CN110820766B - 一种效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法 - Google Patents

一种效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法 Download PDF

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Abstract

一种效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法，获取矿区及周边自然地貌精细数字高程模型，提取并学习自然地貌整体水系及边坡细节特征参数，内排土场重塑区进行近自然地貌整体设计，利用自然地貌整体水系参数，在剥离土方的堆存过程中进行整体配置规划，利用自然地貌边坡细节参数，在边坡堆存过程中对坡体进行细节形态塑造。本发明基于河流地貌学原理、内排土场下沉系数、可用土方量动态变化、周边自然地貌景观融合度及自然水系衔接度等限制条件，在不改变现有排土工艺的前提下进行土方堆存最优配置，将重塑区尽可能恢复到采矿前地貌状态，形成全生命周期的内排场近自然重塑地貌参选方案，为排土场生态系统的恢复与演替提供一个稳定的基础。

Description

一种效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法
技术领域
本发明涉及生态恢复技术领域，具体涉及一种效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法，应用于干旱、半干旱草原区大型露天煤矿。
背景技术
采矿活动会对生态环境造成极大的破坏，主要体现在改变了矿区原有地表形态和自然景观，从而引发一系列的土地与环境问题，因此将受采矿扰动的区域一定程度地恢复到扰动前的生态服务功能，使之能与周围的自然环境相协调是十分重要的。
露天煤矿传统土方剥离与堆存过程很少考虑到重塑地貌在整体布局上贴合原有地貌起伏状况，同时在生产过程中也未能充分考虑单位推进距离剥离土方量的动态变化。使得排土场往往被重塑为简单的阶梯式地形，未能与当地自然环境相融合，不仅养护成本较高，且缺乏长期稳定性，从而产生较为严重的水土流失和景观破碎现象。
发明内容
针对现有技术进行排土场堆存中存在的问题，本发明基于河流地貌学原理、内排土场下沉系数、可用土方量的动态变化、周边自然地貌景观的融合度以及自然水系衔接度等限制条件，提供一种效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法。
一种效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法，包括如下步骤：
步骤1：获取矿区及周边自然地貌精细数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)；
步骤2：提取并学习自然地貌整体水系及边坡细节特征参数；
步骤3：内排土场重塑区进行近自然地貌整体设计；
步骤4：利用自然地貌整体水系特征参数，在剥离土方的堆存过程中进行整体配置规划；
步骤5：利用自然地貌边坡细节特征参数，在边坡堆存过程中对坡体进行细节形态塑造。
进一步地，步骤1中，获取矿区及周边自然地貌精细数字高程模型，模型的数据采集采用无人机航空摄影测量或三维激光扫描方式获取。
进一步地，步骤2中，自然地貌整体水系特征参数提取方法如下：
以步骤1中获取的DEM的数据为基础，应用D8算法，经水文分析计算，提取一定面积区间内不同汇流累积面积下的水系分布，统计矿区水系密度随汇流累积面积的变化规律，应用均值变点法提取非线性拟合结果中的变点，以此作为该矿区水系提取的累积汇流面积阈值；基于该结果提取研究区范围内沟道的宽深比、长度及曲率，根据水系分类体系，将上述参数分为沟道比降大于4％和沟道比降小于4％两部分；此外通过遥感影像与实地勘测统计矿区出水口坡度、沟道起点到分水岭距离以及河湾跨度。
进一步地，步骤2中，自然地貌边坡细节特征参数提取方法如下：
在GIS软件中对步骤1中获取的DEM的数据进行空间分析，提取自然边坡的坡高，坡度，坡长，凸面曲率，凹面曲率，凸面水平占比，凹面水平占比，凸面竖直占比，凹面竖直占比9个然地貌边坡特征参数，分析参数之间的相关性并得出相关参数之间的拟合公式，对没有相关性的参数统计其均值作为参考值，分别得出缓坡部分和陡坡部分的边坡模型，如下式所示：
l＝e3.782+0.103d (1)
l＝e3.829+0.024d (2)
公式1为缓坡部分的边坡模型式，公式2为陡坡部分的边坡模型，式中，l表示坡长，d表示坡高。
进一步地，步骤3中，参照原始未扰动地貌的梳状水网和自然参照区树状水网的分布特征，结合扰动后遗址位置及大小，为重塑区规划一套河网系统，与周边自然水系平滑衔接。
进一步地，步骤4中，剥离土方堆存配置优化的前提是获取矿区钻孔详查资料及开采计划，获取矿区煤层厚度、埋深和开采掘进工序，具体做法如下：
步骤601：重塑区工作区划分：根据露天开采工艺，可将工作区分为：内排土场重塑完成区、土方堆存重塑区、煤炭开采区、土方剥离区、未开采区等5个区块；
步骤602：重塑区坡向上/下坡判定：根据开采计划，若土方剥离区向土方堆存重塑区回填后，土方堆存重塑区与重塑完成区之间回填高差为Δh2-1：
Δh2-1＝[(H4-h4)-H2]-[(H3-h3)-H1] (3)
式中，Δh2-1为土方堆存重塑区与内排土场重塑完成区之间的高差，H为煤炭开采区采深；h为煤炭开采区煤层厚度；
若Δh2-1＞0，则表示土方堆存重塑区高于重塑完成区，重塑完成区位置向土方堆存重塑区的过渡为上坡；
若Δh2-1＜0，则表示土方堆存重塑区低于重塑完成区，重塑完成区位置向土方堆存重塑区的过渡为下坡。
进一步地，步骤5中，在坡体堆存过程中，利用自然地貌参数对重塑区坡体进行形态塑造，具体步骤如下：
步骤701：对于内排土场内部，在开采过程中形成的土方堆存重塑区与重塑完成区的过渡区，按照公式(1)使用缓坡部分边坡规律将其修整为反“S”型边坡；
步骤702：对于排土场与周围自然地貌衔接区，按照公式(2)使用陡坡部分边坡规律将其修整为反“S”型边坡。
进一步地，步骤5中，在坡体堆存过程中，需考虑堆存土方松散系数与沉降量，具体计算公式如下：
Figure BDA0002271232990000041
式中，Δm为沉降高度，S1为土方剥离区面积，H为煤炭开采区采深，h为煤炭开采区煤层厚度，α为土方堆存重塑区松散系数，S2为土方堆存重塑区面积。
进一步地，步骤5中，在重塑区内部开采推进方向上，当出现坡体堆存过程中连续上坡或连续下坡的情况时，则根据开采计划提前算出上坡或下坡的转折点，并根据步骤4计算该坡的相对高度Δd，再根据步骤701进行坡体形态塑造。
本发明的有益效果是：基于河流地貌学原理、内排土场下沉系数、可用土方量的动态变化、周边自然地貌景观的融合度以及自然水系衔接度等限制条件，在不改变现有排土工艺的前提下进行土方堆存最优配置，将重塑区尽可能恢复到采矿前的地貌状态，形成全生命周期的内排场近自然重塑地貌参选方案，为排土场生态系统的恢复与演替提供一个稳定的基础。
附图说明
图1为本发明实施例中效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法的流程图。
图2为本发明实施例中露天煤矿开采示意图。
图3为本发明实施例中剥离土方持续不变时土方剥离—堆积示意图。
图4为本发明实施例中剥离土方持续变多时土方剥离—堆积示意图。
图5为本发明实施例中剥离土方持续变少时土方剥离—堆积示意图。
图6为本发明实施例中传统排弃模式与仿自然地貌重塑模式下排土场外貌对比示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法，包括以下步骤：
步骤1：获取矿区及周边自然地貌精细数字高程模型。
矿区及周边自然地貌精细数字高程模型的数据采集采用无人机航空摄影测量或三维激光扫描方式获取，其空间分辨率优于10cm。
步骤2：提取并学习自然地貌整体水系及边坡细节特征参数。
自然地貌整体水系特征参数提取方法如下：
以研究区及周边自然地貌精细数字高程模型数据为基础，应用D8算法，经水文分析计算，提取一定面积区间内不同汇流累积面积下的水系分布，统计研究区水系密度随汇流累积面积的变化规律，应用均值变点法提取非线性拟合结果中的变点，以此作为该研究区水系提取的累积汇流面积阈值。基于该结果提取研究区范围内沟道的宽深比、长度及曲率等特征，根据水系分类体系，将上述参数分为沟道比降大于4％和沟道比降小于4％两部分。此外需要通过遥感影像与实地勘测统计研究区出水口坡度、沟道起点到分水岭距离以及河湾跨度。
自然地貌边坡细节特征参数提取方法如下：
在GIS软件中对步骤1中获取的精细DEM数据进行空间分析，提取自然边坡的坡高，坡度，坡长，凸面曲率，凹面曲率，凸面水平占比，凹面水平占比，凸面竖直占比，凹面竖直占比等9个然地貌边坡特征参数。分析这些参数之间的相关性并得出相关参数之间的拟合公式，对没有相关性的参数统计其均值作为参考值。分别得出缓坡部分(公式1)和陡坡部分(公式2)的边坡模型，如下式所示：
l＝e3.782+0.103d (1)
l＝e3.829+0.024d (2)
式中，l表示坡长，d表示坡高。
步骤3：内排土场重塑区进行近自然地貌整体设计。
参照原始未扰动地貌的梳状水网和自然参照区树状水网的分布特征，结合扰动后遗址(矿坑等)位置及大小，为重塑区规划一套河网系统，该河网系统需与周边自然水系平滑衔接，以保证全生命周期重塑地貌与周边自然景观的融合与协调。
步骤4：利用自然地貌整体水系参数，在剥离土方的堆存过程中进行整体配置规划。
剥离土方堆存配置优化的前提是获取矿区钻孔详查资料及开采计划，获取矿区煤层厚度、埋深和开采掘进工序，具体做法如下：
步骤601：重塑区工作区划分：根据露天开采工艺，可将工作区分为：内排土场重塑完成区1、土方堆存重塑区2、煤炭开采区3、土方剥离区4、未开采区5等5个区块。
步骤602：重塑区坡向上/下坡判定：根据开采计划，若土方剥离区4向土方堆存重塑区2回填后，土方堆存重塑区2与重塑完成区1之间回填高差为Δh2-1。
Δh2-1＝[(H4-h4)-H2]-[(H3-h3)-H1] (3)
式中，Δh2-1为土方堆存重塑区2与内排土场重塑完成区1之间的高差，H为煤炭开采区3采深，h为煤炭开采区3煤层厚度。
若Δh2-1＞0，如图4所示，则表示土方堆存重塑区2高于重塑完成区1，重塑完成区1位置向土方堆存重塑区2的过渡为上坡(如图4中21部分所示)；
若Δh2-1＜0，如图5所示，则表示土方堆存重塑区2低于重塑完成区1，重塑完成区1位置向土方堆存重塑区2的过渡为下坡(如图5中21部分所示)。
步骤5：利用自然地貌边坡细节参数，在边坡堆存过程中对坡体进行细节形态塑造。
步骤5具体步骤如下：
步骤701：对于内排土场内部，在开采过程中形成的土方堆存重塑区2与重塑完成区1的过渡区，按照公式(1)使用缓坡部分边坡规律将其修整为反“S”型边坡21。
步骤702：对于排土场与周围自然地貌衔接区，按照公式(2)使用陡坡部分边坡规律将其修整为反“S”型边坡21。
在坡体堆存过程中，需考虑堆存土方松散系数与沉降量，具体计算公式如下：
Figure BDA0002271232990000081
式中，Δm为沉降高度，S1为土方剥离区4面积，H为煤炭开采区3采深，h为煤炭开采区3煤层厚度，α为土方堆存重塑区2松散系数，S2为土方堆存重塑区2面积。
在重塑区内部开采推进方向上，若出现坡体堆存过程中连续上坡或连续下坡的情况，则需根据开采计划提前算出上坡或下坡的转折点，并根据步骤4计算该坡的相对高度Δd，再根据步骤701进行坡体形态塑造。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：获取矿区及周边自然地貌精细数字高程模型，即Digital Elevation Model，DEM；
步骤2：提取并学习自然地貌整体水系及边坡细节特征参数；
整体水系特征参数提取方法为，以步骤1中获取的DEM的数据为基础，应用D8算法，经水文分析计算，提取一定面积区间内不同汇流累积面积下的水系分布，统计矿区水系密度随汇流累积面积的变化规律，应用均值变点法提取非线性拟合结果中的变点，以此作为该矿区水系提取的累积汇流面积阈值；基于该结果提取研究区范围内沟道的宽深比、长度及曲率，根据水系分类体系，将上述参数分为沟道比降大于4%和沟道比降小于4%两部分；此外通过遥感影像与实地勘测统计矿区出水口坡度、沟道起点到分水岭距离以及河湾跨度；
边坡细节特征参数提取方法为，在GIS软件中对步骤1中获取的DEM的数据进行空间分析，提取自然边坡的坡高、坡度、坡长、凸面曲率、凹面曲率、凸面水平占比、凹面水平占比、凸面竖直占比、凹面竖直占比共9个自然地貌边坡特征参数，分析参数之间的相关性并得出相关参数之间的拟合公式，对没有相关性的参数统计其均值作为参考值，分别得出缓坡部分和陡坡部分的边坡模型，如下式所示：
l = e 3.782+0.103d （1）
l = e 3.829+0.024d （2）
公式1为缓坡部分的边坡模型公式，公式2为陡坡部分的边坡模型公式，式中，l表示坡长，d表示坡高；
步骤3：内排土场重塑区进行近自然地貌整体设计；参照原始未扰动地貌的梳状水网和自然参照区树状水网的分布特征，结合扰动后遗址位置及大小，为重塑区规划一套河网系统，与周边自然水系平滑衔接；
步骤4：利用自然地貌整体水系特征参数，在剥离土方的堆存过程中进行整体配置规划；其中，剥离土方堆存配置优化的前提是获取矿区钻孔详查资料及开采计划，获取矿区煤层厚度、埋深和开采掘进工序，具体做法如下：
步骤401：重塑区工作区划分：根据露天开采工艺，将工作区分为：内排土场重塑完成区、土方堆存重塑区、煤炭开采区、土方剥离区、未开采区5个区块；
步骤402：重塑区坡向上/下坡判定：根据开采计划，若土方剥离区向土方堆存重塑区回填后，土方堆存重塑区与重塑完成区之间回填高差为∆h2-1：
Δh2-1=[(H4-h4)-H2]-[(H3-h3)-H1] （3）
式中，Δh2-1为土方堆存重塑区与内排土场重塑完成区之间的高差，H4为土方剥离区采深，h4为土方剥离区厚度，H2为土方堆存重塑区采深，H3为煤炭开采区采深，h3为煤炭开采区厚度，H1为内排土场重塑完成区采深；
若∆h2-1＞0，则表示土方堆存重塑区高于重塑完成区，重塑完成区位置向土方堆存重塑区的过渡为上坡；
若∆h2-1＜0，则表示土方堆存重塑区低于重塑完成区，重塑完成区位置向土方堆存重塑区的过渡为下坡；
步骤5：利用自然地貌边坡细节特征参数，在边坡堆存过程中对坡体进行细节形态塑造，具体步骤如下：
步骤501：对于内排土场内部，在开采过程中形成的土方堆存重塑区与重塑完成区的过渡区，按照公式（1）使用缓坡部分边坡规律将其修整为反“S”型边坡；
步骤502：对于排土场与周围自然地貌衔接区，按照公式（2）使用陡坡部分边坡规律将其修整为反“S”型边坡；
步骤5中，在坡体堆存过程中，需考虑堆存土方松散系数与沉降量，具体计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（4）
式中，∆m为沉降高度，S1为土方剥离区面积，H为煤炭开采区采深，h为煤炭开采区煤层厚度，α为土方堆存重塑区松散系数，S2为土方堆存重塑区面积。
2.根据权利要求1中所述的一种效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法，其特征在于：步骤1中，获取矿区及周边自然地貌精细数字高程模型，模型的数据采集采用无人机航空摄影测量或三维激光扫描方式获取。
3.根据权利要求1中所述的一种效仿自然地貌的内排土场全生命周期地形重塑方法，其特征在于：步骤5中，在重塑区内部开采推进方向上，当出现坡体堆存过程中连续上坡或连续下坡的情况时，则根据开采计划提前算出上坡或下坡的转折点，并根据步骤4计算该坡的相对高度Δd，再根据步骤501进行坡体形态塑造。
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