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(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) a.水土保持研究所;b.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

礦區(qū)3種棄土棄渣體侵蝕及水動(dòng)力學(xué)差異研究

李建明1，孫蓓1，王一峰1，王文龍2a,2b,3，張長偉1，郭明明2a,2b

(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) a.水土保持研究所;b.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

人為因素影響使得礦區(qū)擾動(dòng)地表范圍廣，形成的棄土棄渣物質(zhì)組成復(fù)雜，且堆積坡度較大，在降雨作用下容易產(chǎn)生嚴(yán)重水土流失。在野外調(diào)查基礎(chǔ)上，通過選取、修筑徑流小區(qū)并建立野外人工模擬降雨場，研究棄土體、沙多石少棄渣體和沙少石多棄渣體3種下墊面的侵蝕及水動(dòng)力特征的差異性。結(jié)果表明：①棄土棄渣體平均徑流率隨雨強(qiáng)增大1.5～3.0倍,遞增幅度是33.7%～276.2%。②沙多石少棄渣體的平均流速較棄土體及沙少石多棄渣體大，隨雨強(qiáng)增大，3種棄土棄渣體的平均流速遞增13.6%～43.3%；同雨強(qiáng)下，沙多石少棄渣體平均侵蝕速率分別是棄土體和沙少石多棄渣體的1.8倍和11.2倍。③棄土棄渣體次降雨下的平均雷諾數(shù)以過渡流為主，水流呈緩流。平均徑流率與平均水流功率、水流剪切力分別可用線性函數(shù)表示，決定系數(shù)>0.8；棄土體及沙少石多棄渣體平均侵蝕速率與平均水流功率、水流剪切力分別可用線性函數(shù)表示，決定系數(shù)>0.9，而沙多石少棄渣體呈冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)在0.5左右。

棄土棄渣體; 徑流產(chǎn)沙；水動(dòng)力參數(shù)；擾動(dòng);野外人工模擬降雨；神府東勝礦區(qū)

1 研究背景

神府東勝礦區(qū)位于風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)帶、復(fù)雜脆弱的自然環(huán)境是該地區(qū)水土流失嚴(yán)重的主要原因之一。由于人為因素作用大，形成的多種下墊面的侵蝕特征存在差異，尤其是人為堆積的棄土棄渣等混合堆積體、復(fù)雜的物質(zhì)組成使得侵蝕物質(zhì)源、侵蝕方式等均發(fā)生改變，也是造成嚴(yán)重水土流失的重要來源。目前，許多學(xué)者針對(duì)以上區(qū)域展開了大量的研究，一方面采用降雨或沖刷方法研究不同下墊面的各侵蝕參數(shù)特性，主要從入滲、徑流和產(chǎn)沙等方面深入開展研究，并取得一定成果[1]。研究認(rèn)為隨著堆積年限延長，棄土棄渣體的抗蝕性增強(qiáng)[2]。郭明明等[3]研究得出棄土棄渣體、擾動(dòng)面的侵蝕速率是撂荒地的2.27～239.2倍。倪含斌等[4-7]針對(duì)棄土棄渣的水土流失規(guī)律及其引發(fā)的環(huán)境問題展開系列研究，并取得一定成果。另一方面造成侵蝕的主要?jiǎng)恿κ瞧旅鎻搅?，研究侵蝕過程中坡面流的水力學(xué)特性，探尋可較好描述坡面侵蝕的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)也成為了一個(gè)熱點(diǎn)。王貞等[8-10]提出了斷面單位能量、水流功率、單位水流功率、水流切應(yīng)力等參數(shù)是描述侵蝕動(dòng)力學(xué)過程較好的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。張樂濤等[11]通過研究高速公路棄土場工程堆積體，指出水流功率是與土壤剝蝕率關(guān)系最好的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)?？岛炅恋萚12-14]通過不同的試驗(yàn)方法研究不同堆積體類型的水動(dòng)力學(xué)特性。綜上，針對(duì)神府東勝以及不同生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目不同下墊面的侵蝕已有較多研究，但針對(duì)礦區(qū)棄土棄渣體下墊面在相同條件下侵蝕特征及水動(dòng)力學(xué)特性差異的對(duì)比分析研究較少。本文采用野外人工模擬降雨方法，研究了礦區(qū)沙多石少棄渣體、沙少石多棄渣體和棄土體在相同降雨條件下的產(chǎn)流、產(chǎn)沙、水力學(xué)參數(shù)的差異，以期為礦區(qū)水土流失防治及生態(tài)建設(shè)提供指導(dǎo)。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

神府東勝煤田處于晉陜蒙交界的典型生態(tài)脆弱區(qū)，屬于干旱半干旱大陸季風(fēng)性氣候，年平均氣溫為5.5～9.1 ℃，年蒸發(fā)量為1 092～2 508 mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈[15]。年平均降水量不足400 mm，多集中在7—9月份，占全年降雨的65%～70%，且大部分以暴雨及大暴雨形式出現(xiàn)，具有頻率高、強(qiáng)度大等特性，是造成該區(qū)侵蝕嚴(yán)重的動(dòng)力條件[15]。受氣候、地貌等影響，風(fēng)沙土、栗鈣土及黃綿土是該區(qū)主要土類，質(zhì)地較粗，抗蝕性、結(jié)構(gòu)性差，且地表植被覆蓋度低，容易遭受侵蝕[15]。

神府煤田探明儲(chǔ)量2 200余億t，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量近1 000億t，成為我國已探明最大優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤基地。在開采過程中，產(chǎn)生大量的廢棄堆渣體，主要包括開采前期修筑道路(公路、鐵路)、采石、建筑物等基地基礎(chǔ)建設(shè)以及礦區(qū)表層剝離、采煤排放的土、石、沙、煤矸石、廢渣等廢棄物。調(diào)查表明，三期開采共計(jì)排放各種廢棄堆積物總量可達(dá)51 000余萬m3，常堆積于路邊、溝谷、河道等地，遇暴雨后由于堆積松散等特性，隨水流進(jìn)入河道，嚴(yán)重的侵蝕對(duì)行洪安全產(chǎn)生威脅[15]。煤礦的不斷開采，導(dǎo)致了土地資源及植物資源破壞、土地沙漠化、水資源流失等生態(tài)環(huán)境問題[17]。針對(duì)神府東勝礦區(qū)的棄土棄渣的水土流失規(guī)律進(jìn)行研究，可為礦區(qū)開發(fā)后的土地復(fù)墾、植被恢復(fù)及生態(tài)修復(fù)提供指導(dǎo)，具有重要的意義。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)選在神木縣轄區(qū)進(jìn)行。在礦區(qū)內(nèi)選取3種典型下墊面作為研究對(duì)象，包括棄土體、沙多石少棄渣體和沙少石多棄渣體，平均密度分別為1.29,1.33,1.53 g/cm3，機(jī)械組成見表1。

表1 棄土棄渣體顆粒機(jī)械組成Table 1 Mechanical composition of waste soil and residues

按美國制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，3種下墊面分別屬于中礫質(zhì)土、輕礫石土和中礫石土。試驗(yàn)小區(qū)尺寸設(shè)計(jì)為3 m×1 m，四周采用鋼板密封，并在小區(qū)出口處安裝集水槽，利用集流桶收集徑流泥沙樣。室外人工模擬降雨雨強(qiáng)設(shè)計(jì)1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 mm/min這5個(gè)級(jí)別，涵蓋了試驗(yàn)區(qū)各種侵蝕性降雨類型?；谝巴鈱?shí)地調(diào)查的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，試驗(yàn)坡度采用35°[17]。共計(jì)降雨次數(shù)為3(下墊面數(shù))×5(雨強(qiáng)種數(shù))=15。

采用2 m3儲(chǔ)水桶為水源,放置在小區(qū)上端，通過潛水泵抽水，雨強(qiáng)通過雙閥門和壓力表控制。建立封閉式的野外模擬降雨場，搭建高3 m的降雨架。為保證雨強(qiáng)大小及均勻度，在降雨前后分別率定，誤差控制在5%內(nèi)，雨強(qiáng)率定完成后揭開小區(qū)上遮雨布開始降雨，產(chǎn)流開始后降雨總時(shí)間為45 min。產(chǎn)流開始的3 min內(nèi)每1 min接一個(gè)徑流泥沙樣，隨后每隔3 min接一個(gè)，接樣時(shí)間段內(nèi)同步測定坡面的流速、流深和流寬[3]。流速采用高錳酸鉀示蹤法，將測量得到的流速乘以系數(shù)0.75得到較為理想的水流平均流速[18]。試驗(yàn)結(jié)束后，用量筒測定各個(gè)徑流樣體積，用烘干法測定泥沙含量。

2.3 指標(biāo)測定與分析

依據(jù)已有研究，本文分析的水力學(xué)特性參數(shù)定義及計(jì)算方法參照已有文獻(xiàn)，主要包括雷諾數(shù)[19]、弗勞德數(shù)[20]、Darcy-weisbach阻力系數(shù)[21]、水流剪切力[21]和水流功率[22]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0進(jìn)行相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 棄土棄渣體產(chǎn)流差異特征

3.1.1 平均徑流率差異

圖1為棄土棄渣體在不同雨強(qiáng)下的平均徑流率的變化。

圖1 棄土棄渣體平均徑流率隨雨強(qiáng)變化Fig.1 Variation of average runoff rate of waste soil and residues with rainfall intensity

雨強(qiáng)≤1.5 mm/min時(shí)，不同質(zhì)地棄土棄渣體平均徑流率表現(xiàn)為,沙少石多棄渣體<棄土體<沙多石少棄渣體，沙少石多棄渣體由于顆粒機(jī)械組成中大顆粒占的比例大，形成的大孔隙多，雨水接觸后迅速下滲，只有在表層飽和或雨強(qiáng)大于入滲強(qiáng)度時(shí)，形成徑流，入滲量大，導(dǎo)致產(chǎn)流量最小。沙多石少棄渣體由于礫石鑲嵌在坡面表層，雨強(qiáng)較小時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間，坡面表層達(dá)到飽和，入滲速率穩(wěn)定，徑流帶走坡面細(xì)小顆粒，礫石覆蓋，減小了雨滴對(duì)下墊面的直接擊濺，坡面表層光滑，徑流在坡面受到的阻力減小，流動(dòng)較快，進(jìn)而使得單位時(shí)間內(nèi)收集到的徑流增加，即徑流率增大，導(dǎo)致此時(shí)平均徑流率最大。棄土體坡面由于土壤顆粒的阻力系數(shù)介于二者之間，形成的平均徑流率處于二者之間。在雨強(qiáng)≥2.0 mm/min時(shí)，棄土棄渣體下墊面主要發(fā)生超滲產(chǎn)流，且雨強(qiáng)越大，對(duì)下墊面的擊濺作用力越強(qiáng)，雨水入滲多，棄渣體由于顆粒組成中粗顆粒多，利于雨水入滲，導(dǎo)致徑流量小，大小總體呈現(xiàn)為沙少石多棄渣體<沙多石少棄渣體<棄土體。但在雨強(qiáng)為2.5 mm/min時(shí)，沙多石少棄渣體在降雨過程中發(fā)生了部分坡位滑塌現(xiàn)場，導(dǎo)致徑流攜帶大量泥沙迅速流出徑流出口，使得發(fā)生滑塌后一段時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)徑流率顯著增大，進(jìn)而使得該場次的平均徑流率增大，大小表現(xiàn)為沙少石多棄渣體小于棄土體小于沙多石少棄渣體。雨強(qiáng)由1.0 mm/min增大至3.0 mm/min時(shí)，棄土體、沙多石少棄渣體和沙少石多棄渣體平均徑流率遞增幅度分別為43.0%～218.2%,33.7%～116.6%和108.8%～276.2%，雨強(qiáng)變化對(duì)沙少石多棄渣體影響最顯著。綜合分析可知，平均徑流率大小表現(xiàn)為沙多石少棄渣體平均徑流率是棄土體的1.1倍，也是沙少石多棄渣體的1.1倍。3種土壤質(zhì)地棄土棄渣體的平均徑流率與雨強(qiáng)呈顯著線性相關(guān)，決定系數(shù)均>0.9。

3.1.2 平均流速差異

圖2為棄土棄渣體在不同雨強(qiáng)下的平均流速的變化。

圖2 棄土棄渣體平均流速隨雨強(qiáng)變化Fig.2 Variation of average runoff velocity of waste soil and residues with rainfall intensity

5種雨強(qiáng)條件下，棄土棄渣體的平均流速均呈現(xiàn)出沙多石少棄渣體最大，棄渣體坡面礫石與土壤顆粒相互交叉混合，徑流對(duì)坡面產(chǎn)生剝蝕作用，帶走坡面細(xì)小的可蝕性顆粒，礫石由于自身的重力作用，不隨水流發(fā)生位移，且礫石表面光滑，對(duì)水流阻力減少，加之徑流率大，導(dǎo)致流速大。雨強(qiáng)為2.0,3.0 mm/min時(shí)，沙少石多棄渣體由于降雨過程中，發(fā)生壤中流現(xiàn)場象，該下墊面條件下，由于介于礫石間的土壤顆粒被水流帶走，形成大孔隙，水流沿大孔隙下滲后形成沿坡面向下的壤中流通道，在距離下滲點(diǎn)不遠(yuǎn)處沖出坡面，形成瞬時(shí)高含沙水流，同時(shí)導(dǎo)致瞬時(shí)流速加大，出現(xiàn)了平均流速大于棄土體。其他條件下，由于沙少石多棄渣體較棄土體入滲量大、坡面徑流小，且出露的礫石在坡面廣泛分布，徑流沿坡面流動(dòng)的路徑彎曲度加大，延長徑流路徑，導(dǎo)致流速小于棄土體。綜合分析，3種棄土棄渣體的平均流速隨雨強(qiáng)1.0 mm/min遞增至3.0 mm/min的遞增幅度是13.6%～43.3%，雨強(qiáng)對(duì)平均流速影響在大雨強(qiáng)下愈加顯著。棄土體和沙少石多棄渣體的平均流速與雨強(qiáng)均呈顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.884和0.914(P<0.05)。

3.2 棄土棄渣體產(chǎn)沙差異特征

圖3為棄土棄渣體在不同雨強(qiáng)下的平均侵蝕速率的變化。

圖3 棄土棄渣體平均侵蝕速率隨雨強(qiáng)變化Fig.3 Variation of average erosion rate of waste soil and residues with rainfall intensity

相較于棄土棄渣體的產(chǎn)流特征，其產(chǎn)沙特征差異性更加顯著。雨強(qiáng)由1.0 mm/min增大至3.0 mm/min時(shí)，沙少石多棄渣體的平均侵蝕速率相較于棄土體及沙多石少棄渣體顯著較小，主要是由于下墊面中所含的可蝕性顆粒少，礫石在坡面受垂直向下的重力作用，徑流的剝蝕、搬運(yùn)能力無法對(duì)礫石造成侵蝕，使得整個(gè)侵蝕過程中侵蝕速率始終維持在較低水平，5種雨強(qiáng)下平均侵蝕速率呈遞增趨勢，變化范圍為1.33～163.01 g/(m2·min)，遞增幅度為2 478.1%～12 161.5%。棄土體平均侵蝕速率隨雨強(qiáng)增大呈遞增趨勢，尤其是在大雨強(qiáng)下遞增尤其顯著，棄土體下墊面組成為土壤顆粒，雨強(qiáng)較小時(shí)侵蝕過程中土壤的抗蝕性能與徑流的剝蝕能力處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，大雨強(qiáng)下，侵蝕過程發(fā)生坡位整體滑塌，形成高含沙水流，使得整體的平均侵蝕速率提高，雨強(qiáng)增大1.5～3.0倍，平均侵蝕速率增幅為33.4%～228.1%。相較于棄土體及沙少石多棄渣體，沙多石少棄渣體平均侵蝕速率隨雨強(qiáng)變化呈現(xiàn)較大差異，在雨強(qiáng)由1.0 mm/min增大至2.5 mm/min時(shí)，平均侵蝕速率呈遞增趨勢，增幅為80.6%～124.7%，隨雨強(qiáng)繼續(xù)增大至3.0 mm/min，平均侵蝕速率又突然降低，與平均流速、徑流率的變化趨勢一致，遞增幅度降為49.3%。造成該現(xiàn)象的原因可能是由于暴雨條件下，坡面迅速形成徑流，帶走表層侵蝕顆粒，同時(shí)雨滴的擊濺作用使得坡面整體下陷，表層出露的礫石阻礙了水流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可能在礫石迎水坡面形成凹坑，使得被侵蝕的顆粒隨徑流運(yùn)動(dòng)發(fā)生沉積，降低了侵蝕量。對(duì)比分析3種棄土棄渣體的平均侵蝕速率，可知除雨強(qiáng)3.0 mm/min外，其余場次均表現(xiàn)為沙少石多棄渣體小于棄土體小于沙多石少棄渣體，一方面主要是由于下墊面可供侵蝕的物質(zhì)量決定，另一方面也受下墊面組成中礫石與土壤顆粒的黏結(jié)性所影響。相同雨強(qiáng)條件下，沙多石少棄渣體的平均侵蝕速率是棄土體的2.0～2.8倍，是沙少石多棄渣體的11.6～358.2倍；雨強(qiáng)增大至3.0 mm/min時(shí)，棄土體的平均侵蝕速率最大，是沙多石少棄渣體的1.1倍，是沙少石多棄渣體的4.7倍。綜合分析5種雨強(qiáng)下的平均侵蝕速率，沙多石少棄渣體分別是棄土體和沙少石多棄渣體的1.8倍和11.2倍。棄土體和沙少石多棄渣體的平均侵蝕速率與雨強(qiáng)間可用線性函數(shù)表示，決定系數(shù)分別為0.864和0.961(P<0.05)。

表2 棄土棄渣體各水力學(xué)參數(shù)值Table 2 Hydraulics parameters of waste soil and residues

3.3 侵蝕產(chǎn)沙與水動(dòng)力學(xué)特性相關(guān)分析

棄土棄渣體由于物質(zhì)組成復(fù)雜，降雨的作用對(duì)象不僅包括坡面土壤，還包括了分布在表層的礫石。從動(dòng)力學(xué)機(jī)制及能量角度來分析棄土棄渣體的侵蝕規(guī)律，能更進(jìn)一步探尋侵蝕機(jī)理。已有的研究表明，目前針對(duì)侵蝕方面的水力學(xué)參數(shù)研究較多的主要包括雷諾數(shù)Re、弗勞德數(shù)Fr、阻力系數(shù)f、水流功率P和水流剪切力τ。計(jì)算得到棄土棄渣體各場次下平均水力學(xué)參數(shù)值，見表2。

參照清水明渠水流標(biāo)準(zhǔn)，隨雨強(qiáng)增大棄土體的Re呈顯著遞增趨勢，棄渣體的Re在部分場次存在突變，但總體呈遞增趨勢，在雨強(qiáng)為1.0 mm/min時(shí)棄土體及沙少石多棄渣體的Re<500，該降雨過程水流主要為層流，其它場次降雨下的Re處于500～2 000之間，水流為過渡流。本試驗(yàn)層流和過渡流所占比例為分別為13.3%和86.7%。同雨強(qiáng)條件下沙多石少棄渣體平均Re最大，分別是棄土體和沙少石多棄渣體的1.38～2.75和1.04～2.68倍。

棄土體的平均Fr隨雨強(qiáng)增大總體呈遞減趨勢，變化幅度較小,為4.0%～11.0%，沙多石少棄渣體和沙少石多棄渣體平均Fr隨雨強(qiáng)增大變化趨勢不顯著，變化幅度分別為11.4%～38.4%和7.8%～52.6%，棄土棄渣體各場次降雨條件下的平均Fr<1，水流呈緩流，沙多石少棄渣體5種雨強(qiáng)下的平均Fr是棄土體的1.1倍，是沙少石多棄渣體的1.4倍。

棄土體、沙多石少棄渣體和沙少石多棄渣體的平均f隨雨強(qiáng)增大，變化趨勢較復(fù)雜，變化幅度分別為0.7%～50.3%,7.1%～82.2%和48.1%～146.2%。沙多石少棄渣體較棄土體減少21.9%，較沙少石多棄渣體減少51.8%。

棄土棄渣體的平均P和平均τ隨雨強(qiáng)變化趨勢相似，均隨雨強(qiáng)增大呈遞增趨勢。雨強(qiáng)由1.0 mm/min增大至3.0 mm/min時(shí)，棄土體平均P和平均τ的遞增幅度分別為12.1%～204.0%,15.7%～154.2%，沙多石少棄渣體和沙少石多棄渣體分別為45.6%～212.5%,41.6%～119.6%和172.1%～721.4%,88.3%～205.4%，棄土體平均P和平均τ在大雨強(qiáng)下的增幅較小雨強(qiáng)顯著。5種雨強(qiáng)下的平均P和平均τ均表現(xiàn)為棄土體小于沙少石多棄渣體小于沙多石少棄渣體，后者分別是前兩者的1.8,1.6,1.4,1.2倍。

進(jìn)一步分析侵蝕特征與水力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性，結(jié)果見表3。

表3 棄土棄渣體侵蝕參數(shù)與水力學(xué)參數(shù)相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between hydraulic parameters and erosion parameters for waste soil and residues

注：*是指0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**是指在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

由表3分析可知，雨強(qiáng)與棄土體及沙少石多棄渣體的徑流產(chǎn)沙相關(guān)性顯著，與沙多石少棄渣體的徑流呈顯著相關(guān)。沙少石多棄渣體的雨強(qiáng)與Re,Fr,f,P,τ均呈顯著相關(guān)性，棄土體雨強(qiáng)與Re,Fr和τ相關(guān)性顯著，沙多石少棄渣體雨強(qiáng)與Re,P和τ相關(guān)性顯著。雨強(qiáng)對(duì)3種棄土棄渣體的平均徑流率、Re,τ均呈顯著相關(guān)性。沙少石多棄渣體平均流速與平均侵蝕速率、平均徑流率及各水力學(xué)參數(shù)均呈顯著相關(guān)關(guān)系。沙多石少棄渣體平均流速僅與平均水流功率顯著相關(guān)，而棄土體平均流速與平均侵蝕速率及平均徑流率相關(guān)性顯著，與水力學(xué)參數(shù)中的Re,P和τ呈顯著相關(guān)性。棄土體及沙少石多棄渣體的平均侵蝕速率與平均徑流率及各水力學(xué)參數(shù)顯著相關(guān)，沙多石少棄渣體平均侵蝕速率與徑流及水力學(xué)相關(guān)性不顯著。沙少石多棄渣體平均徑流率與各水力學(xué)參數(shù)顯著相關(guān)，棄土體與Re,Fr,P和τ呈顯著相關(guān)性，沙多石少棄渣體與Re,P和τ呈顯著相關(guān)性。通過相關(guān)性分析可知，在5種水力學(xué)參數(shù)中，與棄土棄渣體徑流產(chǎn)沙相關(guān)性最密切的是Re,P和τ，其次為Fr，而f與其相關(guān)性較疏遠(yuǎn)。

已有的研究表明，在各項(xiàng)侵蝕動(dòng)力參數(shù)中，P和τ可用于較好地描述侵蝕特性。通過上述分析可知，棄土棄渣體的平均徑流率與平均水流功率P、水流剪應(yīng)力τ可用線性函數(shù)表示，決定系數(shù)均>0.8。棄土體及沙多石少棄渣體的平均侵蝕速率均與平均水流功率P、水流剪應(yīng)力τ呈顯著線性函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)均>0.9，而沙多石少棄渣體可用冪函數(shù)表示，決定系數(shù)在0.45～0.55之間。

4 結(jié) 論

通過野外人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了神府東勝礦區(qū)3種棄土棄渣體侵蝕特征及水力學(xué)參數(shù)特征的差異性，進(jìn)一步探索棄土棄渣體侵蝕內(nèi)在機(jī)理。本試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 隨雨強(qiáng)增大1.5～3.0倍，棄土棄渣體平均徑流率遞增幅度是33.7%～276.2%。沙多石少棄渣體平均徑流率是棄土體和沙少石多棄渣體的1.1倍。

(2) 沙多石少棄渣體的平均流速較棄土體及沙少石多棄渣體大，大雨強(qiáng)下沙少石多棄渣體可能會(huì)發(fā)生壤中流現(xiàn)象，出現(xiàn)瞬時(shí)流速增大。雨強(qiáng)1.0 mm/min增大至3.0 mm/min，平均流速遞增幅度是13.6%～43.3%。隨雨強(qiáng)1.0 mm/min增大至3.0 mm/min，沙少石多棄渣體平均侵蝕速率增幅為2 478.1%～12 161.5%，棄土體增幅為33.4%～228.1%。沙多石少棄渣體的平均侵蝕速率隨雨強(qiáng)1.0 mm/min增大至2.5 mm/min時(shí)，遞增幅度為80.6%～124.7%，雨強(qiáng)繼續(xù)增大至3.0 mm/min，遞增幅度降為49.3%。相同5種雨強(qiáng)條件下，沙多石少棄渣體平均侵蝕速率分別是棄土體和沙少石多棄渣體的1.8倍和11.2倍。

(3) 本試驗(yàn)中棄土棄渣體降雨平均雷諾數(shù)Re以過渡流為主，所占比例為86.7%，平均弗汝德數(shù)Fr<1，呈現(xiàn)為緩流。平均水流功率P和平均水流剪應(yīng)力τ均隨雨強(qiáng)增大而變化,增幅分別是12.1%～721.4%和15.7%～205.4%。與棄土棄渣體徑流產(chǎn)沙相關(guān)性最密切的是Re,P,τ。棄土棄渣體的平均徑流率與平均水流功率P、水流剪應(yīng)力τ可用線性函數(shù)表示，決定系數(shù)均>0.8，棄土體及沙少石多棄渣體平均侵蝕速率與水流功率P、水流剪應(yīng)力τ可用線性函數(shù)描述，決定系數(shù)均>0.9，而沙多石少棄渣體可用冪函數(shù)表示，決定系數(shù)在0.45～0.55之間。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Differences in Erosion and Hydrodynamic Characteristics of Three Kinds of Residues in Mining Area

LI Jian-ming1，SUN Bei1，WANG Yi-feng1，WANG Wen-long2,3,4，ZHANG Chang-wei1，GUO Ming-ming2,3

(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China; 2.Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A & F University,Yangling 712100,China; 3.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming Agriculture on the Loess Plateau,Northwest A&F University,Yangling 712100,China; 4.Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,Yangling 712100,China)

Affected by man-made factors,ground surface in coal mine area is disturbed in a wide range,with complex waste soils and residues accumulating into steep slopes,resulting in heavy soil and water loss under rainfall action.On the basis of field investigations,runoff plot and outdoor artificial rainfall field were selected and constructed to study the differences of erosion and hydrodynamic characteristics among three underlying surfaces,namely,waste soil,coal mine residue with more sand and less stone,and residue with less sand and more stone.Results showed that 1) the average runoff rate of residues increased in a range from 33.7% to 276.2% with rainfall intensity increasing by 1.5 times to 3.0 times; the average runoff velocity of waste soil and residues increased by 13.6%-43.3% as rainfall intensified,and the average runoff velocity of residue with more sand and less stone was larger than the other two; under the same rainfall intensity,the average erosion rate of residue with more sand and less stone was 1.8 times and 11.2 times that of the waste soil and the residue with less sand and more stone,respectively; 3) the average Reynolds number revealed waste soil and residue as transition flow in slow motion; 4) the relations between average runoff rate and average stream power and average shear stress,respectively,can be expressed by linear function,with the coefficient of determination greater than 0.8; the relations between erosion rate and average stream power and average shear stress of waste soil and residue with less sand and more stone can be expressed by linear function,with the coefficient of determination greater than 0.9; while a power function for residue with more sand and less stone with the coefficient of determination about 0.5.

waste soil and residues; runoff and sediment yield; hydrodynamic parameter; disturbance; simulated field rainfall experiment; Shenfu-Dongsheng coalmine field

S157.1

A

1001-5485(2017)10-0024-07

2016-06-17;

2016-07-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40771127,51309154,41301298)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201201048,201201047)；中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目(KZZD-EW-04-03)

李建明(1989-)，男，福建三明人，助理工程師，主要從事土壤侵蝕研究，(電話)027-82829895(電子信箱)hahalijianming@126.com。

王文龍(1964-)，男，陜西大荔人，研究員，主要研究方向?yàn)橥寥狼治g與水土保持,(電話)029-87016156(電子信箱)wlwang@nwsuaf.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160667 2017,34(10):24-30