開發建設中擾動地面新增水土流失研究

羅 婷，王文龍，2，李宏偉，白 蕓

（1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

新增水土流失量是指建設項目在基建過程中由于破壞原地貌、水保設施和生產運行期生產性棄渣造成的水土流失量的增加值［1］。煤田等開發建設項目在開發建設過程中勢必破壞地表原有植被和原有土壤結構，改變地形、地貌，形成了大量的人為擾動地面。人為擾動地面幾乎沒有植被覆蓋，在侵蝕外營力作用下極易發生水土流失。神府東勝礦區人為擾動地面新增水土流失對該區環境的壓力越來越大，已成為該區最大的環境問題。因此，闡明新增水土流失發生發展規律，及時準確預測新增水土流失量及其發生部位，并提出防治對策，對防止礦區人為新增水土流失具有重要的意義［2－4］。

擾動地面是指因人類活動（如礦產開發、修筑公路鐵路、建筑取土、采石等）破壞原有土壤結構和植被而造成的一種易侵蝕的新侵蝕界面。它是煤田等開發建設項目新增水土流失來源的主要下墊面之一，抓住了這類下墊面上的新增水土流失量就抓住了人為水土流失的一個主要部分。因為任何開發建設項目產生水土流失的主要方式都不外乎棄土棄渣和人為擾動地面這兩類下墊面［5］。因此，研究神府東勝礦區人為擾動地面新增水土流失量對該區邊開采邊治理水土流失提供了重要的科學依據，也供其他開發建設項目借鑒。

目前，雖然對煤礦開采造成的水土流失有了不少的研究，但多集于在野外調查和室內模擬降雨試驗，且多集中于棄土棄渣體水土流失的研究，野外放水沖刷試驗和對擾動地面水土流失的研究比較少。因此，本文采用野外放水沖刷試驗的研究方法，對神府東勝煤田開發建設中產生的擾動地面產流及侵蝕產沙規律進行了研究，并分析計算了新增水土流失量，以期闡明該礦區人為新增水土流失的基本規律，為新增水土流失預測和防治提供科學依據。

1 試驗區概況與試驗布設

1.1 試驗區概況

神府東勝煤田屬國家特大型煤炭生產基地，地處陜西省神木縣北部、府谷縣西部，內蒙古自治區鄂爾多斯市的伊金霍洛旗及東勝區南部和準格爾旗的西南部［6］。煤田面積達3.12萬km2，探明儲量2 236億t，遠景儲量高達10 000億t，占全國探明儲量的1／4［7］。礦區屬于干旱半干旱大陸性季風氣候，平均海拔1 329.8m，春季冷暖交替，風沙侵襲頻繁；夏季炎熱而短促，多暴雨且相當集中；冬季漫長嚴寒，干燥少雪多風［8］。區內沙漠化土地面積占57%，沙漠化土地年自然增長率0.5%。由于地表物質組成疏松、植被稀少、氣候干旱、多風沙、加之地處暴雨中心，洪水大，含沙量高，自然災害頻繁，水土流失十分嚴重。礦區水蝕、風蝕范圍廣、強度大，風蝕面積占礦區面積的92%，水蝕面積占77%。水蝕、風蝕在時間、空間上交替進行，構成了水蝕、風蝕交加的復合侵蝕區［9］。正是煤田地理位置的特殊性決定了該區地域上的過渡性、環境上的脆弱性、敏感性和嚴酷性以及水土流失的嚴重性［10］。

1.2 試驗布設與方法

試驗區位于神木縣西溝鄉六道溝村的一片撂荒地上。本試驗選取原始坡面、擾動坡面兩種類型下墊面進行放水沖刷試驗研究。原始地面是指沒有耕種農作的、廢棄的、沒有人工擾動的撂荒地；由于各類開發建設項目在開發建設過程中對地表擾動的強度不一，很難模擬真實的擾動情形，本文擾動地面模擬試驗是指用鐵鍬將原地面翻動20cm的土層，然后用鐵耙將其平整模擬形成的。其土壤容重在1.14～1.24 g／cm3之間。試驗小區為1m×10m，四周用1mm厚的鋼板插入地下0.15m圍住，地上露出0.1m使小區邊界條件控制一致，鋼板與小區四周之間的縫隙用濕黏土填塞，以防止小區內外的水分交換和小區內的徑流沿鋼板邊緣下滲。小區上方放置一個與小區寬度相等、緊貼地面、緊靠小區頂端并嵌入地下的溢流箱，保證在試驗小區上部水流是均勻的，并以薄層水流的形式向下流動。小區下方放置集流槽，在出口處用集流桶收集徑流泥沙樣，以計算路面徑流泥沙過程。在小區頂端8～15m處放置體積為2m3的水箱，水泵給水箱不斷地供水，然后由汽油泵抽出給試驗小區供水（圖1）。在出水管處上端安裝兩個閘閥控制流量，流量分別率定2次，前后兩次誤差不超過5%。沿著小區縱向從上到下劃分3個斷面，每個斷面長1m，分別在2～3，5～6，8～9m處設置斷面，以測定流速、流寬及流深。試驗開始前，測定土壤容重、土壤含水量等，開始后，將溫度計放入溢流箱內，并記錄產流時間。產流5min內每1min取1次徑流泥沙樣，5min后每3min取1次。試驗時間為45 min，其中不包括產流時間。放水沖刷結束后，測量細溝的上寬、下寬和溝深。坡面流速采用高錳酸鉀示蹤法，用薄鋼尺量測各個斷面的徑流寬度，測量水深時用薄鋼尺在各斷面取三點量測取三者平均值為流深。放水流量按照神府東勝地區暴雨發生頻率在試驗小區上產生的單寬流量得到，采用5個放水流量：5，10，15，20，25L／min，3個坡度：5°，10°，18°。試驗結束后，用量筒測定各個徑流樣體積，用烘干法測定泥沙量。

圖1 野外放水沖刷試驗示意圖

2 結果與分析

由于不同放水流量、不同坡度條件下，土壤入滲率、徑流量以及侵蝕產沙隨時間的變化規律相似，所以本文僅選取以10°坡面、15L／min放水流量為例，以相同坡度、相同放水流量的原始地面為對照進行分析。

根據試驗實測資料，將兩種不同類型下墊面的平均入滲率、平均徑流量、平均含沙量、平均產沙量的計算結果列入表1。

表1 兩種不同類型下墊面產流、產沙的平均值

2.1 擾動地面新增水土流失機理

在開發建設過程中，由于生產環節或不合理的人類活動擾動地表，從而改變了原地表形態、物質組成，產生了新的侵蝕界面，其抵抗侵蝕的能力與原生地面相比大為降低。這種新的侵蝕界面相對原生地面土壤結構和物理性質均發生變化，必然導致降雨入滲和降雨徑流規律的變化，進而引起侵蝕產沙的變化，而擾動下墊面上的土壤侵蝕要比原生地面劇烈的多，即擾動下墊面比原地面的水土流失增加了［5，11］。下面以原始地面作為對比參考基準，主要從兩種不同類型下墊面的土壤入滲率、徑流量隨時間變化規律來分析擾動地面新增水土流失機理。

2.1.1 擾動地面土壤入滲率隨時間的變化規律 入滲是指水分通過土壤表面垂直向下進入土壤和地下的運動過程［12］。一般來說，土壤入滲過程不參與坡面流的流動，它主要影響了產流過程和產流量。下墊面不同，土壤水分入滲過程也不相同。土壤入滲率用公式（1）來進行計算［13］。

式中：K——土壤入滲率（mm／min）；r——降雨強度（mm／min）；θ——坡度（°）；k——將產流量換算成水的體積的轉換系數，取k＝0.1cm3／g；F——時間間隔t內的產流量（g）；A——土槽截面積（cm2）；t——時間間隔（min）。

從圖2中知，在相同放水流量、相同坡度的兩種下墊面條件下，達到穩滲所需的時間基本相同（大約15min后），但兩種不同類型下墊面對土壤入滲率均有顯著影響，并具有一定的差異性。在放水沖刷初期，即大約6min內，擾動地面的土壤入滲率明顯大于原始地面，且急劇減?。粡?min開始，擾動地面的土壤入滲率小于原始坡面。圖2中曲線的共同特點是：初滲率大，并隨著時間的推移兩種類型下墊面的土壤入滲率均呈先減小后平穩的趨勢。這是因為：（1）放水沖刷前，兩種下墊面的初始土壤含水率基本控制在同一水平且很低，故放水沖刷初期，兩種下墊面的土壤吸水力均很大，此時的入滲率也大。（2）原始地面未經人為擾動，土壤結構緊密，地表存在生物結皮，水分不易下滲，故土壤入滲率?。粩_動地面經過人為的翻動，土壤的結構被破壞，表面密實度減小，表面土壤顆粒間的孔隙增大，同時也消除了地表生物結皮對水分入滲的影響，故在放水沖刷初期土壤入滲率很大，并且在短時間內急劇減小。隨著沖刷時間的延長，土壤開始逐漸變得濕潤，土壤吸力下降，土壤中的孔隙逐漸被水分填滿，入滲率也隨之減??；達到穩定入滲階段后，穩滲率大小排序為：原始地面＞擾動地面。

圖2 兩種下墊面土壤入滲率隨時間變化對比

從表1可以看出，在相同放水流量、相同坡度下，原始地面的平均土壤入滲率為0.388mm／min，而擾動地面的土壤平均入滲率為0.273mm／min，原始地面的土壤平均入滲率較擾動地面增加了30%，可見，在整個沖刷過程中，原始地面水分入滲多，產生的徑流量小，侵蝕力弱。

2.1.2 擾動地面徑流量隨時間的變化 徑流是坡面侵蝕產生的主要營動力，又是土壤輸移的載體。分析兩種不同類型下墊面放水沖刷試驗的資料，得到放水沖刷過程中兩種不同類型下墊面徑流量隨時間的變化規律。由圖3知，在相同放水流量、相同坡度條件下，兩種不同類型下墊面的徑流量隨時間的增加而增加。大約在開始沖刷的前6min內，兩種不同類型下墊面的徑流量很小，且原始地面＞擾動地面，6min后，徑流量迅速增大，原始地面＜擾動地面，大約10 min后基本趨于穩定。其原因在于：在放水沖刷初期，土壤入滲率比較大，故徑流量小。又由于在沖刷初期，擾動地面的土壤入滲率比原始地面的大，所以擾動地面的徑流量比原始地面的小。當土壤入滲減緩時，徑流量迅速增大，達到穩滲階段后，徑流量也基本圍繞一個常數上下波動。與擾動地面不同的是原始地面因地表覆蓋（苔蘚、雜草等）和蟲洞、根孔等的存在而具有較大的入滲能力，故產流量小。同時，從圖3還可以看出，在相同放水流量、相同坡度下，兩種下墊面的累積徑流量也隨時間的增加而增加，且擾動地面＞原始地面。

圖3 兩種下墊面徑流量隨時間變化規律對比

由表1可知，在放水流量和坡度均相同的條件下，擾動地面的平均徑流量較原始地面增加14%，可見，經人為擾動的地面更容易發生水土流失。

2.2 擾動地面新增水土流失量研究

2.2.1 擾動地面侵蝕產沙隨時間的變化規律 根據試驗實測資料，將相同放水流量和坡度下，兩種不同類型下墊面的含沙量與時間的關系點繪于圖4。從圖中可以看出，原始地面的徑流含沙量很低，且隨時間的推移維持在一個常數水平；擾動地面的徑流含沙量遠遠大于原始地面的徑流含沙量，并隨著時間的推移迅速降低，然后維持在一個較低水平。擾動地面的徑流含沙量變化可以分為三個階段：0—15min是含沙量高度變化期、15—30min是含沙量微弱變化期、30—45 min是含沙量穩定期。原始地面的徑流含沙量在放水沖刷過程中沒有顯著變化，而擾動地面的徑流含沙量則由高明顯降低，這說明了在放水沖刷初期，土壤侵蝕劇烈，相比之下在放水沖刷后期土壤侵蝕量較小。這與沖刷過程中兩種不同類型下墊面的土壤入滲率和坡面徑流的變化有關。從以上的分析可知，在開始沖刷的最初6min內，擾動地面的土壤入滲率最大，徑流量最小，這導致大部分水流通過入滲進入土壤，土壤水分很快接近飽和，隨著沖刷的持續，土壤入滲率很快減小，徑流量迅速增大，徑流侵蝕力也很快加強，因此在0—15min內，擾動地面的徑流含沙量最大；而在15—30min內，由于侵蝕溝的溝床漸漸趨于穩定，所以徑流含沙量漸漸減小；當溝床穩定后，徑流含沙量也趨于穩定，即30—45min是徑流含沙量的穩定期。對未經人為擾動的原始地面而言，由于密實的土壤結構和地表植被物等的影響，土壤抗蝕力強，在整個沖刷過程中，徑流含沙量很低且維持在一個常數水平。

圖4 兩種下墊面含沙量隨時間變化規律對比

圖5是相同放水流量和坡度下，兩種不同類型下墊面的產沙量與時間的變化關系。圖5說明，擾動地面的產沙量遠遠大于原始地面的產沙量，0—15min是侵蝕產沙的高峰期，最高峰值達3 371.4g／min，隨后產沙量隨時間的推移迅速降低，在24min時又出現了一個峰值，其值為863.8g／min。從圖5中還可以看出，擾動地面的累積產沙量隨時間的延續呈增大趨勢，原始地面的產沙量很低，且隨時間的延續幾乎維持在一個常數水平變化，其值在80～130g／min之間。

由表1可知，原始地面的平均含沙量為4.523g／L，平均產沙量為116.05g／min；擾動地面的平均含沙量為103.250g／L，平均產沙量為1 047.68g／min。擾動地面的平均含沙量較原始地面增加了96%左右，平均產沙量增加了89%，可見，原始地面經人為不合理的擾動后，土壤抗蝕力減弱，更易發生土壤侵蝕，導致水土流失加劇。

圖5 兩種下墊面產沙量隨時間變化規律對比

2.2.2 擾動地面新增水土流失量 新增水土流失量用公式（2）進行計算［14］：ΔMs＝Ms1－Ms（2）

式中：ΔMs——新增侵蝕量（g）；Ms1——擾動后的侵蝕量（g）；Ms——原地面侵蝕量（g）。

為了對比分析坡度和放水流量對擾動地面新增水土流失量的影響程度，下面以3個坡度和5種放水流量的不同組合進行分析并用式（2）計算得出新增水土流失量。

根據試驗資料，以原始地面上的侵蝕產沙特征作為對比參考基準，計算出不同放水流量、不同坡度下擾動地面的新增土壤流失量。其與放水流量、坡度的關系見圖6。

圖6 新增侵蝕量隨放水流量和坡度的變化規律

從圖6中可以看出，不同放水流量、不同坡度組合引起的新增土壤流失量各不相同，放水流量和坡度越大，產生的新增土壤流失量越大。同時，當放水流量一定時，坡度越大，產生的新增土壤流失量越大，當坡度一定時，放水流量越大，產生的新增水土流失量也越大。通過SPSS軟件分別分析了放水流量與坡度對擾動地面新增土壤流失量的影響，發現放水流量對擾動地面新增土壤流失量的影響大于坡度。

通過計算將不同放水流量、不同坡度下原始地面、擾動地面的侵蝕總量及新增侵蝕總量匯總于表2。由表2可知，在放水流量為5，10，15，20，25L／min的條件下，坡度為10°時，新增土壤流失量均最大，分別較原始地面增加97%，94%，88%，82%，71%。同一坡度條件下，放水流量越小，土壤流失量增加的百分比就越大，反之，則越小。其原因是：當放水流量較小時，產生的徑流量小，徑流沖刷力弱，又因為原始地表的土壤抗蝕力遠遠強于擾動地面的土壤抗蝕力，故原始地面的土壤流失量小。當放水流量增大時，產生的徑流量大，徑流沖刷力強，原始地表土壤抵抗徑流沖刷的能力漸漸減弱，導致土壤流失量增大。

表2 兩種不同類型下墊面條件下土壤侵蝕量及新增侵蝕量

運用SPSS軟件擬合新增水土流失量與流量、坡度的復合關系式如下：

式中：ΔW——新增土壤侵蝕量（g）；Q——放水流量（L／min）；S——坡度因子（°）。

式（3）說明擬合方程顯著性高，相關系數大，說明流量和坡度是影響新增水土流失量的主要因子，且流量對其的影響大于坡度。

3 結論

（1）相同放水流量和坡度條件下，不同類型下墊面對土壤入滲速率的影響差異性較大，在開始沖刷的前6min內，擾動地面＞原始地面，從6min開始，擾動地面＜原始地面，擾動地面的土壤平均入滲率較原始地面小30%。

（2）在相同放水流量、相同坡度條件下，不同類型下墊面的徑流量、累積徑流量隨時間的增加而增加。大約在開始沖刷的前6min內，兩種不同類型下墊面的徑流量很小，且原始地面＞擾動地面；在6min后，徑流量迅速增大，且原始地面＜擾動地面；大約10min后徑流量基本趨于一穩定值變化。擾動地面的平均徑流量較原始地面增加14%左右。

（3）在放水流量和坡度都相同的條件下，原始地面的侵蝕產沙在整個放水沖刷過程中沒有顯著變化，基本維持在一個常數水平。擾動地面的侵蝕產沙高峰期出現在放水沖刷初期0～15min內，此后侵蝕產沙隨沖刷歷時的延長而下降并最終趨于穩定。擾動地面的平均含沙量較原始地面增加96%，平均產沙量增加89%。

（4）不同放水流量、不同坡度組合導致的新增土壤流失量各不相同，放水流量和坡度越大，產生的新增土壤流失量越大。當坡度為10°時，擾動地面的新增土壤流失量增幅最大。不同坡度條件下，放水流量越小，擾動地面新增土壤流失量的百分比就越大，反之，則越小。新增水土流失量與流量、坡度的復合關系式為ΔW＝144.644Q＋128.139S－1631.127。

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