神府東勝煤田非硬化路面野外降雨試驗

李宏偉，劉敏，詹松，王貞，王文龍，4?

(1.西北農林科技大學資源環境學院，712100，陜西楊凌;2.陜西楊凌水務局水利水保站，712100，陜西楊凌;3.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，310014，杭州;4.中國科學院水利部水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，712100，陜西楊凌)

神府東勝煤田非硬化路面野外降雨試驗

李宏偉1，劉敏2，詹松1，王貞3，王文龍1，4?

(1.西北農林科技大學資源環境學院，712100，陜西楊凌;2.陜西楊凌水務局水利水保站，712100，陜西楊凌;3.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，310014，杭州;4.中國科學院水利部水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，712100，陜西楊凌)

神府東勝煤田是世界7大煤田之一，在開發建設過程中造成了嚴重的水土流失，其中非硬化路面水土流失是其重要的組成部分。采用野外模擬降雨試驗，研究非硬化路面的侵蝕產流、產沙規律以及二者之間的關系。結果表明:非硬化路面的徑流含沙量過程曲線包括平緩型、多峰型、單峰型3種類型，侵蝕速率隨時間變化過程可分為快速增長階段、波動起伏階段以及穩定階段;非硬化路面的產流時間隨降雨強度的增大呈冪函數減小，隨坡度的增大呈先增大后減小的拋物線趨勢;徑流率隨降雨強度的增大而增大，擬合關系式為r=2.596I－0.431;產沙量與徑流量之間呈冪函數關系，其關系式為Ms=0.223 9W1.9462。研究結果可為礦區水土流失預測和治理提供依據。

非硬化路面;野外降雨試驗;徑流率;輸沙率;神府東勝煤田

煤炭作為我國許多命脈行業長期的生產動力，在國民經濟發展和人民生產、生活中占有重要的地位。近些年，由于我國對煤炭資源的掠奪式開采、粗放式管理，使得礦區生態環境遭到嚴重的破壞［1］。特別是在煤田施工和運營期，不可避免地產生了大量的非硬化路面，主要包括運煤道路、施工便道、排土場道路等。非硬化路面地表裸露、人為擾動性強，是工礦區主要的排水積水場所，極易產生嚴重的水土流失。在神府東勝煤田的開采調查中發現，人為水土流失主要發生在擾動地面、非硬化路面以及高陡邊坡的坡面及松散棄土棄渣體的坡面和坡腳。在對以上下墊面的研究中，涉及到非硬化路面的試驗研究較少。人們對非硬化路面的侵蝕認識較早，但主要集中在山區、林區、鄉村等不同利用類型的道路上［2－7］，研究內容主要包括道路邊坡穩定性［8－10］、侵蝕成因及特征［3，11－12］、侵蝕影響因子及防治措施［13－15］等。對于生產建設項目，特別是煤炭開采過程中形成的非硬化路面的侵蝕產沙規律及動力學過程研究較少，極大地限制了非硬化路面土壤侵蝕的預測和治理;因此，筆者采用野外模擬降雨試驗方法，研究非硬化路面的侵蝕產沙過程，并深入探討非硬化路面的產流、侵蝕產沙特征以及二者之間的關系，以期為非硬化路面的水土流失預測和治理提供有力的科學依據。

1 研究區概況

神府東勝礦區地處晉陜蒙交界，位于窟野河中游烏蘭木倫河轉龍灣與神木縣之間(E108°36＇～110°36＇，N37°20＇～ 40°16＇)，處于我國風蝕水蝕交錯、干旱半干旱生態環境脆弱帶，自然條件惡劣。地表組成物質松散，土壤類型多為風沙土、沙黃土、綿沙土等，抗蝕性較差。植被覆蓋度較低，多為溫帶半干旱草原植被景觀，沙蒿(ArtemisiaL.)、沙柳(Salix psammophila)、沙棘(Hippophae rhamnoidesLinn)等耐旱、抗寒的旱生小葉灌木、半灌木占絕對優勢。屬于典型的半干旱、干旱大陸季風氣候，降雨量少，礦區多年平均降雨量約為368 mm，主要集中在7、8月且超過全年降雨量的1/2，多以暴雨形式出現。年蒸發量達1 636～2 535 mm，蒸發強烈，干旱造成植被生長困難且覆蓋率低。大風和沙塵天氣頻發，沙塵暴時間最多能達到43 d/a。特殊的自然地理環境加之強烈的人類活動干擾，使得該區域風蝕嚴重、水蝕強烈。崩塌、滑坡、泥石流等自然災害頻繁發生。生產建設項目造成的加速侵蝕已嚴重影響到當地人民的生產、生活和煤炭資源的可持續開發利用。

2 試驗布設與方法

非硬化路面的野外降雨試驗在神木縣西溝鄉六道溝的撂荒地上進行。將撂荒地統一夯實、鏟平，使土壤密度達到礦區路面土壤的一般密度1.7 g/cm3左右。小區長3 m，寬1 m，四周用厚1 mm的鋼板插入地下0.25 m。小區邊界條件控制一致。坡度選擇3°、6°、9°和 12°，降雨強度采用 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 mm/min。試驗共計72場次(含2次重復)。以試驗小區為中心，利用12根6 m、20根3 m長的直徑6 mm鋼管搭建臨時降雨棚，棚四周用防風布包裹以避免風的影響。在棚頂垂直小區正上方搭3 m的降雨架，用來放置2排下噴式降雨器。利用水泵從附近水庫供水，在實驗小區上方放置2 m3儲水箱，用60 m揚程水泵提供壓力，用閥門調節降雨強度。野外降雨試驗系統示意圖見圖1。不同試驗場次非硬化路面的土壤體積質量見表1。

圖1 野外降雨試驗系統示意圖Fig．1 Sketch map of outdoor rainfall erosion experimental apparatus

試驗開始前，用防雨塑料布覆蓋小區，調節閥門，用雨量筒量測降雨量，使試驗降雨強度誤差不超過3%。當小區開始產流時，記下產流所需時間并開始接取徑流泥沙樣，測定流速、水深、徑流寬等基礎數據。在產流后的前3 min，每1 min接1次徑流泥沙樣，測定1次流速、水深、徑流寬等。在產流3 min以后，每3 min重復1次上述操作。每場試驗所需時間45 min(不含產流時間)。用鋼尺測定徑流寬，用高錳酸鉀示蹤法測定徑流流速，用比重瓶法測徑流含沙量。

表1 不同試驗場次非硬化路面的土壤體積質量Tab．1 Soil bulk density of unpaved roads in different experiments g/cm3

3 結果與分析

3.1 非硬化路面產流特征分析

3.1.1 非硬化路面產流時間隨降雨強度及坡度的變化 侵蝕是隨降雨相伴發生的，降雨初期雨滴擊濺侵蝕只是對土壤進行了分離，并未造成實際意義上的水土流失，真正意義上的水土流失始于產流開始后水流對分散物的搬運。因而，明確產流時間的變化規律，對全面認識土壤侵蝕發生、發展規律有著重大的意義。圖2(a)表明，產流時間隨降雨強度的增加而減小，可用冪函數相關方程表述，關系式見式(1)，且相關系數較高。圖2(b)表明，產流時間隨坡度的變化呈拋物線趨勢變化，可用二次多項式方程表述，關系式見式(2)。

圖2 產流時間隨降雨強度和坡度的變化Fig．2 Runoff generation time on unpaved roads with rainfall intensities and slopes

式中:Ct為產流時間，s;I為降雨強度，mm/min;S為坡度，(°)。

式(1)及圖2(a)表明，產流時間隨著降雨強度的增加而減小。式(2)及圖2(b)表明，在坡度小于9°時，產流時間隨著坡度的增大而增大，在坡度大于9°時，產流時間隨著坡度的增大而減小，出現這種現象的原因主要是由于滲透作用及坡面承受雨滴面積隨坡度的變化造成的。由式(1)、(2)及試驗數據可以看出，降雨強度是影響產流時間的主要因素。

3.1.2 非硬化路面徑流率隨降雨強度及坡度的變化 降雨強度、坡度通過影響流速、入滲率等來影響徑流率。土壤侵蝕是降雨徑流沖刷與土壤抗蝕性相互作用的結果。圖3(a)表明，不同坡度情況下，徑流率均隨降雨強度的增大而增大，但不同坡度之間的差異不明顯。利用SPSS12.0建立的徑流率與降雨強度之間的關系見式(3)，公式的相關系數較高。圖3(b)表明，在不同降雨強度條件下，徑流率隨坡度的變化始終保持較小的波動。一方面是因為當降雨強度較大而試驗坡度較小時，坡度對徑流率的作用無法體現出來，另一方面是因為試驗的下墊面土壤密度已達1.7 g/cm3，入滲較為困難，因而徑流率與坡度關系不密切。這樣，對于非硬化路面，在坡度小于12°時，影響徑流率的主要因素是降雨強度，這與王貞等［16］通過非硬化路面的野外沖刷試驗得出的結論相同。

式中:r為徑流率，L/min;I為降雨強度，mm/min。

圖3 徑流率隨降雨強度和坡度的變化Fig．3 Runoff rate on unpaved roads with rainfall intensities and slopes

3.2 非硬化路面的產沙特征分析

3.2.1 非硬化路面不同時段徑流含沙量變化過程

每場降雨試驗除去產流時間外為45 min，前42 min按每6 min為一個時間段來處理，最后一個時間段為3 min，計算各時段內的徑流含沙量，結果如圖4所示。試驗所有非硬化路面的土壤體積質量控制在1.7 g/cm3左右，接近自然狀況下非硬化路面的土壤體積質量。土壤侵蝕過程是土壤本身屬性所決定的抗蝕能力與徑流能量相互作用的結果，對于非硬化路面來說，土壤屬性基本一致，因而徑流沖刷能力決定了整個產沙過程，影響徑流沖刷能力的因素有徑流量、坡度以及徑流動能等。由圖4可以看出，在坡度一定的情況下，徑流含沙量隨著降雨強度的增加而增加，隨著降雨試驗的進行，徑流含沙量曲線均呈先增大后減小的趨勢，產沙峰值一般出現在6 min之后，且達到峰值的時間隨著降雨強度和坡度的增加而減小，但坡度對達到峰值所需時間的影響更大。

圖4 不同時段不同坡度徑流含沙量變化過程Fig．4 Average sediment yield on unpaved roads with time and slopes

當降雨強度為0.5 mm/min，坡度分別為3°、6°、9°時，徑流的沖刷能力比較弱，徑流含沙量隨時間的變化趨勢平緩，時段內的徑流含沙量均小于16 g/L。此時坡面主要發生面狀侵蝕，雨滴的擊濺侵蝕較弱，泥沙輸移較少，坡面有少量的細溝，侵蝕程度較弱。當降雨強度大于1.0 mm/min、坡度為3°時，徑流含沙量隨時間的變化呈多峰多谷的趨勢。因為在小坡度時，徑流動能較小，下切侵蝕發育較弱，當降雨強度較小時，徑流也不足以沖掏兩側，因而徑流含沙量保持基本不變，當降雨強度增大時，盡管徑流動能依然較低，但也可以在達到峰值之后有沖掏侵蝕溝兩側的能量，側蝕同下切侵蝕不同，需要一個由量變到質變的過程，因而含沙量曲線呈多峰值變化趨勢。當降雨強度大于0.5 mm/min，坡度大于3°后，各含沙量曲線呈單峰值變化規律，此時坡面出現不完全發育的細溝，因為當降雨強度和坡度增大時，水流所具有的能量增大，沖刷能力增大，加之高降雨強度對土壤的擊濺、剝離作用，侵蝕坡面出現大的侵蝕溝，此時產沙達到峰值，峰值后水流需要更多的能量來搬運泥沙，同時易蝕性土壤大量侵蝕后，剩余土壤抗蝕能力較強，徑流含沙量在達到峰值后會逐漸減小直至趨于穩定。上述徑流含沙量曲線可以概括為3個基本類型，即低坡度、低降雨強度的平緩型，低坡度、高降雨強度的多峰型，高坡度、高降雨強度的單峰型。

3.2.2 非硬化路面輸沙速率隨降雨強度及坡度的變化 坡度影響徑流所具有的能量、水流流經坡面的時間以及擊打坡面雨滴的密度。降雨強度一方面影響雨滴擊打作用對土壤表層結構的破壞及土粒分散的劇烈程度，另一方面影響地表徑流量。徑流是產沙的動力條件，是一切水力侵蝕的先決條件，土壤作為侵蝕的對象，其物理性質決定了抗蝕能力的大小。在非硬化路面土壤條件一致的情況下，輸沙速率的主要影響因素為坡度和降雨強度，因而明確輸沙速率隨降雨強度和坡度的變化規律，對防治侵蝕發生、發展有著重要的意義。

圖5 輸沙速率隨降雨強度和坡度的變化Fig．5 Sediment transport rate on unpaved roads with rainfall intensities and slopes

由圖5(a)可知，在不同坡度情況下，輸沙速率均隨降雨強度的增大而增大，隨著降雨的進行，增長率也逐漸增大。表2表明，在不同坡度情況下，輸沙速率隨降雨強度的增加呈冪函數增長，且相關性極高，因而可以認為，降雨或徑流是造成侵蝕最直接的動力。由圖5(b)可知:在降雨強度小于2.5 mm/min時，輸沙速率并不總隨坡度增加而增大，在6°時輸沙速率達到最大，之后呈減小趨勢直至趨于穩定;當降雨強度超過2.5 mm/min時，增大降雨強度在增加雨量的同時也增大了雨滴的直徑，使得雨滴下落的速度變快、動能增大。因而增大坡度時，侵蝕作用依然變強，這種增大的規律在大降雨強度時更加突出。對圖5(b)的數據進行分析發現，坡度與輸沙速率的相關性較差。結合試驗數據可知，對于非硬化路面，影響輸沙速率的主要因素是降雨強度。

表2 非硬化路面不同坡度情況下輸沙速率與降雨強度的關系Tab．2 Relationships between sediment transport rate and rainfall intensities on unpaved roads with different slopes

3.2.3 非硬化路面侵蝕速率變化過程分析 土壤侵蝕過程復雜，土壤侵蝕速率變化過程最能直觀地體現侵蝕的發展過程。由圖6可知，不同降雨強度情況下，坡度12°非硬化路面的侵蝕速率隨降雨時間的變化過程大致可以分為3個階段，即:開始降雨至18 min為快速增長階段，這個階段曲線波動較大;18～39 min為波動起伏階段;39 min以后為穩定階段。這3個階段在高強度降雨的情況下更加明顯，各曲線上升所需時間均比下降的時間長，下降速率更快。出現上述現象的原因為:降雨初期，坡面疏松，可蝕性土壤顆粒較多，加之雨滴的擊濺侵蝕作用，使得坡面土壤入滲率較低，坡面徑流增多的同時也增加了徑流所具有的侵蝕能量，因而侵蝕速率迅速增大;當易蝕性土壤顆粒大量被侵蝕、搬運之后，侵蝕速率降低，但徑流將多余的能量用來擴展溝頭、溝岸，溝內不斷有坍塌出現，坍塌能瞬間增加侵蝕速率，因而侵蝕速率出現波動起伏;當試驗進行到后期，溝槽形態基本確定，此時徑流的侵蝕、搬運、沉積作用趨于一個穩定的動態平衡，因而侵蝕速率保持一個較低的水平不變。

圖6 12°非硬化路面侵蝕速率變化過程Fig．6 Erosion transport rate of unpaved roads over time on twelve slopes

3.3 非硬化路面產沙與產流關系分析

圖7 不同坡度情況下產沙量隨徑流量的變化Fig．7 Sediment yield with runoff yield at different slopes

土壤侵蝕的發生必須同時具備2個基本條件，即外營力和侵蝕物質。徑流是侵蝕外營力的載體，也是能量與侵蝕對象之間的介質，外營力通過徑流作用于侵蝕物質，其造成的最終結果便是產沙，產沙與產流密不可分。圖7表明，產沙量隨徑流量的增大而增大，呈水大沙多的特點。當試驗坡度為3°時，產沙量隨徑流量的增大穩定增大，增長率較低;當試驗坡度為6°和9°時，徑流量小于200 L時，產沙量隨徑流量的增大變化不明顯，當徑流量大于240 L時，產沙量隨徑流量的增大增加迅速;當坡度為12°時，產沙量隨徑流量的變化曲線增長呈初期慢—中間快—末期慢的變化趨勢。表3示出試驗不同坡度下各次降雨過程中產沙量與徑流量之間的關系式。樣本數為102的情況下，各關系式的相關系數均較高，在各試驗坡度下，整個降雨過程中都體現水大沙多的特點，且坡度越大關系式的相關性就越低，說明當坡度增大時徑流對產沙的影響減弱。對試驗過程中獲取的408組數據進行相關分析，得出試驗坡度內非硬化路面產沙量與徑流量之間呈冪函數相關，關系式為

表3 非硬化路面不同坡度下產沙量與徑流量的關系Tab．3 Relationships between sediment yield on unpaved roads and runoff amount on different slopes

4 結論

1)非硬化路面的產流時間隨降雨強度的增大呈冪函數減小，隨坡度的增大呈先增大后減小的拋物線趨勢，其關系式分別為Ct=72.268I－1.377和Ct=－1.045S2+17.045S+31.283。徑流率隨降雨強度的增大而增大，擬合關系式為r=2.596I－0.431;在相同降雨強度情況下，徑流受坡度的影響不明顯。

2)非硬化路面的徑流含沙量曲線類型包括低坡度、低降雨強度的平緩型，低坡度、高降雨強度的多峰型以及高坡度、高降雨強度的單峰型，含沙量的最大值一般出現在產流后的6 min。輸沙速率隨降雨強度的增加呈對數函數增大，且相關性較好，降雨強度是影響輸沙速率的主要因素。非硬化路面的侵蝕速率變化過程一般包括快速增長階段、波動起伏階段以及穩定階段，一般在產流后的39 min侵蝕速率趨于穩定。

3)不同坡度條件下，產沙量隨徑流量的增大呈冪函數增大，且坡度越大，冪函數的相關系數越小。全部試驗坡度情況下，產沙量與徑流量呈較好的冪函數相關，關系式為Ms=0.223 9W1.9462。

5 參考文獻

［1］余學義，李邦邦.陜北侏羅紀煤田礦區生態保護與可持續發展途徑探討［J］.礦業安全與環保，2008，35(4):57－60

［2］鄭世清，霍建林，李英.黃土高原山坡道路侵蝕與防治［J］.水土保持通報，2004，24(1):46－48

［3］高學田，唐克麗，張平倉，等.神府－東勝礦區一、二期工程中新的人為加速侵蝕［J］.水土保持研究，1994，1(4):23－34

［4］鄭世清，霍建林，李英.黃土高原山坡道路侵蝕與防治［J］.水土保持通報，2004，24(1):46－48

［5］常月明，張衛青，董萍，等.半干旱丘陵地區鄉村道路侵蝕研究:以內蒙古四子王旗南部為例［J］.內蒙古師范大學:自然科學漢文版，2009，38(2):227－230

［6］Croke J.Gully initiation and road－to－stream linkage in forested catchments，southeastern Australia［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2001，26:205－217

［7］Nyssen J，Peesen J，Moeyersons J，et al.Govers impact of road building on gully erosion risk:a case study from the northern Ethiopian Highland［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2002，27:1267－1283

［8］邱榮祖，方金武.山地林道土壤侵蝕及其防治措施的研究［J］.土壤侵蝕與水土保持學報，1997，3(4):50－54

［9］徐憲立，張科利，劉憲春.道路侵蝕研究綜述［J］.地理科學研究，2006，25(6):52－59

［10］汪益敏，王秉綱.公路土質路基邊坡坡面沖刷穩定性的模糊綜合評價［J］.中國公路學報，2005，18(1):24－29

［11］沈波，艾翠玲，徐岳，等.公路路基壓實黃土坡面人工降雨侵蝕試驗［J］.長安大學學報:自然科學版，2004，24(6):11－14

［12］羅婷，王文龍，王貞，等.非硬化土路土壤剝蝕率與水動力學參數分析［J］.人民黃河，2011，33(4):96－98

［13］徐學選，琚彤軍，鄭世清，等.黃土丘陵區次降雨下的山坡道路侵蝕特征分析［J］.農業環境科學學報 ，2007，26(增刊):574－578

［14］劉雪英，張芳琴，鄭世清，等.黃土丘陵區山坡植物路防蝕效益試驗研究［J］.水土保持研究，2007，14(4):16－19

［15］曹龍熹，張科利，張卓棟.黃土高原典型小流域道路特征及影響因素［J］.地理研究，2008，27(6):1279－1280

［16］王貞，王文龍，羅婷，等.非硬化路面侵蝕產沙規律野外模擬試驗［J］.農業工程學報，2010，26(12):79－83

Field rainfall experiment on the unpaved roads during the Shenfu-Dongsheng coalfield exploitation

Li Hongwei1，Liu Min2，Zhan Song1，Wang Zhen3，Wang Wenlong1，4

(1.College of Resources and Environment，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi;2.Yangling Water Authority and Water Conservation Station，712100，Yangling，Shaanxi;3.Hydrochina Huadong Engineering Corporation，310014，Hangzhou;4.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi:China)

Shenfu－Dongsheng coalfield is one of the seven largest deposites of coal had known in the world.However，severe soil and water erosion occurred on the mining wastes in the areas，especially on the unpaved roads.A field rainfall experiment on soil erosion and sediment yield on unpaved roads was conducted to provide scientific data for predicting and controlling soil and water loss on unpaved roads.Results indicated that the variation process of sediment yield appeared in three types，which were smooth，multimodal and unmoral distribution.The erosion sediment and transport rate were affected largely by rainfall intensity，and its process can be divided into rapid growth phase，fluctuating phase and stable phase.The runoff generation time on unpaved roads decreased with the power function with the increase of rainfall intensity，and occurred parabola shape of first increase then decrease with the increase of slope.Runoff rate increased with the increase of rainfall intensity，and the fitted formulas wasr=2.596I－0.431.Sediment transport rate and runoff rate decreased with the exponential function，and the formulas wasMs=0.223 9W1.9462.The objective of this study was to provide theoretical foundation for research and predication in the soil and water loss of mining area.

unpaved roads;field rainfall experiment;runoff rate;sediment yield rate;Shenfu－Dongsheng coalfield

2012－02－22

2012－05－28

國家自然科學基金“煤礦開發建設中人為侵蝕機理及新增水土流失預報模型——以神府東勝煤田為例”(40771127);水利部公益性行業專項“生產建設項目水土流失測算共性技術研究”(201001036)、“工程開挖面與堆積體水土流失測算技術研究”(201201048);黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室專項經費(10502－T1)

李宏偉(1986—)，男，碩士研究生。主要研究方向:生產建設項目水土保持。E－mail:lihongwei369909548@126.com

?責任作者簡介:王文龍(1964—)，男，博士，研究員，博士生導師。主要研究方向:生產建設項目水土保持。E－mail:wlwang@nwsuaf.edu.cn

(責任編輯:宋如華)