我国东部草原区露天矿排土场仿自然地貌土地整形方法

李树志，郭孝理 ，李学良，孙忠祥，闫建成

(1.中国煤炭科工集团 北京土地整治与生态修复科技研究院,北京 100013; 2.中国煤炭科工集团 唐山研究院有限公司,河北 唐山 063012; 3.天地(唐山)矿业科技有限公司,河北 唐山 063000)

东部草原区是我国东北部重要的生态屏障，同时也是以露天开采为主的大型煤电基地，由于生态环境较为脆弱，露天开采对该区生态破坏严重引起各种环境问题。对生态脆弱区进行土地复垦与生态修复已成为热点研究[1]。不仅采场开挖会破坏地表植被，而且在内排开始前，外排土场压占了大量土地的同时还改变了区域的地形地貌[2]。矿山可持续、稳定的发展与开采场边坡和排土场边坡的稳定有直接关系[3]。排土场边坡主要由松散堆积物构成的塔状多台阶式边坡，除了会发生面蚀、沟蚀外，还出现了沉陷、崩塌、坡面泥石流等新的侵蚀类型，是排土场最不稳定、水土流失最严重的地方。排土场边坡稳定性影响露天矿生产安全，而外排土场边坡治理难度远大于平盘[4]。

目前，外排土场边坡的研究集中在不同的植被配置模式[5-6]、侵蚀程度与控制侵蚀途径[7-8]及其土壤理化生性质[9-12]等方面，对边坡整形方法的研究较少，有学者指出仿照自然地貌的设计能使重建和再造的土地景观更具协调性和稳定性，生态结构更加合理，视觉效果和经济型均有所提高[13-14]。美国的拉普拉塔露天煤矿和圣胡安露天煤矿分别在2001和2002年利用GeoFluv设计方法将水文地貌原理运用到矿区土地复垦中，且拉普拉塔露天煤矿仿自然地貌重塑项目获得了2004年美国内政部颁发的生态修复大奖[15]。然而因国内地形地貌、土壤类型复杂、生物气候带多样，现有地貌重塑研究与周围景观的协调性存在不足。景明[16]在山西平朔露天矿利用Geofluv模型仿矿区周围临近成熟的、未扰动的地貌在复垦区建设自然式缓坡地使传统的“平台-边坡-平台”的设计被凹形缓坡代替，沟道河网也设计成了蜿蜒自然的模式;杨翠霞[17]同样结合Geofluv模型重建了太行山北段东麓的典型废弃采石场的流域地形,探讨了露天开采矿区废弃地的近自然地形重塑机理与技术;陈晓辉[15]也以平朔露天矿为例分析了传统地貌重塑与仿自然地貌重塑的差异，探讨其仿自然地貌重塑的可行性。国内研究人员对矿区仿自然地貌整形研究较少且都停留在理论和模拟研究上，缺乏实地现场研究。因此，开展东部草原区排土场仿自然地貌整形对边坡整形方法研究、水土流失控制具有指导意义，并能填补国内空白。排土场边坡的立地特殊性决定了其具有不稳定性，归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、坡度、植被类型、坡面起伏度等是影响边坡稳定性的关键因素，排土场边坡整形主要是对其坡角、植被进行优化，NDVI能够直观表现边坡植被覆盖度和水土保持能力，ZHANG等[18]利用高分1号卫星来获取植被覆盖度研究敦煌市植被变化情况，而边坡的水土保持能力与其稳定性成正相关关系。

因此，笔者以宝日希勒露天矿外排土场为研究对象，依据该矿采损区地形地貌特点，模仿周围临近成熟的、未扰动的地貌对边坡进行3种不同整形处理，构建与当地自然环境相协调的流域貌景观[13]，通过分析整形区域及自然区域的植物覆盖状况、边坡稳定性来评价边坡整治效果，筛选出最适合的整形方法，以期为排土场边坡整形提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

宝日希勒露天矿位于内蒙古自治区呼伦贝尔市陈巴尔虎旗(图1)，地理坐标:119.983 6°～119.968 6°E，49.312 5°～49.491 7°N，属大陆性亚寒带气候，春冬两季风多且风力较大，冬冷夏凉;年均降水量315.00 mm，主要集中在夏季，年平均蒸发量1 344.80 mm，年均气温-2.6 ℃;地势东北高而西南低，海拔在601.88～724.09 m，地形起伏呈缓波状，表层大部分为第四系所覆盖，土壤类型以黑钙土、栗钙土及灰黑土为主;野生植被以禾本科和菊科植物为主，人工种植乔木为樟子松、油松等和灌木植物为珍珠梅、紫丁香等;露天矿边坡岩层主要为软岩，易受泥岩弱层及地下水影响，稳定性较差;排土场排弃物主要为第四系松散岩组，分为砂土岩、黏土岩和砂砾岩，堆积方式为对剥离物堆积进行压实，由于该区为堆积而成的新台阶故表面并没有进行覆土，复垦年限为1 a。对照的自然地貌地块位于距离宝日希勒露天矿区东明露天矿西北部3 km处，该区为未受人为干扰的自然草地。

1.2 数据来源与处理

本研究使用的遥感影像为欧洲空间局(European Space Agency,ESA)Sentinel-2卫星2019-07-27L1C级别的影像数据，空间分辨率为10 m×10 m。数据来源于Copernicus Open Access Hub(https://scihub.copernicus.eu)，L1C产品需要利用SNAP软件中Sen2cor模块进行大气校正处理为L2A级别数据，然后将校正结果用波段运算方法提取归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI);最后在ArcGIS中对其进行裁剪得到研究区的NDVI。区域像元数据的统计、方差分析在SigmaPlot、SPSS软件中进行。边坡物料的数据来源于相关工程地质报告及文献，边坡的稳定性分析在Slide软件中进行。

1.3 研究方法

1.3.1NDVI的计算及比较方法

植被光谱特征反映了植被的灰度属性，可以建立相关植被指数来表示植被信息，植被区域光谱特征明显，反射率高[19]。NDVI是目前最为常用的表征植被状况的指标,一定程度上客观反映植被覆盖信息[20]，计算式(1)为

(1)

式中，ρNIR和ρRED分别为Sentinel-2数据的Band8和Band4的反射率。

方差分析是对试验数据进行分析，检验方差相等的多个正态总体均值是否相等，进而判断各因素对试验指标的影响是否显著。用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验，在本研究中将各地块所包含的像元分为4组，对每组像元的NDVI值进行单因素方差分析。

箱线图(BoxPlot)是利用数据中的5个统计量:最小值、第一四分位、中位数、第三四分位与最大值来描述数据的一种方法。分析上、下四分位以及上、下限相对于中位数的跨度,可以得出相关数值是否稳定,而中位数可以对比不同类型的大致趋势[21]，通过箱线图法可以分析不同整形地块的植被覆盖状况，从而验证研究区不同整形方法的整形效果。

1.3.2边坡稳定性分析

极限平衡分析法是边坡稳定性分析中最早出现的方法，也是发展最完善的方法，它能满足力和力矩的平衡、摩尔-库仑破坏准则和应力边界条件。张莲花等总结了土-岩复合型边坡的稳定性分析方法和具体思路，提出对排土场可以采用圆弧滑动和组合滑动分析[22]。本研究根据外排土场边坡工程地质条件，采用简化Bishop法[23]计算3种整形边坡的稳定性。边坡安全稳定系数F指把岩土体的抗切剪强度减小至c′/F和tanφ′/F，岩土体沿着滑面各处都处于极限平衡，计算式(2)为

τ=c′e+σ′ntanφ′e

(2)

式中，tanφ′e=tanφ′/F,c′e=c′/F;F为稳定安全系数;c′为黏聚力;φ′为内摩擦力;τ为剪应力;σ′n为正应力。

Bishop法是把边坡体分成了若干条块，假设条块为刚体(不考虑条块的变形)，建立条块的静力平衡方程，通过求解静力的平衡方程得到边坡安全系数。

2 结果与分析

2.1 仿自然地貌整形方法

研究区降雨主要集中在夏季，为防止连续降雨对排土场坡面形成冲刷，同时保证植被生长用水。本研究参照周围自然地貌设计了台阶式、斜坡式及波浪式3种边坡整形方法，边坡为2018年统一进行整形，2019年开始植被恢复工作。台阶式整形是对原排土场设计的670，660，650 m三个平台及边坡进行优化，为其余两种整形方法的对照，在680 m平台顶部修挡土墙，规格为上顶宽2 m，高度1 m，自然放坡设计参数为平台宽度为50 m，台阶高度为10 m，斜坡角度为33°(图2);斜坡式整形是根据排土场条件及边帮角趋势，将排土平台边坡进行削坡处理，取消50 m平台，台阶高度不变，使原有33°的边坡角进一步缩小成(11±0.5)°，形成4个斜坡;波浪式整形也是根据排土场条件及边帮角趋势，将排土平台原有的33°边坡进行削坡处理，并在平台边缘构建反坡区，坡度3°～5°，用以控制水土流失和保水，设计参数为取消50 m平台，台阶高度不变，最终形成与周边地貌相似的斜坡角度(15±0.5)°。在每个平台内侧设计宽浅干砌区，宽度为6 m，深度0.8 m，上铺0.3 m的砾石。最后，在平台与斜坡处播种披碱草，每平方米播种量为40 g。管护措施为定期喷灌进行浇水。

2.2 不同整形方式对植被覆盖度影响

植被覆盖情况可以反应不同边坡整形方法对水分保持与抵抗侵蚀的能力的大小。对3种边坡整形方式的NDVI值进行分析。由图3可知，650 m平台的NDVI值明显高于660和670 m平台，670 m平台NDVI值最低。在降雨条件下雨水部分向表层下渗，当雨水继续下渗时，下层土壤渗透系数低于上层土壤，雨水会积聚在上层，由于坡降存在，在重力作用下积水将沿坡降向下流动，最终形成在表层流动的壤中流[24]。由此可知，表层流对排土场的侵蚀最先发生的位置位于坡面上部和中部，670 m平台受到侵蚀概率会比其他两个平台大，650 m平台最小。

由2.1节可知，3个整形边坡上部680 m平台均修建有挡土墙用以挡土，台阶式整形仅在平台之间存在径流场，而斜坡式和波浪式整形边坡整个边坡均存在径流场，波浪式和斜坡式整形边坡排水效果优于台阶式整形边坡;坡角影响了边坡侵蚀的程度，台阶式边坡坡角为33°大于斜坡式和波浪式，斜坡式和波浪式虽坡角相近，但波浪式边坡设有反坡区，能够贮存更多的水分和减少侵蚀损害，边坡受侵蚀程度越轻，植被生长情况越好，植被覆盖度越高。

图3 排土场边坡的NDVI分布Fig.3 NDVI distribution of dump slope

将台阶式、波浪式、斜坡式3个斜坡及排土场附近典型自然地貌地块像元的NDVI值提取出采用箱线图来汇总和分析其变化情况。由图4和表1可知，斜坡式整形边坡像元的NDVI离散程度较大，波浪式和台阶式次之且较为接近，自然地貌最小，自然地貌和斜坡式呈现左偏态，台阶式和波浪式呈现右偏态;从中位数来看，自然地貌的NDVI>波浪式的NDVI>斜坡式的NDVI>台阶式的NDVI，自然地貌地块未受到或受采煤活动影响较小处于稳定状态，排土场3种整形边坡是在人为干预下修建且完成时间较短，相比较于自然地貌区域其稳定性较差，而在3种整形边坡中，波浪式的NDVI值最大且接近于自然地貌，斜坡式次之，台阶式最差;第一、三四分位与中位数呈现相同的趋势。由此可知，波浪式边坡的植被覆盖度大于斜坡式和台阶式，但因其完成时间较短且基底稳定性较差，低于自然地貌。

将从上述地块提取出的4组NDVI值进行单因素方差分析，方差分析的前提是各个水平下的总体服从方差相等的正态分布，用Homogeneity of variance test方法进行方差齐性检验。由表1可知，4个地块中自然地貌植被覆盖度最高，台阶式最低，斜坡式与总体均值较为接近。由表2可知，不同边坡整形方式下NDVI的方差齐性检验值35.93，概率p值为0，明显小于显著性水平0.05，应该拒绝零假设，认为不同整形地块的NDVI值总体方差显著差异。3种整形边坡在初始阶段虽有相同的植被措施，但随着时间推移，不同边坡对水土保持的能力产生差异，水土保持效果好的植被覆盖度越高。由此可知，波浪式整形的水土保持能力最好，NDVI值最大，但对于处于稳定状态的自然地貌而言，波浪式整形仍有改进之处。

图4 不同整形边坡NDVI值的箱线Fig.4 Boxplot of NDVI values of different shaping slopes

表1 不同整形边坡NDVI值描述性统计
Table 1 Descriptive statistical of NDVI values of different shaping slopes

处理类型斑块数量均值标准差标准误差均值的95%置信区间下限上限极小值极大值斜坡式4950.4750.1500.0070.4620.4890.1190.816台阶式4950.3400.1340.0060.3280.3520.1120.750波浪式5220.5510.1380.0060.5390.5630.2430.788自然地貌5220.6570.1020.0040.6490.6660.4010.877总数2 0340.5090.1750.0040.5010.5160.1120.877

表2NDVI值的方差齐性检验
Table 2 Homogeneity test of variance for NDVI value

Levene 统计量df1df2显著性35.93232 0300

2.3 不同整形边坡稳定性分析

排土场边坡稳定性的影响因素主要有基底地质条件、气候条件、排土工艺、排弃物料物理性质等。排弃物料的强度直接影响边坡稳定性，是边坡稳定性分析计算的主要参数。根据宝日希勒露天矿工程地质资料，确定排土场剖面构型及岩土体物理力学指标，剖面构型为排弃物-粉砂层-黏土层，排弃物容重为16.86 kN/m3，内摩擦角为25.5°，黏聚力为2.98 kPa;粉砂层容重为18.42 kN/m3，内摩擦角为26°，黏聚力为2.62 kPa;黏土层容重为18.42 kN/m3，内摩擦角20°，黏聚力6.78 kPa。外排土场边坡的潜在滑动模式为圆弧滑动，采用简化Bishop法结合Slide软件对排土场3个整形边坡进行稳定性分析，揭示坡角对边坡稳定性的影响规律，确定边坡最优形态。

图5 不同整形边坡的稳定性分析Fig.5 Stability analysis of different shaping slopes

由图5可知，台阶式边坡的安全系数F<斜坡式的安全系数F<波浪式的安全系数F;排土场边坡安全系数与坡角呈负相关关系，坡角越小，边坡越稳定，越不容易发生滑坡。根据《GB 50197—2015煤炭工业露天矿设计规范》中服务年限大于20 a的外排土场边坡安全系数在1.2～1.5和《DZ/T 0218—2006滑坡防治工程勘查规范》滑坡稳定状态划分，台阶式整形边坡安全系数(F=1.073)低于1.2，边坡滑坡处于基本整体暂时稳定-变形状态，斜坡式、波浪式整形边坡处于稳定状态，其中波浪式边坡安全系数最高(F=2.711)，斜坡式(F=2.513)次之。3个边坡位置相邻且排弃物、地质条件相一致，坡角对宝日希勒露天矿外排土场边坡的稳定起着关键作用。

3 讨 论

排土场边坡的水土保持性能与植被种类、坡角、排弃物性质等存在相关关系。边坡稳定程度越高，植被生长状况越好、覆盖度越高;同样地，植被能够改善土壤理化性质使其胶结性、黏结性、黏着性提高从而有利于边坡的稳定，是一种相辅相成的关系。边坡要首先在人为因素的影响下采用工程措施整形边坡使其有利于水土防治。本文利用遥感影像提取不同整形边坡的NDVI，结果表明波浪式整形斜坡的植被覆盖度最高，仿自然地貌的波浪式整形方法在平台边缘构建反坡，这与国内学者[25-27]研究结果一致，研究发现反坡措施能有效削减地表径流量，降低了坡面侵蚀的发育。

排土场在排弃物料自重应力的作用下，排弃土压密产生沉降变形;另一方面，由于自重应力作用过大，基底承载能力不够，挤压剪切基底软弱层，易产生塑性流动，引起排土场滑坡[28]。在670，660，650 m这3个平台中，670 m平台在降雨集中时水土保持能力相对于其他两个平台差，植被覆盖度较低，应注重提高平台的水土保持性能，否则易产生滑坡事故。

排土场边坡坡面较长,岩土疏松、土壤蓄水性能差，植物生长困难，极易发生土壤侵蚀。对3个整形边坡稳定性和NDVI进行分析发现，坡角大小影响了边坡稳定性，NDVI和边坡的稳定系数呈现良好的一致性。斜坡式和波浪式边坡经过削坡处理后安全系数提高的同时水土保持能力也相对上升。一般而言，坡角越小边坡越稳定，斜坡式边坡坡角小于波浪式边坡，但波浪式边坡安全系数大于斜坡式边坡都处于稳定范围之内，这可能是因为波浪式边坡在修建反坡区后水土保持性能提高，植被生长状况好，提高了边坡稳定性。通过对比国内外学者的研究[4,29-30]发现，对外排土场边坡整形大都在11°～24°，研究根据仿自然地貌原理结合宝日希勒露天矿实际条件所设置的斜坡和波浪式整形边坡角度是合理的，波浪式整形方法是最适合的边坡整形方法。

4 结 论

(1)通过比较台阶式、斜坡式、波浪式整形边坡及自然地貌的NDVI值发现自然地貌的植被覆盖程度大于排土场边坡，波浪式整形边坡NDVI值高于斜坡式、台阶式，波浪式边坡植被生长状况最好;高平台整体比低平台的NDVI值低，易受到侵蚀，边坡上部分受到侵蚀程度大于下部，应加强边坡上部的管理。

(2)通过分析边坡稳定性，斜坡式、波浪式整形边坡都处于稳定状态，其中波浪式边坡最为稳定，台阶式整形边坡滑坡处于基本稳定状态。NDVI与边坡稳定系数呈现相同的变化趋势。

基于水土保持的仿自然地貌的波浪式整形方法对宝日希勒外排土场整形是一项投资低、维护少、生态效益高的景观及生态修复技术。同时，对植被也应该进行优化配置，冰草和紫花苜蓿等能很好地适应呼伦贝尔地区的气候条件，是构建生态系统基本框架的主要物种。