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《矿山废弃地近自然地形恢复设计原理与方法》可供国土、矿山、林业、水利、水土保持、园林、旅游等部门从事项目建设、生态环境恢复的教学、科研、设计和工程技术人员参考。
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| 內容簡介： |
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《矿山废弃地近自然地形恢复设计原理与方法》针对矿山废弃地的地形恢复问题，研究了近自然地形恢复设计的相关基础理论，在运用流域地貌理论、景观生态理论和“3S”技术对矿区的自然地理环境调查基础上，以流域为研究单元，利用计算机模拟技术，以邻近未扰动的地形水文形态特征作为设计目标，构建了矿山废弃地近自然地形恢复设计方法。这在土地复垦、生态重建、植被恢复等相关规划设计中，具有重要的理论与实践应用意义。
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| 目錄：
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前言
第1章绪论
1.1研究背景
1.2研究内容
1.3研究目的和意义
第2章矿山废弃地恢复研究进展
2.1相关概念的界定
2.2矿山土地复垦与生态重建研究进展
2.3矿山废弃地地形恢复相关研究进展
第3章矿山废弃地近自然地形恢复设计理论基础
3.1矿山废弃地近自然地形恢复设计的概念
3.2矿山废弃地近自然地形恢复设计相关理论
3.3矿山废弃地近自然地形恢复设计原理
第4章矿山废弃地近自然地形恢复设计方法
4.1近自然地形恢复设计评价指标体系
4.2近自然地形恢复设计评价关键指标筛选
4.3近自然地形恢复设计技术体系构成
4.4矿山废弃地的水文网分析技术
4.5矿山废弃地的地形恢复设计技术
第5章矿山废弃地近自然地形恢复设计评价方法
5.1流域地貌形态特征相似性
5.2流域地貌形态特征回归分析
5.3流域地貌形态特征的信息熵评价
5.4矿山废弃地的流域地表径流和土壤侵蚀量评价
第6章典型废弃采石场近自然地形恢复规划设计
6.1废弃采石场概况
6.2废弃采石场近自然地形恢复设计思路
6.3废弃采石场DEM建立及精度确定
6.4废弃采石场数字水文网分析及精度确定
6.5废弃采石场邻近未扰动流域地貌形态特征分析
6.6废弃采石场地形复杂度多因子综合分析
6.7废弃采石场流域及沟道规划
6.8废弃采石场近自然地形的恢复设计
第7章典型废弃采石场近自然地形恢复设计评价
7.1近自然地形恢复设计方案评价流程
7.2恢复设计地形的流域特征分析
7.3恢复设计的与未扰动的地形流域特征比较
7.4恢复设计的与未扰动的地形流域特征回归分析
7.5恢复设计的与未扰动的地形流域系统信息熵评价
7.6恢复设计前后地形的地表径流和土壤侵蚀量分析
7.7恢复设计前后地形的相似度综合评价
参考文献
彩图
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第1章绪论
1.1研究背景
人类对土地资源的迅速开发不仅使该资源逐渐枯竭，且对土地需求的剧增也导致其不断退化，尤以采矿活动对土地资源的影响最为剧烈。矿产资源的开发和利用，既对区域经济的发展起到了巨大的推动作用，也对全球环境产生了重大影响。在开采前后，采矿地所呈现出来的景观有较大差异。采矿之前，当地生态系统能够进行正常的物质循环与能量流动，处于相对稳定状态，主要是利用生物系统内部的自我组织、自我调整作用以及生物与环境之间的相互作用。采矿之后，矿山景观的稳定性往往会遭到严重破坏，景观的改变以及生态环境的变化超出了自然系统的调节能力和物种对环境的适应能力。同时，不可避免地占用和损害了土地资源，由此造成了原有景观的严重破坏并引发一系列环境问题。比如地下开采或露天开采可导致地表塌陷，引发地质灾害；大量废弃物堆积导致矿区可利用土地逐渐减少，自然环境逐渐恶化，原有生态系统遭到破坏，限制了原生植被的生长和发育（左寻和白中科，2002；汤惠君，2004；李苓苓，2008）。矿山废弃地的土地复垦与生态重建，就是对矿山土地资源的持续治理开发和植被恢复保护。有效治理矿山废弃地不仅可以保证矿山的持续安全生产，还可以改善与保护当地环境。因此，如何快速、有效地进行矿山土地复垦与生态重建，是采矿行业面临的重点问题之一。
矿山土地复垦与生态重建，涉及范围较广。它是采用工程、生物、化学等多种治理措施相结合的生态环境综合治理的方式。矿山生态重建以保护生态环境为目标、恢复和改善生态环境状况为目的，综合利用工程措施、生物原理、化学应用等治理措施对矿山土地复垦与生态重建实施的一系列过程。目前，欧美发达国家和地区已建立较为完善的土地复垦理论体系；以生态复垦为主，注重矿山可持续发展，土地复垦技术也不断进步，高科技得到普遍运用；相关的法律法规也更为健全，为土地复垦工作的进一步发展提供了法律保障。对于国内研究，利用中国知网（CNKI）分别以“土地复垦”和“生态重建”为关键词进行文献检索，对1994~2013年近20年的相关文献进行分析，其中近5年的文献数量占了近65%，这表明土地复垦与生态重建已成为近期研究热点和重点。对近5年（2009~2013年）和5年前（1994~2008年）的研究内容进行分类，结果见图1-1。从图1-1可以看出，近5年，理论研究方面比重增加，技术应用方面比重下降，说明土地复垦与生态重建的技术应用研究较为滞后；法律制度方面的比重增加，与2011年3月国务院公布施行新的《土地复垦条例》密不可分。总体来说，目前矿山土地复垦与生态重建面临一系列问题：生态重建的理论与技术研究没有大的突破，还没有真正达到综合的、系统的理论高度；注重单一技术研究，缺乏综合整治方案，流域系统观念不强；生境单一，景观欠协调；矿山土地与环境问题的诊断、监测、预测预警技术处于起步阶段；土地复垦与生态重建技术的革新欠缺等。
第1章绪论图1-1国内近20年土地复垦与生态重建相关文献的分类结果
近几年随着中国经济的快速发展和环境保护意识的增强，这给矿山土地复垦与生态重建研究提供了很大的发展机遇（胡振琪，2009）。首先，国内外对能源和矿产资源的需求在不断增长；我国对煤炭需求巨大并处于不断增长时期，这使得采矿业得到了持续、快速和稳定的发展，与之对应的矿山土地复垦与生态重建也获得了很大的发展空间。其次，由于我国耕地面积的大幅减少，国家出台了相应政策并要求切实保护耕地，现已将1.2亿hm2耕地作为一条红线，这为我国土地复垦提供了很好的发展机遇。再者，对矿山土地复垦与生态重建问题，得到了相关政府机构的极大关注与资金支持，特别是在《土地复垦条例》颁布和《全国土地利用总体规划纲要（2006—2020年）》的支持下，土地复垦与生态重建迎来了更好的发展契机。随着人们对地貌、水文、地表物质运动机理的研究逐步深入，以及“3S”技术的飞速发展，不仅改善了地貌学的研究手段（郑子彦等，2009；沈中原等，2009），还拓展了矿山土地复垦和生态重建的研究方法。
在经历了农业文明和工业文明的历史形态之后，人类文明迎来了生态文明。生态文明由过去单纯的追求经济目标，已转变为以经济和生态为双重目标，从而实现社会、经济与自然的和谐与可持续发展（李应振，2006）。矿山生态文明是在矿山这一特定地域中，反映着人类驾驭人与自然和谐发展的能力，并以可持续发展和科学发展观为指导思想，达到矿山所在地的人类、资源与环境和谐共存、持续发展的一种文明形态（乔丽，2010）。因此“近自然”就是利用自然本身的自我更新、再生能力和生产能力，来营造或者恢复生态景观，不仅是实现人与自然和谐的保障，还是生态文明在矿山土地复垦和生态重建中的体现。目前，近自然原理已在林业、城市规划、园林和水利等部门广泛运用。实践证明，近自然河流治理和近自然林业已取得了明显的生态效果（高甲荣，1999；许新桥，2007；高阳等，2008），也是改善区域生态环境和促进景观可持续发展的基础。因此，矿山生态重建的目标之一是营造近自然的生态环境。
矿山土地复垦与生态重建，不仅是矿山可持续发展的必由之路，还是改善生态环境的一项重要措施，但易受地形或者地形恢复的影响，需要建立一个与当地自然环境相和谐的流域地貌景观。矿山的土地复垦与生态重建，其最根本目的是造地、造土（白中科等，1998）。因此，矿山土地复垦和生态重建的核心问题是地形恢复、土壤重构和植被重建，而地形恢复和土壤重构是土地复垦与生态重建的基础工程（左寻和白中科，2002；汤惠君，2004；胡振琪，2009）。地貌形态的特点与变化直接影响着地面的物质流动与能量转化，也是进行水土流失预测预报、水文过程模拟的重要因子。矿山土地复垦与生态重建中地形的变化会导致或者抑制水土流失的发生，但是目前对矿山水文流域的水流和泥沙输送的适宜均衡功能考虑得很少（Bugosh，2004），忽视了矿山水文资源在生态重建中的基础作用，缺少流域的全局观念，规划设计方案深度不够，这将增加维护费用和成本，并且会加重矿山的水土流失，不利于植被重建，阻碍矿业发展（Bugosh，2009）。因此，地形恢复是矿山恢复所需费用最大的部分，矿山地形恢复的合理性和适宜性已成为土地复垦和生态重建的重点关注对象。
以露天开采矿山废弃地生态重建中地形恢复为研究对象，从矿山废弃地现状调查、数字地形分析、水文网分析、地形复杂度评价和恢复地形的流域形态特征的评价等方面进行研究，并且消除对后期植被恢复有影响的生存性限制因子。近自然地形恢复是矿山生态重建过程中的土壤重构和植被重建的关键，也是保持矿山地貌形态长期稳定优先考虑的目标。
1.2研究内容
本项研究按照问题提出、近自然地形重塑的基础理论分析和技术体系构建，并以案例来验证和评价，具体内容见图1-2。
（1）地形恢复是矿山废弃地其他所有复垦实践和未来土地利用的基础。本书对国内外研究背景，研究目的及意义进行了论述。
（2）对矿山废弃地、地形恢复、流域与集水区等相关概念进行界定，以生态思维和可持续发展为原理，提出了矿山废弃地的近自然地形恢复内涵。在此基础上，分析矿山废弃地地形恢复的相关基础理论。
（3）在近自然地形恢复内涵及相应理论基础上，构建近自然地形恢复的技术体系。依据矿山废弃地的地形特点，构建近自然地形恢复的流域特征指标。对水文网分析技术和地形恢复设计技术进行阐述，并采用流域特征相似性、流域特征回归、流域信息熵和土壤侵蚀量对恢复后地形评价方法进行说明。
（4）以典型废弃采石场为例，运用近自然地形恢复的设计原理与技术方法体系进行实践验证和评价。以典型废弃采石场邻近未扰动的流域特征作为参照设计的标准，以流域为单元，对典型废弃采石场进行地形恢复案例实践研究与评价。
1.3研究目的和意义
1.3.1研究目的
矿山废弃地的地形恢复目标是重建接近邻近未扰动区域的地貌景观结构，并符合所在环境的地貌形成过程中的侵蚀作用，因此重新规划地形流域的坡面和沟道，使恢复的沟道逐渐演变成一个相对稳定的蜿蜒自然模式，最大程度上达到自然状态，同时减缓了水流速度，增加了沟道稳定性。本书以人为干扰程度巨大、生态环境极度脆弱的矿山废弃地为对象，从流域和河流地貌学的角度，以太行山北段东麓的典型废弃采石场为例，分析矿山废弃地的水文地理空间数据模型，探讨矿山废弃地的地形恢复机制与技术方法。通过大量文献资料的收集和相关理论研究，通过矿山废弃地的水文地理数字模型、流域形态特征与近自然地形恢复机理进行分析论述；以流域为单元探讨了矿山废弃地的地形恢复内涵、设计原理与技术方法，分析了恢复后的与未扰动的地形子流域特征间的关系。
1.3.2研究意义
1）利于构建矿山安全防护体系
矿山废弃地的地形恢复是土地复垦与生态重建的基础工程，也是土壤重构和植被重建的骨架。地形恢复对矿山安全体系的构建有着重要影响，不仅能够减少人为破坏土地，保护土地资源，还有利于维护国土资源安全；减轻和避免人为的生态环境恶化，维护生态安全；避免人为潜在的地质灾害，维护人民生命财产安全。因此，矿山废弃地的地形整治要使得景观生态和景观美学相融合，才能促进矿山生态重建和实现可持续发展。这对矿山的生态安全防护体系构建有极大的促进作用，同时也是建设资源节约型社会和生态友好型社会的重要内容之一。
2）利于矿山土地复垦可持续发展
随着矿山可持续发展战略的实施，矿山生态系统重构也更为受到重视，由过去的土地复垦方式逐渐向生态系统恢复转变。作为矿山开采的遗留物（伴生物）的矿山废弃土地，已经演化成矿山可持续发展的外化表征和主要承载对象。对于矿山土地复垦可持续利用的理论研究和实践探索，涉及研究领域较广，其中包括生态学、景观学、规划学、水土保持学和土地资源管理及利用等诸多专业领域。与此同时，科学技术的进步使得“3S”技术的应用领域，不断扩展在土地复垦应用中。废弃矿山经复垦以后，可持续利用的优势较大，能够将矿山复垦土地转化成生态环境改善的载体和产业结构转型的机遇。因此，只有在地形地貌合理整治的基础上，才能更好地截留蓄水，防治水土流失，以有利于提高矿山土地的可持续发展。
3）利于解决矿山生态重建与景观美学的矛盾
矿山生态重建的主要目标是重建永久稳定的景观地貌，使之更加贴近于未扰动自然地形景观结构，这种地貌在景观美学和环境学中能与邻近未扰动的景观相协调，形成了一个与上下游及周边地形相互衔接的完整流域，使受到干扰的生态环境得以恢复，能够有效提高复垦后土地生产能力，有利于维持当地生态系统的稳定。同时，采用适当的设计方法与技术，将矿山土地复垦到可接受的地貌与最终利用方式。矿区地形的近自然恢复体现了自然美，可为当地居民提供赏心悦目的场所，不仅可以提高停采矿山的视觉美学，而
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