露天煤礦排土場不同治理模式邊坡細溝侵蝕特征研究

陳同德，王文龍，2＊，董玉錕，郭明明，康宏亮，朱寶才，3

（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.山西農業大學林學院，山西 太谷030801）

排土場是礦區集中堆置棄土棄渣的場所，屬于典型的人造地貌。排土過程中機械車輛反復碾壓排土場頂部導致地表致密、平坦，因此降雨在排土場頂部形成匯水，流至表層質地疏松、坡度較大的邊坡，引起嚴重的水土流失。排土場邊坡主要的土壤侵蝕類型有面蝕、細溝侵蝕、泄溜、滑坡、泥石流等［1］，有研究表明排土場邊坡侵蝕模數為平臺面積的11倍，成為排土場甚至是礦區的主要水土流失區域之一［2］。近年來，國內外學者對排土場邊坡土壤侵蝕防治技術［3］、產流產沙特征［4］、預測模型［5］等方面展開了研究。關于排土場邊坡土壤侵蝕防治取得了豐碩的研究結果，對于礦區邊坡治理有重要的指導意義。劉瑞順［2］認為針對1年排土年限的邊坡，稻草簾子覆蓋措施的減沙效益可達到93.63%。郭建英［6］認為植被恢復初期，不合理的治理模式會導致侵蝕量增大，其中“檉柳方格+牧草混播”措施下的土壤侵蝕量是裸坡土壤侵蝕量的1.02倍。產流產沙特征的研究主要用于確定坡面尺度的侵蝕模數以及侵蝕規律，為礦區新增水土流失量的預測提供必要參數［7］。郭明明［7］等人研究神府煤田棄土棄渣的侵蝕特征，認為礫石含量對產流特征、侵蝕速率有較大影響，侵蝕模數最高可比撂荒地高239.2倍。目前，沒有通用的預測模型適用于礦區土壤侵蝕。國外一般使用ULSE以及RULSE來預測礦區的土壤侵蝕模數［5，8］，取得了良好的效果。由于我國缺少詳實的監測資料，ULSE以及其改進版難以直接用于實際生產［9］。

細溝侵蝕是坡面侵蝕的主要方式之一，細溝形成后，坡面侵蝕速率會急劇增大，細溝侵蝕量可占坡面侵蝕總侵蝕量的70%左右［10-11］，細溝對坡面地貌的發育以及演化過程也有著重要的影響［12］。前期調查發現，永利煤礦排土場邊坡，無論有無治理模式，邊坡均存在不同程度的細溝侵蝕。研究排土場邊坡細溝侵蝕特征是了解坡面土壤侵蝕環境的重要途徑，將為評價排土場邊坡不同恢復模式控制細溝侵蝕效果提供科學依據。沙打旺在北方水土流失地區有了大范圍的推廣［13］，但是沙打旺在排土場邊坡這一特殊下墊面條件下控制土壤侵蝕的效果如何卻未可知。本研究可用于檢驗沙打旺的控蝕效果，也能為快速評價排土場邊坡不同恢復模式的控蝕效果提供科學方法。因此，本文以永利煤礦排土場邊坡為研究對象，通過調查不同治理模式下邊坡的侵蝕細溝狀況，研究排土場邊坡的細溝侵蝕特征、評價不同恢復模式控制細溝侵蝕的效果，以期為礦區排土場邊坡治理及生態恢復提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗永利煤礦（E 110°17′21″，N 39°69′43″）。研 究 區 海 拔 在1000～1500m，屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫6.2～7.2℃。全年降水量在300～500mm之間，降雨集中在7—9月，約占年降水量的80%，多為侵蝕性暴雨。該區風力資源豐富，春季風速最大，風速可達5.5m·s-1。研究區土壤以栗鈣土為主，其母質為砒砂巖。砒沙巖結構性差，所以該區易發生風蝕、水蝕和重力侵蝕。自然植被以灌木和半灌木為主，主要有百里香（ThymusmongolicusRonn）、本氏針茅（Stipacapillata）等。人工植被主要有沙棘（Hippophaerhamnoides）、沙打旺（Astragalusadsurgens）、苜蓿（Medicagosativa）、檸條（Caragana KorshinskiiKom）等。

1.2 樣地選擇與細溝測量

前期調查發現，永利煤礦排土場治理模式有A（沙柳方格+沙打旺）和B（沙柳方格）2種。因排土年限僅為1年，邊坡土壤質地松散，最易發生水土流失，所以本研究以1年排土年限的邊坡為研究對象。為保證植物生境的相對一致性、便于說明2種恢復模式相比裸坡的治理效果，經調查和篩選，選擇同時具備有A、B 2種模式以及裸坡（CK）的邊坡。之后通過細溝測量，計算每個樣地坡面的細溝密度、細溝割裂度、細溝寬深比和細溝侵蝕量，反映細溝侵蝕狀況并探討2種恢復模式效益。

調查確定2種治理模式施工工藝及主要技術指標，具體如下：

1）沙柳方格：人工將長約0.35m的沙柳條垂直插入新生邊坡約0.2m，插入的沙柳呈菱形排列，長對角線（坡面方向）約5m，短對角線約3m。

2）沙柳方格+沙打旺：沙柳方格施工結束后均勻撒播沙打旺草種，撒播量15kg·hm-2。

調查確定本文研究的1年排土年限邊坡形成于2013年3—5月，并于6—7月實施上述治理模式，所有邊坡在治理前經過平整，坡型均為直型坡。細溝調查時間是從2014年7月2日到6日，調查期間無降雨。在A、B 2種治理模式的邊坡上隨機選擇坡面進行測量，測量長度和坡長一致，寬3m。測量細溝時自上而下每隔2m分段測量，依次測量每個坡段細溝頂寬、深度、底寬、長度。每種治理模式選擇2個坡面進行測量，分別為：A1，A2和B1，B2。樣方法測量并計算植被覆蓋度，測量結束后在測量斷面處取土樣測定容重，每個位置3次重復，計算其平均值，作為坡面容重取值。采用鄭粉莉［14］提出的容積法計算各個坡面的細溝侵蝕量，相同治理模式下的邊坡細溝特征參數和細溝侵蝕量均取均值作為該治理模式的細溝侵蝕特征參數和細溝侵蝕量，即A1和A2計算均值，B1和B2計算均值，得到A和B治理模式下的細溝侵蝕特征參數和細溝侵蝕量。相同方法測量裸坡作為對照。5個坡面基本概況如表1所示。

表1 樣地概況Table 1 General conditions of sample sites

5個坡面的坡長均不相同，考慮到坡長因子［15-16］對細溝發育的影響，因此在后文中如果涉及2個及以上不同長度的邊坡進行比較分析時，以較短坡長為基準坡長。

侵蝕性降雨是引起黃土高原土壤侵蝕的主要因素之一，謝云、劉寶元等［17］提出我國侵蝕性降雨標準為日降雨量大于12mm，已有廣泛應用。侵蝕性降雨情況直接影響1年排土場邊坡細溝侵蝕特征。永利煤礦2013年6月至2014年6月發生侵蝕性降雨8次，日降雨量大小在14.5～60mm之間，主要分布在2013年6—9月。侵蝕性降雨量為279.4 mm，占總降雨量的54.13%。

1.3 細溝參數描述

本研究采用細溝密度、細溝割裂度和細溝寬深比來反映不同治理模式下排土場邊坡的細溝發育狀況。

（1）細溝密度指單位研究區域內的細溝總長度，可以反映邊坡的破碎程度以及細溝的分布狀況，計算式為：

式中，γ為細溝密度，mm2；m為坡面上細溝的總條數；Lti為坡面上某條細溝總長度，m；A為研究坡面的面積，m2

（2）細溝割裂度指單位研究區域內所有細溝面積之和，除了可以反映邊坡的破碎程度，還能反映細溝侵蝕強度，計算式為：

式中，α為細溝割裂度；Ai為坡面上第i條細溝的面積，m2；A為研究坡面的面積，m2

（3）細溝寬深比是指細溝寬度和對應深度的比值，可以反映細溝橫斷面積的形狀變化，計算式為：

式中，Wi為第i個測點細溝寬度，cm；Di為第i個測點的細溝深度，cm

（4）細溝累計侵蝕量指一段坡面上細溝對表層土壤剝蝕的總重量，計算式為：

式中，G為細溝累計侵蝕量，kg；Ri為第i細溝的侵蝕量，kg

（5）某條細溝侵蝕量Ri的計算［14］。從上到下每隔2m量測每條細溝的寬度RW和深度RH，將每個測量段的細溝面積簡化為梯形計算，計算過程為：

式中，Ri為某條細溝的侵蝕量，kg；j為測量該條細溝寬、深的次數；RWj，RWj+1分別代表第j次和j+1次測量的細溝寬，cm；RLj為測量間距，為2m；RHj為第j次測量的細溝深，cm；rd代表土壤干容重，g·m-3

用Excel 2013進行數據處理和分析，Origin 8.5進行數據繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同治理模式下的細溝特征參數

CK（裸坡）和A（沙柳方格+沙打旺）、B（沙柳方格）2種治理模式下的坡面細溝特征參數隨坡長（從坡頂至坡腳）的變化如圖1所示。細溝密度（γ）反映坡面細溝的空間分布，由圖1a可知，γCK隨坡長增加先減小后增大再減小，γA隨坡長增加逐漸增大，γB變化整體上呈先增大后減小的趨勢，γ大小分別為：0.00～1.90m·m-2，0.00～0.99m·m-2和0.16～1.85m·m-2。γCK在距離坡頂12m處達到最大，為1.90m·m-2；γA在18m處達到最大，為0.99m·m-2，γB在10m處達到最大，為1.85 m·m-2，γA，γB與γCK的最大值相比分別降低47.89%和2.63%。γCK在2～8m處逐漸減小，其原因是上方匯水流至裸坡后，抗沖性較差［18］的表土首先被徑流剝蝕、分散、輸移，隨著輸移沙量的增大，徑流用于輸移泥沙能量的消耗也越大［15］，所以削弱了徑流沖刷能力，在2～8m甚至出現沉積現象，導致細溝密度逐漸變小；而從第8m開始急劇上升，細溝密度增大約190倍，這表明坡長＞8m后，CK坡面細溝發育程度大，侵蝕強烈。相比γCK，γA在坡面上增長較緩，最大值為CK的52.10%，說明A模式可以有效控制細溝發育。γB和γCK在坡面上的變化規律相同，都在中間部位達到最大，因B坡面在2～8m處沒有類似CK的沉積作用，所以γB比γCK提前達到最大值。

細溝割裂度（α）反映坡面破碎程度，從圖1b中看出，αCK隨坡長增加呈減小-增大-減小趨勢，αA隨坡長緩慢增大，αB隨坡長先增大后減小。αCK在12m處達到最大值，為0.32，αA和αB分別在18m，10m處達到最大值，分別為0.07和0.10，3種坡面α的變化范圍分別為：0.00～0.32，0.00～0.07和0.009～0.10。CK在2～8m處α逐漸減小。αA，αB的最大值分別為αCK的25%和31.25%。另外，B模式坡面10m處的αB是αCK的0.69倍，但γB卻是γCK的2.03倍。

細溝寬深比（R）可客觀反映細溝溝槽的形態變化，由圖1c可知：RCK和γCK以及αCK的變化趨勢相同；RA在距離坡頂4～8m增大，8～16m保持相對穩定，16m后又緩慢增大，隨坡長呈現波動變化；RB在0～4m快速增加，后減小，6～16m相對穩定，16m后減小。CK在0～4m坡段因徑流先遇到大量松散物質，徑流含沙量迅速達到飽和，用于侵蝕、分散表土的能量下降，后以泥沙沉積作用為主，表現為細溝寬深比迅速下降。A治理模式坡面，0～4m處因沙柳方格和沙打旺的保護無細溝產生，所以寬深比為0，4 m后產生細溝侵蝕，并以溝壁的拓寬為主，因此寬深比越來越大；8～10m細溝下切侵蝕作用加強，寬深比減小；隨著坡長增加，溝壁拓寬和下切侵蝕作用交替進行，RA呈波動變化。RB變化和RA類似，但B模式的坡面僅有沙柳方格的保護作用，所以RB的變化幅度明顯較大。與RCK相比，RA，RB的最大值分別下降49.04%和27.95%，平均值分別下降48.89%和34.78%，表明A，B 2種模式均能控制細溝長、寬發育，可防止細溝在局部過度下切或拓寬，A模式的作用更為明顯，突出了沙打旺的重要性。

圖1 2種治理模式和裸坡細溝參數隨坡長的變化Fig.1 Changes of rill parameter from two management models and bare-slope with slope length

2.2 不同治理模式下的細溝侵蝕量特征

A，B 2種治理模式及CK的坡面細溝侵蝕量（M）和細溝累計侵蝕量（G）從坡頂至坡腳的變化過程如圖2所示。MCK隨坡長的變化劇烈波動，6～8 m趨近于0kg，10～12m增加至72.10kg，14～16 m減小至34.14kg，減小52.65%，隨著坡長延長變化劇烈，呈現周期性“減-增”變化，即每隔8m細溝侵蝕量會增大。MA隨坡長緩慢增長，距坡頂16～18m達到最大值，為24.86kg；MB先隨坡長增大，10m處達到最大，為38.21kg，后減小。與MCK的最大侵蝕量相比，MA和MB分別減小65.52%和47.00%。可知A和B 2種治理模式都能控制細溝侵蝕，且A比B效果好，說明沙打旺使細溝在坡面上的發育受到抑制。

由圖2b可知，CK坡細溝累計侵蝕量（G）隨坡長呈指數函數變化，回歸模型為GCK=4.452e0.446x，R2=0.910；A，B的累計侵蝕量隨坡長均呈冪函數變化，回歸模型分別為：GA=0.041x3.737，R2=0.953；GB=2.954x1.899，R2=0.963，3個方程的 R2均大于0.9，所以以上3個方程均能反映累計侵蝕量和坡長之間的關系。總累計侵蝕量GCK＞GB＞GA，分別為283.73，184.16和152.19kg，相比CK的總侵蝕量，A和B減小46.36%和35.09%，表明A，B治理模式均可顯著降低坡面細溝侵蝕，且A模式治理效果更佳。有研究表明，細溝強度的變化規律和細溝累計侵蝕量的變化規律一致［19］。從圖2b可知，A，B，CK 3種坡面16～18m處累計侵蝕量曲線斜率為0＜KA＜KB＜KCK，表明若非坡長限制，細溝侵蝕強度將會在一定范圍內越來越大。以上為實現控制變量一致，只表述了坡長在0～18m范圍內時各模式下排土場邊坡的細溝侵蝕狀況，為進一步研究18m之后排土場坡面細溝侵蝕狀況，以調查5個邊坡中3個大于20m的坡面為例，分別為A1坡面（坡長為24m）、A2坡面（坡長為22m）、B2坡面（坡長為20m），其細溝累計侵蝕量如圖3所示：3個坡面在18m之后細溝侵蝕強度迅速增大，說明在一定范圍內，若排土場邊坡坡長較大，侵蝕強度將會急劇增大。

圖2 2種種治理模式和裸坡細溝侵蝕量以及累計侵蝕量隨坡長的變化Fig.2 Changes of rill and it’s accumulate erosion amount from two management models and bare-slope with slope length

圖3 A1，A2和B2邊坡細溝累計侵蝕量隨坡長的變化Fig.3 Changes of rill accumulate erosion amount of A1，A2and B2with slope length

2.3 不同沙打旺覆蓋度的細溝侵蝕特征

不同沙打旺覆蓋度下，A1、A2坡面細溝密度（γ）及細溝侵蝕量（cm）從坡頂至坡腳的變化過程，如圖4所示。從圖4a可以看出，相同坡位（6～8m除外），γA2（沙打旺蓋度45%）比γA1（沙打旺蓋度75%）大21%～144%，整體均隨坡長增大而增大。6～8m處A1坡面的細溝密度較A2低，這是徑流動能對土壤剝蝕與泥沙輸移2個過程同時分配的結果。0～18m，mA1和mA2在坡面上沿程增大，變化趨勢相對穩定，18m后，m開始較大波動變化。由圖4b可以看出，在14m以前，mA1相比mA2減小約4.48%～9.26%，控蝕效果相差不大；14m后，mA1和mA2變化趨勢雖然相同，但已經產生明顯的數量差異，mA1與mA2差值最大可達到112.60kg。由上可知，在距離坡頂0～14m時，75%和45%覆蓋度的沙打旺對于控制細溝侵蝕的能力基本一致，細溝侵蝕量相比裸坡分別減小37.29%～70.82%和43.10%～70.34%；距離坡頂14m后，75%覆蓋度的沙打旺比45%覆蓋度更能控制細溝侵蝕，降低53.32%～61.49%的細溝侵蝕量。其原因主要是坡面徑流量的改變，在降雨過程中，排土場頂部因其巨大的平臺面積，產生較多上方匯水，加上沿途降水的不斷匯入，徑流量會逐漸增大。沙打旺可以阻擋、分散徑流，使徑流能量降低，但這種能力有限，從侵蝕量曲線的波動情況可以看出，沙打旺不同的覆蓋度控制細溝侵蝕存在一個“臨界坡長”，當坡長小于臨界值時，細溝侵蝕量隨坡長增大緩慢增加或保持穩定；當坡長大于臨界值時，細溝侵蝕量大幅增加。45%覆蓋度的A2坡面的坡長大于14m時，細溝侵蝕量出現第一次大幅上升，增長率為99.85%；而75%覆蓋度的A1坡面，侵蝕量第一次出現大幅度上升是在20m處，增長率為55.25%，因此，45%和75%的沙打旺覆蓋度對應的臨界坡長分別是14m和20m。

3 討論

A，B 2種治理模式下坡面細溝侵蝕總量相比CK減少46.36%和35.09%，表明A，B 2種措施均能有效控制細溝侵蝕，A模式的效果更好，植被作用明顯。該結果與其他類型下墊面［20-21］所得結果一致：植被均能不同程度的控制土壤侵蝕。A，B，CK 3種類型的坡面在0～2m處的細溝侵蝕量分別為：0，4.4和25.53kg；其中CK坡面頂部（0～2m）細溝侵蝕量占坡面總細溝侵蝕量的7.3%，B坡頂部也有細溝侵蝕產生，這與通過人工模擬試驗得到的結果有所不同［22-23］，即裸坡頂部就有相對嚴重的細溝侵蝕，并非只在坡面中下部細溝侵蝕強烈。這是由于排土場是特殊的人造地貌，排土場平臺經過機械車輛長期反復碾壓，表面變得堅硬、平緩，給邊坡提供了大量的上方匯水；上方匯水流入邊坡后，將加大坡面被侵蝕的可能性。而A模式下邊坡因沙打旺覆蓋度較大，增加了坡面土壤的抗沖性、抗蝕性，所以A坡面0～2m處的細溝侵蝕很小。從圖2可知，B模式坡面距離坡頂0～2m處，細溝密度、細溝割裂度、細溝寬深比3個參數均小于CK，表明B類坡面雖然沒有種植沙打旺，但沙柳方格控制細溝侵蝕的能力也較明顯。因此，在沒有種植沙打旺或者其他植被的條件下，可考慮“排水溝+沙柳方格”模式，邊坡頂部修筑排水溝以減少上方匯水，沙柳方格控制細溝侵蝕的能力將會加強。

圖4 A1和A2的細溝密度及細溝侵蝕量隨坡長的變化Fig.4 Changes of rill density and rill erosion amount of A1and A2with slope length

坡長影響坡面沿程水流能量以及水流泥沙的運移規律，是影響細溝侵蝕的重要因子。有關坡長對坡面侵蝕量的影響現在并沒有一致結論，一些研究發現從坡頂到坡下侵蝕量隨著坡長的增加而增加［24-25］，而也有研究和本文研究結果類似［15，26-27］：侵蝕量隨坡長呈現波動性變化，其原因是由于侵蝕作用和沉積作用隨坡長的增加不斷的交替轉換。徑流能量包括2方面：徑流動能和徑流勢能，用以侵蝕坡面和攜帶泥沙，在徑流能量相對穩定的情況下，侵蝕坡面的能量和攜帶泥沙的能量互為消長關系，在坡面上表現為侵蝕作用和沉積作用的交替變化。從圖2a中得知CK坡面侵蝕在0～2m處以侵蝕作用為主，到2～8m以沉積作用為主，8m后2種作用交替變換。上方匯水到達坡面后，頂部大量的松散物質被徑流沖起，徑流迅速呈現“泥沙飽和”狀態，最終導致CK坡面出現沉積現象；到8m處徑流能量通過降雨疊加和勢能轉化得到加強，且徑流中的泥沙含量因沉積作用變得相對較小，此時的徑流又有了較大的侵蝕能力和攜沙能力，因此8～12m處侵蝕量迅速增加，之后也是類似的交替現象。由圖2a可知CK坡上每隔8m，細溝侵蝕量會迅速增大，可在8m處采取一定的水土保持措施，比如植物藩籬，以起到攔水攔沙的作用，從而控制坡面細溝侵蝕。A、B 2種治理模式的坡面也有類似的交替現象，但沒有CK坡面明顯，且無確定周期。王禹［27］在東北黑土區就坡長對坡面土壤侵蝕影響進行了研究，不同坡長產沙也有類似的大小交替變化現象，但是其周期長度為142m，而本研究僅距離坡頂2m處就發生了這種現象。原因可能有2個方面：1、本研究中下墊面是采礦過程中產生的棄土棄渣混合體，其有機質含量低、結構松散，抗沖性、抗蝕性相比坡耕地土壤均較差；2、東北黑土區典型耕地坡度約3°［27］，而本研究中坡度均在30°及以上，坡度越大，徑流動能也越大。

覆蓋度控制細溝侵蝕的能力和坡長有關。45%覆蓋度下坡長超過14m、75%蓋度下坡長超過20 m后，細溝侵蝕量分別增加了1.70，1.81倍。由圖4b可知距坡頂20m處沙打旺難以控制細溝侵蝕。邊坡面積越大，其盛雨面積也越大，所以一定覆蓋度的植被控制土壤侵蝕的能力卻有限。焦菊英［21］分析了黃土高原人工草地的減水減沙效益和有效蓋度，結果表明人工草地在大暴雨條件下仍有減緩土壤侵蝕的作用，但減緩作用隨著雨量、雨強增大呈減小趨勢。永利煤礦地處黃土高原北部，降雨也以侵蝕性暴雨為主，另外排土場頂部存在大面積平臺，提供了上方匯水條件，這種條件下，不可“高估”植被覆蓋度的固土作用，即使采取高覆蓋度沙打旺治理坡面，排土過程中也需控制邊坡長度，必要時需要采取相應的工程措施。

4 結論

對永利煤礦排土場治理邊坡的細溝侵蝕特征與裸坡進行了對比分析得到以下結論：

1）“沙打旺+沙柳方格”治坡與沙柳方格治坡均能控制排土場邊坡細溝侵蝕，與裸坡相比，2種治理坡面細溝侵蝕量分別減小46.36%和35.09%；裸坡細溝侵蝕量隨著坡長沿程變化劇烈，呈現周期性變化，即每隔8m細溝侵蝕量會增大。

2）裸坡細溝累計侵蝕量隨坡長呈指數變化，治理邊坡坡面細溝累計侵蝕量隨坡長呈冪函數變化。

3）覆蓋度對坡面細溝侵蝕的影響與坡長有關。距坡頂0～14m處，75%，45%覆蓋度的沙打旺控制細溝侵蝕的能力無明顯差異，侵蝕量較裸坡減少37.29%～70.82%和43.10%～70.34%；距坡頂14～20m處，75%比45%覆蓋度坡面侵蝕量降低53.32%～61.49%。距坡頂＞20m處，沙打旺不能有效控制坡面細溝侵蝕。