呂春娟，郭巖松，畢如田，梁建財(cái)，郭星星，陳 丹，王 煜，許彩彩

不同復(fù)墾模式下鐵尾礦坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與水力特性

呂春娟，郭巖松，畢如田，梁建財(cái)，郭星星，陳 丹，王 煜，許彩彩

（1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，太谷 030801；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，太谷 030801）

為了揭示降雨條件下鐵尾礦復(fù)墾坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與水力特性，該文采用室內(nèi)人工模擬降雨方法研究了不同降雨強(qiáng)度（60、90、120 mm/h）和不同復(fù)墾模式（T，鐵尾礦；TSH，鐵尾礦與高比例生土；TM，鐵尾礦與菌糠；TSM，鐵尾礦、菌糠與生土；TSL，鐵尾礦與低比例生土；植被類型均為胡枝子）25°坡度條件下的侵蝕過程。結(jié)果表明：1）產(chǎn)流速率在降雨初期迅速增長，中后期趨于穩(wěn)定。添加菌糠的復(fù)墾模式產(chǎn)流速率高于未添加菌糠的復(fù)墾模式；2）產(chǎn)沙速率隨降雨歷時變化呈現(xiàn)兩種模式，添加菌糠的復(fù)墾模式為減少型，未添加菌糠的復(fù)墾模式為增加型，TSL的減沙效果最為顯著，T對降雨強(qiáng)度的響應(yīng)最為敏感且高雨強(qiáng)下產(chǎn)沙量最大；3）所有復(fù)墾坡面平均徑流深度范圍在0.23～0.93 mm，水流流態(tài)均為層流，大部分情況下水流流型為緩流，但TSH在中高雨強(qiáng)下以及T在高雨強(qiáng)下為急流。添加菌糠模式的曼寧糙率系數(shù)和水流阻力系數(shù)高于未添加菌糠的復(fù)墾模式，流速低于未添加菌糠的復(fù)墾模式，添加菌糠的基質(zhì)表面粗糙度較大；4）各復(fù)墾坡面的侵蝕形式以濺蝕和片蝕為主，高雨強(qiáng)下T出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕，其余復(fù)墾模式未觀察到明顯細(xì)溝侵蝕；5）產(chǎn)流速率與水流功率、雷諾數(shù)（2＞0.998）呈極顯著的線性關(guān)系，產(chǎn)沙速率與水流功率（2＞0.733）、雷諾數(shù)（2＞0.744）呈極顯著的冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)關(guān)系。該研究可為鐵尾礦坡面的復(fù)墾模式選擇提供理論依據(jù)。

復(fù)墾；徑流；侵蝕；鐵尾礦；水力特性

0 引 言

鐵礦開采是關(guān)系國計(jì)民生的重要活動。根據(jù)2018年自然資源部發(fā)布的《中國礦產(chǎn)資源》記載，鐵礦石產(chǎn)量為12.3億t，2017年鐵礦石消費(fèi)量為15.7億t，并且每年都呈增長趨勢[1]。由于中國的鐵礦資源多屬貧礦，綜合利用率不高，開采過程中形成大量露天堆棄的鐵尾礦固體廢棄物[2]，其鐵尾礦顆粒松散、容重較大、透氣不良、干板濕黏、養(yǎng)分貧瘠，已成為限制鐵礦復(fù)墾地區(qū)復(fù)墾效果的重要影響因素[3-4]。鐵尾礦產(chǎn)生的重金屬物質(zhì)隨徑流滲入鄰近農(nóng)地及河道并污染水系，其尾礦堆積體坡度大且極易引發(fā)侵蝕和滑坡等水土流失現(xiàn)象，氣候變暖和極端降雨事件增加又進(jìn)一步加劇風(fēng)險，嚴(yán)重影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的安全與服務(wù)功能[5]。因此，探究鐵尾礦的水土流失特征，對于理解和控制鐵尾礦復(fù)墾區(qū)水土保持和固體廢棄物污染具有重要意義。

土壤重構(gòu)和植被重建是礦山復(fù)墾措施的重要手段，也是確保礦山復(fù)墾方向和實(shí)現(xiàn)水土保持效果的關(guān)鍵[6]。土壤重構(gòu)可以在短時間內(nèi)提供植被生長的土壤條件[7]；植被重建可以通過減緩流速，減少雨滴動能，改善土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和滲透性，來達(dá)到控制水土流失的目標(biāo)[8]，還可以通過根莖來吸收和固定礦區(qū)土壤中的重金屬從而有效控制土壤污染[9]。因此，礦山復(fù)墾措施很大程度上影響了土壤侵蝕過程。例如，Taylor等[10-11]研究了復(fù)墾措施對美國肯塔基州東部的露天礦場坡面產(chǎn)流和侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)采用松散堆積覆土的方式可以提高滲透率和降低產(chǎn)流產(chǎn)沙的峰值，陡坡條件下也能有效的提高入滲。Luna等[12]通過對復(fù)墾土壤基質(zhì)施加城市污泥、堆肥等改良劑和礫石、木屑等地表覆蓋物來提高基質(zhì)的有機(jī)質(zhì)含量和增加地表粗糙度，發(fā)現(xiàn)施加改良劑能夠提高土壤孔隙率，從而提高滲透和減少水蝕。牛耀彬等[13]通過對不同植被重建的整地措施進(jìn)行水力學(xué)性質(zhì)的研究，表明防護(hù)措施能夠有效減少土壤可蝕性且水平階的防護(hù)效果優(yōu)于魚鱗坑。郭星星等[14]研究了在不同雨強(qiáng)和坡度下鐵尾礦砂裸坡復(fù)墾坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雨強(qiáng)對產(chǎn)流影響較大，而雨強(qiáng)和坡度對產(chǎn)沙的影響顯著，并且鐵尾礦砂與菌糠混合物的基質(zhì)減沙效果相比其他類型更好。綜上所述，將土壤重構(gòu)和植被恢復(fù)結(jié)合的復(fù)墾模式已經(jīng)成為指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的有效舉措。

水蝕是由降雨和徑流等侵蝕力引起土壤物質(zhì)分離、運(yùn)輸和沉積的過程[15]。在斜坡上這些過程高度依賴土壤基質(zhì)的水力特性。一些學(xué)者從水力學(xué)角度來研究土壤侵蝕過程并進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)測[16]。Nearing等[17]認(rèn)為水流功率是邁阿密粉質(zhì)壤土或者塞西爾沙壤土的坡面侵蝕的最佳預(yù)測指標(biāo)?？岛炅恋萚18]發(fā)現(xiàn)單位徑流功率是描述風(fēng)沙區(qū)土質(zhì)和10%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)工程堆積體侵蝕產(chǎn)沙的最佳指標(biāo)，徑流功率是描述20%、30%礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)工程堆積體土壤侵蝕參數(shù)的最優(yōu)指標(biāo)。Guo等[19]研究表明在預(yù)測黃土坡面土壤的侵蝕量和溶質(zhì)運(yùn)移速率時，曼寧糙率系數(shù)與平均水流深度的比值是比水流功率或雷諾數(shù)更好的預(yù)測指標(biāo)。有效模擬土壤侵蝕過程，需要考慮坡面的具體情況和研究目標(biāo)，選擇合理的水動力參數(shù)。

然而，使用上述水力學(xué)參數(shù)在降雨條件下對鐵尾礦復(fù)墾坡面的研究較為缺乏。為此，本文采用人工模擬降雨的方法，研究不同降雨強(qiáng)度下不同復(fù)墾模式鐵尾礦坡面的土壤侵蝕過程，探索鐵尾礦復(fù)墾坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律和水力特性，并據(jù)此建立土壤侵蝕預(yù)報模型，以期為提升鐵尾礦復(fù)墾效果和坡面水土流失治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鐵尾礦研究區(qū)位于山西省運(yùn)城市垣曲縣，介于35°14′14″～35°14′54″N，111°40′24″～111°41′09″E，屬暖溫帶半干旱、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，如圖1所示。年平均氣溫為13.5 ℃，年平均蒸散量為2090 mm。當(dāng)?shù)刂脖怀虿傻V活動造成植被破壞嚴(yán)重外，其余地區(qū)植被覆蓋良好，植被以灌木叢和草本植物占優(yōu)勢。該礦區(qū)位于黃河支流——亳清河流域范圍內(nèi)，小浪底壩濕地自然保護(hù)區(qū)的上游，年均降雨量為631 mm，降水一般集中在5－9月，短歷時暴雨頻發(fā)，在鐵尾礦復(fù)墾地區(qū)引發(fā)水土流失和滑坡事件的風(fēng)險較大。

圖1 研究區(qū)示意圖

供試材料是鐵尾礦，土壤和菌糠。鐵尾礦采集于山西省運(yùn)城市垣曲縣國泰礦業(yè)有限公司泉子溝干排尾礦庫。鐵尾礦帶回實(shí)驗(yàn)室后，放置在陰涼地方自然風(fēng)干，待風(fēng)干后過2 mm的篩。菌糠來源于蘑菇種植基地的菌糠棒，菌糠棒主要材料由玉米芯、木屑、麩皮等組成，菌糠棒經(jīng)過粉碎處理，過5mm篩。供試土壤類型屬于褐土，與采礦區(qū)原始生境的土壤類型相似，待風(fēng)干后過5 mm的篩，去除植被、石塊和雜物后準(zhǔn)備作為裝填土槽的土壤材料。參照美國制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)（黏粒＜0.002 mm，粉粒0.002～<0.05 mm，砂粒0.05～2 mm），粒徑組成為：鐵尾礦的砂粒、粉粒和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為29.7%、57.8%、12.5%，生土的砂粒、粉粒和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為21.56%、57.2%、21.24%，質(zhì)地均屬于粉壤土。

1.2 試驗(yàn)裝置

在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院的模擬降雨廳對不同復(fù)墾模式的坡面進(jìn)行了模擬降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置由2個獨(dú)立部分組成：模擬降雨設(shè)備和土槽。模擬降雨設(shè)備（QYJY-501T）由西安清遠(yuǎn)西安測控技術(shù)有限公司定制，系統(tǒng)通過改變噴嘴尺寸和水壓來調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度。混凝土土槽規(guī)格為：長2 m × 寬1 m × 高（0.6～2.3 m），土壤坡面裝填坡度可變范圍在0°～40°之間，土槽前端設(shè)計(jì)有集流口，使用徑流桶于集流口處收集徑流泥沙樣。Wang等[20]基于同類規(guī)格土槽開展巖石覆蓋對粗骨土土壤流失和水文響應(yīng)影響的研究。本研究共有3種降雨強(qiáng)度：60、90、120 mm/h，下文均簡稱為低雨強(qiáng)、中雨強(qiáng)和高雨強(qiáng)。這是位于中國山西省南部以及黃土高原東部山地的中條山地區(qū)典型的普通暴雨、中型暴雨、大型暴雨等降雨等級[21]，經(jīng)常被用于黃土質(zhì)坡地的降雨試驗(yàn)研究[22-23]，對于鐵尾礦復(fù)墾地區(qū)來說也是同樣受限制的降雨強(qiáng)度。模擬降雨器經(jīng)過多次校準(zhǔn)后，測得的降雨強(qiáng)度分別為61.9～64.6，88.9～94.5和119.8～122.8 mm/h，模擬精度為±5 mm/h，在允許誤差范圍內(nèi)，有效降雨范圍內(nèi)的均勻度超過80%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

試驗(yàn)設(shè)計(jì)5個土槽復(fù)墾坡面，分別對應(yīng)野外試驗(yàn)基地5種鐵尾礦的土壤和植被恢復(fù)組合。5個復(fù)墾模式的基質(zhì)類型如下：鐵尾礦（iron tailings, T），鐵尾礦與高比例土壤摻混物（iron tailings and high proportion of soil, TSH），鐵尾礦與菌糠摻混物（iron tailings and mushroom, TM），鐵尾礦、菌糠與土壤摻混物（iron tailings and mushroom and soil, TMS），鐵尾礦與低比例土壤摻混物（iron tailings and low proportion of soil, TSL）。土槽底部40 cm均為鐵尾礦，表層20 cm為不同復(fù)墾基質(zhì)類型。復(fù)墾基質(zhì)的裝填采取分層法[24]，保持垂直斜面以5 cm深度為間隔，裝填與壓實(shí)同步進(jìn)行，各層間通過抓毛措施以確保容重均勻分布且防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象。所有復(fù)墾坡面的平均坡度均為25°，為野外鐵尾礦復(fù)墾坡面的代表性坡度。在模擬降雨開始前，在土槽斜坡表面不同位置進(jìn)行取樣以測定基質(zhì)的理化性質(zhì)，包括土壤顆粒組成[25]、容重、飽和持水量、田間持水量和土壤有機(jī)碳等[26]。具體參數(shù)和結(jié)果詳見表1。

表1 復(fù)墾模式基本概況

注：T指鐵尾礦；TSH指鐵尾礦與高比例土壤摻混物；TM指鐵尾礦與菌糠摻混物；TMS指鐵尾礦、菌糠與土壤摻混物；TSL指鐵尾礦與低比例土壤摻混物，下同。

Note: T means substrate of iron tailings; TSH means blend substrate of iron tailings and high proportion of soil; TM means blend substrate of iron tailings and mushroom; TMS means blend substrate of iron tailings、mushroom and soil; TSL means blend substrate of iron tailings and low proportion of soil, the same as below.

5個復(fù)墾模式的植被類型均為胡枝子（），胡枝子的枝葉茂盛和根系發(fā)達(dá)，可有效地保持水土和減少地表徑流。播種前進(jìn)行坡面整地，沿等高線方向以15 cm為間隔開挖約2 cm寬的水平階，如圖2所示，其作用主要是提高土壤水分入滲，攔蓄泥沙，以及降低植被生長期間坡面表層土壤侵蝕的程度[27]。降雨廳為半開放降雨廳，能夠滿足胡枝子所需的光照條件，生長期內(nèi)通過人工澆水保持充足的供水條件。胡枝子出苗1個月，開始定苗，確保每個土槽的胡枝子密度相同，以品字形均勻分布在坡面上。在2018年5月開始裝填土槽播種，2018年6月對坡面植被進(jìn)行定苗，模擬降雨試驗(yàn)于2018年9月進(jìn)行，在模擬降雨試驗(yàn)后，對每個土槽植株的覆蓋率[28]和生物量進(jìn)行測定（表1）。

圖2 坡面水平階與植物分布圖

對于同一個土槽，按照降雨強(qiáng)度從小到大的順序逐次降雨。降雨開始前，使用土壤水分測定儀對土槽基質(zhì)含水率進(jìn)行測定，通過預(yù)降雨和晾曬等方式將前期土壤含水率控制在8%±2%；每次降雨前后使用溫度計(jì)測量水溫，以計(jì)算運(yùn)動粘度。降雨開始后，以坡面開始產(chǎn)流的時間為計(jì)時起點(diǎn)，以3 min為間隔在土槽前端V形排水口使用水桶收集泥沙樣本，單場降雨產(chǎn)流后歷時30 min，共收集10個泥沙樣本；坡面流速采用高錳酸鉀染料示蹤法進(jìn)行測量[29]。高錳酸鉀染料示蹤法測量的是最大表面速度，乘以層流流態(tài)的校正因子0.67得到平均流速[30]。降雨結(jié)束后，使用土壤水分測定儀測定土槽基質(zhì)的表層0～5 cm土壤含水率；使用量筒測量每個泥沙樣品的體積，待泥沙樣品靜置沉淀澄清后，倒掉上部清液，將泥沙轉(zhuǎn)移到燒杯中，將泥沙和燒杯放入通風(fēng)烘箱在105 ℃下持續(xù)12 h至恒質(zhì)量并稱質(zhì)量[31]。

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

平均徑流深度、運(yùn)動黏度的計(jì)算公式[32]為

式中為平均徑流深度，m；R為產(chǎn)流速率，L/(m2·min)；為土槽的寬度，m；為平均流速，m/s；為實(shí)測水溫，℃。為重力加速度，m/s2，通常取9.8 m/s2。

式中為水力半徑，m，可近似用平均水流深度代替；為水力坡度，可用坡度的正弦值近似替代；為水的密度，g/cm3。

使用Excel 2010、Origin 9.1與R 3.4.4軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)墾坡面產(chǎn)流特征

圖3為不同復(fù)墾模式的產(chǎn)流速率隨降雨強(qiáng)度的變化。隨降雨時間的延長，產(chǎn)流速率的變化趨勢基本相似。在低雨強(qiáng)下，不同處理隨時間變化的變異程度較低，基本呈穩(wěn)定趨勢。在中雨強(qiáng)和高雨強(qiáng)下，坡面起流的初始階段（0~9 min）其產(chǎn)流速率迅速增長，中后期增長變緩或趨于穩(wěn)定。表2結(jié)果表明，在低降雨強(qiáng)度下，TMS的產(chǎn)流速率最大，TM和TSH次之，T和TSL最小。中雨強(qiáng)和高雨強(qiáng)下，添加菌糠復(fù)墾模式產(chǎn)流速率與未添加菌糠的復(fù)墾模式差異顯著，TM和TMS的產(chǎn)流速率均大于其余的復(fù)墾措施的產(chǎn)流速率。表明在低雨強(qiáng)下，添加較高比例的生土和只添加菌糠的這兩種復(fù)墾模式對產(chǎn)流速率變化的影響其差異不顯著，但在中雨強(qiáng)度和高降雨強(qiáng)度下，添加菌糠的復(fù)墾模式產(chǎn)流速率更高。比較不同降雨強(qiáng)度間產(chǎn)流速率的增長率變化，未添加菌糠的復(fù)墾模式其平均產(chǎn)流速率為0.34 L/(m2·min)，在中降雨強(qiáng)度和高降雨強(qiáng)度下其平均增長率為187.32%和46.7%。添加菌糠的復(fù)墾模式其平均產(chǎn)流速率為0.65 L/(m2·min)，在中降雨強(qiáng)度和高降雨強(qiáng)度下其平均增長率為109.26%和25.9%。上述結(jié)果表明未添加菌糠的復(fù)墾模式在不同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流速率的增幅大于添加菌糠的基質(zhì)，但是其產(chǎn)流速率總體較低于添加菌糠的復(fù)墾模式。

圖3 不同降雨強(qiáng)度不同復(fù)墾措施產(chǎn)流速率變化

表2 不同降雨強(qiáng)度不同復(fù)墾措施侵蝕和水流特征

注：不同字母代表各處理間的差異顯著（<0.05），下同。

Notes: Different letters indicate significant differences at the 0.05 level, and the same as below.

土壤基質(zhì)的入滲能力對坡面產(chǎn)流速率的大小會有很大影響。表2結(jié)果表明，隨著降雨強(qiáng)度的增加，其降雨后表層含水率也相應(yīng)遞增。TMS在低雨強(qiáng)條件下降雨后含水率較高，而在中高雨強(qiáng)下降雨后含水率與TM接近。再者，與對應(yīng)復(fù)墾基質(zhì)的持水能力相比，在單次模擬降雨結(jié)束之后，T、TSH和TSL的表層含水率在高降雨強(qiáng)度下均能達(dá)到田間持水量與飽和持水量之間，而TM和TMS在不同降雨強(qiáng)度下均未能達(dá)到田間持水量的水平（表1和表2）。上述結(jié)果表明，未添加菌糠的基質(zhì)其在降雨過程中入滲能力更強(qiáng)，因而其產(chǎn)流速率相比添加菌糠的基質(zhì)更低，添加菌糠的基質(zhì)更容易在坡面表面形成致密的不透水層，從而降低入滲能力，提高坡面的產(chǎn)流速率。

2.2 復(fù)墾坡面產(chǎn)沙特征

由圖4可知，不同復(fù)墾模式的產(chǎn)沙速率隨時間和降雨強(qiáng)度的變化其特征也具有明顯的差異。隨降雨時間的延長，產(chǎn)沙速率的變化呈現(xiàn)兩種模式，即增加型和減少型。在低雨強(qiáng)下，產(chǎn)沙速率隨時間變化其變異程度較低，穩(wěn)定性較高，除TSH外其余復(fù)墾模式的變化趨勢整體趨穩(wěn)。在中雨強(qiáng)和高雨強(qiáng)下，T、TSH和TSL隨時間延長其產(chǎn)沙速率增加，TM和TMS隨時間延長其產(chǎn)沙速率降低。不同降雨強(qiáng)度下，TSH與TSL的產(chǎn)沙速率具有明顯差異且TSH大于TSL，TM和TMS之間的產(chǎn)沙速率差異不大。雖然隨降雨強(qiáng)度的增加復(fù)墾坡面的產(chǎn)沙速率增加，但不同復(fù)墾模式對其的響應(yīng)程度具有差異特征。T在低降雨強(qiáng)度其平均產(chǎn)沙速率為0.56 g/(m2·min)，在中雨強(qiáng)和高雨強(qiáng)下其平均增長率為2690.71%和164.88%，隨降雨強(qiáng)度的變化其增長率變化幅度最大。TM和TMS的產(chǎn)沙速率在低中降雨強(qiáng)度的平均增長率為907.41%且增幅較高，在中高雨強(qiáng)的平均增長率為26.17%且增幅較小。TSH和TSL在低中雨強(qiáng)的平均增長率為332.05%，與其他復(fù)墾模式相比較低但增幅較高，在中高雨強(qiáng)的平均增長率為112.2%且增幅趨緩。上述結(jié)果表明，純尾礦坡面雖然在低降雨強(qiáng)度下其侵蝕程度相較其他復(fù)墾模式更低，但是對降雨強(qiáng)度的響應(yīng)更為靈敏，尤其是在中高降雨強(qiáng)度下需要注意；添加菌糠的復(fù)墾模式坡面產(chǎn)沙規(guī)律類似，與其余復(fù)墾模式相比無論從時間響應(yīng)特征還是侵蝕程度均有明顯差異；添加較低比例的砂土混合模式TSL其減沙效果最為明顯，隨降雨強(qiáng)度的增加其變化程度最低，在高雨強(qiáng)下其產(chǎn)沙速率也能維持在較低水平；另外，在TSH和TSL的植被覆蓋率和生物量相比其他復(fù)墾模式而言更為茂盛，但在不同降雨強(qiáng)度下TSL的產(chǎn)沙速率也比TSH要低，說明復(fù)墾基質(zhì)的作用還是較為明顯。

圖4 不同降雨強(qiáng)度不同復(fù)墾模式產(chǎn)沙速率

2.3 復(fù)墾坡面水力特性

通過水流流速、水流深度、雷諾數(shù)和弗汝德數(shù)來反映坡面流的特征。由圖5可知，在低雨強(qiáng)下隨降雨時間的延長除TSH外的不同復(fù)墾模式的坡面流速均表現(xiàn)平緩的趨勢且變異程度較低。在中雨強(qiáng)下，TSH的坡面流速隨降雨時間的延長其變化趨勢為先增加后穩(wěn)定且變異程度較高，但在高降雨強(qiáng)度下TSH的變化趨勢整體平穩(wěn)，其時間序列結(jié)果與產(chǎn)沙速率的相關(guān)性很強(qiáng)，低雨強(qiáng)流速的波動也導(dǎo)致了產(chǎn)沙速率的波動。值得注意的是，T的坡面流速在高雨強(qiáng)下隨降雨時間的延長其中后期（15～30 min）會發(fā)生較大的突變增長且增幅為93.9%，這說明在降雨的后期坡面發(fā)生較大程度的崩解和侵蝕從而造成流速的突變增長。由表2可知，隨著降雨強(qiáng)度增加其水流流速增加，TSH均與其他復(fù)墾模式表現(xiàn)出明顯的差異且坡面流速的值最高，T的坡面流速在高降雨強(qiáng)度下會與TM、TMS和TMS表現(xiàn)出明顯的差異且增幅最大。在水流深度方面，隨著降雨強(qiáng)度的增加其水流深度增加，范圍在0.23～0.93 mm之間，水流深度較淺，說明復(fù)墾坡面植被恢復(fù)整地措施諸如水平階的作用增加了水流彎曲度，從而降低了水流深度。根據(jù)坡面淺層均勻流[34]的標(biāo)準(zhǔn)，Re和的臨界值分別為900和1。由表3可知，在不同降雨強(qiáng)度不同復(fù)墾模式的Re值在4.23～27.36之間，當(dāng)Re＜900時則表示水流流態(tài)為層流，因此本研究的水流流態(tài)均為層流。姚文藝[34]認(rèn)為，盡管雨滴已對水流有所擾動，水質(zhì)點(diǎn)有局部摻混現(xiàn)象，但由于雷諾數(shù)和阻力系數(shù)的關(guān)系仍符合在通常明渠層流內(nèi)的變化規(guī)律，表明此時水流的黏滯力的作用仍大于慣性力的作用，整體水流仍處于層流狀態(tài)，據(jù)此提出“偽層流”的概念。弗勞德數(shù)是用來判斷坡面水流是急流還是緩流的參數(shù)，＞1，說明重力小于慣性力作用，水流流型為急流；反之，＜1則水流流型為緩流。在本研究中大部分情況下不同降雨強(qiáng)度不同復(fù)墾模式的＜1，但TSH在中雨強(qiáng)和高雨強(qiáng)下以及T在高雨強(qiáng)下的＞1，則表現(xiàn)為急流的特征。

一般情況下，曼寧糙率系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增加而減少，在復(fù)墾模式T、TSH和TSL均觀察到此類現(xiàn)象，但是TMS隨降雨強(qiáng)度的增加而增加，TM為先增后減，表3結(jié)果也表明TM和TMS的曼寧糙率系數(shù)高于其他復(fù)墾模式。阻力系數(shù)反映了坡面流在流動過程中所受到的阻力大小，阻力系數(shù)越大，說明水流克服坡面阻力所消耗的能量就越大，則用于坡面侵蝕和泥沙輸移的能量就越小，坡面產(chǎn)沙就越少。在低雨強(qiáng)下，TSL的阻力系數(shù)較高且變異程度較大，其余復(fù)墾模式的阻力系數(shù)之間不具有明顯差異。在中雨強(qiáng)下，不同復(fù)墾模式的阻力系數(shù)不具有明顯的差異且變異程度較大，但在高雨強(qiáng)下阻力系數(shù)的排序?yàn)椋篢MS＞TM&TSL＞T&TSH。在低雨強(qiáng)下，不同復(fù)墾模式水流剪切力的排序?yàn)椋篢MS＞TM&TSL＞T&TSH，不同復(fù)墾模式水流功率的排序?yàn)椋篢MS＞TM&TSH＞T&TSL；在中雨強(qiáng)和高雨強(qiáng)下，TMS和TM的水流剪切力和水流功率的值與其余復(fù)墾模式的差異較大且排序靠前，這說明在不同降雨強(qiáng)度下添加菌糠的復(fù)墾基質(zhì)均與未添加菌糠的復(fù)墾基質(zhì)的水流剪切力和水流功率具有明顯的差異且排序靠前。

圖5 不同降雨強(qiáng)度不同復(fù)墾模式水流流速

表3 不同降雨強(qiáng)度不同復(fù)墾模式的水力參數(shù)

2.4 復(fù)墾坡面侵蝕特征與水力特性的擬合

表4為不同降雨強(qiáng)度下侵蝕特征與水力參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。產(chǎn)流方面，不同降雨條件下產(chǎn)流速率與水力參數(shù)的相關(guān)性程度有差異，總體來看，水流功率、雷諾數(shù)和水流剪切力與產(chǎn)流速率的相關(guān)性較高，因此將這三個參數(shù)作為產(chǎn)流速率的擬合指標(biāo)。產(chǎn)沙方面，在低中雨強(qiáng)下，雷諾數(shù)、水流功率與產(chǎn)沙速率呈極顯著相關(guān)性，但在高雨強(qiáng)條件下，水流流速、弗汝德數(shù)與產(chǎn)沙速率呈極顯著相關(guān)性，雷諾數(shù)、水流功率和產(chǎn)沙速率的相關(guān)性不顯著，水流剪切力在中雨強(qiáng)下與產(chǎn)沙速率的相關(guān)性顯著。因此初步將水流功率、雷諾數(shù)和水流剪切力作為產(chǎn)沙速率的擬合指標(biāo)并進(jìn)行探索。

在確定擬合指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析每個擬合指標(biāo)在不同復(fù)墾模式下的產(chǎn)流產(chǎn)沙擬合效果。表5為侵蝕特征與水力參數(shù)的擬合關(guān)系。擬合結(jié)果表明，不同復(fù)墾模式下水流功率和雷諾數(shù)對產(chǎn)流速率的線性擬合均呈極顯著（＜0.01），而水流剪切力和產(chǎn)流速率除TSH外均呈極顯著（＜0.01）的二次多項(xiàng)式關(guān)系，TSH的擬合效果較差，其水流剪切力和產(chǎn)流速率呈顯著（＜0.05）的二次多項(xiàng)式關(guān)系。不同復(fù)墾模式下產(chǎn)沙速率與水流功率、雷諾數(shù)、水流剪切力呈冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)關(guān)系，產(chǎn)沙速率和雷諾數(shù)、水流功率之間的指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)關(guān)系均呈極顯著（＜0.01），而水流剪切力與產(chǎn)沙速率的擬合效果較差，其中T和TSH呈顯著（＜0.05）的冪函數(shù)關(guān)系，其余復(fù)墾模式則均呈極顯著（＜0.01）的冪函數(shù)關(guān)系。綜上所述，水流功率和雷諾數(shù)均可以作為產(chǎn)流速率和產(chǎn)沙速率的水力指標(biāo)，而水流剪切力的效果相對較差。

表4 侵蝕特征與水力參數(shù)的相關(guān)分析

注：為水流流速；為雷諾數(shù)；為弗汝德數(shù)；為阻力系數(shù)；為水流剪切力；為水流功率；為曼寧糙率系數(shù)；為曼寧糙率系數(shù)除以水流深度。*表示顯著相關(guān)，**表示極顯著相關(guān)。

Note:is the flow velocity;is the Reynolds number;is the Froude Number;is the Darcy-Weisbach friction ;is the hydraulic shear stress;is the stream power;is the Manning roughness coefficient;is the Manning roughness coefficient divided by water flow depth. * is significant correlation at 0.05 level, ** is significant correlation at 0.01 level.

表5 侵蝕特征與水力參數(shù)的關(guān)系

3 討 論

本文比較了鐵尾礦5種不同復(fù)墾模式的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征和水力特性，其結(jié)果表明復(fù)墾模式間均表現(xiàn)明顯的差異特征。在對比產(chǎn)流速率、產(chǎn)沙速率隨時間變化的結(jié)果表明，添加和未添加菌糠的復(fù)墾模式之間的差異最大。產(chǎn)流速率產(chǎn)生差異的原因在于，未添加菌糠復(fù)墾模式基質(zhì)其水分滲透性更強(qiáng)，其表土層的抗侵蝕能力和團(tuán)聚體的穩(wěn)定性能夠有效防止土壤顆粒分離。添加菌糠復(fù)墾模式基質(zhì)其水分滲透性較差，其產(chǎn)沙量也高于未添加菌糠的復(fù)墾基質(zhì)，這可能和侵蝕過程產(chǎn)生的泥沙顆粒組成和復(fù)墾基質(zhì)的質(zhì)地顆粒粒徑有關(guān)。Thomaz等[35]認(rèn)為，降雨分離的土壤顆粒，其中細(xì)顆粒堵塞土壤表面的孔隙，導(dǎo)致徑流的增加和泥沙的運(yùn)移，降低了土壤的滲透性，表土的粘結(jié)性對坡面徑流具有重要影響。產(chǎn)沙速率隨時間序列的延長有兩種模式：增加型和減少型。對于增加型[36]的模式，是在降雨早期，侵蝕主要由雨滴濺蝕引起，土壤顆粒脫落從而增加侵蝕，隨著降雨持續(xù)，雨滴沖擊使得土壤水分增加和懸浮顆粒沉積在土壤表面，逐漸導(dǎo)致在粘壤質(zhì)土壤表面形成限制性密封層，密封層具有提高土壤抗剪強(qiáng)度的作用[30]，從而降低土壤可蝕性，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)沙速率隨累積降雨量的增加而減少，徑流的穩(wěn)定進(jìn)一步穩(wěn)定產(chǎn)沙速率。對于減少型模式，其產(chǎn)沙速率隨時間變化的曲線從現(xiàn)象來說與Zhao等[36]的研究類似，Zhao等的研究表明草或植被根系的存在對沙質(zhì)土壤的土壤侵蝕過程有影響，降雨開始時本身就有大量原始的松散物質(zhì)沿斜坡水流運(yùn)移，從而迅速增加產(chǎn)沙量。然而，本研究中添加菌糠的復(fù)墾模式其植被長勢較差，遠(yuǎn)低于砂土混合的復(fù)墾模式，砂土混合的復(fù)墾模式其侵蝕特征為逐漸增長模式，這說明植被措施對土壤侵蝕過程的影響較小。坡面的水力特性結(jié)果表明，含有菌糠復(fù)墾模式曼寧糙率系數(shù)和水流阻力系數(shù)高于未添加菌糠復(fù)墾模式，流速較低于未添加菌糠的復(fù)墾模式，Ding等[37]的研究表明，粗糙的土壤表面與光滑的土壤表面相比在降雨初期其產(chǎn)沙量迅速增加，在20 min左右到達(dá)峰值后降低為恒定水平，表面粗糙度與植被措施改良坡面土壤的相比其結(jié)論更為貼切，因此本研究中逐漸降低的模式是降雨初期較高的表面粗糙度更易受到降雨和坡面流的沖刷而導(dǎo)致產(chǎn)沙量的增加，在降雨后期侵蝕細(xì)顆粒堵塞土壤孔隙，對含菌糠基質(zhì)的坡面其產(chǎn)流和產(chǎn)沙均有重要影響。綜上所述，斜坡表面粗糙度是影響復(fù)墾坡面土壤侵蝕特征差異的重要因素。

坡面侵蝕均可廣泛觀察到濺蝕、片蝕和細(xì)溝侵蝕等侵蝕形式，這些侵蝕形式會單獨(dú)或同時地發(fā)生[38]。Zhang等[39]認(rèn)為，陡坡的侵蝕形式在上坡（0～80 cm）主要是濺蝕，雨滴濺蝕[40]在土壤表面水分接近飽和時達(dá)到最大值，之后隨積水深度增加而減少；中坡（80～160 cm）為濺蝕與片蝕的過渡帶，下坡（160～200 cm）由片蝕主導(dǎo)，而劃分的依據(jù)主要是坡面水流深度和流速在斜坡位置的分布。Parsons等[41]認(rèn)為，水深小于1 mm的條件下，無法有效降低或消除雨滴濺蝕的影響。植被覆蓋率也對濺蝕過程產(chǎn)生影響。本研究中在不同雨強(qiáng)下所有坡面的平均水流深度范圍在0.23～0.93 mm，水深較淺，極易引發(fā)雨滴濺蝕。再者，由于本研究的植被恢復(fù)措施中采取水平階整地措施，通過增加水流彎曲度來對水流流速產(chǎn)生阻延作用。在試驗(yàn)過程中，高雨強(qiáng)下純尾礦基質(zhì)出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕但程度較輕，形成一條1.4 m長，2 cm寬的細(xì)溝，連通性較好，其余復(fù)墾模式未觀察到明顯細(xì)溝侵蝕。在這些條件的基礎(chǔ)上，本研究推斷坡面的侵蝕形式受到植被分布的影響較大，沒有植被覆蓋的地方，上坡由濺蝕主導(dǎo)，中下坡受到濺蝕和片蝕的共同作用；有植被覆蓋的地方，主要由片蝕主導(dǎo)。值得注意的是，純尾礦基質(zhì)在中高雨強(qiáng)條件下降雨后期會發(fā)生較大程度的崩解和細(xì)溝侵蝕，如果這種情況發(fā)生在野外，隨著降雨時間的持續(xù)發(fā)生嚴(yán)重土壤侵蝕乃至滑坡的風(fēng)險會陡然增加。

由前所述，侵蝕特征與水力參數(shù)的擬合結(jié)果表明，水流功率和雷諾數(shù)可以作為產(chǎn)流速率與產(chǎn)沙速率的預(yù)測指標(biāo)。水流剪切力與水流功率的差異主要來源于水流流速的參與[31]，因此在本研究中，流速導(dǎo)致了水流功率成為比水流剪切力更好的預(yù)測指標(biāo)。沙玉清[42]認(rèn)為，無黏性沙隨沙坡起伏前進(jìn)，受到剪切力影響較大，而黏性土壤顆粒在起動時會在坡面形成緩和波形，波頂土壤顆粒隨水流而動。本研究復(fù)墾基質(zhì)的質(zhì)地均為粉壤土，坡面土壤顆粒起動受到的剪切力的影響小，因此水力剪切力在土壤坡面侵蝕過程中影響并不顯著，水流功率和雷諾數(shù)等基于水流流速的指標(biāo)更能反映粉壤質(zhì)坡面的侵蝕規(guī)律。研究結(jié)果與高晨燁等[43]、She等[30]和Nearing等[17]等的結(jié)論一致。由于本中所采取的植被恢復(fù)措施時間較短，坡面土壤性質(zhì)受到植被措施改良效果的影響較小，本研究可以為鐵尾礦復(fù)墾初期不同復(fù)墾模式坡面土壤侵蝕特征提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

本文研究了不同雨強(qiáng)和復(fù)墾模式下鐵尾礦坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征和水力特性，結(jié)果表明：

1）產(chǎn)流規(guī)律在降雨初期迅速增長，中后期趨于穩(wěn)定。添加菌糠的復(fù)墾模式其產(chǎn)流速率高于未添加菌糠的復(fù)墾模式。產(chǎn)沙規(guī)律呈現(xiàn)兩種模式，添加菌糠的復(fù)墾模式為減少型，未添加菌糠的復(fù)墾模式為增加型，鐵尾礦與低比例土壤摻混物的減沙效果最為顯著，純鐵尾礦對降雨強(qiáng)度的響應(yīng)最為敏感且高雨強(qiáng)下產(chǎn)沙量最大。

2）各復(fù)墾模式下，水流流態(tài)均為層流，大部分情況下水流流型為緩流，但鐵尾礦與高比例土壤摻混物在中高雨強(qiáng)下以及純鐵尾礦在高雨強(qiáng)下為急流。不同雨強(qiáng)下所有復(fù)墾坡面的平均水流深度范圍在0.23～0.93 mm，水深較淺。添加菌糠復(fù)墾模式曼寧糙率系數(shù)和水流阻力系數(shù)高于未添加菌糠的復(fù)墾模式，流速低于未添加菌糠的復(fù)墾模式。

3）各復(fù)墾坡面的侵蝕形式以濺蝕和片蝕為主。侵蝕形式受到植被分布的影響較大，沒有植被覆蓋的地方，上坡由濺蝕主導(dǎo)，中下坡受到濺蝕和片蝕的共同作用；有植被覆蓋的地方，主要由片蝕主導(dǎo)。高雨強(qiáng)下純鐵尾礦出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕但程度較輕，其余復(fù)墾模式未觀察到明顯細(xì)溝侵蝕。

4）水流功率和雷諾數(shù)均可以作為產(chǎn)流速率和產(chǎn)沙速率的水力指標(biāo)。不同復(fù)墾模式下產(chǎn)流速率與水流功率、雷諾數(shù)呈極顯著的線性關(guān)系，不同復(fù)墾模式下產(chǎn)沙速率與水流功率、雷諾數(shù)呈極顯著的冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

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Effects of different reclamation patterns on surface runoff, sediment yield and hydraulic characteristics of slopes in iron ore tailings

Lü Chunjuan, Guo Yansong, Bi Rutian, Liang Jiancai, Guo Xingxing, Chen Dan, Wang Yu, Xu Caicai

(1,030801,;2,,030801,)

Reclamation is a key measure to ameliorate soil erosion from slopes in mining tailings. However, how rainfall intensity and different reclamation patterns combine to affect soil erosion remains elusive, especially in the loess plateau in China. We experimentally investigated these using artificial slopes in iron ore tailings as an example. The experiment was conducted in laboratory using a rainfall simulator. We compared three rainfall intensities, 60, 90 and120 mm/h, and five remediation methods: iron ore tailings without adding any amendment (T), overlaying the iron ore tailings with a high proportion of soil (TSH), planting mushroom in the iron ore tailings (TM), overlaying soil on the iron ore tailings and planting mushroom in the soil (TSM); overlaying a low proportion of soil on the iron ore tailings (TST). The experiment for each treatment was conducted in a 2 m × 1 m × 2.3 m soil flume, in which a layer of iron ore tailings 40 cm thick was underlaid by a 20 cm of above remediating substrate. The cultivar of the vegetation was. The angle between the soil flume to the horizontal was 25o. The soil water content in all treatments prior to rainfall was the same. During the experiment, we measured the water flow velocity and collected sediment samples after each three minutes to calculate the surface runoff and sediment erosion rate. The hydraulic parameters were also calculated in attempts to determine its impact on sediment erosion. The results showed: 1) The surface runoff rate increased asymptotically with time and it was higher in treatments with mushroom than those without mushroom. 2) The mushroom had a significant impact on sediment erosion. Regardless of rainfall density, the sediment erosion rate decreased with time in treatments with mushroom while increased with time in treatments without mushroom, especially in TSL. Soil erosion in T was most sensitive to rainfall intensity and it increased with rainfall intensity. 3) Water flow was laminar in most cases. Except in TSH under moderate and high rainfall intensity and T under high rainfall intensity where water flow was supercritical, water flow in other treatments was subcritical. The average infiltration depth in all treatments was shallow and ranged from 0.23 to 0.93 mm. The Manning roughness coefficient and the Darcy-Weisbach friction of the remediating substrates planted with mushroom were higher than that without mushroom. Mushroom reduced water velocity but increased the surface roughness compared to those without mushroom. 4) Splash erosion and shear erosion was the main cause of sediment erosion. 5) The runoff rate was linearly related to the stream power and to the Reynolds number with2>0.998. The erosion rate was related to the steam power exponentially with2>0.733 and to the Reynolds number in a power-law with2>0.744. This study improves our understanding of how different mediating methods and rainfall density combine to impact surface runoff and sediment erosion in slopes in iron or tailings.

reclamation; runoff; erosion; iron tailings; hydraulic characteristics

呂春娟，郭巖松，畢如田，梁建財(cái)，郭星星，陳 丹，王 煜，許彩彩. 不同復(fù)墾模式下鐵尾礦坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與水力特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(2)：156－165.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.019 http://www.tcsae.org

Lü Chunjuan, Guo Yansong, Bi Rutian, Liang Jiancai, Guo Xingxing, Chen Dan, Wang Yu, Xu Caicai. Effects of different reclamation patterns on surface runoff, sediment yield and hydraulic characteristics of slopes in iron ore tailings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 156－165. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.019 http://www.tcsae.org

2019-07-26

2019-12-28

國家青年科學(xué)基金（41401619）；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動項(xiàng)目（2014ZZ07）

呂春娟，博士，副教授，主要從事土壤侵蝕與土地整治的研究。Email：lcjcwg@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.019

S157.1

A

1002-6819(2020)-02-0156-10