崔利強，袁立敏，趙名彥，叢文成

(1.河北天和咨詢有限公司，050021，石家莊；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)沙地(沙漠)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)工程重點實驗室，010010，呼和浩特；3.內(nèi)蒙古多倫渾善達克沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，027300，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟；4.河北省水利科學(xué)研究院，050020，石家莊 ；5.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，010011，呼和浩特；6.沙地生物資源保護與培育國家林業(yè)局重點實驗室，010010，呼和浩特)

排土場是露天礦在開采過程中產(chǎn)生的臺階式巖土松散堆積體，是一項永久性工程建筑，具有坡度大、規(guī)模大、占地面積大及土壤結(jié)構(gòu)疏松、混雜渣土碎石等特點。排土場一般距離礦區(qū)較近，具有占地面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、土層瘠薄等特點，是開采區(qū)生態(tài)系統(tǒng)主要的受損和重建區(qū)域[1]。并且排土場壓占、滑坡、崩塌、土壤污染等問題已經(jīng)嚴重影響排土區(qū)周邊農(nóng)牧民正常生活，同時也影響了礦山生產(chǎn)[2]。排土場作為露天礦開采重要的組成部分，其治理應(yīng)該受到重視。在治理過程中，排土場水土保持工程措施是礦區(qū)植被重建的重要前提保障。排土場存在平臺與邊坡2種部位，平臺的治理難度相對較小，多采用富營養(yǎng)土，直接結(jié)合植被恢復(fù)措施即可達到顯著效果，且有關(guān)于植被恢復(fù)與重建方面的研究也比較深入。針對于排土場邊坡的生態(tài)修復(fù)相對較少，特別是關(guān)于排土場邊坡的水土流失防治研究更為欠缺，影響了我國礦區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系建設(shè)及綠色礦山目標實現(xiàn)進程。國外對排土場的治理研究多集中在控制坡面地表侵蝕的覆蓋材料及植被控制侵蝕等措施[3]，我國的排土場邊坡治理采用的水土保持工程措施主要有護坡[4]、反坡土埂[5]及植物措施[6]。針對排土場邊坡坡度較大，工程材料運輸困難、施工不便等問題，一些新型的輕便材料得到了廣泛應(yīng)用，如聚乳酸纖維護坡[7]、生物笆[8]等，極大地降低了材料運輸及施工成本，同時取得了較好的生態(tài)效益。但聚乳酸纖維材料成本較高、施工效率較低，黃柳(Salixgordejevii)等灌木在礦區(qū)附極少分布，其灌木枝條難以獲取等問題依然阻礙相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。所以，護坡材料易獲取、成本低、施工簡易等成為礦區(qū)修復(fù)過程首要解決的問題。

針對目前排土場邊坡治理材料的局限，本研究采用易獲取、成本低的黃麻(Corchoruscapsularis)纖維材料，設(shè)計了一種排土場邊坡防護結(jié)構(gòu)[9]。黃麻纖維護坡是利用黃麻纖維材料覆蓋于反坡土埂之上，用于保護進攔截坡面徑流，并保護土埂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止徑流沖垮土埂使整個護坡系統(tǒng)失去防護功能，極大提高了護坡的作用效果，延長了作用時間。本研究充分考慮徑流沿坡面向下的運移，設(shè)計與徑流運動方向垂直的條帶配置模式，將黃麻纖維護坡沿著邊坡等高線進行不同間距設(shè)置，開展坡面土壤侵蝕深度、侵蝕溝等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對比試驗研究，擬篩選出成本較低而水土保持效果最佳的護坡規(guī)格，為排土場邊坡水蝕治理技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古通遼市霍林郭勒盟境內(nèi)，該區(qū)地處科爾沁草原深處，地勢從南向北逐漸升高，地形略有起伏狀。該區(qū)為溫帶大陸性氣候，年均溫為0 ℃，月均溫為-20.7 ℃，極端最低氣溫可達-37 ℃。年均降水量為363 mm，多集中在5—9月(圖1)，占全年降水量的66%以上。積雪期較長，平均可達133 d。常年大風(fēng)，年平均風(fēng)速4.6 m/s。生長季較短，凍土?xí)r間可達288 d，平均無霜期70 d。植物區(qū)系屬于歐亞草原亞區(qū)，蒙古草原地區(qū)及東部蒙古亞地區(qū)范圍，地帶性植被以菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)和薔薇科(Rosaceae)為主[10]，大籽蒿(Artemisiasieversiana)、米蒿(Artemisiadalai-lamae)、線葉菊(Filifoliumsibiricum)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、野古草(Arundinellapubescens)、興安胡枝子(Lespedezadavurica)、羊草(Leymuschinensis)等，礦區(qū)人工植物主要以沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸錦雞兒條(Caraganakorshinskii)和山杏(Prunussibirica)為主。

數(shù)據(jù)來源MERRA-2大氣再分析資料。Data source MERRA-2 atmospheric reanalysis data.圖1 研究區(qū)溫度濕度情況Fig.1 Temperature and humidity in the study area

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司的南排土場區(qū)，選擇堆置3年的排土場進行治理。地理坐標為E 119°31′0.59″、N 45° 32′13.67″，選擇排土場邊坡進行實驗，總面積約6.67 hm2，試驗邊坡朝向西，屬于半陰坡，長度550 m，寬度60 m，坡度37°。試驗于水土流失最為嚴重的6、7、8月進行，此期間降雨較多，坡面徑流極易形成。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

在排土場邊坡沿著等高線設(shè)置護坡，采用黃麻纖維制成的麻袋與麻袋片2種類型進行護坡。排土場護坡由坡面上部至下部依次設(shè)置。首先，在坡面上部沿著坡面等高線開挖深度約40 cm，寬度為40 cm的槽，將挖出的土方全部堆積在槽下方，形成高約25 cm的土埂，此時，將麻袋片(寬1 m、長25 m/卷)沿著土埂鋪設(shè)，使槽內(nèi)全部鋪滿麻袋片，其余寬度麻袋片鋪置于土埂下面延至坡面，槽內(nèi)麻袋片覆土厚度約3～5 cm，主要是防止麻袋片移動，將整卷麻袋片沿著開溝土埂向前鋪設(shè)，直至鋪完為止，中間接壤處，麻袋片重合傾軋50 cm長度即可。麻袋護坡設(shè)計開溝并堆置土埂與麻袋片護坡相同，只是用來堆置土埂的土方全部灌裝于麻袋內(nèi)，并將灌裝完畢的麻袋封口后依次擺放在土埂位置，確保裝土的麻袋之間接觸實，無縫隙(圖2)。

由坡面的上部開始設(shè)置，沿坡面等高線完成一條麻袋片護坡，向下方移至4 m，設(shè)置第2條護坡，依次沿等高線設(shè)置，逐步下移，直至坡面底部邊緣，完成4 m規(guī)格的麻袋片護坡設(shè)置。依此步驟將剩余坡面依次鋪設(shè)8和10 m規(guī)格的麻袋片護坡，布局設(shè)計(圖3)。其中，4 m麻袋護坡0.53 hm2，4、8和10 m麻袋片護坡分別建設(shè)約0.93 hm2。

Sack and sackcloth are made of jute fiber.The same below.圖2 黃麻纖維護坡組成結(jié)構(gòu)及截流槽尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of composition structure of jute fiber slope protection and intercepting groove size

圖3 不同規(guī)格護坡布局設(shè)計示意圖Fig.3 Schematic diagram of slope protection layout design with different specifications

2.2 試驗方法

護坡設(shè)置完畢后，在4 m麻袋、4 m麻袋片、8 m麻袋片和10 m麻袋片護坡設(shè)置區(qū)，按照設(shè)置區(qū)寬度平均，分為上部、中部、下部，在各部位分別設(shè)置木樁，具體設(shè)置方法如下：

在各部位坡面內(nèi)侵蝕溝內(nèi)、侵蝕溝外部坡面上分別設(shè)置木樁，木樁總長度50 cm，預(yù)留地面高度20 cm，在不同部位侵蝕溝內(nèi)、侵蝕溝外坡面上分別設(shè)置5個重復(fù)木樁。另外，在截留槽內(nèi)中心處設(shè)置木樁，預(yù)留高度30 cm，每個部位設(shè)置5個重復(fù)木樁。在未設(shè)置護坡的坡面的上部、中部、下部的侵蝕溝等位置采用相同的方式進行木樁設(shè)置，此坡面稱為對照。

分別于護坡設(shè)置后3個月(2018年9月底)、第2年9月、第3年9月對木樁高度進行測試，木樁高度與初始高度20 cm的差值即為土壤侵蝕深度，為正值時，說明土壤在此階段處于水蝕狀態(tài)，負值則為堆積狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

IBM SPSS Statistics 25軟件進行方差分析等統(tǒng)計分析，Graphpadprism8和Excel 2007進行繪圖與數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 邊坡不同坡位土壤侵蝕深度差異

黃麻纖維護坡設(shè)置當年對排土場邊坡土壤侵蝕能夠產(chǎn)生顯著的抑制作用，黃麻纖維護坡防護區(qū)侵蝕溝及坡面土壤侵蝕深度均顯著低于對照(圖4)，分別比對照的小42.08%和30.71%，對侵蝕溝的土壤侵蝕抑制作用效果更佳。無論是防護區(qū)還是對照區(qū)，從邊坡坡面上部至下部的土壤侵蝕深度均呈現(xiàn)出線性遞增的變化趨勢，黃麻纖維護坡防護區(qū)侵蝕溝及坡面的土壤侵蝕深度分別增加212.54%和46.25%，而對照的下部比下部分別增加163.08%和85.71%。

圖4 侵蝕溝內(nèi)與坡面土壤侵蝕深度變化Fig.4 Changes of soil erosion depth in gullies and slope

圖5為護坡防護邊坡上部、中部、下部3個部位截流槽內(nèi)土壤淤積深度的對比分析。在坡面不同部位的護坡截留槽內(nèi)均發(fā)生不同程度的土壤淤積現(xiàn)象，整體規(guī)律為沿著坡面自上而下截留槽內(nèi)土壤淤積深度逐漸增，呈現(xiàn)線性遞增的趨勢(R2=0.988)。

圖5 坡面截流槽土壤淤積深度變化Fig.5 Change of soil siltation depth in slope intercepting groove

另外，不同規(guī)格護坡對不同部位截流槽內(nèi)土壤淤積深度影響程度存在一定的差異性，除坡面下部差異不明顯外，在不同部位均是護坡規(guī)格越大截流槽內(nèi)土壤淤積深度越深。計算整個坡面截流槽內(nèi)平均土壤淤積深度，8和10 m護坡規(guī)格分別是4 m護坡規(guī)格的1.77倍和2.23倍，整體上呈現(xiàn)4 m麻袋片護坡<8 m麻袋片護坡<10 m麻袋片護坡。

3.2 不同護坡措施土壤侵蝕深度差異

從圖6可以看出，侵蝕溝內(nèi)土壤侵蝕深度顯著高于坡面，且相同規(guī)格(帶寬4 m)的麻袋和麻袋片護坡侵蝕溝內(nèi)土壤侵蝕深度存在顯著差異(P<0.05)，麻袋護坡防護侵蝕溝內(nèi)土壤侵蝕深度比麻袋片護坡高72.88%，較對照減小16.39%和51.64%；麻袋和麻袋片護坡坡面土壤侵蝕深度差異不顯著(P>0.05)，麻袋片防護邊坡坡面土壤侵蝕深度顯著低于對照(P<0.05)，麻袋與麻袋片防護邊坡分別比對照低48.30%和38.10%。麻袋和麻袋片護坡截流槽內(nèi)土壤淤積深度無顯著差異，分別為5.63和5.60 cm。2種護坡措施均較大程度的提高對過境徑流的阻力，進而減緩了徑流強度。

圖6 不同防護邊坡土壤侵蝕深度差異Fig.6 Difference in soil erosion depths on differentslope protections

4、8和10 m規(guī)格麻袋片護坡對坡面、侵蝕溝內(nèi)土壤侵蝕均有顯著的抑制效果，并且對侵蝕溝的土壤侵蝕深度降低效果更優(yōu)。3種規(guī)格麻袋片護坡防護侵蝕溝內(nèi)土壤侵蝕深度無顯著差異，但較對照均顯著降低51.64% 、51.91% 和 48.36%；3種規(guī)格麻袋片護坡防護坡面土壤侵蝕深度分別比對照降低38.10% 、43.54% 和16.33%，4和8 m規(guī)格麻袋片土壤侵蝕深度與對照存在顯著差異。防護邊坡依然存在一定程度的水土流失，導(dǎo)致在3種規(guī)格護坡截流槽內(nèi)存在泥沙堆積，且隨著護坡規(guī)格的增大，截流槽土壤淤積深度增加，10 m規(guī)格麻袋片護坡截流槽平均淤積深度為12.50 cm，僅為最大淤積深度的50%，4、8 m規(guī)格麻袋片護坡截流槽內(nèi)土壤淤積深度分別比10 m規(guī)格低52.20%和20.53%，說明各規(guī)格麻袋片護坡截流槽依然具有一定的蓄積泥沙能力。

3.3 護坡設(shè)置區(qū)土壤侵蝕深度年際差異

+與8 m護坡規(guī)格相比差異顯著(P<0.05)；+ Difference significant (P<0.05)compared with 8 m protected slope.*與10 m護坡規(guī)格相比差異顯著(P<0.05)；* Difference significant (P<0.05)compared with 10 m protected slope.#與對照相比差異顯著(P<0.05)。# Difference significant (P<0.05)compared with control.NS=Not significant.圖7 不同規(guī)格麻袋片護坡防護土壤侵蝕深度年際差異Fig.7 Inter-annual differences in the depth of soil erosion for slope protection with different specifications of sackcloth

2018年9月(設(shè)置當年)、2020年7月護坡防護區(qū)和對照區(qū)內(nèi)各年度坡面中部侵蝕溝內(nèi)外土壤侵蝕情況(圖7)。防護邊坡與對照在監(jiān)測期內(nèi)侵蝕溝內(nèi)、坡面均發(fā)生土壤侵蝕，護坡防護的第3年邊坡侵蝕溝內(nèi)土壤侵蝕深度比設(shè)置初期平均增加37.45%，坡面土壤侵蝕深度平均增加56.90%；而在此期間，無防護坡面(對照)侵蝕溝內(nèi)土壤侵蝕深度比設(shè)置初期增加74.86%，坡面土壤侵蝕深度增加95.92%。護坡設(shè)置后，防護邊坡依然發(fā)生坡面和溝道侵蝕，但是土壤侵蝕程度遠遠低于對照區(qū)，侵蝕溝深度僅增加2.26 cm，坡面僅被侵蝕1.88 cm，而對照的侵蝕溝平均深度增加9.13 cm，是護坡防護邊坡的4.04倍，坡面被侵蝕土壤厚度達到4.70 cm，是護坡防護邊坡的2.5倍。

護坡設(shè)置的2～3年內(nèi)，4和8 m規(guī)格麻袋片護坡土壤侵蝕程度無顯著差異，10 m規(guī)格麻袋片護坡防護區(qū)依然發(fā)生顯著的土壤侵蝕現(xiàn)象，至第3年10 m規(guī)格麻袋片護坡防護區(qū)侵蝕溝和坡面土壤侵蝕深度分別比對照降低53.13%和34.03%。護坡防護第3年，3種規(guī)格麻袋片護坡截流槽內(nèi)土壤淤積深度均有不同程度增加，但是4 m護坡截流槽土壤淤積深度增加程度不顯著，4 m規(guī)格麻袋片護坡截流槽淤積到初始的27.98%，截流槽初始設(shè)置最大土壤淤積深度約為25 cm，8和10 m規(guī)格麻袋片截流槽內(nèi)淤積深度增加程度較大，與防護第1年相比，分別顯著增加84.59%和96.00% (P<0.05)。

4 討論

露天開采形成的排土場邊坡治理是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的難點，對坡面巖土侵蝕的防治策略，首先應(yīng)該關(guān)注徑流的調(diào)控與治理[6]，盡管排土場表層能夠覆蓋大量的營養(yǎng)土，無任何防護措施條件下，在短期內(nèi)即可形成大量的侵蝕溝，并快速發(fā)展形成較大規(guī)模的侵蝕溝，甚至是沖溝(圖8)，極不利于植物的生長。研究[11]認為，植物是有效控制坡面水土流失治理不可替代措施。長期的觀測發(fā)現(xiàn)，若缺少水土流失治理措施，加之不合理的植被配置，盡管有一定的植被保護，但是邊坡水土流失形勢依然不容樂觀[12](圖9)。

圖8 堆置當年的排土場邊坡水蝕情況Fig.8 Water erosion of dump slope in the year of stacking

圖9 植被防護措施下排土場邊坡侵蝕特征Fig.9 Erosion characteristics of dump slope under vegetation protection measures

針對排土場邊坡水土流失治理存在3種思路：1)通過設(shè)置攔截水流的結(jié)構(gòu)，減小過境徑流流速或流量的方式削弱邊坡水流的沖刷能力。內(nèi)蒙古永利煤礦排土場邊坡設(shè)置呈菱形排列的沙柳(Salixpsammophila)方格[13]，沙柳枝條形成的防護，能夠有效削減徑流速度，當年初步治理效益極為顯著，坡面的細溝侵蝕量減小35.09%，但是枝條間存在孔隙，不能有效阻截泥沙。而黃麻纖維護坡起伏地形，減弱坡面徑流的同時，還存在截流槽結(jié)構(gòu)，能夠儲存徑流攜帶的泥沙。在伊敏煤礦排土場邊坡鋪設(shè)PLA(polylactic acid)纖維織物袋[9]，形成不同規(guī)格的方格配置，有效控制了坡面水土流失。PLA纖維織物袋就地灌裝了渣土等，形成了無孔隙障體，與黃麻纖維袋護坡的作用功能相似。由于PLA纖維織物袋規(guī)格太小，導(dǎo)致灌裝完成的纖維袋質(zhì)量太輕，難以承受徑流沖刷帶來的推力，在坡度較大的坡面發(fā)生位移，PLA纖維織物袋形成的防護結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致防護功能大大降低。黃麻纖維護坡完全避開了位移形變等問題，黃麻纖維能夠牢牢的固定在土埂上，保證了護坡防護體系的長期穩(wěn)定。2)排土場坡面修筑完善的排水系統(tǒng)，將整個坡面分區(qū)劃片，筑建排水渠以引導(dǎo)徑流流向，迅速且集中的瀉掉大量地表徑流，新疆瑪納斯河流域的排土場下部設(shè)置引水渠，將雨季坡面匯集的積水導(dǎo)入石砌水池和小侵蝕溝內(nèi)，排土場右側(cè)將水流匯入截洪溝內(nèi)統(tǒng)一排泄[14]，通過集流匯水，統(tǒng)一排放的方式使得侵蝕率明顯下降。但此類措施工程量大，筑建排水系統(tǒng)會對地表產(chǎn)生劇烈擾動，引發(fā)新的水土流失。黃麻纖維護坡利用輕便的黃麻纖維材料，利用坡面的渣土構(gòu)筑截流結(jié)構(gòu)，直接在坡面施工，且操作方法也較為簡易，解決了排土場治理過程中治理材料運輸困難等問題。3)在邊坡上建立植被[15]，形成喬、灌、草結(jié)合的生物防護帶。植物能夠有效削弱雨滴擊濺侵蝕，根系能夠固土，增加了坡面的抗沖性，有效的控制坡面細小溝蝕發(fā)育，削弱面蝕與重力侵蝕的搬運。但是僅通過植物措施進行治理難度較大，通常會與工程措施并舉進行。礦區(qū)煤區(qū)排土場的土壤養(yǎng)分貧瘠，土質(zhì)疏松，降雨沖刷匯集極易發(fā)生水土流失，嚴重阻礙植物定居，依靠生態(tài)系統(tǒng)的自然修復(fù)控制邊坡水蝕難以實現(xiàn)。汝箕溝露天煤礦排土場邊坡造林時輔以削坡放坡[11,16]，邊坡坡度削緩，有利于減弱坡面水土流失，為植被存活生長提供了穩(wěn)定的土壤條件，也存在通過覆蓋秸稈[17]、土壤肥料[18]、混合的客土[19]等工程措施，雖然取得了不錯的生態(tài)修復(fù)效果[20]，但具有成本高、工程量大、見效周期長等劣勢，實際生產(chǎn)中很難推廣實施。

黃麻纖維護坡能夠有效控制坡面水土流失，保證了天然植被的快速恢復(fù)。排土場坡面覆土堆置3年后，有稀疏植物生長存在，但是同時侵蝕溝發(fā)育明顯(圖10a)，經(jīng)過治理后，第3年植物種類和數(shù)量明顯增加(圖10b)，侵蝕溝內(nèi)也生長有大量植物，說明說明侵蝕得到了有效控制。在黃麻纖維護坡的截流槽內(nèi)，淤積了大量的泥沙，同時也存儲了較多植物種子。截流的泥沙為植物的生長提供了優(yōu)越條件，植物長勢更強(圖10c)。在第3年，黃麻纖維材料出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象，此時已經(jīng)形成了較好的植物防護體系。黃麻纖維護坡是通過設(shè)置坡面截流槽、土埂形成水蝕防護體系，并利用常見的、價格低廉的、環(huán)保的黃麻纖維材料對土埂等結(jié)構(gòu)進行保護，極大的提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與持久性。而麻袋片與麻袋護坡相比，麻袋片護坡更具有優(yōu)越性，其省略了灌裝袋體步驟，施工方法更為簡易。相同規(guī)格的麻袋片與麻袋護坡，二者材料用量相同，但是麻袋片的絕大部分全部覆蓋于坡面上，防護地表的面積更大，而麻袋的下部材料壓在袋體下方，并且易腐爛，實際作用效果較弱。并且麻袋護坡相鄰兩袋之間擺放易出現(xiàn)縫隙，地表徑流會從縫隙流出，會大大降低徑流的阻截能力。

圖10 坡面治理初期及后期植被恢復(fù)情況Fig.10 Vegetation restoration in the early and late stage of slope treatment

5 結(jié)論

1)黃麻纖維護坡能夠有效控制坡面水土流失，護坡設(shè)置區(qū)的侵蝕深度小于對照，有效降低溝蝕強度。

2)4、8和10 m規(guī)格麻袋片護坡均有顯著的作用效果，但是隨著設(shè)置間距的增大防護效果降低。4、8和10 m麻袋片護坡侵蝕溝內(nèi)土壤侵蝕深度與對照相比，分別降低51.64%、51.91%和48.36%，坡面土壤侵蝕深度分別減小38.10%、43.54%和16.33%，但是4、8 m規(guī)格麻袋片護坡截流槽內(nèi)土壤淤積深度分別比10 m規(guī)格低52.20%和20.53%，至護坡防護的第3年，10 m規(guī)格護坡截流槽內(nèi)土壤已淤滿。

3)同規(guī)格的麻袋片護坡效果優(yōu)于麻袋護坡，4 m麻袋護坡設(shè)置區(qū)侵蝕溝內(nèi)土壤侵蝕深度比4 m麻袋片護坡大72.88%。

4)麻袋片護坡施工更為簡易，防護效果優(yōu)于麻袋護坡，若考慮實際施工情況與護坡效果，在排土場等坡面治理過程中，建議采用4～8 m規(guī)格麻袋片護坡。