豫西礦區(qū)土壤侵蝕因子及流失特點(diǎn)分析

張巖 徐凡 徐建昭

摘 要：豫西沿黃地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，礦山開采加劇了局部區(qū)域水土流失及其危害。為合理有效防治礦區(qū)水土流失，利用水土保持觀測站的實(shí)測資料并通過典型礦區(qū)現(xiàn)場量測、高分辨率遙感影像解譯、GIS分析計(jì)算等，對豫西沿黃典型礦區(qū)土壤侵蝕因子與土壤流失特點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：降雨侵蝕力因子作為土壤侵蝕背景因子服從于區(qū)域性與潛在性整體規(guī)律，雖然其值大小不受采礦活動影響，但它是礦區(qū)土壤侵蝕的重要外營力，與礦區(qū)土壤侵蝕的其他因子共同作用，影響礦區(qū)土壤流失的時(shí)空分布;地形因子、土壤可蝕性因子、植被覆蓋因子、水土保持措施因子是影響礦區(qū)土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展與程度的關(guān)鍵因子，其抑制土壤侵蝕的作用受采礦活動的影響;礦區(qū)土壤流失在各時(shí)期的分布特點(diǎn)是開采期最大，從基建期到開采期再到停采后的恢復(fù)期，土壤流失量變化情況是由小變大再由大變小;土壤流失量空間分布特點(diǎn)是露天采場、排土場占比較大。礦區(qū)土壤流失量時(shí)空分布特點(diǎn)與礦區(qū)采礦活動對土壤侵蝕因子的改變密切相關(guān)，水土流失防治的重點(diǎn)時(shí)期是開采期、重點(diǎn)區(qū)域是露天采場和排土場。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕因子;降雨侵蝕力;土壤可蝕性;土壤流失特點(diǎn);礦區(qū);豫西

中圖分類號：S157.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.020

Abstract：There are rich mineral resources in the region along the Yellow River in western Henan Province and mining intensifies soil erosion and its harm in local area. In order to reasonable and effective prevent and control soil and water loss of the mining area， using the measured data of soil and water conservation station and through the typical mining field measurement， high resolution remote sensing image interpretation and GIS analysis and calculation， the soil erosion factors and the characteristics of soil erosion of typical mining area in the region along the Yellow River in western Henan Province were analyzed. The results show that the rainfall erosion factor is subject to the regional and potential overall rule as soil erosion background factors， although its value size is not affected by mining activities， but it is an important external agent of mining area of soil erosion， working together with the rest soil erosion factors of the mining area， impacting time and space distribution of mining area soil loss; terrain factor， soil corrosion factor， vegetation coverage factor， factor of soil and water conservation measures are the key factor of the occurrence and development of mining area soil erosion degree， which inhibit the action of the soil erosion is affected by mining activities; the distribution characteristics of mining area soil erosion in different periods is that the production period is the largest， from the construction phase to production period to stop mining recovery， the soil erosion is changed from small to large then from large to small; soil erosion spatial distribution characteristic is that open pit and waste dump account for a larger proportion. The characteristics of temporal and spatial distribution and mining activities are closely related with the change of soil erosion factors. The key period of water and soil erosion prevention and control is production period and key area is open pit and waste dump.

Key words： factor of soil erosion; rainfall erosion factor; soil corrosion; characteristics of soil erosion; mining area; loess region of western Henan Province

以采礦生產(chǎn)活動為外營力的土壤侵蝕是典型的現(xiàn)代人為加速侵蝕[1-2]。采礦生產(chǎn)活動不可避免地破壞礦區(qū)地形地貌和植被，使部分土地利用方式發(fā)生改變、原有功能喪失、裸露面積增加，加劇局部水土流失[3]。不同礦區(qū)水土流失在服從區(qū)域自然條件下水土流失規(guī)律的同時(shí)，因區(qū)域性背景因素和主導(dǎo)性人為因素的不同而具有自身特殊性[4-6]。豫西沿黃地區(qū)處于我國地勢第二級階梯與第三級階梯的過渡地帶，是河南省水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，同時(shí)礦產(chǎn)資源極其豐富，是河南省乃至全國重要的貴金屬和能源開發(fā)基地，礦區(qū)人為加速侵蝕和水土流失比較嚴(yán)重。本文對豫西沿黃礦區(qū)土壤侵蝕因子及土壤流失特點(diǎn)進(jìn)行分析，以期為該區(qū)水土流失的有效治理提供依據(jù)。

1 豫西沿黃礦區(qū)土壤侵蝕因子分析

利用2008年建立的三門峽金水河小流域觀測站及五花嶺徑流觀測場典型年份的實(shí)測資料，通過典型礦區(qū)現(xiàn)場量測、高分辨率遙感影像解譯、GIS分析計(jì)算以及水土保持試驗(yàn)研究成果資料統(tǒng)計(jì)分析，對豫西沿黃礦區(qū)降雨、地形、土壤、植被、水土保持措施等土壤侵蝕影響因子進(jìn)行分析。

1.1 降雨因子

降雨是引起土壤侵蝕的動力，降雨因子用降雨侵蝕力R表征，即次降雨總動能E與最大30 min降雨強(qiáng)度I30的乘積，單位為MJ·mm/（hm2·h），其值大小與礦區(qū)氣象條件有關(guān)，在不考慮礦區(qū)局地小氣候條件改變的情況下，降雨與礦區(qū)開采無直接相關(guān)性，即不受采礦活動影響，在豫西沿黃礦區(qū)土壤侵蝕因子中為背景因子。

利用金水河小流域觀測站2015—2017年實(shí)測降雨資料進(jìn)行降雨侵蝕力計(jì)算，2015年、2016年、2017年降雨侵蝕力分別為1 009.22、1 504.06、787.18 MJ·mm/（hm2·h），3 a平均值為1 100.15 MJ·mm/（hm2·h）。

1.2 地形因子

地形因子由坡長因子L與坡度因子S組合而成，用LS表示，無量綱，是影響土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因子，受開挖、堆棄等采礦活動的影響而改變。現(xiàn)場利用激光測距儀對12座典型礦區(qū)（見表1）排土場堆積坡面、露天采坑開挖坡面、礦區(qū)道路堆積坡面、堆土場堆積坡面、工業(yè)廣場堆積坡面、平硐口開挖坡面等邊坡長度進(jìn)行測量，同時(shí)利用激光測距儀內(nèi)置程序計(jì)算出邊坡任意兩點(diǎn)之間的高差，進(jìn)而計(jì)算坡度，然后采用《水土保持遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL 592—2012）中的方法計(jì)算地形因子LS值，結(jié)果見表1。

由表1可知，典型礦區(qū)不同擾動類型坡面邊坡地形因子LS值范圍為1.971 5～19.591 4。點(diǎn)繪地形因子LS與坡長、坡度的對應(yīng)情況（圖略），可以看出：地形因子LS與坡度、坡長均呈正相關(guān)關(guān)系，坡長越大、坡度越陡地形因子LS值越大。應(yīng)合理控制礦區(qū)各類邊坡的坡長、坡度，才能有效減小地形因子對土壤流失的影響。

1.3 土壤因子

土壤因子與土壤理化性狀、有機(jī)質(zhì)含量等關(guān)系密切，用土壤可蝕性K表示。礦區(qū)開采徹底破壞了原地貌土壤狀態(tài)，使其可蝕性發(fā)生重大變化，是影響礦區(qū)土壤侵蝕程度的關(guān)鍵因子。采用張科利等[7]計(jì)算我國土壤可蝕性因子的方法，利用五花嶺徑流觀測場25°觀測小區(qū)（裸地）單位面積年土壤流失量實(shí)測數(shù)據(jù)即2016年4 t/（hm2·a）和金水河小流域觀測站降雨侵蝕力因子R的計(jì)算結(jié)果即2016年1 504.06 MJ·mm/（hm2·h），在對五花嶺25°觀測小區(qū)邊坡和豫西沿黃12座典型礦區(qū)不同類型坡面邊坡現(xiàn)場量測并以標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)進(jìn)行坡長與坡度修正的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析各典型礦區(qū)不同類型坡面土壤流失量，計(jì)算豫西沿黃12座典型礦區(qū)各類邊坡和五花嶺25°觀測小區(qū)的土壤可蝕性因子K值，結(jié)果見表2。

豫西沿黃典型礦區(qū)各類坡面土壤可蝕性因子K值是五花嶺25°觀測小區(qū)的7.88～21.62倍，說明采礦活動對原地貌土壤擾動損壞越嚴(yán)重，造成的人為坡面坡長越大、坡度越陡，土壤可蝕性K值就越大，土壤侵蝕程度越嚴(yán)重。

1.4 植被因子

植被因子C反映植被覆蓋和管理狀況，本研究主要依據(jù)植被覆蓋度確定豫西沿黃礦區(qū)植被因子C。礦區(qū)開采在損壞原地貌的同時(shí)損毀開采區(qū)的植被，使其失去對土壤侵蝕的抑制作用，因此植被覆蓋因子C是影響礦區(qū)土壤侵蝕程度的關(guān)鍵因子。通過夏態(tài)時(shí)相高分辨率遙感影像解譯并在現(xiàn)場調(diào)查復(fù)核的基礎(chǔ)上獲得豫西沿黃12座典型礦區(qū)植被覆蓋度，采用蔡崇法等[8]預(yù)測小流域土壤侵蝕量的方法進(jìn)行植被覆蓋因子C值的計(jì)算，結(jié)果見表3。

植被覆蓋因子C值的變化與植被覆蓋度相關(guān)，礦區(qū)開采導(dǎo)致原地貌損壞、植被損毀、地表裸露，植被對采礦擾動范圍內(nèi)土壤侵蝕的抑制作用“從有到無”，利用GIS分析計(jì)算時(shí)取值“從0到1”，即植被覆蓋度越低越接近于0，則植被覆蓋因子C值越大、越接近于1，植被對土壤侵蝕的抑制作用越小、土壤侵蝕越嚴(yán)重。由表3可以看出，11號礦區(qū)未采取人工恢復(fù)植被措施的裸地的植被覆蓋因子C值達(dá)到最大值1.000 0，而10號礦區(qū)4 a自然恢復(fù)草地+農(nóng)作物的植被覆蓋度達(dá)到41%，植被覆蓋因子C值僅為0.096 6，說明10號礦區(qū)植被對土壤侵蝕的抑制作用較11號礦區(qū)增強(qiáng)約10倍;人工恢復(fù)喬木+灌木+草的植被覆蓋因子C值明顯小于純草或農(nóng)作物的，即人工恢復(fù)喬木+灌木+草對土壤侵蝕的抑制作用高于純草或農(nóng)作物。因此，礦區(qū)應(yīng)多物種恢復(fù)植被，以提高對土壤侵蝕的抑制作用。

1.5 水土保持措施因子

水土保持措施因子反映水土流失治理措施對土壤侵蝕的抑制作用，用P表示。礦區(qū)不同開采階段、不同擾動部位，應(yīng)根據(jù)土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展特點(diǎn)采取不同的水土流失防治措施。通過豫西沿黃典型礦區(qū)現(xiàn)場調(diào)查及試驗(yàn)觀測資料統(tǒng)計(jì)分析，把礦區(qū)水土保持措施分為工程措施、植物措施、臨時(shí)措施三類。各礦區(qū)根據(jù)開采擾動部位和特點(diǎn)，采取了不同的水土流失防治措施體系，其關(guān)鍵防治措施主要有斜坡防護(hù)、棄土棄渣攔擋、截排水、植被重建等。由于各類措施的防護(hù)對象、結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、布設(shè)位置等不同，對土壤侵蝕的防治效果也不同，其影響因素復(fù)雜且多變，因此水土保持措施因子P值的計(jì)算尚無統(tǒng)一方法。在豫西沿黃礦區(qū)土壤侵蝕因子分析時(shí)，參照植被覆蓋因子C值的計(jì)算方法，確定水土保持措施因子P的取值范圍為0～1，0表示有完善有效的水土流失防治措施體系，1時(shí)表示未采取任何水土流失防治措施，可根據(jù)礦區(qū)開采過程中采取的水土流失防治措施的完善性、有效性等進(jìn)行取值。

2 豫西沿黃礦區(qū)土壤流失特點(diǎn)

采礦活動使礦區(qū)地形因子、土壤可蝕性因子、植被覆蓋因子、水土保持措施因子等發(fā)生不同程度的改變，形成特殊的人為加劇土壤侵蝕。在豫西沿黃12座典型礦區(qū)中選擇采礦工藝具有代表性、各項(xiàng)觀測成果資料完善的1號、4號、8號、11號典型礦區(qū)進(jìn)行土壤流失時(shí)空分布特點(diǎn)分析，見表4、表5。

由表4可知，豫西沿黃典型礦區(qū)土壤流失量在各時(shí)期的分布特點(diǎn)是開采期最大，基建期土壤流失量占總量的比例為9.58%～18.31%、平均占比為16.89%，開采期土壤流失量占總量的比例為65.58%～81.99%、平均占比為76.98%，恢復(fù)期土壤流失量占總量的比例為2.06%～24.84%、平均占比為6.13%，說明礦區(qū)采礦活動從開始建設(shè)、采礦達(dá)產(chǎn)到停采后恢復(fù)植被，土壤侵蝕各因子變化情況為弱→強(qiáng)→弱、土壤流失量變化情況為小→大→小。

由表5可知，豫西沿黃典型礦區(qū)土壤流失量空間分布特點(diǎn)是露天采場、排土場占比較大，最大占比分別為73.48%、70.99%，露天采場、排土場土壤流失量平均占比分別為55.78%、32.90%，說明露天采場開挖、排土場堆積對原地形地貌、土壤、植被損毀嚴(yán)重，且開采過程中各因子抑制土壤侵蝕作用減弱甚至消失。

3 結(jié) 論

（1）降雨侵蝕力因子R作為背景因子服從于區(qū)域性與潛在性整體規(guī)律，雖然其值大小不受采礦活動影響，但它是礦區(qū)土壤侵蝕的重要外營力，與礦區(qū)土壤侵蝕的其他因子共同作用，影響礦區(qū)土壤流失的時(shí)空分布。

（2）地形因子LS、土壤可蝕性因子K、植被覆蓋因子C、水土保持措施因子P是影響礦區(qū)土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展與程度的關(guān)鍵因子，其抑制土壤侵蝕的作用受采礦活動的影響。

（3）豫西沿黃礦區(qū)土壤流失在各時(shí)期的分布特點(diǎn)是開采期最大，從基建期到開采期、再到停采后的恢復(fù)期，土壤流失量變化情況是由小變大再由大變小;土壤流失量空間分布特點(diǎn)是露天采場、排土場占比較大。礦區(qū)土壤流失量時(shí)空分布特點(diǎn)與礦區(qū)采礦活動對土壤侵蝕因子的改變密切相關(guān)，水土流失防治的重點(diǎn)時(shí)期是開采期、重點(diǎn)區(qū)域是露天采場和排土場。

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【責(zé)任編輯 張智民】