一種煤矸石堆積區地貌重塑方法與流程

2023-06-02 23:08:51

本發明一種煤矸石堆積區地貌重塑方法，屬於生態恢復技術領域。

背景技術：

煤矸石佔用大量土地、引發自燃，是眾所周知的治理難題。目前煤矸石堆積區採取的植被恢復措施仍是常規的造林技術規程，特點是「臺階式錯胎平整，園林綠化」的設計方法，壓佔大量土地，綠化植物與周圍景觀不協調，土壤穩定性差，水土流失嚴重。目前普遍採用直趨排水的洪峰流量模型設計：

上述公式中，q是指流量，kp是模比係數，m3是指體積，s為時間。

近年來礦區廢棄地植被恢復的研究得到了重視，技術研究逐漸增多，例如夏漢平總結出一套採礦地人工恢復的一般步驟(夏漢平，蔡錫安.採礦地的生態恢復技術.應用生態學報.2002，13(11)：1471～1477)，吳少儒採用的噴射護坡綠化技術(吳少儒，許文年，王路根，等.噴射護坡綠化技術的物種選擇[j].中國水土保持，2006(6)：41-43.)，王霖琳介紹了煤礦區生態修復規劃的程序(王霖琳，胡振琪，等.中國煤礦區生態修復規劃的方法與實例[j].金屬礦山，2007(5)：17-19.)，安永興對煤矸石治理過程中的裝備及綜合治理技術模式進行了研究和實踐(安永興，王曉軍等，自燃煤矸石山綜合治理技術與裝備的研究進展，林業機械與木工設備2016(6)：15-20；煤矸石山綜合治理技術模式與實踐[j].安永興,梁明武,趙平.中國水土保持科學.2012(01)：26-30)。

應該指出，上述煤矸石堆積區採取的治理規劃側重於經驗規劃、景觀規劃方法，偏離了生態恢復的技術理念和內涵，從而形成了園林綠化技術或者常規造林技術，人工跡象顯著，坡面不穩定，後期維護費用高。

技術實現要素：

本發明克服了現有技術存在的不足，提供了一種煤矸石堆積區地貌重塑方法，運用流域地貌學理論和河流地貌形態數學模型模擬自然地形設計合理，項目實施後，土壤坡面結構穩定，景觀性好，水土保持效果佳，可經受住50年一遇的降水，適用於煤矸石堆積區、土地復墾、水土保持等涉及地形整理、地形重塑的領域。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：一種煤矸石堆積區地貌重塑方法，該方法包括如下具體步驟：

(a)運用流域地貌學理論和河流地貌形態數學模型模擬自然地形；

在arcgis運行平臺下，運用流域地貌學理論和rosgen的「z」型河流地貌形態數學模型來模擬自然地形，流域結構採用shreve單根樹枝狀模式，在對研究區溝道和子流域分析和規劃基礎上，依據鄰近未乾擾小流域dem計算的地貌形態參數以及實際測量的溝道形態細部數據，通過arcgis重建地貌，坡面和溝道遵從河流水文地貌形成過程，地貌相對穩定，根據現有土壤與植被的景觀狀況和未來土地利用的規劃，通過子流域的規劃設計以及溝道蜿蜒化處理，溝道逐漸演變成一個相對穩定的蜿蜒自然模式，同時減緩了水流速度，增加溝道穩定性，最大程度上達到自然狀態，這些輸入參數是由研究區域附近的未擾動地貌的水文和氣候屬性確定的，通常從測量照片與野外調查地形數據獲得；

關鍵的輸入參數如下：

1)最大降雨量：2-yr,1-hr降雨量，50-yr,6-hr降雨量，即2年一遇1h和50年一遇6h的最大降水量；

2)溝道密度：河谷長度與延伸區域的比例；

3)分水嶺到河道頂端距離：山脊至穩定河道的最短距離；

4)河灣跨度：rosgen分類法中a型河道蜿蜒跨度的1/4；

5)蜿蜒係數：基於河谷坡度的河道蜿蜒特徵；

(b)採用sedcad洪峰流模型對重塑地形進行補充設計；

將一系列山脊和溝谷合到一起，河谷和山脊之間的距離保持在60m以下以最小化推土機使用距離來節約建設經費，流域邊界和河道位置最優化已到達挖填平衡在各個獨立的子流域，坡長縮短到300m至30m的範圍以最小化泥沙顆粒分散，最終流域結構產生一個多樣化的地表地貌以利於植被恢復；

(c)由設計模型數據進行carlson軟體開發土木建設設計模塊；

在施工之前，由設計模型數據輸出創建一個數字不規則三角網tin，用於carlson軟體開發的土木建設設計模塊，用迭代法來確保每個子流域中每個的削減和充填平衡，使施工效率最大化，推土距離限制在60m以內；

(d)煤矸石堆積區地貌重塑的河道保護工程；

該設計方法中18％-20％有坡的河道採用工程加固措施以限制徑流的衝刷損壞，確定加固設施尺寸，由arcgis計算在每個子流域出口的流量使用sedcad河道應用的pader方法建模，sedcad中設定的限制流速為1.5m/s，通常粘性摩擦應力設置為2.5kg/m，如果徑流速度和粘性摩擦應力超過這個限制，需要沿著通道長度直至與較大的接收河道連接處築基；

(e)重塑地貌侵蝕潛力評價；

採用rusle侵蝕模型分析用以評估恢復區侵蝕潛力和確定必要的額外的處理措施，參考現有復墾規範採用0.5kg/m2地膜覆蓋恢復區域，rusle計算方程用於量化植被，地面覆蓋和生根率，土壤分離率的分析是基於假設恢復後7年或7年以上，地被覆蓋層為30％植被蓋度。

所述地貌形態參數包括溝道形態細部數據，降雨量，溝道密度，分水嶺到河道頂端距離，河灣跨度和蜿蜒係數。

所述河谷和山脊之間的距離保持在60m以下，滲透性曲線係數為82。

本發明與現有技術相比具有的有益效果是：

(1)使用該方法比傳統生態修復技術節約投資15％以上，在施工過程中能利用消減和充填的平衡，減少了大量的工作量和成本。

(2)生態植被袋採用重量輕、運輸方便、可塑性強、施工靈活，減短工程周期，植被恢復效果好。

(3)採用本方法施工後坡面穩定，養護要求低，節約成本。

(4)模擬植被自然演替規律，即由草灌、喬灌向森林化方向演替，而非園林式綠化。

具體實施方式

本發明一種煤矸石堆積區地貌重塑方法，包括以下步驟：

(a)運用流域地貌學理論和河流地貌形態數學模型模擬自然地形。

在arcgis運行平臺下，運用流域地貌學理論和rosgen的z型河流地貌形態數學模型來模擬自然地形，流域結構採用shreve單根樹枝狀模式。在對研究區溝道和子流域分析和規劃基礎上，依據鄰近未乾擾小流域dem計算的地貌形態參數以及實際測量的溝道形態細部數據，通過arcgis重建地貌，坡面和溝道遵從河流水文地貌形成過程，地貌相對穩定。根據現有土壤與植被的景觀狀況和未來土地利用的規劃，通過子流域的規劃設計以及溝道蜿蜒化處理，溝道逐漸演變成一個相對穩定的蜿蜒自然模式，同時減緩了水流速度，增加溝道穩定性，最大程度上達到自然狀態。這些輸入參數是由研究區域附近的未擾動地貌的水文和氣候屬性確定的，通常從測量照片與野外調查地形數據獲得。關鍵的輸入參數如下：

1)最大降雨量：2-yr，1-hr降雨量，50-yr，6-hr降雨量(2年一遇1h和50年一遇6h的最大降水量)；

2)溝道密度：河谷長度與延伸區域的比例；

3)分水嶺到河道頂端距離：山脊至穩定河道的最短距離；

4)河灣跨度：rosgen分類法中a型河道蜿蜒跨度的1/4；

5)蜿蜒係數：基於河谷坡度的河道蜿蜒特徵。

(b)採用sedcad洪峰流模型對重塑地形進行補充設計。

設計將一系列山脊和溝谷合到一起。河谷和山脊之間的距離保持在60m以下以最小化推土機使用距離來節約建設經費。流域邊界和河道位置最優化已到達挖填平衡在各個獨立的子流域。坡長縮短到300m至30m的範圍以最小化泥沙顆粒分散。最終設計中流域結構產生一個多樣化的地表地貌以利於植被恢復。

需要輸入的參數包括降雨分布和基於土壤和植被條件的滲透性曲線係數表示的滲透特徵。該模型採用的曲線係數為82，用於恢復後的曲線係數82意味著植被重塑已經完成。儘管播種以後植被還沒有形成，但是播種準備的土壤重整和覆蓋物的應用將暫時提供土壤覆蓋條件類似於5年後重建的土壤和植被。

sedcad洪峰流修正模型：

qm下＝qm上eαβl(1)

式中：qm上、qm下分別為河道上、下斷面的相應洪峰流量；l為演算河段長度。

α、β和cm，可用下式計算：

式中：qm-1、qm+1分別為洪峰前、後一個時段δt時刻的流量；τm為上、下斷面洪峰傳播時間。

(c)由設計模型數據進行carlson軟體開發土木建設設計模塊。

在施工之前，由設計模型數據輸出創建一個數字不規則三角網(tin)，用於carlson軟體開發的土木建設設計模塊。迭代法來確保每個子流域中每個的削減和充填平衡。為使施工效率最大化，推土距離限制在60m以內。

為直觀地描述施工的削減和充填，採用圖片來顯示，所有削減帶有紅色負數和所有的填充帶有藍色的正數。所有相交平衡的位置用一個綠色零表示。一個由tin產生的數字標樁，以表明施工時候標樁的位置。所有的這些設置點被上傳到一個分級調查gps進行精確定位。在礦區廢棄地，在河道的底部和相交位置沿著山脊打標樁，對應地圖，分別塗上紅色，藍色和綠色標記。推土機按照整體設計整理地形，對修復區進行填墊、平整、土體搬運，基本達到填方和挖方平衡。

(d)煤矸石堆積區地貌重塑的河道保護工程。

該設計方法中18-20％有坡的河道採用工程加固措施以限制徑流的衝刷損壞。確定加固設施尺寸，由arcgis計算在每個子流域出口的流量使用sedcad河道應用的pader方法建模。sedcad中設定的限制流速為1.5m/s。通常粘性摩擦應力設置為2.5kg/m。如果徑流速度和粘性摩擦應力超過這個限制，需要沿著通道長度直至與較大的接收河道連接處築基。

(e)重塑地貌侵蝕潛力評價。

本設計採用rusle侵蝕模型分析用以評估恢復區侵蝕潛力和確定必要的額外的處理措施。參考現有復墾規範採用0.5kg/m2地膜覆蓋恢復區域。rusle計算方程用於量化植被，地面覆蓋和生根率。土壤分離率的分析是基於假設恢復後7年或7年以上，地被覆蓋層為30％植被蓋度。因為坡向的不同，建立植被、降水模式可能隨著時間的推移改變，可變因素對覆蓋物密度的影響被納入設計，在乾旱和其他不良條件下可以提高土壤穩定性。在斜坡上，巖石覆蓋層建模應設定最壞的情況，即假設0％的植被只剩下巖石覆蓋，防止水土流失。

下面以2011年山西省河東礦區煤矸石堆積區的地貌重塑為例，對具體技術的實施步驟進行詳細說明。

(a)運用流域地貌學理論和河流地貌形態數學模型模擬自然地形。

煤矸石山為人工堆積地貌，堆積形成的地貌基本為自然堆積的坡度較陡的地貌。研究區數據為1:10000的地形圖，等高線高差為10m。在arcgis軟體中，先由等高線轉換到beijing1954坐標下建立tin格式，再由tin格式經內插後生成dem。以礦區破壞前的影像數據為主要信息源，結合現場調查資料，搜集該區未乾擾區域的相關資料。從氣象局獲得2年一遇1h降水量31mm和50年一遇6h最大降水量118mm。從破壞前影像得出四個指標，輸入設計模型geofluv的參數：分水嶺至溝道源頭的最小距離11.04m、溝道密度20.4km/km2、河灣跨度15.5m及蜿蜒度1.15，見表1。

表1重塑前地貌的子流域形態特徵

在對研究區溝道和子流域分析和規劃基礎上，依據未乾擾小流域dem計算的地貌形態參數以及實際測量的溝道形態細部數據，通過geofluv模型重建地貌，重塑地形的流域分為9個小流域，坡面和溝道遵從河流水文地貌形成過程，地貌相對穩定。

(b)採用sedcad洪峰流模型對重塑地形進行補充設計。

設計將一系列山脊和溝谷合到一起，河谷和山脊之間的距離保持在60m以下。坡長縮短到300m至30m的範圍以最小化泥沙顆粒分散。最終設計中流域結構產生一個多樣化的地表地貌以利於植被恢復。通過局部微調子流域內溝道的位置，使設計的形態指標達到目標，最終重建了實驗區地形。儘管播種以後植被還沒有形成，但是播種準備的土壤重整和覆蓋物的應用將暫時提供土壤覆蓋條件類似於5年後重建的土壤和植被，見表2。

表2重塑後地貌的子流域形態特徵

(c)由設計模型數據進行carlson軟體開發土木建設設計模塊。

在施工之前，由設計模型數據輸出創建一個數字不規則三角網(tin)，用於carlson軟體開發的土木建設設計模塊。迭代法來確保每個子流域中每個的削減和充填平衡。為使施工效率最大化，推土距離限制在60m以內，見表3。

表3重塑地形挖填方體積

為直觀地描述施工的削減和充填，採用圖片來顯示，所有削減帶有紅色負數和所有的填充帶有藍色的正數。所有相交平衡的位置用一個綠色零表示。一個由tin產生的數字標樁，以表明施工時候標樁的位置。所有的這些設置點被上傳到一個分級調查gps進行精確定位。在礦區廢棄地，在河道的底部和相交位置沿著山脊打標樁，對應地圖，分別塗上紅色，藍色和綠色標記。推土機按照整體設計整理地形，對修復區進行填墊、平整、土體搬運，基本達到填方和挖方平衡。

(d)煤矸石堆積區地貌重塑的河道保護工程。

該區20％有坡的河道需要採用工程加固措施以限制徑流的衝刷損壞。確定加固設施尺寸，由arcgis計算在每個子流域出口的流量使用sedcad河道應用的pader方法建模。sedcad中設定的限制流速為1.5m/s。通常粘性摩擦應力設置為2.5kg/m。如果徑流速度和粘性摩擦應力超過這個限制，需要沿著通道長度直至與較大的接收河道連接處築基。

(e)重塑地貌侵蝕潛力評價。

對重塑地貌的子流域進行面積-高程分析，得出相應的面積-高程曲線、面積-高程積分值s和地貌系統信息熵值h。地貌系統信息熵值h與流域地貌發展階段間的關係：當h＜0.11，流域地貌發育為幼年期；0.11≤h≤0.40，為壯年期；h＞0.40時，處於老年期。

從表4可以看出，子流域7的地貌發育狀態處於幼年期，其他8個子流域的地貌發育狀態均處於壯年期，流域侵蝕相對大些，水土流失目前相對嚴重，但不久即將進入地形發育的均衡階段，即使不採取任何水土保持措施，通過自身的調節，水土流失也會慢慢減弱，基本上在後期生態重建中的維護相對很少。

表4重塑地貌子流域面積-高程積分及信息熵

(f)地形重塑。

依據設計圖，所有削減帶有紅色負數和所有的填充帶有藍色的正數。所有相交平衡的位置用一個綠色零表示。一個由tin產生的數字標樁，以表明施工時候標樁的位置。所有的這些設置點被上傳到一個分級調查gps進行精確定位。在礦區廢棄地，在河道的底部和相交位置沿著山脊打標樁，對應地圖，分別塗上紅色，藍色和綠色標記。簡單進行梯度劃分，使用推土機推動表土沿等高線從通道底部至山脊。推土機按照整體設計整理地形，對修復區進行填墊、平整、土體搬運，基本達到填方和挖方平衡，所有河道都使用挖掘機實現細調以確定幾何形狀和適當的彎曲度。在不同地點、礦區支撐木材暴露在表面，使用挖掘機移除這些覆蓋物。通常在植被恢復前覆蓋深度1.2m的地表土層。

(g)隔氧阻燃。

採用鹼性膠體泥漿封堵矸石間隙，以減少入滲水流和冷空氣，避免冷熱空氣對流產生「煙囪」效應，引起自燃。

(h)表層基質改良。

坡面清理後，先在坡面噴水溼潤，以利於基質材料更好地與恢復面結合。將備好的基質材料,噴射3-5㎝厚的基質層，材料主要為：土、木纖維、緩施肥、土壤團粒劑、保水劑、粘合劑、蛭石、菌根菌、植物生長素、專用有機基質、核心基材等；基質材料根據植物生長特性選擇合適配方，以形成恢復植物生長所需的營養土壤層。基質材料通過液力攪拌噴射機攪拌混合，均勻地噴射到恢復面上。噴射基質材料前，噴槍應與受噴面垂直，避免仰噴，注意死角部分及凸凹部分要噴滿。嚴格控制風量、風壓，保證槍口風壓4500～5500pa。準確控制用水的線流量。

(i)植被建設。

植被恢復採用生態種植袋，生態種植袋技術是將選定的植物種子通過兩層木漿紙附著在可降解的纖維材料編織袋的內側，施工時在種植袋內裝入營養土，封口後按照坡面防護要求碼放，經過澆水養護，實現施工現場的植被修復。生態種植袋主要利用植物纖維為原料，在載體層添加灌草種子、保水劑、營養土等生產而成。生態植被袋結構分上網、木漿紙層、種子層、無紡布四層。

其中生態種植袋優勢如下：

1)重量輕、運輸方便；

2)鋪設簡單，適用於平面、斜坡及陡坡上的生態再造，並且不會因降雨或澆水而引起種子或水土流失；

3)生態植被袋由於重量輕，運輸方便，施工中可以從任何角度壘疊，並在90度的垂直巖面上也可以施工，使生態恢復成為可能；

4)生態植被袋內部構造可保證袋內基質不會被雨水衝刷和流失，可有效保持水土；

5)該技術施工速度快，縮短工程周期，植被效果好；

6)該技術與傳統的矸石山治理工程相比，工藝相對簡單，可以減少覆土，保護土源；

7)該技術施工相對靈活，不受季節影響；

8)該技術是在矸石山表面以每個袋子為單位覆蓋坡體，當矸石山發生沉降或者水平錯位時，單個植被袋會隨矸石山表面發生自然沉降，具有柔性覆蓋功能，進而能防止坡面發生水土流失。

9)該技術所採用的材料為環保型材料，不會對環境造成二次汙染；將裝滿土壤基質和植物種子等的袋子層層碼放相互擠壓，形成表面粗糙利於阻擋和攔截降水的小平面，對水土流失、局部泥石流、邊坡塌方等具有很強的防護和穩定作用，可以形成永久穩定的自然邊坡。

(j)後期管理。

覆蓋無紡布，實施補充水分直至度過幼苗期，之後基本靠草灌喬的自然演替，形成穩定的群落結構。

上面結合實施例對本發明作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。