房煥英, 謝頌華, 黃鵬飛, 劉 英

(1.江西省水土保持科學研究院, 江西 南昌 330029; 2.江西農(nóng)業(yè)大學, 江西 南昌 330045)

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，江西省生產(chǎn)建設項目數(shù)量將繼續(xù)保持一定規(guī)模。然而，大面積的開采和排廢不僅破壞和擾動原始地面，還產(chǎn)生大量棄土棄渣體，使之成為開發(fā)建設中形成的最主要地面組成物質之一，亦是一個水—土—生物重新組合的人為塑造地貌單元[1-2]。棄土棄渣產(chǎn)生的水土流失主要體現(xiàn)為巖石、土壤、土狀物、泥狀物、廢渣、尾礦、垃圾等多種物質的破壞、侵蝕、搬運和沉積，是一種典型的人為加速侵蝕[3]。由于其物質組成復雜、結構松散、內聚力小、相互聯(lián)結弱，且含有一定量的礫石(粒徑>2 mm)，故發(fā)生侵蝕的方式與原地貌有很大的差異[4-5]。有研究[6]顯示，堆積體邊坡坡面可蝕性是破壞前土壤的10倍～100倍。可見，生態(tài)環(huán)境保護面臨的形勢十分嚴峻，如何解決生產(chǎn)建設活動造成的水土流失問題已迫在眉睫，而研究不同類型生產(chǎn)建設活動造成的土壤侵蝕規(guī)律、并采取不同的水土流失防治技術則是該問題解決的前提，因此，在各類生產(chǎn)建設活動中開展不同類型邊坡和棄土、棄渣的土壤侵蝕定量研究顯得尤為重要。

諸多學者[1，7-9]針對棄土棄渣土壤侵蝕展開了大量研究，采用模擬降雨、放水沖刷、徑流小區(qū)觀測等方法，主要圍繞產(chǎn)流產(chǎn)沙特性、水動力學參數(shù)、侵蝕速率預測等進行。研究表明，土壤侵蝕是多種自然因素與社會因素共同作用的結果，降雨是主要動力[10-11]，侵蝕程度與雨型密切相關[12-13]，不同雨型因雨量、雨強及降雨歷時等不同導致土壤侵蝕過程發(fā)生改變[14]。不同地區(qū)因氣候背景差異呈現(xiàn)不同降雨特征，與土壤侵蝕間也存在不同關系，而我國關于次降雨類型劃分下的土壤侵蝕規(guī)律研究，多見于西北黃土高原區(qū)[15]，南方紅壤區(qū)有待進一步加強。此外，當前在生產(chǎn)建設項目水土保持方案編制中，棄土棄渣的土壤侵蝕預測大多采用類比法，水土保持監(jiān)測中則大多采用經(jīng)驗值估篩，缺乏對其長期定量研究。因此，本研究依托江西水土保持生態(tài)科技園，開展生產(chǎn)建設項目邊坡及棄土水土流失定量研究，旨在為生產(chǎn)建設項目水土流失防治提供理論依據(jù)。本研究對實現(xiàn)江西生態(tài)立省、綠色發(fā)展的目標，推動江西省生態(tài)文明試驗區(qū)建設有著重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于江西省九江市德安縣的江西水土保持生態(tài)科技園，地處江西北部德安縣燕溝小流域、鄱陽湖水系博陽河西岸，位于東經(jīng)115°42′38″—115°43′06″，北緯29°16′37″—29°17′40″之間，總面積80 hm2。屬亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，光照充足，且雨熱基本同期。多年平均降雨量1 350.9 mm，受季風影響季節(jié)分配極不均勻，形成明顯干濕季。最大年降雨量1 807.7 mm，最小年降雨量865.6 mm。多年平均氣溫16.7 ℃，年日照時數(shù)1 650～2 100 h，無霜期245～260 d。科技園位于我國紅壤中心區(qū)域，屬全國土壤侵蝕二級類型區(qū)的南方紅壤區(qū)，在江西省和南方紅壤丘陵區(qū)具有典型代表性。地貌類型為淺丘崗地，土壤母質主要是泥質巖類風化物、第四紀紅黏土的紅壤。地帶性植被現(xiàn)存多為人工營造的針葉林、常綠闊葉林、竹林、針闊混交林、常綠落葉混交林、落葉闊葉林等。

1.2 試驗裝置與設計

園區(qū)布設徑流小區(qū)，填裝8種不同類型的棄土棄渣(表1)。小區(qū)四周設置圍埂，用于防止坡面地表徑流進出，寬0.12 m，較棄土體上方平臺地表高出0.3 m，且埋入棄土體深度為0.45 m。護埂采用磚砌石砂漿抹面，回填棄土需經(jīng)初步夯實；護埂頂部做成向外45°的單側傾角斜刃，防止雨水滴濺入小區(qū)。小區(qū)下邊緣修筑與之齊平的橫向集流槽，收集徑流及泥沙引入徑流桶。

依據(jù)當?shù)?0年一遇最大24 h暴雨雨量，設計為3級分流(A，B，C桶)，均為底面直徑80 cm和高90 cm，采用1.2 mm厚鍍鋅鐵板打造而成；A，B徑流桶于60 cm高處裝7孔分流孔，孔徑5 cm，其中，A桶6份排出，中間1份流入B桶，B桶與A桶一樣，中間一份進入C池。徑流桶均進行了率定，桶壁皆貼有水尺，桶底安裝有放水閥門。為阻止地表徑流進出，試驗小區(qū)周邊設置圍埂，以攔擋外部徑流。小區(qū)下面修筑橫向集水槽，承接小區(qū)徑流及泥沙，并通過PVC塑膠管引入徑流桶。

表1 棄土棄渣小區(qū)基本情況

1.3 數(shù)據(jù)觀測

1.3.1 降雨數(shù)據(jù) 降雨過程數(shù)據(jù)通過布設在科技園氣象站內的虹吸式自計雨量計獲取，觀測周期為2015年8月至2016年7月。本研究降雨指降雨量在10.0 mm以上的產(chǎn)流降雨[16]。根據(jù)次降雨量分為4個等級降雨事件，即小雨量(10～24.9 mm)、中雨量(25～49.9 mm)、大雨量(50～100 mm)和極大雨量(>100 mm)。

1.3.2 徑流泥沙數(shù)據(jù) 次降雨結束后，人工及時采集徑流泥沙樣。 ①徑流桶中水位通過觀測水尺刻度直接讀取，徑流量采用體積公式計算； ②懸移質取樣：先讀取刻度表，獲得桶中水的體積。然后，將桶中水攪勻，在不同點取適量水至小桶中，再將小桶水攪勻，舀取100 ml至量杯，倒入鋁盒，48 h后烘干，計算整桶水中的干泥沙重； ③推移質取樣：將集水槽中泥沙整體稱濕重，再用100 ml鋁盒取樣進行烘干；桶中泥沙先讀水刻度，然后取水樣測試其中懸移質，再將水全部取出后讀出泥沙濕重刻度，得出上部水的體積，下部泥沙再取樣烘干稱重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理及制圖采用Excel軟件，指標相關性及差異顯著分析采用SPSS統(tǒng)計軟件，利用K均值分類法對次降雨事件進行分類，本文選取降雨量、降雨歷時、平均雨強3個指標作為降雨特征值。

2 結果與分析

2.1 降雨特征及類型劃分

所有降雨中只有部分發(fā)生地表徑流進而引起土壤侵蝕，對于發(fā)生真正意義上土壤流失的這部分降雨稱為侵蝕性降雨[17]，本研究降雨是指降雨量在10.0 mm以上的產(chǎn)流降雨[16]。

利用2015年8月至2016年7月間在江西水土保持生態(tài)科技園試驗區(qū)觀測獲得的43場次侵蝕性降雨的降雨量和降雨歷時隨降雨類型的分布(圖1)，分析降雨特征及其季節(jié)性分布規(guī)律。

試驗期間侵蝕性降雨總量為1 845.70 mm，占全部觀測降雨量(2 098.20 mm)的87.97%，且降雨量的變化差異大。侵蝕性降雨相對集中，且降雨量和降雨歷時相對更大(長)的降雨事件主要集中分布在2016年4—7月間。小雨量和中雨量事件最多，大雨量事件相對較少，極大雨量事件則最少。

圖1 降雨量和降雨歷時隨降雨類型的分布

本文選取降雨量、降雨歷時、平均雨強3個指標作為降雨特征值，將觀測期侵蝕性降雨進行K均值分類(表2)，4類雨型分別記為A型降雨、B型降雨、C型降雨、D型降雨。根據(jù)4類雨型特征值的聚類中心，就降雨量而言，順序為：A>C>D>B；就降雨歷時而言，順序為：A>C>B>D；就平均雨強而言，順序為：D>C>A>B?？梢?，A型降雨主要由極大雨量、較長降雨歷時、中雨強、低頻次降雨事件組成，B型降雨主要由中雨量、中等降雨歷時、小雨強、高頻次降雨事件組成，C型降雨主要由大雨量、長降雨歷時、大雨強、低頻次降雨事件組成，D型降雨主要由中雨量、短降雨歷時、極大雨強、高頻次降雨事件組成。

表2 最終聚類中心

2.2 棄土棄渣坡面產(chǎn)流輸沙總量特征

4種降雨類型在2015年8月至2016年7月引起棄土棄渣坡面產(chǎn)流與土壤流失的總量特征如圖2所示。

圖2 棄土棄渣坡面產(chǎn)流與土壤流失的總量特征

由圖2可見，不同類型棄土棄渣的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征明顯。棄土產(chǎn)流總量排序為：HSY>HGY>ZSYY>SJHT，全年坡面侵蝕量排序為：HSY>HGY>SJHT>ZSYY；棄渣產(chǎn)流總量排序為：XTWK>MGS>FZT>DCHZ，全年坡面侵蝕量排序為：XTWK>DCHZ>MGS>FZT。棄土產(chǎn)流量遠高于棄渣，但土壤侵蝕量卻遠低于棄渣中的XTWK。4種棄土中，HSY產(chǎn)流輸沙量處于領先地位，保水能力差、易被侵蝕，ZSYY則相對抗侵蝕能力較強；4種棄渣中，XTWK產(chǎn)流輸沙量最大，尤其輸沙量在并不高的產(chǎn)流條件下輸出量很大。方差分析顯示，在顯著水平p<0.05條件下，HSY產(chǎn)流輸沙量較大，其產(chǎn)流量與另三種棄土產(chǎn)流量差異顯著，產(chǎn)沙量與SJHT，ZSYY存在顯著性差異，HGY與ZSYY也呈顯著性差異；棄渣中XTWK產(chǎn)流輸沙量很大，其產(chǎn)流量與FZT，DCHZ差異顯著，產(chǎn)沙量與另3種均存在顯著性差別。可見，棄土中的HSY、棄渣中的XTWK易侵蝕、保持水土能力最差，產(chǎn)生危害的指數(shù)高，需注意防范治理。

2.3 棄土棄渣坡面產(chǎn)流輸沙對雨型的響應

不同雨型及次降雨事件下，不同類型棄土棄渣產(chǎn)流輸沙特征如圖3所示。由圖3可知，對棄土而言，不同雨型下的坡面徑流總量為HGY和HSY呈：D>A>C>B特征，SJHT和ZSYY呈：A>D>C>B特征；全年坡面侵蝕量為HGY呈：D>C>B>A，HSY呈：D>C>A>B，SJHT和ZSYY呈：D>A>C>B。在次降雨事件中，A雨型對平均產(chǎn)流量影響最大，另3種雨型的影響在各類棄土中則差異不明顯；平均土壤侵蝕量則是花崗巖受D雨型影響較大，另3種棄土受A型雨影響較大。對棄渣而言，不同雨型下的坡面徑流總量為XTWK和DCHZ呈：D>C>B>A特征，MGS呈：A>D>C>B，F(xiàn)ZT呈：D≈A>C>B；全年坡面侵蝕量則各種棄渣呈現(xiàn)不同特征，但均為D型雨下產(chǎn)沙量最大。在次降雨事件中，無論產(chǎn)流還是產(chǎn)沙基本呈A雨型下量最大、B雨型下量最小的特征。可見，B雨型對棄土棄渣坡面產(chǎn)流輸沙影響最小；A和D則是導致棄土棄渣產(chǎn)流輸沙的主要雨型，其引起的產(chǎn)流占比在70%以上，輸沙量占比在68%以上。就次降雨平均產(chǎn)流量，棄土受A雨型的影響遠高于棄渣，平均土壤侵蝕量則是XTWK受降雨影響程度最大。

2.4 棄土棄渣坡面的降雨、產(chǎn)流和土壤侵蝕關系

通過對2015年8月至2016年7月侵蝕性降雨事件統(tǒng)計分析，構建不同棄土棄渣下降雨特征、坡面產(chǎn)流量與坡面土壤侵蝕量的Pearson相關矩陣(表3)。

圖3 棄土棄渣坡面產(chǎn)流輸沙對雨型的響應

降雨量與棄土、MGS，F(xiàn)ZT產(chǎn)流量在p<0.01水平下呈顯著正相關，與HGY，DCHZ產(chǎn)沙量相關性不顯著。降雨歷時與產(chǎn)流量間的關系與降雨量的表現(xiàn)相同，與產(chǎn)沙量間的關系則是棄土、XTWK和DCHZ與降雨歷時相關性不顯著。雨強與棄土棄渣產(chǎn)流量均不具顯著相關性，與棄土產(chǎn)沙量有顯著相關性(HGY顯著水平為p<0.05，其余為p<0.01)、與棄渣相關性不顯著。

表3 不同棄土棄渣坡面產(chǎn)流、土壤侵蝕量與降雨特征的Pearson相關系數(shù)矩陣

注：*，**分別表示p<0.05和p<0.01水平顯著相關。

在顯著水平下(包括p<0.01和p<0.05)，就相關系數(shù)而言，降雨量與各類坡地產(chǎn)流量之間排序為：HSY>HGY>SJHT>ZSYY>FZT>MGS，與坡地產(chǎn)沙量之間排序為：MGS>XTWK>FZT>ZSYY>HSY>SJHT。降雨歷時與各類坡地產(chǎn)流量之間排序為：FZT>MGS>SJHT>HSY>ZSYY>HGY，與坡地產(chǎn)沙量之間為：FZT>MGS。雨強與坡地產(chǎn)沙量之間為：HSY>ZSYY>SJHT>HGY。由此可以看出，降雨特征值對棄土棄渣產(chǎn)流輸沙影響程度的強弱。

在所有侵蝕性降雨下，對不同類型棄土棄渣的水沙關系進行Pearson相關分析顯示，ZSYY，MGS，HSY，F(xiàn)ZT在p<0.01水平下相關性顯著，SJHT在p<0.05水平下顯著相關，說明這5種棄土棄渣水沙關系較穩(wěn)定。對所有棄土棄渣水沙關系進行擬合，擬合結果表明，MGS產(chǎn)流量與土壤侵蝕量之間的相關系數(shù)R2最大；其次是ZSYY，HSY則相對減小，F(xiàn)ZT擬合效果不好，而DCHZ和XTWK擬合關系則很差。

3 討 論

通過分析雨型與棄土棄渣產(chǎn)流輸沙關系發(fā)現(xiàn)，不同類型的自然降雨下棄土棄渣表現(xiàn)出不同的保持水土能力。紅砂巖發(fā)育紅壤棄土(年侵蝕量為31 648.4 t/km2)、稀土尾礦棄渣(年侵蝕量為171 533 t/km2)其水土流失在各類侵蝕性降雨下均較為嚴重，這可能由于紅砂巖發(fā)育的紅壤其黏粒含量相對較低、紅砂巖團聚體結構差導致抗蝕性較差[18]，稀土尾礦則與孔隙度較大、透水性強、保水性能差、松軟易塌等有關[19]；紫色頁巖發(fā)育土體(年侵蝕量為3 123.6 t/km2)一般由于團聚體結構易被破壞抗侵蝕能力較弱，本研究相對而言保持水土能力較好，可能由于其入滲率相對較高造成；煤矸石、房渣土和電廠灰渣3種棄渣年侵蝕量均在土壤侵蝕允許值內(其中，房渣土棄渣最小，為11.6 t/km2)，3種土體大粒徑的砂粒均較多，可能因其較大孔隙度水分入滲產(chǎn)生壤中流所致，該類棄渣在實際中應以植被恢復為主，而非減蝕為主要目的。4種雨型中，A雨型為大雨量、較長降雨歷時、中雨強、低頻次降雨，D雨型為中雨量、短降雨歷時、極大雨強、高頻次降雨，實測數(shù)據(jù)表明此類降雨侵蝕力較強，比如棄土棄渣總產(chǎn)流量受二者影響較大，次降雨產(chǎn)流量則是A雨型影響非常大；棄土棄渣侵蝕總量D雨型影響占比非常高，次降雨事件中A雨型影響更為突出，雖發(fā)生次數(shù)少但卻有較強土壤侵蝕力。有時一次極端降雨產(chǎn)生的土壤侵蝕量在全年占比可能會達到60%以上[20]，但房渣土和電廠灰渣則抵御此類雨型侵蝕的能力較強。

該區(qū)域全年降雨主要集中于4—7月份，以中小雨量和中雨量事件最多，但大雨量以上降雨造成的土壤侵蝕量占比卻很高，4種棄土均占到了總侵蝕量的68%以上(其中，第四紀紅黏土發(fā)育紅壤棄土最大，為90.94%)，4種棄渣均占到了總侵蝕量的64%以上(其中，煤矸石棄渣最大，為97.10%)，說明現(xiàn)實中只需分析觀測大雨以上類型的降雨侵蝕量占比及其與中小雨侵蝕量數(shù)量級差異，基本可預測其全年侵蝕量。不同棄土棄渣單場降雨產(chǎn)沙量則以大雨量以上的雨型產(chǎn)沙量占比最高，均在60%以上，最高可達97%以上。因此，進行裸露棄土棄渣預測或監(jiān)測時，關鍵掌握大雨量以上降雨類型的侵蝕量，不僅可提高預測準確度，亦可大幅度減少監(jiān)測成本。煤矸石、房渣土和電廠灰渣等棄渣則在防治設計時，除必要的安全攔擋措施外，應注重恢復植被為主，而不宜過多采用工程減蝕措施。另則，由于侵蝕性降雨尤其降雨量和降雨歷時相對更大(長)的降雨事件主要集中在4—7月份，各類生產(chǎn)建設項目應重視臨時性水土保持措施的布置，否則易發(fā)生嚴重水土流失甚至誘發(fā)崩塌、滑坡，對周邊地區(qū)水土資源造成巨大危害和破壞。

4 結 論

(1) 降雨類型分為4類：A型雨呈極大雨量、較長降雨歷時、中雨強、低頻次特點，B型雨呈中雨量、中等降雨歷時、小雨強、高頻次特點，C型雨呈大雨量、長降雨歷時、大雨強、低頻次特點，D型雨呈中雨量、短降雨歷時、極大雨強、高頻次特點。其中，A和D雨型是導致棄土棄渣產(chǎn)流輸沙的主要類型。

(2) 8種類型棄土棄渣年侵蝕量分別為，花崗巖紅壤為21 861 t/km2，紅砂巖紅壤為31 648.4 t/km2，第四紀紅黏土為12 477.4 t/km2，紫色土為3 123.6 t/km2，稀土尾礦為171 533.2 t/km2，煤矸石為37.2 t/km2，房渣土為11.6 t/km2，電廠灰渣為145.4 t/km2。

(3) 根據(jù)降雨類型對棄土棄渣侵蝕性作用差異，可分為兩種情況，一類包括紅砂巖紅壤、第四紀紅黏土、紫色土、煤矸石、房渣土，其產(chǎn)流輸沙間呈顯著相關性；其中，紅砂巖紅壤產(chǎn)流輸沙量大，水土流失嚴重，紫色土和房渣土則相對而言抵抗水土流失的能力較強。另一類包括稀土尾礦、花崗巖紅壤、電廠灰渣，不具有顯著的水沙關系；其中，稀土尾礦產(chǎn)流量中等但卻又極高的輸沙量，抵抗侵蝕能力非常差，電廠灰渣則相對而言抵抗水土流失的能力較強。

(4) 生產(chǎn)建設項目進行裸露棄土棄渣預測或監(jiān)測時，關鍵掌握大雨量以上降雨類型的侵蝕量，可提高預測準確度，及大幅度減少監(jiān)測成本。侵蝕性降雨事件主要集中在4—7月份，各類生產(chǎn)建設項目應重視臨時性水土保持措施的布置，否則易發(fā)生嚴重水土流失甚至誘發(fā)崩塌、滑坡，對周邊地區(qū)水土資源造成巨大危害和破壞。

(5) 不足與展望。關于生產(chǎn)建設項目土壤侵蝕研究目前還存在一些不足：物質組成復雜的棄土棄渣研究相對缺乏；影響因素研究多集中于單一降雨/徑流侵蝕動力而忽略了重力等因子，水土流失機制還不清楚；應多開展長期野外徑流小區(qū)監(jiān)測試驗；南方紅壤區(qū)生產(chǎn)建設項目水土流失預測模型開發(fā)還相對滯后。今后發(fā)展趨勢應將近景攝影測量技術、三維激光掃描技術等高新技術應用于生產(chǎn)建設項目邊坡及棄土棄渣水土流失量預測。