废弃尾矿坡面产流产沙影响因素分析

李 楠，吴超君，郝 喆，滕 达，王晓明

(1.辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036；2.辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110013)

0 引言

随着我国经济的发展，每年全国矿山所排弃的尾矿越来越多，这些尾矿仅小部分被利用，剩下的大部分都存放在尾矿库中，其中很多尾矿库处于无人看管的废弃状况。结构极其不稳定的废弃尾矿库水土流失严重，致使矿区及其附近环境受到污染。明确废弃尾矿坝坡面的产流产沙特征以及初始产流时间，可为提出合理水土保持措施提供理论依据。

国内外诸多学者通过人工模拟降雨对产流产沙规律进行了探究。Yuli Zhao[1]等通过模拟降雨对不同雨强下的植被产流产沙特征进行了研究；Xiang Li[2]等利用人工降雨装置研究了森林植被对径流产沙的影响，并表明植被在减少产流量和延缓产流时间方面有显著影响；Changjia Li[3]等在模拟降雨条件下对坡地地表径流侵蚀进行了动态研究。把握模拟降雨中的初始产流时间是计算坡面产流产沙量的重要环节，而初始产流时间受到降雨强度、坡度、植被等多种因素的影响[4]。蒋秋玲[5]等对坡面初始产流时间进行了探究；车明轩[6]等在对紫色土坡面产流影响的研究中表明了不同雨强和坡度下产流时间的变化趋势；邓景成[7]开展的灌草植被盖度对产流产沙影响的模拟降雨试验中表明增加植被覆盖率可有效延缓初始产流时间。

目前，对产流产沙的研究多为自然形成的土壤基质，而针对废弃多年无人管理的尾矿库开展的研究较少。废弃尾矿库的表层土质疏松孔隙率高，保水、保肥的能力差，且有毒有害物质常存在于废弃尾矿中，植物难以生长，再加上结构稳定性较差，使得废弃尾矿坝坡面极易发生径流及侵蚀产沙。本文采用人工模拟降雨装置，将废弃尾矿土作为研究对象，选择灰色关联度的方法，研究植被覆盖率、雨强、坡度对产流率和产沙率的影响，以及对初始产流时间的影响分析。

1 材料与方法

1.1 试验土壤与填土方案

试验模型采用的尾矿土壤取自辽阳县寒岭镇一废弃尾矿库，见图1。

图1 辽阳县寒岭镇一废弃尾矿库

进行模型填土时，将厚度为10 cm的碎石放置在试验槽底部，旨在让底部试验土壤同现场尽可能相仿，以减少误差。填土时，方法为分层填筑，填充和压实两道工序同步进行，使土层从上到下土壤的紧实度增加。在试验槽边壁进行适当压实，以降低边壁效应使水流正常流动。单位容积的土体重量控制在1.8～1.9 t。

1.2 模拟降雨设计

人工降雨试验模型的主体规格为：7.5 m×1.2 m×1.5 m(长×宽×高)。利用设置在装置顶部的降雨架模拟降雨，降雨过程中的有效高度为6 m，保持恒定水压，雨滴大小及到达坡面的速度与天然降雨状态相近。装置底部设防渗系统及排水管，末端出水处设计有V型集流槽，径流泥沙样通过放置在集流口处的空桶来收集。导水管上设置瞬时电子流量计和控制阀，降雨装置喷头并联，通过打开不同的阀门，控制雨强。

为使每次试验的初始含水率基本维持在10%左右并消除坡体表面的差异性。试验前，在坡面进行预降雨，当径流出现浑浊时停止降雨。试验中开始记录降雨的时间为雨滴落在坡面上的时刻，记录产流的时间以产流出现浑浊的现象为起始，共降雨30 min。开始记录产流时即进行径流样的收集，每次试验共采集15个样品。待样品静置24 h径流泥沙样完全澄清后倒掉上层清液，之后将泥沙样自然风干后，取一部分土壤样品烘干称重得到产沙重量并记录。试验实物如下图2所示。

图2 降雨模型实物图

1.3 坡度及植被覆盖设计

辽宁省雨强空间的分布极不均匀，范围在21～212 mm/h之间，其南部地区中心雨强值达到100 mm/h，北部地区雨强值在21～67 mm/h之间[8]，故本试验设置20、60、100、220 mm/h四种雨强。坡度因素对产流产沙的作用最主要[9]。15°是尾矿坝的常见坡度，且杨开宝[10]等在试验中发现坡度在10°～24°时侵蚀量随坡度增加而增加，但当坡度大于24°以后侵蚀量同坡度的关系呈负相关。根据尾矿坝的常见坡度以及试验地的条件，设置了两种坡度(15°和30°)，并将坡长控制在2 m。植被可有效缓解水土流失现象[11]。本试验通过铺设草皮模拟植被覆盖。大部分相关研究认为超过70%的覆盖率，可很大程度上控制水土流失。覆盖率在60%～80%之间产生的防治效果较在20%～40%之间的稳定[12]，根据当地情况，采用0、40%、80%、100%四种植被覆盖率。

2 结果与分析

2.1 产沙率与影响因素之间的关系

当坡度和植被覆盖率一定时，产沙率原始数据可分为8组。每组数据中随着一定的时间间隔一种雨强对应15个产沙率数据，对8组数据中每一种雨强对应的15个产沙率数据取均值后，共得到32个数据作为灰色分析的原始数据。设置影响因素坡度(X1)、植被覆盖率(X2)、雨强(X3)为比较数列，产沙率(X0)为参考数列。计算灰色关联度具体步骤如下[13]：

无量纲化(均值化法)处理原始数据即：

(1)

逐一计算参考数列(均值化后的第一列)与比较数列的绝对差值即：

|x0(k)-xi(k)|

(2)

计算关联系数：

ζi(k)=

(3)

计算关联度：

(4)

据此，求得影响因素对于产沙率的关联度，详见表1。

表1 影响因素与产沙率的关联度

灰色关联度的数值大小可表明影响因素对参考数列的影响程度，数值越大则影响程度越大。由表1可知，各因素对产沙率均有较大的影响，对产沙率的关联度影响最大的因素为雨强，其数值是0.872 48，雨强的增大致使坡面径流变大，土壤的渗透性由于径流冲刷力的增强而下降，致使侵蚀产沙现象加重。坡度对于产沙率的关联度，为0.862 22，坡度增大会增加土层被径流冲走的几率。植被覆盖率较另两种因素的数值小，为0.845 46，但对产沙率同样有较大的影响，地表在植被的阻挡下受到雨水的击溅侵蚀作用减小，另一方面植被可增加土壤的抗蚀能力，两者共同作用使产沙率降低。

2.2 产流率与影响因素之间的关系

把参考数列Y0设为产流率，比较数列不变，利用公式(1)～(3)对原始数据进行计算，得出关联系数后，利用公式(4)得到影响因素对于产流率的灰色关联度，计算结果见表2。

表2 影响因素与产流率的关联度

对灰色关联度进行排序：雨强>坡度>植被覆盖率,即对坡面产流率影响程度相对较大的首先为雨强，次之是坡度，影响程度相对最弱的为植被覆盖率。雨强对于产流率的关联度为0.742 54，雨强愈大，动能愈大，落在坡面的雨滴速度愈大，尾矿坝坡面接受单位时间内的雨量愈大，使得坡面产流率增加，该因素对产流率的影响最大。坡度对于产流率的关联度为0.722 97，产流率受其影响较大，坡面径流沿重力方向移动的分力同坡度呈正相关，所以提高坡度会加快水流汇集速度，产流率随之增大。与坡度因素和雨强因素相比，植被覆盖率对于产流率的影响较小，关联度为0.670 63。

2.3 尾矿坝坡面初始产流时间分析

不同试验条件下尾矿坝坡面初始产流时间的结果见图3。由图3可见，控制植被覆盖率的条件下，坡度和雨强增加，可缩短尾矿坝坡面的初始产流时间。控制坡度和雨强两种变量，初始产流时间在植被覆盖率增加的条件下被推迟。说明同初始产流时间呈负相关的为雨强及坡度，呈正相关的为植被覆盖率。其中裸地初始产流时间的最小值为130 s(220 mm/h，15°)，最大值为600 s(20 mm/h，15°)；植被覆盖率为100%时初始产流时间的最小值为165 s(220 mm/h，30°)，最大值为1 080 s(20 mm/h，15°)。雨滴连续不断的击打坡面，使得坡面出现不均匀的雨穴，雨强增大使得雨穴的数量增加，增大了坡体表面的粗糙程度，局部径流流速因此延缓，从而提前初始产流时间。坡度提高，雨水渗到土壤的几率下降，雨滴加速在坡面上汇集，径流流速增大，从而使初始产流时间提前。

图3 不同试验条件下的初始产流时间

经回归分析，得出试验条件下初始产流时间和三种因素的关系式为：

T=799.981 2+3.079 237D-2.857 14I-9.183 33C

(5)

式中：T—初始产流时间，s；D—植被覆盖率，%；I—雨强，mm/h；C—坡度，°。

回归方程得到样本决定系数R2=0.846，观测值n=32，达到极显著(p<0.01)，说明该回归方程能够用于预测试验条件下的尾矿坝坡面初始产流时间。

对初始产流时间与植被覆盖率、雨强、坡度做偏相关性分析。得到三者与初始产流时间的标准偏回归系数分别为0.757、-0.902、-0.559，且植被覆盖率、雨强、坡度与初始产流时间的相关性均达到极显著(P<0.01)，由此得出试验条件下的三个因素都对尾矿坝坡面初始产流时间有较大影响且影响极显著。可确定三个因素中对初始产流时间影响最大的因素为雨强，其次为植被覆盖率，最后为坡度。

与裸地相比较，植被的存在可推迟初始产流时间。三种植被覆盖率对尾矿坝坡面初始产流时间的延缓情况如图4所示，由图4可知，初始产流时间能被三种植被覆盖率有效延缓，其中40%的植被覆盖率延缓产流时长在5～140 s范围内，雨强为100 mm/h、坡度15°时延缓产流时间达140 s，其他条件下延缓产流时间在5～110 s内。80%的覆盖率延缓产流时长在15～300 s之间，较40%覆盖率的延长效果好，雨强为20 mm/h、坡度15°时延缓产流时间达300 s。100%的覆盖率延缓产流时长在30～612 s之间，雨强为100 mm/h、坡度15°时延缓产流时间达612 s，其延缓产流时间较80%、40%覆盖率效果都要好。这是由于植被的覆盖减小了雨滴对于坡面的冲击，同时植被也起到阻挡作用，使径流的速度变慢，覆盖在地表的植物承受了原来作用在地表的力。因此，延缓产流时间随着植被覆盖率的增加相对变长。

图4 不同试验条件下的延缓产流时间

3 结论

利用人工模型实验装置，研究不同植被覆盖率、雨强和坡度下的废弃尾矿坡面初始产流时间以及与产流产沙的关联度，所得结论如下：

(1)植被覆盖率、雨强和坡度对于产沙率的关联顺序为：雨强>坡度>植被覆盖率，对产流率的关联顺序为：雨强>坡度>植被覆盖率。当雨强、坡度、植被共同作用时，废弃尾矿坡面产流产沙率受雨强影响最大，坡度次之，植被覆盖的影响相对其他两个影响因素较弱。

(2)初始产流时间与植被覆盖率、雨强及坡度呈一定的线性关系，与植被覆盖率之间表现为正相关关系，与雨强及坡度之间表现为负相关关系。裸地、雨强为220 mm/h、坡度为15°时初始产流时间最早；覆盖率为100%、雨强为20 mm/h、坡度为15°时初始产流时间最晚。

(3)对初始产流时间产生最主要影响的是雨强和植被覆盖，坡度在试验条件下对初始产流时间的影响较另外两种因素都小，三个因素对初始产流时间的作用效果都较大且均达到极显著。试验条件下设置的三种植被覆盖率均可有效延缓初始产流时间，植被覆盖率的提高对产流时间延缓有积极作用。