一种废弃矿坑水库识别缺口修复的方法与流程

本发明属于矿山生态修复，具体涉及一种废弃矿坑水库识别缺口修复的方法。

背景技术：

1、矿产资源开发为能源、工业原料和城乡建设提供了重要支撑，但露天开采结束后常遗留大量废弃矿坑。该类矿坑一般具有坑壁陡峭、台阶破碎、库盆封闭或半封闭、岩体裂隙发育、地下水联系复杂、雨洪汇流集中和周边土地利用受限等特点。若长期闲置，容易造成土地资源浪费、地表景观破碎、边坡失稳、地面塌陷、水体污染、扬尘和安全防护成本增加等问题。随着矿山生态修复、国土空间综合整治、水资源安全保障和双碳战略的推进，废弃矿坑逐渐由单一待复垦对象转化为可用于水资源调蓄、生态修复、可再生能源、工业遗产旅游和公共安全保障等功能的空间资源。

2、在多种再利用模式中，利用既有矿坑负地形建设水库、调蓄库或矿坑湖具有较强的工程吸引力。矿坑已经形成一定库盆空间，若其边坡稳定、库盆防渗、水源补给、水质安全、洪水调蓄和生态空间条件满足要求，可减少部分征地、移民、土石方开挖和库区形成成本，并可能产生供水、灌溉、应急备用水源、防洪滞洪、生态修复、景观营造和区域产业带动等多重效益。公开工程实践中，部分采石矿坑已经转化为水库、湖体或调蓄工程，部分大型矿坑也被纳入抽水蓄能、复合调蓄或景观生态恢复方案。

3、但是，矿坑水库并非传统山谷水库的简单替代。露天矿坑的边坡坡高、坡角、软弱夹层、开采扰动、卸荷裂隙、渗流通道、汇水边界和水质演化过程往往具有明显的非均质性和历史扰动特征。矿坑蓄水后，水位上升、骤降、洪水过程和长期浸润会改变坡体孔隙水压力、岩土体强度和渗流边界；库盆裂隙、采空扰动和溶洞可能造成渗漏；矿坑水体还可能受到酸化、重金属、悬浮物、盐度或营养盐等因素影响。因此，在废弃矿坑转化为水库之前，应同步论证可蓄水性、安全蓄水高度、工程修正需求、修正成本合理性以及建库方案相对于其他再利用方案的综合优势。

4、公开发表的相关研究已经从矿坑湖有益利用、矿坑湖风险评价、抽水蓄能、矿山生态修复、地下水交换、水质演化、边坡稳定和综合效益评价等方面开展了较多工作。文献系统梳理了废弃矿坑湖的有益用途，指出矿坑湖可用于休闲、自然保护、渔业与养殖、饮用水或工业储水、温室气体固存、防洪、水道修复、矿山水处理和教育研究等用途，同时强调水质、边坡稳定和安全风险是能否实现有益利用的重要条件。文献《a framework for assessing hazards related topit lakes: application on european case studies》提出了面向矿坑湖采矿与自然灾害的风险评价框架，并将潜在地面运动、水污染、火灾等危险因素纳入长期稳定性评估。上述文献说明，矿坑水体利用具有多功能价值，但其实现前提是对安全、水质和长期风险进行系统评价。

5、在废弃露天矿坑再利用模式选择方面，已有文献采用gis、多准则决策、层次分析法、模糊综合评价、推理规则、成本效益分析或生态系统服务价值评价等方法，对废弃矿坑的公园化、旅游化、复垦、光伏、抽水蓄能和水体利用等方案进行比选。该类研究能够为模式初筛和宏观决策提供依据，但多数停留在模式匹配或综合打分层面，通常不能将水位加载、边坡稳定、库盆渗漏、水量平衡和洪水调蓄等工程物理过程与工程修正量直接联系起来，也难以判断现状条件不满足要求的矿坑是否可通过有限工程措施达到建库条件。

6、针对现有专利，以矿坑、水库、矿坑湖、废弃矿坑、适宜性、评价、最小工程修正量、反演、等关键词进行公开专利检索，可见现有技术大体集中在以下五类。

7、（1）矿坑直接改造或复垦施工方法；例如，公开专利cn106988320a《石灰岩矿山废弃矿坑改造成水库、塘、池的复垦方法》提出根据地形确定堰顶高程、泄洪道、蓄水容量及边坡台阶高度、宽度和级数，并进行边坡修整、光面爆破、溶洞口探测封堵、基坑内壁封闭和植被布置。该方案属于水库、塘、池复垦施工工艺，其贡献在于给出了石灰岩矿坑蓄水空间的工程处理路径，但并未建立多水位加载工况下的约束响应包络，也没有根据约束缺口反演最小工程修正量。

8、（2）坑底水库、抽水蓄能或露天矿空间复合利用技术；例如，公开专利cn110409360a及其授权文本cn110409360b《一种基于内排露天矿中间桥的坑底水库分期建设方法》侧重于内排露天矿中间桥、排土场、隔水墙、储水层和排水设备的分期建设；公开专利cn108643140a《一种利用废弃露天矿进行抽水蓄能的系统及方法》及同主题实用新型cn208415203u侧重于上水库、下水库、堤坝、机电硐室、引水隧洞和尾水隧洞构成的抽水蓄能运行过程。这类技术解决的是特定能源或储水工程的构造和运行问题，通常不用于项目立项或方案比选阶段判断某一废弃矿坑是否具备水库化潜力、所需工程修正量是否最小以及净效益是否优于其他再利用方案。

9、（3）矿山生态修复、复绿和修复效果评价技术；例如，公开专利cn107950310a《一种废弃矿坑开发修复模式及评价方法》通过测绘、尺寸计算、削坡处理、清理加固、挡土板设置、客土喷播、排水槽布设、植物播种和养护改善矿坑生态环境，其评价重点在植物种子成活率。公开专利cn113705951a《一种矿山生态修复效果评价的方法》收集目标矿山资料、制定生态修复评价方案、确定评价指标并计算生态修复过程和效果。该类方案关注生态修复效果或植被恢复成效，未解决矿坑蓄水时水位、渗流、边坡、泄洪、水质和工程修正量之间的耦合反演问题。

10、（4）矿区碳汇计算和生态碳汇遥感评价技术；例如，公开专利cn114169792a及其授权文本cn114169792b《一种矿区生态碳汇的计算方法》通过土地类型分区、样方采集、土壤固碳和植被固碳数据计算矿区生态碳汇量；公开专利cn115565063a及其授权文本cn115565063b《基于气候潜在补偿的矿区植被碳汇贡献量计算与分析方法》通过遥感影像、土地利用精细分类、对照区选取、casa模型和气候潜在模型计算矿区植被碳汇影响因子贡献。该类技术可为本发明的碳扰动成本或碳效益核算提供参考，但其技术中心是碳汇计算，并不涉及矿坑水库建设约束缺口和工程修正量反演。

11、（5）水库大坝或库岸边坡监测预警技术；例如，公开专利cn103792593a《一种基于库水位和位移监测的库岸边坡稳定性测定方法》利用库水位和位移响应评价库岸边坡稳定性；授权专利cn112381309b《水库大坝安全监测预警方法、装置、系统及存储介质》综合大坝变形、渗压、渗流、水位和雨量数据进行安全风险评估和预警；公开专利cn109785584a《复合水动力库岸边坡稳定性预测方法》综合考虑降雨和库水位变化对库岸边坡的复合水动力作用，并结合位移监测进行稳定性预测。该类技术强调运行期监测或单一边坡稳定评价，虽然涉及库水位响应和边坡响应，但其目的不是在废弃矿坑建库前形成多约束适宜水位包络，也不解决工程修正量的联合反演和反事实净效益判别。

12、综上，现有文献和专利为废弃矿坑水体利用、坑底水库建设、抽水蓄能、生态复绿、碳汇评价和库岸边坡监测提供了重要基础，但仍存在以下关键缺口：第一，现有适宜性评价多为静态打分或规则筛选，缺少按蓄水位逐级加载形成多约束响应包络的方法，难以识别不同水位下的安全适宜域；第二，现有施工型方案能够给出某类工程处理措施，却不能在施工前反推出满足目标蓄水功能所需的最小工程修正量；第三，现有边坡监测预警技术多聚焦运行期边坡稳定，没有把边坡稳定、防渗、水量、水质、洪水调蓄和生态空间约束放入同一可修复性反演框架；第四，现有效益评价容易将建库收益作为绝对收益处理，未充分扣除工程修正成本、剩余风险成本、碳扰动成本以及替代再利用方案机会收益。

13、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种废弃矿坑水库识别缺口修复的方法，通过虚拟蓄水加载形成多约束响应包络，识别约束缺口并判别其可修复性，为废弃矿坑水库化利用提供精准的工程靶向依据。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种废弃矿坑水库识别缺口修复的方法，包括：

4、s1，获取目标废弃矿坑的矿坑本体条件、自然资源条件、社会资源条件和替代再利用方案条件，构建水库化评价基础数据集；

5、s2，根据目标矿坑拟承担的蓄水水库、调蓄水库或矿坑湖功能，设置虚拟蓄水加载序列和评价情景集合，所述评价情景集合至少包括正常蓄水情景、快速降落情景、设计暴雨洪水情景和枯水补给不足情景；

6、s3，建立由边坡稳定约束、库盆防渗约束、水量平衡约束、水质安全约束、洪水调蓄约束和生态空间约束构成的刚性约束集合，在各加载水位和各评价情景下计算约束响应量，并按约束响应量与约束阈值之间的相对差值确定相对约束缺口；

7、s4，基于所述相对约束缺口构建初始适宜水位包络，并判断目标功能水位是否属于所述初始适宜水位包络；当目标功能水位不属于初始适宜水位包络时，计算各约束在全部加载水位和评价情景下的缺口矩阵，确定临界水位、主导缺口类型和缺口来源；

8、s5，对所述约束缺口进行可修复性判别，区分不可修复缺口与可修复缺口；若存在不可修复缺口，则输出不宜建设水库的评价结果；

9、s6，若仅存在可修复缺口，则建立工程修正变量集合，所述工程修正变量集合至少包括蓄水位调整变量、边坡修正变量、防渗修正变量、泄洪修正变量、水质修正变量和生态修正变量中的两种以上。

10、进一步地，步骤s1中，所述矿坑本体条件包括矿坑边界、坑底高程、坑口面积、矿坑深度、水位与库容关系、水位与淹没面积关系、边坡坡度、台阶宽度、岩体完整性、软弱夹层分布、断层裂隙、渗透系数、地下水位、已有积水量和水质指标；

11、所述自然资源条件包括多年平均降雨量、设计暴雨、蒸发量、汇水面积、径流系数、地表水来水量、地下水补给量、生态敏感性、植被覆盖度和区域碳汇基础值；

12、所述社会资源条件包括供水需求、灌溉需求、防洪保护对象、交通可达性、电力可用性、居民点距离、产业需求和规划管控要求。

13、进一步地，步骤s1中，采用无人机倾斜摄影、lidar测量、遥感影像、地质钻孔、现场水文试验、抽水试验、注水试验、边坡监测、水质检测和地方规划资料中的一种或多种获取评价基础数据，并将所述评价基础数据统一到同一坐标系、同一高程基准和同一评价时段；其中，至少建立水位与库容函数、水位与淹没面积函数、水位与受水边坡长度函数以及水位与渗漏受水面积函数。

14、进一步地，步骤s2中，所述虚拟蓄水加载序列由起始水位按照设定水位加载步长逐级加载至目标功能水位或校核水位；

15、所述水位加载步长根据矿坑深度、库容曲线斜率、边坡稳定敏感性和渗漏响应敏感性确定，当水位与稳定性响应或水位与渗漏响应变化剧烈时，减小所述水位加载步长；对于抽水蓄能下库或复合调蓄库，所述评价情景集合还包括高频水位涨落情景。

16、进一步地，步骤s3中，对于安全系数、可利用水量和防洪库容等数值越大越有利的正向约束，按照阈值不足比例计算相对约束缺口；

17、对于渗漏量、污染物浓度和生态占用量等数值越小越有利的逆向约束，按照超限比例计算相对约束缺口；对于生态红线、规划冲突和重大基础设施避让等规则型约束，按满足为0、不满足为1对相对约束缺口进行赋值。

18、进一步地，步骤s4中，所述初始适宜水位包络为在全部刚性约束和全部评价情景下均满足要求的水位集合；

19、若目标功能水位属于所述初始适宜水位包络，则判定目标矿坑在现状条件下具备直接建库条件；若目标功能水位不属于所述初始适宜水位包络，则进入临界水位、主导缺口类型和缺口来源识别。

20、进一步地，步骤s4中，所述临界水位为从起始水位向目标功能水位加载过程中首次出现任一约束缺口的水位；

21、所述主导缺口类型通过各约束缺口在全部缺口中的贡献率确定，所述贡献率用于识别水位升高导致的边坡失稳、防渗不足、水量不足、洪水库容不足、水质不达标或生态空间冲突。

22、进一步地，所述边坡稳定约束采用水库建设或运行工况下要求的最小边坡稳定安全系数作为阈值，并根据水位和评价情景下的边坡稳定安全系数判断是否存在缺口；

23、所述边坡稳定安全系数通过无限边坡公式、bishop法、morgenstern-price法、有限元强度折减法或渗流稳定耦合数值分析获得，并在计算中考虑水位上升、快速降落、长期浸润和孔隙水压力变化对坡体稳定性的影响。

24、进一步地，所述库盆防渗约束按单位时间渗漏量、控制时段内预测渗漏量或等效渗透系数表达；

25、所述水量平衡约束按降雨径流、外来补水、地下水补给、蒸发损失、生态需水和目标水量需求之间的差额表达；

26、所述洪水调蓄约束按正常蓄水位、运行水位、防洪限制水位或设计洪水位之间的可用防洪库容表达；

27、所述水质安全约束按单项水质指标达标率、综合水质指数或目标用途水质等级表达；

28、所述生态空间约束按生态红线冲突、基本农田占用、居民避让或保护物种影响表达。

29、进一步地，步骤s5中，所述不可修复缺口包括目标库区位于禁止开发区或不可调整生态保护红线内、存在不可治理重大污染源、矿坑与不可迁改重大基础设施冲突、存在不可接受区域性地质灾害风险以及建设水库与上位规划明确冲突中的一种或多种；

30、所述可修复缺口包括能够通过蓄水位调整、边坡削坡或支护、防渗帷幕、裂隙封堵、水质治理、泄洪设施或生态缓冲带消除或降低至允许范围的约束缺口。

31、进一步地，步骤s6中，所述蓄水位调整变量包括正常蓄水位降低量、分级蓄水控制量或允许水位涨落速率限制；

32、所述边坡修正变量包括削坡量、台阶宽度增加量、锚固支护强度、坡脚压载量或软弱层隔水处理强度；

33、所述防渗修正变量包括防渗帷幕深度、帷幕长度、注浆范围、库底铺盖厚度或裂隙封堵强度；

34、所述泄洪修正变量包括泄洪能力提升量、溢洪道扩挖量或排洪通道改造规模；

35、所述水质修正变量包括底泥清理量、前置沉淀单元规模、人工湿地面积或水体循环净化能力；

36、所述生态修正变量包括生态缓冲带宽度、生态岸线比例或扰动恢复面积。

37、本发明的有益效果包括：

38、（1）将废弃矿坑水库建设评价由静态适宜性打分转化为虚拟蓄水加载响应包络、约束缺口识别和可修复性判别相结合的技术方法，能够识别目标水位在具体加载阶段和评价情景下的约束越界原因，并据此判断相应缺口是否具有工程可修复性；

39、（2）将水位加载序列和评价情景集合纳入约束校核过程，能够形成初始适宜水位包络，不仅能够判断矿坑是否具备建库条件，还能够确定安全蓄水高度以及安全裕度不足的水位和情景；

40、（3）通过临界水位和主导缺口贡献率的组合，能够精准识别导致目标功能水位不可实现的缺口类型和来源，为后续工程修正提供明确的靶向目标，而非仅输出抽象的优、良、中、差等级；

41、（4）将约束缺口区分为不可修复缺口和可修复缺口，能够在评价早期快速排除不具备水库化条件的矿坑，避免无效的工程论证投入，同时针对可修复缺口建立工程修正变量集合，为后续最小工程修正量反演奠定基础。