神府煤田風沙區采煤塌陷對風蝕的影響

趙國平, 畢銀麗, 李軍保, 高 榮, 郜 超

(1.中國礦業大學 地球科學與測繪工程學院, 北京 019000;2.陜西榆林毛烏素沙地生態系統國家定位觀測研究站, 陜西 榆林 719000; 3.陜西省治沙研究所, 陜西 榆林 719000)

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神府煤田風沙區采煤塌陷對風蝕的影響

趙國平1,2, 畢銀麗1, 李軍保2,3, 高 榮3, 郜 超3

(1.中國礦業大學 地球科學與測繪工程學院, 北京 019000;2.陜西榆林毛烏素沙地生態系統國家定位觀測研究站, 陜西 榆林 719000; 3.陜西省治沙研究所, 陜西 榆林 719000)

[目的] 探究神府煤田風沙區采煤塌陷對風沙活動的影響，為礦區防治風蝕危害和植被恢復提供科學依據。 [方法] 以塌陷區擾動地表為研究對象，通過野外定位觀測，研究塌陷1～2 a沙丘典型位置及不同的地表破損率對風蝕/風積量影響。 [結果] 塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷)沙丘不同典型位置的風蝕/風積深度分別達到-28.2，-45.6和-2.8 cm，其整體的風蝕概率達60%以上,90%以上和10%以下。地表破損率越大，其地表風積過程越顯著，且隨著地表破損率的減小，風沙運動狀態逐漸由風積填縫過程轉化為風蝕過程，其風蝕/風積深度(Q)與地表破損率(V)呈多項式函數關系。 [結論] 采煤塌陷有效地促進了風沙運動，改變了局部的風蝕/風積深度，可能引起固定半固定沙丘重新活化。

神府煤田; 風沙區; 采煤塌陷; 地表破損率; 風蝕/風積

文獻參數： 趙國平, 畢銀麗, 李軍保, 等.神府煤田風沙區采煤塌陷對風蝕的影響[J].水土保持通報，2016,36(4)：129-132.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.023

神府煤田地處中國北方的生態脆弱區，位于陜西省榆林市北部毛烏素沙地邊緣的晉陜蒙寧接壤區，是國家確定的跨世紀特大型煤炭開采、開發地區，為晉陜蒙寧能源富集區和生態脆弱區相互作用的一個典型地區，在氣候、土壤、植被等因子上均表現出強烈的過渡性特征[1-3]，特別是伴隨著人類活動的強度增加，生態環境對采礦的響應非常敏感。監測結果表明，到目前為止形成的煤炭采空區面積約550 km2，其中，產生明顯塌陷裂縫面積約為130 km2，造成地表扭曲，土壤結構疏松，地下水滲漏，植被根系拉斷，大面積的植被枯萎死亡，活化固定、半固定沙丘300 km2以上，嚴重制約著該區經濟社會的進一步發展[1,3-4]。前人對中國干旱半干旱沙漠、及邊緣地區的沙丘形成與風沙流運動、風蝕量做了大量詳細的研究[6-9]，而對于半干旱由于人為干擾條件下的采煤塌陷對風沙運動研究成果涉及很少。因此，本文以塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷區)的風蝕/風積過程為研究對象，通過野外定點觀測，系統研究不同年限的塌陷區沙丘典型位置的風蝕/風積量對風沙運動影響過程，以期為礦區防治風蝕危害和礦區實施荒漠化防治、土地復墾工程提供科學依據。

1　研究區概況

研究區位于陜西省榆林市北部和內蒙古鄂爾多斯市東南部接壤地區大柳塔礦區。地貌類型多為固定半固定星月型沙丘，相對高度5～10 cm，植被類型主要以80年代飛播的人工沙柳、楊柴、花棒及檸條為主[1,5]。經過多年的煤炭開采，目前礦區形成的采空塌陷區約為5 km2，區內塌陷裂縫交錯廣布，地表沉陷明顯，裂縫寬度3～60 cm不等，錯落高度約為5～50 cm。就氣候條件來說，降水稀少、光照充足、蒸發強勁、地表干燥，大風頻繁，容易發生風蝕和沙塵暴，造成土地沙化；年平均溫度7.3 ℃，年均降水量368.2 mm，蒸發量1 319 mm，降水變率大，春季80%保證率的降水量僅12 mm，干燥度1.3以上；年均風速3.6 m/s，最大風速24 m/s，起沙風向以西北風和偏北風為主，年均大風日42.2 d，沙暴日10.7 d；尤其是在春季，不僅干旱少雨、地表干燥，而且大風最為頻繁，月均風速4～5 m/s，最高風速可高達20～25 m/s以上。

2　材料與方法

2.1樣地選擇

選擇塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷)區走向一致的3條典型沙丘，在相同條件下(地貌類型、植被蓋度、主害風方向一致)，觀測迎風坡坡腳、迎風坡坡中、迎風坡坡上2/3處、丘頂、背風坡坡上2/3，背風坡坡中、背風坡坡腳等風蝕/風積狀況。

2.2風蝕/風積量觀測

采用標桿定點觀測不同塌陷時間的風蝕/風積深度變化，觀測時間為每年的春季(4月)、秋季(9月)，重復3次。具體方法為：首先測出原地貌的相對高程，標桿(鋼條)上刻上刻度(cm)，前1次測值減去后1次余量，如果差為負數，表示風蝕，正數表示風積。其中，塌陷區的風蝕程度用風蝕/風積概率來表示，它表征的是風蝕次數占整個樣本數的百分比。

2.3地表破損率的測定

用樣線法調查采煤塌陷區地表破損率，計算公式為：

SSI=S/L

式中：SSI——地表破損率(%)，表征塌陷區地表結構破壞程度;S——塌陷裂縫條數;L——塌陷區樣點每隔100 m長度。

3　結果與分析

3.1采煤塌陷對地表風蝕/風積量變化

相同條件下(沙丘走向、地貌類型和植被蓋度)，塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷)，沙丘典型位置的風蝕/風積厚度變化如圖1所示。采煤塌陷1 a后，塌陷裂痕明隙可見，沙丘典型位置的風蝕/風積過程受塌陷微地貌變化的影響，風蝕/風積量隨風沙流運行路線的改變而發生變化，地表塌陷后4,7,12月的風蝕/風積深度分別為+3.2，-7.1和-20.3 cm，沙丘不同典型位置的變化經過初期4個月(1—4月平均風速達4.6 m/s)的沙埋風積(風沙流填縫堆積)后，從迎風坡坡腳到背風坡坡腳，整個沙丘處在風蝕狀態(圖1)，不同典型位置的平均風蝕/風積深度分別為-4.6，-6.1，-16.4，-5.3和+4.3 cm，從沙丘典型位置22個標桿觀測值66組數據統計分析表明，整體沙丘風蝕概率可達60%，除了背風坡坡腳大量堆積外，其他位置間或堆積。這說明采煤塌陷后產生的地表裂縫、土壤結構疏松、地表扭曲等導致風蝕程度逐漸加強，如果不采取人工整治、恢復措施，固定半固定沙丘可能會活化。采煤塌陷2 a后的沙丘不同位置區域風蝕堆積深度隨著塌陷時間的增長，風沙流填縫過程完成，整個沙丘不同典型位置流線性的輸沙斷面基本形成，風蝕和堆積深度程度逐漸加強。塌陷2 a同時間平均風蝕/風積深度分別為-0.8，-22.2和-26.6 cm，不同典型位置的平均風蝕/風積深度分別為-17.1，-3.7，-4.5，-32.2和+11.9 cm，其風蝕程度比塌陷1 a增大了3倍。統計分析表明，整個沙丘風蝕概率可達90%以上，這說明受采煤塌陷的影響2 a后沙丘已經基本活化，整體都處在運動狀態(圖1)，生態恢復措施刻不容緩，否則造成的后果不可想象。

對照(非塌陷區)不受采煤塌陷的干擾，沙丘典型位置的風蝕/風積過程符合固定半固沙丘的規律，從迎風坡坡腳到背風坡坡腳平均風蝕/風積深度分別為-6.5,+3.9，-5.4,+3.6和+1.6 cm，整體風蝕深度僅為-2.8 cm，沙丘常年處在固定狀態。經過對比分析，塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷)沙丘不同典型位置的總的風蝕/風積深度分別達到-28.2，-45.6和-2.8 cm，失土厚度分別比對照(非塌陷)高10.07和16.29倍，說明采煤塌陷后有效的促進了風沙運動，改變了局部的風蝕堆積深度，可能會引起固定半固定導致的沙丘重新活化。

注：1，2，3，4，5分別表示沙丘位置為迎風坡坡腳，迎風坡坡中，丘頂，背風坡坡中，背風坡坡腳。

3.2不同的地表破損率對風蝕堆積厚度的響應

塌陷區的地表破損率表征的是受采煤塌陷的影響地表結構破壞程度，如地表扭曲、塌陷裂縫都能導致地表破損率變化。地表破損以后對塌陷區風蝕/風積過程有一定的影響，不同的地表破損率其風蝕/風積深度變化詳見表1。

表1　不同地表破損率風蝕/風積量變化

注：H表示風蝕/風積深度; 下標表示塌陷時間(月)； +表示風積； -表示風蝕。

當地表破損率為50%，地表層次不齊，錯落有致，變得支離破碎。采煤塌陷后4,12,16和20個月，平均風蝕/風積深度分別為+13.9,+15.3,+21.9和+24.5 cm，區域風沙流運行過程整體表現為風積(表1)，平均風積深度達+18.9，總的風積深度可達+75.6 cm，但對21個測點72組數據統計分析表明，其風蝕和堆積概率各為50%；當地表破損率為35%時，致使地表形成錯落階梯狀塌陷地表，風沙運動首先也表現為地表的填縫過程，4次平均風蝕/風積深度分別為+2.4,+0.8,+7.1和20.3 cm，平均風積深度+7.65 cm，總深度達+30.6 cm，其總體過程仍處于風積過程，但隨著地表破損率的減小，其風蝕概率逐漸增大，達到55.5%。經過分析，當地表破損率為20%時，塌陷裂縫雖然明隙可見，風沙運動形式轉變為風蝕為主風積為輔的過程，風蝕概率為65%，而風積概率僅為35%，不同時間平均風蝕/風積深度分別為-12.8，-14.6，-6.6和+7.4 cm，總風蝕深度為-26.6 cm，平均風蝕深度達-6.65 cm。當地表破損率為5%時，塌陷裂痕已基本被風沙流填沒，塌陷地表已接近非塌陷地表，所以區域風沙運動過程已近似的接近于正常地表(非塌陷區)的風蝕沙埋過程，區域風蝕/風積深度近似的接近于平衡點，分別為-1.7，-0.9，-2.6和-2.2 cm，和對照(非塌陷0%)相比，已經十分接近非塌陷地表，其總的風蝕深度分別為-7.4和-6.9 cm。

據分析，不同地表破損率與風蝕/風積深度存在著一定的相關關系，地表破損率越大，其地表風積過程越顯著，地表破損率為50%時月均的風蝕/風積深度是35%，20%，5%和0%的2.5,2.8,9和12倍，且隨著地表破損率的減小，風沙流運動狀態逐漸由風積填縫過程轉化為風蝕過程，地表破損率越小，越接近于非塌陷地表情況。回歸分析表明，風蝕/風積深度(H)與地表破損率(V)呈多項式函數關系。對回歸模型的可信度及顯著性進行檢驗，其相關系數的變化范圍為81.86%～95.6%，方程擬合效果較好。

4　討論與結論

(1) 塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷)沙丘不同典型位置的平均風蝕/風積深度分別達到-28.2，-45.6和-2.8 cm，失土厚度分別比對照(非塌陷)高10.07和16.29倍，其整體的風蝕概率分別達60%以上,90%以上和10%以下。采煤塌陷有效的促進了風沙運動，改變了局部的風蝕堆積厚度，可能引起固定半固定沙丘重新活化。

(2) 采煤塌陷后不同地表破損率對風蝕堆積厚度影響不同，地表破損率越大，其地表風積過程越顯著，地表破損率為50%時月均的風蝕/風積深度是35%，20%，5%和0%的2.5,2.8,9和12倍，且隨著地表破損率的減小，風沙流運動狀態逐漸由風積填縫過程轉化為風蝕過程，地表破損率越小，越接近于非塌陷地表情況。回歸分析表明，風蝕/風積深度(H)與地表破損率(V)呈多項式函數關系。

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Effects of Coal Mining Subsidence on Wind Erosion Characteristics in Aeolian Desert Region of Shenfu Coal Mining

ZHAO Guoping1,2, BI Yinli1, LI Junbao2,3, GAO Rong3, GAO Chao3

(1.CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering，ChinaUniversityofMingTechnology,Beijing019000，China; 2.ShaanxiYulinMaowuxuSandyNationalEcosystemObservationandResearchStaion,Yulin,Shaanxi710009，China，China; 3.ShaanxiProvinceResearchInstituteforSandControl,Yulin,Shaanxi719000，China)

[Objective] The influences of Shenfu coal mining subsidence on the movement of aeolian sand were studies to provide scientific basis and guidance for the controlling of wind erosion and recovery of vegetation. [Methods] Based on local field observation in a typical sand dune, this paper studied the impacts of sand dune position and the surface damage ratio on the thickness of aeolian deposit. [Results] The results showed that the thinkness of aeolian deposits on the ground that had undergone one year of subsidence and two year of subsidence were -28.2 cm and -45.6 cm, respectively; while the reference sand dune was -2.8 cm. The overall probabilities of wind erosion of the above three dunes were >60%,>90%, and<10%, respectively. Surface accumulation occurred more intensely on the surface with a higher damage ratio. The movement of wind-blown sand gradually shifted from accumulation or filling to wind erosion as the surface damage ratio decreased. The relation between the thickness of aeolian deposit(Q) and the surface damage ratio(V) can be described by a polynomial function. [Conclusion] It was concluded that the coal mining-induced subsidence significantly promoted the movement of aeolian sand and changed the thickness of aeolian deposit locally, and it may reactivate fixed or semi-fixed dunes.

Shenfu coal mining; windy desert region; coal mining subsidence; surface damage ratio; aeolian deposit

2015-12-02

2016-01-05

陜西省自然科學基金項目“陜北生態脆弱區煤炭資源開采的風蝕效應研究”(2014jm5126)； 陜西省科學技術研究發展計劃項目(2014KJXX-21); 榆林市科技攻關項目(sf13-35)

趙國平(1979—),男(漢族),青海省海東市人，副研究員,主要從事荒漠化防治、礦區土地復墾與生態恢復方面的研究。E-mail：516293916@qq.com。

A

1000-288X(2016)04-0129-04

S157.1