神府东胜煤田不同下垫面侵蚀特征野外试验

罗婷，李宏伟，詹松，李建明，王文龙，，4†

(1.杭州大地科技有限公司，310000，杭州;2.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨陵;3.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨陵;4.中国科学院 水利部水土保持研究所，712100，陕西杨陵)

神府东胜煤田不同下垫面侵蚀特征野外试验

罗婷1，李宏伟2，詹松2，李建明3，王文龙2，3，4†

(1.杭州大地科技有限公司，310000，杭州;2.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨陵;3.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨陵;4.中国科学院 水利部水土保持研究所，712100，陕西杨陵)

通过野外放水冲刷试验，对神府东胜煤田不同下垫面(原始地面、扰动地面、非硬化路面、弃土坡面、沙少石多弃渣坡面和沙多石少弃渣坡面)上的侵蚀特征进行分析。结果表明：1)在不同下垫面上，侵蚀量与径流量及径流剪切力都呈正相关关系，原始地面、扰动地面和非硬化路面侵蚀量与径流量呈较好的幂函数相关，弃土坡面和沙多石少弃渣坡面侵蚀量与径流量呈线性相关，沙少石多弃渣坡面侵蚀量与径流量呈指数函数相关;原始地面、扰动地面、非硬化路面、弃土坡面和沙多石少弃渣坡面侵蚀量与径流剪切力呈较好的对数函数相关，沙少石多弃渣坡面侵蚀量与径流剪切力呈较好的线性关系;2)与原始地面对照，弃土弃渣坡面更易遭受侵蚀，其中弃土坡面的平均侵蚀量最大，为22.68 kg，是原始地面侵蚀量的45.27倍，其次为沙多石少弃渣坡面和沙少石多弃渣坡面，侵蚀量分别为原始地面的19.61和10.61倍，扰动地面、非硬化路面侵蚀量为原始地面侵蚀量的4.35和4.41倍。

下垫面;侵蚀量;径流量;径流剪切力;神府东胜煤田

从1987年开始，神府东胜煤田进入大规模开采时期，各种人为活动加剧了侵蚀的发展，使原地被物遭到严重扰动和破坏，并由此产生大量的扰动地面、非硬化路面、弃土弃渣等，这些物质由于缺乏合理的防护措施，常常遭受暴雨冲刷侵蚀，成为人为侵蚀和泥石流的潜在泥沙来源［1］。矿区开采中出现的扰动地面(指因煤炭开采、公路修建等人类活动破坏原有土壤结构而造成的一种极易侵蚀的扰动下垫面，主要包括裸露地貌和堆垫地貌［2］)、非硬化路面(指在煤炭运输等过程中经机械碾压而形成的未采取保护措施的易侵蚀路面)及未经保护的松散弃土弃渣，为矿区水土流失提供了大量的侵蚀物质，从而加剧了区域水土流失，使得原本恶劣的生态环境更加恶化［3-5］。从生产建设情况来看，生产建设项目水土流失预测是水土保持方案的重要内容之一，是水土保持方案编制的基础。生产建设项目水土流失是多种复杂因子综合作用的结果，由于环境条件的多变性以及人类活动对水土资源利用的不确定性，决定了对人类活动产生的水土流失进行预测具有一定的难度;因此，对生产建设项目水土流失规律进行研究刻不容缓。

国内学者对坡面侵蚀产沙规律及水动力机制进行了大量的研究。张科利等［6］对黄土陡坡细沟侵蚀及其产沙特征进行了研究，王文龙等［7-8］对黄土丘陵区沟坡系统以及坡面薄层水流的侵蚀动力机制进行了研究，王瑄等［9］、李鹏等［10］对黄土陡坡径流侵蚀特性及坡面土壤剥蚀率与水蚀因子关系进行了室内模拟试验。这些研究大多采用室内模拟，野外试验较少且多集中于坡面和沟坡系统的研究，对生产建设项目侵蚀特征及水动力机制研究则较少。笔者通过野外放水冲刷试验，对神府东胜煤田开采过程中产生的下垫面(原始地面、扰动地面、非硬化路面、弃土坡面、沙少石多弃渣坡面和沙多石少弃渣坡面)侵蚀特征进行研究，以期为系统量化矿区水土流失标准及矿区生态环境建设提供理论依据。

1 试验区概况

神府东胜煤田位于窟野河流域中游乌兰木伦河转龙湾至神木县之间，矿区规划总面积3 842.0 km2，风沙丘陵和黄土丘陵是区域内的2大主要地貌类型，面积比例分别为62.07%和37.93%。地表组成物质松散，土壤类型多为风沙土、沙黄土、绵沙土等，抗蚀性较差。植被覆盖度较低，多为温带半干旱草原植被景观，沙蒿(ArtemisiaL.)、沙柳(Salix psammophila)、沙棘(Hippophae rhamnoidesLinn)等耐旱、抗寒的旱生小叶灌木、半灌木占绝对优势。属于典型的半干旱、干旱大陆季风气候，降雨量少，矿区多年平均降雨量约为368mm，主要集中在7—9月且超过全年降雨量的1/2，多以暴雨形式出现。年蒸发量达1 636～2 535mm，蒸发强烈，干旱造成植被生长困难且覆盖率低。大风和沙尘天气频发，沙尘暴时间最多能达到43 d/a。特殊的自然地理环境加之强烈的人类活动干扰，使得该区域风蚀严重、水蚀强烈。崩塌、滑坡、泥石流等自然灾害频繁发生。生产建设项目造成的人为加速侵蚀已严重影响到当地人民的生产、生活和煤炭资源的可持续开发利用［11-12］。

2 研究方法

2.1 试验布设

试验区位于神木县西沟乡六道沟村的一片撂荒地上。试验选取原始地面、扰动地面、非硬化路面、弃土坡面、沙少石多弃渣坡面和沙多石少弃渣坡面6种不同类型下垫面进行放水冲刷试验。原始地面采用没有耕种农作的、废弃的、没有人工扰动的撂荒地。由于各类生产建设项目在建设过程中对地表扰动的强度不一，很难模拟真实的扰动情形。扰动地面是用铁锹将原地面翻动20 cm的土层，然后用铁耙将其平整模拟形成的。非硬化路面是通过在原平整的坡面上均匀撒3～5 cm的土，经过2次均匀夯实，然后再加一层3～5 cm的土再夯实，共夯实3层填土模拟而成的。弃土坡面、沙少石多弃渣坡面和沙多石少弃渣坡面均为2年自然堆积体。不同下垫面土壤密度值见表1。

试验小区为1m×10m，四周用1mm厚的钢板插入地下0.15m围住，地上露出0.1m，使小区边界条件控制一致。小区上方放置一个与小区宽度相等、紧贴地面、紧靠小区顶端并嵌入地下的稳流箱;小区下方放置集流槽，在出口处用集流桶收集径流泥沙样。在小区顶端8～15m处放置体积为2m3的储水箱，用水泵给储水箱供水，用汽油泵向试验小区供水。在出水管处上端安装2个闸阀控制流量。沿小区纵向从上到下划分3个断面，每个断面长1m，分别在2～3m、5～6m、8～9m处设置断面，以测定流速、流宽及流深。野外放水冲刷试验示意图见图1。

表1 不同下垫面土壤密度及弃渣土石比例Tab．1 Soil bulk density and earth-stone proportion of waste slag under different surface conditions

图1 野外放水冲刷试验示意图Fig．1 Sketchmap of field water discharge scouring experiments

试验开始前，进行2次流量率定(前后2次误差不超过5%)、测定土壤密度和土壤含水量等。每次放水冲刷开始后，将温度计放入储水箱内以确定水温是否变化而影响泥沙黏滞性，并开始记录产流时间，产流5min内每1min取1次径流泥沙样，5min后每3min取1次。试验时间为45min(不含产流时间)。放水冲刷结束后，测量细沟的上下宽和沟深。坡面流速采用高锰酸钾示踪法。放水流量按照神府东胜地区暴雨发生频率在试验小区上产生的单宽流量得到，原始地面、扰动地面和非硬化路面采用的5 个放水流量分别为 5、10、15、20 和 25 L/min，弃土坡面、沙少石多弃渣坡面和沙多石少弃渣坡面采用后4个放水流量。原始地面和扰动地面采用的3个坡度分别为5°、10°和18°，非硬化路面采用的4个坡度分别为 3°、7°、9°和 12°。弃土坡面、沙少石多弃渣坡面和沙多石少弃渣坡面坡度统一采用自然休止角，分别为 39°、41.7°和 35°。试验结束后，用量筒测定各个径流样体积，用烘干法测定泥沙量。每个处理放水3次，取平均值。

2.2 分析方法

坡面土壤侵蚀是径流在顺坡流动的过程中，对坡面土壤剪切剥离作用和土壤抗剥离作用以及地面物质补充能力之间相互协调作用的结果［10］。多数学者认为坡面土壤冲刷力的主要营力来源于地表水流对土壤表面产生的切应力，即水流的拖曳力。G.R.Foster等［13］提出水流剪切力计算公式为

式中：τ为水流剪切力，N/m2;r为水的重度，N/m3;R为水力半径，m;J为水力能坡，量纲为1。

新增水土流失量是指与原始地面相比其他下垫面所增加的土壤侵蚀量，可用下式计算：

式中：ΔMs为新增侵蚀量，kg;Msi为原始地面之外的其他下垫面中i下垫面的侵蚀量，kg;Ms为原始地面的侵蚀量，kg。

3 结果与分析

3.1 不同下垫面侵蚀量与地表径流的关系

根据野外放水冲刷试验的实测数据，对原始地面、扰动地面、非硬化路面、弃土坡面、沙少石多弃渣坡面和沙多石少弃渣坡面的侵蚀特征分别建立小区出口处平均侵蚀量与径流量之间的关系，见图2。

图2 不同下垫面的侵蚀量与径流量的关系Fig．2 Relationships between sediment yield and runoff yield under different surface conditions

由图2可知，不同下垫面侵蚀量与径流量呈正相关关系。原始地面、扰动地面和非硬化路面侵蚀量与径流量呈较好的幂函数相关，弃土坡面和沙多石少弃渣坡面侵蚀量与径流量呈线性相关，沙少石多弃渣坡面侵蚀量与径流量呈指数函数相关。在上述下垫面中，弃土坡面、沙多石少弃渣坡面、沙少石多弃渣坡面的侵蚀量较大，原始地面的侵蚀量最小，非硬化路面和扰动地面的侵蚀量居中，但非硬化路面的侵蚀量稍大于扰动地面的侵蚀量。原始地面因植被的覆盖作用，在一定程度上能够降低侵蚀作用，因而侵蚀量较小。扰动地面极大地破坏了土壤结构，使得土壤孔隙增多，降雨有相当部分渗入土壤从而使得径流量减少;但由于表层土壤疏松且无植被覆盖，因而扰动地面的侵蚀量较原始地面侵蚀量要大。非硬化路面经过机械碾压土壤密度增加，降雨入渗减小从而使得径流量增加，表层土壤经过碾压之后变得更加破碎，更易被侵蚀;因而侵蚀量稍大于扰动地面侵蚀量，但当表层土壤侵蚀完全之后，侵蚀速率会明显减小。弃土坡面主要由沙土和细小砾石组成，土壤结构松散，孔隙度大，入渗快，开始冲刷时，径流大部分下渗;但土壤水分在较短时间内便可达到饱和，径流冲刷能力不断增强加之重力侵蚀作用，侵蚀沟内不断发生崩塌、滑落，径流以高含沙水流甚至稀性泥石流的形式向下游流动，侵蚀量最大。当坡面存在大量细小砾石和松散沙土时，径流一旦形成便会带走大量泥沙，造成严重的泥沙流失，因此其侵蚀量较大;但当弃渣体中的大颗粒石块含量较高即沙少石多时，径流不足以将大颗粒石块冲走，同时大颗粒石块对径流流速具有一定的减速作用，因而其侵蚀量会减小。当弃渣体中的大颗粒石块含量较少即沙多石少时，土壤孔隙度较小，降雨入渗相对较小而径流量较大，沙土和细小的砾石极易被径流冲刷，因而其侵蚀量较沙少石多弃渣坡面大。

3.2 不同下垫面侵蚀量与径流剪切力的关系

根据试验实测数据和式(1)，绘制出不同下垫面侵蚀量与径流剪切力之间的关系见图3。

由图3可知，侵蚀量与径流剪切力呈正相关关系。原始地面、扰动地面、非硬化路面和沙少石多弃渣坡面侵蚀量与径流剪切力呈较好的线性相关，弃土坡面和沙多石少弃渣坡面侵蚀量与径流剪切力呈较好的对数函数相关。图中趋势线的斜率代表单位径流剪切力剥离土壤所产生的泥沙量，比较图3各趋势线的斜率可知，单位径流剪切力剥离土壤所产生的泥沙量大小顺序为原始地面＜扰动地面＜非硬化路面＜沙少石多弃渣坡面＜沙多石少弃渣坡面＜弃土坡面。下垫面不同土壤抵抗径流剪切的能力不同，由于不同下垫面土壤结构、土壤颗粒间的黏结程度等不同，在坡面径流的作用下，土壤抗剪强度表现出一定的差异性，从而导致不同下垫面侵蚀量的不同。当土壤中含有粗颗粒或大颗粒土块或石块时，土壤形成了以粗大颗粒为主体骨架的架空结构，当含水量较低时，粗大颗粒接触点处的胶结物质具有较强的联结强度，表现出较高的抗剪强度;但当含水量增大时，其抗剪强度迅速降低。不同下垫面土壤抵抗径流剪切能力的大小顺序为弃土坡面＜沙多石少弃渣坡面＜沙少石多弃渣坡面＜非硬化路面＜扰动地面＜原始地面，所以弃土坡面上单位径流剪切力剥离土壤产生的泥沙量最大，原始地面最小。

图3 不同下垫面侵蚀量与径流剪切力的关系Fig．3 Relationships between erosion amount and flow shear stress under different surface conditions

3.3 不同下垫面侵蚀量对比分析

通过调查分析神府东胜矿区地貌和坡面特征、沟蚀密度以及煤炭开采过程中不同下垫面新增的水土流失量可知，破坏原始地面是该区产生新增水土流失的主要原因。扰动地面、非硬化路面、弃土坡面、沙少石多弃渣坡面和沙多石少弃渣坡面与原始地面相比得到的水土流失新增倍数和平均侵蚀量见表2。可知，原始地面的平均侵蚀量最小为0.48 kg，弃土坡面的平均侵蚀量最大为22.68 kg，沙少石多弃渣坡面和沙多石少弃渣坡面次之。不同下垫面平均侵蚀量的大小顺序依次为原始地面＜扰动地面＜非硬化路面＜沙少石多弃渣坡面＜沙多石少弃渣坡面＜弃土坡面。表2数据还表明，弃土坡面的平均侵蚀量远远大于扰动地面和非硬化路面的平均侵蚀量，是原始地面平均侵蚀量的45.27倍，沙多石少弃渣坡面和沙少石多弃渣坡面的侵蚀量分别为原始地面平均侵蚀量的19.61和10.61倍，扰动地面、非硬化路面的平均侵蚀量仅为原始地面平均侵蚀量的4.35和4.41倍;因此，在煤炭等生产建设项目的建设过程中，应加强扰动地面、非硬化路面、弃土坡面、沙少石多弃渣坡面和沙多石少弃渣坡面的防护，有利于减少和防治人为新增的水土流失量，避免可能的人为自然灾害发生。

表2 不同下垫面平均侵蚀量及水土流失新增倍数Tab．2 Average soil erosion amount and its increasedmultiple under different surface conditions

4 讨论

上述分析可知，可以根据径流量和径流剪切力的变化来描述不同下垫面侵蚀量的大小;但是由于侵蚀过程的复杂性，仅凭径流量和径流剪切力的变化无法正确反映侵蚀过程的变化特征，之后的研究应借助GIS技术和REE示踪技术，从不同的角度(比如坡面侵蚀搬运沉积的时空变化特征、坡面侵蚀过程中的水动力学参数与泥沙搬运的关系以及泥沙输移过程的定量表达和影响因子)来进一步研究坡面的侵蚀特征。

本研究结果通过野外放水冲刷试验获得，而在天然降雨和野外模拟降雨条件下，不同下垫面侵蚀量随径流量和径流剪切力的变化是否具有同样的变化规律，尚待进一步分析研究。另外，利用坡面径流平均水深计算径流剪切力的计算公式所获得的径流剪切力不能很好地反映坡面土壤侵蚀过程，仅能够简单反映坡面侵蚀的平均状况。由于坡面凸凹和其他一些自然条件的限制，径流在坡面上呈非均匀状态分布，在坡面土壤侵蚀过程中，各个点的径流水深各有不同;因此，利用平均水深计算获得的径流剪切力来描述侵蚀过程会因忽略坡面径流侵蚀能力沿坡面的不均匀分布特征而产生一定的误差［14］。在进行试验数据分析计算的过程中，如何使试验误差最小化，还有待进一步分析研究。

5 结论

1)不同下垫面侵蚀量与径流量呈正相关关系。侵蚀量在原始地面、扰动地面和非硬化路面3种下垫面上与径流量呈较好的幂函数相关，在弃土坡面和沙多石少弃渣坡面上呈较好的线性相关，在沙少石多弃渣坡面上呈指数函数相关。

2)侵蚀量与径流剪切力呈正相关关系，其中与原始地面、扰动地面、非硬化路面和沙少石多坡面上的径流剪切力呈较好的线性相关，与弃土坡面和沙多石少弃渣坡面上的径流剪切力呈较好的对数函数关系。

3)与原始地面对照，人为扰动后形成的各类下垫面的水土流失量都有不同程度的增加，弃土坡面更易遭受侵蚀，平均侵蚀量最大，其次为沙多石少弃渣坡面和沙少石多弃渣坡面，最后为扰动地面、非硬化路面。

6 参考文献

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Field experiment of soil erosion characteristics under different surface conditions in Shenfu-Dongsheng coalfield exploitation area

Luo Ting1，Li Hongwei2，Zhan Song2，Li Jianming3，Wang Wenlong2，3，4
(1.Dadi Technology of Hangzhou Co.，Ltd.，310000，Hangzhou;2.College of Resources and Environment，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi;3.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi;4.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences andministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi：China)

The objective of this paper was to determine soil erosion characteristics of different surface conditions(original ground，disturbed road，unhardened road，spoil，waste slag withmore sand than stone and waste slag with less sand than stone)on soil erosion by washout experiment in Shenfu-Dongsheng coalfield area.The results show that：1)There were positive linear correlations between erosion amount and runoff amount or flow shear stress for all of underlaying surfaces.There were positive power function relations between erosion amount and runoff amount for original soil，disturbed road and unhardened road.There were positive linear relationships between erosion amount and runoff amount for spoil and waste slag withmore sand than stone.There were logarithmic regressions between erosion amount and flow shear stress for all of surface conditions.On waste slag with less sand than stone，it was a exponential function relation between erosion amount and runoff amount and a positive linear relationship between erosion and flow shear stress.2)Earth-dump could be eroded easily compared to original soil.The average erosion amount of spoil was themaximum 22.68 kg/m2reached to 45.27 times as great as that of original soil.The erosion amount of sandmore than stone waste slag increased by 19.61 times than original soil.The erosion amount of waste slag withmore sand than stone increased by 10.61 times than original soil.However，the erosion amount of disturbed soil and unhardened road only increased by 4.35，4.41 times compared to original soil.

underlaying surface;erosion amount;runoff amount;flow shear stress;Shenfu-Dongsheng coalfield

2012-02-22

2012-06-11

国家自然科学基金“煤矿开发建设中人为侵蚀机理及新增水土流失预报模型——以神府东胜煤田为例”(40771127);水利部公益性行业专项“生产建设项目水土流失测算共性技术研究”(201001036)，“工程开挖面与堆积体水土流失测算技术研究”(201201048);黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室专项经费(10502-T1)

罗婷(1983—)，女，硕士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail：tingluohao@163.com

†责任作者简介：王文龙(1964—)，男，博士，研究员，博士生导师。主要研究方向：生产建设项目水土保持。E-mail：wlwang@nwsuaf.edu.cn

(责任编辑：宋如华)