水文融合的草原露天矿内排土场地貌重塑优化.pdf

水文融合的草原露天矿内排土场地貌重塑优化夏嘉南1,2，李根生1，李园园1,2，卞正富1,2，雷少刚2(1.中国矿业大学公共管理学院,江苏徐州221116；2.中国矿业大学矿山生态修复教育部工程研究中心,江苏徐州221116)摘要：草原露天煤矿内排土场地貌受采排复活动中塑形方式与土方量等因素影响，面临景观破碎、水土流失等生态环境问题。在现有工艺与团队已有成果上，为进一步实现矿区重塑地貌与周边水文相融，构建基于水文保留曲面(HPCS)的采复子区划定优化模型，以新疆黑山露天矿内排土场为例，构建优化后的 HPCS 下近自然设计地貌(MNNDL_HPCS)为实验组，NNDL_HPCS、原始自然地貌(PNL)和传统设计地貌(TDL)3 者为对照组，结合空间叠加分析与地貌演化模拟技术，评价 MNNDL_HPCS 在水文融合、土方调配与土壤抗水蚀 3 方面的优化效果。结果表明：采复子区 划 定 上，MNNDL_HPCS 内 除 开 采 子 区 位 置 划 定 调 整 外，其 余 区 域 位 置 保 持 不 变；水文融合上，以 PNL 为基准，MNNDL_HPCS 视觉效果最优，并在水文沟道空间重叠率和水文融合率指标上，分别较 NNDL_HPCS 与 TDL 高 52.84%和 7.04%，与 66.66%和 18.11%；土方调配上，MNNDL_HPCS 土方平均运距较 NNDL_HPCS 缩减约 0.98m/m3，较 TDL 高约 4.93%，土方运移成本较优化前略有降低；土壤抗水蚀能力上，MNNDL_HPCS 较 PNL、NNDL_HPCS和 TDL 的 10 年可分别减少约 31.65%、56.86%和 80.59%的土壤水蚀总量，其中平均坡度缓和(0.28)是 MNNDL_HPCS 土壤抗水蚀优于 PNL 的主因，其通过 HPCS 模型内坡度缓和优化模块实现。研究成果可助于恢复研究矿区内原径流通道和原地貌与景观，提高矿区生态修复稳定性。关键词：露天煤矿；内排土场；地貌重塑；水文融合；矿山生态修复中图分类号：TD88文献标志码：A文章编号：02539993(2023)04167314Landform reshaping optimization of inner dump based on hydrological fusion ingrassland open-pit coal mineXIAJianan1,2,LIGensheng1,LIYuanyuan1,2,BIANZhengfu1,2,LEIShaogang2(1.School of Public Policy&Manage,China University of Mining&Technology,Xuzhou221116,China;2.Engineering Research Center of Ministry ofEducation for Mine Ecological Restoration,China University of Mining&Technology,Xuzhou221116,China)Abstract:Thelandformoftheinnerdumpinthegrasslandopen-pitcoalmineisaffectedbyfactorssuchastheshapingmethodandtheamountofearthworkinthemining-dumping-reclaimingactivities,anditfacesecologicalandenviron-mentalproblemssuchaslandscapefragmentationandsoilerosion.Basedontheexistingtechnologiesandtheteamsachievements,inordertofurtherrealizetheintegrationofthereshapedlandformandthesurroundinghydrologyintheminingarea,anoptimizationmodelforthedelineationoftheminingcomplexsub-areabasedonthehydrologicalpreserva-tionsurface(HPCS)wasconstructed.TakingtheinnerdumpsiteintheHeishanopen-pitcoalmineinXinjiangasanex-收稿日期：20220426修回日期：20220519责任编辑：韩晋平DOI：10.13225/ki.jccs.2022.0592基金项目：国家自然科学基金新疆联合基金资助项目(U1903209)；国家重点研发计划资助项目(2016YFC0501107)；国家科技基础性工作专项资助项目(2014FY110800)作者简介：夏嘉南(1996)，男，浙江温州人，博士研究生。E-mail：通讯作者：雷少刚(1981)，男，四川南部人，教授，博士生导师。E-mail：引用格式：夏嘉南，李根生，李园园，等.水文融合的草原露天矿内排土场地貌重塑优化J.煤炭学报，2023，48(4)：16731686.XIAJianan，LIGensheng，LIYuanyuan，etal.Landformreshapingoptimizationofinnerdumpbasedonhy-drologicalfusioningrasslandopen-pitcoalmineJ.JournalofChinaCoalSociety，2023，48(4)：16731686.第48卷第4期煤炭学报Vol.48No.42023年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.2023ample,theoptimizednear-naturaldesignlandformunderHPCS(MNNDL_HPCS)wasusedastheexperimentalgroup,andtheNNDL_HPCS,theoriginalnaturallandform(PNL)andthetraditionaldesignlandform(TDL)wereusedasthecontrolgroup.Combinedwithspatialsuperpositionanalysisandgeomorphologicalevolutionsimulationtechnology,theoptimizationeffectsoftheMNNDL_HPCSinhydrologicalintegration,earthworkallocationandsoilwatererosionresist-ancewereevaluated.Theresultshows:inthedelineationoftheminingsub-area,exceptfortheadjustmentoftheloca-tionoftheminingsub-areaintheMNNDL_HPCS,thepositionsoftherestoftheareasremainunchanged.Comparedwithhydrologicalfusion,withthePNLasthebenchmark,theMNNDL_HPCShasthebestvisualeffect.Specifically,thespatialoverlaprateofhydrologicalchannelsis52.84%higherthanthatoftheNNDL_HPCSand66.66%higherthanthatoftheTDL;theindexofhydrologicalfusionrateis7.04%higherthanthatoftheNNDL_HPCSand18.11%higherthanthatoftheTDL.Comparedwithearthworkdeployment,theaverageearthworkdistanceoftheMNNDL_HPCSisabout0.98m/m3shorterthanthatoftheNNDL_HPCS,andabout4.93%higherthanthatoftheTDL.Therefore,theearthmovingcost is slightly lower than that before optimization.Comparing soil water erosion resistance,theMNNDL_HPCScanreducethetotalamountofsoilwatererosionbyabout31.65%,56.86%and80.59%over10yearscomparedwiththePNL,NNDL_HPCSandTDL,respectively.Inaddition,theaverageslopemitigation(0.28)isthemainreasonwhythesoilwatererosionresistanceoftheMNNDL_HPCSisbetterthanthatofthePNL,whichisrealizedbytheslopemitigationoptimizationmoduleintheHPCSmodel.Theresearchresultscanrestoretheoriginalrunoffchan-nelsandoriginallandformsandlandscapesintheminingareatothemaximumextent,improvethestabilityofecologicalrestorationintheminingarea.Key words:open-pitmine；innerdumpingsite；landformreshaping；hydrologicalfusion；mineecologicalrestoration露天煤矿的采排复活动，彻底破坏了区域原有水文、植被和景观，尤其是在干旱半干旱的生态脆弱型草原区域1-3。内排土场作为其重要组成部分，占地面积和影响范围随采复工作面的推进而不断增加4。受系统性影响，内排土场地貌重塑对矿区整体土地复垦和生态重建意义重大5。一方面，草原露天矿内排土场地貌塑形结果决定基底稳定性，从而影响修复区内部水土保持效果6-8；另一方面，其自身作为地表水资源为代表的物质流通道，维持相邻上下游区域间给排水等物质输送平衡6,9。若未构建合理的内排土场重塑地貌，不仅会造成边坡表土失稳与严重侵蚀，还会造成进不来、留不住、出不去等诸多地表水资源输送问题，从而影响相邻上下游流域子区生态安全，提高维护成本6,9-13。因此，有必要构建基于地表径流通道下的排土场地貌重塑模型，以提高水土保持效果。在露天矿设计过程中，设计者基于经济、安全两大目标，制定采排复计划14-15，导致内排土场水平投影呈规则“台阶状”并横跨多个流域子区6,9，对周边水文单元影响范围较广。传统地貌重塑通过“台阶状”规则地貌替代原有自然复杂地貌，并辅以给排水设施以满足自身需求，然而因地貌融合性不佳，常导致自身地表水径流通道功能丧失，引发内部边坡侵蚀、积水、人工外源大量给排水等一系列问题9-10,16。近自然地貌重塑作为露天矿土地复垦最具潜力的新方法，不仅能提高排土场自身稳定性，还可融合上下游水资源通道6,9,17-18。然而，受煤层走向、原始地貌起伏、煤层厚度、采排复等因素综合影响，复填可用土方或将无法满足近自然地貌重塑与周边水文相融，易造成外观相融，内部节点断流的土方供需矛盾17-18。前置研究中，笔者先后提出基于地表调整曲面(SurfaceAdjustmentCurved-s，SAC)17与基于 HPCS(HydrologicalPreservedCurvedSurface)18的露天矿内排土场近自然地貌重塑模型，结合模拟对比发现，在地貌视觉融合的基础上，后者(HPCS)基于水文特征要素的近自然重塑地貌抗水蚀能力更优，其 10a 土壤侵蚀总量较 SAC 与传统方式分别减少 55%与72.6%。受原采排复计划下复填子区土方量限制，上述近自然重塑地貌均存在局部坡度超标与水文节点断流等问题，在原始水文保留率取值上均小于 74%，水文未与周边地貌完全“相融”18。因此，有必要尝试基于水文融合目标，优化原有采排复计划，获取新的开采与复填子区空间位置，从土方供需视角，切实保障区域径流通道再建。因此，笔者在现有技术与前置研究的基础上，以新疆黑山露天矿为例，提出一种基于 HPCS 的内排土场采复子区划定优化模型，求解并以 MNNDL_HPCS(Modified Near-natural Design Landform withHydrological Preserved Curved Surface)为 实 验 组，NNDL_HPCS、TDL(Traditional Design Landform)和PNL(PristineNaturalLandform)为对照组，结合 GIS1674煤炭学报2023年第48卷空间分析软件与 CLiDE 演化模型，模拟并讨论MNNDL_HPCS 在水文融合、土方调配和土壤抗水蚀3 个方面的改良效果。从而为相同及相似地区矿山地貌近自然重塑提供方法支持。1研究方法1.1基于 HPCS 的采复子区划定优化模型本研究基于 HPCS 的采复子区优化模型主要分4 个模块，包括：采复子区原始空间位置识别；基于灰色系统理论的最小及最大土方重塑地貌模型构建；复填可用及所需土方量计算；采复子区划定优化模型。其中，模块 1 识别结果为模块 4 提供划定优化对象；模块 2 地貌构建结果为模块 3 中复填所需土方量上下限取值提供地貌参照；模块 3 土方供需计算方法为模块 4 中原有问题区识别及是否完成优化提供判定手段；模块 4 获取优化后的采复子区空间位置数据。最终通过 HPCS 下内排土场近自然地貌重塑模型，求解并获取研究区 MNNDL_HPCS 数据。模型技术路线如图 1 所示。1.1.1采复子区原始空间位置识别依据露天矿采复周期规划，划分开采子区 amn和复填子区 afn的水平投影位置。依据露天矿实际采复周期及其时间先后顺序，沿开采方向将露天矿内排土场划分为 N 个子区。其中，开采子区和复填子区分别对应区域 am1amn和区域 af1afn。在露天矿内排构建的采复过程中，采坑每前进一个开采子区 amn对应修复一个复填子区 afn，直至内排过程结束，矿坑不断迭代前进至采矿终止边界18(图 2)。煤层等效厚度空间分布数据采前原始 dem煤层底板 dem最大土方重塑地貌最小土方重塑地貌最大与最小土方重塑地貌模型复填所需及可用土方量计算采复子区划定优化模型优化后的采复子区空间位置数据基于 HPCS 的内排土场地貌近自然重塑模型一种基于 HPCS 的内排土场采复子区划定优化模型MNNDL_HPCS数据对象输入输出处理方法复数对象土方所需上限土方所需下限矿坑预设数据及要求采复子区空间位置数据图1基于 HPCS 的采复子区划定优化模型技术路线示意Fig.1SchematicdiagramofthetechnicalrouteoftheoptimizationmodelforthedelineationofminingareasandrefillingareasbasedonHPCS采前原始地貌重塑地貌煤层顶板煤层底板煤层amnafn开采方向开采子区复填子区采排复图2露天矿采复周期 n 中开采子区与复填子区三维示意Fig.23Dschematicdiagramofminingsub-areaandrefillingsub-areainopen-pitmining-refillingperiodn1.1.2最大及最小土方重塑地貌模型构建采复子区空间位置直接影响复填区可用土方量与复填所需土方量。为保证各复填子区均能实现重塑地貌与周边水文融合，首先需优化原有采排复计第4期夏嘉南等：水文融合的草原露天矿内排土场地貌重塑优化1675划，调整采复子区大小及其空间位置，以保证复填子区地貌重塑所需土方量与可用土方量相匹配，避免出现复填可用土方过多导致的二次外排，与可用土方不足所导致的水文节点断流两大问题。为计算水文融合及无二次外排情况下内排土场重塑地貌土方量可行域，将内排土场整体视作一个灰色系统，通过重构其内部水文要素，以尽可能恢复系统内外水资源交换特征，构建最大土方重塑地貌模型与最小土方重塑地貌模型(图 3)。(a)水文栅格分类及流向(b)栅格高程求解顺序栅格流向边界栅格固定流域栅格半固定流域栅格5155155123355152555545453455345351555155155155553335325535253552交汇栅格浮动流域栅格分水岭栅格其他栅格图3最大与最小土方重塑地貌模型构建示意Fig.3Schematicdiagramoftheconstructionofthemaximumandminimumearthworkremodelinglandformmodel模型如图 3 所示，通过“由点至线至面”的模型设计思路构建模型。将研究区采前数字高程模型(Di-gitalElevationModel，DEM)及其高程倒置后的 DEM作为输入数据，通过 ArcGIS 软件内水文分析模块，分别获取研究区水文沟道栅格空间分布数据，与分水岭栅格空间分布数据。其中，河道提取所需的最小汇水栅格数通过 OTSU 法19，基于研究区水文沟道及分水岭密度与最小汇水栅格数间分形关系提取6,17-18。按照水文沟道栅格(图 3(a)空间相邻关系，将其细分为固定流域栅格、交汇栅格、半固定流域栅格、分水岭栅格和浮动流域栅格 5 类，并按照图 3(b)所示序号，先后求解水文栅格高程值，然后基于模糊插值方法，获取周边其他栅格所在区域平均高程，构建最大与最小土方重塑地貌模型。其中，将水文沟道栅格中沿流向头尾与边界栅格相接的栅格组定义为固定流域栅格，并按流向将其中与半固定流域栅格相接的固定流域栅格定义为交汇栅格，重塑区外所有栅格定义为边界栅格，3 者高程计算见式(1)；若水文沟道栅格沿流向仅一端与交汇栅格相连，则定义为半固定流域栅格，其高度计算见式(2)，如 图 4 所 示；分 水 岭 栅 格 高 度 求 解 见 式(3)，如图 5 所示；若水文沟道栅格沿流向头尾未与上述栅格相连，则定义为浮动流域栅格，其高度求解见式(4)，如图 6 所示。ij1234512345(a)累计距离提取固定流域栅格交汇栅格半固定流域栅格其他栅格(1,2)(2,3)(3,4)(4,4)A(ic,jc)(io,jo)Lrsf(ic,jc,io,jo)(b)竖直高度运算demrsfdemor图4半固定流域栅格高程求解模型示意Fig.4Schematicdiagramofthesemi-fixedwatershedgridelevationsolutionmodeldemrf(i,j)=demor(i,j),c(i,j)1,1.5,5(1)rowcol(row,colc(i,j)(i,j)其中，i，j 分别为数据栅格行与列序号，定义域分别为1与 1的整数分别为内排土场边界内栅格数据总行列数)；c 为栅格分类数据，为栅格类型值，取值 0、1、1.5、2、3、4、5，分别对应1676煤炭学报2023年第48卷demrf(i,j)(i,j)demor(i,j)(i,j)“其他栅格”、“固定流域栅格”、“交汇栅格”、“半固定流域栅格”、“分水岭栅格”、“浮动流域栅格”和“边界栅格”；为固定流域栅格地表平均高程值；为栅格采前地貌平均高程。通过保留固定流域栅格、交汇栅格和边界栅格所在区域的采前地表平均高程，保障重塑地貌与相邻上下游地貌间径流通道关系不变，为后续半固定流域栅格高度求解提供交汇栅格高程数据。demrsf(i,j)=demor(i,j)demor(ic(i,j),jc(i,j)Lrsf(io(i,j),jo(i,j),ic(i,j),jc(i,j)tanAdemor(io(i,j),jo(i,j)demor(ic(i,j),jc(i,j)+demor(ic(i,j),jc(i,j),c(i,j)=2(2)demrsf(i,j)(i,j)Lrsf为demrsfLrsf(1,2,4,4)(1,2)(4,4)icjc(i,j)(i,j)(1,2)iojo(i,j)(i,j)式中，为半固定流域栅格的平均高程值；栅格中两栅格所沿半固定流域的最小累计距离函数，如图 4 中为栅格与栅格沿半固定流域栅格的最小累计水平投影距离；、为关于栅格的交汇坐标函数，取值分别对应半固定流域栅格对应交汇栅格行列序号值(图 4 栅格)；、为关于栅格的发源坐标函数，取值分别对应所在半固定流域栅格对应发源栅格行列(4,4)A序号值(如图 4 栅格)；为调整后需要达到的倾角，定义域为 090。通过控制半固定流域栅格起始与交汇栅格间夹角，确保半固定流域栅格的斜率符合自然特征，同时依据研究区及周边采前自然地貌半固定流域栅格源与交汇栅格间斜率，获取最大倾角(Amax)与最小倾角(Amin)，以分别用于研究区最大与最小土方地貌模型中半固定流域栅格所在区域平均高程求解，为后续分水岭栅格高程求解提供数据支撑。demw(i,j)=min(Lw(i,j,nra(i,j)tanA+h(nra(i,j),A=Amaxc(i,j)=3max(Lw(i,j,nra(i,j)tanA+h(nra(i,j),A=Aminc(i,j)=3(3)demw(i,j)(i,j)LwLw(i,j,nra(i,j)(i,j)nranra(i,j)(i,j)nc(i,j)nc(i,j)h(nra(i,j)nra(i,j)nc(i,j)AmaxAmin其中，为分水岭栅格所在区域平均高程；为分水岭栅格单元距最近已知高程栅格间距离函数，如为分水岭栅格距各相邻汇水子区最近已知高程栅格(边界栅格、固定流域栅格、交汇栅格和半固定流域栅格)坐标间最小距离所组成的矩阵数据；为分水岭栅格相邻所有汇水子区(总数为)内最相近已知高程栅格的行列坐 标 组 成 的行 2 列 矩 阵 数 据；为矩阵数据各行栅格坐标所在区域平均高程组成的行 1 列矩阵数据；为最大允许边坡角，按标准取值 25；为自然汇水子区最小边坡角，是相(i,j)SareaSarea(3,6)Sarea(6,6)邻汇水子区栅格边坡角均值最小值，其余参数解释同上。在求解过程中，通过 ArcGIS 软件提取汇水子区的空间位置数据(如图 5 汇水子区、)；然后以分水岭栅格为中心，构建 33 矩形搜索窗口(图 5)，依据窗口内汇水子区序号值域(图 5内汇水子区值域为,，内汇水子区值域为,)，搜索获取各相邻汇水子区中最临近已知高程栅格坐标；最后通过式 3 遍历求解最大(式(3)上)与最小(式(3)下)土方重塑地貌模型内分水岭栅格所在区域平均高程，为后续浮动流域栅格高程求解提供依据。demrff(i,j)=min(h(nrfa(i,j)Lk(i,j,nrfa(i,j)tanA),A=Aminc(i,j)=4max(h(nrfa(i,j)Lk(i,j,nrfa(i,j)tanA),A=Amaxc(i,j)=4(4)Sarea(2,4)i1234567j1234567Sarea(5,3)分水岭栅格已知高程栅格其他栅格图5分水岭栅格高程求解模型示意Fig.5Schematicdiagramofthewatershedgridelevationsolutionmodeli1234567j1234567已知高程栅格浮动流域栅格Sarea(3,3)其他栅格图6浮动流域栅格高程求解模型示意Fig.6Schematicdiagramofthefloatingwatershedgridelevationsolutionmodel第4期夏嘉南等：水文融合的草原露天矿内排土场地貌重塑优化1677demrff(i,j)(i,j)Lk(i,j,nrfa(i,j)(i,j)nrfa(i,j)nrfa(i,j)(i,j)ncf(i,j)ncf(3,3)ncf(i,j)h(nrfa(i,j)nrfa(i,j)ncf(i,j)Sarea(3,3)Sarea(3,3)式中，为浮动流域栅格所在区域的平均高程值；为浮动流域栅格与相邻各个汇水子区(例如图 6汇水子区、)内最近已知高程栅格坐标间水平直线间距所构成的矩阵数据；为浮动流域栅格与所有相邻汇水子区(总数为，如图 6 中=2)中最相近已知高程栅格行列坐标组成的行 2 列矩阵数据；为内坐标所对应的已知高程数列，其结构为行 1 列矩阵数据，其余参数解释同上。在求解过程中，通过 ArcGIS 提取汇水子区空间分布栅格数据(如图 6 汇水子区、)，搜寻浮动流域栅格为中心栅格，构建 33 矩形搜索窗口(图 6)，依据窗口内汇水子区值域(例如图 6汇水子区值域为,)，遍历获取对应汇水子区最近已知高程栅格坐标(如图 6 黄框标识栅格)，基 于 式(4)求 解 最 大(式(4)上)与 最 小 土 方(式(4)下)重塑地貌所对应浮动流域栅格所在区域平均高程值，为后续模糊插值构建表面提供数据支撑。demnf(i,j)=aeragen(Sarea(i,j),c(i,j)=0demrf(i,j),c(i,j)1,1.5,5demrsf(i,j),c(i,j)=2demw(i,j),c(i,j)=3demrff(i,j),c(i,j)=4(5)demnfndemmaxdemmindemnf(i,j)(i,j)nSarean(i,j)demn1f(i,j)式中，为 次模糊插值18后构建的最大()或最小()土方重塑地貌模型，为栅格插值后所在区域平均高程；为模糊次数，定义域为 N+，最小取值为内排土场固定流域栅格与最近分水岭栅格间栅格间距最大值的 2 倍；为以栅格为中心的 33 矩形搜索窗口。1.1.3复填可用及所需土方量计算amn基于 1.1.2 节最大与最小土方重塑地貌模型以及采复子区空间位置，求解水文融合保障下采排复周期中复填子区可用与所需土方量，计算式分别为Vg(amn)=krowmni=1colmnj=1demormn(i,j)htn(i,j)Hmdn(i,j)L2t(6)Vfmax(afn)=krowfni=1colfnj=1demmax n(i,j)Hfdn(i,j)L2t(7)Vfmin(afn)=krowfni=1colfnj=1demmin n(i,j)Hfdn(i,j)L2t(8)Vg(amn)amnafnamnk式中，为开采子区可用于复填子区的土方量，取值为开采子区总岩土体积(最底层煤层底板以上所有物质)与可采煤层体积之差；为可用土体i jrowmncolmnamndemormn(i,j)amn(i,j)htnamn(i,j)Hmdn(i,j)amn(i,j)LtVfmax(afn)afnafnrowfncolfnamndemmaxn(i,j)afn(i,j)Hfdn(i,j)afn(i,j)Vfmin(afn)afndemminn(i,j)(i,j)修正系数，是煤层受剥离损失、夹矸、岩土膨胀等多因素综合影响下实际土方量与剥离量之比；，分别为对应开采及复填子区的栅格行列序号；、分别为开采子区的栅格行列序号最大值；为开采子区内栅格的采前原始地貌高程值；为开采子区栅格所在区域可采煤层的平均厚度；为开采子区栅格所在区域可露采煤层最底层底板的平均高程值；为开采子区栅格数据的空间分辨率(本研究 30m30m)；为复填子区复填所需最大土方量，其值是复填子区所对应最大土方重塑地貌模型与其可露采煤层底层底板间的总岩土体积；、分别为开采子区栅格行列序号的最大值；为复填子区栅格所在区域最大土方重塑地貌模型平均高程；为复填子区栅格所在区域可露采煤层最底层底板平均高程值；为复填子区的复填所需最小土方量，其值是复填子区所对应最小土方重塑地貌模型与其可露采煤层最底层底板间的总岩土体积；为复填子区栅格所在区域最小土方重塑地貌模型平均高程。1.1.4采复子区划定优化模型Vg(amn)Vfmax(afn)Vfmin(afn)Vg(amn)Vfmin(afn),Vfmax(afn)通过 1.1.3 节模型，求解复填可用土方总量、复填最大所需土方总量和最小所需土方总量，确保，进行采复子区划定优化模型求解。Vg(amn)Vfmin(afn)LfnLfnVg(amn)Vfmax(afn)LfnLfnVg(amn)Vfmin(afn),Vfmax(afn)Vg(amn)/Vfmin(afn)Vg(amn)/Vfmin(afn)如图 7 所示，在矿坑跟踪距离50m 的标准下，构建采复子区划定优化模型。其中，若原始采复子区中，且开采与复填子区间距矿坑安全跟踪距离时，固定其开采子区靠近内排土场侧边界，将另一侧边界沿开采方向适度前移(图 7(a)；若开采与复填子区间距，且开采与复填子区间距，固定开采子区靠近内排土场侧边界，将另一侧边界沿开采方向适度后移(图 7(c)；若开采与复填子区间距MNNDL_HPCS(862.25m/m3)TDL(821.71m/m3)。其中，MNNDL_HPCS 土方平均运距较TDL 增加约4.93%(40.54m/m3)，较 NNDL_HPCS 减少约 0.11%(0.98m/m3)。2.3.3土壤抗水蚀能力结果与分析通过 CLIDE 演化模型，获取研究区 MNNDL_HPCS、NNDL_HPCS、PNL 和 TDL 四者 10a 演化地貌结果。其中，为避免边缘影响，将研究区周边 1000m范围共同纳入运算(图 12(a)(d)。并基于空间叠加分析技术，通过 MATLAB 软件对比演化前后地貌模型，统 计 研 究 区 排 土 场 MNNDL_HPCS、NNDL_HPCS、TDL 和 PNL 四者土壤 10a 水蚀总量(表 2)。由表 2 可知，研究区内排土场不同设计地貌下10 年土壤水蚀总量在 2.801310514.4287105m3。其中，MNNDL_HPCS 土壤抗水蚀能力最强，演化模拟情景下土壤 10a 水蚀总量约为 4 者平均水平(6.9556105m3)的 2/5(40.27%)。TDL 土壤抗水侵蚀能力最弱，在研究区演化模拟情景下，MNNDL_HPCS、PNL 与NNDL_HPCS 相较其可分别减少约 80.59%、71.60%和 54.99%的土壤水蚀体积。相较于 NNDL_HPCS，本研究基于 HPCS 的采复子区划分优化模型可提升研究区 HPCS 下内排土场近自然地貌重塑模型求解结果的抗水蚀效果，整体提升约 56.86%。在土壤 10a 水蚀总量随采排复周期变化上，研究区样本值域MNNDL_HPCS(1.541051.93105m3)PNL(2.811051.58105m3)NNDL_HPCS(2.17105 2.28105 m3)TDL(3.29105 3.97105 m3)。其中，样本土壤水蚀量随周期变化幅度与侵蚀总量排序呈正相关关系。以 PNL 土壤 10a 水蚀量随采排复 周 期 取 值 为 基 准，进 一 步 构 建 图 14 所 示 的MNNDL_HPCS 与 NNDL_HPCS 较 PNL 间土壤水蚀低:2 562.26高:2 982.00高程/m研究区边界最终采坑边界(a)PNL(b)MNNDL_HPCS(c)NNDL_HPCS(d)TDLN采排复周期土方量/106 m37.86.85.84.83.82.81.80.813579 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45复填最大所需土方量复填最小所需土方量优化前复填可用土方量优化后复填可用土方量(e)各采排复周期内土方量变化折线图12研究区及周边地貌三维透视图和各采排复周期内土方量变化折线Fig.12Researchareaandsurroundinglandform3DmapandLinechartofearthworkquantitychangeinthecycleofeachmining-refillingsub-areainthestudyarea1682煤炭学报2023年第48卷差异曲线。对比可知，在研究区各采排复周期中，MNNDL_HPCS 土壤水蚀量与 PNL 更为相近，2 者间差值范围上下限差值(图 14 灰色实线：1.541052.33105m3)较 NNDL_HPCS 与 PNL(图 14 灰色虚线：4.561053.36105m3)更小，范围仅为后者的48.79%。3讨论20 世纪 70 年代，露天矿“采矿与修复同步进行”的生产理念由美国提出25，其中美国内务部编写的 露天矿采复一体化技术手册Integratedsurfaceminingandreclamationtechniques系统性地对露天矿开采过程中表土剥离采矿回填复垦一体化技术进行总结，并就露天矿开采设计、表土剥离尺寸、表土剥离工艺、表土剥离与回填时间及选用设备等进行了详细的介绍和规范26。现今，采排复一体化技术已广泛应用于美国、澳大利亚、中国、加拿大等露天(c)NNDL_HPCS(a)PNL汇水子区数沟道长度/m36组别555448(d)(a)(b)(c)11 714.609 056.179 441.759 245.41重塑地貌汇水子区边界重塑地貌水文沟道高:2 982.00高程/m低:2 562.2600.51.0 km(b)MNNDL_HPCS(d)TDL研究区边界研究区边界内汇水子区数及水文沟道长度统计表N图13研究区内排土场地貌汇水子区及水文沟道空间分布Fig.13Spatialdistributionofriverbasinsandchannelsinthestudyarea表 1 研究区 PNL、优化后 NNDL_HPCS、优化前NNDL_HPCS、TDL 土方平均运距Table 1 Average earth hauling distance for PNL,optimizedNNDL_HPCS,pre-optimized NNDL_HPCS,and TDL in thestudy area内排土场设计模型土方平均运距/(mm3)PNLMNNDL_HPCS862.25NNDL_HPCS863.23TDL821.71表 2 研究区 PNL、优化后 NNDL_HPCS、优化前NNDL_HPCS、TDL 10 a 土壤水蚀总量Table 2 Soil erosion total amount in the study area over 10years for PNL,optimized NNDL_HPCS,pre-optimizedNNDL_HPCS,and TDL内排土场设计模型10a土壤侵蚀总量/105m3MNNDL_HPCS2.8013PNL4.0983NNDL_HPCS6.4937TDL14.4287第4期夏嘉南等：水文融合的草原露天矿内排土场地貌重塑优化1683矿13,27-29，且形成了一批以空间利用、边坡安全、土方运距为优化导向的实践与理论成果14-15,30。其中，已有成果鲜有涉及近自然恢复导向的采排复一体化下地貌重塑研究。地貌作为区域物质流活动的重要载体，不仅影响自身稳定性，也会通过物质流影响相邻子区。若未划分合理的采复子区，或将造成空间利用低下、二次外排、土方运距增加等前期工程问题；同样若未构建合理形态，也将大幅削弱自身表土抗水侵蚀能力13。与上述结论相似，本研究地貌演化模拟结果表明，传统采排复一体化采复子区划分下，TDL 较其他方案土方平均运距最小(821.71m/m3)，然而 10a 土壤水蚀总量最大(约为样本平均水平的 2 倍)，且重塑地貌水文融合率值最低(较近自然地貌重塑样本平均水平少 40.24%)；在相同采复子区