基于GIS的露天開采礦區地形特征及植被恢復研究

劉進來，馬樹恩，劉 玲

(1.河北省千松壩林場，河北 豐寧 068350； 2.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083)

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基于GIS的露天開采礦區地形特征及植被恢復研究

劉進來1，馬樹恩1，劉 玲2

(1.河北省千松壩林場，河北 豐寧 068350； 2.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083)

露天開采礦區；生態修復；地形分析；植被恢復

以露采礦山為研究對象，以破損地形特點及植被恢復為研究目標，利用ArcGIS技術分析研究區地形復雜程度及匯水情況，探討了露天開采礦區植被修復和綠化的技術方法。結果表明：以數字高程模型為基礎，對礦區的高程、坡度和坡向的空間分布情況進行統計分析，同時得到區域匯水分布圖，可作為區域規劃依據。選取地形起伏度、地表粗糙度和高程變異系數作為地形復雜度指標，根據地形復雜度對礦區進行分區治理，在礦區地形特征基礎上因地制宜地選擇植被恢復技術，并根據植物配置營造符合不同季節的植物景觀效果，使礦山跡地重建地貌相對穩定并與周圍景觀相和諧，為廢棄礦區生態修復提供了借鑒和思路。

礦山開采規模和強度的逐漸增大，不僅使資源枯竭，還導致環境污染和生態失衡，引發地質災害[1-2]。因此，如何快速有效地進行礦區生態重建，是釆礦行業面臨的重點問題之一。目前，發達國家已建立較為完善的土地復墾理論體系：美國礦區生態重建已形成法制化體系，在礦區植被恢復、煤矸石綜合利用等方面都有成功經驗[3-4]；德國通過大量實驗形成了以技術為先鋒的礦區生態修復科研網絡[5]；澳大利亞在礦區動植物棲息地恢復上具有成功經驗[6]。國內學者也針對露天開采礦區的生態修復進行了研究和實踐，論述了可墾性分析的一般程序和綜合評價方法：針對廢棄礦山不同的破壞類型論述了生態修復的基本原理和方法[7]；提出了生態修復規劃方案[2]。

目前，GIS 技術在礦山修復、景觀規劃、地質災害監測等方面得到了運用：陳秋計等[8]利用DEM的空間分析，對礦區土地復墾前后的景觀變化進行了分析與評價；張召等[9]應用RS與GIS技術對平朔露天礦區近33年的土地利用與碳匯量的動態變化進行了研究；葉寶瑩[10]利用“3S”技術完成了露天煤礦空間數據庫構建及虛擬；楊翠霞等[11]從流域角度，對廢棄礦區的地形地貌進行分析并重新規劃了子流域及溝道。本研究以天津市薊縣西石礦露天開采礦區地形和水文特征為研究對象，以GIS空間分析為主要研究方法，對礦區數字地形、水文網、地形復雜度進行研究，針對不同地形特征探討土壤改良和植被恢復方案，以期達到廢棄礦區的可持續利用和景觀效果的提升。

1 研究區概況

西石礦露采礦區位于天津市薊縣五名山，距縣城3 km，處于燕山山脈與華北平原交接地帶，礦區北部為薊縣低山丘陵區，海拔100～300 m，礦區南部為山前沖洪積平原區，海拔15～30 m。由于采礦作業，五名山主峰已不復存在，標高降至177.7 m。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，多年平均降水量678.6 mm，年內降水量分布極不均勻，6—9月降水量約占全年降水量的80%，多年平均蒸發量1 907.8 mm，多年平均氣溫11.60 ℃，無霜期181 d，土壤凍結期124 d，最大凍結深度81 cm。

礦區采石遺留崖壁為高陡邊坡，邊坡高差10～80 m，坡度50°～85°，開采面中部有7～8級開采平臺，平臺垂直間距10～15 m不等。坡面風化破碎，無植被覆蓋，存在崩塌、落石、水土流失等災害隱患。開采平臺客土土層瘠薄，植被覆蓋度極低。

2 露天開采礦區地形因子特征分析

在對數字地形信息分析的基礎上，根據不同的坡面特征劃分治理區域，進而在各區域采用相應的治理措施。本研究選取礦區實地測繪1∶500地形圖為基礎數據，采取西安80坐標系，等高距為1 m。

2.1 高程分析

數字高程模型(DEM)是地形高程的數值表示，是進行各種空間分析和水文分析的基礎數據。研究區高程為31～246 m，高程分布頻率見表1(表中的頻率表示的是各分級范圍內的面積占研究區總面積的比值)。從表1可知，高程值在70～110 m的分布頻率最大，高程不大于110 m的頻率之和達74.4%，說明研究區內大部分高程在110 m以下，高程大于190 m的僅占總面積的1.5%。根據研究區內地貌景觀，高程小于100 m區域為采礦坑前場地，100～170 m區域為主要的采石崖壁區域。

表1 礦區高程、坡向、坡度分級統計

2.2 坡度與坡向分析

通過運用ArcGIS 9.3中的3D Analyst—Surface Analysis工具便可得到研究區的坡度和坡向提取結果圖，見圖1。

圖1 礦區坡度、坡向分布

坡向是指每個像素面的朝向，以正北方為0°，按順時針方向計為0°～360°。為了便于統計各坡度、坡向分級的分布情況，將坡向分為平地、陰坡(0°～45°、315°～360°)、半陰坡(45°～135°)、陽坡(135°～225°)和半陽坡(225°～315°)5個等級，將研究區坡度依據不同坡度條件下的地質穩定性、土壤侵蝕特點、植被恢復措施類型的差異劃分為0°～5°、5°～25°、25°～35°、35°～55°、>55°共5個等級。對研究區坡向和坡度分級進行頻率統計分析，統計結果見表1。

綜合坡度、坡向分布圖和統計數據，崖壁所在區域的坡向主要是陰坡和半陽坡，崖壁坡度均在35°以上，相當一部分崖壁坡度大于55°，坡度極陡。因此，崖壁的植被恢復需要考慮植物的耐陰性，高陡崖壁也加大了治理工程的難度。

2.3 匯水分析

研究區的地形是經過人工采石活動開挖山體形成的，復雜多變。人為活動造成的邊坡坡度的變化，對區域內地表徑流的產生、集流、下滲及土壤流失狀況產生了重大影響，同時區域的匯流狀況也有所改變。通過對自然流水進行模擬，在無洼地DEM、水流方向、匯流累積量提取基礎上，提取了區域內的水系分布圖，見圖2。

圖2 礦區水系分布

采礦區域匯水主要來自礦區中部崖壁匯水區、山體北部沖溝匯水區、崖壁對面山體西南—東北方向匯水區。其中礦區中部崖壁為主要匯水區，匯水面積77 248 m2，雨水匯水量約8 767.6 m3。該區域內匯水為雨水自然匯集水量，無法滿足中心水域的水景用水量，水景觀的構建需從場區外水源引水。

3 露天開采礦區地形復雜度分析

地形復雜度是評價地表起伏和粗糙程度的指標，研究方法主要分為統計法和幾何法兩種。統計法描述地形復雜度的參數主要有高程方差和標準差、地形起伏度、高程空間自相關、平均坡向、平均坡度和水文網密度等。幾何法描述地形復雜度的參數包括地表粗糙度、地表曲率、分形維數、地形復雜度指數、坡度坡向變率等[12-13]。

3.1 地形復雜度評價

3.1.1 地形起伏度

地形起伏度(Relief Amplitude)表示局部區域內高程的最大值與最小值的差，可用公式RA=Hmax-Hmin表示。地形起伏度是定量描述地貌形態的重要指標，在一定程度上反映地貌的發育階段，起伏度大小又是影響坡面物質的潛在侵蝕強度的重要因素之一，在礦區水土保持治理和生態重建上具有重要的意義。

從圖3分析結果計算出，地形起伏度在0～2 m之間的面積占總面積的28.1%，在2～5 m之間的占39.7%，在5～8 m之間的占21.6%，大于8 m的占10.6%。崖壁及其邊緣區域地形起伏度大，說明該區域高程變異大。

圖3 礦區地形起伏度分布

3.1.2 地表粗糙度

地表粗糙度(Relief Roughness)是指局部區域地形的曲面表面積與其在水平面上的投影面積之比。曲面表面積一般通過是柵格單元計算。地表粗糙度提取方法，是在提取柵格DEM的坡度專題圖基礎上，計算坡度余弦值的倒數。地表粗糙度是衡量地表侵蝕程度的重要量化指標，值越大說明水土流失越嚴重。

從研究區的地表粗糙度分布(圖4)計算出，粗糙度≤1.5的面積占總面積的89.9%，粗糙度>1.5的面積占總面積的10.1%，也就是地表侵蝕相對很嚴重的區域，也是礦區廢棄地以后治理的重點區域，這可為后期的流域治理規劃提供可靠的設計依據。

圖4 礦區地表粗糙度分布

3.1.3 高程變異系數

地形高程變異系數(Variance Coefficient in Elevation)是表示一定距離內高程相對變化的指標，用該區域內高程標準差與平均值的比值表示。高程標準差反映了局部區域地形的平均起伏程度，其值越大表示高程變化的范圍越大，地形越不平坦。

從研究區高程變異系數分布(圖5)來看，崖壁區域及整個開采邊坡的邊緣區域高程變化大，原地貌破壞嚴重。

圖5 礦區高程變異系數分布

3.2 根據地形特點分區治理

由于地形、水文、地質等條件在空間分布上的異質性，因此在區域內部溝谷單元劃分中，要注意單元之間的明顯差異。本研究主要的集水區單元為崖壁區域，可作為一個比較完整的水文單元，基本能反映礦區廢棄地的地形、水文和地質環境條件。結合地質災害治理技術設計及崖壁生態景觀的整體恢復目標，根據地形復雜情況將項目區分為3個區域進行設計：位于礦區崖壁北部和南部的A區(A1、A2)，位于崖壁東部和東南部的B區(B1、B2)，位于B區中間位置的C區(見圖6)。根據不同區段邊坡坡面特點和地質災害治理措施的不同，有針對性地對不同類型坡面采用不同的景觀提升與綠化措施。

圖6 礦區景觀分區

4 露天開采礦區植被恢復研究

景觀綠化設計應與周圍景區文化相呼應，針對南部崖壁已有成形的臺階，東邊崖壁部分有臺階、部分沒有臺階的情況，通過點、線、面漸變的設計思路，使整個崖面在不同的生態治理措施下保持統一性和協調性。

4.1 生態修復植物群落配置設計

4.1.1 A區景觀與綠化設計

A區破損面高差較大，斷面較陡直，坡面巖體破碎，坡腳有碎石堆積，人工開采原有平臺消失，未進行綠化。植被恢復結合崖面微地形，采取植生槽、鉆孔植生、掛網高次團粒噴播等方法。主要針對坡面、坡腳進行綠化設計。坡面綠化根據現場微地形，砌筑種植槽，種植槽形狀可根據地形情況設置為圓形、方形等形式，槽高30～50 cm，種植槽內客土栽植灌草，槽內配施一定量的有機肥與保水劑，種植槽外側土面高于內側，便于蓄水，栽植后槽內土層表面低于槽上沿2～5 cm；充分利用微地形在崖壁鑿孔，開鑿的石孔向下傾斜45°角，利于保存土壤和水分。坡腳前堆砌生態袋，生態袋與崖壁之間客土回填，種植喬灌植被，形成植被群落較為完整的山前緩沖區；生態袋表面可噴播草灌種子，實現坡面覆綠，以獲得更好的生態效果。

4.1.2 B區景觀與綠化設計

B區坡體巖體破碎，坡面有7～8級馬道平臺，平臺寬度一般2～3 m，部分平臺已綠化，但植物生長狀況較差，生態護坡與綠化效果不佳。綠化設計主要針對坡面、坡腳、平臺進行。坡面綠化以掛網高次團粒噴播為主，并利用藤本植物上爬下掛覆蓋；坡腳在碎落帶進行綠化，通過生態緩沖帶喬灌栽植，起到安全防護和景觀融合雙重功效；平臺在不破壞原有植被的基礎上，增加腐殖土厚度，逐步完善平臺植被搭配，豐富植被色彩。

4.1.3 C區景觀與綠化設計

C區位于東南兩側坡面交匯處，可產生匯水，破損面高差較大，斷面較陡直，斷崖局部有碎石斷層。根據景觀設計，該區域為人工瀑布景觀。在156平臺(高程156 m)建設人工湖，用于瀑布蓄水。為了使C區與B區景觀自然銜接，在瀑布兩側鉆孔栽植灌草植物。瀑布的下方在原有采石場開采坑基礎上設計人工湖，結合不規則湖岸在湖畔營造林帶，實現水清木華。

4.2 綠化植物選擇

根據不同區段的邊坡特點，有針對性地采用不同植物配置方式。本方案綠化區域及相應的植物構建目標為：①崖壁植被恢復，增加覆綠面積；②平臺綠化，豐富植物品種；③坡腳緩沖帶，構建植物景觀。

4.2.1 坡面綠化，重點突出覆綠效果

為快速形成坡面植被覆蓋，持久恢復邊坡生態，崖壁坡面部分應選擇適生植物。護坡坡腳和平臺外沿栽植攀緣和藤本植物，起到防護和美化作用。

客土噴播：選擇耐貧瘠、根系發達、覆蓋快的草灌種子客土噴播，主要有紫穗槐、紫葉小檗、荊條、胡枝子、紫花苜蓿、黑麥草、草木樨、小冠花和野花組合。

鉆孔植生、植生槽：灌木選擇黃櫨、紫穗槐、藤本月季等苗木，草本以撒播紫花苜蓿、黑麥草種子為主。

藤本覆蓋：選擇爬山虎、凌霄和薔薇，通過藤本和攀緣植物上爬下掛，進行垂直綠化。

4.2.2 平臺綠化，重點突出豐富的植物群落

在改善平臺土壤養分的基礎上，改變單一植物的景觀效果，增加適應性強、見效快、淺根性的觀花觀葉植物品種，提升綠化景觀效果。灌木選紫葉李、金銀木、榆葉梅、丁香、黃櫨、紫穗槐，草花選月季、小冠花、野花組合，藤本選爬山虎、薔薇、凌霄。

4.2.3 坡腳緩沖帶，重點突出冬綠、春花、夏花、秋葉景觀

坡腳設置生態緩沖帶，回填客土種植喬木、開花灌木，撒播草灌種子。生態緩沖帶外沿采用生態袋擋墻技術，生態袋擋墻的坡面采用客土噴播技術進行綠化。緩沖帶與前置景觀相協調，遮擋裸露崖壁。緩沖帶以景觀類植物為主，以欒樹、油松為背景，配合種植黃櫨、榆葉梅、紫葉李等，突出不同季節色彩；下層以金山繡線菊、紫葉小檗、珍珠梅苗木和地被草花為主，突出多層次的植物搭配。緩沖帶靠近崖壁處種植藤本植物。

5 結 論

以露天開采礦區為研究對象，對礦山跡地的植被恢復與生態重建進行了實踐。以天津薊縣西石礦采石場為例進行的應用和評價，主要取得如下結論：

(1)以數字高程模型為基礎，對區域的地形復雜度和水文特征進行分析，為地形改造和植被恢復治理提供了設計依據。利用地形起伏度、地表粗糙度和高程變異系數來綜合評價地形復雜度，確定了以采石崖壁及開采區邊緣為治理重點的治理區劃分。數字水文網的提取，為研究區礦山生態修復和水域景觀規劃提供了依據。

(2)根據生態思維和可持續發展理念，對不同的地形特征分區綠化設計，實現了近自然植被恢復。根據不同區域內地形特征、土壤條件和局部環境特征，選擇了適宜的綠化植被。

露采礦區的地形改造和生態修復是進行土地復墾和土地整理利用的基礎，隨著城市不斷發展和土地資源的限制，采石跡地將成為城市綠地及城市生態景觀發展的延續。在利用ArcGIS技術對露天開采礦區地形特征分析的基礎上進行植被恢復，可使礦山跡地重建地貌相對穩定并與周圍景觀相和諧，這為廢棄礦區生態重建提供了借鑒和思路。

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(責任編輯 徐素霞)

S157.2；P208

A

1000-0941(2016)12-0062-05

劉進來(1962—)，男，河北承德市人，高級工程師，學士，主要從事林業工作。

2015-12-27