采煤沉陷区地表水土流失时空演化研究

赵 令，苏 涛，李杰卫，周 亮，樊 宇

（1.安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南 232001；2.浙江省地矿勘察院，浙江 杭州 310000）

大规模高强度的煤矿井工开采过程中，由于煤炭资源的采掘，采空区原有应力的平衡状态遭到破坏，这种破坏变化波及地表，对地表的地形地貌产生影响，其直接危害是形成地表土壤结构破坏，以及表土承载体的脆性变形[1-3]。随时间推移，地表土体破坏面积不断扩大，形成范围较广的采煤沉陷区[4]。沉陷区的形成破坏了原有土体的黏聚力和固结力，在自然降雨或融雪作用下，易形成地表径流，一方面加速了坡面的水土流失，造成坡面土壤肥力下降；另一方面表层土壤的持水能力减弱[5]，土壤松软度减小，造成土壤板结，两者都会在不同程度上影响开采区土壤高效利用。

目前，关于开采沉陷区土壤水土流失的研究多集中在土壤养分的动态转移和土壤优先流路径特征等方面[6-10]，关于采煤沉陷区坡面地表水土流失在降水作用下随时间的变化的研究较少，未能对于时间尺度效应、降雨强度以及塌陷坡度等进行综合定量性分析。采用室内物理模拟实验，研究采煤沉陷区不同坡度坡面在不同降雨强度下地表水土流失的时空演化规律，并进行定量化分析，为恢复沉陷区土地的高效利用提供科学依据。

1 实验方案

1.1 实验设计

实验材料选取淮北五沟矿区开采沉陷区坡面表土，为客观反映坡面水土流失效应，故实验沿沉陷坡面呈扇形分别布设4条采样线，每隔50 m在每条采样线上采用环刀法采集表层0～20 cm土壤，装盒密封带回实验室，经自然风干后过2 mm细筛备用。

实验共设计3组模型，实验模型由模拟降雨装置、实验土槽、倾斜控制装置、稳流槽以及固定装置组成。实验土槽的尺寸为100 cm×50 cm×50 cm，土槽末端装有出水口，出水口下方放置接样桶，搜集水沙混合物；倾斜控制装置用来控制实验土槽倾斜角度，稳流槽以及模拟降雨装置用来模拟自然降雨和上方径流冲刷；各模型实验土槽倾斜角度不同，降雨强度不同。模拟实验装置如图1。

图1 模拟实验装置设计图

1.2 实验方法

按原状土壤的初始密度和含水量进行实验土槽填充，充填体分2层，下层为20 cm厚的细砂，上层为20 cm厚的原状土。实验方法包括模拟不同强度自然降雨作用下塌陷坡面水土流失量以及水土流失强弱与沉陷区坡面角度之间相互影响过程的模拟。

1.2.1 水流含沙量的降雨强度模拟

自然降水作用下塌陷坡面地表土体易形成地表径流，而降水强度在一定程度上直接决定了坡面水土流失的程度；故通过搜集和分析五沟矿区近3年的实际降雨量，求得平均降雨量并按比例缩小，设定3个模拟降雨强度分别为强降雨0.385 mm/min、中降雨0.237 mm/min以及弱降雨0.107 mm/min。

1.2.2 水流含沙量塌陷坡度模拟

随煤层的不断掘进，采空区岩体应力平衡遭到破坏，岩石出现不同程度的破碎垮落，地表受到扰动出现不同程度的沉陷，塌陷坡度直接影响地表水土流失的速度和土壤破坏程度。故通过对五沟煤矿2年内的塌陷坡度变化分析，设定3组实验装置的坡度分别为 3°、5°、10°。

1.3 数据采集

通过控制模拟降雨装置，调节降雨强度，记录不同降雨强度条件下的初始出水时间，同时记录不同坡度相同降雨强度下的初始出水时间；计算相同时间下，不同降雨强度和坡度下的水流含沙量。

2 实验结果分析

2.1 水土流失的时间效应分析

在不同降雨强度和坡度条件下坡面的平均流速以及初始出水时间如图2、图3。研究表明，坡面平均流速与降雨强度整体呈正比关系，即在相同坡度条件下，随降雨强度的增加，坡面的平均流速增加。主要原因是在弱降雨条件下，表层土壤达到饱和入渗量的时间长，并且难以形成明显的径流现象，而随着降雨强度的增加，表层土壤达到饱和入渗量的时间减小，地表径流形成所需时间短，地表土壤可见明显径流，水土流失平均速度增加。并且随着坡面倾斜角度的增加，坡面平均流速出现小幅度增加，在强降雨作用下，随坡度增加，坡面平均流速基本不变，主要是强降雨作用下，形成地表径流时间短，水土流失速度快，坡度对于形成地表径流的影响作用较小。

图2 不同降雨强度和坡度下坡面平均流速

初始出水时间与降雨强度整体呈现反比关系，坡度对于初始出水时间的影响较小。在相同坡度条件下，随模拟降雨强度的增加，初始出水时间呈现明显递减规律；主要原因是随降雨强度增加，地表土壤在强降雨的冲刷下，获得较强的动力能量，克服了形成径流的阻力，使得阻力明显减小，水土流失的速度明显增加，故初始出水时间减少。

2.2 降雨作用强度分析

不同降雨强度和坡度下平均含沙量如图4。由图4 可知，降雨强度大小与平均含沙量大小具有较强的相关性，在相同的坡度条件下，弱降雨下水流平均含沙量明显小于强降雨下水流含沙量。在弱降雨条件下，坡度为3°和5°的水流平均含沙量分别为0.226 g/L和0.347 g/L，而在强降雨下的水流平均含沙量分别为3.88 g/L和4.17 g/L，强降雨作用下的水流含沙量增加了15倍左右，坡度为10°的强降雨含沙量是弱降雨条件下的10倍左右；在相同降雨条件下，不同坡度的水流含沙量最高于最低增长率为2倍关系。主要原因是在弱降雨条件下，土壤吸水黏聚能力增加，而弱降雨的冲击力较小，难以破坏土壤的黏聚力并形成明显的细沟径流，而强降雨的流速快、冲击力大，易破坏土壤的黏聚力形成较宽的径流沟。即强降雨作用对塌陷区坡面水土流失产生较大的影响。

图3 不同降雨强度和坡度下初始出水时间

图4 不同降雨强度和坡度下平均含沙量

2.3 塌陷坡度效应分析

弱降雨下水流含沙量随坡度的变化如图5。由图5可知，在弱降雨强度条件下，各阶段水流含沙量随坡度增加而呈非线性增加。开始阶段，坡度为10°的水流含沙量高于坡度为3°和5°含沙量，在坡度为3°和5°时，各阶段水流含沙量随时间的变化曲线相似，且整体波动变化范围较小；坡度为10°的含沙量随时间变化波动范围较大，曲线整体呈现明显的弹性变化，存在2个峰值，含沙量最大值为2.79 mg/L，最小值为0.51 mg/L，即最大含沙量是最小含沙量的5倍左右。不同坡度下的最终含沙差异较小，即弱降雨条件下，随坡度增加，土壤受到的侵蚀较小。

图5 弱降雨下水流含沙量随坡度的变化

中降雨下水流含沙量随坡度的变化如图6。由图6可知，在中降雨强度下，坡度对含沙量存在一定影响。在刚开始阶段，5°的水流含沙量略高于10°和3°的水流含沙量，此后，坡度为3°的水流含沙量整体无明显变化规律且波动范围较小，最终水流含沙量低于开始阶段；坡度为5°的水流含沙量呈3个阶段变化，即先线性减少，再呈非线性增加，最后呈现较微小的变化趋于稳定；坡度为10°的水流含沙量随时间增加呈两阶段变化，即先非线性交替增加，再近线性梯度增加，且增加幅度较大；最终10°的水流含沙量约为5°含沙量的4倍，即在中降雨条件下，随坡度增加，坡面出现明显的水土流失现象。

图6 中降雨下水流含沙量随坡度的变化

强降雨下水流含沙量随坡度的变化如图7。由图7可得，开始阶段含沙量的大小关系为3°＞5°＞10°，即随坡度增加，坡度对于含沙量的影响是负作用，随时间增加，各坡度的水流含沙量开始呈现不同程度增加，坡度对于含沙量的影响呈现正相关；坡度为3°和5°的水流含沙量随时间的变化趋势相似，整体呈现3个阶段变化，在开始阶段，含沙量呈现近线性减小变化，再呈现阶梯波动变化增加，最后呈线性增加且增加速度较小；坡度为10°的水流含沙量随时间的变化趋势成2阶段变化，先趋于平缓变化，再呈现似直线增加，增加速度较大，曲线变化明显；呈现上述变化的主要原因是坡度对于坡面土壤的流失存在1个临界值，超出临界值后，坡面土壤受雨水侵蚀出现明显的径流，坡面失去稳定性，水土流失现象明显。

图7 强降雨下水流含沙量随坡度的变化

3 结论

1）坡面平均流速与降雨强度整体呈正比关系，即在相同坡度条件下，随降雨强度的增加，坡面的平均流速增加。

2）初始出水时间与降雨强度整体呈现反比关系，坡度对于初始出水时间的影响较小。

3）降雨强度大小与平均含沙量大小具有较强的相关性，在相同的坡度条件下，弱降雨下水流平均含沙量明显小于强降雨下水流含沙量。

4）弱降雨下水流含沙量随坡度的变化无明显变化规律，中、强降雨条件下，坡面坡度对含沙量变化呈2个阶段影响作用：第:1阶段，随坡度增加，含沙量减少，呈负效应；第2阶段，随坡度增加，含沙量明显增加，呈正相关。