基于WEPP的露天煤矿排土场边坡近自然重塑方法与流程

本发明属于生态修复技术领域，涉及一种人为干扰程度巨大、生态环境极度脆弱的东部草原区大型露天煤矿排土场边坡地貌重塑的方法，尤其涉及一种基于WEPP的露天煤矿排土场边坡近自然重塑方法。

背景技术：

露天采矿剧烈扰动了矿区原有的地形地貌景观和水文系统，引发了一系列严重的矿区土地与环境问题。土地复垦与生态重建已成为改善矿区废弃地生态环境的一项重要措施,但易受到地形或者地形重塑的影响。现有矿区地貌重塑工程下的平台与边坡相间的大型人工堆垫地形存在地形多样性下降、地貌不稳定、边坡岩土侵蚀、景观不协调、生物多样性减少、人为干预过多、刚性工程易破坏、养护成本高等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于WEPP的露天煤矿排土场边坡近自然重塑方法，重建接近邻近未扰动区域的地貌景观结构，重塑的排土场边坡符合所在区域环境的流域侵蚀特征，尊重矿山景观生态过程与格局，并与所在区域原始自然景观有机融合。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于WEPP的露天煤矿排土场边坡近自然重塑方法，包括以下步骤：

S1、自然山体边坡地形特征提取与分析

S1-1、自然山体边坡地形特征提取：在邻近待修复的排土场区域内选取不同坡向、不同坡高的自然山体边坡样本，利用ArcGIS运行平台对采集的自然边坡的特征参数进行统计，分析得出待修复的排土场周边自然山体边坡的类型，根据不同形式边坡的不同特征，分别提取其特征参数；

S1-2、自然山体边坡地形特征分析：先对步骤S1-1分类的不同类型的边坡的坡高分布进行统计，将坡高与待修复的排土场边坡的坡高最接近，且出现频率最多的S形边坡，确定为排土场边坡进行重塑的边坡形式；再利用SPSS Statistics22计算地形因子及地形特征之间的皮尔逊相关系数，初步确定排土场边坡设计的学习模板；

运用WEPP模型对自然山体边坡样本中各S形边坡进行水土侵蚀情况模拟，模拟时植被覆盖率为待修复的排土场区缓坡平均覆盖率，分析S形边坡坡面地形因子与侵蚀评价因子之间的相关性，确定影响侵蚀的关键地形因子，当坡高和曲率不变时，通过调整边坡凸起部分在水平方向和竖直方向的占比对坡面轮廓进行优化，且凸起部分在水平方向和竖直方向的占比满足：

SP＝0.465^***×lnSZ+0.897^***，

式中SP表示凸起部分的水平占比，SZ表示凸起部分竖直占比，***表示在P<0.01的显著性水平下显著；

确定排土场边坡设计的最优学习模板；

S2、排土场边坡剖面设计

根据S1-2确定的最优学习模板提供的地形特征参数对排土场边坡坡形进行近自然设计，并运用WEPP模型进行水土侵蚀情况模拟，根据侵蚀模拟结果，再依据式1调整坡面凸起下凹部分的水平竖直比，对设计的坡形进行逐步优化；

参照现有坡面泥沙沉积多发生在平台处的特点，并结合S形边坡的土壤侵蚀的空间分布特点，通过在S形坡面的关键位置上增加水平平台对坡面进行改进，确定最优的剖面设计方案；

S3、排土场边坡坡面设计

S3-1、坡面表层的土壤组成设计：对改进坡面上平台部分的坡面土壤机械构成进行调整，根据现有土壤机械组成设计至少三套土壤组成方案，运用WEPP模型模拟不同土壤组成的水土侵蚀情况，确定最优的坡面表层的土壤组成方案；

S3-2、坡面植被体系的构建：

以当地的植被覆盖率为恢复目标，参照待修复的排土场区自然植被情况和典型植物的特征，确定相应的植物种类，结合边坡的条件进行植被体系的构建，运用WEPP模型对不同的植被搭配进行侵蚀模拟，确定最优的植被构建方案。

进一步地，不同类型边坡对应的不同参数有：直线形边坡特征参数包括：坡高、坡长、斜率、坡向；凸形边坡特征参数包括：坡高、坡长、斜率、曲率；S形边坡特征参数包括：坡高、坡长、斜率、坡向、凸起曲率、下凹曲率、凸起水平占比、凸起竖直占比；凹形边坡特征参数包括：坡高、坡长、斜率、曲率、坡向。

进一步地，所述侵蚀评价因子为泥沙流失量、泥沙沉积量、泥沙净流失量、径流量。

本发明的有益效果是：

本发明通过坡面水土过程各评价因子和自然边坡坡面地形因子的相关性分析，发现各地形因子对坡面水土过程都有不同程度的影响，结合排土场的现状和各地形因子之间的关系，即坡高和曲率不变时，可通过改变边坡凸起部分在水平方向和竖直方向的占比来优化坡面轮廓的设计，从而迅速找到设置平台的关键位置，减少了平台或障碍的设置数量，进而减少了工程实际施工量，节约了项目成本。

本发明从近自然重塑的理念出发，遵循景观生态学的原理，运用WEPP模型对排土场边坡先后进行了坡形设计和坡面设计，模拟结果表明，近自然设计在排土场边坡的治理中具有明显作用，大大改善了台阶状边坡的水土保持情况，降低了排土场边坡的土壤侵蚀，使得排土场边坡径流、泥沙输送等物质流情况与周边未扰动区域环境保持一致，对促进排土场区域的生态环境恢复有重要意义。此外，近自然重塑的边坡具有流线型的轮廓特征，与周边的山体在视觉上保持了一致，具有一定的美学价值。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为自然山体边坡样本分布图；

图3为不同形式边坡的高度分布图；

图4为设计的各土壤组成方案泥沙流失沉积空间分布图；

图5为草地-灌木带布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

对位于内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市北2～5公里处的胜利矿区排土场边坡进行近自然重塑，重塑过程如图1所示，具体包括以下步骤：

S1、自然山体边坡地形特征提取与分析

S1-1、自然山体边坡地形特征提取：在邻近待修复的排土场区域内选取不同坡向、不同坡高的自然山体边坡样本30个(如图2所示，DEM的数据来源为GoogleEarth的高程数据，分辨率为6.8m×6.8m)，利用ArcGIS运行平台对采集的自然边坡的特征参数进行统计，分析得出待修复的排土场周边自然山体边坡的类型主要有直线形、凸形、S形和凹形四种，根据不同形式边坡的不同特征，分别提取其特征参数，具体如表1-4所示：

表1直线形边坡特征参数

表2凸形边坡特征参数

表3S形边坡特征参数

表4凹形边坡特征参数

S1-2、自然山体边坡地形特征分析：先对步骤S1-1分类的不同类型的边坡的坡高分布进行统计，将坡高与待修复的排土场边坡的坡高(排土场边坡的高度为75m)最接近，且出现频率最多的边坡形式，确定为排土场边坡进行重塑的边坡形式，根据图3的统计分布结果，考虑将其重塑为S形边坡；再利用SPSS Statistics 22计算地形因子及地形特征之间的皮尔逊相关系数(如表5所示)，

表5S形边坡各参数的皮尔逊相关系数

注：**表示在P<0.05的显著性水平下显著，***表示在P<0.01的显著性水平下显著。

由上表可以看出，自然界中S形边坡的边坡角斜率、边坡剖面曲率、凸起部分的水平/竖直占比与坡向之间的相关性很低，边坡高度与边坡斜率、凸起部分水平/竖直占比没有显著相关性也很低或不存在显著相关性。但凸起部分的曲率和下凹部分的曲率与边坡高度之间则存在较大的相关性，相关性系数分别为0.690、-0.633。以上结果说明，该区域自然边坡的边坡角角度、边坡剖面曲率等特征参数不会随坡向不同而不同，因此在进行近自然边坡设计时不需要考虑坡向的影响。边坡凸起部分水平/竖直占比和坡高不具有相关性。但是在进行剖面凸起和下凹部分的曲率设计时则需要考虑边坡的高度，而已知排土场的边坡高度为75m，因此在对边坡进行设计时，剖面凸起和下凹部分的曲率应该参照高度为75m左右的自然边坡，故初步选择样本中的22号坡的相关参数作为排土场边坡设计时的学习模本。

运用WEPP模型对自然山体边坡样本中各S形边坡进行水土侵蚀情况模拟，模拟时植被覆盖率为待修复的排土场区缓坡平均覆盖率38％，模拟结果如表6所示：

表6样本S形坡侵蚀模拟结果

分析边坡坡面地形因子与侵蚀评价因子之间的相关性，结果如表7所示：

表7S形边坡地形因子和评价因子的皮尔逊相关系数

注：**表示在P<0.05的显著性水平下显著，*表示在P<0.1的显著性水平下显著。

结果显示，对于坡面局部来讲，局部泥沙流失量与下凹部分的曲率成负相关，与凸起部分的水平占比及竖直占比成正相关，即当下凹部分的曲率越小时，泥沙的流失量越大，当凸起部分在坡面的占比越大时，泥沙流失量也会增大；坡面的泥沙沉积量与坡面的平均斜率成正相关，与凸起部分的水平占比成正相关，与凸起竖直占比也成正相关，即当最终边坡角越小时越有利于泥沙的沉积，上凸部分在水平方向上所占比例越大时越有利于泥沙的沉积，上凸部分在竖直方向所在比例越大时越有利于泥沙沉积。而对于整个坡面来讲，泥沙净流失量与坡面的平均斜率成高度正相关；而对于坡面的径流量，其主要与边坡高度和凸起部分的曲率具有一定的相关性。

结合排土场的现状和各地形因子之间的关系，即坡高和曲率不变时，通过调整边坡凸起部分在水平方向和竖直方向的占比优化坡面轮廓的设计。

因凸起水平占比和竖直占比之间存在高度相关性，需要对二者进行回归分析，结果表明对数形式的回归拟合度最好，调整后R²为0.852，拟合效果较好，回归方程如下：SP＝0.465^***×lnSZ+0.897^***(式1)，

式中SP表示凸起部分的水平占比，SZ表示凸起部分竖直占比，***表示在P<0.01的显著性水平下显著。

综合S形坡各地形因子相关性分析的结果和排土场的自身条件，选择高度和排土场高度相近的自然边坡作为近自然设计的模板，确定排土场边坡设计的最优学习模板，设计参数如表8所示：

表8边坡设计参数

S2、排土场边坡剖面设计

根据表8提供的地形特征参数对排土场边坡坡形进行近自然设计，并运用WEPP模型进行水土侵蚀情况模拟。

(1)在模型中输入土壤的相关参数：沙粒含量38.6％，黏粒含量34％，有机质含量0.114％，石砾含量27.4％，阳离子交换量9.9×10^-2/g，土壤容重1.78g/cm³。注：数据来源于《露天煤矿开采项目水土流失量预测——以内蒙古锡林郭勒盟胜利矿区一号露天煤矿为例》。

(2)收集研究区2016年的气象数据，具体参数包括：BPCDG气候数据文件：次降雨的断点数量、各断点的时间及累计降雨量、最高气温、最低气温、太阳辐射量、风速、风向、露点温度；CLIGEN气候数据文件：降雨量、降雨历时、TP、IP、最高气温、最低气温、太阳辐射量、风速、风向、露点温度。将这些数据整理成一定格式后输入WEPP软件自带的气候模拟器中，生成模型运行所需的气象数据文件。

(3)先单纯考虑边坡剖面设计对于坡面侵蚀的作用，故假设坡面都为裸地。

(4)通过坡度坡长编辑模块对边坡的参数进行编辑。

侵蚀模拟结果如表9所示：

表9参照22号自然山体样点设计的S形边坡侵蚀模拟结果

再结合式1对设计的坡形进行优化，设计改进方案，如表10所示，其中O组为最初的S形坡面；同时对各改进方案进行侵蚀模拟，模拟条件与之前相同，模拟结果如表11所示，确定选择C组方案。

表10各改进方案参数

表11各改进方案模拟结果

参照现有坡面泥沙沉积多发生在平台处的特点，并结合S形坡的土壤侵蚀的空间分布特点，在S形坡面的关键位置上设计增加水平平台。平台为从距坡顶水平距离30m开始，以30m的梯度增加，直到330m处，平台宽度为10m。对各组方案进行了侵蚀模拟，结果如表12所示。

表12不同位置平台模拟结果

根据表中的模拟结果，分析得到在坡面上设置两个平台，分别位于120m处和330m处，平台宽仍为10m，以进一步改进方案，并经过模拟验证，模拟结果如表13所示：

表13改进平台方案的模拟结果

对以上结果分析可以看出，改进后的坡形在各个指标上都要优于S形边坡，雨水对于坡面的侵蚀更均匀、程度更轻，增加的平台还有利于植被防护体系的构建。

S3、排土场边坡坡面设计

S3-1、坡面表层的土壤组成设计：对改进坡面上平台部分的坡面土壤机械构成进行调整，根据现有土壤机械组成(A：表土30cm：土壤机械组成为砂粒38.6％，黏粒34％，石砾27.4％)，设计三套土壤组成方案，分别为B：表层30cm：土壤机械组成为砂粒20.6％，黏粒44％，石砾35.4％。C：表层30cm：土壤机械组成为砂粒45.6％，黏粒44％，石砾20.4％。D：表层20cm：土壤机械组成为砂粒45.6％，黏粒34％，石砾20.4％；20cm～30cm：土壤机械组成为砂粒29.6％，黏粒60％，石砾10.4％。

运用WEPP模型模拟不同土壤组成的水土侵蚀情况，结果如表14所示：

表14各土壤设计方案模拟结果

结合表14和图4的结果，分析确定C组方案为最优方案，即当平台处表层土壤的机械组成为砂粒：黏粒：石砾为45.6％：34％：20.4％时，坡面的抗侵蚀能力将有很大程度的增强。

S3-2、坡面植被体系的构建：

以当地的植被覆盖率为恢复目标，参照待修复的排土场区自然植被情况和典型植物的特征，确定相应的植物种类，结合边坡的条件进行植被体系的构建，运用WEPP模型对不同的植被搭配进行侵蚀模拟，确定最优的植被构建方案。

研究区所处地带的草原属于典型草原，低缓丘陵地带的覆被多为草地，覆盖率为38％，区域内生长的草本植物主要为以大针茅、羊草和克氏针茅为主，其生长期为每年的4月至9月。此外，在沙地和坡地上还有灌木丛生长，其中锦鸡儿比较常见。在对坡面进行植被防护体系的设计时，结合植物的特征，确定草本植物选择针茅草，灌木选择锦鸡儿。并设计了三组植被布置形式，如表15所示。

表15植被布置形式

采用WEEP模型对植被设计方案进行模拟，在模型中设置植物种类及植被覆盖度等相关参数，结果如表16所示：

表16各植被设计方案模拟结果

从模拟结果分析，确定以草-灌结合的方式构建植被，布置图如图5所示。