工礦類建設(shè)項目水土流失分析

李 利

（河北省唐山水文水資源勘測局，河北 唐山 063000）

開發(fā)建設(shè)項目如采礦、修路、水利工程和市政建設(shè)等人類活動對水土流失影響主要表現(xiàn)為特殊的人為水土流失形式，與伐木、開荒等人為開拓活動相比，其程度和作用方式有很多不同之處。根據(jù)水利部、中國科學(xué)院等聯(lián)合開展的《中國水土流失與生態(tài)安全科學(xué)考查總結(jié)報告》取得的初步成果分析，全國“十五”期間開發(fā)建設(shè)項目擾動地表面積5.53萬km2，產(chǎn)生棄土棄渣92.1億t，其中城鎮(zhèn)和工礦區(qū)是重點區(qū)域［1］。有效控制工礦項目造成的水土流失對實現(xiàn)水土資源的持續(xù)利用、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 工礦類建設(shè)項目分類和工礦區(qū)的概念

1.1 工礦類建設(shè)項目分類

1.1.1 采礦業(yè)

主要包括煤炭、有色金屬、建筑材料開采等。根據(jù)開采方式不同又可分為露天開采和地下開采兩大類，其中露天開采多數(shù)情況下對地表擾動更大，水土流失更易于表現(xiàn)，而且較為嚴(yán)重，但地下開采容易造成水資源破壞和地面塌陷，從而造成隱性的水土流失。

1.1.2 交通運輸業(yè)

主要包括鐵路、公路、機(jī)場、碼頭等，其中山地丘陵區(qū)公路、鐵路線性工程造成的路基邊坡裸露、沖刷及崩塌等水土流失特點更具有代表性。

1.1.3 電力系統(tǒng)和冶煉業(yè)

主要包括火力發(fā)電廠、冶煉廠、選礦廠等。其中發(fā)電廠的粉煤灰、冶煉和選礦廠的尾礦、爐渣及其他廢棄物堆積造成的水土流失較為典型。

1.1.4 水利工程

包括水庫、水電站、輸水工程等。這些大型水利工程在工程建設(shè)期間對河道、溝岸、水資源等造成的水土流失危害較為突出。

除以上分類，還包括市政建設(shè)、旅游區(qū)開發(fā)等項目。此類項目多涉及不同的行業(yè)，水土流失類型也不盡相同，需要針對具體項目情況分析。

1.2 工礦區(qū)的概念

項目的工程建設(shè)區(qū)、工廠和礦區(qū)的總稱為工礦區(qū)，主要是指采掘、修路、城鎮(zhèn)建設(shè)以及電力、石油化工等工業(yè)企業(yè)建設(shè)生產(chǎn)活動的場地，工礦類建設(shè)項目水土流失主要發(fā)生在工礦區(qū)。工礦區(qū)水土流失特點主要是由于人為活動造成的地表的巖、土、廢棄物的混合搬運、遷移和沉積，其最終結(jié)果是導(dǎo)致水土資源的破壞和損失，使土地生產(chǎn)力下降甚至完全喪失，所以此類形式屬于人為水土流失的范疇。

2 工礦類建設(shè)項目造成的水土流失特點

2.1 擾動程度大，水土流失嚴(yán)重

大型工礦類建設(shè)項目，特別是采礦、大型水利工程等，對巖土擾動經(jīng)常深入地層幾十至數(shù)百米，不但擾亂地層順序，其剝離活動可能造成植被和土壤損失殆盡，使工礦區(qū)大部分地表變?yōu)槁愕?，塑造的新地貌取代了原有的地貌形態(tài)。由于地表失去植被等保護(hù)，水土流失變得十分劇烈。據(jù)預(yù)測，露天采區(qū)和排土場等區(qū)域初期土壤侵蝕模數(shù)可達(dá)1.5萬～3.0萬t/（km2·a）［2］。

2.2 破壞水資源循環(huán)系統(tǒng)

大型地下開采活動容易破壞深層土壤和巖層，導(dǎo)致地表水滲漏或地下深層儲水結(jié)構(gòu)破壞，造成串通水流失，改變水文平衡系統(tǒng)，從而影響區(qū)域水循環(huán)狀態(tài)，這種影響不僅容易發(fā)生在工礦區(qū)而且常常波及周圍區(qū)域［3］。

2.3 廢棄物成分復(fù)雜

工礦項目施工生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢棄物多為幾種或十幾種物質(zhì)的組合。例如露天采礦廢棄物包括巖石、土壤、土狀物、殲石、煤泥、尾礦等。而火力發(fā)電項目廢棄物主要有尾渣、粉煤灰、爐渣等。這些混合物的物理和化學(xué)性質(zhì)都不盡相同，所以引發(fā)的水土流失類型也是多種多樣。

3 工礦類建設(shè)項目造成的水土流失形式

3.1 水力巖土侵蝕

由降水和徑流產(chǎn)生的水力侵蝕稱為水力巖土侵蝕，與自然條件下的水力侵蝕的不同：首先，其搬運物不僅是單純的土壤或成土母質(zhì)，而多為巖、土、廢棄物的混合物；其次，侵蝕主要發(fā)生在開挖、廢棄物堆置體及其堆置場所、人工擾動形成的坡面等區(qū)域內(nèi)，如礦坑、采石場、取土場、山坡、溝谷等。

3.1.1 雨滴擊濺引起的巖土侵蝕

土壤細(xì)小顆粒被雨滴打擊從土體表面剝離出來，并被濺散的雨滴帶走的過程稱為濺蝕。濺蝕不僅可以帶走細(xì)小的土壤顆粒，破壞土體結(jié)構(gòu)，而且會讓土壤表面產(chǎn)生結(jié)皮，堵塞土壤孔隙，阻止水分下滲，為坡面徑流產(chǎn)生和侵蝕創(chuàng)造條件。

濺蝕主要發(fā)生在項目的取土場、排土場、工程擾動裸露的地表區(qū)域等。在固體廢棄堆積體，如排土場、尾礦庫等覆蓋疏松土層、植被未恢復(fù)的場地，濺蝕尤為劇烈。而在土少或純粹的殲石、尾渣、巖石堆積體上擊濺的作用則很微弱。雨滴擊濺使巖土混合堆置體的土粒和細(xì)碎巖屑產(chǎn)生位移，并進(jìn)入較大的巖石縫隙，堵塞細(xì)微孔隙，使產(chǎn)生徑流的時間縮短，加速巖土侵蝕。另外擊濺和沖刷還可以使固體廢棄物中的有毒離子，如Hg+、CN-離子隨徑流遷移，造成水質(zhì)污染和土壤污染。

3.1.2 坡面徑流引起的巖土侵蝕

坡面徑流引起的巖土侵蝕主要是面蝕和溝蝕。面蝕是坡面薄層水流在重力作用下沿斜坡面均勻流動，將細(xì)小土顆粒和可溶性物質(zhì)，以懸移方式帶走的侵蝕現(xiàn)象。發(fā)生在植被蓋度小、分布不均的坡面面蝕多為鱗片面蝕，而在北方土石山區(qū)或南方花崗巖丘陵區(qū)多為砂礫化面蝕。隨著徑流的匯集，坡面水流的沖刷引起地面凹陷，隨之徑流也相對集中，侵蝕力相對變強(qiáng)，在地表上沖蝕地面逐漸形成線狀小溝，從而發(fā)展為溝蝕。

3.2 誘發(fā)性重力侵蝕

重力侵蝕是地表的土石等物質(zhì)在重力作用下失去平衡，產(chǎn)生破壞、遷移和堆積的一種自然現(xiàn)象。單純的由重力作用引起的侵蝕現(xiàn)象很少，大多數(shù)是在其他外營力，特別是水力侵蝕的共同作用下，以重力為直接原因所引起的地表物質(zhì)移動。這種侵蝕常發(fā)生于山地、溝谷等地及人工開挖、堆置廢棄物形成的邊坡位置。

重力侵蝕發(fā)生的主要條件：①土石松散或松軟，顆粒之間的粘聚力和摩擦力小，抗剪強(qiáng)度低；②地形高差大，坡度陡，巖土外張力大，處于非穩(wěn)定態(tài)；③坡面缺乏植被或其他人工保護(hù)措施等。

人為擾動巖土層的表層或深層，會破壞原地貌條件下的自然平衡狀態(tài)，誘發(fā)巖土由穩(wěn)定向非穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變，從而發(fā)生瀉溜、崩塌、滑坡等形式的重力侵蝕現(xiàn)象。

3.3 泥石流侵蝕

泥石流是由于水力和重力混合作用形成的一種特殊流體，性質(zhì)介于水流和滑坡之間，具有水力侵蝕和重力侵蝕的雙重特點。

項目建設(shè)剝離地表物質(zhì)（如植被、表土）、搬運和堆置在溝道中的巖土（各類巖石、土體、尾礦、尾渣）等松散固體物質(zhì)，改變了原有地面狀況和地形條件，暴雨徑流容易在松散巖土中迅速下滲，短時間內(nèi)大量充水，造成土顆粒之間的粘聚力和摩擦力迅速減小，使處于平衡狀態(tài)的邊坡向不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致坍塌、滑坡形成泥石流。除此之外，采礦、修路等的爆破震動巖土體平衡引發(fā)崩塌、滑坡；開鑿隧洞等引起地下水大量涌出，水庫、渠道滲漏等，也可能誘發(fā)泥石流。

4 工礦類建設(shè)項目水土流失形成機(jī)制

4.1 水力侵蝕機(jī)制

水力侵蝕的外營力主要包括雨滴擊濺、坡面徑流沖刷、溝槽水流沖刷。3種外營力引起的侵蝕形式也不相同：雨滴擊濺引起濺蝕，坡面徑流沖刷引起面蝕，溝槽水流沖刷引起溝蝕。

4.1.1 雨滴濺蝕機(jī)制

雨滴降落時，其直徑越大，終極速度也越大，對地表土壤的沖擊力越強(qiáng)烈。在靜止空氣中直徑0.20mm的雨滴終極速度為1.50m/s，而直徑5.00mm的雨滴，則可達(dá)8.90m/s［4］。在降雨初期雨滴的打擊動能可使得地表土壤顆粒破碎、崩解，繼而發(fā)生濺散，也就是濺蝕形成的機(jī)制。雨滴直徑越大，對地表土壤濺蝕越明顯。其變化發(fā)展過程可分為：干土濺散、濕土濺散、泥漿濺散和土體板結(jié)4個階段。

在降雨初期，雨滴首先濺起干燥土粒，形成干土濺散。隨著降雨歷時的延長，表層土壤顆粒逐漸被水分飽和，并形成土壤團(tuán)粒，此時濺起的顆粒為含水量高的濕土顆粒，即為濕土濺散。隨著降雨的繼續(xù)，土壤團(tuán)粒因擊濺而迸散，并在地表土體呈泥漿狀態(tài)，在水的表面張力作用下阻塞孔隙，影響雨水下滲，此時為泥漿濺散。降雨過后，由于雨滴擊濺破壞了表土原有結(jié)構(gòu)，表層土顆粒重新粘聚而產(chǎn)生板結(jié)。

在有林草植被覆蓋的區(qū)域，林冠層和枯枝落葉層會減小雨滴的動能，可以有效削減和分散雨滴對地面的打擊力，直接防止土壤濺蝕。而多數(shù)情況下項目建設(shè)首先會清理地表覆被物，或者完工后不能及時恢復(fù)地表植被，造成表土長時間裸露，遇到強(qiáng)降雨就會加劇這種侵蝕過程。

4.1.2 坡面徑流和溝槽水流沖刷機(jī)制

當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土壤入滲強(qiáng)度時就開始形成坡面徑流。隨著降雨歷時的延長，坡面薄層水流由漫流態(tài)逐漸分離形成無數(shù)小股流（即細(xì)溝流），此時薄層水流和細(xì)溝流水體相連，并向低凹處、下坡部位集中。在地表凹陷處，集中徑流造成局部侵蝕加劇，從而出現(xiàn)侵蝕斑痕或不連續(xù)侵蝕點。隨著不連續(xù)侵蝕點發(fā)展到細(xì)溝貫通，流速會迅速增加，從而形成溝槽水流沖刷，進(jìn)一步加劇侵蝕程度。

4.2 風(fēng)蝕機(jī)制

工礦企業(yè)的建設(shè)生產(chǎn)活動經(jīng)常擾動地表、破壞植被使土壤含水率降低，尤其在氣候干燥的干旱半干旱地區(qū)，土壤顆粒結(jié)構(gòu)松散，顆粒物質(zhì)容易被風(fēng)吹揚(yáng)或搬運。當(dāng)風(fēng)速很小時，風(fēng)蝕作用并不明顯；風(fēng)速為4.5～6.7m/s（即三級到三級半的風(fēng)力）時，就可以吹動干燥的粒徑為0.25mm的砂粒；風(fēng)速達(dá)到10.8～13.9m/s（六級至七級的風(fēng)力）時，粒徑在1.0mm以上較大砂粒也能被風(fēng)吹起。風(fēng)蝕的作用一般取決于風(fēng)力的大小，而風(fēng)力的大小與風(fēng)速的平方成正比［5］。

風(fēng)對地表物質(zhì)的作用主要有吹蝕和磨蝕兩種形式。

4.2.1 吹蝕機(jī)制

吹蝕是由于風(fēng)的迎面沖擊力和紊流、渦流產(chǎn)生的上舉力使地面松散碎屑物或巖石風(fēng)化產(chǎn)物被帶起或剝離而離開原地。吹蝕作用的主要對象是干燥的粉砂和粘土級的顆粒物等，強(qiáng)度取決于風(fēng)速和地面性質(zhì)。風(fēng)速愈大，地面越干燥，植被覆蓋物越稀少，組成地面物質(zhì)顆粒越細(xì)小松散，吹蝕作用則愈強(qiáng)烈。

風(fēng)速往往由自然條件決定，而地面性質(zhì)很大程度與人類活動狀況有關(guān)。選礦工程的尾礦砂粒度細(xì)?。ㄒ话阈∮?.5mm），結(jié)構(gòu)松散；露天礦的排土場（大量粉砂和粘土級的顆粒物）等都是風(fēng)蝕的主要對象。土壤水分狀況是影響風(fēng)蝕強(qiáng)度的重要因索。土壤水分含量越多，土粒重量越大，土粒間粘滯力也越強(qiáng)，而且土壤含水量高時，一般植被狀況也較好，風(fēng)蝕作用必然減弱。有研究表明，在風(fēng)速12.7m/s條件下，植被蓋度大于60%時，風(fēng)蝕率幾乎為零；植被蓋度小于20%時，可出現(xiàn)強(qiáng)烈的風(fēng)沙流，風(fēng)蝕率陡增。風(fēng)蝕率和植被蓋度之間的關(guān)系表現(xiàn)為風(fēng)蝕率隨植被蓋度的減少呈指數(shù)增加［6］。

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到使砂粒脫離地表進(jìn)入氣流的臨界速度（即起沙風(fēng)速）時就會形成風(fēng)沙流。起沙風(fēng)速與沙粒粒徑、地表性質(zhì)和砂土含水率等多種因素有關(guān)。對于粗糙的地表，由于摩擦阻力大，起沙風(fēng)速較大。濕潤的地面能增加砂粒的粘聚力，起沙風(fēng)速也比較大。顆粒越粗需要的起動風(fēng)速也愈大。選礦尾砂和露天礦的排土場地表顆粒粒徑多在0.10～0.25mm之間，其起沙風(fēng)速為 4～5m/s（即三級風(fēng)力）［4］。 不同含水率沙粒的起沙風(fēng)速見表1。

表1 不同含水率狀態(tài)下沙粒的起沙風(fēng)速對比

4.2.2 磨蝕機(jī)制

被風(fēng)吹帶起的固體顆粒，在沿地表運動時會對地表巖土產(chǎn)生碰撞和磨損作用，破壞土壤表面結(jié)構(gòu)。磨蝕作用強(qiáng)度也取決于風(fēng)力的大小和地面性質(zhì)。風(fēng)速越大磨蝕作用越大，地表的巖土越軟弱，磨蝕破碎作用也越強(qiáng)。在低風(fēng)速階段（8.0～9.0m/s），近地表磨蝕作用最為顯著；隨著風(fēng)速的增加，沙粒具有了較大的動能，其運行高度也增加，而貼地表運行的沙粒數(shù)量卻有所減少，因此對地表的影響作用反而有所減弱［7］。

5 影響工礦類建設(shè)項目水土流失的因素

5.1 自然因素

因各種類型的工礦項目分布的時間和空間范圍不同，其水土流失的形式、原因及發(fā)生發(fā)展規(guī)律具有一定的區(qū)域性特征，并受到區(qū)域地理因素的支配和制約。表現(xiàn)為首先服從于項目所在的土流失類型區(qū)的大規(guī)律，然后在各種自然因素的影響和作用下，形成其自身特殊的規(guī)律。如風(fēng)蝕區(qū)項目水土流失形式仍以風(fēng)蝕為主。但受到項目本身的特點，其他水土流失形式也會表現(xiàn)出來，甚至有些類型表現(xiàn)更為強(qiáng)烈，如溝道區(qū)域的水力侵蝕、高陡邊坡的重力侵蝕等。

5.2 人為因素

工礦項目造成的水土流失自然因素的影響是潛在的和區(qū)域性的，而人為因素的影響是主導(dǎo)性的。在同一地理區(qū)域內(nèi)，由于人為活動的方式、強(qiáng)度和過程不同，水土流失類型和強(qiáng)度也會表現(xiàn)為一定的差異性。例如，在同一地理區(qū)域內(nèi)開采礦藏，地下開采和露天開采的水土流失表現(xiàn)形式、侵蝕強(qiáng)度就會有明顯的不同。人為活動對自然因素的作用和影響主要表現(xiàn)為對自然因素的“再塑”作用。

項目建設(shè)生產(chǎn)過程中的挖損（挖沙、采礦等）和堆墊（尾礦、棄渣等）等活動往往都是加劇水損失、水資源破壞和巖土侵蝕，此種作用稱為損害性再塑作用。而通過人為手段再塑土壤、植被和水環(huán)境的一系列恢復(fù)和重建土地生產(chǎn)力、改善生態(tài)景觀和生態(tài)環(huán)境的活動有助于控制水土流失，這稱之為有益性再塑作用或保護(hù)性再塑作用。

5.3 社會經(jīng)濟(jì)因素

工礦項目水土流失與一般人為水土流失相比，具有突出的區(qū)域性和社會性特點。因為工礦項目都是人類有組織的、有計劃地進(jìn)行開發(fā)和建設(shè)，往往伴隨著人口的聚集和遷移及經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的快速發(fā)展，所以其水土流失會受到區(qū)域經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平及社會文化等背景的影響。工礦企業(yè)的發(fā)展必然會帶動區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展又會提高生產(chǎn)技術(shù)水平，兩者互相制約和促進(jìn)。能否對項目建設(shè)生產(chǎn)造成的水土流失進(jìn)行充分治理和有效控制，取決于人們對環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識和經(jīng)濟(jì)上的可行性，因此，社會因素對工礦項目造成的水土流失影響具有復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

6 結(jié)語

人的因素在工礦類建設(shè)項目造成水土流失過程中是起主導(dǎo)性、誘發(fā)性的作用。通過對水土流失形式、形成機(jī)制和影響因素等詳細(xì)的分析和論述說明，把自然因素、人為因素結(jié)合起來加以綜合分析，才能真正掌握工礦項目水土流失的規(guī)律，并針對造成侵蝕的因素來制定和采取有效水土流失控制措施，做出相應(yīng)的防治對策。

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