豫西黄土区矿山人为坡沟水土流失特征研究

姚贵奇 吴卿 何洪名 徐建昭 双瑞 解翼阳 李泮营 张岩

摘 要：礦山开采形成的坡沟是矿区人为新增水土流失的重要部位和重点防治区域，为了给矿区水土保持综合治理提供科学依据，以豫西黄土区矿山人为坡沟为研究对象，利用概化的黄土区矿山人为坡沟模型，进行历时60 min，雨强分别为66、85、120 mm/h的人工模拟降雨试验，结果表明：同一雨强下产流量、产沙量、径流含沙量、土壤侵蚀模数、输沙率随降雨历时延长而增大，径流含沙量沿程呈逐渐增大趋势，沟坡径流含沙量整体上较坡面的大;雨强越大，产流量、产沙量、径流含沙量、土壤侵蚀模数、输沙率越大，径流含沙量沿程增速越快、增幅越大。应在坡面及其上游、沟道两侧采取截排水措施，将坡面径流有效导向下游，防止径流冲刷坡面和沟道。

关键词：矿山人为坡沟;水土流失特征;人工降雨;产流产沙;模型试验;豫西黄土区

中图分类号：S157.1文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.019

Study on Characteristics of Soil Erosionin Mine Artificial Slope and Gully in

Loess Region of Western Henan Province

YAO Guiqi1， WU Qing2， HE Hongming2， XU Jianzhao1， SHUANG Rui1， XIE Yiyang3， LI Panying1， ZHANG Yan1

（1.Soil and Water Conservation Monitoring Station of Henan Province， Zhengzhou 450003， China;

2.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China;

3.Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：The slope and gully formed by mining is an important part of artificial soil erosion and the key prevention and control area in the mining area. In order to provide scientific basis for comprehensive control of soil and water conservation in mining area， taking the mine artificial slope and gully in loess region of western Henan Province as a research object， using the generalized model of mine artificial gully in loess region， carrying out the artificial simulated rainfall test with rainfall intensity of 66， 85 and 120 mm/h for 60 min， the results show that： runoff， sediment yield， runoff sediment content， soil erosion modulus and sediment transport rate are increased with the extension of rainfall duration under the same rainfall intensity， the sediment concentration along the river shows the trend of gradually increasing， the sediment concentration of gully runoff on the whole is greater than that of slope surface. When the rainfall intensity is greater， runoff， sediment yield， runoff sediment concentration， soil erosion modulus and sediment transport rate are greater and the runoff sediment concentration along the river is faster and greater. Drainage interception should be taken on the both sides of slopes and the upstream area to effectively guide the runoff to the downstream for preventing slope surface and gully erosion.

Key words： mine artificial slope gully; characteristics of soil erosion; artificial rainfall; runoff and sediment production; model test; loess region of western Henan Province

河南省矿产资源种类及储量丰富，已开发利用90余种，采选业工业增加值高于全国平均水平。豫西是河南省矿产资源分布及开采的重要地区，形成了煤炭、铝土矿、钼矿、金矿、水泥灰岩矿等开采基地，对区域社会经济发展起到了重要作用[1-2]。豫西黄土丘陵区面积约2.78万km2，水土流失严重，土壤侵蚀模数2 000～5 000 t/（km2·a），最高可达10 000 t/（km2·a）[3]。矿山开采导致局部区域生态更加脆弱、人为水土流失加剧，特别是矿山开采形成的坡沟、排土场堆弃体及其裸露坡面，是矿区人为新增水土流失的重要部位和防治的重点区域[4-5]。对于坡沟水土流失特征，国内许多学者采用模型试验方法开展了大量研究[6-10]，但针对黄土区矿山开采形成的坡沟水土流失特征研究较少，笔者通过模拟降雨试验，对豫西黄土区矿山人为坡沟水土流失特征进行了研究，以期为该区水土保持综合治理提供科学依据。

1 试验概况

（1）模型。采用可变坡移动式钢制土槽模拟坡沟，土槽长10 m，其中上部坡面长5 m、下部沟坡（发育有细沟的坡面）长5 m，槽宽2 m，坡面坡度为20°、沟坡坡度为35°，模型总高度4.6 m，坡面及沟坡自上而下每隔1 m设置一个观测断面，共设10个观测断面（坡面及沟坡各5个），序号依次为1、2、…、10。

（2）边界条件。土槽内壁粘一层大沙、底面铺5 cm厚大沙;土槽填充取自郑州邙山的黄土，过5 mm筛，按10 cm厚分层填充拍实，填土总厚度为45 cm;试验前模拟小雨以保持填土湿润，消除含水量差异。

（3）试验雨强及历时。采用分区自动控制模拟降雨系统，喷头高22 m，设置66、85、120 mm/h等3种试验雨强，各场次降雨历时均为60 min。

（4）试验过程及数据采集。降雨开始前用土壤水分仪测定模型土壤含水量，在模型集水口放置径流桶;试验开始后记录降雨开始到有径流流至集水口径流桶的时间即初始产流时间，试验过程中在径流中加入高锰酸钾溶液并记录其通过50 cm距离的时间进而换算径流速度，在流速测量的同时采用直尺量测径流宽、径流深，采用针管抽取径流沿程含沙水样、采用径流桶接取径流泥沙样后分别存放至径流瓶内，流速、径流泥沙观测时间间隔（时段）为2 min;试验结束时记录降雨产流时间及试验总历时;试验结束后，对径流泥沙样品采用烘箱烘干后称重，计算径流量、含沙量等。

2 试验结果分析

2.1 各时段水土流失变化情况

试验雨强为66、85、120 mm/h的场次降雨试验，采集到数据的降雨场次分别为7场、6场、4场，平均初始产流时间分别为第120、102、43 s，平均产流量分别为

91 107.73、134 684.44、238 823.50 mL，平均产沙量分别为37 855.45、101 260.99、184 995.81 g，径流平均含沙量分别为0.416、0.752、0.775 g/mL，平均土壤侵蚀模数分别为315.46、843.84、1 541.63 kg/（hm2·min），见表1。

由表1可知，在60 min人工降雨历时内，雨强为66、85、120 mm/h情况下，时段产流量最大值分别为5 113.00、7 520.41、11 851.75 mL，分别出现在第28、30、29时段即55～56、59～60、57～58 min;时段产沙量最大值分别为2 422.86、7 213.83、11 391.75 g，分别出现在第25、30、27时段即49～50、59～60、53～54 min;时段径流含沙量最大值分别为0.534、1.008、1.184 g/mL，分别出现在第13、28、26时段即25～26、55～56、51～52 min;计算的时段土壤侵蚀模数最大值分别为302.86、901.73、1 423.97 kg/（hm2·min），分别出现在第25、30、27时段即49～50、59～60、53～54 min。

试验雨强条件下坡沟尺度模型试验测算的产流产沙指标变化趋势见图1。由图1可知，在60 min人工降雨历时内，坡沟模型产流量、产沙量、径流含沙量、土壤侵蚀模数均随降雨历时延长呈增大趋势，增幅随雨强的增大而增大，即雨强为120 mm/h的增幅最大、雨强为85 mm/h的次之、雨强为66 mm/h的最小。

由于制作的黄土坡沟模型与黄土区矿山开采形成的人为黄土坡沟一样，均改变了原地貌黄土物理特征、降低了黄土抗冲抗蚀性，因此试验结果反映了黄土区矿山人为坡沟水土流失基本特征：雨强越大、降雨历时越长，造成的地表径流量越大、侵蚀产沙量越多、土壤侵蚀模数越大即土壤侵蚀越严重。根据水土保持工作实践经验，对黄土区矿山开采形成的各类人为黄土坡面、沟坡进行综合治理时，应加强坡面及其上游、沟道两侧截水排水措施，将坡面径流有效导向下游，防止径流冲刷坡沟、加剧侵蚀。

2.2 径流含沙量沿程变化情况

径流含沙量是坡面和沟坡径流挟带泥沙能力的综合反映，以10 min为统计时段对各断面观测的径流含沙量进行统计，结果见表2，径流含沙量沿程变化情况见图2。由图2可知，在60 min人工降雨历时内，3种雨强对应的径流含沙量沿程均呈逐渐增大趋势，其中：坡面（1～5号断面）径流含沙量沿程迅速大幅增大，而溝坡（6～10号断面）径流含沙量沿程增速、增幅均较小，但沟坡径流含沙量整体上较坡面的大;雨强为120 mm/h的坡面径流含沙量沿程增速最快、增幅最大即迅速增大到与沟坡径流含沙量基本一致，雨强为66 mm/h的增速最慢、增幅最小，雨强越大造成的径流含沙量沿程增速越快、增幅越大。

2.3 径流输沙率变化情况

径流输沙率是降雨径流侵蚀产沙和输沙能力的综合反映，以10 min为统计时段对坡面和沟坡平均输沙率进行统计，结果见表3，试验雨强条件下坡面和沟坡平均输沙率变化情况见图3。

由图3可知：在60 min人工降雨历时内，同一雨强条件下坡面径流输沙率小于沟坡的;坡面径流输沙率随降雨历时延长而增大，雨强越大对应的径流输沙率增幅越大;沟坡径流输沙率也随降雨历时延长而增大，雨强为85 mm/h对应的增幅最大、雨强为120 mm/h的次之、雨强为66 mm/h的最小。

3 结 论

利用概化的黄土区矿山人为坡沟模型进行不同雨强的人工模拟降雨试验，结果表明：同一雨强下产流量、产沙量、径流含沙量、土壤侵蚀模数、输沙率随降雨历时延长而增大，径流含沙量沿程呈逐渐增大趋势，沟坡径流含沙量整体上较坡面的大;雨强越大，产流量、产沙量、径流含沙量、土壤侵蚀模数、输沙率越大，径流含沙量沿程增速越快、增幅越大。

矿山开采形成的各类人为坡沟是水土流失及其防治的重要部位，应在其坡面及其上游、沟道两侧采取截排水措施，将坡面径流有效导向下游，防止径流冲刷坡面和沟道。

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【责任编辑 张智民】