神府東勝煤田棄土棄渣體徑流水動力學特性研究

張孝中, 王文龍, 李建明

(1.陜西省水土保持勘測規劃研究所, 陜西 西安 710004; 2.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤

侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

神府東勝煤田棄土棄渣體徑流水動力學特性研究

張孝中1, 王文龍2,3, 李建明2

(1.陜西省水土保持勘測規劃研究所, 陜西 西安 710004; 2.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤

侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

資助項目：國家自然科學基金項目“煤礦開發建設中人為侵蝕機理及新增水土流失預報模型：以神府煤田為例”(40771127); 水利部公益性行業專項(201201047； 201201048)

第一作者：張孝中(1961—),男(漢族),陜西省澄城縣人,碩士，高級工程師，主要從事水土流失動態規律及生態恢復方面的研究。E-mail:zxz211@126.com。

摘要：[目的] 對神府煤田開發建設過程中造成的棄土棄渣體的徑流水動力學特性進行研究，并分析土壤剝蝕率與各水動力學參數之間的關系。 [方法] 采用野外模擬降雨試驗方法。[結果] (1) 棄土棄渣體的土壤剝蝕率Dspan隨雨強增大顯著線性遞增； (2) 雷諾數Rspan總體上隨著雨強增大而增大，隨降雨歷時先增大后保持穩定；佛羅德數Fr受雨強影響不顯著，在產流0~12 min內波動較大，隨后在某一常數附近上下波動；阻力系數f隨降雨歷時呈遞增趨勢，受雨強影響不顯著，次降雨平均阻力系數f大小表現為：沙少石多棄渣體>棄土體>沙多石少棄渣體； (3) 各下墊面土壤剝蝕率Dspan與水流剪切力 、水流功率P之間均呈顯著的線性函數關系。 [結論] 研究區不同類型下墊面次降雨徑流水動力學參數變化各具特點，土壤剝蝕率與各水動力學參數之間存在顯著相關關系。

關鍵詞：棄土棄渣體; 模擬降雨; 水動力學參數; 土壤剝蝕率

神府東勝煤田的開發，確保了國家優質動力煤的穩定供應，促進國民經濟的快速發展，但煤炭開采過程中擾動地表、修路、修建臨時措施、棄土棄渣隨意堆放等都會對礦區的環境造成嚴重破壞，產生一系列的環境問題[1-3]。為了更加準確地預測礦區新增水土流失，許多學者針對神府東勝煤田的土壤侵蝕現狀展開了大量研究，張勝利[4]等在調查研究及室內外試驗基礎上，分析了煤炭開采對侵蝕和產沙的影響，認為煤田開發會加重水土流失；李強、羅婷等[5-6]針對神府煤田不同下墊面徑流產沙特征進行了詳細研究。調查發現，礦區中堆放的大量棄土棄渣體是礦區新增水土流失的主要策源地之一。

對礦區棄土棄渣的研究主要通過野外調查及野外放水沖刷試驗[7-8]。為了更加明確土壤侵蝕的內在機理，學者們開展了大量的水動力學試驗研究，魏霞等[9]采用室內放水沖刷試驗研究水動力學特性，結果表明雷諾數隨沖刷歷時增大而增大，流速沿程有先增大后減小趨勢；張科利等[10]運用水力學理論及試驗結果，提出了水動力學參數計算公式；王貞等[11]對比分析了神府煤田擾動地面及原生地面的水動力學參數，發現擾動地面的雷諾數和阻力系數均大于原地面，佛羅德數差異不顯著。目前，針對礦區不同下墊面侵蝕產沙特性的研究較多，對礦區棄土棄渣體的徑流產沙規律也進行了大量的試驗研究，但針對棄土棄渣體的水動力學特性試驗研究鮮見有報道。本文采用野外人工模擬降雨試驗，研究礦區棄土棄渣體徑流水動力學特性，以期為明確礦區棄土棄渣體土壤侵蝕內在機理研究提供一定的科學理論依據。

1研究區概況與研究方法

1.1　研究區概況

神府東勝煤田地處晉陜蒙三省交界處(北緯37°20′—40°16′，東經108°36′—110°36′)，位于黃土丘陵與鄂爾多斯臺地的過渡地帶，包括黃土丘陵、風沙丘陵與砒沙巖地貌類型，是典型的生態脆弱區。總面積約3 481 km2，煤炭地質儲量3.54×1010t，探明儲量占全國煤炭保有儲量的1/4。該區為典型的干旱半干旱大陸季風性氣候，年平均氣溫6.1～9.1 ℃，年平均降水量不足400 mm，降水多集中在多集中于7—9月，占全年降雨的65%～70%，分布趨勢由東南向西北逐漸減少。年蒸發量為1 636～2 535 mm，蒸發強烈。黃土是本區的最主要地面物質，分布面積約占63.63%以上，一般質地較粗，抗蝕性、結構性極差，是易侵蝕的主要物質之一。

1.2　試驗布設與方法

試驗區位于神木縣西溝鄉六道溝煤礦。選取棄土體、沙多石少棄渣體、沙少石多棄渣體3種不同類型下墊面，土壤機械組成見表1。試驗小區長3 m，寬1 m，四周采用高30cm，厚2mm的鋼板控制邊界條件，鋼板露出地面10cm，以防止徑流滲漏。為降低邊界效應，靠近板壁處土體應盡量壓實。下墊面坡度根據研究區棄土棄渣體典型坡度選擇為35°。降雨強度按照神府東勝地區多年降雨頻率氣象資料分析，根據20年一遇頻率標準，采用1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mm/min 5個雨強級別。

采用水泵將水抽至小區上部放置的2 m3的儲水桶內，通過60 m揚程的潛水泵將水抽出進行降雨，設置雙閥門和壓力表調節降雨強度。試驗露天進行，采用鋼管搭建一個高3 m的降雨架，為防止風對降雨分布的影響，在小區四周用彩條布圍一圈，小區正上方布設下噴式降雨器。為保證降雨強度達到試驗要求，在降雨試驗開始前，需要率定降雨強度，保證率定雨強與設計雨強誤差不超過5%，雨強率定完畢，迅速揭開遮雨布并開始計時。自降雨開始至坡面有較明顯徑流形成并流出小區出口時記錄產流起始時間，產流開始后的3 min內每1 min接一個水樣，3 min后每隔3 min接一個水樣。設置產流開始后降雨總時間為45 min。同時在各小區中間部位分別設置兩個1 m長的觀測斷面，以便測定流速、水深及流寬：徑流流速測定采用高錳酸鉀示蹤法，由于測得的流速是徑流表面的最大流速，雷廷武等[12]將染色劑測量得到的流速乘以系數0.75來得到較為理想的水流平均流速，本試驗亦以此法得到水流平均速度；用薄鋼尺在測量斷面處測徑流寬度；在觀測斷面內選取三點分別用薄鋼尺測定徑流深，以平均值作為整個小區的徑流深。試驗結束后，用量筒測定各個徑流樣體積，采用烘干法測定泥沙量。采用SPSS18.0進行數據處理分析。

表1　棄土棄渣體顆粒機械組成

2結果與分析

2.1　棄土棄渣體平均土壤剝蝕率隨雨強變化

坡面水蝕過程的土壤剝蝕率為單位時間單位面積上土體在侵蝕動力的作用下被剝蝕掉的土壤顆粒的量[13]。次降雨平均土壤剝蝕率是指次降雨過程中各時段土壤剝蝕率的平均值，以Dr表示，可以反映出徑流對下墊面表層的沖刷、剝蝕能力。表2為各下墊面在不同雨強下次降雨平均土壤剝蝕率。分析表2可知，棄土棄渣體的Dr隨雨強增大顯著遞增(p<0.01)，隨降雨強度的增大，一方面，單位時間單位面積內下墊面的承雨量增加，徑流強度增大，沖刷能力增強；另一方面，雨滴直徑增大，對地表的沖擊能力增強，濺蝕作用強烈。3種不同下墊面Dr值的大小順序為：沙多石少棄渣體>棄土體>沙少石多棄渣體，這主要是由于3種下墊面的物質組成不同，棄土體中礫石含量較少，其土壤結構類似于原生地面，具有一定的抗侵蝕能力；沙多石少棄渣體中含有一定量(約45%)礫石，而下墊面表層礫石存在使得土粒之間的黏結性減弱，在雨水沖刷過后很快隨徑流流失，礫石存在使得下墊面的抗蝕能力降低，且表層易侵蝕性顆粒多，各雨強條件下土壤剝蝕率最大；沙少石多棄渣體中礫石含量較大(約70%)，在下墊面的表層形成一定的固相骨架，而棄土則分布在礫石空隙之間，由于可供侵蝕的物質源較少，導致總體的Dr值最小。與棄土體相比，沙多石少棄渣體的Dr為棄土體的1.85～2.76倍，而沙少石多棄渣體僅為棄土體的0.57%～21.30%。可見，礦區嚴重的土壤侵蝕可能是由于含礫石棄渣體的隨意堆放造成的，在礦區水土流失防治過程中尤其要注重土石混合堆積體的治理。

不同的降雨強度代表著不同降雨侵蝕營力，因此，分析次降雨土壤剝蝕率與雨強的關系對于礦區進行水土流失預測具有重要的現實指導意義。分析可知，棄土體、沙多石少棄渣體、沙少石多棄渣體的Dr與雨強I之間均呈顯著地線性關系，其相關系數分別為0.929(p=0.05)，0.963(p=0.01)和0.980(p=0.01)。

表2　棄土棄渣體平均土壤剝蝕率隨雨強的變化

2.2　棄土棄渣體水動力學特性

2.2.1雷諾數Re雷諾數Re(Reynolds number)是一種可用來表征流體流動情況的無量綱數，從力學上講是慣性力與黏性力之比，可以用來判定水流的流態。當Re<500，水流為層流，當Re>2 000，水流為紊流，考慮到含沙量對水流運動黏滯性的影響，雷諾數計算式為[14]：

式中：V——平均流速(m/s)；R——水力半徑(m)，R=A/L；A——過水斷面；L——濕周；v——含沙水流的運動黏滯系數(m2/s)，其中，

式中：t——水溫(℃)。

圖1分別描繪了不同下墊面在不同雨強下的雷諾數隨降雨時間的變化過程。從圖1可以看出，棄土棄渣體的Re總體上隨著雨強增大呈遞增趨勢，隨降雨歷時呈現先增大后穩定的趨勢。各下墊面Re在雨強為1.0 mm/min時維持在某一個常數上下小范圍波動，可認為此時的水流大部分處于層流狀態。而當雨強達到3.0 mm/min時，Re隨降雨歷時在大范圍內起伏波動，處于過渡流與紊流不斷交換的狀態。而在1.5，2.0，2.5 mm/min雨強下，Re隨產流時間的持續總體上呈先波動后保持相對穩定的狀態。由于在產流初始，坡面上有較多的可蝕性顆粒，水流的剝蝕能力與下墊面的抗蝕能力處于非平衡狀態，造成水流不穩定，進而導致水流流速的不斷變化，使得Re不斷波動；而當產流開始后6 min時下墊面達到相對穩定，此時的水流剝蝕能力與下墊面的抗蝕能力相當，水流處于較平穩狀態，Re的變化也較小。經計算，3種不同下墊面的平均雷諾數的大小順序為：沙多石少棄渣體>沙少石多棄渣體>棄土體。

2.2.2弗勞德數Fr流體力學中弗勞德數表征流體慣性力和重力相對大小的一個無量綱參數，記為Fr，它反映了過水斷面上水流具有的動能和勢能的對比關系。按照清水明渠水流的標準，當Fr<1時，水流為緩流；當Fr>1時，水流為急流，其計算公式為[9]：

式中：u——水流的平均流速(m/s)； g——重力加速度(m/s)； l——斷面平均徑流深(m)。

圖2分別為棄土棄渣體在不同降雨強度條件下的Fr隨降雨歷時的變化。由圖2可知，3種不同下墊面的Fr隨雨強的變化不顯著，但隨產流歷時的變化總體可以分為兩個階段：產流0~12min內Fr隨降雨歷時上下波動；產流12min后Fr在某一常數值附近上下小幅度波動，其中棄土體和沙少石多棄渣體的Fr在0.50左右，而沙多石少棄渣體的Fr在0.60左右。造成3種下墊面Fr的這種變化的主要原因是下墊面組成的不一致性，即土石比的不一致性。在產流初期，由于徑流對表土進行不斷地沖刷、剝離、搬運、沉積，導致了水流的不穩定，在后期由于下墊面的抗蝕能力與水流的侵蝕能力達到平衡狀態，水流進而趨于穩定。經分析，在整個降雨過程中，3種下墊面85%以上Fr<1.0，即水流處于緩流狀態。計算可知，3種不同下墊面的Fr的大小順序為：沙多石少棄渣體>棄土體>沙少石多棄渣體。由此可知，當下墊面中的礫石含量達到一定值時，有利于減緩坡面水流的運動速度，進而降低水土流失量。

圖1　不同下墊面(棄土棄渣體)雷諾數Re隨時間的變化

圖2　不同下墊面(棄土棄渣體)弗勞德數Fr隨時間的變化

2.2.3阻力系數fDarcy—Weisbach阻力系數是徑流向下運動過程中受到的來自水土界面的阻滯水流運動力的總稱。其表達式為[15]:

式中：V——斷面平均流速； J——水力能坡，計算式為：

圖3分別為棄土棄渣體在不同降雨強度下的阻力系數f隨降雨歷時的變化過程。由圖3可以看出，3種下墊面的阻力系數隨著降雨歷時呈遞增趨勢，而隨雨強的變化不顯著。從計算公式中可以看出，f主要受到水流流速的影響。分析圖3可知，沙多石少棄渣體下墊面的f隨降雨歷時的波動情況較棄土體和沙少石多棄渣體大，主要是由于棄土體中砂礫含量少，土粒之間的黏結性較強，流速在整個降雨過程中的變化趨勢較為平緩；而沙少石多棄渣體中由于含有大量的礫石，當礫石之間的可蝕性顆粒被沖走后，形成一個穩定的固相骨架，有利于坡面的穩定，而礫石存在改變了水流的流速，但水流流動速度較均勻，導致了流速在降雨過程中的變化不大，進而使得f在侵蝕過程中變化較平緩。經計算，平均阻力系數f大小順序為：沙少石多棄渣體>棄土體>沙多石少棄渣體。

2.3　棄土棄渣體土壤剝蝕率與水流剪切力、水流功率關系

為了更加明確棄土棄渣體土壤侵蝕的力學性質，對棄土棄渣體的平均土壤剝蝕率與水流剪切力及水流功率關系進行相關分析。其中，水流剪切力τ為沿著坡面梯度方向運動的水流在其運動方向上產生的一個作用力[13]，計算公式為[16]:

τ=ρgRJ=rRJ

式中：r——水的容重，r=ρg，水流密度ρ取平均含沙量時的密度。

圖3　不同下墊面(棄土棄渣體)阻力系數f隨時間的變化

水流功率P表征了一定高度的水體順坡流動時具有的勢能。Bagnold[17]提出了水流功率的概念，即作用于單位面積的水流所消耗的功率，表達式為：

τ=rqs=rhVs=τV

式中：q——單寬流量(m3)；h——水深(m)。

2.3.1平均土壤剝蝕率與水流剪切力關系圖4反映了3種不同下墊面次降雨平均土壤剝蝕率Dr與平均水流剪切力τ之間關系。從圖4可以看出，不同下墊面之間的平均土壤剝蝕率Dr隨平均水流剪切力 的增大整體呈遞增趨勢。計算可知，各下墊面的Dr和τ均表現為：沙多石少棄渣體>棄土體>沙少石多棄渣體。可以通過計算水流剪切力τ進而求得次降雨的土壤剝蝕率Dr。經分析，棄土體、沙多石少棄渣體和沙少石多棄渣體的次降雨的平均水流剪切力τ與平均土壤剝蝕率Dr之間呈顯著線性關系，相關系數分別為0.995(p=0.01)，0.914(p=0.05)和0.955(p=0.05)。

圖4　平均土壤剝蝕率Dr與水流剪切力τ的關系

2.3.2平均土壤剝蝕率與水流功率關系圖5反映了3種不同下墊面的平均土壤剝蝕率Dr隨水流功率P變化規律。從圖5可以看出，棄土體和沙少石多棄渣體的平均土壤剝蝕率Dr隨著水流功率的增大呈顯著地遞增趨勢，且變化范圍較沙多石少棄渣體都較小。主要是由于沙多石少棄渣體中含有一定含量的礫石，礫石的存在破壞了原有土壤結構，導致土壤的抗蝕能力降低，在徑流的沖刷作用下產生較大的土壤侵蝕量，同時由于沙多石少棄渣體坡面徑流平均流速也較棄土體和沙少石多棄渣體大，進而使得沙多石少棄渣體的平均水流功率P最大。計算可知，3種不同下墊面的次降雨平均水流功率P的大小順序為：沙多石少棄渣體>棄土體>沙少石多棄渣體。3種下墊面次降雨平均土壤剝蝕率Dr均可用平均水流功率P描述。經分析，棄土體、沙多石少棄渣體和沙少石多棄渣體的次降雨平均土壤剝蝕率Dr與水流功率P之間呈顯著地線性關系，相關系數分別為0.992(p=0.01)，0.912(p=0.05)和0.973(p=0.01)。

圖5　平均土壤剝蝕率Dr與水流功率P的關系

3結 論

(1) 棄土棄渣體的土壤剝蝕率Dr隨雨強增大顯著遞增，3種下墊面土壤剝蝕率Dr的大小順序為：沙多石少棄渣體>棄土體>沙少石多棄渣體，且各下墊面Dr值與雨強I之間呈顯著線性關系。因此，在進行礦區水土流失治理過程中，尤其要注意對含有一定礫石含量的棄渣體采用水土保持措施來減輕礦區嚴重的水土流失現狀。

(2) 分析棄土棄渣體的3個水動力學特性參數(Re，Fr，f)可知，棄土棄渣體的Re總體上隨著雨強增大呈遞增趨勢，隨降雨歷時呈現先增大后穩定的趨勢，3種不同下墊面的平均雷諾數的大小順序為：沙多石少棄渣體>沙少石多棄渣體>棄土體；3種不同下墊面的Fr隨雨強的變化不顯著，但隨產流開始后時間的變化總體可以分為兩個階段：產流0~12 min內Fr隨降雨歷時上下波動；產流12 min后Fr在某一常數值附近上下小幅度波動；阻力系數f隨著降雨歷時呈遞增趨勢，而隨雨強的變化不顯著，平均阻力系數f大小順序為：沙少石多棄渣體>棄土體>沙多石少棄渣體。

(3) 次降雨過程中，3種不同下墊面的平均土壤剝蝕率Dr隨著平均水流剪切力 和水流功率P均呈線性遞增關系。

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Hydrodynamic Characteristics of Runoff over Abandoned Slags in Shenfu-Dongsheng Coalfield

ZHANG Xiaozhong1, WANG Wenlong2,3, LI Jianming2

(1.ShaanxiProvincialPlanningandResearchInstituteofSoilandWaterConservation,Xi’an,Shaanxi710004,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,CASandMWR,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：[Objective] Hydrodynamic characteristics of runoff over abandoned slags derived from the development and construction of the Shenfu—Dongsheng coal field were studied and the relationships between soil detachment rate and hydrodynamic parameters were analyzed. [Methods] Field simulated rainfall experiment was conducted. [Results] (1) Soil detachment rate(Dspan) for the abandoned slags significantly linearly increased with increasing rainfall intensity； (2) Reynolds number(Rspan) for the abandon slags generally increased as rainfall intensity increased, but its increase with rainfall duration showed an increasing trend at first and then maintained a stable trend. However, rainfall intensity did not affect Froude number(Fspan) significantly. The Fspanfluctuated violently 12 min after runoff generation and then fluctuated around a constant value. The drag coefficient(f) presented an increasing trend with rainfall duration, but the effect of rainfall intensity on the f was not significant. The abandoned slags studied, in order of decreasing average drag coefficient for a single rainfall, were the slag with less sand and more stone, abandoned soil body and slag with more sand and less stone； (3) The averaged soil detachment rate for each of the three underlying surfaces was a significantly linear function of shear force(τ) and stream power(P). [Conclusion] For the different types of underlying surfaces in the studied area, the variations of hydrodynamic parameters of runoff induced by single rainfall have their own characteristics. Soil detachment rate is significantly correlated with the hydrodynamic parameters.

Keywords:abandoned slag; simulated rainfall; hydrodynamic parameter; soil detachment rate

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0076-06

中圖分類號：S157.1

收稿日期：2014-03-19修回日期：2014-04-01