重慶市煤礦開采區土壤侵蝕特征及水土保持模式研究

張耀方，江 東，史東梅，蔣光毅，陳正發

（1.西南大學 資源環境學院，重慶 400715；2.重慶市水土保持生態環境監測總站，重慶 401147）

重慶市煤礦開采區土壤侵蝕特征及水土保持模式研究

張耀方1，江 東2，史東梅1，蔣光毅2，陳正發1

（1.西南大學 資源環境學院，重慶 400715；2.重慶市水土保持生態環境監測總站，重慶 401147）

煤礦開采區土壤侵蝕屬典型的人為加速侵蝕類型，重慶煤礦開采區典型土壤侵蝕主要集中在矸石山和塌陷區兩個侵蝕地貌單元。矸石山土壤侵蝕特征主要表現為在時間上隨堆積年限的增加，土壤侵蝕程度減小；在空間上山體坡度減緩、穩定性增強。根據矸石山的立地條件和主要限制因子特點確定其治理難度，并按極難治理型、難治理型、易治理型三類建立植被恢復型水土保持模式。塌陷區土壤侵蝕特征主要表現為過程緩慢、破壞作用強及影響范圍大等特點，根據塌陷區土地復墾后的利用類型可分為農業復墾區、林業復墾區、建設復墾區，分別建立煤矸石充填復墾型水土保持模式。植物吸附和鋪設粘土層的方法可改善礦區土壤和水體的重金屬污染，提高生態環境質量。

侵蝕環境；水土保持；煤礦開采區；重慶市

目前國內外已經在煤礦開采區土壤侵蝕特征及治理方面進行了大量研究，20世紀80年代以后，世界各國對環境問題的日益重視和生態學的迅速發展，礦山環境恢復治理中的生態原則及礦區“土壤－植物－動物”生態系統的重建工作已成為該領域研究的焦點，Danie W［1］，Shrestha Raj K［2］等針對礦區復墾和環境問題對動植物棲息地、生態恢復及土壤物理化學性質等方面進行相關研究，避免礦山復墾單項治理帶來的弊端；王笑峰［3］結合矸石廢棄地自然狀態背景值，優選先鋒樹種，對矸石廢棄地進行生態恢復；孫巖［4］對濟寧煤礦塌陷區的生態恢復與治理進行研究，針對不同類型的塌陷地采取不同的復墾方式；張晉［5］、張強［6］等在煤礦開采區土地復墾方面進行了大量研究。一直以來對煤礦開采區土壤侵蝕特征及水土保持的研究多集中在北方平原地區，如山東、安徽、河南、河北等產煤大省，對重慶煤礦開采區的研究大多局限在安全和開采技術方面，并未深入研究其土壤侵蝕特征及治理。由于重慶市有著獨特的自然地理環境，地處水力侵蝕為主的西南石質山區，山高坡陡、石多土少，地勢起伏大，降水量大、水量豐富，喀斯特地貌十分發育，土壤又以易風化的紫色土、黃壤等為主，重慶市煤礦開采區土壤侵蝕十分嚴重，煤礦開采區土壤侵蝕具有很強的區域性特征。本文以重慶市煤礦開采區作為研究對象，在煤礦開采區侵蝕環境分析基礎上，對煤礦開采區土壤侵蝕特征、水土流失重點防治地貌單元及水土保持優化模式進行綜合分析研究，可為重慶市煤礦開采區植被恢復和水土保持措施布置提供理論依據。

1 重慶市煤礦區分布概況

重慶市煤礦主要分布在重慶煤炭集團所屬的南桐、松藻、天府、永榮、中梁山5大國有礦區，其中南桐礦區面積566km2，有6大煤礦，該區為四川盆地東南邊緣與云貴高原銜接的過渡山區，地勢東高西低，東部和南部為中低山地貌，西部和中部為海拔300～1 000m的低山、丘陵、平壩，北部為坪狀低山地貌，出露地層眾多，但全為沉積巖系，地質構造主要為斷裂與褶皺構造；松藻礦區面積129.85km2，有6個煤礦，煤礦地質儲量達15億t以上，可采儲量達11.5億t，處于川東華葵山帚狀褶皺帶的觀音峽背斜中段西翼，以山地、丘陵為主；永榮礦區面積約1 000km2，約占據了5大礦區總面積的1/2，擁有4個礦井，且是重慶地區唯一生產低硫煤的礦區，受地質構造的控制影響形成淺丘地貌；天府礦區面積約1 000km2，有6個礦井，地處平行嶺谷的西緣，受地質構造的控制，背斜形成狹窄低山，向斜形成寬闊丘陵谷地，呈北北東向帶狀平行相間排列；中梁山礦區面積約200 km2，有2個礦井，所在中梁山背斜屬于川東褶帶的重慶弧形構造的觀音峽之南延部分，是弧形中緩山、丘陵地帶，屬褶皺山系［7，11］。5大礦區地理分布如圖1所示。

礦區降雨充沛，年平均降雨量均在1 000mm以上，多集中在夏半年（5－10月），屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，易發生洪澇災害及暴雨。重慶煤礦開采區地形以中緩山、丘陵地帶為主，除永榮礦區地形起伏較為平緩外，多數礦區的地形起伏變化大，其成土母巖主要是石灰巖、紫色頁巖、泥灰巖等。礦區地質構造復雜，多為褶皺構造，斷裂構造不發育。區內外嘉陵江、長江及其他溪河縱橫環繞，水系十分發達。

圖1 重慶市主要煤礦開采區分布

2 煤礦開采區土壤侵蝕環境及侵蝕特征

2.1 土壤侵蝕環境及侵蝕作用

重慶市煤礦開采方式以井采為主，開采區土壤侵蝕環境是指在水土保持防治責任范圍內，對水土流失造成一定程度影響的侵蝕系統，反映該區氣候、地貌、土壤、植被等自然條件和人為活動構造的物質景觀，在侵蝕動力包括重力、風力、降雨、人為再塑作用等作用下的巖土侵蝕過程。參照高速公路建設［8］和城市建設中侵蝕環境［9］分類，煤礦開采區侵蝕環境可分為侵蝕動力系統、侵蝕對象、侵蝕地貌單元3部分，侵蝕環境特征及作用過程如圖2所示。

（1）侵蝕動力系統包括損害型人為再塑作用、重力作用、水力作用，其中又以高強度的人為再塑作用為主，重力、水力作用為附加動力條件。在礦區的生產建設活動中，由于人為的擾動、挖取、堆墊，導致短期內改變了礦區中小尺度的地形地貌，改變了區域水土流失的運行規律，破壞了巖土層的穩定，改變了原有水系在自然條件下的循環網絡，改變地下水運動機制，有利于侵蝕因素的組合。同時由于重慶市煤礦開采區大多處在褶皺構造與斷裂構造發育地帶，降雨豐富，坡度較陡，因此礦區土壤侵蝕形式主要表現為：面蝕、溝蝕、泥石流、地表失穩沉陷、地表及地下水資源污染等。

（2）在人為再塑作用下形成了有別于原地貌的人為塑造新地貌，將形成的新地貌按再塑作用分為挖損地貌、堆墊地貌、塌陷地貌［10］，主要的地貌單元對應是矸石山，次之是塌陷區。

圖2 煤礦開采區侵蝕環境特征及水土保持重點

2.2 矸石山的土壤侵蝕特征

矸石山是煤礦建井、煤炭開采和加工過程中排出的廢棄物及在采煤與原煤洗選過程中產生的廢棄巖石（即煤矸石）堆積而成。

（1）矸石山失穩，發生滑坡、坍塌、泥石流等地質災害。矸石山一般采用順溝填筑的方式進行堆積，邊坡角一般為自然堆積角，在38°～40°之間，很容易出現滑坡［11］。重慶礦區主要分布在紫色頁巖、石灰巖發育地帶，風化速度快，受巖溶地貌影響顯著，加之煤矸石具備大孔隙，持水性差的特性，結構松散［12－13］等特性，在未采取任何植被措施或者其它生物措施前，矸石山完全裸露，堆體無植物生長及其植物根系作用，呈現出一定的不穩定性。同時，除永榮礦區為低硫煤區外，其它礦區煤矸石均富含硫，易自然、爆炸，為土壤侵蝕提供動力［14］。在重慶強降雨條件下，隨著矸石堆積對原有的地表徑流匯流途徑的改變，在經過陡峭的矸石山坡面時，水勢增加，產生泄溜、滑塌等重力侵蝕，水土流失加劇，雨季行洪時，還極有可能發生泥石流。

（2）隨著矸石山堆積年限的增加，表面風化程度逐漸增大。經搬運擾動后的母巖成土速率約12 318.9 t/（km2·a），是未擾動的母巖的10倍，隨著土層加厚，母巖表面的水熱變化就愈弱，從而母巖的風化愈慢，但由于植物能加速成土作用，土層厚度增加，堆體表面植物覆蓋度及種類隨之增加，故矸石山成土速率整體呈遞增趨勢［25］。據調查顯示［19］，廢棄2a的矸石山植被覆蓋度不足2%，廢棄5a的矸石山植被覆蓋度不足15%，且分布的均為耐貧瘠的草類，廢棄5a以上的矸石山植被覆蓋度逐漸增加，且開始生長一些小灌木，土壤條件得到改善，同時這些植物對侵蝕動力的緩沖作用使得矸石山土壤侵蝕程度減小。

（3）松散堆積的矸石山占據土地，減少了大量可耕地。據資料顯示［15］：僅重慶市天府礦業有限公司磨心坡煤礦長期自然堆放煤矸石已經形成縱寬約為210m，橫長約100m，平均厚度約為25m，總方量約為52.5萬m3的矸石山。重慶地貌以丘陵、山地為主，其中山地占75.8%，丘陵占18.2%，可利用耕地原本就少，中小型規模矸石山頂部直徑約40～60m，底部直徑約100m［11］，占用了大量土地資源，嚴重破壞了土地生產力，影響煤礦開采區生態平衡。

（4）矸石山的土壤侵蝕特征還表現為重金屬元素對土壤、水體造成不同程度的污染。王心義［16］等通過對矸石和地下水中污染組分的檢測分析，發現地下水中污染物的種類、含量與煤矸石有很好的一致性，地下水中的污染組分是由于煤矸石在降雨淋濾作用下，污染物隨著淋濾液遷移到地下水中造成的。重慶市是典型的高硫煤地區，煤矸石表層風化物中含有大量的硫鐵礦和重金屬元素，在重慶市天府礦業有限公司矸石山周圍土壤采樣發現Cd、Cr、Hg、Zn、Cu、Pb共6種重金屬的檢出率均為100%，其中Cd、Cr、Hg污染嚴重［15］，在堆放過程中由于揚塵、自燃及降雨淋濾等作用［3，24］，通過風力及各種水力作用，借助重慶密集復雜的水文網，使周圍土壤、地下水受到嚴重污染。

2.3 煤礦塌陷區的土壤侵蝕特征

煤炭作為一種重要的層狀礦物通過井工開采出來以后，開采區域周圍的巖體的原始應力平衡狀態受到破壞，應力重新分布后，達到新的平衡，在此過程中，巖層和地表產生連續的移動、變形和非連續的破壞（如開裂、冒落等），導致大量土地塌陷，形成的塌陷區（地）稱之為“煤礦塌陷區（地）［4］”。重慶市煤礦塌陷區是經歷了較長時間逐步形成的［17］，據研究資料表明重慶5大礦區沉降面積達200km2，加之地形起伏較大，切割劇烈且易產生一些較大的裂縫，嚴重破壞了原始地貌的完整性［7］，影響礦區生態環境。在這種特定條件下形成的塌陷區的土壤侵蝕特征主要表現在以下幾個方面：

（1）地表水滲漏，影響水文狀態，使得水循環系統受損。礦山進行地下開采時，大量的水沿裂隙和透水巖層滲透到采空區，特別是當礦層上覆巖層中缺少黏土巖隔水層時，含水層的漏失將更加嚴重。含水層的漏失將導致大面積區域性地下水位下降，地表水及污水入滲或經塌陷灌入地下污染水資源，大面積區域疏干漏斗、泉水干枯、河水斷流，嚴重影響了礦山地區的生態環境［7］。由于塌陷引起重慶很多區縣面臨不同程度的灌溉水源短缺，僅萬盛區水改旱面積就達600 hm2［18］。

（2）地表塌陷緩慢發展，導致坡度較原有地貌大，從而更易引發滑坡、崩塌等地質災害，危害礦區安全，加劇水土流失。

（3）塌陷區分布范圍廣，減少礦區可利用土地，影響社會經濟的發展。地下礦層的開采引起地表連續變形，在垂直方向上下沉，水平方向拉伸變形。據資料［7］調查表明，重慶塌陷區最大下沉值為2～3m，水平變形在5～60m不等，多集中在20m附近。

3 煤礦開采區水土保持模式

3.1 矸石山植被恢復型水土保持模式

重慶矸石山一般坡度較陡，堆積高度多在30～70m，有的高達150m［11］，一般先沿等高線進行階地化處理，再根據治理難易程度將其分為：極難治理型、難治理型、易治理型，利用植物進行分類治理。其矸石山的水土保持模式及具體措施如表1、圖3所示。

表1 矸石山植物恢復型水土保持模式

圖3 矸石山植物恢復型水土保持措施示意圖

最初矸石堆積形成的矸石山為極難治理型矸石山，山體風化土層薄，作物不能直接在上面生長，因此要先通過覆蓋5～10cm的土壤，創造適宜作物生長的環境后再撒播草籽。因為此類矸石山坡度太陡且完全無植被覆蓋，故而最好進行封山治理，同時為減緩水土流失及滑坡、泥石流等災害，在山坡進行等高階地化處理。隨著堆積年限的增加，在自然及人為作用下，矸石山堆積當風化土層達到一定厚度（10cm以上），此時矸石山治理難度降低，屬于難治理型矸石山，可直接進行植被恢復。植被恢復初期，矸石山表面植被覆蓋率低，溝道縱橫，坡面發生嚴重的面蝕、溝蝕，是侵蝕嚴重型矸石山。此時土層仍然較薄，且十分貧瘠，一般的植物難以在矸石山上存活，因此在選擇植物時可先用根系發達、耐瘠薄、能對矸石山起到改良作用的礦區鄉土草本植物作為先鋒植物對矸石山進行覆蓋。在進行植被覆蓋前，針對不同酸堿性的矸石山還應視具實際情況用石灰進行酸堿調節，并施加一定的氮肥、磷肥。經過前期的治理，矸石山逐漸變緩，土層厚且較肥沃，屬于易恢復型矸石山，后期植被恢復時，可選用合適的灌木優化植物恢復模式，以最大限度的發揮水土保持效益。

在矸石山治理過程中，植物的選擇及配置要遵循3個原則：（1）要耐瘠薄、耐鹽，能在矸石山存活的鄉土植物。（2）根系深，能起到保水固土的良好作用。（3）能改良土壤，吸附重金屬，重慶礦區植被資源較為豐富，其中聚合草、白頭翁、車前草、蒼耳、狗尾巴草、蒲公英、荊條、枸杞、小葉女貞、大葉女貞等都是能在矸石山生存的鄉土植物［19］，且蒲公英對Cd有吸附能力，紫穗槐、蒼耳對Pb有吸附能力，狗尾巴草可吸附Cu［20］。進行植物配置前要先調查土壤的理化性質、礦區植被情況［21］，根據具體的情況確定混交方式和密度。（4）除以上植物配置外，還可視礦區實際情況，優選一些喬木進行喬灌草混交，如：桑樹、泡桐、刺槐、刺桐、臭樟等。另外，為了防止風害，可以由背風坡或坡腳先開始植被恢復［10］。

3.2 煤礦塌陷區煤矸石充填復墾型水土保持模式

紀萬斌將采空塌陷分為三種類型即沉陷區（塌陷幅度或高度＜1m）、塌陷區（塌陷幅或高度1m至幾米）、嚴重塌陷區（塌陷幅度或高度幾米至幾十米）［22］。重慶市煤礦塌陷區一般為下沉2～3m的淺塌陷區［7］。可結合不同的土地破壞形式，因地制宜，綜合治理，宜農則農，宜林則林，條件允許的地方應優先復墾為農業用地。在煤礦塌陷區利用煤矸石充填復墾，既能使受到破壞的土地、水域等經過治理作為合格的自然資源再度具有生態經濟價值；又能使開采活動產生的廢棄矸石重新得到利用，消除了矸石山壓占土地和對生態環境的污染。根據破壞土地復墾恢復后土地利用方向，塌陷區復墾可以分為煤矸石充填農業復墾、充填林業復墾、充填建設復墾，其中充填的煤矸石可以是新矸石也可以是老矸石。重慶礦區土地利用類型主要為農業和林業，占約80%［7］，具體復墾模式及水土保持措施如表2、圖4所示。

表2 塌陷區煤矸石充填復墾型水土保持模式

圖4 塌陷區煤矸石充填復墾型水土保持措施示意圖

煤矸石中往往還有大量的金屬污染物［23］，農業復墾區常常距離地下水資源較近，因此要特別注意防止煤矸石充填造成重金屬對地下水的污染。可以通過在底層覆蓋一層黏土，降低其滲透率，以減少含有重金屬離子的地表水下滲。由于充填的煤矸石往往較為貧瘠，因此為了適合耕作，還需在表層覆蓋一層20～30cm厚度的肥沃土壤。

林業復墾區地形崎嶇，不適合耕作，因此往往通過植被進行恢復，所用煤矸石為風化程度較高的老矸石，可直接種植灌木和草本植物進行植被恢復。

建設復墾區原有的地質結構受到破壞，通過粗矸石充填、夯實后，可以起到一定的恢復作用，但仍然沒有原結構穩定，通常不能直接恢復為原來的建設用地，而是作為施工便道等對地質要求不高的建設用地。

4 結論與討論

（1）煤礦開采區侵蝕環境由侵蝕力系統、侵蝕對象和侵蝕地貌單元3部分組成，在侵蝕力系統中以人為高強度的采掘、地貌再塑及強烈擾動作用為主；在侵蝕對象中以巖土混合物為重點侵蝕對象；在侵蝕地貌單元中以矸石山、塌陷區侵蝕最為嚴重、最為典型。

（2）矸石山土壤侵蝕與堆積角度、堆積年限、排矸強度等密切相關，天然堆積狀態下新矸石山具有角度大，風化程度低等特點，極易發生面蝕、溝蝕、泥石流、滑坡等，且不易進行水土保持。在采取植被恢復型水土保持模式時，根據治理的難易程度，分為極難治理型、難治理型、易治理型3類，分別通過封山（先薄覆土和撒草籽后再封山）治理、種植先鋒草本植物、灌草混交進行水土保持，同時在水土保持過程中結合重金屬對土壤和水資源的污染，選用紫穗槐－蒲公英、女貞－蒼耳、紫穗槐－狗尾草等混交模式進行植物修復。

（3）采空引起的地表塌陷區，土壤侵蝕嚴重，大范圍的影響了重慶的生產建設，地表水滲漏嚴重，塌陷區發展形成過程緩慢，不易發現，具有潛在危險性。在采取充填復墾型水土保持模式時，結合復墾前后的土地利用方向，分為農業復墾區、林業復墾區、建設復墾區分別治理，因地制宜，同時在農業復墾區的塌陷區底部鋪設一層10～20cm的黏土層，減少塌陷區地表水滲漏及地下水的污染問題，以達到維護水資源系統的目的。

（4）煤礦開采區矸石山、塌陷區的土壤侵蝕與水的物理化學作用有關，可結合水－巖土物理化學作用定量的分析不同強度的降雨對煤礦開采區土壤侵蝕的影響，并對水土保持的限制因子進行分析與評價，更加合理的采取措施，防治土壤侵蝕。

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Research on Soil Erosion Characteristics and Soil and Water Conservation Pattern in Coal Mine Exploration Area of Chongqing

ZHANG Yao－fang1，JIANG Dong2，SHI Dong－mei1，JIANG Guang－yi2，CHENG Zheng－fa1
（1.College of Resources and Environment，Southwest University，Chongqing400715，China；2.Chongqing General Monitoring Station of Soil and Water Conservation，Chongqing401147，China）

Soil erosion in coal mining area is characterized as the typical artificially accelerated erosion type.According to the erosion landscape of elements，soil erosion in coal mining area mainly occurred in coal gangue dump and subsidence sites in Chongqing.Characteristics of soil erosion in coal gangue dump is mainly identified as reduction of soil erosion with the increase in length of accumulation time and when the slope became gentle the stability will be enhanced on the space scale.In combination with the conditions and main restriction factor of coal gangue dump，it is divided into three types to establish soil and water conservation pattern：extremely difficult to restore type，difficult to restore type，easy to restore type.Characteristics of soil erosion in subsidence area mainly displayed slow course，intensive damage and wide influence，etc.The specific soil and water conservation pattern based on gangue－filling reclamation could be established for agricultural reclamation，forestry reclamation，construction reclamation，respectively，according to the utilization type after land reclamation in subsidence area.The way of growing plants to adsorb and setting clay layer can reduce heavy metal pollution of soil and water and improve the ecoenvironmental quality in coal mining area.

erosion environment；soil and water conservation；coal mining exploration；Chongqing

S157.1

A

1005－3409（2011）06－0094－06

2011－03－21

2011－05－27

重慶水利局科技項目“生產建設項目棄土棄渣水土流失規律研究”（2011）

張耀方（1991－），女，四川宜賓人，本科在讀，主要研究方向為水土保持。E－mail：zhangyaofangno1＠163.com

史東梅（1970－），女，甘肅人，博士，教授，主要從事土壤侵蝕與流域治理、開發建設項目土壤侵蝕研究。E－mail：shidm＿1970＠126.com