開發(fā)建設(shè)中擾動地面新增水土流失研究

羅 婷，王文龍，2，李宏偉，白 蕓

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

新增水土流失量是指建設(shè)項目在基建過程中由于破壞原地貌、水保設(shè)施和生產(chǎn)運行期生產(chǎn)性棄渣造成的水土流失量的增加值［1］。煤田等開發(fā)建設(shè)項目在開發(fā)建設(shè)過程中勢必破壞地表原有植被和原有土壤結(jié)構(gòu)，改變地形、地貌，形成了大量的人為擾動地面。人為擾動地面幾乎沒有植被覆蓋，在侵蝕外營力作用下極易發(fā)生水土流失。神府東勝礦區(qū)人為擾動地面新增水土流失對該區(qū)環(huán)境的壓力越來越大，已成為該區(qū)最大的環(huán)境問題。因此，闡明新增水土流失發(fā)生發(fā)展規(guī)律，及時準(zhǔn)確預(yù)測新增水土流失量及其發(fā)生部位，并提出防治對策，對防止礦區(qū)人為新增水土流失具有重要的意義［2－4］。

擾動地面是指因人類活動（如礦產(chǎn)開發(fā)、修筑公路鐵路、建筑取土、采石等）破壞原有土壤結(jié)構(gòu)和植被而造成的一種易侵蝕的新侵蝕界面。它是煤田等開發(fā)建設(shè)項目新增水土流失來源的主要下墊面之一，抓住了這類下墊面上的新增水土流失量就抓住了人為水土流失的一個主要部分。因為任何開發(fā)建設(shè)項目產(chǎn)生水土流失的主要方式都不外乎棄土棄渣和人為擾動地面這兩類下墊面［5］。因此，研究神府東勝礦區(qū)人為擾動地面新增水土流失量對該區(qū)邊開采邊治理水土流失提供了重要的科學(xué)依據(jù)，也供其他開發(fā)建設(shè)項目借鑒。

目前，雖然對煤礦開采造成的水土流失有了不少的研究，但多集于在野外調(diào)查和室內(nèi)模擬降雨試驗，且多集中于棄土棄渣體水土流失的研究，野外放水沖刷試驗和對擾動地面水土流失的研究比較少。因此，本文采用野外放水沖刷試驗的研究方法，對神府東勝煤田開發(fā)建設(shè)中產(chǎn)生的擾動地面產(chǎn)流及侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律進行了研究，并分析計算了新增水土流失量，以期闡明該礦區(qū)人為新增水土流失的基本規(guī)律，為新增水土流失預(yù)測和防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況與試驗布設(shè)

1.1 試驗區(qū)概況

神府東勝煤田屬國家特大型煤炭生產(chǎn)基地，地處陜西省神木縣北部、府谷縣西部，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的伊金霍洛旗及東勝區(qū)南部和準(zhǔn)格爾旗的西南部［6］。煤田面積達3.12萬km2，探明儲量2 236億t，遠(yuǎn)景儲量高達10 000億t，占全國探明儲量的1／4［7］。礦區(qū)屬于干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔1 329.8m，春季冷暖交替，風(fēng)沙侵襲頻繁；夏季炎熱而短促，多暴雨且相當(dāng)集中；冬季漫長嚴(yán)寒，干燥少雪多風(fēng)［8］。區(qū)內(nèi)沙漠化土地面積占57%，沙漠化土地年自然增長率0.5%。由于地表物質(zhì)組成疏松、植被稀少、氣候干旱、多風(fēng)沙、加之地處暴雨中心，洪水大，含沙量高，自然災(zāi)害頻繁，水土流失十分嚴(yán)重。礦區(qū)水蝕、風(fēng)蝕范圍廣、強度大，風(fēng)蝕面積占礦區(qū)面積的92%，水蝕面積占77%。水蝕、風(fēng)蝕在時間、空間上交替進行，構(gòu)成了水蝕、風(fēng)蝕交加的復(fù)合侵蝕區(qū)［9］。正是煤田地理位置的特殊性決定了該區(qū)地域上的過渡性、環(huán)境上的脆弱性、敏感性和嚴(yán)酷性以及水土流失的嚴(yán)重性［10］。

1.2 試驗布設(shè)與方法

試驗區(qū)位于神木縣西溝鄉(xiāng)六道溝村的一片撂荒地上。本試驗選取原始坡面、擾動坡面兩種類型下墊面進行放水沖刷試驗研究。原始地面是指沒有耕種農(nóng)作的、廢棄的、沒有人工擾動的撂荒地；由于各類開發(fā)建設(shè)項目在開發(fā)建設(shè)過程中對地表擾動的強度不一，很難模擬真實的擾動情形，本文擾動地面模擬試驗是指用鐵鍬將原地面翻動20cm的土層，然后用鐵耙將其平整模擬形成的。其土壤容重在1.14～1.24 g／cm3之間。試驗小區(qū)為1m×10m，四周用1mm厚的鋼板插入地下0.15m圍住，地上露出0.1m使小區(qū)邊界條件控制一致，鋼板與小區(qū)四周之間的縫隙用濕黏土填塞，以防止小區(qū)內(nèi)外的水分交換和小區(qū)內(nèi)的徑流沿鋼板邊緣下滲。小區(qū)上方放置一個與小區(qū)寬度相等、緊貼地面、緊靠小區(qū)頂端并嵌入地下的溢流箱，保證在試驗小區(qū)上部水流是均勻的，并以薄層水流的形式向下流動。小區(qū)下方放置集流槽，在出口處用集流桶收集徑流泥沙樣，以計算路面徑流泥沙過程。在小區(qū)頂端8～15m處放置體積為2m3的水箱，水泵給水箱不斷地供水，然后由汽油泵抽出給試驗小區(qū)供水（圖1）。在出水管處上端安裝兩個閘閥控制流量，流量分別率定2次，前后兩次誤差不超過5%。沿著小區(qū)縱向從上到下劃分3個斷面，每個斷面長1m，分別在2～3，5～6，8～9m處設(shè)置斷面，以測定流速、流寬及流深。試驗開始前，測定土壤容重、土壤含水量等，開始后，將溫度計放入溢流箱內(nèi)，并記錄產(chǎn)流時間。產(chǎn)流5min內(nèi)每1min取1次徑流泥沙樣，5min后每3min取1次。試驗時間為45 min，其中不包括產(chǎn)流時間。放水沖刷結(jié)束后，測量細(xì)溝的上寬、下寬和溝深。坡面流速采用高錳酸鉀示蹤法，用薄鋼尺量測各個斷面的徑流寬度，測量水深時用薄鋼尺在各斷面取三點量測取三者平均值為流深。放水流量按照神府東勝地區(qū)暴雨發(fā)生頻率在試驗小區(qū)上產(chǎn)生的單寬流量得到，采用5個放水流量：5，10，15，20，25L／min，3個坡度：5°，10°，18°。試驗結(jié)束后，用量筒測定各個徑流樣體積，用烘干法測定泥沙量。

圖1 野外放水沖刷試驗示意圖

2 結(jié)果與分析

由于不同放水流量、不同坡度條件下，土壤入滲率、徑流量以及侵蝕產(chǎn)沙隨時間的變化規(guī)律相似，所以本文僅選取以10°坡面、15L／min放水流量為例，以相同坡度、相同放水流量的原始地面為對照進行分析。

根據(jù)試驗實測資料，將兩種不同類型下墊面的平均入滲率、平均徑流量、平均含沙量、平均產(chǎn)沙量的計算結(jié)果列入表1。

表1 兩種不同類型下墊面產(chǎn)流、產(chǎn)沙的平均值

2.1 擾動地面新增水土流失機理

在開發(fā)建設(shè)過程中，由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)或不合理的人類活動擾動地表，從而改變了原地表形態(tài)、物質(zhì)組成，產(chǎn)生了新的侵蝕界面，其抵抗侵蝕的能力與原生地面相比大為降低。這種新的侵蝕界面相對原生地面土壤結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)均發(fā)生變化，必然導(dǎo)致降雨入滲和降雨徑流規(guī)律的變化，進而引起侵蝕產(chǎn)沙的變化，而擾動下墊面上的土壤侵蝕要比原生地面劇烈的多，即擾動下墊面比原地面的水土流失增加了［5，11］。下面以原始地面作為對比參考基準(zhǔn)，主要從兩種不同類型下墊面的土壤入滲率、徑流量隨時間變化規(guī)律來分析擾動地面新增水土流失機理。

2.1.1 擾動地面土壤入滲率隨時間的變化規(guī)律 入滲是指水分通過土壤表面垂直向下進入土壤和地下的運動過程［12］。一般來說，土壤入滲過程不參與坡面流的流動，它主要影響了產(chǎn)流過程和產(chǎn)流量。下墊面不同，土壤水分入滲過程也不相同。土壤入滲率用公式（1）來進行計算［13］。

式中：K——土壤入滲率（mm／min）；r——降雨強度（mm／min）；θ——坡度（°）；k——將產(chǎn)流量換算成水的體積的轉(zhuǎn)換系數(shù)，取k＝0.1cm3／g；F——時間間隔t內(nèi)的產(chǎn)流量（g）；A——土槽截面積（cm2）；t——時間間隔（min）。

從圖2中知，在相同放水流量、相同坡度的兩種下墊面條件下，達到穩(wěn)滲所需的時間基本相同（大約15min后），但兩種不同類型下墊面對土壤入滲率均有顯著影響，并具有一定的差異性。在放水沖刷初期，即大約6min內(nèi)，擾動地面的土壤入滲率明顯大于原始地面，且急劇減??；從6min開始，擾動地面的土壤入滲率小于原始坡面。圖2中曲線的共同特點是：初滲率大，并隨著時間的推移兩種類型下墊面的土壤入滲率均呈先減小后平穩(wěn)的趨勢。這是因為：（1）放水沖刷前，兩種下墊面的初始土壤含水率基本控制在同一水平且很低，故放水沖刷初期，兩種下墊面的土壤吸水力均很大，此時的入滲率也大。（2）原始地面未經(jīng)人為擾動，土壤結(jié)構(gòu)緊密，地表存在生物結(jié)皮，水分不易下滲，故土壤入滲率??；擾動地面經(jīng)過人為的翻動，土壤的結(jié)構(gòu)被破壞，表面密實度減小，表面土壤顆粒間的孔隙增大，同時也消除了地表生物結(jié)皮對水分入滲的影響，故在放水沖刷初期土壤入滲率很大，并且在短時間內(nèi)急劇減小。隨著沖刷時間的延長，土壤開始逐漸變得濕潤，土壤吸力下降，土壤中的孔隙逐漸被水分填滿，入滲率也隨之減小；達到穩(wěn)定入滲階段后，穩(wěn)滲率大小排序為：原始地面＞擾動地面。

圖2 兩種下墊面土壤入滲率隨時間變化對比

從表1可以看出，在相同放水流量、相同坡度下，原始地面的平均土壤入滲率為0.388mm／min，而擾動地面的土壤平均入滲率為0.273mm／min，原始地面的土壤平均入滲率較擾動地面增加了30%，可見，在整個沖刷過程中，原始地面水分入滲多，產(chǎn)生的徑流量小，侵蝕力弱。

2.1.2 擾動地面徑流量隨時間的變化 徑流是坡面侵蝕產(chǎn)生的主要營動力，又是土壤輸移的載體。分析兩種不同類型下墊面放水沖刷試驗的資料，得到放水沖刷過程中兩種不同類型下墊面徑流量隨時間的變化規(guī)律。由圖3知，在相同放水流量、相同坡度條件下，兩種不同類型下墊面的徑流量隨時間的增加而增加。大約在開始沖刷的前6min內(nèi)，兩種不同類型下墊面的徑流量很小，且原始地面＞擾動地面，6min后，徑流量迅速增大，原始地面＜擾動地面，大約10 min后基本趨于穩(wěn)定。其原因在于：在放水沖刷初期，土壤入滲率比較大，故徑流量小。又由于在沖刷初期，擾動地面的土壤入滲率比原始地面的大，所以擾動地面的徑流量比原始地面的小。當(dāng)土壤入滲減緩時，徑流量迅速增大，達到穩(wěn)滲階段后，徑流量也基本圍繞一個常數(shù)上下波動。與擾動地面不同的是原始地面因地表覆蓋（苔蘚、雜草等）和蟲洞、根孔等的存在而具有較大的入滲能力，故產(chǎn)流量小。同時，從圖3還可以看出，在相同放水流量、相同坡度下，兩種下墊面的累積徑流量也隨時間的增加而增加，且擾動地面＞原始地面。

圖3 兩種下墊面徑流量隨時間變化規(guī)律對比

由表1可知，在放水流量和坡度均相同的條件下，擾動地面的平均徑流量較原始地面增加14%，可見，經(jīng)人為擾動的地面更容易發(fā)生水土流失。

2.2 擾動地面新增水土流失量研究

2.2.1 擾動地面侵蝕產(chǎn)沙隨時間的變化規(guī)律 根據(jù)試驗實測資料，將相同放水流量和坡度下，兩種不同類型下墊面的含沙量與時間的關(guān)系點繪于圖4。從圖中可以看出，原始地面的徑流含沙量很低，且隨時間的推移維持在一個常數(shù)水平；擾動地面的徑流含沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始地面的徑流含沙量，并隨著時間的推移迅速降低，然后維持在一個較低水平。擾動地面的徑流含沙量變化可以分為三個階段：0—15min是含沙量高度變化期、15—30min是含沙量微弱變化期、30—45 min是含沙量穩(wěn)定期。原始地面的徑流含沙量在放水沖刷過程中沒有顯著變化，而擾動地面的徑流含沙量則由高明顯降低，這說明了在放水沖刷初期，土壤侵蝕劇烈，相比之下在放水沖刷后期土壤侵蝕量較小。這與沖刷過程中兩種不同類型下墊面的土壤入滲率和坡面徑流的變化有關(guān)。從以上的分析可知，在開始沖刷的最初6min內(nèi)，擾動地面的土壤入滲率最大，徑流量最小，這導(dǎo)致大部分水流通過入滲進入土壤，土壤水分很快接近飽和，隨著沖刷的持續(xù)，土壤入滲率很快減小，徑流量迅速增大，徑流侵蝕力也很快加強，因此在0—15min內(nèi)，擾動地面的徑流含沙量最大；而在15—30min內(nèi)，由于侵蝕溝的溝床漸漸趨于穩(wěn)定，所以徑流含沙量漸漸減?。划?dāng)溝床穩(wěn)定后，徑流含沙量也趨于穩(wěn)定，即30—45min是徑流含沙量的穩(wěn)定期。對未經(jīng)人為擾動的原始地面而言，由于密實的土壤結(jié)構(gòu)和地表植被物等的影響，土壤抗蝕力強，在整個沖刷過程中，徑流含沙量很低且維持在一個常數(shù)水平。

圖4 兩種下墊面含沙量隨時間變化規(guī)律對比

圖5是相同放水流量和坡度下，兩種不同類型下墊面的產(chǎn)沙量與時間的變化關(guān)系。圖5說明，擾動地面的產(chǎn)沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始地面的產(chǎn)沙量，0—15min是侵蝕產(chǎn)沙的高峰期，最高峰值達3 371.4g／min，隨后產(chǎn)沙量隨時間的推移迅速降低，在24min時又出現(xiàn)了一個峰值，其值為863.8g／min。從圖5中還可以看出，擾動地面的累積產(chǎn)沙量隨時間的延續(xù)呈增大趨勢，原始地面的產(chǎn)沙量很低，且隨時間的延續(xù)幾乎維持在一個常數(shù)水平變化，其值在80～130g／min之間。

由表1可知，原始地面的平均含沙量為4.523g／L，平均產(chǎn)沙量為116.05g／min；擾動地面的平均含沙量為103.250g／L，平均產(chǎn)沙量為1 047.68g／min。擾動地面的平均含沙量較原始地面增加了96%左右，平均產(chǎn)沙量增加了89%，可見，原始地面經(jīng)人為不合理的擾動后，土壤抗蝕力減弱，更易發(fā)生土壤侵蝕，導(dǎo)致水土流失加劇。

圖5 兩種下墊面產(chǎn)沙量隨時間變化規(guī)律對比

2.2.2 擾動地面新增水土流失量 新增水土流失量用公式（2）進行計算［14］：ΔMs＝Ms1－Ms（2）

式中：ΔMs——新增侵蝕量（g）；Ms1——擾動后的侵蝕量（g）；Ms——原地面侵蝕量（g）。

為了對比分析坡度和放水流量對擾動地面新增水土流失量的影響程度，下面以3個坡度和5種放水流量的不同組合進行分析并用式（2）計算得出新增水土流失量。

根據(jù)試驗資料，以原始地面上的侵蝕產(chǎn)沙特征作為對比參考基準(zhǔn)，計算出不同放水流量、不同坡度下擾動地面的新增土壤流失量。其與放水流量、坡度的關(guān)系見圖6。

圖6 新增侵蝕量隨放水流量和坡度的變化規(guī)律

從圖6中可以看出，不同放水流量、不同坡度組合引起的新增土壤流失量各不相同，放水流量和坡度越大，產(chǎn)生的新增土壤流失量越大。同時，當(dāng)放水流量一定時，坡度越大，產(chǎn)生的新增土壤流失量越大，當(dāng)坡度一定時，放水流量越大，產(chǎn)生的新增水土流失量也越大。通過SPSS軟件分別分析了放水流量與坡度對擾動地面新增土壤流失量的影響，發(fā)現(xiàn)放水流量對擾動地面新增土壤流失量的影響大于坡度。

通過計算將不同放水流量、不同坡度下原始地面、擾動地面的侵蝕總量及新增侵蝕總量匯總于表2。由表2可知，在放水流量為5，10，15，20，25L／min的條件下，坡度為10°時，新增土壤流失量均最大，分別較原始地面增加97%，94%，88%，82%，71%。同一坡度條件下，放水流量越小，土壤流失量增加的百分比就越大，反之，則越小。其原因是：當(dāng)放水流量較小時，產(chǎn)生的徑流量小，徑流沖刷力弱，又因為原始地表的土壤抗蝕力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于擾動地面的土壤抗蝕力，故原始地面的土壤流失量小。當(dāng)放水流量增大時，產(chǎn)生的徑流量大，徑流沖刷力強，原始地表土壤抵抗徑流沖刷的能力漸漸減弱，導(dǎo)致土壤流失量增大。

表2 兩種不同類型下墊面條件下土壤侵蝕量及新增侵蝕量

運用SPSS軟件擬合新增水土流失量與流量、坡度的復(fù)合關(guān)系式如下：

式中：ΔW——新增土壤侵蝕量（g）；Q——放水流量（L／min）；S——坡度因子（°）。

式（3）說明擬合方程顯著性高，相關(guān)系數(shù)大，說明流量和坡度是影響新增水土流失量的主要因子，且流量對其的影響大于坡度。

3 結(jié)論

（1）相同放水流量和坡度條件下，不同類型下墊面對土壤入滲速率的影響差異性較大，在開始沖刷的前6min內(nèi)，擾動地面＞原始地面，從6min開始，擾動地面＜原始地面，擾動地面的土壤平均入滲率較原始地面小30%。

（2）在相同放水流量、相同坡度條件下，不同類型下墊面的徑流量、累積徑流量隨時間的增加而增加。大約在開始沖刷的前6min內(nèi)，兩種不同類型下墊面的徑流量很小，且原始地面＞擾動地面；在6min后，徑流量迅速增大，且原始地面＜擾動地面；大約10min后徑流量基本趨于一穩(wěn)定值變化。擾動地面的平均徑流量較原始地面增加14%左右。

（3）在放水流量和坡度都相同的條件下，原始地面的侵蝕產(chǎn)沙在整個放水沖刷過程中沒有顯著變化，基本維持在一個常數(shù)水平。擾動地面的侵蝕產(chǎn)沙高峰期出現(xiàn)在放水沖刷初期0～15min內(nèi)，此后侵蝕產(chǎn)沙隨沖刷歷時的延長而下降并最終趨于穩(wěn)定。擾動地面的平均含沙量較原始地面增加96%，平均產(chǎn)沙量增加89%。

（4）不同放水流量、不同坡度組合導(dǎo)致的新增土壤流失量各不相同，放水流量和坡度越大，產(chǎn)生的新增土壤流失量越大。當(dāng)坡度為10°時，擾動地面的新增土壤流失量增幅最大。不同坡度條件下，放水流量越小，擾動地面新增土壤流失量的百分比就越大，反之，則越小。新增水土流失量與流量、坡度的復(fù)合關(guān)系式為ΔW＝144.644Q＋128.139S－1631.127。

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