何宏康，潘忠德，徐守明

(鄂爾多斯市中北煤化工有限公司色連煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017008)

1 引言

土壤侵蝕作為一種土壤被破壞的表現(xiàn)形式之一，通常是指土壤及其母質(zhì)在遭受各種外營(yíng)力下，比如風(fēng)、雨水、光照等，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中廣泛發(fā)生的地表物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程，生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)十分廣泛[1]，對(duì)于土壤侵蝕的研究，近些年來學(xué)者多用流失方程(RUSLE)和GIS技術(shù)[2]，在此基礎(chǔ)上獲得了很多具有深刻意義的研究成果，但是目前對(duì)土壤侵蝕研究還處于較淺的層面，深入研究還不夠豐富，此外，由于土壤較水體不同，受到降雨的污染不僅僅是污染元素的遷移和轉(zhuǎn)化過程，更會(huì)產(chǎn)生土壤侵蝕及土壤流失等難以恢復(fù)和保護(hù)的污染情況，因此，將降雨和土壤侵蝕結(jié)合研究對(duì)了解降雨對(duì)土壤會(huì)產(chǎn)生的污染情況有很好的研究意義，對(duì)后續(xù)的土壤保護(hù)期限具有指導(dǎo)性作用。

本文針對(duì)色連礦區(qū)在煤炭井工開采活動(dòng)中，可能會(huì)引起的土壤侵蝕或土壤污染等環(huán)境問題，定量化地去研究礦區(qū)土壤開采前后多年間在環(huán)境影響之下土壤侵蝕特征變化，并結(jié)合著GIS技術(shù)來將植被覆蓋率[3]、地形地貌、土地利用類型與土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行一個(gè)綜合整體的計(jì)算分析[4]，了解不同影響因素下土壤侵蝕強(qiáng)度變化[5]，從而對(duì)礦區(qū)采取水土流失控制措施，指導(dǎo)煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[6]。

2 研究地區(qū)與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

本研究以內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的色連礦區(qū)為研究對(duì)象，該礦井田位于東勝區(qū)西側(cè)，擁有70.28 km2大小的占地面積，東勝區(qū)地處鄂爾多斯高原東緣，西北黃土高原北面，庫(kù)布齊沙漠東面，與之相鄰的是準(zhǔn)格爾旗，位于國(guó)土資源局首批劃定的19個(gè)煤炭規(guī)劃開發(fā)區(qū)內(nèi)。

該礦海拔標(biāo)高在1440～1480 m之間，南高北低。礦區(qū)降雨量較少且集中，區(qū)內(nèi)最高氣溫30.97 ℃，最低氣溫-24.12 ℃，年平均降水量處于278.06～306.54 mm，礦區(qū)植被種類適中，植被有著近30%的覆蓋率。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

2008～2017年各礦區(qū)所在縣市周圍所有降水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的逐日降雨數(shù)據(jù)，來源于CMADS 1.0 vision 和CMADSV 1.1數(shù)據(jù)集。

2.3 研究方法

RUSLE經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕ㄟ^測(cè)定以下各因子對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行一個(gè)相應(yīng)準(zhǔn)確合理的定量評(píng)價(jià)[8]，公式如下：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式(1)中：A為年平均土壤流失量，t/(hm2·a)；K為土壤可侵蝕性因子，t·hm2·MJ·mm；LS為坡長(zhǎng)因子，無(wú)量綱；C為地表植被覆蓋及經(jīng)營(yíng)管理因子，同上；P為水土保持措施因子，同上；R降雨侵蝕力因子，mJ·mm/(hm2·h·a)。

2.3.1 降雨侵蝕力因子R

對(duì)于研究區(qū)的降雨侵蝕力因子R值，一般研究均采用簡(jiǎn)易公式算法，在經(jīng)過計(jì)算后獲取[9]。

(2)

式(2)中，P為年平均降雨量，mm；Pi為月平均降雨量，單位同上。

2.3.2 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性[10]計(jì)算公式如下：

(3)

式(3)中：K為土壤可蝕性因子，單位(t·hm2·MJ·mm)；SAN(2-0.02 mm),%為沙粒含量；SIL(0.02-0.002 mm),%為粉粒含量；CLA(<0.02 mm),%為黏粒含量；C為有機(jī)碳含量，%；SN1=1-SAN/100=1-SAN/100。

2.3.3 坡長(zhǎng)因子和坡度因子

對(duì)平定小金川土司僧格桑與大金川土司索諾木聯(lián)合發(fā)動(dòng)的叛亂一事，史書使用了平鋪直敘的敘述方式，而管世銘的詩(shī)歌《薄伐》采用比興的手法，以“螳臂當(dāng)車”“坐井觀天”等成語(yǔ)比擬反叛者的行為，對(duì)他們的自大狂妄加以嘲諷?！皩蚁瓤姑?，恃險(xiǎn)殊披猖”指出大小金川屢次違抗朝廷，發(fā)動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)，譴責(zé)了大小金川土司的猖狂之態(tài)?！搬尨似埐徽D，何以勸柔良”則申明若是放任大小金川的叛逆行為，其他土司就會(huì)紛紛效仿，朝廷將難以應(yīng)對(duì)，從而點(diǎn)出了朝廷鎮(zhèn)壓叛亂的必要性和緊迫性。

坡長(zhǎng)與坡度為表征某個(gè)地形地貌特征的重要標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.4 植被覆蓋及管理因子(C)

公式如下：

(4)

式(4)中：c為某生長(zhǎng)季節(jié)作物或植物的覆蓋度(%)。

2.3.5 水土保持因子

在前人的研究結(jié)果基礎(chǔ)之上，不難得出，水土保持因子通常將先令P值轉(zhuǎn)化成柵格圖形式，在轉(zhuǎn)化過程中啊按照了相應(yīng)的土地利用類型的，而后得出流域水土保持P因子圖[12]，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算得到相應(yīng)的p值。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨侵蝕力因子R

2008～2017年礦區(qū)大于12 mm總降雨量和日降雨量的年降雨量對(duì)比見表1。

表1 礦區(qū)2008～2017年總降雨量和日降雨量≥12 mm的年降雨量對(duì)比

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，不難得出各點(diǎn)模型參數(shù)，以及R值，再根據(jù)研究區(qū)所在地域的降雨站點(diǎn)，進(jìn)行反距離的加權(quán)法(IDW)插值分析，然后將利用研究區(qū)邊界進(jìn)行裁剪，獲得柵格圖。其中本研究將以2011年作為一個(gè)分界線，將礦區(qū)降雨侵蝕力分為開采前和開采后，具體計(jì)算結(jié)果如表2。

由圖1可知，該礦開采后降雨侵蝕力發(fā)生了十分明顯的轉(zhuǎn)變，降雨侵蝕力大小從2013～2017年間先是由東向西增加轉(zhuǎn)變?yōu)閺谋毕蚰显黾忧仪治g力明顯減小，后又由從北向南增加轉(zhuǎn)變?yōu)閺臇|北向西南增加，侵蝕力略微增加，總的來看，開采后的降雨侵蝕力產(chǎn)生了一定程度的向南偏移且侵蝕力有所減小，這可能與降雨強(qiáng)度變化及研究區(qū)坡度有關(guān)(圖1)。

表2 開采前后降雨侵蝕力對(duì)比

圖1 侵蝕力對(duì)比

3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度年度分級(jí)面積和占比

由表3可知，該礦區(qū)開采前，微度侵蝕強(qiáng)度內(nèi)的占地面積最大，面積所占的比例大約為44.90%，開采后微度侵蝕強(qiáng)度有所變化，其所占的比例增大為76.06%，然而面積卻是相對(duì)減少的狀態(tài)，由此可推斷

表3 開采前后礦區(qū)侵蝕強(qiáng)度

出開采后的各個(gè)侵蝕強(qiáng)度下的面積均有所減小，結(jié)合表中數(shù)據(jù)計(jì)算可得，其中輕度侵蝕面積和微度侵蝕面積變化最大，而劇烈侵蝕強(qiáng)度變化最小，因此也足以表明微度以上侵蝕強(qiáng)度面積相對(duì)減小，并且劇烈侵蝕較難以恢復(fù)，因此變化幅度不明顯。

從開采后土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)的變化趨勢(shì)來看，根據(jù)圖2顯示可知，2013～2017年該礦的侵蝕面積在各個(gè)不同程度有著不同的變化，其中微度侵蝕呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，其他侵蝕強(qiáng)度面積則相應(yīng)的整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說明該礦區(qū)的土壤侵蝕量在開采后的這幾年間有所逐漸下降。其中微度和輕度侵蝕面積比例范圍控制在78.61%～100%之間。

3.3 不同土地利用類型下的土壤侵蝕強(qiáng)度

由表4和圖3可知，該礦總體以輕微侵蝕為主，其中裸地輕微度侵蝕占比最大，為32.416%，林草地輕微度侵蝕為次，占比為15.953%，其中裸地總侵蝕面積最大，為324.740 hm2，總占比達(dá)到46.561%，其次為林、草地，總侵蝕面積分別為115.478 hm2、112.205 hm2，占比分別為16.557%、16.088%，由此可知，裸地土壤容易受到侵蝕，尤其是微度侵蝕和輕度侵蝕，如果不加以治理，侵蝕程度將可能大面積的加重，草地和林地對(duì)比來看不難得出，林地雖然比草地更容易受到初步侵蝕，即微度侵蝕面積較大，但是由于植物根系的作用，林地比草地更能阻止輕度侵蝕及更嚴(yán)重侵蝕的作用，能夠?qū)Φ孛嫫鸬揭欢ǖ谋Ｗo(hù)。

圖2 開采前后侵蝕強(qiáng)度

3.4 不同植被覆蓋度下的土壤侵蝕強(qiáng)度

該礦區(qū)植被覆蓋度均在35%以上，因此將植被覆蓋度分為0°～35°、35°～55°、55°～70°、70°～100°這4個(gè)等級(jí)，并且將其與礦區(qū)的平均土壤侵蝕強(qiáng)度疊加分析，進(jìn)行對(duì)比(表5)。

表4 開采前后礦區(qū)侵蝕強(qiáng)度

表5 不同植被覆蓋率下的土壤侵蝕面積對(duì)比(A:面積 B：占比)

從變化趨勢(shì)來看(圖4)，該礦區(qū)整體上隨著植被覆蓋率的增加，侵蝕強(qiáng)度逐漸降低，植被覆蓋率為在35%～55%之間，圖中顯示以中度以下侵蝕強(qiáng)度為主，總侵蝕面積則為12.6 hm2，當(dāng)植被覆蓋率為在55%～70%之間，從侵蝕強(qiáng)度占比來看，從圖中不難得出侵蝕強(qiáng)度以輕度和微度為主，總侵蝕面積高達(dá)397 hm2，占比高達(dá)56.86%，植被覆蓋率為在70%～100%之間，侵蝕強(qiáng)度則變化為以微度為主，總侵蝕面積為288.06 hm2，占比為41.27%。在植被覆蓋率為55%左右時(shí)，整體侵蝕強(qiáng)度達(dá)到最高值，隨后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)色連礦區(qū)土壤侵蝕計(jì)算，使用RUSLE模型、空間作圖軟件和ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行研究。主要研究結(jié)果如下。

(1)該礦開采后降雨侵蝕力發(fā)生轉(zhuǎn)變，降雨侵蝕力大小從2013～2017年間先是由東向西增加轉(zhuǎn)變?yōu)閺谋毕蚰显黾忧仪治g力明顯減小，后又由從北向南增加轉(zhuǎn)變?yōu)閺臇|北向西南增加，侵蝕力略微增加，總的來看，開采后的降雨侵蝕力產(chǎn)生了一定程度的向南偏移且侵蝕力有所減小。

圖4 不同植被覆蓋率下土壤侵蝕強(qiáng)度變化趨勢(shì)

(2)該礦區(qū)開采前微度侵蝕強(qiáng)度內(nèi)的占地面積最大，單個(gè)面積占比高達(dá)44.90%，開采后的幾年間微度侵蝕強(qiáng)度的面積隨著治理手段的提高相應(yīng)減小，但總占比增大為76.06%，從側(cè)面反映出其余各個(gè)侵蝕強(qiáng)度下的面積均有所減小且減小的幅度較大。

(3)該礦總體以輕微侵蝕為主，其中裸地輕微度侵蝕占比最大，為32.416%，林草地輕微度侵蝕為次，占比為15.953%，其中裸地總侵蝕面積最大，為324.740 hm2，總占比達(dá)到46.561%，其次為林、草地，總侵蝕面積分別為115.478、112.205,占比分別為16.557%、16.088%。

(4)該礦區(qū)整體上隨著植被覆蓋率的增加，侵蝕強(qiáng)度隨之降低，植被覆蓋率在35%～55%之間，以中度以下侵蝕強(qiáng)度為主，總侵蝕面積為12.6 hm2，植被覆蓋率為在55%～70%之間，侵蝕強(qiáng)度以輕度和微度為主，總面積約397 hm2，占比為56.86%，植被覆蓋率為在70%～100%之間，微度侵蝕強(qiáng)度面積為288.06 hm2，占比為41.27%，為主要侵蝕強(qiáng)度。在植被覆蓋率為55%左右時(shí)，整體侵蝕強(qiáng)度達(dá)到最高值，隨后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從4個(gè)方面研究分析了色連礦區(qū)土壤侵蝕情況，但是未考慮到的因素仍有很多，如具體的坡度、人為運(yùn)輸、風(fēng)力等，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)這些方面的研究，并且可以考慮多因素交叉會(huì)產(chǎn)生的一些影響。

總的來說，礦區(qū)開采后需要及時(shí)加強(qiáng)環(huán)境管理和土壤保護(hù)措施，以便在最小損失范圍內(nèi)，將土壤侵蝕控制在較輕的程度中，避免在降雨或者其他環(huán)境因素下，因?yàn)槲醇皶r(shí)管理保護(hù)土壤，讓土壤遭受嚴(yán)重的二次污染傷害，對(duì)后續(xù)的土壤保護(hù)和管理造成較大的困難，耗費(fèi)更多的人財(cái)物力。