潘德成，李海燕，吳祥云，宋品玉，鄧春暉，齊鵬春，張丹丹

（1.遼寧省水土保持研究所，遼寧 朝陽(yáng) 122000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.阜蒙縣農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)辦公室，遼寧 阜新 123100；4.遼寧省朝陽(yáng)市科技情報(bào)研究所，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

礦區(qū)次生裸地是指礦業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的棄土廢渣及受重金屬污染而失去經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值的土地。它是一種極端裸地，植被稀少，水土流失嚴(yán)重［1］。對(duì)于煤礦來(lái)說(shuō)，煤矸石是煤炭生產(chǎn)過(guò)程中所必然形成的固體廢棄物，矸石的排出量約為原煤的10%～30%。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)［2－3］，全國(guó)工業(yè)固體廢棄物最多的是煤矸石，歷年累計(jì)煤矸石排出量約3.0×109t，占全國(guó)工業(yè)固體廢料的30%。且限于經(jīng)濟(jì)技術(shù)等原因，目前我國(guó)矸石的利用率還不到30%，大量的廢棄煤矸石不斷堆積形成煤矸石山，已累計(jì)占用土地近5500 hm2，且今后每年我國(guó)排放矸石仍達(dá)3.0×108t，約占用土地面積300～400hm2。降水是造成礦區(qū)次生裸坡土壤侵蝕的主要因子，礦區(qū)次生裸坡的水土流失的強(qiáng)度大，并常伴有滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害，給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成極大破壞［4－5］。近年來(lái)我國(guó)礦區(qū)水土流失的理論與實(shí)踐研究雖然取得顯著成績(jī)，但對(duì)礦區(qū)次生裸坡自然風(fēng)化土壤的動(dòng)態(tài)侵蝕規(guī)律的研究尚顯不足，缺乏指導(dǎo)性的定量分析成果。因此，以阜新煤礦典型的次生裸坡為研究對(duì)象，開(kāi)展礦區(qū)次生裸坡土壤抗沖性的動(dòng)態(tài)規(guī)律研究，將對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)我國(guó)礦區(qū)次生裸坡水土流失與生態(tài)治理方略具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義［6－8］。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省阜新市，地理坐標(biāo)為北緯41°41′—42°56′，東經(jīng)121°01′—122°56′。屬北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季。近50a平均降水量481mm，蒸發(fā)量1765 .9mm。秋冬春三季降水少且多風(fēng)，夏季高溫，雨量集中，且常以大雨的形式出現(xiàn)，約占全年的60%。阜新年均氣溫7.8℃，最低氣溫－28.4℃（1966年），最高氣溫40.6℃（1972年）。相對(duì)濕度59%?！?0℃積溫3341 .4℃。無(wú)霜期154d［9］。

以阜新市孫家灣煤矸石山坡面（地理坐標(biāo)為北緯41°58′28″，東經(jīng)121°40′39″）為研究對(duì)象，根據(jù)矸石山不同的坡向和坡位，分別在矸石山陽(yáng)坡和陰坡的上、中、下坡位進(jìn)行選點(diǎn)，共選取6個(gè)具有代表性的樣地。對(duì)照樣地選在阜蒙縣平安地鎮(zhèn)，為自然丘陵類(lèi)型，地理坐標(biāo)為北緯42°30′，東經(jīng)121°56′，共選取丘陵林地、丘陵耕地和天然崖壁3個(gè)對(duì)照類(lèi)型［10］。樣地概況詳見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)樣地概況

2 研究方法

土壤抗沖性是研究土壤水土流失的重要指標(biāo)。從泥沙動(dòng)力學(xué)原理出發(fā)，用徑流含沙量（g／L）和抗沖系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)分析土壤的抗沖性。徑流含沙量采用穩(wěn)定水流對(duì)土壤樣品沖刷10min，用水桶收集沖刷過(guò)程的徑流泥沙進(jìn)行采樣、烘干、稱(chēng)重，在沖刷開(kāi)始后前4min內(nèi)每1min采集1次，以后每3min采集1次。土壤抗沖系數(shù)M（為每沖走單位干土重所需的水量和時(shí)間的乘積）計(jì)算公式為:

式中:M——土壤抗沖系數(shù)﹝（L·min）／g﹞；T——沖刷歷時(shí)（min）；W——沖失干土重（g）。土壤抗沖系數(shù)可直觀反映水蝕過(guò)程中土壤抗徑流沖刷破壞能力的大小。

土壤抗沖性試驗(yàn)采用改進(jìn)的原狀土沖刷水槽法，每個(gè)樣點(diǎn)0—l0cm原狀土采用長(zhǎng)寬高分別為20cm×10cm×10cm的方型環(huán)刀取土樣。試驗(yàn)選擇沖刷坡度為35°，設(shè)計(jì)供水流量水平為3L／min，其它見(jiàn)參考文獻(xiàn)［10—12］。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流含沙量的動(dòng)態(tài)變化

從圖1可以看出，各樣地的徑流含沙量存在明顯差別，且自然對(duì)照的徑流含沙量總體大于矸石山，說(shuō)明因組成矸石山的物質(zhì)為矸石風(fēng)化物，大顆粒較多，可被水流沖刷的小顆粒含量較少而導(dǎo)致徑流含沙量??；在矸石山的6個(gè)樣地中，陽(yáng)坡的徑流含沙量大于陰坡，這與陰坡的風(fēng)化程度較陽(yáng)坡強(qiáng)烈，植被蓋度較高有關(guān)［13－14］；對(duì)于陽(yáng)坡，徑流含沙量表現(xiàn)為:下坡位（37.55g／L）＞中坡位（35.67g／L）＞上坡位（13.41 g／L），且下坡位和中坡位的徑流含沙量相似，明顯大于上坡位，表明中、下坡位因矸石風(fēng)化程度好，細(xì)顆粒較多，而導(dǎo)致徑流含沙量高于上坡位；對(duì)于陰坡，徑流含沙量表現(xiàn)為:上坡位（19.94g／L）＞下坡位（11.79 g／L）＞中坡位（6.20g／L），表明在陰坡的不同坡位除了矸石風(fēng)化程度外，植被蓋度對(duì)徑流含沙量的影響更顯著。矸石山的6個(gè)樣地和自然對(duì)照的3個(gè)樣地的徑流含沙量的曲線又存在較為一致的變化規(guī)律，即它們的初始徑流含沙量均較大，之后驟減，到一定的時(shí)刻逐漸趨于穩(wěn)定，矸石山樣地的徑流含沙量是到第2 min后基本趨于穩(wěn)定，而自然對(duì)照則是到第4min后才趨于穩(wěn)定。表2的相關(guān)分析表明，不同樣地土壤徑流含沙量y與時(shí)間t之間存在顯著的多項(xiàng)式回歸關(guān)系，且顯著服從于回歸方程:

式中:a，b——多項(xiàng)式系數(shù)，相關(guān)系數(shù)R2為0.685～0.982，達(dá)到顯著相關(guān)水平。

表2 沖刷試驗(yàn)徑流含沙量變化回歸參數(shù)

3.2 土壤抗沖系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化

從圖2的土壤抗沖系數(shù)與沖刷時(shí)間相關(guān)性曲線可以看出，矸石山不同坡面、不同坡位的土壤抗沖系數(shù)，以及3個(gè)對(duì)照樣地的土壤抗沖系數(shù)均存在較大差異，陽(yáng)坡整體抗沖系數(shù)小于陰坡，表明陰坡因矸石風(fēng)化程度較陽(yáng)坡高，植被蓋度較高而使抗沖系數(shù)相對(duì)較大［13－14］。陽(yáng)坡的不同坡位的抗沖系數(shù)表現(xiàn)為:上坡位﹝6.43（L·min）／g﹞＞中坡位﹝2.53（L·min）／g﹞＞下坡位﹝2.45（L·min）／g﹞，這可能與陽(yáng)坡的上坡位矸石顆粒較中、下坡位大，而耐沖刷有關(guān)；陰坡不同坡位的抗沖系數(shù)表現(xiàn)為:中坡位﹝16.30（L·min）／g﹞＞下坡位﹝15.07（L·min）／g﹞＞上坡位﹝5.00（L·min）／g﹞，這可能與陰坡中、下坡位的植被覆蓋度較上坡位高，植被根系對(duì)土壤抗沖系數(shù)有明顯加強(qiáng)效應(yīng)有關(guān)［13－14］。6個(gè)矸石山樣地和3個(gè)對(duì)照樣地的土壤抗沖系數(shù)總體存在較為一致的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)出隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，抗沖系數(shù)逐漸增大，曲線呈先緩慢后快速增大的趨勢(shì)，且前10min矸石山的抗沖系數(shù)大于自然對(duì)照。通過(guò)表3的回歸關(guān)系分析表明，矸石山的土壤抗沖系數(shù)y與時(shí)間t之間顯著服從于方程:

式中:a，b——回歸系數(shù)。復(fù)相關(guān)系數(shù)R2在0.455～0.987之間，其中只有天然崖壁的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較小，但也達(dá)到顯著水平。

圖2 研究區(qū)土壤抗沖系數(shù)與沖刷時(shí)間相關(guān)性曲線

表3 矸石山不同坡面和坡位土壤抗沖系數(shù)與沖刷時(shí)間回歸參數(shù)

4 結(jié)論

（1）采用徑流含沙量和抗沖系數(shù)對(duì)礦區(qū)次生裸坡土壤的抗沖性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，不同樣地、不同坡向、不同坡位的徑流含沙量和抗沖系數(shù)存在較大差異，但其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律存在相似趨勢(shì)，其中徑流含沙量的總體表現(xiàn)為初始含沙量均較大，之后驟減，到一定時(shí)刻后逐漸趨于穩(wěn)定，矸石山樣地的徑流含沙量是到第2min后基本趨于穩(wěn)定，而自然對(duì)照則是到第4min后才趨于穩(wěn)定。不同樣地的徑流含沙量y與時(shí)間t之間顯著服從于冪函數(shù)關(guān)系；抗沖系數(shù)總體變化是隨著沖刷時(shí)間的增長(zhǎng)，抗沖系數(shù)呈現(xiàn)出先緩慢后快速增大趨勢(shì)，前10min矸石山的抗沖系數(shù)大于自然對(duì)照。不同樣地的土壤抗沖系數(shù)y與時(shí)間t之間顯著服從于指數(shù)函數(shù)關(guān)系，該公式結(jié)合徑流含沙量指標(biāo)，可直觀地用來(lái)判斷各樣地土壤抗沖能力的大小，并用來(lái)判斷引起滑坡和石流災(zāi)害的可能性。

（2）由于自然降雨的作用，導(dǎo)致矸石山上坡位的細(xì)小顆粒被沖到中下坡位，使剩余的矸石粒徑較大，土層較薄，不利于植被的直接恢復(fù)，且遇暴雨容易形成土石流而對(duì)中下坡位造成危害。因此矸石山陽(yáng)坡的中、上坡位和陰坡的上坡位，是水土流失的多發(fā)地和重災(zāi)區(qū)，是工程措施治理的重點(diǎn)；矸石山陰坡的中、下坡位雖然風(fēng)化土層相對(duì)較好，但仍面臨嚴(yán)重的水土流失，是實(shí)施工程措施與植被措施的重點(diǎn)。

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