本發(fā)明一種煤矸石堆積區(qū)地貌重塑方法，屬于生態(tài)恢復技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
煤矸石占用大量土地、引發(fā)自燃，是眾所周知的治理難題。目前煤矸石堆積區(qū)采取的植被恢復措施仍是常規(guī)的造林技術(shù)規(guī)程，特點是“臺階式錯胎平整，園林綠化”的設(shè)計方法，壓占大量土地，綠化植物與周圍景觀不協(xié)調(diào)，土壤穩(wěn)定性差，水土流失嚴重。目前普遍采用直趨排水的洪峰流量模型設(shè)計：
上述公式中，q是指流量，kp是模比系數(shù)，m3是指體積，s為時間。
近年來礦區(qū)廢棄地植被恢復的研究得到了重視，技術(shù)研究逐漸增多，例如夏漢平總結(jié)出一套采礦地人工恢復的一般步驟(夏漢平，蔡錫安.采礦地的生態(tài)恢復技術(shù).應用生態(tài)學報.2002，13(11)：1471～1477)，吳少儒采用的噴射護坡綠化技術(shù)(吳少儒，許文年，王路根，等.噴射護坡綠化技術(shù)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(qū)生態(tài)修復規(guī)劃的程序(王霖琳，胡振琪，等.中國煤礦區(qū)生態(tài)修復規(guī)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(shù)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(shù)與裝備的研究進展，林業(yè)機械與木工設(shè)備2016(6)：15-20；煤矸石山綜合治理技術(shù)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(qū)采取的治理規(guī)劃側(cè)重于經(jīng)驗規(guī)劃、景觀規(guī)劃方法，偏離了生態(tài)恢復的技術(shù)理念和內(nèi)涵，從而形成了園林綠化技術(shù)或者常規(guī)造林技術(shù)，人工跡象顯著，坡面不穩(wěn)定，后期維護費用高。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種煤矸石堆積區(qū)地貌重塑方法，運用流域地貌學理論和河流地貌形態(tài)數(shù)學模型模擬自然地形設(shè)計合理，項目實施后，土壤坡面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，景觀性好，水土保持效果佳，可經(jīng)受住50年一遇的降水，適用于煤矸石堆積區(qū)、土地復墾、水土保持等涉及地形整理、地形重塑的領(lǐng)域。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種煤矸石堆積區(qū)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(tài)數(shù)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(tài)數(shù)學模型來模擬自然地形，流域結(jié)構(gòu)采用shreve單根樹枝狀模式，在對研究區(qū)溝道和子流域分析和規(guī)劃基礎(chǔ)上，依據(jù)鄰近未干擾小流域dem計算的地貌形態(tài)參數(shù)以及實際測量的溝道形態(tài)細部數(shù)據(jù)，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(wěn)定，根據(jù)現(xiàn)有土壤與植被的景觀狀況和未來土地利用的規(guī)劃，通過子流域的規(guī)劃設(shè)計以及溝道蜿蜒化處理，溝道逐漸演變成一個相對穩(wěn)定的蜿蜒自然模式，同時減緩了水流速度，增加溝道穩(wěn)定性，最大程度上達到自然狀態(tài)，這些輸入?yún)?shù)是由研究區(qū)域附近的未擾動地貌的水文和氣候?qū)傩源_定的，通常從測量照片與野外調(diào)查地形數(shù)據(jù)獲得；
關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)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(qū)域的比例；
3)分水嶺到河道頂端距離：山脊至穩(wěn)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)蜿蜒系數(shù)：基于河谷坡度的河道蜿蜒特征；
(b)采用sedcad洪峰流模型對重塑地形進行補充設(shè)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(jié)約建設(shè)經(jīng)費，流域邊界和河道位置最優(yōu)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的范圍以最小化泥沙顆粒分散，最終流域結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個多樣化的地表地貌以利于植被恢復；
(c)由設(shè)計模型數(shù)據(jù)進行carlson軟件開發(fā)土木建設(shè)設(shè)計模塊；
在施工之前，由設(shè)計模型數(shù)據(jù)輸出創(chuàng)建一個數(shù)字不規(guī)則三角網(wǎng)tin，用于carlson軟件開發(fā)的土木建設(shè)設(shè)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(nèi)；
(d)煤矸石堆積區(qū)地貌重塑的河道保護工程；
該設(shè)計方法中18％-20％有坡的河道采用工程加固措施以限制徑流的沖刷損壞，確定加固設(shè)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(shè)定的限制流速為1.5m/s，通常粘性摩擦應力設(shè)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筑基；
(e)重塑地貌侵蝕潛力評價；
采用rusle侵蝕模型分析用以評估恢復區(qū)侵蝕潛力和確定必要的額外的處理措施，參考現(xiàn)有復墾規(guī)范采用0.5kg/m2地膜覆蓋恢復區(qū)域，rusle計算方程用于量化植被，地面覆蓋和生根率，土壤分離率的分析是基于假設(shè)恢復后7年或7年以上，地被覆蓋層為30％植被蓋度。
所述地貌形態(tài)參數(shù)包括溝道形態(tài)細部數(shù)據(jù)，降雨量，溝道密度，分水嶺到河道頂端距離，河灣跨度和蜿蜒系數(shù)。
所述河谷和山脊之間的距離保持在60m以下，滲透性曲線系數(shù)為82。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是：
(1)使用該方法比傳統(tǒng)生態(tài)修復技術(shù)節(jié)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(tài)植被袋采用重量輕、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)采用本方法施工后坡面穩(wěn)定，養(yǎng)護要求低，節(jié)約成本。
(4)模擬植被自然演替規(guī)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(fā)明一種煤矸石堆積區(qū)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(tài)數(shù)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(tài)數(shù)學模型來模擬自然地形，流域結(jié)構(gòu)采用shreve單根樹枝狀模式。在對研究區(qū)溝道和子流域分析和規(guī)劃基礎(chǔ)上，依據(jù)鄰近未干擾小流域dem計算的地貌形態(tài)參數(shù)以及實際測量的溝道形態(tài)細部數(shù)據(jù)，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(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)有土壤與植被的景觀狀況和未來土地利用的規(guī)劃，通過子流域的規(guī)劃設(shè)計以及溝道蜿蜒化處理，溝道逐漸演變成一個相對穩(wěn)定的蜿蜒自然模式，同時減緩了水流速度，增加溝道穩(wěn)定性，最大程度上達到自然狀態(tài)。這些輸入?yún)?shù)是由研究區(qū)域附近的未擾動地貌的水文和氣候?qū)傩源_定的，通常從測量照片與野外調(diào)查地形數(shù)據(jù)獲得。關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)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(qū)域的比例；
3)分水嶺到河道頂端距離：山脊至穩(wěn)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)蜿蜒系數(shù)：基于河谷坡度的河道蜿蜒特征。
(b)采用sedcad洪峰流模型對重塑地形進行補充設(shè)計。
設(shè)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(jié)約建設(shè)經(jīng)費。流域邊界和河道位置最優(yōu)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的范圍以最小化泥沙顆粒分散。最終設(shè)計中流域結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個多樣化的地表地貌以利于植被恢復。
需要輸入的參數(shù)包括降雨分布和基于土壤和植被條件的滲透性曲線系數(shù)表示的滲透特征。該模型采用的曲線系數(shù)為82，用于恢復后的曲線系數(shù)82意味著植被重塑已經(jīng)完成。盡管播種以后植被還沒有形成，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于5年后重建的土壤和植被。
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、后一個時段δt時刻的流量；τm為上、下斷面洪峰傳播時間。
(c)由設(shè)計模型數(shù)據(jù)進行carlson軟件開發(fā)土木建設(shè)設(shè)計模塊。
在施工之前，由設(shè)計模型數(shù)據(jù)輸出創(chuàng)建一個數(shù)字不規(guī)則三角網(wǎng)(tin)，用于carlson軟件開發(fā)的土木建設(shè)設(shè)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(nèi)。
為直觀地描述施工的削減和充填，采用圖片來顯示，所有削減帶有紅色負數(shù)和所有的填充帶有藍色的正數(shù)。所有相交平衡的位置用一個綠色零表示。一個由tin產(chǎn)生的數(shù)字標樁，以表明施工時候標樁的位置。所有的這些設(shè)置點被上傳到一個分級調(diào)查gps進行精確定位。在礦區(qū)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，分別涂上紅色，藍色和綠色標記。推土機按照整體設(shè)計整理地形，對修復區(qū)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(qū)地貌重塑的河道保護工程。
該設(shè)計方法中18-20％有坡的河道采用工程加固措施以限制徑流的沖刷損壞。確定加固設(shè)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(shè)定的限制流速為1.5m/s。通常粘性摩擦應力設(shè)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筑基。
(e)重塑地貌侵蝕潛力評價。
本設(shè)計采用rusle侵蝕模型分析用以評估恢復區(qū)侵蝕潛力和確定必要的額外的處理措施。參考現(xiàn)有復墾規(guī)范采用0.5kg/m2地膜覆蓋恢復區(qū)域。rusle計算方程用于量化植被，地面覆蓋和生根率。土壤分離率的分析是基于假設(shè)恢復后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(shè)計，在干旱和其他不良條件下可以提高土壤穩(wěn)定性。在斜坡上，巖石覆蓋層建模應設(shè)定最壞的情況，即假設(shè)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(qū)煤矸石堆積區(qū)的地貌重塑為例，對具體技術(shù)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(tài)數(shù)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(qū)數(shù)據(jù)為1:10000的地形圖，等高線高差為10m。在arcgis軟件中，先由等高線轉(zhuǎn)換到beijing1954坐標下建立tin格式，再由tin格式經(jīng)內(nèi)插后生成dem。以礦區(qū)破壞前的影像數(shù)據(jù)為主要信息源，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查資料，搜集該區(qū)未干擾區(qū)域的相關(guān)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(shè)計模型geofluv的參數(shù)：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(tài)特征
在對研究區(qū)溝道和子流域分析和規(guī)劃基礎(chǔ)上，依據(jù)未干擾小流域dem計算的地貌形態(tài)參數(shù)以及實際測量的溝道形態(tài)細部數(shù)據(jù)，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(wěn)定。
(b)采用sedcad洪峰流模型對重塑地形進行補充設(shè)計。
設(shè)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的范圍以最小化泥沙顆粒分散。最終設(shè)計中流域結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個多樣化的地表地貌以利于植被恢復。通過局部微調(diào)子流域內(nèi)溝道的位置，使設(shè)計的形態(tài)指標達到目標，最終重建了實驗區(qū)地形。盡管播種以后植被還沒有形成，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于5年后重建的土壤和植被，見表2。
表2重塑后地貌的子流域形態(tài)特征
(c)由設(shè)計模型數(shù)據(jù)進行carlson軟件開發(fā)土木建設(shè)設(shè)計模塊。
在施工之前，由設(shè)計模型數(shù)據(jù)輸出創(chuàng)建一個數(shù)字不規(guī)則三角網(wǎng)(tin)，用于carlson軟件開發(fā)的土木建設(shè)設(shè)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(nèi)，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，采用圖片來顯示，所有削減帶有紅色負數(shù)和所有的填充帶有藍色的正數(shù)。所有相交平衡的位置用一個綠色零表示。一個由tin產(chǎn)生的數(shù)字標樁，以表明施工時候標樁的位置。所有的這些設(shè)置點被上傳到一個分級調(diào)查gps進行精確定位。在礦區(qū)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，分別涂上紅色，藍色和綠色標記。推土機按照整體設(shè)計整理地形，對修復區(qū)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(qū)地貌重塑的河道保護工程。
該區(qū)20％有坡的河道需要采用工程加固措施以限制徑流的沖刷損壞。確定加固設(shè)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(shè)定的限制流速為1.5m/s。通常粘性摩擦應力設(shè)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筑基。
(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(tǒng)信息熵值h。地貌系統(tǒng)信息熵值h與流域地貌發(fā)展階段間的關(guān)系：當h＜0.11，流域地貌發(fā)育為幼年期；0.11≤h≤0.40，為壯年期；h＞0.40時，處于老年期。
從表4可以看出，子流域7的地貌發(fā)育狀態(tài)處于幼年期，其他8個子流域的地貌發(fā)育狀態(tài)均處于壯年期，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(fā)育的均衡階段，即使不采取任何水土保持措施，通過自身的調(diào)節(jié)，水土流失也會慢慢減弱，基本上在后期生態(tài)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(jù)設(shè)計圖，所有削減帶有紅色負數(shù)和所有的填充帶有藍色的正數(shù)。所有相交平衡的位置用一個綠色零表示。一個由tin產(chǎn)生的數(shù)字標樁，以表明施工時候標樁的位置。所有的這些設(shè)置點被上傳到一個分級調(diào)查gps進行精確定位。在礦區(qū)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，分別涂上紅色，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(shè)計整理地形，對修復區(qū)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(xiàn)細調(diào)以確定幾何形狀和適當?shù)膹澢?。在不同地點、礦區(qū)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。
采用堿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(chǎn)生“煙囪”效應，引起自燃。
(h)表層基質(zhì)改良。
坡面清理后，先在坡面噴水濕潤，以利于基質(zhì)材料更好地與恢復面結(jié)合。將備好的基質(zhì)材料,噴射3-5㎝厚的基質(zhì)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(zhì)、核心基材等；基質(zhì)材料根據(jù)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(yǎng)土壤層?；|(zhì)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(zhì)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(shè)。
植被恢復采用生態(tài)種植袋，生態(tài)種植袋技術(shù)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(nèi)側(cè)，施工時在種植袋內(nèi)裝入營養(yǎng)土，封口后按照坡面防護要求碼放，經(jīng)過澆水養(yǎng)護，實現(xiàn)施工現(xiàn)場的植被修復。生態(tài)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(yǎng)土等生產(chǎn)而成。生態(tài)植被袋結(jié)構(gòu)分上網(wǎng)、木漿紙層、種子層、無紡布四層。
其中生態(tài)種植袋優(yōu)勢如下：
1)重量輕、運輸方便；
2)鋪設(shè)簡單，適用于平面、斜坡及陡坡上的生態(tài)再造，并且不會因降雨或澆水而引起種子或水土流失；
3)生態(tài)植被袋由于重量輕，運輸方便，施工中可以從任何角度壘疊，并在90度的垂直巖面上也可以施工，使生態(tài)恢復成為可能；
4)生態(tài)植被袋內(nèi)部構(gòu)造可保證袋內(nèi)基質(zhì)不會被雨水沖刷和流失，可有效保持水土；
5)該技術(shù)施工速度快，縮短工程周期，植被效果好；
6)該技術(shù)與傳統(tǒng)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(shù)施工相對靈活，不受季節(jié)影響；
8)該技術(shù)是在矸石山表面以每個袋子為單位覆蓋坡體，當矸石山發(fā)生沉降或者水平錯位時，單個植被袋會隨矸石山表面發(fā)生自然沉降，具有柔性覆蓋功能，進而能防止坡面發(fā)生水土流失。
9)該技術(shù)所采用的材料為環(huán)保型材料，不會對環(huán)境造成二次污染；將裝滿土壤基質(zhì)和植物種子等的袋子層層碼放相互擠壓，形成表面粗糙利于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(wěn)定作用，可以形成永久穩(wěn)定的自然邊坡。
(j)后期管理。
覆蓋無紡布，實施補充水分直至度過幼苗期，之后基本靠草灌喬的自然演替，形成穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)。
上面結(jié)合實施例對本發(fā)明作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。