浅析晋北土石山区露天煤矿辅助生产设施建设水土流失预测

姜 浩

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

露天煤矿可开采出大量煤炭资源，但需建设复杂多样的辅助生产设施，在为国民经济作出巨大贡献的同时，也严重破坏了矿区生态环境[1]。辅助生产设施的建设因土地平整、挖掘或填筑等活动，改变地表形态并破坏原有的地貌特征，地表的坡度和凹凸度会发生改变，使得水流速度加大，从而增加了土壤被侵蚀的风险，导致水土流失的加剧；辅助生产设施的建设活动通常需要清除现有的植被，包括树木、草地或其他植被类型，会导致植被覆盖的丧失，减少了植物根系的固土作用，从而削弱了水土保持的能力。没有合适的植被覆盖，土壤容易暴露在风雨的侵蚀下，导致水土流失的加剧；此外，辅助生产设施的建设还可能改变土壤的结构和质地。土壤的改变包括土层的混合、挖掘或填充等操作，这些改变会影响土壤的保水性和抗侵蚀能力。一旦土壤结构发生改变，原有的水土保持设施可能无法有效地防止水土流失。晋北土石山区拥有大量的露天煤矿，但该区域土壤地质条件较差，多年形成较深的侵蚀沟，年降水量较少，大多数集中在雨季，地表植被较稀疏，这些特点加剧了露天煤矿辅助生产设施建设过程中的水土流失[2]。在辅助生产设施建设过程中，需要重视对水土保持设施的保护和修复工作，以最大限度地减少对环境的不良影响，可以通过合理的设计和规划，采取有效的水土保持防护措施以及进行必要的生态恢复工作来实现。本文以中煤平朔集团有限公司新建东露天电铲、钻机大修场地工程为例，根据工程设计理念并结合实际情况，采用现场踏勘和专家咨询法等方法来研究工程所在地的水土流失情况以及确定不同施工时段内的土壤侵蚀模数，计算分析预测因工程建设可能造成的水土流失量。通过评估和分析，能够提供有效的评价方法和充分的理论依据用以预测晋北露天煤矿辅助生产设施建设所造成的水土流失情况。有助于制定相应的水土流失防治措施和管理策略，减少对环境的不良影响。同时，也为晋北露天煤矿辅助生产设施建设制定水土流失防治体系提供有效的数据支撑。

1 研究背景

工程位于朔州市平鲁区榆岭乡东露天矿工业场地西南侧，东南距榆岭乡约4km，行政区划隶属于朔州市平鲁区管辖。东露天矿设计生产能力25.0Mt·a-1，属于特大型露天煤矿，新建的电铲、钻机大修场地设计维修能力为电铲年大修3台，钻机年大修4台。本项目属于新建、建设类项目，于2023年7月—2024年4月，总工期10个月(含施工准备期)。本工程由工业场地区、外部道路区、施工生产区、供热管线区和供电线路区6部分组成。

2 预测方法

采用实地调查与设计资料相结合的方法进行工程开始施工前原地貌的水土流失预测；扰动后土壤侵蚀模数的预测方法通常有类比法、数学模型法、试验观测法、专家评估法和航空照片判读法[3]，本工程扰动后的水蚀侵蚀模数采用专家评估法；水土流失危害预测采取实地跟踪调查法，调查当地相似的工程，参考这些工程扰动后造成的危害，从而进行本项目的分析与预测。

水土流失量计算公式[3]：

(1)

(2)

式中，W为流失量，t；ΔW为新增流失量，t；j为预测时段；i为预测单元；Fji为第j预测时段第i预测单元的面积，km2；Mji为第j预测时段第i预测单元的侵蚀模数，t·km-2·a-1；ΔMji为第j预测时段第i预测单元的新增侵蚀模数，t·km-2·a-1；Tji为第j预测时段第i预测单元的预测时段长，a。

3 参数确定

3.1 预测范围和预测单元

结合主体设计资料分析，本项目的水土流失预测范围总占地为2.35hm2。在划分水土流失预测单元时，需要考虑项目的占地种类、各建筑物布设区域情况、工程的建设内容、在施工过程中对地表的破坏情况、水土流失影响程度以及地质地貌特征等因素。经综合分析，本项目可划分5个水土流失预测单位，分别为工业场地区、外部道路区、施工生产区、供热管线区以及供电线路区。水土流失预测范围及预测单元划分情况见表1。

表1 水土流失预测范围及预测单元表

3.2 预测时段

煤矿辅助生产设施建设造成的水资源和泥土资源量按照施工期(含施工准备期)和自然恢复期2个预测时段开展预测与分析；自然恢复期一般取2～5年，根据工程所在地的降雨量、蒸发量、温度以及干旱程度，综合确定本项目自然恢复期的预测时段为5年。每个预测单元的预测时段应按照最不利的情况考虑，超过雨季长度的按全年计算，不超过雨季长度的按占雨季长度的比例计算[3]。预测时段划分情况见表2。

表2 各预测单元水土流失预测时段表

3.3 土壤侵蚀模数的确定

3.3.1 扰动前土壤侵蚀模数

工程所在地属于太行山西北部山地丘陵防沙水源涵养区，植被覆盖程度相对较弱，容许土壤流失量为200t·km-2·a-1。工程所在地植被主要以灌草为主，常见有柠条丛、黄刺玫丛、沙棘灌丛和荆条灌丛，根据工程所在地地表植被、土壤状况、气象等资料，确定工程所在地土壤侵蚀类型为以中度侵蚀强度为主的水力侵蚀，水力侵蚀模数背景值为2700t·km-2·a-1。

3.3.2 扰动后土壤侵蚀模数

工程所在地属温带大陆性季风气候半干旱区，多年平均降水量424mm，年蒸发量在1786.7～2598mm，一般为2066.7mm。根据工程所在地年降雨量和年蒸发量，并结合咨询相关专家的结论，本方案确定工程所在地扰动后土壤侵蚀水蚀模数为4900t·km-2·a-1。

3.3.3 自然恢复期土壤侵蚀模数

在自然恢复期，土壤侵蚀模数将逐年逐渐降低，并最终回归接近至原地貌水平，即第2年土壤侵蚀模数比第1年更弱，以此类推。通过对工程所在地的地质、地貌和气候因素进行调查分析并咨询专家，预计本工程建设扰动区在无人干扰的情况下，将于第5年接近恢复到原地貌水平。不同预测单位施工期和自然恢复期土壤侵蚀模数汇总见表3。

4 成果分析

利用已经确定的预测参数，通过模型计算对本项目各预测单元在不同施工时间段产生的水土流失量进行了预测。预测结果见表4。

从表4可以看出，在本工程建设过程中，共计产生水土流失总量为208.46t，相比于原地地貌而言，工程的建设导致水土流失量新增91.28t，工程的建设破坏了地表土壤结构和植被，从而对水土流失生产了负面的影响，引起了更严重的水土流失后果。在施工期，新增的水土流失量为51.04t；在自然恢复期新增水土流失量40.24t，施工期长度约为1年，而自然恢复期为5年，因此施工期是产生新增水土流失量强度最大的主要发生时段。

表3 土壤侵蚀模数汇总表

表4 土壤流失量汇总表

图1 分时段新增土壤流失量图

从图1可以分析出，在工程施工过程中，新增的水土流失量所占的百分比自然恢复期高出了11.84%，这说明辅助设施的建设对于地表地貌的破坏会加速水土流失，主要原因为施工活动会改变土壤结构，使土壤土质变得疏松。因此，工程建设过程是造成水土流失最重要的时间段，本项目的水土流失预测结果可为建设单位在今后开展水土流失量监测工作时提供理论依据，应该着重对工程建设期开展监测。工程施工过程中形成的裸露地表土质疏松，固土能力较弱。如果不采取行之有效的水土流失防护措施，在短时间内发生强降雨，降水入渗不及时，产生较大的地表径流时，地表径流会带走松散的土壤，产生侵蚀沟，最终导致严重的水土流失，这些水土流失现象也将会严重影响项目区周边的生态环境状况。水土流失不仅会导致土壤的贫瘠化和水资源的浪费，还可能造成土壤侵蚀、河道淤塞、水质污染等问题，进而影响到生态系统的平衡和可持续发展。因此，在工程建设过程中，必须采取有效的水土保持防护措施来预防和治理水土流失。包括合理规划施工过程、采取适当的植被覆盖和固土措施、构建沟道和排水系统等。通过这些措施的实施，可以最大限度地减少水土流失，保护生态环境的稳定性和可持续性。

图2 分区段新增土壤流失量图

从图2可以分析出不同预测分区新增的土壤流失量多少情况。新增水土流失量最多的分区为工业场地区和供热管线区。工业场地区新增水土流失量占总新增水土流失总量的47.44%，供热管线区占37.26%。因此，工业场地区和供热管线区是本项目建设过程中产生水土流失的重点防治区，在今后的治理中应着重布置水土流失防治措施，也是开展水土保持监测工作的重点监测区域。在辅助设施建设过程中，应优化施工方案，在不影响施工质量的情况下，避开雨季施工，尽量缩短施工时段，避免产生大量的临时堆土，缩短场地平整和裸露时间，加快植被建设进度，能实施绿化的区域尽早采取防护措施，有效缩短强流失时段。

5 结语

我国露天煤炭开采产量在逐年上升；开采规模在不断扩大，而且大多数露天煤矿均分布在生态环境脆弱的地区，露天煤矿辅助生产设施建设及开采对矿区环境引发固体、液体、气体综合性破坏和污染巨大[4-6]，采矿的生产和运输对矿区生态环境影响巨大。通过水土流失预测，可预测项目施工过程中可能发生水土流失严重的区域和时间节点，有助于定量分析水土流失的程度和定性评估其对项目区的影响程度。如，在可能发生水土流失严重的区域，可以加强植被覆盖、构建防护沟和挡土墙等措施来减少水土流失。在可能发生水土流失较轻微的区域，则可采取相对较简单的措施，如表层覆盖和固土措施等。总之，水土流失量的预测和分析对于科学、合理地制定水土保持措施体系非常重要。通过量化分析，帮助建设单位制定相应的防治策略，尽最大程度降低因工程建设产生的水土流失及其潜在影响，保护环境并实现可持续发展。