姜 浩

(中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

露天煤礦可開(kāi)采出大量煤炭資源，但需建設(shè)復(fù)雜多樣的輔助生產(chǎn)設(shè)施，在為國(guó)民經(jīng)濟(jì)作出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也嚴(yán)重破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[1]。輔助生產(chǎn)設(shè)施的建設(shè)因土地平整、挖掘或填筑等活動(dòng)，改變地表形態(tài)并破壞原有的地貌特征，地表的坡度和凹凸度會(huì)發(fā)生改變，使得水流速度加大，從而增加了土壤被侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致水土流失的加??；輔助生產(chǎn)設(shè)施的建設(shè)活動(dòng)通常需要清除現(xiàn)有的植被，包括樹(shù)木、草地或其他植被類型，會(huì)導(dǎo)致植被覆蓋的喪失，減少了植物根系的固土作用，從而削弱了水土保持的能力。沒(méi)有合適的植被覆蓋，土壤容易暴露在風(fēng)雨的侵蝕下，導(dǎo)致水土流失的加?。淮送?，輔助生產(chǎn)設(shè)施的建設(shè)還可能改變土壤的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地。土壤的改變包括土層的混合、挖掘或填充等操作，這些改變會(huì)影響土壤的保水性和抗侵蝕能力。一旦土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，原有的水土保持設(shè)施可能無(wú)法有效地防止水土流失。晉北土石山區(qū)擁有大量的露天煤礦，但該區(qū)域土壤地質(zhì)條件較差，多年形成較深的侵蝕溝，年降水量較少，大多數(shù)集中在雨季，地表植被較稀疏，這些特點(diǎn)加劇了露天煤礦輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中的水土流失[2]。在輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中，需要重視對(duì)水土保持設(shè)施的保護(hù)和修復(fù)工作，以最大限度地減少對(duì)環(huán)境的不良影響，可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，采取有效的水土保持防護(hù)措施以及進(jìn)行必要的生態(tài)恢復(fù)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文以中煤平朔集團(tuán)有限公司新建東露天電鏟、鉆機(jī)大修場(chǎng)地工程為例，根據(jù)工程設(shè)計(jì)理念并結(jié)合實(shí)際情況，采用現(xiàn)場(chǎng)踏勘和專家咨詢法等方法來(lái)研究工程所在地的水土流失情況以及確定不同施工時(shí)段內(nèi)的土壤侵蝕模數(shù)，計(jì)算分析預(yù)測(cè)因工程建設(shè)可能造成的水土流失量。通過(guò)評(píng)估和分析，能夠提供有效的評(píng)價(jià)方法和充分的理論依據(jù)用以預(yù)測(cè)晉北露天煤礦輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)所造成的水土流失情況。有助于制定相應(yīng)的水土流失防治措施和管理策略，減少對(duì)環(huán)境的不良影響。同時(shí)，也為晉北露天煤礦輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)制定水土流失防治體系提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究背景

工程位于朔州市平魯區(qū)榆嶺鄉(xiāng)東露天礦工業(yè)場(chǎng)地西南側(cè)，東南距榆嶺鄉(xiāng)約4km，行政區(qū)劃隸屬于朔州市平魯區(qū)管轄。東露天礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力25.0Mt·a-1，屬于特大型露天煤礦，新建的電鏟、鉆機(jī)大修場(chǎng)地設(shè)計(jì)維修能力為電鏟年大修3臺(tái)，鉆機(jī)年大修4臺(tái)。本項(xiàng)目屬于新建、建設(shè)類項(xiàng)目，于2023年7月—2024年4月，總工期10個(gè)月(含施工準(zhǔn)備期)。本工程由工業(yè)場(chǎng)地區(qū)、外部道路區(qū)、施工生產(chǎn)區(qū)、供熱管線區(qū)和供電線路區(qū)6部分組成。

2 預(yù)測(cè)方法

采用實(shí)地調(diào)查與設(shè)計(jì)資料相結(jié)合的方法進(jìn)行工程開(kāi)始施工前原地貌的水土流失預(yù)測(cè)；擾動(dòng)后土壤侵蝕模數(shù)的預(yù)測(cè)方法通常有類比法、數(shù)學(xué)模型法、試驗(yàn)觀測(cè)法、專家評(píng)估法和航空照片判讀法[3]，本工程擾動(dòng)后的水蝕侵蝕模數(shù)采用專家評(píng)估法；水土流失危害預(yù)測(cè)采取實(shí)地跟蹤調(diào)查法，調(diào)查當(dāng)?shù)叵嗨频墓こ?，參考這些工程擾動(dòng)后造成的危害，從而進(jìn)行本項(xiàng)目的分析與預(yù)測(cè)。

水土流失量計(jì)算公式[3]：

(1)

(2)

式中，W為流失量，t；ΔW為新增流失量，t；j為預(yù)測(cè)時(shí)段；i為預(yù)測(cè)單元；Fji為第j預(yù)測(cè)時(shí)段第i預(yù)測(cè)單元的面積，km2；Mji為第j預(yù)測(cè)時(shí)段第i預(yù)測(cè)單元的侵蝕模數(shù)，t·km-2·a-1；ΔMji為第j預(yù)測(cè)時(shí)段第i預(yù)測(cè)單元的新增侵蝕模數(shù)，t·km-2·a-1；Tji為第j預(yù)測(cè)時(shí)段第i預(yù)測(cè)單元的預(yù)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)，a。

3 參數(shù)確定

3.1 預(yù)測(cè)范圍和預(yù)測(cè)單元

結(jié)合主體設(shè)計(jì)資料分析，本項(xiàng)目的水土流失預(yù)測(cè)范圍總占地為2.35hm2。在劃分水土流失預(yù)測(cè)單元時(shí)，需要考慮項(xiàng)目的占地種類、各建筑物布設(shè)區(qū)域情況、工程的建設(shè)內(nèi)容、在施工過(guò)程中對(duì)地表的破壞情況、水土流失影響程度以及地質(zhì)地貌特征等因素。經(jīng)綜合分析，本項(xiàng)目可劃分5個(gè)水土流失預(yù)測(cè)單位，分別為工業(yè)場(chǎng)地區(qū)、外部道路區(qū)、施工生產(chǎn)區(qū)、供熱管線區(qū)以及供電線路區(qū)。水土流失預(yù)測(cè)范圍及預(yù)測(cè)單元?jiǎng)澐智闆r見(jiàn)表1。

表1 水土流失預(yù)測(cè)范圍及預(yù)測(cè)單元表

3.2 預(yù)測(cè)時(shí)段

煤礦輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)造成的水資源和泥土資源量按照施工期(含施工準(zhǔn)備期)和自然恢復(fù)期2個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)段開(kāi)展預(yù)測(cè)與分析；自然恢復(fù)期一般取2～5年，根據(jù)工程所在地的降雨量、蒸發(fā)量、溫度以及干旱程度，綜合確定本項(xiàng)目自然恢復(fù)期的預(yù)測(cè)時(shí)段為5年。每個(gè)預(yù)測(cè)單元的預(yù)測(cè)時(shí)段應(yīng)按照最不利的情況考慮，超過(guò)雨季長(zhǎng)度的按全年計(jì)算，不超過(guò)雨季長(zhǎng)度的按占雨季長(zhǎng)度的比例計(jì)算[3]。預(yù)測(cè)時(shí)段劃分情況見(jiàn)表2。

表2 各預(yù)測(cè)單元水土流失預(yù)測(cè)時(shí)段表

3.3 土壤侵蝕模數(shù)的確定

3.3.1 擾動(dòng)前土壤侵蝕模數(shù)

工程所在地屬于太行山西北部山地丘陵防沙水源涵養(yǎng)區(qū)，植被覆蓋程度相對(duì)較弱，容許土壤流失量為200t·km-2·a-1。工程所在地植被主要以灌草為主，常見(jiàn)有檸條叢、黃刺玫叢、沙棘灌叢和荊條灌叢，根據(jù)工程所在地地表植被、土壤狀況、氣象等資料，確定工程所在地土壤侵蝕類型為以中度侵蝕強(qiáng)度為主的水力侵蝕，水力侵蝕模數(shù)背景值為2700t·km-2·a-1。

3.3.2 擾動(dòng)后土壤侵蝕模數(shù)

工程所在地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候半干旱區(qū)，多年平均降水量424mm，年蒸發(fā)量在1786.7～2598mm，一般為2066.7mm。根據(jù)工程所在地年降雨量和年蒸發(fā)量，并結(jié)合咨詢相關(guān)專家的結(jié)論，本方案確定工程所在地?cái)_動(dòng)后土壤侵蝕水蝕模數(shù)為4900t·km-2·a-1。

3.3.3 自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)

在自然恢復(fù)期，土壤侵蝕模數(shù)將逐年逐漸降低，并最終回歸接近至原地貌水平，即第2年土壤侵蝕模數(shù)比第1年更弱，以此類推。通過(guò)對(duì)工程所在地的地質(zhì)、地貌和氣候因素進(jìn)行調(diào)查分析并咨詢專家，預(yù)計(jì)本工程建設(shè)擾動(dòng)區(qū)在無(wú)人干擾的情況下，將于第5年接近恢復(fù)到原地貌水平。不同預(yù)測(cè)單位施工期和自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)匯總見(jiàn)表3。

4 成果分析

利用已經(jīng)確定的預(yù)測(cè)參數(shù)，通過(guò)模型計(jì)算對(duì)本項(xiàng)目各預(yù)測(cè)單元在不同施工時(shí)間段產(chǎn)生的水土流失量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出，在本工程建設(shè)過(guò)程中，共計(jì)產(chǎn)生水土流失總量為208.46t，相比于原地地貌而言，工程的建設(shè)導(dǎo)致水土流失量新增91.28t，工程的建設(shè)破壞了地表土壤結(jié)構(gòu)和植被，從而對(duì)水土流失生產(chǎn)了負(fù)面的影響，引起了更嚴(yán)重的水土流失后果。在施工期，新增的水土流失量為51.04t；在自然恢復(fù)期新增水土流失量40.24t，施工期長(zhǎng)度約為1年，而自然恢復(fù)期為5年，因此施工期是產(chǎn)生新增水土流失量強(qiáng)度最大的主要發(fā)生時(shí)段。

表3 土壤侵蝕模數(shù)匯總表

表4 土壤流失量匯總表

圖1 分時(shí)段新增土壤流失量圖

從圖1可以分析出，在工程施工過(guò)程中，新增的水土流失量所占的百分比自然恢復(fù)期高出了11.84%，這說(shuō)明輔助設(shè)施的建設(shè)對(duì)于地表地貌的破壞會(huì)加速水土流失，主要原因?yàn)槭┕せ顒?dòng)會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)，使土壤土質(zhì)變得疏松。因此，工程建設(shè)過(guò)程是造成水土流失最重要的時(shí)間段，本項(xiàng)目的水土流失預(yù)測(cè)結(jié)果可為建設(shè)單位在今后開(kāi)展水土流失量監(jiān)測(cè)工作時(shí)提供理論依據(jù)，應(yīng)該著重對(duì)工程建設(shè)期開(kāi)展監(jiān)測(cè)。工程施工過(guò)程中形成的裸露地表土質(zhì)疏松，固土能力較弱。如果不采取行之有效的水土流失防護(hù)措施，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生強(qiáng)降雨，降水入滲不及時(shí)，產(chǎn)生較大的地表徑流時(shí)，地表徑流會(huì)帶走松散的土壤，產(chǎn)生侵蝕溝，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失，這些水土流失現(xiàn)象也將會(huì)嚴(yán)重影響項(xiàng)目區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境狀況。水土流失不僅會(huì)導(dǎo)致土壤的貧瘠化和水資源的浪費(fèi)，還可能造成土壤侵蝕、河道淤塞、水質(zhì)污染等問(wèn)題，進(jìn)而影響到生態(tài)系統(tǒng)的平衡和可持續(xù)發(fā)展。因此，在工程建設(shè)過(guò)程中，必須采取有效的水土保持防護(hù)措施來(lái)預(yù)防和治理水土流失。包括合理規(guī)劃施工過(guò)程、采取適當(dāng)?shù)闹脖桓采w和固土措施、構(gòu)建溝道和排水系統(tǒng)等。通過(guò)這些措施的實(shí)施，可以最大限度地減少水土流失，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

圖2 分區(qū)段新增土壤流失量圖

從圖2可以分析出不同預(yù)測(cè)分區(qū)新增的土壤流失量多少情況。新增水土流失量最多的分區(qū)為工業(yè)場(chǎng)地區(qū)和供熱管線區(qū)。工業(yè)場(chǎng)地區(qū)新增水土流失量占總新增水土流失總量的47.44%，供熱管線區(qū)占37.26%。因此，工業(yè)場(chǎng)地區(qū)和供熱管線區(qū)是本項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生水土流失的重點(diǎn)防治區(qū)，在今后的治理中應(yīng)著重布置水土流失防治措施，也是開(kāi)展水土保持監(jiān)測(cè)工作的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。在輔助設(shè)施建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)化施工方案，在不影響施工質(zhì)量的情況下，避開(kāi)雨季施工，盡量縮短施工時(shí)段，避免產(chǎn)生大量的臨時(shí)堆土，縮短場(chǎng)地平整和裸露時(shí)間，加快植被建設(shè)進(jìn)度，能實(shí)施綠化的區(qū)域盡早采取防護(hù)措施，有效縮短強(qiáng)流失時(shí)段。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)露天煤炭開(kāi)采產(chǎn)量在逐年上升；開(kāi)采規(guī)模在不斷擴(kuò)大，而且大多數(shù)露天煤礦均分布在生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，露天煤礦輔助生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)及開(kāi)采對(duì)礦區(qū)環(huán)境引發(fā)固體、液體、氣體綜合性破壞和污染巨大[4-6]，采礦的生產(chǎn)和運(yùn)輸對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境影響巨大。通過(guò)水土流失預(yù)測(cè)，可預(yù)測(cè)項(xiàng)目施工過(guò)程中可能發(fā)生水土流失嚴(yán)重的區(qū)域和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，有助于定量分析水土流失的程度和定性評(píng)估其對(duì)項(xiàng)目區(qū)的影響程度。如，在可能發(fā)生水土流失嚴(yán)重的區(qū)域，可以加強(qiáng)植被覆蓋、構(gòu)建防護(hù)溝和擋土墻等措施來(lái)減少水土流失。在可能發(fā)生水土流失較輕微的區(qū)域，則可采取相對(duì)較簡(jiǎn)單的措施，如表層覆蓋和固土措施等?？傊亮魇Я康念A(yù)測(cè)和分析對(duì)于科學(xué)、合理地制定水土保持措施體系非常重要。通過(guò)量化分析，幫助建設(shè)單位制定相應(yīng)的防治策略，盡最大程度降低因工程建設(shè)產(chǎn)生的水土流失及其潛在影響，保護(hù)環(huán)境并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。