合要求，符合要求后输出为创建的3D表面。重复流域1的重塑步骤直至所有流域都重塑完成，重塑结果如图6、图7所示。

表2 GeoFluv模型主要参数信息表

图6 研究区子流域1、子流域2地形重塑结果

图7 研究区子流域3、子流域4地形重塑结果

3.3 废弃煤矿地形近自然重塑结果评价

3.3.1 重塑流域与参考流域特征值对比

分别计算表征重塑后流域的形状和结构特征的流域面积、流域圆度和最大高程差等表征流域特征的指标，以及表征河道几何特征的主沟道平均长度、沟道密度，结果见表3。总体而言，重塑后流域与参考流域在形态特征方面相似，河道几何特征差异较小，结构特征差异较明显。表征形状特征的子流域平均面积和流域平均圆度值均比较相近，说明重塑后流域与参考流域在形态特征方面相似。河道几何特征方面，主沟道平均长度和沟道密度较参考流域值均有所增加，其中主沟道长度与原参考流域相近，仅增加0.27km，沟道密度增加较多，增量为3.19km/km2。主要是由于重塑后河道多呈弯曲型，从而导致其长度有所增加。弯曲型河流有助于减缓水流速度，降低水流对河岸的冲刷，稳定性较强。流域结构特征方面，最大高程和平均坡度差异均较大，都有较大程度的降低，使得重塑后地形更加稳定。主要是由于重塑过程中需要综合考虑与参考流域的相似性、稳定性和挖填方量等因素，会对重塑前由于挖土导致的陡峭的边坡、高地等进行改造和平衡，所以最大高程和平均坡度均有所降低。类似之处说明了重塑地形与邻近处于侵蚀平衡状态的地形一样比较稳定，而差异有助于重塑地形的稳定性，以及挖填方量的平衡。

表3 研究区重塑后与未扰动参考区特征值对比分析

3.3.2 挖填方计算

在流域和沟道重新规划与重塑中，综合考虑重塑成本，尽量合理利用原有地形，避免庞大的挖填方，把挖填方限制在研究范围内，挖高填低，从而达到节约成本的目的，并且较小的挖填方也有助于重塑后地基稳定，从而减少侵蚀。根据以上要求进行高程参数调整，以达到其目的，然后利用不规则三角网TIN来计算生成重塑后地形的挖填方量，结果见表4。总的来看，总挖方量和填方量差异较小，挖方与填方百分比为114.81%，说明创建该地形表面所需切割的材料要比需要填充的材料多14.81%，为33806.32m3。分流域来看，流域1挖填方量失衡最严重，其次是流域4，流域2和流域3较好，但4个子流域作为一个重塑整体，最终的挖填方量差异总体不大，有助于节约施工成本。

表4 重塑后地形挖填方量计算

4 结 论

本文利用3S技术、GeoFluv模型，以邻近处于侵蚀平衡状态的成熟地形作为参考，对金沙县金凤煤矿废弃地重塑具有长期的抗侵蚀稳定性、在生态和视觉上融入周围不受干扰的地形。结果表明，利用此种方法重塑的地形与邻近参考地形相比，具有类似的形状特征和几何特征，较小的高程和坡度，能够较好融入周围地形，稳定性更强。并且，总挖方量和填方量差异较小，有利于降低成本。鉴于文中对重塑地形稳定性的判断是通过与邻近处于侵蚀平衡状态的参考地形对比间接得出，对重塑后地形稳定性进行长期监测和直接评价是下一步进行探讨的问题。