白 蕓，王文龍，2，黃鵬飛，李宏偉，王 貞，王正利，李 仁

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.江西省水土保持科學(xué)研究院 土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330029；4.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州310014；5.中國水電顧問集團(tuán) 華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310014；6.黃河水利委員會(huì) 西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 慶陽745000；7.吳起縣水土保持工作隊(duì)，陜西 吳起717600）

神府煤田是世界7大煤田之一，在中國國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中占據(jù)舉足輕重的地位，自20世紀(jì)80年代大規(guī)模開發(fā)以來，在帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)跨躍式發(fā)展的同時(shí)，也帶來了一定的環(huán)境問題。煤田開采過程中地表剝離形成的裸露地表會(huì)增加水土流失量［1］，礦渣堆積體會(huì)產(chǎn)生大量的徑流泥沙量［2］，尤其是露天開采，對地表土的剝離、堆積、填埋形成了大量的人為擾動(dòng)地面［3－4］，嚴(yán)重加劇了當(dāng)?shù)氐乃亮魇Я?。?jù)統(tǒng)計(jì)，對于露天開采，每采1.00×104t煤炭就有0.06～0.13hm2的地面遭到擾動(dòng)，平均為0.08hm2。這種擾動(dòng)地面土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，顆粒松散，密度相對較小，極易被沖刷，所產(chǎn)生的水土流失屬于典型的人為加速侵蝕［4］。John E G等［5］通過人工模擬降雨試驗(yàn)，對美國北達(dá)科他州西部露天煤礦水土流失研究后指出，煤礦開采過程中由于地面擾動(dòng)，表層土的產(chǎn)沙量是原始草地的360倍。隨著中國礦區(qū)開發(fā)過程中產(chǎn)生的水土流失日益嚴(yán)重，也有不少學(xué)者開始關(guān)注開發(fā)建設(shè)引起的水土流失問題。但是這些研究主要集中在高陡邊坡和堆積體上［6－7］，對擾動(dòng)地面的研究基本都是采用放水沖刷［8－10］方法，鮮有采用野外人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)對礦區(qū)擾動(dòng)地面侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理及影響因素等方面的研究。因此，本文以神府東勝煤田原生地面與擾動(dòng)地面為研究對象，探討其產(chǎn)流、產(chǎn)沙規(guī)律及水動(dòng)力學(xué)特征，闡明不同下墊面在降雨條件下侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理，探索人為加速侵蝕過程中侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理及水動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化特征，為水土保持方案編制中水土流失預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

神府東勝煤田地處晉陜蒙3省交界處，地理坐標(biāo)為北緯37°20′—40°16′，東經(jīng)108°36′—110°36′。該區(qū)目前探明的含煤面積為31 171.97km2，探明儲(chǔ)量2.24×1011t。礦區(qū)地面組成物質(zhì)復(fù)雜，主要土壤類型有風(fēng)沙土、綿沙土、紅黃土，其總的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)疏松，極易風(fēng)化，抗沖抗蝕性極差。該區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷母珊蛋敫珊荡箨懠撅L(fēng)性氣候，年降雨量分配不均勻，7—9月占全年降雨量的65%～70%，且多暴雨，暴雨量占當(dāng)年降雨總量的9.6%～33.4%，暴雨洪水侵蝕是礦區(qū)水蝕的主要特點(diǎn)，洪水輸沙量占全年輸沙量的97%以上。

該區(qū)植被主要是耐寒耐旱的小葉灌木、半灌木、沙生植被、草甸植被和鹽生植被，主要有天然及人工沙蒿（白沙蒿和黑沙蒿）、沙柳、沙竹、檸條、沙棘、黃薔薇、臭柏、酸棗及沙櫻桃等，沙地植被占絕對優(yōu)勢。

1.2 試驗(yàn)小區(qū)概況

考慮到水源、理想下墊面和風(fēng)等自然條件的限制，原生地面小區(qū)選在一塊未經(jīng)人為擾動(dòng)的面積較大并且坡度合適的撂荒坡地上，植被蓋度均勻。擾動(dòng)地面選在煤礦附近的一個(gè)采石場，經(jīng)過嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，地面破碎，塊石已被搬走，余留經(jīng)過采石后剩余細(xì)屑。小區(qū)大小為1m×3m（斜坡面積），周圍用5mm厚鋼板圍住。小區(qū)內(nèi)土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 擾動(dòng)地面與原生地面土壤理化性質(zhì)

1.3 野外人工模擬降雨試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選在神木縣西溝鄉(xiāng)六道溝村煤礦附近，地點(diǎn)選取的是典型的神府東勝煤田開采區(qū)。在試驗(yàn)小區(qū)外圍，使用Φ48×3.5的電焊鋼管搭建臨時(shí)降雨棚，四周圍有防風(fēng)布，以盡量減小風(fēng)對降雨的影響。在垂直距離小區(qū)3m上方搭建下噴式降雨器。水源為山頂水窖，并在高于試驗(yàn)小區(qū)8m的地方放置2m3儲(chǔ)水箱，儲(chǔ)水箱中放置60m揚(yáng)程水泵用以提供動(dòng)力。降雨前把處理好的小區(qū)用防水塑料布遮蓋，率定雨強(qiáng)，率定誤差不超過5%。雨強(qiáng)率定完畢后，迅速掀開塑料布，記錄徑流起始時(shí)間，設(shè)計(jì)產(chǎn)流歷時(shí)45min，前3min每隔1min接1次徑流泥沙樣，3min后每隔3min接1次。降雨結(jié)束后量測徑流泥沙樣體積，過濾后用105℃的烘箱烘24h后稱重。坡面徑流寬度和深度用薄鋼尺量測，用以計(jì)算水力半徑。小區(qū)坡度為5°，10°，18°，降雨強(qiáng)度為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0mm／min這5個(gè)級別，每個(gè)試驗(yàn)設(shè)置重復(fù)1次，共計(jì)30場次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用Excel和SPSS 16.0完成。

2 結(jié)果與討論

在次降雨過程中，影響產(chǎn)流產(chǎn)沙因素分為降雨因素（降雨量、降雨強(qiáng)度、降水歷時(shí)）、下墊面因素（下墊面類型、前期含水量、坡度等）和人為活動(dòng)影響等。此次試驗(yàn)，嚴(yán)格控制降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、下墊面類型、坡度和人為活動(dòng)等影響。

一些學(xué)者［11－12］對黃土坡面降雨入滲的研究結(jié)果顯示，對同一質(zhì)地土壤，隨著土壤前期含水量增加，坡面徑流起始時(shí)間縮短，侵蝕產(chǎn)沙量增大。分析不同場次試驗(yàn)土壤前期含水量（表2），原生地面與擾動(dòng)地面間土壤前期含水量無顯著差異，p＝0.188＞0.05（表3）。因此，土壤前期含水量對后續(xù)試驗(yàn)產(chǎn)沙產(chǎn)流結(jié)果的影響予以忽略。

表2 各場次降雨土壤前期含水量

表3 原生地面與擾動(dòng)地面土壤前期含水量單因素方差分析結(jié)果

2.1 擾動(dòng)地面與原生地面徑流起始時(shí)間分析

徑流起始時(shí)間為降雨開始到小區(qū)全坡面開始產(chǎn)生徑流的時(shí)間。擾動(dòng)地面最長徑流起始時(shí)間為82.03min，最短為 5.58min，原生地面的最長為31.36min，最短為0.52min。兩種下墊面徑流起始時(shí)間均隨著雨強(qiáng)增大而縮短，隨坡度增大而縮短。

擾動(dòng)地面徑流起始時(shí)間較原生地面長，是原生地面的1.8～11.7倍，其中大多（70%）在3倍以上，在坡度為10°，18°，降雨強(qiáng)度為3.0mm／min的暴雨條件下，徑流起始時(shí)間的增幅甚至達(dá)到10倍以上（圖1）。研究區(qū)內(nèi)暴雨多為A型暴雨，由局部強(qiáng)對流條件引起，具有小范圍、短歷時(shí)、高強(qiáng)度特點(diǎn)，降雨歷時(shí)一般為30～120min，最大30min降雨量占總降雨量的60%～100%，最大60min降雨量占總雨量的85%～100%［13］。區(qū)內(nèi)降雨歷時(shí)一般介于30～60min，故選取45min的降雨歷時(shí)為分界線，雨強(qiáng)為1.0mm／min，擾動(dòng)地面在3種坡度下均不產(chǎn)流，根據(jù)張漢雄［14］提出的黃土高原暴雨公式知，歷時(shí)為45min，強(qiáng)度為1.0mm／min的暴雨，重現(xiàn)期為15a。據(jù)此可推測，擾動(dòng)地面的土壤侵蝕一般是在長歷時(shí)或大雨強(qiáng)下發(fā)生的。

圖1 擾動(dòng)與原生地面的徑流起始時(shí)間對比

2.2 擾動(dòng)地面與原生地面徑流分析

徑流率即為單位時(shí)間內(nèi)通過徑流小區(qū)斷面的徑流量。擾動(dòng)地面徑流率在0.16～4.92L／min，原生地面的在0.23～5.75L／min，均隨著雨強(qiáng)的增大而增大（圖2）。經(jīng)SPSS 16.0回歸分析，原生地面在5°（r2＝0.910，p＝0.015），10°（r2＝0.601，p＝0.123和18°（r2＝0.954，p＝0.004）與擾動(dòng)地面在5°（r2＝0.758，p＝0.055），10°（r2＝0.903，p＝0.013）和18°（r2＝0.923，p＝0.009）時(shí)，徑流率與降雨強(qiáng)度間呈顯著的線性相關(guān)。

兩種下墊面徑流率相比，總體上（70%）擾動(dòng)地面比原生地面的小5%～54.4%。分析兩種不同下墊面的容重和孔隙度得知，擾動(dòng)地面容重均值小于原生地面（1.19＜1.25g／m3），平均孔隙度大于原生地面（55.12%＞53.78%），擾動(dòng)地面土質(zhì)疏松、孔隙度大，入滲率比原生地面大，平均入滲深度比原生地面大（11.3＞8.4cm）。雖然植被可增強(qiáng)入滲，減小地面徑流率［15－16］，但在本試驗(yàn)中原生地面地表植被對入滲的增加作用略小于擾動(dòng)地面中擾動(dòng)對入滲增加的貢獻(xiàn)。經(jīng)SPSS 16.0分析知，兩種下墊面間徑流率差異不顯著（p＞0.05）。因此在本試驗(yàn)中原生地面植被與擾動(dòng)地面的擾動(dòng)對增加入滲的貢獻(xiàn)相當(dāng)。

圖2 擾動(dòng)與原生地面徑流率對比

2.3 擾動(dòng)地面與原生地面初始徑流含沙量分析

次降雨的初始徑流含沙量即為產(chǎn)流前3min內(nèi)所取3次徑流樣的含沙量平均值。擾動(dòng)地面初始徑流含沙量在1.28～34.3g／L，原生地面的在0.94～19.48g／L，兩種不同下墊面初始含沙量均隨雨強(qiáng)和坡度增大而增大，但相關(guān)性不顯著。不同坡度和雨強(qiáng)下徑流初始含沙量擾動(dòng)地面較原生地面大，前者是后者1.1～5.8倍，經(jīng)SPSS 16.0分析表明，兩種下墊面之間的差異顯著（p＝0.012）。說明地面擾動(dòng)會(huì)明顯地使初始含沙量增大。

2.4 擾動(dòng)地面與原生地面徑流含沙量分析

原生地面的徑流含沙量值在1.18～11.66g／L，擾動(dòng)地面的在1.44～39.59g／L，兩種不同下墊面徑流含沙量均隨坡度增大而增大，隨雨強(qiáng)增大有增大趨勢。擾動(dòng)地面的徑流含沙量要明顯地高于原生地面，前者約是后者的1.2～6.3倍（圖3），存在極顯著性差異（p＝0.000）。經(jīng)分析知擾動(dòng)地面與原生地面間徑流率無顯著差異，但徑流含沙量存在極顯著差異，說明擾動(dòng)地面較原生地面更易形成高含沙徑流。

2.5 擾動(dòng)地面與原生地面產(chǎn)沙量分析

擾動(dòng)地面的產(chǎn)沙量最小值為19.57g（5°，1.0mm／min組合設(shè)置），最大值為9 510.66g（18°，3.0mm／min組合設(shè)置）；原生地面的產(chǎn)沙量最小為9.48g（5°，1.0mm／min組合設(shè)置），最大為 3 562.72g（18°，3.0mm／min組合設(shè)置）。兩種下墊面產(chǎn)沙量均隨雨強(qiáng)增大而增大，隨坡度增大而增大。這是由于坡度增加，使徑流流速增大，并且在相同坡長條件下水流用更短的時(shí)間流出小區(qū)，因此徑流量增加，從而徑流能量增大，使得徑流侵蝕能力增強(qiáng)，進(jìn)而產(chǎn)沙量上升。

圖3 擾動(dòng)與原生地面平均徑流含沙量對比

擾動(dòng)地面產(chǎn)沙量大于原生地面，是原生地面的2～12.7倍（圖4），呈極顯著差異（p＝0.000）。隨著坡度和雨強(qiáng)的增大，兩者之間差值變大。這是由于擾動(dòng)地面土壤疏松，土壤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，土壤抗蝕性低，且無地表植被保護(hù)，抗沖性小，因此產(chǎn)沙量大，在大坡度條件下，擾動(dòng)地面易發(fā)生溝蝕，尤其在大雨強(qiáng)條件下，擾動(dòng)地面疏松的土壤在雨水長時(shí)間浸泡下，變得更松軟易蝕，造成產(chǎn)沙量急劇增加?；貧w分析顯示，擾動(dòng)地面與原生地面的產(chǎn)沙量與雨強(qiáng)及坡度之間均具有良好的線性關(guān)系。

圖4 擾動(dòng)地面與原生地面產(chǎn)沙量對比

2.6 擾動(dòng)地面與原生地面水流剪切力分析

水流剪切力是沿著坡面梯度方向運(yùn)動(dòng)的水流在其運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生的作用力。依據(jù)式（1）計(jì)算［17］：

式中：τ—水流剪切力（Pa）；γ——水的容重（N／m3）；R——水力半徑（m），根據(jù)試驗(yàn)中測得的流寬及流深數(shù)據(jù)計(jì)算；ρ——水的密度（kg／m3）；g——重力加速度（m／s2）；J——水力能坡（J＝tanθ，試驗(yàn)為直型坡，θ取小區(qū)坡度）。

水流剪切力的大小決定著水流對土壤剝蝕作用的強(qiáng)弱。擾動(dòng)地面水流剪切力在0.84～20.55N／m2，原生地面的在0.81～20.68N／m2；兩種不同類型下墊面水流剪切力隨雨強(qiáng)的增大有相同的增大趨勢（表4），但二者的值無顯著差異（p＞0.05）。

表4 不同場次擾動(dòng)地面與原生地面水流剪切力

利用SPSS 16.0對產(chǎn)沙量與水流剪切力間進(jìn)行回歸分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)沙量（M）與水流剪切力（τ）之間具有顯著的線性關(guān)系。原生地面的擬合關(guān)系為：

擾動(dòng)地面的擬合關(guān)系為：

由式（2）和式（3）知，原生地面的臨界抗剪力（τ0）為0.780N／m2，擾動(dòng)地面為0.132N／m2，原生地面的臨界抗剪力遠(yuǎn)大于擾動(dòng)地面，是擾動(dòng)地面的7.42倍。這是由于原生地面較擾動(dòng)地面容重大，土體密實(shí)；且原生地面的土壤黏粒含量較多，小于0.002mm的顆粒含量為4.89%，大于擾動(dòng)地面的1.38%，砂粒含量較小，0.05～2mm的顆粒含量為61.65%，小于擾動(dòng)地面的76.31%，加之地表有植被覆蓋，土壤的黏聚力大，因此，抗剪切力大。當(dāng)徑流剪切力大于土壤抗剪切力，土壤顆粒被徑流分離而發(fā)生侵蝕，此時(shí)的水流剪切力稱為臨界剪切力。在相同徑流條件下，擾動(dòng)地面水流剪切力更易達(dá)到侵蝕發(fā)生的臨界條件，從而產(chǎn)生侵蝕。

分析公式（2）和公式（3）亦知，當(dāng)水流剪切力大于0.780N／m2時(shí)，兩種下墊面均發(fā)生侵蝕，但相同的有效水流剪切力（即水流剪切力超過土壤抗剪切力的部分），在擾動(dòng)地面上產(chǎn)生的侵蝕量更大。單位有效水流剪切力，在擾動(dòng)地面引起的土壤侵蝕量為472.379g，在原生地面上為150.07g，擾動(dòng)地面是原生地面的3.15倍。同時(shí)，分析各場次降雨的水流剪切力發(fā)現(xiàn)，在相同降雨條件下，擾動(dòng)地面的水流剪切力在0.84～20.55N／m2，原生地面的在0.81～20.68N／m2，擾動(dòng)地面的有效水流剪切力更大（表4），且兩種下墊面在相同雨強(qiáng)條件下水流剪切力無顯著差異，因此，與原生地面相比，在雨強(qiáng)相同時(shí)，擾動(dòng)地面更易發(fā)生侵蝕，且一旦侵蝕發(fā)生，侵蝕量更大。

綜合上述，從侵蝕發(fā)生的機(jī)理上解釋在雨強(qiáng)相同時(shí)，一旦產(chǎn)生徑流，擾動(dòng)地面的侵蝕量更大的原因有以下兩個(gè)：（1）單位有效水流剪切力在擾動(dòng)地面上產(chǎn)生的土壤侵蝕量大于原生地面；（2）在相同雨強(qiáng)條件下，擾動(dòng)地面的有效水流剪切力大于原生地面，且第一個(gè)原因?yàn)橹饕颉?/p>

3 結(jié)論

（1）兩種下墊面的徑流起始時(shí)間均隨著坡度的增大而縮短，隨著雨強(qiáng)的增大而縮短，與原生地面相比，由于擾動(dòng)地面的土質(zhì)疏松，孔隙度大，徑流起始時(shí)間長，是原生地面的1.8～11.7倍；徑流率小，較原生地面小5%～54.4%。

（2）擾動(dòng)地面一般在強(qiáng)降雨條件下才會(huì)發(fā)生侵蝕（降雨歷時(shí)為45min，暴雨重現(xiàn)率在15a以上），但是一旦發(fā)生侵蝕，在相同的降雨條件下，比原生地面更易被侵蝕，侵蝕強(qiáng)度更大。擾動(dòng)地面的初始徑流含沙量，平均徑流含沙量和產(chǎn)沙量均較大，分別是原生地面的1.1～5.8，1.2～6.3和2～12.7倍。

（3）兩種下墊面的產(chǎn)沙量與水流剪切力間均存在顯著線性相關(guān)，擾動(dòng)地面的臨界水流剪切力小于原生地面。在相同雨強(qiáng)條件下，擾動(dòng)地面的有效水流剪切力大于原生地面，且單位有效水流剪切力所產(chǎn)生的土壤侵蝕量，擾動(dòng)地面是原生地面的3.15倍，從發(fā)生機(jī)理上解釋了相同雨強(qiáng)下擾動(dòng)地面侵蝕量更大的原因。

［1］ Cooke R U，Doornkamp J C.Geomorphology in environmental management：A new introduction ［M］New York：Oxford University Press，1990.

［2］ Carroll C，Merton L，Burger P.Impact of vegetative cover and slope on runoff，erosion，and water quality for field plots on a range of soil and spoil materials on central Queensland coal mines［J］.Australian Journal Soil Research，2000，2（38）：313－327.

［3］ Deniz M.Environmental impacts of coal mining and coal utilization in the UK ［J］.Acta Montanistica Slovaca，2010，2（15）：134－144.

［4］ 李銳，唐克麗.神府—東勝礦區(qū)一、二期工程環(huán)境效應(yīng)考察［J］.水土保持研究，1994，1（4）：5－17.

［5］ Gilley J E，Gee G W，Bauer A.Runoff and erosion characteristics of surface－mined sites in Western North Dakota［J］.Transactions of American Society of Agricultural Engineers，1977，20（7）：697－700.

［6］ 張勝利，任京柱.開礦對小流域水沙的影響研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，1992，6（2）：76－79.

［7］ 王治國，白中科，趙景奎，等.黃土區(qū)大型露天礦排土場巖土侵蝕及其控制技術(shù)的研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，1994，8（2）：10－17.

［8］ 白中科，胡振華，王治國.露天礦排土場人為加速侵蝕及分類研究［J］.土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1998，4（1）：34－40.

［9］ 王文龍，王兆印，李占斌，等.神府東勝煤田開發(fā)中擾動(dòng)地面徑流泥沙模擬研究［J］.泥沙研究，2006，4（2）：60－64.

［10］ 羅婷，王文龍，王貞，等.神府東勝煤田開發(fā)建設(shè)中擾動(dòng)地面產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗(yàn)研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26（4）：59－63.

［11］ 陳洪松，邵明安，王克林.土壤初始含水率對坡面降雨入滲及土壤水分再分布的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（1）：44－47.

［12］ 張玉斌，鄭粉莉.近地表土壤水分條件對坡面土壤侵蝕過程的影響［J］.中國水土保持科學(xué)，2007，5（2）：5－10.

［13］ 焦菊英，王萬忠，郝小品.黃土高原不同類型暴雨的降水侵蝕特征［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，1999，13（1）：34－42.

［14］ 張漢雄.黃土高原的暴雨特性及其分布規(guī)律［J］.地理學(xué)報(bào)，1983，38（4）：416－425.

［15］ 李淼，宋孝玉，沈冰，等.黃土溝壑區(qū)不同植被對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（1）：117－120.

［16］ Jordán A，Martínez－Zavala L.Soil loss and runoff rates on unpaved forest roads in Southern Spain after simulated rainfall［J］.Forest Ecology and Management，2008，255（3／4）：913－919.

［17］ Bagnold R.An approach to the sediment transport problem from general physics［R］.Geological Survey Professional Paper（United States），1966：422－437.