風(fēng)化煤矸石坡面水土流失規(guī)律模擬

馮慧敏，王電龍，胡振華

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，030801，山西太谷;2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，050061，石家莊;3.山西省水利建設(shè)開發(fā)中心，030002，太原)

煤矸石是在煤炭開采、洗選加工過程中所產(chǎn)生的固體廢物，約占煤炭開采量的10% ～25%。目前全國煤矸石的總積存量約45億t，而且仍在逐年增長，矸石山幾乎成為我國煤礦的標(biāo)志［1］。煤矸石組成物質(zhì)理化性質(zhì)特殊，如果不斷受到雨水淋溶沖刷，將會嚴(yán)重破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，造成環(huán)境污染，進而影響到當(dāng)?shù)鼐用竦纳婧桶l(fā)展。

此前，一些學(xué)者對煤矸石坡面的水土流失規(guī)律進行了一定的研究，例如:王青杵等［2］認為，小徑流沖刷條件下，煤矸石抗沖性能大，侵蝕輕微;李德平等［3］認為，降雨特征、地形地貌和植被覆蓋度是影響矸石山水土流失量大小的主要因素，降雨強度越大，坡越長越陡水土流失量越大，植被覆蓋度越大，水土流失量越小;林素蘭等［4］的模擬試驗結(jié)果表明，在大降雨強度條件下煤矸石廢棄物累計侵蝕量與降雨產(chǎn)流歷時呈冪函數(shù)關(guān)系，在小降雨強度條件下，煤矸石廢棄物累積侵蝕量與降雨產(chǎn)流歷時呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系;王文龍等［5］的野外放水沖刷試驗結(jié)果表明，煤矸石堆積年限越長，可蝕性越小，侵蝕強度越小，徑流量、產(chǎn)沙量與放水流量呈直線關(guān)系，產(chǎn)沙量與徑流量亦成直線關(guān)系，集中的徑流可造成嚴(yán)重的侵蝕，含沙量保持很高的水平，隨著沖刷時間的變化，含沙量出現(xiàn)劇烈的上下波動，總體上表現(xiàn)出減少的趨勢;胡振華等［6-7］的研究結(jié)果表明，煤矸石滲透性較強，在較小坡度和流量條件下，煤矸石坡面侵蝕的脈動性、隨機性、間歇性明顯，徑流體積含沙量變化幅度很大，在較大坡度和流量條件下，侵蝕呈現(xiàn)明顯的突發(fā)性，泥沙移動具有類似泥石流移動的特征。這些研究成果為矸石山水土流失防治提供了一定的科學(xué)依據(jù)，但針對煤矸石坡面產(chǎn)流過程機制和設(shè)計徑流量、坡度與產(chǎn)流產(chǎn)沙量定量關(guān)系的研究成果還相對較少，有待更進一步研究。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)模擬徑流沖刷試驗的方法，研究風(fēng)化煤矸石坡面在不同徑流量和坡度組合影響條件下的水土流失規(guī)律，旨在為礦區(qū)煤矸石山的水土流失防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省古交市西北部的古交煤礦，地理坐標(biāo) E 111°43′8″～112°21′5″，N 37°40′6″～38°8′9″，海拔1 604 m，氣候區(qū)劃為溫帶大陸性氣候。研究區(qū)年平均溫度9.5℃，最高氣溫40℃，最低氣溫-20℃，年均降水量460 mm，10年一遇24 h降水量為119 mm，20年一遇24 h降水量為150 mm，降水量多集中在7、8、9月份。最大風(fēng)速7.2 m/s。凍土深度0.5～0.8 m。研究區(qū)現(xiàn)堆存有大量風(fēng)化程度不等的煤矸石，水土流失較為嚴(yán)重。

2 試驗材料及方法

1)試驗材料。模擬試驗采用位于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究所內(nèi)的長200 cm、寬40 cm、深50 cm的可調(diào)節(jié)坡度徑流槽進行。材料取自研究區(qū)矸石山風(fēng)化5年的煤矸石，顆粒組成如表1所示。其中，＜0.15 mm的顆粒占15.82%，＞2 mm的顆粒占57.09%。

表1 試驗煤矸石顆粒組成Tab．1 Particle size distribution and median diameter of the tested waste rock

2)試驗方法。試驗流量采用恒壓箱定水頭控制。試驗時將煤矸石分層填入試驗槽內(nèi)，邊填邊壓實，干密度控制在1.35～1.40 g/cm3之間。試驗前測定煤矸石的含水量及干密度。根據(jù)黃土高原地區(qū)暴雨降雨強度標(biāo)準(zhǔn)(下、中、上限分別為0.5、2和4 mm/min)［7-8］，將在野外標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)產(chǎn)生的單寬流量及李德平等［3］在野外煤矸石山徑流小區(qū)實測的徑流量換算成徑流槽內(nèi)的流量，并參照王青杵等［2］煤矸石坡面徑流沖刷試驗采用的流量，得到相應(yīng)徑流槽內(nèi)的設(shè)計流量2、2.5、3、3.5 L/min。坡度采用 20°、25°、30°、35°4 個等級。每次試驗時間為10 min，重復(fù)2次，每隔1 min在試驗槽堰口處取一次樣。取樣后首先用量筒測量每個試樣體積作為試驗產(chǎn)流量，然后用孔徑0.05 mm的試驗篩將泥沙樣篩出后，用烘干箱將泥沙樣烘干，再用電子天平稱量作為試驗產(chǎn)沙量。

3 產(chǎn)流過程分析

3.1 設(shè)計徑流量對產(chǎn)流過程的影響

根據(jù)實測產(chǎn)流量資料，分析得到在4個坡度下坡面產(chǎn)流量隨時間的變化曲線，如圖1所示。

從圖1(a)～(b)可以看出，在設(shè)計徑流量為2.0和2.5 L/min的條件下，坡面產(chǎn)流曲線隨試驗時間增長高低起伏，呈現(xiàn)為“單峰”或“多峰”曲線，沒有明顯的規(guī)律性。這是因為當(dāng)坡面坡度小于30°時，坡面徑流流速較小，徑流主要下滲到土壤中，分散能力和沖刷能力相對較弱，不足以推動泥沙向前運移，隨著水量不斷的下滲，土壤含水量越來越大，坡面上相對低洼處開始積蓄水量，徑流沖刷分散能力隨之逐漸加大，當(dāng)增大到一定程度，便推動少量泥沙向前運移，并在坡面上留下侵蝕溝，侵蝕溝內(nèi)不斷積蓄更多的水量，攜帶更多的泥沙到達堰口，形成一個峰值。由于坡面的不均勻不平整性，上述產(chǎn)流過程會在坡面多個位置同步或異步進行，從而造成多個峰值的交錯出現(xiàn)。

圖1 不同設(shè)計徑流流量下產(chǎn)流量隨時間變化曲線Fig．1 Runoff curve in different designed runoff

從圖1(c)～(d)可以看出，當(dāng)流量增大為3.0和5.0 L/min時，坡面產(chǎn)流量隨試驗時間增長變化曲線多呈現(xiàn)為“單峰”曲線，且“峰值”出現(xiàn)時間較早。這是因為強大的徑流沖刷力在試驗初期便推動泥沙大規(guī)模運移到達堰口，形成“峰值”，并在坡面上沖刷出一道近似“U”型的凹槽，此后，徑流多從溝頭和溝側(cè)匯集于凹槽中，使溝頭不斷向坡面上方移動，凹槽不斷變長變寬，隨著試驗的進行，坡面上部的溯源侵蝕和下部的淤積使得整個凹槽坡降逐漸變緩，徑流流速減小，沖刷力減弱，當(dāng)徑流不足以帶動矸石顆粒向前推移時，到達堰口徑流逐漸變?yōu)榍逅髁恐饾u趨于穩(wěn)定。

3.2 坡度對產(chǎn)流過程的影響

根據(jù)實測徑流量資料，分析得到在設(shè)計徑流量為2.0、2.5、3.0和3.5 L/min 4種情況下坡面產(chǎn)流量隨坡度增大變化曲線，如圖2所示。

從圖2(a)～(b)可以看出，在設(shè)計徑流量為2.0和2.5 L/min的條件下，坡度對坡面產(chǎn)流曲線的影響十分明顯，20°和25°坡面條件下坡面產(chǎn)流曲線隨試驗時間增長均較為平緩，產(chǎn)流量隨坡度增大略有增加，而在30°和35°坡面條件下產(chǎn)流曲線隨試驗時間增長變化幅度較大。這是因為坡面產(chǎn)流過程與侵蝕產(chǎn)沙過程是密切相關(guān)的，在20°和25°坡面條件下，侵蝕過程主要受徑流沖刷力的控制，在小坡度小設(shè)計徑流量條件下，徑流流速和坡面產(chǎn)流量均較小，徑流沖刷力較小，徑流只能推動小股的分散的矸石顆粒到達堰口，故坡面產(chǎn)流曲線表現(xiàn)的較為平緩，當(dāng)坡面坡度增大到30°和35°時，侵蝕過程受到矸石顆粒重力和徑流沖刷力的雙重控制，矸石顆粒在重力和徑流沖刷力的作用下不斷到達堰口，坡面產(chǎn)流曲線變化幅度較大。

圖2 不同坡度下產(chǎn)流量隨時間變化曲線Fig．2 Runoff curve in different designed slopes

從圖2(c)～(d)可以看出，當(dāng)流量為3.0和3.5 L/min時，在20°坡面條件下，坡面產(chǎn)流曲線隨時間變化幅度較大，表現(xiàn)出與設(shè)計徑流量2.0和2.5 L/min的條件下20°和25°坡面產(chǎn)流曲線相似的變化規(guī)律，其產(chǎn)生原因是相同的。當(dāng)坡度增大到25°、30°和35°時，徑流曲線呈現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律，試驗一開始產(chǎn)流量便達到最大值，隨后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。這是因為試驗初期重力與徑流沖刷力出現(xiàn)疊加效應(yīng)，矸石聚積體在重力與徑流沖刷力疊加作用下較大規(guī)模地整體滑移，同時到達堰口，徑流量與產(chǎn)沙量同時達到最大值，以后徑流逐漸形成固定流路，產(chǎn)流量逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3 設(shè)計徑流量和坡度對坡面平均產(chǎn)流量的影響

圖3 平均產(chǎn)流量隨設(shè)計徑流量(a)及坡度(b)變化曲線Fig．3 Average runoff curve with different designed runoff(a)and slopes(b)

坡面平均產(chǎn)流量是指每組試驗總產(chǎn)流量與試驗時間的比值。點繪的坡面平均產(chǎn)流量與坡度和設(shè)計徑流量關(guān)系如圖3所示。由圖3(a)可以看出，在相同設(shè)計徑流量條件下，坡面平均產(chǎn)流量隨坡度的增大而迅速增大，如在設(shè)計徑流量為2.0 L/min條件下，35°坡面的平均產(chǎn)流量是30°坡面的1.4倍、25°坡面的1.6倍、20°坡面的1.8倍。這是因為隨著坡度的增大，徑流流速增大，下滲量減少。由圖3(b)可以看出，在相同坡度條件的下，設(shè)計徑流量對坡面平均產(chǎn)流量影響顯著，如在35°坡度條件下，設(shè)計徑流量為3.5 L/min時的平均產(chǎn)流量是3.0 L/min時的1.1倍，設(shè)計徑流量為3.0 L/min時的平均產(chǎn)流量是2.5 L/min時的1.1倍，設(shè)計徑流量為2.5 L/min時的平均產(chǎn)流量是2.0 L/min時的1.3倍。利用SPSS(11.5)軟件對坡面平均產(chǎn)流量與坡度和設(shè)計徑流量進行相關(guān)分析，得如下關(guān)系式:

式中:q為坡面平均產(chǎn)流量，L/min;Q為設(shè)計徑流量，L/min;S 為坡度，(°)。

可知，坡面平均產(chǎn)流量與坡度和設(shè)計徑流量均呈冪函數(shù)增長關(guān)系，且設(shè)計徑流量的指數(shù)(1.157)大于坡度的指數(shù)(0.721)，說明設(shè)計徑流量對坡面平均產(chǎn)流量的影響要大于坡度。

3.4 設(shè)計徑流量和坡度對坡面平均產(chǎn)沙率的影響

坡面平均產(chǎn)沙率為每組試驗總產(chǎn)沙量與試驗時間的比值。圖4為坡面平均產(chǎn)沙率隨設(shè)計徑流量和坡度的變化曲線。從圖4(a)可以看出，在相同坡度的條件下，坡面平均產(chǎn)沙率隨設(shè)計徑流量的增大增長趨勢明顯，如在25°坡面條件下，設(shè)計徑流量為2.0 L/min時，坡面平均產(chǎn)沙率僅為64.4 g/min，當(dāng)設(shè)計徑流量增大到2.5 L/min時，坡面平均產(chǎn)沙率增大到226.56 g/min，當(dāng)設(shè)計徑流量增大到3.0 L/min時，坡面平均產(chǎn)沙率增大到527.71 g/min，當(dāng)設(shè)計徑流量增大到3.5 L/min時，坡面平均產(chǎn)沙率達到648.19 g/min。由此可知，設(shè)計徑流量對坡面平均產(chǎn)沙率影響顯著，這是因為隨著設(shè)計徑流量增大，坡面產(chǎn)流量增大，徑流沖刷力增大的緣故。由圖4(b)可以看出，在相同設(shè)計徑流量的條件下，坡面平均產(chǎn)沙率隨坡度的增大而迅速增大，如在設(shè)計徑流量為3.0 L/min的條件下，35°坡面的平均產(chǎn)沙率是30°坡面的 1.3 倍，25°坡面的 1.5 倍、20°坡面的 2.3倍。由此可知，坡度對坡面平均產(chǎn)沙率的影響也十分顯著，這是因為隨著坡度的增大，徑流流速和產(chǎn)流量增大，徑流沖刷力和矸石顆粒受到的重力作用均增大的緣故。利用SPASS(11.5)軟件對坡面平均產(chǎn)沙率與坡度和設(shè)計徑流量進行相關(guān)分析，得如下關(guān)系式:

式中M為坡面平均產(chǎn)沙率，g/min。

可以看出，坡面平均產(chǎn)沙率與坡度及設(shè)計徑流量均呈冪函數(shù)關(guān)系，且設(shè)計徑流量的指數(shù)(2.02)要大于坡度的指數(shù)(1.751)，說明設(shè)計徑流量對坡面平均產(chǎn)沙率的影響要大于坡度。

圖4 平均產(chǎn)沙率隨設(shè)計徑流量(a)及坡度(b)變化曲線Fig．4 Curve of sediment yield with different designed runoff(a)and slopes(b)

4 結(jié)論

1)設(shè)計徑流量對坡面產(chǎn)流過程影響顯著，在設(shè)計徑流流量為2.0和2.5 L/min的條件下，坡面產(chǎn)流過程曲線高低起伏，呈現(xiàn)為“單峰”或“多峰”曲線，沒有明顯規(guī)律性，當(dāng)設(shè)計徑流量增大到3.0和3.5 L/min時，坡面產(chǎn)流曲線多為“單峰”曲線，且峰值出現(xiàn)時間較早，呈現(xiàn)出相似的規(guī)律性。

2)在設(shè)計徑流量為2.0和2.5 L/min的條件下，20°和25°坡面徑流曲線隨試驗時間增長變化較為平緩，產(chǎn)流量隨坡度增大略有增加，其原因是坡面侵蝕產(chǎn)流過程主要受徑流沖刷力控制;當(dāng)坡度增大到30°和35°時，坡面徑流曲線隨試驗時間增長產(chǎn)流量變化幅度較大，其原因是坡面侵蝕產(chǎn)流過程受重力和徑流沖刷力的雙重控制;在設(shè)計徑流量為3.0和3.5 L/min 的條件下，25°、30°和 35°坡面產(chǎn)流曲線呈現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律，其原因是坡面侵蝕產(chǎn)流過程受到徑流沖刷力和重力雙重疊加影響。

3)坡面平均產(chǎn)流量隨設(shè)計徑流量和坡度的增大而迅速增大，增長趨勢符合冪函數(shù)關(guān)系，且設(shè)計徑流量對坡面平均產(chǎn)流量的影響要大于坡度，其回歸方程式為 q=0.073S0.721Q1.157，R2=0.906。

4)坡面平均產(chǎn)沙率隨設(shè)計徑流量和坡度的增大而增長趨勢明顯，增長趨勢符合冪函數(shù)關(guān)系，且設(shè)計徑流量對坡面平均產(chǎn)沙率的影響要大于坡度，其回歸方程式為M=0.183S1.751Q2.02，R2=0.923。

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