神府煤田棄土棄渣體坡面流速及其影響因素試驗研究

董玉錕, 王文龍, 黃懿梅, 歐陽朝波

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

?

神府煤田棄土棄渣體坡面流速及其影響因素試驗研究

董玉錕1, 王文龍2,3, 黃懿梅1, 歐陽朝波2

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

[目的] 研究棄土棄渣體坡面流速變化規律及礫石含量、坡度、放水流量、含沙量對坡面流速的影響，為揭示棄土棄渣體侵蝕機理提供科學依據。 [方法] 采用野外放水沖刷試驗方法研究神府煤田棄土棄渣坡面流速。 [結果] 棄土棄渣體在不同放水流量下平均流速隨產流歷時會在一定的范圍內波動，表現為多谷多峰的特點，而且隨放水流量增大，斷面內平均流速波動程度增強。棄土棄渣體坡面流速與棄土棄渣體中礫石含量、放水流量及含沙量均呈顯著的冪函數關系，與坡度呈顯著的二次函數關系。逐步回歸分析表明，礫石含量和放水流量的共同作用對棄土棄渣體坡面流速的影響最為顯著。 [結論] 棄土棄渣體坡面流速變化復雜，礫石含量和上方來水是影響流速的最關鍵因素。

棄土棄渣; 坡面流速; 坡度; 放水流量; 含沙量

文獻參數： 董玉錕, 王文龍, 黃懿梅, 等.神府煤田棄土棄渣體坡面流速及其影響因素試驗研究[J].水土保持通報，2016,36(4)：148-151.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.027

隨著中國經濟的迅猛發展，城市化、工業化、基礎設施建設的步伐加快，交通運輸、礦山開采、大型水利工程、城鎮建設等生產建設項目的數量迅速擴增，到處可以看到施工建設的景象。生產建設項目在開發、建設、運行過程中造成地地表挖填擾動、邊坡開挖、植被破壞、原地貌破壞，形成各種各樣松散的物質構成復雜多樣的棄土棄渣體，從而造成嚴重的水土流失問題，引起環境質量的嚴重下降，已受到社會廣泛關注[1-2]。開發建設項目中棄土棄渣體水土流失問題已成為新的產沙來源之一，目前很多學者對棄土棄渣體的水土流失進行了大量研究，主要集中在室外天然降雨、室外放水沖刷、人工模擬降雨試驗。藺明華等[3]以降雨—入滲—產流原理，根據人工模擬降雨與放水沖刷等試驗研究成果及神府典型區域開發建設新增水土流失量，分析建立了適用于開發建設項目新增水土流失評價的模型及新增土壤侵蝕系數。倪含斌等[4]采用模擬降雨試驗確定了影響土壤侵蝕的主要因子為棄土堆積時間和土壤的植被覆蓋度。李強[5]、孫虎[6]采用野外模擬降雨試驗的研究方法，對降雨入滲、降雨產流歷時、侵蝕產沙規律進行了初步研究。陳奇伯[7]、景峰[8]、郭成久[9]、趙暄[10]采用人工模擬降雨方法，對初始含沙率徑流量、棄土坡面侵蝕溝產流時間、平均入滲率等規律進行了探討。白蕓等[11-13]采用人工模擬降雨試驗方法，對神府東勝礦區棄土棄渣體產流、產沙規律、減少效益等進行研究。目前許多學者[14-17]對于公路建設產生的棄土棄渣體的侵蝕特征和水土流水規律也進行了有效的試驗研究。雖然很多學者對棄土棄渣體進行了大量試驗研究，但對于礦區開采過程中棄土棄渣下墊面的坡面流速變化規律研究較少。坡面流速有助于準確地認識細溝侵蝕過程及其發育發展機理，因此本試驗采用野外放水沖刷試驗方法，研究棄土棄渣體坡面流速變化規律及礫石含量、坡度、放水流量、含沙量對坡面流速的影響，以期為揭示棄土棄渣體侵蝕機理提供科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗區概況

神府東勝煤田位于陜北、晉西北、內蒙古南部3省交界處，北緯為38°50′—39°50′，東經為109°30′—110°30′，屬窟野河上游烏蘭木倫河流域，地貌為典型的蓋沙黃土丘陵，煤田面積為3.12×104km2。該地區是干旱半干旱氣候，區內年平均氣溫為6.1～9.1 ℃，年極端氣溫為-28.1～38.9 ℃。降雨多集中在7—9月，多以暴雨發生，降雨量占到全年的65%～70%，多年平均降雨量為325～460 mm。神府東勝礦區內土壤多以風沙土和黃土，結構松散、易風化，抗蝕性差。神府東勝礦區內的植被主要是沙蒿、沙柳、檸條等溫帶半干旱草原植被和沙地植被，區內植被稀少，植被覆蓋度低，加上受人類活動影響，該地區生態環境十分脆弱。

1.2試驗布設及方法

試驗地點在神府煤田腹地神木縣西溝鄉六道溝村。試驗小區建在一塊撂荒地上，小區統一采用自然休止角，分為多土型棄土棄渣體、沙少石多型棄土棄渣體(重量土石比1∶0.9)、沙多石少型棄土棄渣體(重量土石比1∶2.1)3種，室內對各下墊面顆粒組成測量結果詳見表1。對應的坡度分別為39°,41.7°,35°。小區規格1 m×10 m，小區周圍用1 mm厚鋼板圍住，鋼板高出地面0.1 m，小區邊界控制條件一致。小區頂端放置一個2 m3的水箱，由水泵供水，用汽油泵向小區供水。在出水管設置2個閥門調節不同流量，流量分別測定2次，前后2次誤差不超過5%。小區上方設置穩流槽，寬度與小區寬度一致、緊貼地面，保證上面的水流以薄層水流均勻向下流。小區底端裝有集流槽收集徑流泥沙。小區自上而下設置3個斷面，每個斷面長度1 m，分別在2～3 m，5～6 m，8～9 m處，便于測定流速、流深及流寬。試驗開始后，水流流出集留口開始計算產流歷時，前3 min內，每1 min接1次泥沙樣，3 min以后每隔3 min接1次樣，試驗時間為45 min。每次試驗前，測定土壤容重、土壤含水量等。試驗結束后，測定細溝的上寬、下寬、溝深，觀測細溝的變化，用量筒測定徑流樣的體積，烘干法測定泥沙質量。放水流量以神府東勝地區暴雨發生頻率在試驗小區上產生的單寬流量，采用4個放水流量：10，15，20，25 L/min。坡面流速測定選用高錳酸鉀示蹤法，在每次接樣的時間段內測定3個測流斷面的流速，乘以系數0.7最后得到的斷面流速，取其3個斷面流速的平均值，作為試驗小區的坡面平均流速。試驗小區如圖1所示。

圖1　放水試驗示意圖

粒徑/mm 黏粒(<0.002)粉粒0.002～0.0050.005～0.010.01～0.0250.025～0.05砂粒0.05～0.10.1～0.250.25～0.50.5～11～2礫石2～55～1010～20沙少石多棄土棄渣體0.050.110.190.320.583.234.455.967.138.6521.2134.2713.85沙多石少棄土棄渣體0.080.120.230.410.775.677.749.3410.3320.2532.978.353.74多土型棄土棄渣體 0.150.420.480.630.913.4228.635.287.675.342.962.521.63

2　結果與分析

2.1坡面流速的變化

多土型、沙多石少、沙少石多棄土棄渣體在放水流量在10，15，20，25 L/min下，測得各斷面平均流速隨產流歷時的變化如圖2所示。由圖2可以看出，多土型棄土棄渣體在不同放水流量下平均流速隨產流歷時會在一定的范圍內波動，表現為多谷多峰的特點，而且隨放水流量增大，斷面內平均流速波動程度增強。在產流后，由于劇烈的徑流沖刷作用，坡面很快形成細溝侵蝕。溝蝕形成后，徑流繼續對溝底、溝壁進行侵蝕，加上重力的作用，溝壁兩側會發生倒塌，阻礙徑流，因而此時會出現流速下降，當徑流匯聚一定程度后，堵塞部位的沙石會被徑流沖散，此時大量的徑流攜帶沙石迅速流下，流速突然增大，隨著放水沖刷時間的延長，細溝侵蝕加劇，此過程在放水沖刷中反復出現，所以平均流速會不斷呈現波峰波谷的變化。對于沙多石少型棄土棄渣體，在不同的放水流量下，平均流速隨著產流歷時整體趨勢是逐漸變小，然后會在一定范圍內波動，也會有波峰波谷的變化。由于礫石的存在，改變了土壤的物理性質，土壤空隙增大，入滲變強。在產流初期入滲率未達到最大，坡面徑流減小，流速變慢，當入滲達到穩定時，流速保持在范圍內波動。對于沙少石多型棄土棄渣體，隨著產流歷時延長，也同樣表現出多谷多峰的變化趨勢。比較3種不同下墊面坡面流速變化，沙少石多型棄土棄渣體坡面流速較低，流速波動范圍為0.1～0.3 m/s。而沙多石少型棄土棄渣體坡面流速是先降低后在一定范圍內波動，流速范圍多為0.2～0.4 m/s多土型棄土棄渣體坡面流速變化波動較小，較為穩定。

圖2　各放水流量下不同處理棄土棄渣體坡面流速隨產流歷時的變化

2.2坡面流速影響因素分析

對3種下墊面在放水沖刷條件下流速變化過程分析可知，3者之間的流速差異顯著，主要是由于棄土棄渣體下墊面組成差異所致。朱元駿等[18]研究土壤中礫石含量對流速影響顯著，一方面礫石增加水流路徑而減小流速，另一方面礫石含量會影響土壤空隙，土壤入滲率隨礫石含量變化而變化進而改變徑流量影響流速。分析棄土棄渣體坡面流速與礫石含量關系，礫石對其影響顯著，二者關系可用冪函數(R2=0.44)表示。坡度對流速的影響存在反饋關系，李君蘭等[19]研究發現不同坡度的坡面水流會使溝床粗糙度不同，當坡度增加時，徑流所受到加速度作用也應該會增加，但是徑流對坡面沖刷變劇烈，溝床粗糙度增加，水流速度也會受到影響。棄土棄渣體坡面流速與坡度的關系可用二次函數表示(R2=0.50)，其中極值點為：(37.92，0.35)。放水流量與棄土棄渣體入滲能力之間相互關系直接決定坡面流量大小，進而影響坡面流速棄土棄渣體坡面流速與放水流量的關系，二者關系可用冪函數表示(R2=0.28)。坡面徑流具有的能量一部分用于剝蝕土壤、攜帶搬運土壤，一部分用于水流自身流動的動能。而被搬運的土壤顆粒的速度動能是水流消耗自身動能賦予的。在整個流動過程中，被水流搬運的泥沙顆粒與坡面的土壤顆粒之間存在不斷的交換，含沙量的變化反映出水流消耗自身動能的變化，同樣，棄土棄渣體坡面流速與含沙量的關系可用采用冪函數表示(R2=0.62)。由上分析可知，流速與棄土棄渣體中礫石含量、坡度、放水流量及含沙量存在顯著的相關關系，然而4者對流速的影響并非簡單的線性疊加，而是以相互作用的形式影響流速的變化，因此，對流速、礫石含量、坡度、放水流量及含沙量進行逐步回歸分析，結果如表2—3和公式(1)所示，礫石含量和放水流量的聯合對棄土棄渣體坡面流速的影響最為顯著。

V=-0.165D+0.005q+0.254(R2=0.75)

(1)

式中：V——棄土棄渣體流速(m/s)；D——棄土棄渣體中礫石質量百分比含量；q——放水流量(L/min)。

表2　流速與影響因子間回歸分析模型系數

注：模型1：V=-0.016 5D+0.347； 模型2：V=-0.165D+0.000 5q+0.254。下同。

表3　流速與影響因子間回歸分析模型剔除因子

3　結 論

(1) 棄土棄渣體在不同放水流向下平均流速隨產流歷時會在一定的范圍內波動，表現為多谷多峰的特點，而且隨放水流量增大，斷面內平均流速波動程度增強。

(2) 棄土棄渣體在加入在不同含量的礫石后，土壤入滲隨礫石含量變化，平均流速隨礫石含量變化。平均流速最后穩定在一定范圍內波動，也會有波峰波谷的變化。

(3) 流速與棄土棄渣體中礫石含量、坡度、放水流量及含沙量存在顯著的相關關系，然而4者對流速的影響并非簡單的線性疊加，而是以相互作用的形式影響流速的變化。結果分析在4種作用疊加的情況下，礫石含量和放水流量的聯合對棄土棄渣體坡面流速的影響最為顯著，礫石含量增加，流速減?。涣髁吭龃?，流速增大。

[1]王文龍,李占斌,李鵬，等.神府東勝煤田開發建設棄土棄渣沖刷試驗研究[J].水土保持學報,2004,18(5):68-71.

[2]李宏偉,王文龍,黃鵬飛，等.土石混合堆積體土質可蝕性K因子研究[J].泥沙研究,2014(2):49-54.

[3]藺明華,杜靖澳,張瑞.黃河中游地區開發建設新增水土流失預測方法研究[J].水土保持通報,2006,26(1):61-67.

[4]倪含斌,張麗萍,張登榮.模擬降雨試驗研究神東礦區不同階段堆積棄土的水土流失[J]. 環境科學學報, 2006,26(12):2065-2071.

[5]李強,李占斌,魯克新，等.神府東勝礦區不同下墊面產流產沙試驗研究[J].水土保持研究,2008,15(3):2-3.

[6]孫虎,唐克麗.城鎮建設中人為棄土降雨侵蝕試驗研究[J].土壤侵蝕與水土保持學報,1998,4(2):29-35.

[7]陳奇伯,黎建強,王克勤，等.水電站棄渣場巖土侵蝕人工模擬降雨試驗研究[J].水土保持學報,2008,22(5):1-4.

[8]景峰,張學培,郭漢清，等.山西省葛鋪煤礦棄土棄渣徑流泥沙研究[J].水土保持研究,2007,14(4):61-64.

[9]郭成久,安曉奇,武敏，等.棄土場侵蝕產沙模擬試驗研究[J].中國水土保持,2010(3):29-31.

[10]趙暄,謝永生,王允怡，等.模擬降雨條件下棄土堆置體侵蝕產沙試驗研究[J].水土保持學報,2013,27(3):1-8.

[11]白蕓,王文龍,黃鵬飛，等.神府東勝煤田擾動與原生地面產流產沙規律對比研究[J].水土保持通報,2014,34(3):33-38.

[12]郭明明,王文龍,李建明，等.神府煤田土壤顆粒分形及降雨對徑流產沙的影響[J].土壤學報,2014,51(5):983-991.

[13]李建明,王文龍,王貞，等.神府東勝煤田棄土棄渣體徑流產沙過程的野外試驗[J].應用生態學報,2013,24(12):3537-3545.

[14]儲小院,張洪江,王玉杰，等.高速公路建設中不同類型棄土場的土壤流失特征[J].中國水土保持科學,2007,5(2):102-106.

[15]何凡,尹婧,陳宗緯，等.青海省公路棄土場土壤侵蝕規律天然降雨試驗研究[J].水土保持通報,2008,28(2):132-134.

[16]肖建芳,張洪江,江玉林，等.滬蓉西高速公路棄土場渣體侵蝕特征:以宜(昌)至長(陽)段為例[J].水土保持研究,2007,14(3):121-123.

[17]陳廷方,崔鵬.西昌—攀枝花高速公路棄土場土壤侵蝕預報[J].自然災害學報，2007,16(1),109-112.

[18]朱元駿,邵明安.不同碎石含量的土壤降雨入滲和產沙過程初步研究[J].農業工程學報,2006,22(2):64-67.

[19]李君蘭,蔡強國,孫莉英，等.坡面水流速度與坡面含砂量的關系[J].農業工程學報,2011,27(3):73-78.

Experimental Study on Flow Velocity and Its Influence Factors on Abandoned Dreg Slope in Shenfu Coalfield

DONG Yukun1, WANG Wenlong2,3, HUANG Yimei1, OUYANG Chaobo2

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

[Objective] The slope flow velocity in abandoned dreg site and the effects of gravel content, slope gradient, water flows discharge, and sediment concentration on it were demonstrated to provide scientific reference for revealing the erosion mechanism on dreg site. [Methods] Field scouring experiment was carried out to study the velocity of residue slop in Shenfu Coalfield. [Results] Results showed that flow velocity experienced fluctuated processes within a certain range on all flow discharge conditions. The velocity along discharge time was multi-valley multimodal, and its fluctuation range observed in flow sections increased with the increase of discharge amount. Power function could be used to describe the relationships between flow velocity and the influence factors, including gravel content, flow discharge and sediment concentration. Quadratic power function could express the relationship between velocity and slope gradient. Stepwise regression analysis showed both flow discharge and gravel content significantly influenced flow velocity. [Conclusion] Variation of flow velocity on abandoned dreg slope was complicated. Gravel amount and upstream catchment area were two key factors influencing flow velocity.

residues; slope velocity; slope; water flows; sediment concentration

2014-12-03

2014-02-10

水利部公益性行業專項“生產建設項目水土流失測算共性技術研究”(201001036), “工程開挖面與堆積體水土流失測算技術研究”(201201048； 201201047); 中國科學院西部行動計劃項目(KZCX2-XB3-13); 國家自然科學基金項目(40771127)

董玉錕(1989—)，男(漢族)，山東省莒南縣人，碩士研究生，研究方向為開發建設項目水土保持。E-mail:sixiangzhe20000@163.com。

黃懿梅(1971—)，女(漢族)，四川省大竹縣人，博士，副教授，碩士生導師，主要從事環境化學領域的研究。E-mail:ymhuang1971@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0148-04

S157.1