廢棄尾礦坡面產流產沙影響因素分析

李 楠，吳超君，郝 喆，滕 達，王曉明

(1.遼寧大學 環境學院，遼寧 沈陽 110036；2.遼寧有色勘察研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110013)

0 引言

隨著我國經濟的發展，每年全國礦山所排棄的尾礦越來越多，這些尾礦僅小部分被利用，剩下的大部分都存放在尾礦庫中，其中很多尾礦庫處于無人看管的廢棄狀況。結構極其不穩定的廢棄尾礦庫水土流失嚴重，致使礦區及其附近環境受到污染。明確廢棄尾礦壩坡面的產流產沙特征以及初始產流時間，可為提出合理水土保持措施提供理論依據。

國內外諸多學者通過人工模擬降雨對產流產沙規律進行了探究。Yuli Zhao[1]等通過模擬降雨對不同雨強下的植被產流產沙特征進行了研究；Xiang Li[2]等利用人工降雨裝置研究了森林植被對徑流產沙的影響，并表明植被在減少產流量和延緩產流時間方面有顯著影響；Changjia Li[3]等在模擬降雨條件下對坡地地表徑流侵蝕進行了動態研究。把握模擬降雨中的初始產流時間是計算坡面產流產沙量的重要環節，而初始產流時間受到降雨強度、坡度、植被等多種因素的影響[4]。蔣秋玲[5]等對坡面初始產流時間進行了探究；車明軒[6]等在對紫色土坡面產流影響的研究中表明了不同雨強和坡度下產流時間的變化趨勢；鄧景成[7]開展的灌草植被蓋度對產流產沙影響的模擬降雨試驗中表明增加植被覆蓋率可有效延緩初始產流時間。

目前，對產流產沙的研究多為自然形成的土壤基質，而針對廢棄多年無人管理的尾礦庫開展的研究較少。廢棄尾礦庫的表層土質疏松孔隙率高，保水、保肥的能力差，且有毒有害物質常存在于廢棄尾礦中，植物難以生長，再加上結構穩定性較差，使得廢棄尾礦壩坡面極易發生徑流及侵蝕產沙。本文采用人工模擬降雨裝置，將廢棄尾礦土作為研究對象，選擇灰色關聯度的方法，研究植被覆蓋率、雨強、坡度對產流率和產沙率的影響，以及對初始產流時間的影響分析。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤與填土方案

試驗模型采用的尾礦土壤取自遼陽縣寒嶺鎮一廢棄尾礦庫，見圖1。

圖1 遼陽縣寒嶺鎮一廢棄尾礦庫

進行模型填土時，將厚度為10 cm的碎石放置在試驗槽底部，旨在讓底部試驗土壤同現場盡可能相仿，以減少誤差。填土時，方法為分層填筑，填充和壓實兩道工序同步進行，使土層從上到下土壤的緊實度增加。在試驗槽邊壁進行適當壓實，以降低邊壁效應使水流正常流動。單位容積的土體重量控制在1.8～1.9 t。

1.2 模擬降雨設計

人工降雨試驗模型的主體規格為：7.5 m×1.2 m×1.5 m(長×寬×高)。利用設置在裝置頂部的降雨架模擬降雨，降雨過程中的有效高度為6 m，保持恒定水壓，雨滴大小及到達坡面的速度與天然降雨狀態相近。裝置底部設防滲系統及排水管，末端出水處設計有V型集流槽，徑流泥沙樣通過放置在集流口處的空桶來收集。導水管上設置瞬時電子流量計和控制閥，降雨裝置噴頭并聯，通過打開不同的閥門，控制雨強。

為使每次試驗的初始含水率基本維持在10%左右并消除坡體表面的差異性。試驗前，在坡面進行預降雨，當徑流出現渾濁時停止降雨。試驗中開始記錄降雨的時間為雨滴落在坡面上的時刻，記錄產流的時間以產流出現渾濁的現象為起始，共降雨30 min。開始記錄產流時即進行徑流樣的收集，每次試驗共采集15個樣品。待樣品靜置24 h徑流泥沙樣完全澄清后倒掉上層清液，之后將泥沙樣自然風干后，取一部分土壤樣品烘干稱重得到產沙重量并記錄。試驗實物如下圖2所示。

圖2 降雨模型實物圖

1.3 坡度及植被覆蓋設計

遼寧省雨強空間的分布極不均勻，范圍在21～212 mm/h之間，其南部地區中心雨強值達到100 mm/h，北部地區雨強值在21～67 mm/h之間[8]，故本試驗設置20、60、100、220 mm/h四種雨強。坡度因素對產流產沙的作用最主要[9]。15°是尾礦壩的常見坡度，且楊開寶[10]等在試驗中發現坡度在10°～24°時侵蝕量隨坡度增加而增加，但當坡度大于24°以后侵蝕量同坡度的關系呈負相關。根據尾礦壩的常見坡度以及試驗地的條件，設置了兩種坡度(15°和30°)，并將坡長控制在2 m。植被可有效緩解水土流失現象[11]。本試驗通過鋪設草皮模擬植被覆蓋。大部分相關研究認為超過70%的覆蓋率，可很大程度上控制水土流失。覆蓋率在60%～80%之間產生的防治效果較在20%～40%之間的穩定[12]，根據當地情況，采用0、40%、80%、100%四種植被覆蓋率。

2 結果與分析

2.1 產沙率與影響因素之間的關系

當坡度和植被覆蓋率一定時，產沙率原始數據可分為8組。每組數據中隨著一定的時間間隔一種雨強對應15個產沙率數據，對8組數據中每一種雨強對應的15個產沙率數據取均值后，共得到32個數據作為灰色分析的原始數據。設置影響因素坡度(X1)、植被覆蓋率(X2)、雨強(X3)為比較數列，產沙率(X0)為參考數列。計算灰色關聯度具體步驟如下[13]：

無量綱化(均值化法)處理原始數據即：

(1)

逐一計算參考數列(均值化后的第一列)與比較數列的絕對差值即：

|x0(k)-xi(k)|

(2)

計算關聯系數：

ζi(k)=

(3)

計算關聯度：

(4)

據此，求得影響因素對于產沙率的關聯度，詳見表1。

表1 影響因素與產沙率的關聯度

灰色關聯度的數值大小可表明影響因素對參考數列的影響程度，數值越大則影響程度越大。由表1可知，各因素對產沙率均有較大的影響，對產沙率的關聯度影響最大的因素為雨強，其數值是0.872 48，雨強的增大致使坡面徑流變大，土壤的滲透性由于徑流沖刷力的增強而下降，致使侵蝕產沙現象加重。坡度對于產沙率的關聯度，為0.862 22，坡度增大會增加土層被徑流沖走的幾率。植被覆蓋率較另兩種因素的數值小，為0.845 46，但對產沙率同樣有較大的影響，地表在植被的阻擋下受到雨水的擊濺侵蝕作用減小，另一方面植被可增加土壤的抗蝕能力，兩者共同作用使產沙率降低。

2.2 產流率與影響因素之間的關系

把參考數列Y0設為產流率，比較數列不變，利用公式(1)～(3)對原始數據進行計算，得出關聯系數后，利用公式(4)得到影響因素對于產流率的灰色關聯度，計算結果見表2。

表2 影響因素與產流率的關聯度

對灰色關聯度進行排序：雨強>坡度>植被覆蓋率,即對坡面產流率影響程度相對較大的首先為雨強，次之是坡度，影響程度相對最弱的為植被覆蓋率。雨強對于產流率的關聯度為0.742 54，雨強愈大，動能愈大，落在坡面的雨滴速度愈大，尾礦壩坡面接受單位時間內的雨量愈大，使得坡面產流率增加，該因素對產流率的影響最大。坡度對于產流率的關聯度為0.722 97，產流率受其影響較大，坡面徑流沿重力方向移動的分力同坡度呈正相關，所以提高坡度會加快水流匯集速度，產流率隨之增大。與坡度因素和雨強因素相比，植被覆蓋率對于產流率的影響較小，關聯度為0.670 63。

2.3 尾礦壩坡面初始產流時間分析

不同試驗條件下尾礦壩坡面初始產流時間的結果見圖3。由圖3可見，控制植被覆蓋率的條件下，坡度和雨強增加，可縮短尾礦壩坡面的初始產流時間。控制坡度和雨強兩種變量，初始產流時間在植被覆蓋率增加的條件下被推遲。說明同初始產流時間呈負相關的為雨強及坡度，呈正相關的為植被覆蓋率。其中裸地初始產流時間的最小值為130 s(220 mm/h，15°)，最大值為600 s(20 mm/h，15°)；植被覆蓋率為100%時初始產流時間的最小值為165 s(220 mm/h，30°)，最大值為1 080 s(20 mm/h，15°)。雨滴連續不斷的擊打坡面，使得坡面出現不均勻的雨穴，雨強增大使得雨穴的數量增加，增大了坡體表面的粗糙程度，局部徑流流速因此延緩，從而提前初始產流時間。坡度提高，雨水滲到土壤的幾率下降，雨滴加速在坡面上匯集，徑流流速增大，從而使初始產流時間提前。

圖3 不同試驗條件下的初始產流時間

經回歸分析，得出試驗條件下初始產流時間和三種因素的關系式為：

T=799.981 2+3.079 237D-2.857 14I-9.183 33C

(5)

式中：T—初始產流時間，s；D—植被覆蓋率，%；I—雨強，mm/h；C—坡度，°。

回歸方程得到樣本決定系數R2=0.846，觀測值n=32，達到極顯著(p<0.01)，說明該回歸方程能夠用于預測試驗條件下的尾礦壩坡面初始產流時間。

對初始產流時間與植被覆蓋率、雨強、坡度做偏相關性分析。得到三者與初始產流時間的標準偏回歸系數分別為0.757、-0.902、-0.559，且植被覆蓋率、雨強、坡度與初始產流時間的相關性均達到極顯著(P<0.01)，由此得出試驗條件下的三個因素都對尾礦壩坡面初始產流時間有較大影響且影響極顯著。可確定三個因素中對初始產流時間影響最大的因素為雨強，其次為植被覆蓋率，最后為坡度。

與裸地相比較，植被的存在可推遲初始產流時間。三種植被覆蓋率對尾礦壩坡面初始產流時間的延緩情況如圖4所示，由圖4可知，初始產流時間能被三種植被覆蓋率有效延緩，其中40%的植被覆蓋率延緩產流時長在5～140 s范圍內，雨強為100 mm/h、坡度15°時延緩產流時間達140 s，其他條件下延緩產流時間在5～110 s內。80%的覆蓋率延緩產流時長在15～300 s之間，較40%覆蓋率的延長效果好，雨強為20 mm/h、坡度15°時延緩產流時間達300 s。100%的覆蓋率延緩產流時長在30～612 s之間，雨強為100 mm/h、坡度15°時延緩產流時間達612 s，其延緩產流時間較80%、40%覆蓋率效果都要好。這是由于植被的覆蓋減小了雨滴對于坡面的沖擊，同時植被也起到阻擋作用，使徑流的速度變慢，覆蓋在地表的植物承受了原來作用在地表的力。因此，延緩產流時間隨著植被覆蓋率的增加相對變長。

圖4 不同試驗條件下的延緩產流時間

3 結論

利用人工模型實驗裝置，研究不同植被覆蓋率、雨強和坡度下的廢棄尾礦坡面初始產流時間以及與產流產沙的關聯度，所得結論如下：

(1)植被覆蓋率、雨強和坡度對于產沙率的關聯順序為：雨強>坡度>植被覆蓋率，對產流率的關聯順序為：雨強>坡度>植被覆蓋率。當雨強、坡度、植被共同作用時，廢棄尾礦坡面產流產沙率受雨強影響最大，坡度次之，植被覆蓋的影響相對其他兩個影響因素較弱。

(2)初始產流時間與植被覆蓋率、雨強及坡度呈一定的線性關系，與植被覆蓋率之間表現為正相關關系，與雨強及坡度之間表現為負相關關系。裸地、雨強為220 mm/h、坡度為15°時初始產流時間最早；覆蓋率為100%、雨強為20 mm/h、坡度為15°時初始產流時間最晚。

(3)對初始產流時間產生最主要影響的是雨強和植被覆蓋，坡度在試驗條件下對初始產流時間的影響較另外兩種因素都小，三個因素對初始產流時間的作用效果都較大且均達到極顯著。試驗條件下設置的三種植被覆蓋率均可有效延緩初始產流時間，植被覆蓋率的提高對產流時間延緩有積極作用。