神府東勝煤田擾動與原生地面產流產沙規律對比研究

白 蕓，王文龍，2，黃鵬飛，李宏偉，王 貞，王正利，李 仁

（1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.江西省水土保持科學研究院 土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌330029；4.浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州310014；5.中國水電顧問集團 華東勘測設計研究院，浙江杭州310014；6.黃河水利委員會 西峰水土保持科學試驗站，甘肅 慶陽745000；7.吳起縣水土保持工作隊，陜西 吳起717600）

神府煤田是世界7大煤田之一，在中國國民經濟與社會發展中占據舉足輕重的地位，自20世紀80年代大規模開發以來，在帶動當地經濟跨躍式發展的同時，也帶來了一定的環境問題。煤田開采過程中地表剝離形成的裸露地表會增加水土流失量［1］，礦渣堆積體會產生大量的徑流泥沙量［2］，尤其是露天開采，對地表土的剝離、堆積、填埋形成了大量的人為擾動地面［3－4］，嚴重加劇了當地的水土流失量。據統計，對于露天開采，每采1.00×104t煤炭就有0.06～0.13hm2的地面遭到擾動，平均為0.08hm2。這種擾動地面土壤結構遭到破壞，顆粒松散，密度相對較小，極易被沖刷，所產生的水土流失屬于典型的人為加速侵蝕［4］。John E G等［5］通過人工模擬降雨試驗，對美國北達科他州西部露天煤礦水土流失研究后指出，煤礦開采過程中由于地面擾動，表層土的產沙量是原始草地的360倍。隨著中國礦區開發過程中產生的水土流失日益嚴重，也有不少學者開始關注開發建設引起的水土流失問題。但是這些研究主要集中在高陡邊坡和堆積體上［6－7］，對擾動地面的研究基本都是采用放水沖刷［8－10］方法，鮮有采用野外人工模擬降雨實驗對礦區擾動地面侵蝕產沙機理及影響因素等方面的研究。因此，本文以神府東勝煤田原生地面與擾動地面為研究對象，探討其產流、產沙規律及水動力學特征，闡明不同下墊面在降雨條件下侵蝕產沙機理，探索人為加速侵蝕過程中侵蝕產沙機理及水動力學參數變化特征，為水土保持方案編制中水土流失預測提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

神府東勝煤田地處晉陜蒙3省交界處，地理坐標為北緯37°20′—40°16′，東經108°36′—110°36′。該區目前探明的含煤面積為31 171.97km2，探明儲量2.24×1011t。礦區地面組成物質復雜，主要土壤類型有風沙土、綿沙土、紅黃土，其總的特點是結構疏松，極易風化，抗沖抗蝕性極差。該區氣候屬于典型的干旱半干旱大陸季風性氣候，年降雨量分配不均勻，7—9月占全年降雨量的65%～70%，且多暴雨，暴雨量占當年降雨總量的9.6%～33.4%，暴雨洪水侵蝕是礦區水蝕的主要特點，洪水輸沙量占全年輸沙量的97%以上。

該區植被主要是耐寒耐旱的小葉灌木、半灌木、沙生植被、草甸植被和鹽生植被，主要有天然及人工沙蒿（白沙蒿和黑沙蒿）、沙柳、沙竹、檸條、沙棘、黃薔薇、臭柏、酸棗及沙櫻桃等，沙地植被占絕對優勢。

1.2 試驗小區概況

考慮到水源、理想下墊面和風等自然條件的限制，原生地面小區選在一塊未經人為擾動的面積較大并且坡度合適的撂荒坡地上，植被蓋度均勻。擾動地面選在煤礦附近的一個采石場，經過嚴重擾動，地面破碎，塊石已被搬走，余留經過采石后剩余細屑。小區大小為1m×3m（斜坡面積），周圍用5mm厚鋼板圍住。小區內土壤理化性質見表1。

表1 擾動地面與原生地面土壤理化性質

1.3 野外人工模擬降雨試驗

試驗地點選在神木縣西溝鄉六道溝村煤礦附近，地點選取的是典型的神府東勝煤田開采區。在試驗小區外圍，使用Φ48×3.5的電焊鋼管搭建臨時降雨棚，四周圍有防風布，以盡量減小風對降雨的影響。在垂直距離小區3m上方搭建下噴式降雨器。水源為山頂水窖，并在高于試驗小區8m的地方放置2m3儲水箱，儲水箱中放置60m揚程水泵用以提供動力。降雨前把處理好的小區用防水塑料布遮蓋，率定雨強，率定誤差不超過5%。雨強率定完畢后，迅速掀開塑料布，記錄徑流起始時間，設計產流歷時45min，前3min每隔1min接1次徑流泥沙樣，3min后每隔3min接1次。降雨結束后量測徑流泥沙樣體積，過濾后用105℃的烘箱烘24h后稱重。坡面徑流寬度和深度用薄鋼尺量測，用以計算水力半徑。小區坡度為5°，10°，18°，降雨強度為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0mm／min這5個級別，每個試驗設置重復1次，共計30場次。

1.4 數據分析

數據分析采用Excel和SPSS 16.0完成。

2 結果與討論

在次降雨過程中，影響產流產沙因素分為降雨因素（降雨量、降雨強度、降水歷時）、下墊面因素（下墊面類型、前期含水量、坡度等）和人為活動影響等。此次試驗，嚴格控制降雨強度、降雨歷時、下墊面類型、坡度和人為活動等影響。

一些學者［11－12］對黃土坡面降雨入滲的研究結果顯示，對同一質地土壤，隨著土壤前期含水量增加，坡面徑流起始時間縮短，侵蝕產沙量增大。分析不同場次試驗土壤前期含水量（表2），原生地面與擾動地面間土壤前期含水量無顯著差異，p＝0.188＞0.05（表3）。因此，土壤前期含水量對后續試驗產沙產流結果的影響予以忽略。

表2 各場次降雨土壤前期含水量

表3 原生地面與擾動地面土壤前期含水量單因素方差分析結果

2.1 擾動地面與原生地面徑流起始時間分析

徑流起始時間為降雨開始到小區全坡面開始產生徑流的時間。擾動地面最長徑流起始時間為82.03min，最短為 5.58min，原生地面的最長為31.36min，最短為0.52min。兩種下墊面徑流起始時間均隨著雨強增大而縮短，隨坡度增大而縮短。

擾動地面徑流起始時間較原生地面長，是原生地面的1.8～11.7倍，其中大多（70%）在3倍以上，在坡度為10°，18°，降雨強度為3.0mm／min的暴雨條件下，徑流起始時間的增幅甚至達到10倍以上（圖1）。研究區內暴雨多為A型暴雨，由局部強對流條件引起，具有小范圍、短歷時、高強度特點，降雨歷時一般為30～120min，最大30min降雨量占總降雨量的60%～100%，最大60min降雨量占總雨量的85%～100%［13］。區內降雨歷時一般介于30～60min，故選取45min的降雨歷時為分界線，雨強為1.0mm／min，擾動地面在3種坡度下均不產流，根據張漢雄［14］提出的黃土高原暴雨公式知，歷時為45min，強度為1.0mm／min的暴雨，重現期為15a。據此可推測，擾動地面的土壤侵蝕一般是在長歷時或大雨強下發生的。

圖1 擾動與原生地面的徑流起始時間對比

2.2 擾動地面與原生地面徑流分析

徑流率即為單位時間內通過徑流小區斷面的徑流量。擾動地面徑流率在0.16～4.92L／min，原生地面的在0.23～5.75L／min，均隨著雨強的增大而增大（圖2）。經SPSS 16.0回歸分析，原生地面在5°（r2＝0.910，p＝0.015），10°（r2＝0.601，p＝0.123和18°（r2＝0.954，p＝0.004）與擾動地面在5°（r2＝0.758，p＝0.055），10°（r2＝0.903，p＝0.013）和18°（r2＝0.923，p＝0.009）時，徑流率與降雨強度間呈顯著的線性相關。

兩種下墊面徑流率相比，總體上（70%）擾動地面比原生地面的小5%～54.4%。分析兩種不同下墊面的容重和孔隙度得知，擾動地面容重均值小于原生地面（1.19＜1.25g／m3），平均孔隙度大于原生地面（55.12%＞53.78%），擾動地面土質疏松、孔隙度大，入滲率比原生地面大，平均入滲深度比原生地面大（11.3＞8.4cm）。雖然植被可增強入滲，減小地面徑流率［15－16］，但在本試驗中原生地面地表植被對入滲的增加作用略小于擾動地面中擾動對入滲增加的貢獻。經SPSS 16.0分析知，兩種下墊面間徑流率差異不顯著（p＞0.05）。因此在本試驗中原生地面植被與擾動地面的擾動對增加入滲的貢獻相當。

圖2 擾動與原生地面徑流率對比

2.3 擾動地面與原生地面初始徑流含沙量分析

次降雨的初始徑流含沙量即為產流前3min內所取3次徑流樣的含沙量平均值。擾動地面初始徑流含沙量在1.28～34.3g／L，原生地面的在0.94～19.48g／L，兩種不同下墊面初始含沙量均隨雨強和坡度增大而增大，但相關性不顯著。不同坡度和雨強下徑流初始含沙量擾動地面較原生地面大，前者是后者1.1～5.8倍，經SPSS 16.0分析表明，兩種下墊面之間的差異顯著（p＝0.012）。說明地面擾動會明顯地使初始含沙量增大。

2.4 擾動地面與原生地面徑流含沙量分析

原生地面的徑流含沙量值在1.18～11.66g／L，擾動地面的在1.44～39.59g／L，兩種不同下墊面徑流含沙量均隨坡度增大而增大，隨雨強增大有增大趨勢。擾動地面的徑流含沙量要明顯地高于原生地面，前者約是后者的1.2～6.3倍（圖3），存在極顯著性差異（p＝0.000）。經分析知擾動地面與原生地面間徑流率無顯著差異，但徑流含沙量存在極顯著差異，說明擾動地面較原生地面更易形成高含沙徑流。

2.5 擾動地面與原生地面產沙量分析

擾動地面的產沙量最小值為19.57g（5°，1.0mm／min組合設置），最大值為9 510.66g（18°，3.0mm／min組合設置）；原生地面的產沙量最小為9.48g（5°，1.0mm／min組合設置），最大為 3 562.72g（18°，3.0mm／min組合設置）。兩種下墊面產沙量均隨雨強增大而增大，隨坡度增大而增大。這是由于坡度增加，使徑流流速增大，并且在相同坡長條件下水流用更短的時間流出小區，因此徑流量增加，從而徑流能量增大，使得徑流侵蝕能力增強，進而產沙量上升。

圖3 擾動與原生地面平均徑流含沙量對比

擾動地面產沙量大于原生地面，是原生地面的2～12.7倍（圖4），呈極顯著差異（p＝0.000）。隨著坡度和雨強的增大，兩者之間差值變大。這是由于擾動地面土壤疏松，土壤結構不穩定，土壤抗蝕性低，且無地表植被保護，抗沖性小，因此產沙量大，在大坡度條件下，擾動地面易發生溝蝕，尤其在大雨強條件下，擾動地面疏松的土壤在雨水長時間浸泡下，變得更松軟易蝕，造成產沙量急劇增加。回歸分析顯示，擾動地面與原生地面的產沙量與雨強及坡度之間均具有良好的線性關系。

圖4 擾動地面與原生地面產沙量對比

2.6 擾動地面與原生地面水流剪切力分析

水流剪切力是沿著坡面梯度方向運動的水流在其運動方向上產生的作用力。依據式（1）計算［17］：

式中：τ—水流剪切力（Pa）；γ——水的容重（N／m3）；R——水力半徑（m），根據試驗中測得的流寬及流深數據計算；ρ——水的密度（kg／m3）；g——重力加速度（m／s2）；J——水力能坡（J＝tanθ，試驗為直型坡，θ取小區坡度）。

水流剪切力的大小決定著水流對土壤剝蝕作用的強弱。擾動地面水流剪切力在0.84～20.55N／m2，原生地面的在0.81～20.68N／m2；兩種不同類型下墊面水流剪切力隨雨強的增大有相同的增大趨勢（表4），但二者的值無顯著差異（p＞0.05）。

表4 不同場次擾動地面與原生地面水流剪切力

利用SPSS 16.0對產沙量與水流剪切力間進行回歸分析，結果發現產沙量（M）與水流剪切力（τ）之間具有顯著的線性關系。原生地面的擬合關系為：

擾動地面的擬合關系為：

由式（2）和式（3）知，原生地面的臨界抗剪力（τ0）為0.780N／m2，擾動地面為0.132N／m2，原生地面的臨界抗剪力遠大于擾動地面，是擾動地面的7.42倍。這是由于原生地面較擾動地面容重大，土體密實；且原生地面的土壤黏粒含量較多，小于0.002mm的顆粒含量為4.89%，大于擾動地面的1.38%，砂粒含量較小，0.05～2mm的顆粒含量為61.65%，小于擾動地面的76.31%，加之地表有植被覆蓋，土壤的黏聚力大，因此，抗剪切力大。當徑流剪切力大于土壤抗剪切力，土壤顆粒被徑流分離而發生侵蝕，此時的水流剪切力稱為臨界剪切力。在相同徑流條件下，擾動地面水流剪切力更易達到侵蝕發生的臨界條件，從而產生侵蝕。

分析公式（2）和公式（3）亦知，當水流剪切力大于0.780N／m2時，兩種下墊面均發生侵蝕，但相同的有效水流剪切力（即水流剪切力超過土壤抗剪切力的部分），在擾動地面上產生的侵蝕量更大。單位有效水流剪切力，在擾動地面引起的土壤侵蝕量為472.379g，在原生地面上為150.07g，擾動地面是原生地面的3.15倍。同時，分析各場次降雨的水流剪切力發現，在相同降雨條件下，擾動地面的水流剪切力在0.84～20.55N／m2，原生地面的在0.81～20.68N／m2，擾動地面的有效水流剪切力更大（表4），且兩種下墊面在相同雨強條件下水流剪切力無顯著差異，因此，與原生地面相比，在雨強相同時，擾動地面更易發生侵蝕，且一旦侵蝕發生，侵蝕量更大。

綜合上述，從侵蝕發生的機理上解釋在雨強相同時，一旦產生徑流，擾動地面的侵蝕量更大的原因有以下兩個：（1）單位有效水流剪切力在擾動地面上產生的土壤侵蝕量大于原生地面；（2）在相同雨強條件下，擾動地面的有效水流剪切力大于原生地面，且第一個原因為主要原因。

3 結論

（1）兩種下墊面的徑流起始時間均隨著坡度的增大而縮短，隨著雨強的增大而縮短，與原生地面相比，由于擾動地面的土質疏松，孔隙度大，徑流起始時間長，是原生地面的1.8～11.7倍；徑流率小，較原生地面小5%～54.4%。

（2）擾動地面一般在強降雨條件下才會發生侵蝕（降雨歷時為45min，暴雨重現率在15a以上），但是一旦發生侵蝕，在相同的降雨條件下，比原生地面更易被侵蝕，侵蝕強度更大。擾動地面的初始徑流含沙量，平均徑流含沙量和產沙量均較大，分別是原生地面的1.1～5.8，1.2～6.3和2～12.7倍。

（3）兩種下墊面的產沙量與水流剪切力間均存在顯著線性相關，擾動地面的臨界水流剪切力小于原生地面。在相同雨強條件下，擾動地面的有效水流剪切力大于原生地面，且單位有效水流剪切力所產生的土壤侵蝕量，擾動地面是原生地面的3.15倍，從發生機理上解釋了相同雨強下擾動地面侵蝕量更大的原因。

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