CN107170022A - 一种煤矸石堆积区地貌重塑方法 - Google Patents
一种煤矸石堆积区地貌重塑方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种煤矸石堆积区地貌重塑方法,包括运用流域地貌学理论和河流地貌形态数学模型模拟自然地形;采用SEDCAD洪峰修正流模型对重塑地形进行补充设计;由设计模型数据进行Carlson软件开发土木建设设计模块;煤矸石堆积区地貌重塑的河道保护工程;重塑地貌侵蚀潜力评价。本发明将流域地貌学理论和地貌形态数学模型引入煤矸石堆积区地貌设计,减少机械方法带来的失误;同时,利用土木建设设计模块进行施工指导,利用消减和充填的平衡,降低了工作量和成本;遵循植被自然演替规律,提高了植被稳定性,为矿区修复模式提供定量参考。
Description
技术领域
本发明一种煤矸石堆积区地貌重塑方法,属于生态恢复技术领域。
背景技术
煤矸石占用大量土地、引发自燃,是众所周知的治理难题。目前煤矸石堆积区采取的植被恢复措施仍是常规的造林技术规程,特点是“台阶式错胎平整,园林绿化”的设计方法,压占大量土地,绿化植物与周围景观不协调,土壤稳定性差,水土流失严重。目前普遍采用直趋排水的洪峰流量模型设计:
上述公式中,Q是指流量,Kp是模比系数,m3是指体积,s为时间。
近年来矿区废弃地植被恢复的研究得到了重视,技术研究逐渐增多,例如夏汉平总结出一套采矿地人工恢复的一般步骤(夏汉平,蔡锡安.采矿地的生态恢复技术.应用生态学报.2002,13(11):1471~1477),吴少儒采用的喷射护坡绿化技术(吴少儒,许文年,王路根,等.喷射护坡绿化技术的物种选择[J].中国水土保持,2006(6):41-43.),王霖琳介绍了煤矿区生态修复规划的程序(王霖琳,胡振琪,等.中国煤矿区生态修复规划的方法与实例[J].金属矿山,2007(5):17-19.),安永兴对煤矸石治理过程中的装备及综合治理技术模式进行了研究和实践(安永兴,王晓军等,自燃煤矸石山综合治理技术与装备的研究进展,林业机械与木工设备2016(6):15-20;煤矸石山综合治理技术模式与实践[J].安永兴,梁明武,赵平.中国水土保持科学.2012(01):26-30)。
应该指出,上述煤矸石堆积区采取的治理规划侧重于经验规划、景观规划方法,偏离了生态恢复的技术理念和内涵,从而形成了园林绿化技术或者常规造林技术,人工迹象显著,坡面不稳定,后期维护费用高。
发明内容
本发明克服了现有技术存在的不足,提供了一种煤矸石堆积区地貌重塑方法,运用流域地貌学理论和河流地貌形态数学模型模拟自然地形设计合理,项目实施后,土壤坡面结构稳定,景观性好,水土保持效果佳,可经受住50年一遇的降水,适用于煤矸石堆积区、土地复垦、水土保持等涉及地形整理、地形重塑的领域。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种煤矸石堆积区地貌重塑方法,该方法包括如下具体步骤:
(a)运用流域地貌学理论和河流地貌形态数学模型模拟自然地形;
在ArcGIS运行平台下,运用流域地貌学理论和Rosgen的“Z”型河流地貌形态数学模型来模拟自然地形,流域结构采用Shreve单根树枝状模式,在对研究区沟道和子流域分析和规划基础上,依据邻近未干扰小流域DEM计算的地貌形态参数以及实际测量的沟道形态细部数据,通过ArcGIS重建地貌,坡面和沟道遵从河流水文地貌形成过程,地貌相对稳定,根据现有土壤与植被的景观状况和未来土地利用的规划,通过子流域的规划设计以及沟道蜿蜒化处理,沟道逐渐演变成一个相对稳定的蜿蜒自然模式,同时减缓了水流速度,增加沟道稳定性,最大程度上达到自然状态,这些输入参数是由研究区域附近的未扰动地貌的水文和气候属性确定的,通常从测量照片与野外调查地形数据获得;
关键的输入参数如下:
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)沟道密度:河谷长度与延伸区域的比例;
3)分水岭到河道顶端距离:山脊至稳定河道的最短距离;
4)河湾跨度:Rosgen分类法中A型河道蜿蜒跨度的1/4;
5)蜿蜒系数:基于河谷坡度的河道蜿蜒特征;
(b)采用SEDCAD洪峰流模型对重塑地形进行补充设计;
将一系列山脊和沟谷合到一起,河谷和山脊之间的距离保持在60m以下以最小化推土机使用距离来节约建设经费,流域边界和河道位置最优化已到达挖填平衡在各个独立的子流域,坡长缩短到300m至30m的范围以最小化泥沙颗粒分散,最终流域结构产生一个多样化的地表地貌以利于植被恢复;
(c)由设计模型数据进行Carlson软件开发土木建设设计模块;
在施工之前,由设计模型数据输出创建一个数字不规则三角网TIN,用于Carlson软件开发的土木建设设计模块,用迭代法来确保每个子流域中每个的削减和充填平衡,使施工效率最大化,推土距离限制在60m以内;
(d)煤矸石堆积区地貌重塑的河道保护工程;
该设计方法中18%-20%有坡的河道采用工程加固措施以限制径流的冲刷损坏,确定加固设施尺寸,由ArcGIS计算在每个子流域出口的流量使用SEDCAD河道应用的PADER方法建模,SEDCAD中设定的限制流速为1.5m/s,通常粘性摩擦应力设置为2.5kg/m,如果径流速度和粘性摩擦应力超过这个限制,需要沿着通道长度直至与较大的接收河道连接处筑基;
(e)重塑地貌侵蚀潜力评价;
采用RUSLE侵蚀模型分析用以评估恢复区侵蚀潜力和确定必要的额外的处理措施,参考现有复垦规范采用0.5kg/m2地膜覆盖恢复区域,RUSLE计算方程用于量化植被,地面覆盖和生根率,土壤分离率的分析是基于假设恢复后7年或7年以上,地被覆盖层为30%植被盖度。
所述地貌形态参数包括沟道形态细部数据,降雨量,沟道密度,分水岭到河道顶端距离,河湾跨度和蜿蜒系数。
所述河谷和山脊之间的距离保持在60m以下,渗透性曲线系数为82。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是:
(1)使用该方法比传统生态修复技术节约投资15%以上,在施工过程中能利用消减和充填的平衡,减少了大量的工作量和成本。
(2)生态植被袋采用重量轻、运输方便、可塑性强、施工灵活,减短工程周期,植被恢复效果好。
(3)采用本方法施工后坡面稳定,养护要求低,节约成本。
(4)模拟植被自然演替规律,即由草灌、乔灌向森林化方向演替,而非园林式绿化。
具体实施方式
本发明一种煤矸石堆积区地貌重塑方法,包括以下步骤:
(a)运用流域地貌学理论和河流地貌形态数学模型模拟自然地形。
在ArcGIS运行平台下,运用流域地貌学理论和Rosgen的Z型河流地貌形态数学模型来模拟自然地形,流域结构采用Shreve单根树枝状模式。在对研究区沟道和子流域分析和规划基础上,依据邻近未干扰小流域DEM计算的地貌形态参数以及实际测量的沟道形态细部数据,通过ArcGIS重建地貌,坡面和沟道遵从河流水文地貌形成过程,地貌相对稳定。根据现有土壤与植被的景观状况和未来土地利用的规划,通过子流域的规划设计以及沟道蜿蜒化处理,沟道逐渐演变成一个相对稳定的蜿蜒自然模式,同时减缓了水流速度,增加沟道稳定性,最大程度上达到自然状态。这些输入参数是由研究区域附近的未扰动地貌的水文和气候属性确定的,通常从测量照片与野外调查地形数据获得。关键的输入参数如下:
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)沟道密度:河谷长度与延伸区域的比例;
3)分水岭到河道顶端距离:山脊至稳定河道的最短距离;
4)河湾跨度:Rosgen分类法中A型河道蜿蜒跨度的1/4;
5)蜿蜒系数:基于河谷坡度的河道蜿蜒特征。
(b)采用SEDCAD洪峰流模型对重塑地形进行补充设计。
设计将一系列山脊和沟谷合到一起。河谷和山脊之间的距离保持在60m以下以最小化推土机使用距离来节约建设经费。流域边界和河道位置最优化已到达挖填平衡在各个独立的子流域。坡长缩短到300m至30m的范围以最小化泥沙颗粒分散。最终设计中流域结构产生一个多样化的地表地貌以利于植被恢复。
需要输入的参数包括降雨分布和基于土壤和植被条件的渗透性曲线系数表示的渗透特征。该模型采用的曲线系数为82,用于恢复后的曲线系数82意味着植被重塑已经完成。尽管播种以后植被还没有形成,但是播种准备的土壤重整和覆盖物的应用将暂时提供土壤覆盖条件类似于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下分别为河道上、下断面的相应洪峰流量;L为演算河段长度。
α、β和cm,可用下式计算:
式中:Qm-1、Qm+1分别为洪峰前、后一个时段Δt时刻的流量;τm为上、下断面洪峰传播时间。
(c)由设计模型数据进行Carlson软件开发土木建设设计模块。
在施工之前,由设计模型数据输出创建一个数字不规则三角网(TIN),用于Carlson软件开发的土木建设设计模块。迭代法来确保每个子流域中每个的削减和充填平衡。为使施工效率最大化,推土距离限制在60m以内。
为直观地描述施工的削减和充填,采用图片来显示,所有削减带有红色负数和所有的填充带有蓝色的正数。所有相交平衡的位置用一个绿色零表示。一个由TIN产生的数字标桩,以表明施工时候标桩的位置。所有的这些设置点被上传到一个分级调查GPS进行精确定位。在矿区废弃地,在河道的底部和相交位置沿着山脊打标桩,对应地图,分别涂上红色,蓝色和绿色标记。推土机按照整体设计整理地形,对修复区进行填垫、平整、土体搬运,基本达到填方和挖方平衡。
(d)煤矸石堆积区地貌重塑的河道保护工程。
该设计方法中18-20%有坡的河道采用工程加固措施以限制径流的冲刷损坏。确定加固设施尺寸,由ArcGIS计算在每个子流域出口的流量使用SEDCAD河道应用的PADER方法建模。SEDCAD中设定的限制流速为1.5m/s。通常粘性摩擦应力设置为2.5kg/m。如果径流速度和粘性摩擦应力超过这个限制,需要沿着通道长度直至与较大的接收河道连接处筑基。
(e)重塑地貌侵蚀潜力评价。
本设计采用RUSLE侵蚀模型分析用以评估恢复区侵蚀潜力和确定必要的额外的处理措施。参考现有复垦规范采用0.5kg/m2地膜覆盖恢复区域。RUSLE计算方程用于量化植被,地面覆盖和生根率。土壤分离率的分析是基于假设恢复后7年或7年以上,地被覆盖层为30%植被盖度。因为坡向的不同,建立植被、降水模式可能随着时间的推移改变,可变因素对覆盖物密度的影响被纳入设计,在干旱和其他不良条件下可以提高土壤稳定性。在斜坡上,岩石覆盖层建模应设定最坏的情况,即假设0%的植被只剩下岩石覆盖,防止水土流失。
下面以2011年山西省河东矿区煤矸石堆积区的地貌重塑为例,对具体技术的实施步骤进行详细说明。
(a)运用流域地貌学理论和河流地貌形态数学模型模拟自然地形。
煤矸石山为人工堆积地貌,堆积形成的地貌基本为自然堆积的坡度较陡的地貌。研究区数据为1:10000的地形图,等高线高差为10m。在ArcGIS软件中,先由等高线转换到Beijing1954坐标下建立TIN格式,再由TIN格式经内插后生成DEM。以矿区破坏前的影像数据为主要信息源,结合现场调查资料,搜集该区未干扰区域的相关资料。从气象局获得2年一遇1h降水量31mm和50年一遇6h最大降水量118mm。从破坏前影像得出四个指标,输入设计模型GeoFluv的参数:分水岭至沟道源头的最小距离11.04m、沟道密度20.4km/km2、河湾跨度15.5m及蜿蜒度1.15,见表1。
表1重塑前地貌的子流域形态特征
在对研究区沟道和子流域分析和规划基础上,依据未干扰小流域DEM计算的地貌形态参数以及实际测量的沟道形态细部数据,通过GeoFluv模型重建地貌,重塑地形的流域分为9个小流域,坡面和沟道遵从河流水文地貌形成过程,地貌相对稳定。
(b)采用SEDCAD洪峰流模型对重塑地形进行补充设计。
设计将一系列山脊和沟谷合到一起,河谷和山脊之间的距离保持在60m以下。坡长缩短到300m至30m的范围以最小化泥沙颗粒分散。最终设计中流域结构产生一个多样化的地表地貌以利于植被恢复。通过局部微调子流域内沟道的位置,使设计的形态指标达到目标,最终重建了实验区地形。尽管播种以后植被还没有形成,但是播种准备的土壤重整和覆盖物的应用将暂时提供土壤覆盖条件类似于5年后重建的土壤和植被,见表2。
表2重塑后地貌的子流域形态特征
(c)由设计模型数据进行Carlson软件开发土木建设设计模块。
在施工之前,由设计模型数据输出创建一个数字不规则三角网(TIN),用于Carlson软件开发的土木建设设计模块。迭代法来确保每个子流域中每个的削减和充填平衡。为使施工效率最大化,推土距离限制在60m以内,见表3。
表3重塑地形挖填方体积
为直观地描述施工的削减和充填,采用图片来显示,所有削减带有红色负数和所有的填充带有蓝色的正数。所有相交平衡的位置用一个绿色零表示。一个由TIN产生的数字标桩,以表明施工时候标桩的位置。所有的这些设置点被上传到一个分级调查GPS进行精确定位。在矿区废弃地,在河道的底部和相交位置沿着山脊打标桩,对应地图,分别涂上红色,蓝色和绿色标记。推土机按照整体设计整理地形,对修复区进行填垫、平整、土体搬运,基本达到填方和挖方平衡。
(d)煤矸石堆积区地貌重塑的河道保护工程。
该区20%有坡的河道需要采用工程加固措施以限制径流的冲刷损坏。确定加固设施尺寸,由ArcGIS计算在每个子流域出口的流量使用SEDCAD河道应用的PADER方法建模。SEDCAD中设定的限制流速为1.5m/s。通常粘性摩擦应力设置为2.5kg/m。如果径流速度和粘性摩擦应力超过这个限制,需要沿着通道长度直至与较大的接收河道连接处筑基。
(e)重塑地貌侵蚀潜力评价。
对重塑地貌的子流域进行面积-高程分析,得出相应的面积-高程曲线、面积-高程积分值S和地貌系统信息熵值H。地貌系统信息熵值H与流域地貌发展阶段间的关系:当H<0.11,流域地貌发育为幼年期;0.11≤H≤0.40,为壮年期;H>0.40时,处于老年期。
从表4可以看出,子流域7的地貌发育状态处于幼年期,其他8个子流域的地貌发育状态均处于壮年期,流域侵蚀相对大些,水土流失目前相对严重,但不久即将进入地形发育的均衡阶段,即使不采取任何水土保持措施,通过自身的调节,水土流失也会慢慢减弱,基本上在后期生态重建中的维护相对很少。
表4重塑地貌子流域面积-高程积分及信息熵
(f)地形重塑。
依据设计图,所有削减带有红色负数和所有的填充带有蓝色的正数。所有相交平衡的位置用一个绿色零表示。一个由TIN产生的数字标桩,以表明施工时候标桩的位置。所有的这些设置点被上传到一个分级调查GPS进行精确定位。在矿区废弃地,在河道的底部和相交位置沿着山脊打标桩,对应地图,分别涂上红色,蓝色和绿色标记。简单进行梯度划分,使用推土机推动表土沿等高线从通道底部至山脊。推土机按照整体设计整理地形,对修复区进行填垫、平整、土体搬运,基本达到填方和挖方平衡,所有河道都使用挖掘机实现细调以确定几何形状和适当的弯曲度。在不同地点、矿区支撑木材暴露在表面,使用挖掘机移除这些覆盖物。通常在植被恢复前覆盖深度1.2m的地表土层。
(g)隔氧阻燃。
采用碱性胶体泥浆封堵矸石间隙,以减少入渗水流和冷空气,避免冷热空气对流产生“烟囱”效应,引起自燃。
(h)表层基质改良。
坡面清理后,先在坡面喷水湿润,以利于基质材料更好地与恢复面结合。将备好的基质材料,喷射3-5㎝厚的基质层,材料主要为:土、木纤维、缓施肥、土壤团粒剂、保水剂、粘合剂、蛭石、菌根菌、植物生长素、专用有机基质、核心基材等;基质材料根据植物生长特性选择合适配方,以形成恢复植物生长所需的营养土壤层。基质材料通过液力搅拌喷射机搅拌混合,均匀地喷射到恢复面上。喷射基质材料前,喷枪应与受喷面垂直,避免仰喷,注意死角部分及凸凹部分要喷满。严格控制风量、风压,保证枪口风压4500~5500Pa。准确控制用水的线流量。
(i)植被建设。
植被恢复采用生态种植袋,生态种植袋技术是将选定的植物种子通过两层木浆纸附着在可降解的纤维材料编织袋的内侧,施工时在种植袋内装入营养土,封口后按照坡面防护要求码放,经过浇水养护,实现施工现场的植被修复。生态种植袋主要利用植物纤维为原料,在载体层添加灌草种子、保水剂、营养土等生产而成。生态植被袋结构分上网、木浆纸层、种子层、无纺布四层。
其中生态种植袋优势如下:
1)重量轻、运输方便;
2)铺设简单,适用于平面、斜坡及陡坡上的生态再造,并且不会因降雨或浇水而引起种子或水土流失;
3)生态植被袋由于重量轻,运输方便,施工中可以从任何角度垒叠,并在90度的垂直岩面上也可以施工,使生态恢复成为可能;
4)生态植被袋内部构造可保证袋内基质不会被雨水冲刷和流失,可有效保持水土;
5)该技术施工速度快,缩短工程周期,植被效果好;
6)该技术与传统的矸石山治理工程相比,工艺相对简单,可以减少覆土,保护土源;
7)该技术施工相对灵活,不受季节影响;
8)该技术是在矸石山表面以每个袋子为单位覆盖坡体,当矸石山发生沉降或者水平错位时,单个植被袋会随矸石山表面发生自然沉降,具有柔性覆盖功能,进而能防止坡面发生水土流失。
9)该技术所采用的材料为环保型材料,不会对环境造成二次污染;将装满土壤基质和植物种子等的袋子层层码放相互挤压,形成表面粗糙利于阻挡和拦截降水的小平面,对水土流失、局部泥石流、边坡塌方等具有很强的防护和稳定作用,可以形成永久稳定的自然边坡。
(j)后期管理。
覆盖无纺布,实施补充水分直至度过幼苗期,之后基本靠草灌乔的自然演替,形成稳定的群落结构。
上面结合实施例对本发明作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种煤矸石堆积区地貌重塑方法,其特征在于,该方法包括如下具体步骤:
(a)运用流域地貌学理论和河流地貌形态数学模型模拟自然地形;
在ArcGIS运行平台下,运用流域地貌学理论和Rosgen的“Z”型河流地貌形态数学模型来模拟自然地形,流域结构采用Shreve单根树枝状模式,在对研究区沟道和子流域分析和规划基础上,依据邻近未干扰小流域DEM计算的地貌形态参数以及实际测量的沟道形态细部数据,通过ArcGIS重建地貌,坡面和沟道遵从河流水文地貌形成过程,地貌相对稳定,根据现有土壤与植被的景观状况和未来土地利用的规划,通过子流域的规划设计以及沟道蜿蜒化处理,沟道逐渐演变成一个相对稳定的蜿蜒自然模式,同时减缓了水流速度,增加沟道稳定性,最大程度上达到自然状态,这些输入参数是由研究区域附近的未扰动地貌的水文和气候属性确定的,通常从测量照片与野外调查地形数据获得;
关键的输入参数如下:
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)沟道密度:河谷长度与延伸区域的比例;
3)分水岭到河道顶端距离:山脊至稳定河道的最短距离;
4)河湾跨度:Rosgen分类法中A型河道蜿蜒跨度的1/4;
5)蜿蜒系数:基于河谷坡度的河道蜿蜒特征;
(b)采用SEDCAD洪峰流模型对重塑地形进行补充设计;
将一系列山脊和沟谷合到一起,河谷和山脊之间的距离保持在60m以下以最小化推土机使用距离来节约建设经费,流域边界和河道位置最优化已到达挖填平衡在各个独立的子流域,坡长缩短到300m至30m的范围以最小化泥沙颗粒分散,最终流域结构产生一个多样化的地表地貌以利于植被恢复;
(c)由设计模型数据进行Carlson软件开发土木建设设计模块;
在施工之前,由设计模型数据输出创建一个数字不规则三角网TIN,用于Carlson软件开发的土木建设设计模块,用迭代法来确保每个子流域中每个的削减和充填平衡,使施工效率最大化,推土距离限制在60m以内;
(d)煤矸石堆积区地貌重塑的河道保护工程;
该设计方法中18%-20%有坡的河道采用工程加固措施以限制径流的冲刷损坏,确定加固设施尺寸,由ArcGIS计算在每个子流域出口的流量使用SEDCAD河道应用的PADER方法建模,SEDCAD中设定的限制流速为1.5m/s,通常粘性摩擦应力设置为2.5kg/m,如果径流速度和粘性摩擦应力超过这个限制,需要沿着通道长度直至与较大的接收河道连接处筑基;
(e)重塑地貌侵蚀潜力评价;
采用RUSLE侵蚀模型分析用以评估恢复区侵蚀潜力和确定必要的额外的处理措施,参考现有复垦规范采用0.5kg/m2地膜覆盖恢复区域,RUSLE计算方程用于量化植被,地面覆盖和生根率,土壤分离率的分析是基于假设恢复后7年或7年以上,地被覆盖层为30%植被盖度。
2.根据权利要求1所述的一种煤矸石堆积区地貌重塑方法,其特征在于,所述地貌形态参数包括沟道形态细部数据,降雨量,沟道密度,分水岭到河道顶端距离,河湾跨度和蜿蜒系数。
3.根据权利要求1所述的一种煤矸石堆积区地貌重塑方法,其特征在于,所述河谷和山脊之间的距离保持在60m以下,渗透性曲线系数为82。
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