盧明明,黃在智,孫 侃

(中交和美環(huán)境生態(tài)建設(shè)有限公司,湖北 武漢 430030)

礦產(chǎn)資源對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要[1]。礦產(chǎn)資源助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),也對(duì)地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境具有巨大的影響。露天開采礦山不僅破壞地表生態(tài)和地貌景觀,還常促生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的不斷發(fā)展,對(duì)“三區(qū)兩線”范圍內(nèi)露天礦山的開采正在全面治理中。在高陡的采石場(chǎng)巖質(zhì)邊坡上實(shí)現(xiàn)植被生長(zhǎng)立地條件的理念基礎(chǔ)是在硬巖上形成一種“保水”與“保土”的植被生境,即一種可繼續(xù)開發(fā)的綠化空間。當(dāng)前,針對(duì)礦山采石場(chǎng)邊坡坡面的生態(tài)治理方法一般包括客土噴播工藝技術(shù)、三維植被網(wǎng)噴播工藝技術(shù)、厚層土壤基質(zhì)噴播工藝技術(shù)、植生袋工藝技術(shù)、植物混凝土養(yǎng)護(hù)工藝技術(shù)、噴混植生法、飄臺(tái)法、爆炸破碎燕窩法和植物纖維等[2-3]。

在傳統(tǒng)礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)治理設(shè)計(jì)過(guò)程中,大多根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定邊坡的形態(tài),而在礦山和道路邊坡中有涉及最優(yōu)坡角[4]的研究,但很少有討論廢棄礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)的最優(yōu)削坡設(shè)計(jì)參數(shù)。在實(shí)際工程中,邊坡工程的設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)影響到邊坡地質(zhì)安全性、生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計(jì)和生態(tài)效益、工程成本[5],因而存在著以設(shè)計(jì)參數(shù)為自變量、以各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為因變量的多目標(biāo)決策問(wèn)題。關(guān)于多目標(biāo)決策理念,目前的應(yīng)用主要有:于森等[6]通過(guò)構(gòu)建人工補(bǔ)水條件下缺水河流生態(tài)修復(fù)多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并綜合考慮生態(tài)修復(fù)中影響評(píng)價(jià)指標(biāo)量化結(jié)果的因素,建立了一種人工補(bǔ)水條件下缺水河流生態(tài)修復(fù)的綜合評(píng)價(jià)方法;馬騫等[7]基于多目標(biāo)決策灰色系統(tǒng)理論和矢量投影原理,建立了水土保持生態(tài)修復(fù)生態(tài)效益評(píng)價(jià)灰色關(guān)聯(lián)投影模型。如何合理地確定礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)參數(shù),既能使采石場(chǎng)邊坡的地質(zhì)安全性得到保證,又能讓礦山生態(tài)修復(fù)的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化,便成了當(dāng)前采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)工程中最為迫切需要解決的問(wèn)題。

本文以廣西壯族自治區(qū)某廢棄石灰?guī)r礦山采石場(chǎng)高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)為例開展實(shí)例研究,以削坡坡度、坡高和平臺(tái)寬度為參數(shù),建立地質(zhì)安全性-生態(tài)修復(fù)效益-工程總成本多目標(biāo)決策模型,并利用灰色關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)模型從方案的工程成本、地質(zhì)安全性、生態(tài)效益、環(huán)境擾動(dòng)性和削方量5個(gè)指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)選優(yōu),得到該邊坡生態(tài)修復(fù)的最優(yōu)削坡設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)多目標(biāo)優(yōu)化模型建立

對(duì)一個(gè)礦山采石場(chǎng)邊坡而言,對(duì)其進(jìn)行生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì),邊坡的設(shè)計(jì)參數(shù)(削坡坡高h(yuǎn)、坡度β和平臺(tái)寬度w)(圖1)不僅決定了削坡方量的大小、邊坡穩(wěn)定性和邊坡錨固設(shè)計(jì),還決定了不同設(shè)計(jì)邊坡所適宜的生態(tài)修復(fù)工法。因此,礦山露天采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)涉及地質(zhì)安全性、生態(tài)修復(fù)效益和工程總成本優(yōu)化的多目標(biāo)決策工作。

圖1 礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)模型Fig.1 Design model for ecological restoration and treatment of mine quarry slope

1.1 采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程地質(zhì)安全性優(yōu)化

在邊坡削坡過(guò)程中,由于巖體內(nèi)部存在著結(jié)構(gòu)面的切割作用而隨機(jī)產(chǎn)生不穩(wěn)定塊體[8-9],這些不穩(wěn)定塊體會(huì)對(duì)坡腳的人員和設(shè)備構(gòu)成較大的安全隱患。邊坡地質(zhì)安全性由設(shè)定工況下隨機(jī)塊體數(shù)量和塊體掉落的能量共同決定,若工況參數(shù)發(fā)生變化,其地質(zhì)安全性也隨之改變。因此,可以通過(guò)考慮隨機(jī)塊體的數(shù)量和塊體運(yùn)動(dòng)的速度來(lái)建立如下的邊坡地質(zhì)安全性目標(biāo)函數(shù):

Gs=minf(β,h,w)·v(β,h)

(1)

式中:f(β,h,w)為邊坡臨空面上隨機(jī)塊體的數(shù)量函數(shù)(個(gè)),一般與削坡角度、高度、寬度相關(guān);v(β,h)為巖塊到達(dá)坡腳時(shí)的速度函數(shù)(m/s),與坡高和坡度相關(guān)。

此外,對(duì)邊坡中大型可動(dòng)塊體可以通過(guò)系統(tǒng)錨固進(jìn)行加固,以提高邊坡地質(zhì)安全性,而由錨固產(chǎn)生的費(fèi)用則納入工程成本模型。

1.2 采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)工程生態(tài)修復(fù)效益優(yōu)化

在采礦過(guò)程中,造成邊坡水土流失的原因很多,所產(chǎn)生的立地條件也非常復(fù)雜。為了適應(yīng)復(fù)雜多變的邊坡條件,必須進(jìn)行基于邊坡治理工法設(shè)計(jì)的邊坡生態(tài)系統(tǒng)工程,主要包括植物物種搭配和工法組合優(yōu)選兩個(gè)部分[10]。通過(guò)計(jì)算實(shí)施邊坡生態(tài)修復(fù)治理后所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,對(duì)其生態(tài)修復(fù)效果進(jìn)行量化。本文的礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)效益函數(shù)可表示如下:

V(h,β,w)=max(Vs+Vw+VO2+VCO2+Vd)

(2)

式中:Vs為水土保持的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元);Vw為植物涵養(yǎng)水源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元);VO 2為護(hù)坡植物每年釋放O2的經(jīng)濟(jì)評(píng)估值(元);VCO2為護(hù)坡植物每年吸收CO2的經(jīng)濟(jì)評(píng)估值(元);Vd為護(hù)坡植物滯塵的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元)。

1.3 采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程總成本優(yōu)化

礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程總成本主要包括削坡工程成本、土石方清運(yùn)成本、錨固工程成本、生態(tài)修復(fù)工程成本和石方市場(chǎng)化處理收益?？紤]到該廢棄采石場(chǎng)邊坡巖性以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主,石料是很好的建材原料,根據(jù)自然資源部《關(guān)于探索利用市場(chǎng)化方式推進(jìn)礦山生態(tài)修復(fù)的意見》(2019年12月17日),“因削坡減荷、消除地質(zhì)災(zāi)害隱患等修復(fù)工程產(chǎn)生的土石料及原地遺留的土石料,可以無(wú)償用于本修復(fù)工程;確有剩余的,可對(duì)外進(jìn)行銷售,由政府納入公共資源交易平臺(tái),銷售收益全部用于本地區(qū)生態(tài)修復(fù),涉及社會(huì)投資主體承擔(dān)修復(fù)工程的,應(yīng)保障其合理收益”,因此可將本工程石方的市場(chǎng)化處理收益納入成本模型。本文的礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)工程的總成本函數(shù)可表示如下:

P(h,β,w)=min(Px+Py+Pm+Ps-Pf)

(3)

式中:Px為削坡工程成本(元);Py為石方清運(yùn)成本(元);Pm為錨固工程成本(元);Ps為生態(tài)修復(fù)工程成本(元);Pf為石方市場(chǎng)化處理收益(元)。

綜上所述,本文建立了礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)多目標(biāo)優(yōu)化模型,如圖2所示。

圖2 礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)多目標(biāo)優(yōu)化模型Fig.2 Multi-objective optimization model for ecological restoration and treatment engineering design of mine quarry slope

2 研究區(qū)概況

本研究以廣西壯族自治區(qū)某廢棄石灰?guī)r石礦山為研究區(qū),開展了基于多目標(biāo)決策的礦山采石場(chǎng)高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的應(yīng)用技術(shù)方案研究。

2.1 自然地理?xiàng)l件

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)玉林市,地處南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),夏季多暴雨、易洪澇,春秋季少雨多旱,冬季偶有霜凍,年平均氣溫為22 ℃左右。研究區(qū)的水系主要有龍珠湖和路洞江,龍珠湖水域面積約為23 hm2,路洞江屬北流江水系,由北東向西南流入麗江,礦區(qū)北部、西部和南部分布有4個(gè)小水塘,均為季節(jié)性積水。

2.2 礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

研究區(qū)以巖溶峰叢洼地和峰叢平原地貌為主,平原和洼地海拔為80 m,巖溶石峰最高海拔為220 m,高差為125 m,總體為一單斜層狀構(gòu)造,產(chǎn)狀310°∠26°,礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的褶皺和斷裂,礦區(qū)北西側(cè)為博白-梧州斷裂帶。礦區(qū)巖性主要以石炭系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料,該礦山采石場(chǎng)邊坡的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題較為集中,主要包括礦山開采和溶蝕卸荷作用形成的松動(dòng)危巖、結(jié)構(gòu)面控制的潛在崩塌體、地貌景觀破壞、植被和生態(tài)景觀破壞等。

通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)刂参镂锓N的調(diào)查和文獻(xiàn)資料調(diào)研,按照植物生態(tài)學(xué)相關(guān)理論,初篩出17種植物優(yōu)勢(shì)種用于采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù),并按照草本、灌木、喬木植物等進(jìn)行了劃分。其中,優(yōu)勢(shì)草本植物包括狗牙根、早熟禾、小蓬草、高羊茅、蛇葡萄;優(yōu)勢(shì)灌木植物包括桃金娘、蘇鐵、三角梅、長(zhǎng)葉鴛鴦茉莉、劍麻、黃槐決明、鵝掌柴;優(yōu)勢(shì)喬木植物包括木棉、木荷、合歡、麻楝、臺(tái)灣相思。

3 礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)構(gòu)建

3.1 地質(zhì)安全性函數(shù)構(gòu)建

3.1.1 隨機(jī)塊體數(shù)量函數(shù)建立

在野外對(duì)該礦山采石場(chǎng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面展開實(shí)地調(diào)查。首先通過(guò)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析,獲取其分布模型和形態(tài)參數(shù),然后輸入分布模型和形態(tài)參數(shù),最后運(yùn)用蒙特卡羅方法[11]完成隨機(jī)的三維巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬。該礦山采石場(chǎng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬示意圖,如圖3所示。

圖3 礦山采石場(chǎng)高陡巖質(zhì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬示意圖Fig.3 Schematic diagram of three-dimensional network simulation of rock mass structural planes in high and steep rock slopes of mining quarries

為了研究坡度β、坡高h(yuǎn)和平臺(tái)寬度w對(duì)削坡后該邊坡產(chǎn)生的隨機(jī)塊體數(shù)量的影響,分別設(shè)計(jì)這3個(gè)參數(shù)在不同水平下的正交試驗(yàn),每組試驗(yàn)分別模擬10次,取生成的可動(dòng)塊體數(shù)量的平均值作為該組試驗(yàn)生成的隨機(jī)塊體數(shù)量,其模擬結(jié)果見表1。

表1 隨機(jī)塊體數(shù)量正交試驗(yàn)結(jié)果

利用SPSS對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行正交分析,并采用主效應(yīng)模型評(píng)估每個(gè)參數(shù)與生成的隨機(jī)塊體數(shù)量的相關(guān)性,從而得出結(jié)論:坡度與隨機(jī)塊體生成數(shù)量的相關(guān)性最高。因此,對(duì)于坡面生成隨機(jī)塊體數(shù)量建立預(yù)測(cè)模型,僅設(shè)置坡度作為自變量,將隨機(jī)塊體數(shù)量函數(shù)f(β,h,w)簡(jiǎn)化為f(β)。

為了得到隨機(jī)塊體面密度與坡度的具體關(guān)系,將坡度在60°～75°間設(shè)置6個(gè)參數(shù)水平,分別進(jìn)行10次模擬,統(tǒng)計(jì)單位坡面生成隨機(jī)塊體的數(shù)量,其模擬結(jié)果見表2。

表2 坡度參數(shù)試驗(yàn)組模擬結(jié)果

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行擬合,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)采用指數(shù)函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的效果較好,其擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 隨機(jī)塊體面密度與坡度函數(shù)關(guān)系的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of the relationship between surface density and slope function of random blocks

由此,得到相應(yīng)的隨機(jī)塊體數(shù)量函數(shù)關(guān)系式為

f(β)=0.007(e0.03β-1)

(4)

3.1.2 隨機(jī)塊體速度函數(shù)建立

邊坡削坡實(shí)施過(guò)程中產(chǎn)生不穩(wěn)定塊體的空間位置具有不確定的特點(diǎn),本文主要考慮極端條件下,不穩(wěn)定塊體滑落到達(dá)坡腳的最大速度。假設(shè)坡面是平整的,將塊體視為質(zhì)點(diǎn)并僅進(jìn)行滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)塊體位置出現(xiàn)在坡面最高處時(shí),根據(jù)動(dòng)能守恒定律對(duì)塊體進(jìn)行受力分析,得到塊體到達(dá)坡腳時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算公式為

(5)

式中:m為塊體質(zhì)量(kg);v為塊體到達(dá)坡腳的速度(m/s);G為塊體重力(N);h為坡高(m);f為摩擦系數(shù);β為坡度(°)。

將公式(5)化簡(jiǎn)后得到塊體到達(dá)坡腳的速度v計(jì)算公式,并建立塊體速度與坡度、坡高的函數(shù)關(guān)系如下:

(6)

式中:g為重力加速度(m/s2)。

3.1.3 地質(zhì)安全性目標(biāo)函數(shù)建立

通過(guò)對(duì)隨機(jī)塊體數(shù)量進(jìn)行模擬并建立隨機(jī)塊體到達(dá)坡腳的速度計(jì)算模型后,可得到采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程地質(zhì)安全性目標(biāo)函數(shù)Gs的計(jì)算模型,其具體計(jì)算形式如下:

Gs=f(β)v(h,β)

(7)

式中:6≤h≤12;60°≤β≤75°;1.5≤w≤3.5。

3.1.4 邊坡錨固設(shè)計(jì)

1) 錨桿(索)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果可知,研究區(qū)內(nèi)存在3組主控結(jié)構(gòu)面,其中存在某一結(jié)構(gòu)面為邊坡上不穩(wěn)定塊體產(chǎn)生的最主要因素,如圖5中所示GF。因此,針對(duì)主控結(jié)構(gòu)面GF對(duì)滑移式塊體進(jìn)行錨固設(shè)計(jì)[12-13],具體錨固示意圖如圖5所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì),GF所在的結(jié)構(gòu)面組的最大跡長(zhǎng)值為17 m。錨一般可分為3段,外錨固段、自由張拉段和內(nèi)錨固段,其長(zhǎng)度分別為l1、l2和l3,其中l(wèi)1由錨具和張拉設(shè)備決定,為常量。為了便于評(píng)價(jià)坡度等參數(shù)對(duì)錨固成本的影響,僅考慮占比最大的自由張拉段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度l2作為錨固成本計(jì)算的材料耗費(fèi)量。此外,為了使錨桿(索)的作用得以充分發(fā)揮,錨固成本最經(jīng)濟(jì)合理,在邊坡錨固設(shè)計(jì)時(shí)要使單位長(zhǎng)度的錨桿所提供的最大抗滑力最高。王俊石等[14]通過(guò)對(duì)預(yù)錨加固滑動(dòng)體的平衡條件建立求解方程,估算單元尺寸錨桿(索)所提供的最大抗滑力,并根據(jù)對(duì)錨固角求導(dǎo)后得出最優(yōu)預(yù)測(cè)錨固角[15](錨桿與滑動(dòng)面夾角)為45°+φ/2,故得到錨桿(索)自由張拉段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度l2計(jì)算公式為

(8)

式中:β為邊坡坡度(°);α為邊坡巖體結(jié)構(gòu)面傾角(°);φ為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角(°)。

2) 錨桿(索)長(zhǎng)度計(jì)算。一般而言,錨桿(索)的設(shè)計(jì)流程是需要根據(jù)設(shè)計(jì)抗滑力先選擇錨桿(索)的材料、長(zhǎng)度、直徑和設(shè)計(jì)排布,但是為了便于計(jì)算錨固成本,避開設(shè)計(jì)錨固的復(fù)雜過(guò)程。首先選擇固定型號(hào)的錨桿,通過(guò)邊坡整體所需剩余下滑力求得所需錨桿(索)數(shù)量。邊坡整體所需剩余下滑力F計(jì)算公式為

F=(LAD×Fx×Lp)/(sinα×LFG)

(9)

式中:LAD為邊坡削坡坡面垂直高度(m);Lp為削坡平臺(tái)的長(zhǎng)度(m);Fx為單位長(zhǎng)度塊體剩余下滑力(N)。

本文擬采用無(wú)黏接型預(yù)應(yīng)力錨索,設(shè)計(jì)單孔錨索張拉力為800 kN/5根,錨索長(zhǎng)為15 m,單價(jià)為4 796.47元/束,則錨索總長(zhǎng)度l計(jì)算公式如下:

(10)

3.2 生態(tài)修復(fù)效益函數(shù)構(gòu)建

3.2.1 植物物種搭配

根據(jù)初篩得到17種可用于當(dāng)?shù)夭墒瘓?chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)的優(yōu)勢(shì)植物種類,并采用層次分析法構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型,從生態(tài)效益、景觀效益和經(jīng)濟(jì)性3方面篩選指標(biāo),通過(guò)專家打分法對(duì)初篩植物進(jìn)行賦值[16]。根據(jù)種植平臺(tái)的高度以及植被的習(xí)性,考慮植物物種搭配的空間層次性和景觀性,建立出兩種針對(duì)不同種植平臺(tái)高度的植物物種搭配模式,見表3。

表3 植物物種搭配模式

3.2.2 工法組合優(yōu)選

優(yōu)選出修復(fù)植物物種后,結(jié)合邊坡立地條件對(duì)邊坡植被群落進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì),并對(duì)常見的生態(tài)修復(fù)工法進(jìn)行整理和分類[17-18],結(jié)合生態(tài)修復(fù)目標(biāo),考慮到研究區(qū)采石場(chǎng)未來(lái)建設(shè)樂(lè)園的規(guī)劃,對(duì)邊坡生態(tài)修復(fù)的要求較高,要保證植被能快速建立種群且覆蓋度較好,最終篩選出適合本區(qū)域的生態(tài)修復(fù)工法為巖石邊坡植生基質(zhì)生態(tài)防護(hù)技術(shù)(PMS)。

3.2.3 生態(tài)修復(fù)效益函數(shù)建立

1) 坡面生態(tài)治理工程。研究區(qū)坡面生態(tài)治理工程采用巖石邊坡植生基質(zhì)生態(tài)防護(hù)技術(shù)(PMS),該護(hù)坡方式產(chǎn)生的單位面積的生態(tài)效益為424.16元/(m2·a),坡面生態(tài)治理工程效益Vm的計(jì)算公式如下:

Vm=424.16×Sp

(11)

式中:Vm為坡面生態(tài)治理工程產(chǎn)生的年生態(tài)效益(元/a);Sp為邊坡坡面面積(m2)。

2) 種植平臺(tái)生態(tài)治理工程。研究區(qū)種植平臺(tái)上采用喬、灌、草混合播種進(jìn)行覆綠,在計(jì)算水土保持經(jīng)濟(jì)價(jià)值時(shí)按照灌叢、疏林類進(jìn)行計(jì)算[19-21],得到種植平臺(tái)植被單位面積的年水土保持經(jīng)濟(jì)價(jià)值Vs為27.6元/(m2·a)、年涵養(yǎng)水源價(jià)值Vw為0.076元/(m2·a)、年吸收CO2經(jīng)濟(jì)評(píng)估值VCO2為16.88元/(m2·a)、年釋放O2經(jīng)濟(jì)評(píng)估值VO2為98.8元/(m2·a)、年滯塵價(jià)值Vd為21.5元/(m2·a),種植平臺(tái)生態(tài)治理工程效益Vt的計(jì)算公式如下:

(12)

式中:Vt為種植平臺(tái)生態(tài)治理工程產(chǎn)生的年生態(tài)效益(元/a);ni為第i條削坡線種植平臺(tái)數(shù)量;Li為削坡線i與i+1的間距,i=1,2,…。

3) 生態(tài)治理工程總效益V(效益費(fèi)用計(jì)算期為20 a)為

V=20(Vm+Vt)=20{424.16×Sp+82.43×[(n1+n2)L1+(n2+n3)L2+(n3+n4)L3]}

(13)

3.3 邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程成本函數(shù)構(gòu)建

3.3.1 削坡錨固工程成本計(jì)算

1) 削坡及坡面平整工程成本。邊坡削坡工程主要采用淺孔爆破法,在爆破后對(duì)邊坡表面進(jìn)行坡面平整。通過(guò)對(duì)地形線選取控制點(diǎn),擬合出地形函數(shù),將無(wú)規(guī)則的地形用連續(xù)函數(shù)近似刻畫,進(jìn)而將圖形問(wèn)題轉(zhuǎn)化為函數(shù)求解積分問(wèn)題,分別建立石方體積和削坡面積計(jì)算模型。削坡及坡面平整費(fèi)用包括淺孔爆破石方費(fèi)用、人工清理坡面費(fèi)用,參照《廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程預(yù)算定額》,淺孔爆破石方費(fèi)用單價(jià)為42元/m3,人工清理坡面費(fèi)用單價(jià)為95.02元/m2,邊坡削坡及坡面平整工程成本Px計(jì)算公式如下:

Px=42×Vp(β,h,w)+95.02×Sp(β,h,w)

(14)

式中:Vp(β,h,w)為淺孔爆破石方方量(m3);Sp(β,h,w)為人工坡面平整的面積(m2)。

2) 錨固工程成本。在完成削坡及坡面平整后,采用錨固的方式對(duì)邊坡進(jìn)行加固,錨固工程成本主要包括鉆孔成本和錨桿(索)制作安裝成本。設(shè)計(jì)單孔錨索張拉力為800 kN/5根,錨索長(zhǎng)為15 m,單價(jià)為4 796.47元/束;打孔采用QZJ-100B型潛孔鉆鉆孔,孔徑為110 mm,孔深為10～15 m,單次打孔成本為126.14元,在得到錨索總長(zhǎng)度后,錨固工程成本Pm計(jì)算公式如下:

(15)

3.3.2 邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程成本計(jì)算

邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程成本函數(shù)計(jì)算模型需要在不同立地條件下結(jié)合工法造價(jià)和生態(tài)修復(fù)效益,選出最優(yōu)工法組合模式后進(jìn)行生態(tài)修復(fù)治理工程成本計(jì)算。邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程成本Ps計(jì)算公式如下:

(16)

式中:Si為第i類工法組合修復(fù)面積(m2);pi為第i類工法組合修復(fù)單位面積造價(jià)(元/ m2)。

3.3.3 石方市場(chǎng)化處理收益計(jì)算

據(jù)自然資源部《關(guān)于探索利用市場(chǎng)化方式推進(jìn)礦山生態(tài)修復(fù)的意見》(2019年12月17日),可將剩余石方市場(chǎng)化處理。將削坡治理的石料按市場(chǎng)售賣單價(jià)約為90元/m3的價(jià)格測(cè)算,得出石方市場(chǎng)化處理收益Pf計(jì)算公式如下:

Pf=90Vx(β,h,w)

(17)

式中:Vx(β,h,w)為削坡石方的方量(m3)。

3.3.4 石方清運(yùn)成本計(jì)算

石方清運(yùn)運(yùn)輸路段主要由兩部分構(gòu)成:第一部分是從削坡平臺(tái)到施工場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置的臨時(shí)堆放區(qū);第二部分是從臨時(shí)堆放區(qū)運(yùn)至石方消納處,但由于在設(shè)計(jì)階段石料買方未定,因此暫不計(jì)入石方清運(yùn)成本中。場(chǎng)地內(nèi)石方清運(yùn)主要由2 m3挖掘機(jī)裝石渣汽車運(yùn)輸,運(yùn)輸費(fèi)用單價(jià)為22.01元/m3。場(chǎng)地內(nèi)石方清運(yùn)成本Py計(jì)算公式如下:

Py=22.01×Vp(β,h,w)

(18)

3.3.5 工程總成本函數(shù)

工程總成本目標(biāo)函數(shù)由削坡工程成本、石方清運(yùn)費(fèi)、錨固工程成本、生態(tài)修復(fù)治理工程和石方市場(chǎng)化處理收益5部分組成,分別建立各項(xiàng)成本計(jì)算模型,求和得到工程總成本計(jì)算模型,工程總成本P函數(shù)計(jì)算公式如下:

P(h,β,w)=min(Px+Py+Pm+Ps-Pf)

(19)

函數(shù)約束條件為:6≤h≤12;60°≤β≤75°;1.5≤w≤3.5。

4 礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)多目標(biāo)決策優(yōu)選

本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)法[22],針對(duì)坡度、坡高和平臺(tái)寬度設(shè)置不同的參數(shù)水平,共組合出36個(gè)參數(shù)水平組并進(jìn)行計(jì)算,得到每個(gè)方案的地質(zhì)安全性、工程成本、生態(tài)效益、環(huán)境擾動(dòng)性和削方量,通過(guò)對(duì)采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行打分賦值,對(duì)各個(gè)因子重要度進(jìn)行賦權(quán),并結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)法對(duì)采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

4.1 參數(shù)水平設(shè)置

為了評(píng)價(jià)不同參數(shù)組合下采石場(chǎng)高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)的最優(yōu)方案,對(duì)擬定的參數(shù)區(qū)間分別設(shè)置不同水平,并進(jìn)行參數(shù)水平組合,其設(shè)置見表4。

表4 參數(shù)水平設(shè)置

4.2 參數(shù)指標(biāo)計(jì)算

通過(guò)對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行排列組合后分別計(jì)算其地質(zhì)安全性、工程成本、生態(tài)效益、環(huán)境擾動(dòng)性和削方量,其計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不同方案的評(píng)價(jià)結(jié)果

4.3 方案綜合評(píng)價(jià)優(yōu)選

1) 建立原始指標(biāo)矩陣,確定最優(yōu)指標(biāo)序列為A0=(0.348 5,-4 215 677.4,8 230 592.4,179.66,63 251.2)。

2) 通過(guò)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果,并計(jì)算灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度為

由于每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度是不同的,因此對(duì)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和,進(jìn)而求得每個(gè)方案的加權(quán)關(guān)聯(lián)度ξi為

ξi=(0.654 4,0.634 8,0.623 0,0.603 7,0.586 4,0.568 0,0.586 3,0.579 8,0.551 4,0.588 7,0.545 5,0.675 7,0.585 2,0.537 2,0.556 1,0.549 3,0.544 9,0.525 9,0.554 7,0.528 4,0.540 7,0.546 2,0.546 3,0.631 5,0.541 5,0.538 8,0.521 9,0.529 1,0.517 4,0.506 4,0.533 4,0.519 0,0.520 2,0.537 3,0.529 2,0.525 1)T

顯然,方案x12的加權(quán)關(guān)聯(lián)度最高,為0.675 7,其為最佳方案。由此得出該礦山采石場(chǎng)高陡巖質(zhì)邊坡削坡設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)組合是坡度為75°、坡高為6 m、平臺(tái)寬度為3.5 m,此時(shí)削坡石方可全補(bǔ)貼該邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程,其地質(zhì)安全性計(jì)算值為0.617 9,生態(tài)效益為411 529.6元/a。

3 結(jié) 論

1) 在礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)過(guò)程中,為了能兼顧多個(gè)目標(biāo),實(shí)現(xiàn)地質(zhì)安全性-生態(tài)修復(fù)效益-工程總成本的綜合優(yōu)化,建立了礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程優(yōu)化多目標(biāo)決策優(yōu)化模型,并利用灰色關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)法對(duì)最優(yōu)削坡設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行求解,該方法避免了資源浪費(fèi),為礦山采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)工作提供了一種新思路。

2) 以廣西壯族自治區(qū)某廢棄石灰?guī)r礦山采石場(chǎng)高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程為例,以坡高、坡度和平臺(tái)寬度為決策變量,分別建立地質(zhì)安全性目標(biāo)函數(shù)、生態(tài)修復(fù)效益目標(biāo)函數(shù)和工程總成本目標(biāo)函數(shù),并采用灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法對(duì)該采石場(chǎng)邊坡生態(tài)修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,求解出該采石場(chǎng)高陡巖質(zhì)邊坡削坡設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)組合是坡度為75°、坡高為6 m、平臺(tái)寬度為3.5 m。