典型草原礦區排土場邊坡不同治理模式的徑流產沙特征

中圖分類號：S157.1 文獻標志碼：A 文章編號：1008-086（2025）06-018-11

Characteristics of Runoff and Sediment Yield of Different Treatment Modes of Dump Slope in Typical Grassland Mining Area

SHI Pengli ^1，2，3 ，LIU Yanping2，3，GUO Jianying ?^2，3? ，YANG Zhenqi23， FAN Jinsheng4

（1.SchoolofDesertControl，InnerMongoliaAgriculturalUniversity，HohhotOol8，China；2.FieldScientificObservationand ResearchStationofDesertGrasslandEcologyandHydrologyateNorthFootofYinshanMountaininInnerMongolia，ChinaAcademyofWaterResourcesandHdropowerBeijingOo383，China;3.InstituteofWaterResourcesforPastoralAreaiistry ofWaterResources，HohhotO1oO2O，China;4.InnerMongoliaXilinhotCityWaterSupplyandDrainageLimitedLiability Company，InnerMongoliaXilinhot O26OOo，China）

Abstract：Inorder to analysis the characteristicsof runoffand sediment yield under diferent management modes of dump slope in typical grassland mining area，the Hesigewulananopen-pitcoal mine in Xilinguole League was taken as the research object.6 treatments were set up，including mixed grass（HC），mixed grass+shrub （HCG），mixed grass+diamond grid land preparation （HCS），mixed grass+pin-shaped land preparation （HCP），mixed grass+strip land preparation （HCH）and bare slope（CK）.The K-means clustering method was used to divide the rainfalltypes inthestudyarea.Combined with therunoffandsediment yielddataof15 naturalrainfalls inrunoff plotsfrom2021 to 2023，the characteristics of runoff and sediment yield under diferent management modes and their response to rainfallwereanalyzed.Theresultsshowed that，taking rainfall duration，rainfall andrainfall intensityas characteristicindexes，erosiverainfall couldbedivided into3types ofrain，raintypeIshowed shortrainfall duration，smallrainfall，heavyrainfallintensity，rain typeI showed medium rainfall duration，mediumrainfall， mediumrainfall intensity，raintypeIIshowedlongrainfallduration，largerainfall，smallrainfall intensity.There was no uniform rule for the cumulative runoffof various types ofcontrol measures with the change ofrainfaltype. Among them，HC had the leastrunoffin rain typeIwith 36.15L，and HCS had theleastrunoffinrain typeII and II with 36.14and 23.15L，respectively.Under single vegetation measure，the runoffand sediment yield of HC treatment were significantlylessthan those of HCG treatment，and under compositemodes，，the runoff and sediment yield ofHCS treatment were significantlyless than thoseof other treatments.In general，the multi-year cumulative runoff and sediment yield of various types ofcontrol measures showed HCS

Key words：steppe mining area；erosive rainfall；runoff； sediment；erosion control

內蒙古草原資源豐富，面積約86.67萬 km^2[1] 內蒙古典型草原區作為荒漠草原與草甸草原之間的過渡帶，是牧民放牧和農牧產品生產的主要基地，也是我國重要的生態安全屏障。然而東部草原礦區周邊草場處于煤炭開采與放牧的交錯地帶[3]，煤炭開采過程中廢土棄渣經過運輸、排棄、堆置、碾壓等工藝形成排土場。其平臺土表致密，邊坡土表松散陡峭，缺乏植被的保護，在降雨和大風的條件下極易造成水土流失。在暴雨等氣候條件下，排土場匯集的徑流可能會沖刷坡面和道路，從而造成大量徑流灌縫，影響排土場邊坡的穩定性，誘發崩塌、滑坡和坡面泥石流，嚴重危害人類生命安全，因此，解決排土場水土流失問題迫在眉睫。

礦區排土場邊坡針對水土流失采取了多種類型的治理措施，包括植物措施[6]、工程措施]復合措施[9-10]及土壤改良措施[11-12]，通過這些措施水力侵蝕狀況有了明顯的改善。郭建英等通過對草原礦區不同治理模式的產流產沙特征進行對比發現，生物 + 工程混合措施控制水土流失的效果要好于單一的生物治理措施；田秀民等通過對比排土場平臺不同微地形改造下的減流減沙效益得出，組合微地形改造 + 植物措施的防護效果最優。已有許多學者對不同治理措施下自然環境驅動因素，如降雨特征、土壤[3]、植被覆蓋度[4]等對產流產沙特征的影響進行了研究，結果表明，降雨是引起水土流失的先決條件和主要驅動力[5]，不同雨型對坡面土壤侵蝕的影響程度不同[16-18]。楊振奇等19在分析裸露砥砂巖區不同類型降雨特征的基礎上，對比不同類型人工林地侵蝕特征；曹美晨等2分析黃土丘陵溝壑區不同土地利用方式坡面在不同降雨量、不同坡度下的產流產沙特征，評價不同土地利用方式的水土保持效益;陳洋等[21]針對紅壤區復雜降雨模式、典型植被結構進行研究，揭示了水土流失對不同類型降雨模式、植被結構的響應特征。綜上所述，關于不同治理措施產流產沙量對降雨的響應特征雖已開展研究，但多集中于砥砂巖區、南方紅壤區等，相對于人工再塑侵蝕地貌一一排土場邊坡，因其質地松散、蓄水能力差，水土流失特性與其他原貌相比差異巨大[22]，而典型草原礦區天然的降雨特征、天然降雨對邊坡產流產沙的影響以及各徑流小區產流產沙量與降雨特征參數的關系等問題尚不明確，為此，本研究采用天然降雨觀測與徑流小區監測的方法，研究排土場邊坡不同治理措施下的產流產沙特征，分析不同徑流小區產流產沙量與降雨特征參數間的關系，為探究典型草原礦區排土場邊坡侵蝕機理提供理論與數據支撐，以期為礦區排土場邊坡水土流失治理提供技術指導。

1材料與方法

1.1 研究區概況

賀斯格烏拉南露天煤礦位于內蒙古錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗巴彥胡碩鎮東北部 67km ，屬烏拉蓋開發區管轄范圍，地理坐標為（1980年西安坐標系） 119^°14^′25^′′E 。煤礦于2006年開始建設，2007年投入生產。露天煤礦開采時需要剝離煤層上方的表土23，在這個過程中廢土棄渣經過運輸、排棄、堆置、碾壓等工藝24形成一種平臺巖土緊實、邊坡高陡松散的巨型人工堆積體——排土場4。排土場表層覆土約 20cm ，下層為泥巖、母質和其他混層疏松物質，質地黏重，通氣透水性較差。研究區為礦田西南側的南外排土場，南外排土場占地面積 8.25km² ，容量 438.37Mm³ ，最大排棄高度120m ，臺階高度 15m ，為一級排土場。土壤侵蝕總體上屬于輕度侵蝕區，侵蝕類型以水力侵蝕為主，其次為風力侵蝕。

研究區氣溫偏低，冷季較長，其中1月最冷，7月最熱，年均氣溫 10^°C ；作物生長期短，無霜期85＼～124d；年均降水量 342mm ，主要集中在6—8月，占全年降水量的 68.9% ，其中7月降水量最大，年均 70.6mm，1 月降水量最小，僅為 1.8mm ，各月降水量的變化趨勢為1—3月變化緩慢，4—7月迅速增加，8—10月劇減，11—12月變化不大。該區地勢平坦，土壤主要是黑鈣土、草甸土和栗鈣土等地帶性土壤類型，還有風沙土、鹽漬土、沼澤土等隱域性土壤。

1.2試驗設計

根據郭建英等25的研究結果，在前3年，排土場的沉降量可達總沉降量的 80% 以上。因此，于2020年選擇沉降3年、坡度平緩均一的排土場邊坡，設置混草（HC）、混草 + 灌木（HCG）、混草 + 菱形網格整地（HCS）、混草 + 品字形整地（HCP）、混草 + 行帶狀整地（HCH）裸坡（CK）6種處理（表1），每處理重復3次，共布設18個徑流小區。每小區長10m ，寬 3m 。小區上部和邊緣均使用水泥漿砌成高 0.2m 寬 0.1m 的隔水墻，小區下方設置半徑為 0.05m 的導流管，小區下部邊緣設置集流槽并用水泥抹面；集流池為訂制圓柱形鐵桶，鐵桶容積為 2.0m³ ，半徑 0.8m ，深 1.0m 。小區間鋪設 0.5m 的步道以方便取樣（圖1）。徑流小區 _0-10cm 土層的土壤容重 1.31g?cm^-2 ，最大持水量 375.91g?kg^-1 土壤粒徑 2～0.05.0.06～0.002.lt;0.002 級占比分別為 37.09%.40.73%.22.19% ，土壤質地為壤土。

1.3試驗方法

1.3.1 指標測定各徑流小區監測場外安裝美國

HoBoU30便攜式氣象站及配套產品對降雨過程進行監測。于2021—2023年7—8月進行取樣。首先，在降雨產流后，用量筒精確測量集流桶中的徑流量；其次，對徑流桶中的泥沙進行取樣，測定泥沙含量。具體步驟如下：充分攪拌徑流桶中的渾水，使之充分搖勻，利用取樣瓶收集 500mL 混合的渾水樣本帶回實驗室，靜置待泥沙充分沉淀后過濾，在 105^°C 下烘干并稱重，計算泥沙含量；最后，利用徑流量和泥沙含量計算產沙量。按照以下公式計算降雨侵蝕力指數 （R） 、減流率 （P_L） 和減沙率 （P_s） 。

R=E×I₃₀

P_L=（L_d-L_n）/L_d

P_s=（S_d-S_n）/S_d

式中， E 為單次降雨事件的降雨總動能； I₃₀ 為最大 30min 降雨強度； L_d 為裸坡徑流量（L）； L_n 為其他不同治理模式下徑流小區的徑流量（L）； S_d 為裸坡泥沙量（G）： S_n 是其他不同治理模式下徑流小區的泥沙量（G）。

1.3.2降雨類型劃分本研究以157場有效降雨為統計樣本，參照中國氣象局頒布的降水強度等級劃分標準并結合前人研究[21.26]，以降雨歷時、降雨量和平均雨強為分類變量進行K-均值聚類分析，劃分雨型。

1.3.3降雨與產流產沙關系分析采用雙變量相關分析中的Spearman 相關矩陣法對小區徑流量、產沙量與降雨特征參數進行相關性分析。

1.4 數據分析

運用Excel2010、SPSS27軟件以及Origin2022軟件對采集到的數據進行整理分析并制圖。

2 結果與分析

2.1 研究區降雨特征

研究區2019—2023年的年均降雨量為328.96mm 。由圖2可知，年內降雨分布不均勻，主要集中于6一8月，約占年均降雨量的 75.52% ，其中7月的降雨量最大，約占全年總降雨量的 29.62% 。

2.2 降雨雨型劃分

根據降雨量、降雨歷時、降雨強度可將研究區的降雨分為3種類型，分類函數均通過顯著性檢驗 Plt;0.001 ），表明聚類效果較好。由圖3可知，3種雨型分別聚集在3個相對集中的區域，不同雨型間，雨型I、Ⅱ邊界相接，且都與雨型Ⅲ分界明顯。由此說明，3種雨型特征的變化程度相對中等，雨型I、Ⅱ間較為相似，而雨型與Ⅲ間差異明顯。

由表2可知，雨型I表現為降雨歷時短、降雨量小、降雨強度大；雨型Ⅱ表現為降雨歷時中等、降雨量中、降雨強度中；雨型Ⅲ表現為降雨歷時長、降雨量大、降雨強度小。雨型I、Ⅱ、Ⅱ各有84、54、19場，分別占 53.5%.34.4%.12.1% 。3種雨型的平均降雨侵蝕力表現為雨型 Igt; 雨型 |gt; 雨型Ⅱ，即雨型I的平均降雨侵蝕力最大，分別是雨型Ⅱ和Ⅲ的1.40和1.07倍。因此，雨型I為研究區發生頻率最高且降雨侵蝕力最大的降雨類型，極易造成水土流失。

2.3不同治理模式下徑流、產沙特征

為減少不同時間尺度下土壤含水量與植被生長狀況對小區徑流、產沙的影響，選擇2021—2023年植被生長茂盛且天然降雨充沛集中的7、8月的徑流、產沙數據進行分析。由圖4可知，各治理模式徑流小區的累積徑流量和產沙量均顯著低于對照，不同治理模式表現為HCS ，說明各治理模式均可有效減緩坡面土壤侵蝕，組合不同整地措施，塑造了不同形態的微地形，改變了徑流路徑。在單一植被措施下，HC處理的累積徑流量和產沙量分別為192.72L和643.72G，顯著低于HCG處理，說明單一混草治理模式較混草 + 灌木治理模式具有更好的蓄水保土效應，這可能是因為研究區秋冬季較長，春夏季較短，而灌木生長需要較長的時間，因此當地灌木植株長勢不好，植株較小，阻擋徑流泥沙的效果較弱；在復合模式下，HCS、HCP、HCH處理的累積徑流量和產沙量均存在顯著差異，其中HCS處理的累積徑流量和產沙量最少，分別為115.16L和147.35G，說明相較于其他整地措施，菱形狀整地措施對徑流泥沙的調控效果最好。

分析不同治理措施的減流、減沙效應，結果（圖4）表明，各治理模式的減流、減沙效益表現為HCSgt;HCHgt;HCPgt;HCgt;HCG，其中HCS處理的減流率、減沙率分別為 74.94%.93.83% ，顯著高于其他處理，說明菱形網格微地形重塑對水沙的控制效果最好；其他4種處理的減流率差異較小，為 54.00% 264.94% ，減沙率存在一定差異，為 63.41%～ 93.96% ，減沙率高于減流率，表明各治理措施的減沙效果優于減流效果。

研究區不同雨型的累積徑流量、產沙量均表現為雨型Ilt;雨型Ⅱlt;雨型Ⅲ。雨型Ⅲ導致的徑流量和產沙量最大，分別為 23.15～169.80L 和41.73＼～1011.58G；雨型I導致徑流量和產沙量最小，分別為36.15＼～148.43L和 35.70～518.25G 。由此表明，該地區雨型Ⅲ導致的土壤侵蝕最嚴重。

由圖5可知，在雨型I下，HC處理的徑流量最小，為36.15L，HCS的產沙量最小，為35.70G，均顯著低于其他處理;在雨型ⅡI、ⅢI下，HCS處理的徑流量、產沙量均最小，并顯著低于其他處理。以上結果表明，不同治理模式下的減流效應對降雨類型的響應存在一定差異，其中單一植被措施對小雨量的減流效果較好；隨著雨量的增加，植被 + 整地復合措施的蓄水攔水效果增強。

由表3可知，2021年研究區徑流小區的徑流產沙最為嚴重，年均徑流量為 201.43L ，年均產沙量為828.03G；隨著時間的推移，年均徑流量顯著減少。由此表明，隨著治理年限的增加，各治理模式的減流效益越來越明顯。

表2不同降雨雨型指標特征

注：不同小寫字母表示不同處理間在 Plt;0.05 水平差異顯著。

Note：Differentlowercaseletters indicate significantdifferences betweendifferenttreatmentsat Plt;0.05 level.

注：不同小寫字母表示不同處理間在 Plt;0.05 水平差異顯著。

Note：Diferent lowercase letters indicate significant differences between different treatments at Plt;0.05 level.

2.4不同治理模式產流產沙量與降雨特征參數的相關分析

相關性分析結果（表4）表明，坡面徑流量和產沙量與各影響因素間關系密切。徑流量與降雨量、降雨動能、降雨侵蝕力、最大 30min 降雨強度呈極顯著正相關，與降雨歷時呈顯著正相關；相關系數表現為降雨量 gt; 降雨動能 gt; 降雨侵蝕力gt;最大30分鐘雨強 gt; 降雨歷時，說明降雨量是影響土壤徑流量的最主要的降雨因子。徑流量與產沙量呈極顯著正相關關系，說明各治理措施在調控徑流量的同時可有效攔截泥沙。

進一步分析各治理模式下降雨特征參數與徑流量、產沙量的關系，結果（表5）表明，不同治理模式下的徑流量和產沙量對各降雨參數的響應存在差異。HCS處理下，徑流量與各降雨參數相關不顯著；CK處理下，徑流量、產沙量與除降雨強度外的其他降雨參數間均呈極顯著相關。由此表明，HCS處理下徑流量受降雨影響較小，而裸坡的徑流量、產沙量受降雨影響較大。

3討論

3.1不同降雨類型下邊坡產流產沙的響應

降雨及其產生的徑流是造成土壤侵蝕的主要動力[2。在本研究中，歷時短、雨量小、雨強大的雨型I在5年中的發生頻率為 53.50% ，平均降雨侵蝕力較大，是區域常見降雨類型；而雨型Ⅱ的多年累積徑流量、產沙量最大，分別是雨型I的1.19和2.16倍。這主要是由于降雨初期土壤含水量不斷增加，當土壤含水量達到飽和時，坡面產生徑流，此時由于降雨量較大，降雨還在發生從而產生較多徑流，徑流流失會攜帶大量泥沙，因此研究區需特別加強對雨型Ⅲ的防控。

不同降雨類型對坡面徑流、產沙的影響不同，在雨型I下，HC處理的減流率最佳，為 75.63% ：在雨型Ⅱ和Ⅲ下，減流效益逐漸降低。這可能是由于在小雨量、短歷時的降雨條件下，植被的截留能力最好，土壤含水率較低，人滲速率較快，因此僅少部分降雨被轉化為地表徑流；而在大雨量、長歷時的降雨條件下，降雨量逐漸增加，植被截留效果減弱，土壤水分快速達到飽和，從而使下滲量較低，產生較多徑流[8.21]。

3.2不同治理模式下邊坡產流產沙的響應

本研究表明，采用水土保持措施處理的徑流量和產沙量均顯著低于裸坡，這與杜映妮等4、游微等28的研究結果一致。植被可以通過冠層或莖葉部分來攔截雨滴、增加入滲，工程措施可以通過改變地表微地形，降低徑流侵蝕動力，減少土壤侵蝕量，從而達到水土保持的作用。

研究發現，大型排土場平臺采用單一或組合的微地形重塑措施對水沙的調控效果均好于單一措施[-0]，這與本研究結果一致。總體來看，聚乳酸（polylacticacid，PLA）沙袋沙障的減流、減沙效果最好，這可能是因為當僅布設單一植被措施時，降雨量較大而植株較小，因此對徑流的削減能力、攔截能力有限，產生的徑流量較多，同時坡上徑流向下運動時有足夠的加速空間，坡面徑流會由分散水流逐漸變成集中水流，攜帶大量泥沙，因此布設單一植被模式的蓄水減沙效益較差。當PLA沙障呈菱形布設于徑流小區時，將坡面分割成小空間，改變了徑流路徑，使匯流路徑變短，從而可有效避免匯集成具有較大流速和動能的股流，并且徑流在經過PLA沙障時，由于其具有較高吸水性，可減少徑流水動力，使降雨慢慢入滲。HCH處理使用PVC管，將其呈條狀排列于徑流小區，雖然在一定程度上緩解或阻礙了橫向的水沙運輸，但由于PVC管兩端并未完全與徑流小區連接，因此沒有攔截縱向的徑流，并且橫向徑流可能會匯集在一起形成股流，使得徑流量和產沙量增加。HCP處理僅使用PVC桶對徑流進行阻擋，以減少徑流動能，但未阻攔水沙運移。因此上述3個復合治理措施中，HCS處理的徑流量和產沙量均較少，HCP處理的水沙調控效果最差。本研究創新了整地措施材料，生物基可降解PLA沙障通常情況下作為一種新型的固沙材料常用于沙漠地區，表現為較強的抗風蝕效果[29]。本研究發現，PLA沙障還具有較好的抗水蝕效果。未來，應加大混草 +PLA 沙障模式在草原礦區排土場水土保持工作中的推廣應用。

3.3降雨對不同治理模式產流產沙量的影響

本研究表明，降雨量是影響徑流量、產沙量的主要因子，與張哲等3研究結果一致。各降雨參數對不同治理模式的影響程度不同，HCS處理下徑流量和產沙量與各降雨參數相關不顯著，而裸坡處理下徑流量和產沙量與各降雨參數呈極顯著相關，這與張春霞等研究結果一致。分析原因可能是因為徑流攔截率不僅受瞬時變量（降雨特征）影響，也受穩定變量（植被與土壤條件、沙障特殊材質）控制，且受穩定變量的影響大于瞬時變量，而裸地既無植被也無整地措施，因此裸地的徑流量和產沙量受降雨影響較大。未來在分析不同治理措施的減流、減沙效益時，應考慮多種變量的綜合影響，并進行多年連續觀測，使研究結果更準確，為排土場的水土保持工作提供更具有參考價值的理論依據。

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