淺析晉北土石山區(qū)露天煤礦輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)水土流失預測

姜 浩

(中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

露天煤礦可開采出大量煤炭資源，但需建設(shè)復雜多樣的輔助生產(chǎn)設(shè)施，在為國民經(jīng)濟作出巨大貢獻的同時，也嚴重破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[1]。輔助生產(chǎn)設(shè)施的建設(shè)因土地平整、挖掘或填筑等活動，改變地表形態(tài)并破壞原有的地貌特征，地表的坡度和凹凸度會發(fā)生改變，使得水流速度加大，從而增加了土壤被侵蝕的風險，導致水土流失的加劇；輔助生產(chǎn)設(shè)施的建設(shè)活動通常需要清除現(xiàn)有的植被，包括樹木、草地或其他植被類型，會導致植被覆蓋的喪失，減少了植物根系的固土作用，從而削弱了水土保持的能力。沒有合適的植被覆蓋，土壤容易暴露在風雨的侵蝕下，導致水土流失的加劇；此外，輔助生產(chǎn)設(shè)施的建設(shè)還可能改變土壤的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地。土壤的改變包括土層的混合、挖掘或填充等操作，這些改變會影響土壤的保水性和抗侵蝕能力。一旦土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，原有的水土保持設(shè)施可能無法有效地防止水土流失。晉北土石山區(qū)擁有大量的露天煤礦，但該區(qū)域土壤地質(zhì)條件較差，多年形成較深的侵蝕溝，年降水量較少，大多數(shù)集中在雨季，地表植被較稀疏，這些特點加劇了露天煤礦輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)過程中的水土流失[2]。在輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)過程中，需要重視對水土保持設(shè)施的保護和修復工作，以最大限度地減少對環(huán)境的不良影響，可以通過合理的設(shè)計和規(guī)劃，采取有效的水土保持防護措施以及進行必要的生態(tài)恢復工作來實現(xiàn)。本文以中煤平朔集團有限公司新建東露天電鏟、鉆機大修場地工程為例，根據(jù)工程設(shè)計理念并結(jié)合實際情況，采用現(xiàn)場踏勘和專家咨詢法等方法來研究工程所在地的水土流失情況以及確定不同施工時段內(nèi)的土壤侵蝕模數(shù)，計算分析預測因工程建設(shè)可能造成的水土流失量。通過評估和分析，能夠提供有效的評價方法和充分的理論依據(jù)用以預測晉北露天煤礦輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)所造成的水土流失情況。有助于制定相應的水土流失防治措施和管理策略，減少對環(huán)境的不良影響。同時，也為晉北露天煤礦輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)制定水土流失防治體系提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究背景

工程位于朔州市平魯區(qū)榆嶺鄉(xiāng)東露天礦工業(yè)場地西南側(cè)，東南距榆嶺鄉(xiāng)約4km，行政區(qū)劃隸屬于朔州市平魯區(qū)管轄。東露天礦設(shè)計生產(chǎn)能力25.0Mt·a-1，屬于特大型露天煤礦，新建的電鏟、鉆機大修場地設(shè)計維修能力為電鏟年大修3臺，鉆機年大修4臺。本項目屬于新建、建設(shè)類項目，于2023年7月—2024年4月，總工期10個月(含施工準備期)。本工程由工業(yè)場地區(qū)、外部道路區(qū)、施工生產(chǎn)區(qū)、供熱管線區(qū)和供電線路區(qū)6部分組成。

2 預測方法

采用實地調(diào)查與設(shè)計資料相結(jié)合的方法進行工程開始施工前原地貌的水土流失預測；擾動后土壤侵蝕模數(shù)的預測方法通常有類比法、數(shù)學模型法、試驗觀測法、專家評估法和航空照片判讀法[3]，本工程擾動后的水蝕侵蝕模數(shù)采用專家評估法；水土流失危害預測采取實地跟蹤調(diào)查法，調(diào)查當?shù)叵嗨频墓こ蹋瑓⒖歼@些工程擾動后造成的危害，從而進行本項目的分析與預測。

水土流失量計算公式[3]：

(1)

(2)

式中，W為流失量，t；ΔW為新增流失量，t；j為預測時段；i為預測單元；Fji為第j預測時段第i預測單元的面積，km2；Mji為第j預測時段第i預測單元的侵蝕模數(shù)，t·km-2·a-1；ΔMji為第j預測時段第i預測單元的新增侵蝕模數(shù)，t·km-2·a-1；Tji為第j預測時段第i預測單元的預測時段長，a。

3 參數(shù)確定

3.1 預測范圍和預測單元

結(jié)合主體設(shè)計資料分析，本項目的水土流失預測范圍總占地為2.35hm2。在劃分水土流失預測單元時，需要考慮項目的占地種類、各建筑物布設(shè)區(qū)域情況、工程的建設(shè)內(nèi)容、在施工過程中對地表的破壞情況、水土流失影響程度以及地質(zhì)地貌特征等因素。經(jīng)綜合分析，本項目可劃分5個水土流失預測單位，分別為工業(yè)場地區(qū)、外部道路區(qū)、施工生產(chǎn)區(qū)、供熱管線區(qū)以及供電線路區(qū)。水土流失預測范圍及預測單元劃分情況見表1。

表1 水土流失預測范圍及預測單元表

3.2 預測時段

煤礦輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)造成的水資源和泥土資源量按照施工期(含施工準備期)和自然恢復期2個預測時段開展預測與分析；自然恢復期一般取2～5年，根據(jù)工程所在地的降雨量、蒸發(fā)量、溫度以及干旱程度，綜合確定本項目自然恢復期的預測時段為5年。每個預測單元的預測時段應按照最不利的情況考慮，超過雨季長度的按全年計算，不超過雨季長度的按占雨季長度的比例計算[3]。預測時段劃分情況見表2。

表2 各預測單元水土流失預測時段表

3.3 土壤侵蝕模數(shù)的確定

3.3.1 擾動前土壤侵蝕模數(shù)

工程所在地屬于太行山西北部山地丘陵防沙水源涵養(yǎng)區(qū)，植被覆蓋程度相對較弱，容許土壤流失量為200t·km-2·a-1。工程所在地植被主要以灌草為主，常見有檸條叢、黃刺玫叢、沙棘灌叢和荊條灌叢，根據(jù)工程所在地地表植被、土壤狀況、氣象等資料，確定工程所在地土壤侵蝕類型為以中度侵蝕強度為主的水力侵蝕，水力侵蝕模數(shù)背景值為2700t·km-2·a-1。

3.3.2 擾動后土壤侵蝕模數(shù)

工程所在地屬溫帶大陸性季風氣候半干旱區(qū)，多年平均降水量424mm，年蒸發(fā)量在1786.7～2598mm，一般為2066.7mm。根據(jù)工程所在地年降雨量和年蒸發(fā)量，并結(jié)合咨詢相關(guān)專家的結(jié)論，本方案確定工程所在地擾動后土壤侵蝕水蝕模數(shù)為4900t·km-2·a-1。

3.3.3 自然恢復期土壤侵蝕模數(shù)

在自然恢復期，土壤侵蝕模數(shù)將逐年逐漸降低，并最終回歸接近至原地貌水平，即第2年土壤侵蝕模數(shù)比第1年更弱，以此類推。通過對工程所在地的地質(zhì)、地貌和氣候因素進行調(diào)查分析并咨詢專家，預計本工程建設(shè)擾動區(qū)在無人干擾的情況下，將于第5年接近恢復到原地貌水平。不同預測單位施工期和自然恢復期土壤侵蝕模數(shù)匯總見表3。

4 成果分析

利用已經(jīng)確定的預測參數(shù)，通過模型計算對本項目各預測單元在不同施工時間段產(chǎn)生的水土流失量進行了預測。預測結(jié)果見表4。

從表4可以看出，在本工程建設(shè)過程中，共計產(chǎn)生水土流失總量為208.46t，相比于原地地貌而言，工程的建設(shè)導致水土流失量新增91.28t，工程的建設(shè)破壞了地表土壤結(jié)構(gòu)和植被，從而對水土流失生產(chǎn)了負面的影響，引起了更嚴重的水土流失后果。在施工期，新增的水土流失量為51.04t；在自然恢復期新增水土流失量40.24t，施工期長度約為1年，而自然恢復期為5年，因此施工期是產(chǎn)生新增水土流失量強度最大的主要發(fā)生時段。

表3 土壤侵蝕模數(shù)匯總表

表4 土壤流失量匯總表

圖1 分時段新增土壤流失量圖

從圖1可以分析出，在工程施工過程中，新增的水土流失量所占的百分比自然恢復期高出了11.84%，這說明輔助設(shè)施的建設(shè)對于地表地貌的破壞會加速水土流失，主要原因為施工活動會改變土壤結(jié)構(gòu)，使土壤土質(zhì)變得疏松。因此，工程建設(shè)過程是造成水土流失最重要的時間段，本項目的水土流失預測結(jié)果可為建設(shè)單位在今后開展水土流失量監(jiān)測工作時提供理論依據(jù)，應該著重對工程建設(shè)期開展監(jiān)測。工程施工過程中形成的裸露地表土質(zhì)疏松，固土能力較弱。如果不采取行之有效的水土流失防護措施，在短時間內(nèi)發(fā)生強降雨，降水入滲不及時，產(chǎn)生較大的地表徑流時，地表徑流會帶走松散的土壤，產(chǎn)生侵蝕溝，最終導致嚴重的水土流失，這些水土流失現(xiàn)象也將會嚴重影響項目區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境狀況。水土流失不僅會導致土壤的貧瘠化和水資源的浪費，還可能造成土壤侵蝕、河道淤塞、水質(zhì)污染等問題，進而影響到生態(tài)系統(tǒng)的平衡和可持續(xù)發(fā)展。因此，在工程建設(shè)過程中，必須采取有效的水土保持防護措施來預防和治理水土流失。包括合理規(guī)劃施工過程、采取適當?shù)闹脖桓采w和固土措施、構(gòu)建溝道和排水系統(tǒng)等。通過這些措施的實施，可以最大限度地減少水土流失，保護生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

圖2 分區(qū)段新增土壤流失量圖

從圖2可以分析出不同預測分區(qū)新增的土壤流失量多少情況。新增水土流失量最多的分區(qū)為工業(yè)場地區(qū)和供熱管線區(qū)。工業(yè)場地區(qū)新增水土流失量占總新增水土流失總量的47.44%，供熱管線區(qū)占37.26%。因此，工業(yè)場地區(qū)和供熱管線區(qū)是本項目建設(shè)過程中產(chǎn)生水土流失的重點防治區(qū)，在今后的治理中應著重布置水土流失防治措施，也是開展水土保持監(jiān)測工作的重點監(jiān)測區(qū)域。在輔助設(shè)施建設(shè)過程中，應優(yōu)化施工方案，在不影響施工質(zhì)量的情況下，避開雨季施工，盡量縮短施工時段，避免產(chǎn)生大量的臨時堆土，縮短場地平整和裸露時間，加快植被建設(shè)進度，能實施綠化的區(qū)域盡早采取防護措施，有效縮短強流失時段。

5 結(jié)語

我國露天煤炭開采產(chǎn)量在逐年上升；開采規(guī)模在不斷擴大，而且大多數(shù)露天煤礦均分布在生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，露天煤礦輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)及開采對礦區(qū)環(huán)境引發(fā)固體、液體、氣體綜合性破壞和污染巨大[4-6]，采礦的生產(chǎn)和運輸對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境影響巨大。通過水土流失預測，可預測項目施工過程中可能發(fā)生水土流失嚴重的區(qū)域和時間節(jié)點，有助于定量分析水土流失的程度和定性評估其對項目區(qū)的影響程度。如，在可能發(fā)生水土流失嚴重的區(qū)域，可以加強植被覆蓋、構(gòu)建防護溝和擋土墻等措施來減少水土流失。在可能發(fā)生水土流失較輕微的區(qū)域，則可采取相對較簡單的措施，如表層覆蓋和固土措施等。總之，水土流失量的預測和分析對于科學、合理地制定水土保持措施體系非常重要。通過量化分析，幫助建設(shè)單位制定相應的防治策略，盡最大程度降低因工程建設(shè)產(chǎn)生的水土流失及其潛在影響，保護環(huán)境并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。