自然降水條件下煤矸石坡土壤含水量及徑流變化

馮晶晶，張成梁，劉治辛，趙廷寧?，榮立明

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京； 2.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，100089，北京)

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自然降水條件下煤矸石坡土壤含水量及徑流變化

馮晶晶1，張成梁2，劉治辛1，趙廷寧1?，榮立明2

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京； 2.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，100089，北京)

為了防止矸石山水土流失，促進(jìn)煤礦廢棄地植被恢復(fù)，對(duì)自然降水條件下煤矸石坡面含水量及徑流變化進(jìn)行觀測(cè)，研究降水量及風(fēng)化年限對(duì)煤矸石坡面各層含水量及產(chǎn)流量的影響。結(jié)果表明：1)在小雨(<10 mm/d)條件下，煤矸石坡地表、地下徑流量接近；在中雨(≥10 mm/d，<25 mm/d)及大雨(≥25 mm/d)條件下，降雨主要以地下徑流的形式流失。在小雨情況下，煤矸石坡產(chǎn)生的地表徑流、地下徑流量均較少；中雨的發(fā)生頻率和累計(jì)降水量最高，累計(jì)產(chǎn)生的地表徑流量最高；大雨發(fā)生頻率最低，累計(jì)產(chǎn)生的地下徑流量和總徑流量最高。2)地表徑流量與降水量顯著正相關(guān)，地下徑流量與最大降雨強(qiáng)度、平均降雨強(qiáng)度顯著正相關(guān)。3)由于風(fēng)化程度增加，與2013年相比，2014年次小雨產(chǎn)生的地表徑流、地下徑流和總徑流分別降低50%、100%、80%，次中雨產(chǎn)生的地表徑流、地下徑流和總徑流分別降低88%、82%、97%。4)煤矸石具有一定的蓄水能力，20～30 cm含水量最高。隨著風(fēng)化程度增加，10～30 cm含水量增加。盡管10 cm風(fēng)化程度高，但是由于表層蒸發(fā)，含水量較低。5)由于煤矸石顆粒粗大、滲透性強(qiáng)，在小雨、中雨、大雨條件下，矸石坡產(chǎn)生的地表徑流量均小于土坡，分別為土坡的4%、26%、19%。

煤矸石； 徑流量； 降水； 含水量； 風(fēng)化

采煤作業(yè)中產(chǎn)生的廢棄地主要包括排土場(chǎng)、塌陷區(qū)和矸石山。煤矸石是煤礦在建井、開(kāi)拓掘進(jìn)、采煤和煤炭洗選過(guò)程中排出的含炭巖石及巖石，是煤礦建設(shè)、生產(chǎn)過(guò)程中的廢棄物。煤矸石從地下開(kāi)采排到地面堆積如山，稱為矸石山。煤矸石坡體主要由砂質(zhì)巖、碳酸鹽巖類(lèi)、頁(yè)巖、泥巖類(lèi)及煤粒、硫結(jié)核組成，礦物成分主要有高嶺石和石英，還含有長(zhǎng)石、菱鐵礦、黃鐵礦、方解石、伊利石等，化學(xué)組分主要有碳、硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鉀等金屬和非金屬元素的氧化物，其中氧化硅、氧化鋁比例較高[1]。煤矸石山立地條件惡劣，植物存活困難[2-3]。在降水作用下，裸露地表受到侵蝕，養(yǎng)分流失，土體物理結(jié)構(gòu)改變，立地條件進(jìn)一步惡化。無(wú)法蓄積的水分作為徑流流失，造成水資源的浪費(fèi)。根據(jù)1998年頒布的《中華人民共和國(guó)土地管理法》，因挖掘、塌陷、占?jí)旱仍斐赏恋仄茐牡?，?yīng)當(dāng)按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定負(fù)責(zé)復(fù)墾[4]。

為了控制矸石山水土流失，一些學(xué)者對(duì)矸石山水文規(guī)律和水力性質(zhì)進(jìn)行了研究。李建明等[5]的研究表明煤矸石坡在降雨強(qiáng)度<1.0 mm/min時(shí)產(chǎn)流、產(chǎn)沙均不明顯，與未受擾動(dòng)的土壤相比，煤矸石坡在2.5～3.0 mm/min的高強(qiáng)度降雨下穩(wěn)定徑流量較低。矸石山的徑流產(chǎn)量與入滲能力密切相關(guān)，矸石散體的黏性、顆粒組成影響到矸石山邊坡的入滲能力。臧亞君等[6]認(rèn)為，隨著排矸年限的增加，矸石滲透速率增加。胡振華等[7]研究表明，隨著煤矸石密度增加，初滲速率和穩(wěn)滲速率下降。王青杵[8-9]比較了覆土及不覆土的煤矸石堆積坡，發(fā)現(xiàn)覆土反而增加了煤矸石坡的徑流量和輸沙率，隨著堆積年限的增加，煤矸石山坡面侵蝕和溝道侵蝕模數(shù)顯著增加。然而，這些研究多采用人工模擬降雨或模擬徑流沖刷試驗(yàn)[5,10]，而自然降雨的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間不定，溫度、濕度、煤矸石的初始含水量等因素也更多樣化，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)未必與實(shí)際一致。

本試驗(yàn)連續(xù)2年觀測(cè)煤矸石堆積坡含水量及徑流量，研究風(fēng)化年限及降水量對(duì)煤矸石坡體含水量及徑流量的影響，以期為矸石山水土流失防治及水資源在植被修復(fù)中的利用提供參考。

1　研究區(qū)概況

試驗(yàn)在輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所生態(tài)修復(fù)科研基地進(jìn)行?；匚挥诒本┦胁娇h馬池口鎮(zhèn)亭子莊村(E 116°9′1.04″，N 40°9′56.73″)，海拔57 m。溫帶季風(fēng)氣候，年平均溫度13.7 ℃，多年平均降水量620 mm，試驗(yàn)期間年平均降水量為348 mm，降水集中在6—9月。

2　材料及方法

徑流小區(qū)朝北，寬2.75 m，長(zhǎng)3.55 m(圖1)。煤矸石來(lái)自山西潞安及陽(yáng)泉三礦。2011年12月—2012年1月運(yùn)到試驗(yàn)地，兩地煤矸石混合，鋪成厚度約70 cm、坡度為38°的坡面。坡底經(jīng)過(guò)防滲處理，無(wú)法蓄存的水分作為地下徑流排出。經(jīng)過(guò)1年沉降，2013年6—10月、2014年5—8月分別收集地表、地下徑流，每次降水1 d后用量筒量取徑流量，按小區(qū)面積換算成徑流深度。2013年6月—2014年11月，每月3次使用Diviner 2000土壤水分輪廓儀測(cè)量10～70 cm(0～10，10～20，…，60～70 cm)各層的煤矸石體積含水量。以附近土質(zhì)邊坡為對(duì)照，比較分析矸石坡地表徑流量及含水量。土質(zhì)邊坡朝西，坡長(zhǎng)5 m，坡度為26°，無(wú)地被植物覆蓋。2013年6—10月測(cè)量土質(zhì)邊坡地表徑流量、土壤含水量，測(cè)量方法同前。使用Davis自動(dòng)氣象站記錄氣溫、相對(duì)濕度、降水量，記錄間隔為10 min。

圖1　徑流小區(qū)示意圖Fig.1　Design of runoff plot

對(duì)降雨量、最大降雨強(qiáng)度、平均降雨強(qiáng)度與地表徑流量、地下徑流量進(jìn)行相關(guān)分析。根據(jù)GB/T 28592—2012《降水量等級(jí)》將24 h降雨量分成小雨(<10 mm)、中雨(≥10 mm，<25 mm)、大雨(≥25 mm)，比較不同等級(jí)降雨產(chǎn)流情況，比較2013年及2014年相同等級(jí)下降雨產(chǎn)流情況。使用配對(duì)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)煤矸石坡10～70 cm各層含水量差異性。下滲停止后，含水量日變化量為日蒸發(fā)量，對(duì)日蒸發(fā)量與初始含水量日平均氣溫、相對(duì)濕度進(jìn)行相關(guān)分析。

3　結(jié)果與分析

3.12013年降雨及煤矸石坡產(chǎn)流情況

2013年試驗(yàn)期間總降雨量為332.7 mm，累計(jì)產(chǎn)生徑流29.165 mm，其中地表徑流2.428 mm，占總徑流量8.3%，地下徑流26.737 mm，占總徑流量91.7%。煤矸石坡產(chǎn)生的徑流絕大部分為地下徑流，地表徑流較少。

如表1所示，試驗(yàn)期間降小雨9次，累計(jì)降雨量為50.8 mm，累計(jì)產(chǎn)生徑流0.348 mm，其中地表徑流0.142 mm，占總徑流量40.8%，地下徑流0.206 mm，占總徑流量59.2%。中雨8次，累計(jì)降雨量為129.8 mm，累計(jì)產(chǎn)生徑流12.334 mm，其中地表徑流1.503 mm，占總徑流量12.2%，地下徑流10.831 mm，占總徑流量87.8%。大雨4次，累計(jì)降雨量為152.1 mm，累計(jì)產(chǎn)生徑流16.483 mm，其中地表徑流0.783 mm，占總徑流量4.8%，地下徑流15.700 mm，占總徑流量95.2%。無(wú)論降雨等級(jí)，煤矸石坡產(chǎn)生的地下徑流量均大于地表徑流量，隨著降水量等級(jí)升高，更多降水以地下徑流的形式流失。

2013年，小雨累計(jì)降雨量為試驗(yàn)期間總降雨量15.3%，產(chǎn)生的地表徑流占累計(jì)地表徑流量的5.8%，地下徑流占累計(jì)地下徑流量的0.8%；中雨累計(jì)降雨量為試驗(yàn)期間總降雨量39.0%，產(chǎn)生的地表徑流占累計(jì)地表徑流量的61.9%，地下徑流占累計(jì)地下徑流量的40.5%；大雨累計(jì)降雨量為試驗(yàn)期間總降雨量45.7%，產(chǎn)生的地表徑流占累計(jì)地表徑流量的32.3%，地下徑流占累計(jì)地下徑流量的58.7%。在小雨情況下，煤矸石坡產(chǎn)生地表、地下徑流量占累計(jì)地表、地下徑流量比例最小，中雨情況下產(chǎn)生地表徑流量比例最大，大雨情況下產(chǎn)生地下徑流量比例最大。

3.22014年降雨及煤矸石坡產(chǎn)流情況

2014年，試驗(yàn)期間總降雨量為176.8 mm，累計(jì)產(chǎn)生徑流7.872 mm，其中地表徑流0.636 mm，占總徑流量8.1%，地下徑流7.236 mm，占總徑流量91.9%。地表、地下徑流量占總徑流量的比例與2013年基本一致。

如表2所示，試驗(yàn)期間降小雨3次，累計(jì)降雨量為23.8 mm，累計(jì)產(chǎn)生徑流0.009 mm，其中地表徑流0.009 mm，占總徑流量100%，不產(chǎn)生地下徑流。中雨6次，累計(jì)降雨量為113.2 mm，累計(jì)產(chǎn)生徑流1.809 mm，其中地表徑流0.140 mm，占總徑流量7.7%，地下徑流1.669 mm，占總徑流量92.3%。大雨1次，降雨量為39.8 mm，產(chǎn)生徑流6.054 mm，其中地表徑流0.487 mm，占總徑流量8.0%，地下徑流5.567 mm，占總徑流量92.0%。

高職院校一線教師大多由高學(xué)歷背景、高研究能力的碩博研究生組成，他們擁有較強(qiáng)的教學(xué)能力和科研能力，能夠承擔(dān)較重的教學(xué)任務(wù)，然而缺乏敏銳的市場(chǎng)洞察力，科研課題偏重基礎(chǔ)理論的研究，應(yīng)用型研究較少。在選擇科研項(xiàng)目時(shí)，重點(diǎn)考慮學(xué)術(shù)水平的高低和項(xiàng)目的新穎性，忽視了研究成果產(chǎn)品化的可行性，導(dǎo)致研究成果與實(shí)際市場(chǎng)需求脫節(jié)。

表2　2014年各等級(jí)降雨累計(jì)產(chǎn)流量及產(chǎn)流比例

2014年，小雨累計(jì)降雨量為試驗(yàn)期間總降雨量13.5%，產(chǎn)生的地表徑流占累計(jì)地表徑流量的1.4%，不產(chǎn)生地下徑流；中雨累計(jì)降雨量為試驗(yàn)期間總降雨量64.0%，產(chǎn)生的地表徑流占累計(jì)地表徑流量的22.0%，地下徑流占累計(jì)地下徑流量的23.1%；大雨累計(jì)降雨量為試驗(yàn)期間總降雨量22.5%，產(chǎn)生的地表徑流占累計(jì)地表徑流量的76.6%，地下徑流占累計(jì)地下徑流量的76.9%。與2013年相比，盡管中雨頻率、占總降雨量比例增加，但中雨情況下產(chǎn)生的地表、地下徑流量占累計(jì)地表、地下徑流量的比例減少；盡管大雨頻率、占總降雨量比例下降，但大雨情況下產(chǎn)生地表、地下徑流量占累計(jì)地表、地下徑流量的比例增加。

3.3煤矸石坡表層含水量年際變化

2013年8月—2014年11月，煤矸石坡10～70 cm各層平均含水量分別為0.89%、3.82%、2.44%、0.82%、1.01%、0.78%、1.25%。水分主要蓄存在20～30 cm層，20 cm含水量顯著高于10和40～70 cm含水量，30 cm含水量顯著高于10 cm和40～60 cm各層含水量(P<0.01)。

如表3所示，從2013到2014年，煤矸石坡各層含水量增加。盡管2014年各月降雨量均低于2013年，70 cm內(nèi)平均含水量從0.78%～1.94%增加到1.04%～2.36%。10～30 cm含水量升高幅度最大，從0.46%～5.02%增加到0.77%～6.25%。

3.4煤矸石坡與土坡地表徑流量、表層含水量比較

2013年，每次小雨下土質(zhì)邊坡平均產(chǎn)生徑流0.467 mm，矸石坡為0.018 mm；每次中雨下土坡平均產(chǎn)生徑流0.735 mm，矸石坡為0.188 mm；每次大雨下土坡平均產(chǎn)生徑流1.057 mm，矸石坡為0.196 mm。在不同等級(jí)的降雨條件下，煤矸石坡產(chǎn)生的地表徑流量均小于土坡，分別為土坡的4%、26%、19%。

表3　2013及2014年8—11月各層含水量及氣象因子

2013年8—10月，10～70 cm各層平均含水量分別為13.24%、19.19%、17.92%、19.06%、19.52%、16.54%、17.44%，是同期矸石坡各層含水量的5～25倍，說(shuō)明煤矸石的持水能力顯著低于未受擾動(dòng)的土壤。矸石顆粒粗大、滲透性強(qiáng)，因此不容易產(chǎn)生地表徑流；但由于持水力弱，在中、高強(qiáng)度降雨下，尤其遇到暴雨或連續(xù)的中等強(qiáng)度降雨時(shí)，煤矸石坡無(wú)法蓄存的降雨以地下徑流的形式流失，產(chǎn)生的徑流總量可能遠(yuǎn)大于未受擾動(dòng)的土坡。

4　討論

4.1降水量等級(jí)對(duì)煤矸石坡徑流量的影響

試驗(yàn)期間，小雨累計(jì)降雨量占總降雨量14.6%，煤矸石坡產(chǎn)生的地表徑流量、地下徑流量、徑流總量分別為累計(jì)地表、地下及徑流總量的4.9%、0.6%、0.9%。中雨累計(jì)降雨量占總降雨量47.7%，煤矸石坡產(chǎn)生的地表徑流量、地下徑流量、徑流總量分別為累計(jì)地表、地下及徑流總量的53.7%、36.8%、37.7%。大雨累計(jì)降雨量占總降雨量37.7%，煤矸石坡產(chǎn)生的地表徑流量、地下徑流量、徑流總量分別為累計(jì)地表、地下及徑流總量的41.4%、62.6%、61.3%。由此可見(jiàn)：在小雨情況下，煤矸石坡產(chǎn)生的地表、地下徑流量均較少；中雨發(fā)生頻率和累計(jì)降水量最高，累計(jì)產(chǎn)生的地表徑流量最高；大雨發(fā)生頻率最低，累計(jì)產(chǎn)生的地下徑流量和總徑流量最高。

平均來(lái)看，次小雨產(chǎn)生地表徑流0.014 mm、地下徑流0.019 mm，次中雨產(chǎn)生地表徑流0.117 mm、地下徑流0.962 mm，次大雨產(chǎn)生地表徑流0.252 mm、地下徑流4.253 mm。由此可見(jiàn)：在小雨條件下，煤矸石坡地表、地下徑流量接近；在中雨及大雨條件下，降雨主要以地下徑流的形式流失。

相關(guān)分析表明，地表徑流與降雨量顯著正相關(guān)(P<0.05)，R為0.579。地下徑流與平均降雨強(qiáng)度、最大降雨強(qiáng)度顯著正相關(guān)(P<0.05)，R分別為0.621和0.614?？芍涤陱?qiáng)度不顯著影響地表徑流量，這與李建明等[5]的研究結(jié)果一致。由于煤矸石風(fēng)化物主要由石塊和石礫組成，滲透能力強(qiáng)，持水能力弱，隨著降雨強(qiáng)度增加，更多的降雨滲入坡體，超滲產(chǎn)流較少；降雨以地下徑流的形式迅速流失，坡體維持不飽和的狀態(tài)，蓄滿產(chǎn)流較少[11]：因此，地表徑流與降雨強(qiáng)度相關(guān)性不大。于桂芬等[12]的研究表明，風(fēng)化15年以上的矸石山產(chǎn)流量與降雨強(qiáng)度顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.9以上，說(shuō)明隨著煤矸石風(fēng)化，滲透性降低，持水能力增強(qiáng)，地表徑流量與降雨強(qiáng)度的相關(guān)性可能增加。降雨量不顯著影響地下徑流，可能是由于長(zhǎng)歷時(shí)的低強(qiáng)度降雨與高強(qiáng)度的短歷時(shí)降雨盡管累計(jì)降雨量相近；但產(chǎn)流過(guò)程不同[13]，導(dǎo)致降雨量與地下徑流量相關(guān)性較弱。此外，由于相關(guān)分析使用的是連續(xù)2年的降雨-徑流數(shù)據(jù)，而試驗(yàn)翌年煤矸石的物理特性明顯不同于試驗(yàn)首年，也導(dǎo)致降雨量與地下徑流量相關(guān)性較弱。

4.2堆積年限對(duì)煤矸石坡徑流量的影響

如圖2所示，2014年徑流量明顯低于2013年。

2013年，每次小雨平均產(chǎn)生0.018 mm地表徑流、0.026 mm地下徑流，平均產(chǎn)生徑流0.043 mm；2014年，每次小雨平均產(chǎn)生0.003 mm地表徑流，試驗(yàn)期間3次小雨皆不產(chǎn)生地下徑流。與2013年相比，2014年次小雨產(chǎn)生的地表徑流、地下徑流和總徑流量分別降低50%、100%、80%。

2013年，每次中雨平均產(chǎn)生0.188 mm地表徑流，1.547 mm地下徑流，平均產(chǎn)生徑流1.735 mm；2014年，每次中雨平均產(chǎn)生0.023 mm地表徑流，0.278 mm地下徑流，平均產(chǎn)生徑流0.301 mm。與2013年相比，2014年次中雨產(chǎn)生的地表徑流、地下徑流和總徑流量分別降低88%、82%、97%。

2013年每次大雨平均產(chǎn)生0.196 mm地表徑流，3.925 mm地下徑流，平均產(chǎn)生徑流4.121 mm；2014年試驗(yàn)期間唯一一次大雨產(chǎn)生0.487 mm地表徑流，5.567 mm地下徑流，總徑流量為6.054 mm。由于樣本不足，大雨產(chǎn)流的變化還需進(jìn)一步觀測(cè)。

圖2　次降水量及徑流圖Fig.2　Precipitation and runoff

坡面徑流的產(chǎn)生與下墊面性質(zhì)密切相關(guān)[14]。通常來(lái)說(shuō)，物理風(fēng)化導(dǎo)致細(xì)粒物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，小粒徑的煤矸石顆粒填入大孔隙，通氣孔隙減少，滲透系數(shù)下降；然而，在小雨及中雨情況下，試驗(yàn)翌年煤矸石坡地表徑流、地下徑流均小于試驗(yàn)首年，說(shuō)明更多的降雨進(jìn)入并保存在坡體中。風(fēng)化作用可能降低了煤矸石的斥水性[15]，改善了風(fēng)化物中孔隙的連通性[16]，從而減少地表徑流量。由于煤矸石坡地表徑流較少，風(fēng)化的作用主要體現(xiàn)為地下徑流的減少。

4.3堆積年限對(duì)煤矸石坡含水量的影響

煤矸石的持水量包括顆粒內(nèi)部水、顆粒表面結(jié)合水和毛管水。隨著煤矸石風(fēng)化，風(fēng)化裂隙逐漸發(fā)育，裂隙水含量增加，次生黏土礦物與水結(jié)合，也提高了顆粒內(nèi)部水的含量。由于黏粒及黏土礦物逐漸增多，煤矸石顆粒表層結(jié)合水的含量有所提高。由于單位體積的煤矸石比表面積增加，毛管水含量逐漸增加[17]。研究[18-19]表明，風(fēng)化作用導(dǎo)致煤矸石飽和持水量和田間持水量增加。由于矸石山表層風(fēng)化程度高，因此持水能力和含水量較高。段永紅等[20]測(cè)得棄置20余年的煤矸石邊坡10～30 cm雨季含水量為10.95%～11.47%，說(shuō)明隨著堆積年限增加，煤矸石的持水能力和自然含水量將進(jìn)一步提高。

含水量不但與持水能力有關(guān)，也與蒸發(fā)能力有關(guān)[21]。相關(guān)分析表明，煤矸石日蒸發(fā)量與初始含水量顯著相關(guān)(P<0.01，R=0.898)。盡管10 cm煤矸石風(fēng)化程度高，但蒸發(fā)快；因此含水量低，干燥的風(fēng)化層切斷了毛管聯(lián)系，阻礙毛管水的上升，有利于下層水分的保存[22]。

盡管煤矸石具有一定的蓄水能力，但在自然降水條件下，煤矸石坡的含水量仍然顯著低于未受擾動(dòng)的土坡。根據(jù)張銳等[23]的研究，煤矸石的毛管孔隙度僅1.17%～1.40%，滲入煤矸石的降水在重力作用下迅速流失，植物缺乏水分，存活和生長(zhǎng)受到限制。在矸石山生態(tài)修復(fù)中，覆土是常用的改善立地條件的工程措施[24-25]；但是，覆蓋用土的滲透速率小[26]，土體如果受到機(jī)械碾壓，則滲透速率進(jìn)一步下降。當(dāng)下滲速率小于降雨強(qiáng)度，降雨以地表徑流的形式流失，得不到合理的利用[27]。為了在煤矸石的滲透性和持水能力之間權(quán)衡，一些學(xué)者將煤矸石與不同的固體組分混合，改變煤矸石的顆粒組成和孔隙分布[28-30〗]，取得了一定的成果。

5　結(jié)論

1) 在小雨條件下，煤矸石坡地表、地下徑流量接近；在中雨及大雨條件下，降雨主要以地下徑流的形式流失。在小雨情況下，煤矸石坡產(chǎn)生的地表徑流、地下徑流量均較少；中雨的發(fā)生頻率和累計(jì)降水量最高，累計(jì)產(chǎn)生的地表徑流量最高；大雨發(fā)生頻率最低，累計(jì)產(chǎn)生的地下徑流量和總徑流量最高。

2)地表徑流量與降水量顯著正相關(guān)，地下徑流量與最大降雨強(qiáng)度、平均降雨強(qiáng)度顯著正相關(guān)。

3)2013—2014年，隨著風(fēng)化程度增加，次小雨產(chǎn)生的地表徑流、地下徑流和總徑流分別降低50%、100%、80%，次中雨產(chǎn)生的地表徑流、地下徑流和總徑流分別降低88%、82%、97%。

4)煤矸石具有一定的蓄水能力，20～30 cm含水量最高。隨著風(fēng)化程度增加，10～30 cm含水量增加。盡管10 cm風(fēng)化程度高，但是由于表層蒸發(fā)，含水量較低。

5)由于煤矸石顆粒粗大、滲透性強(qiáng)，在小雨、中雨、大雨條件下，矸石坡產(chǎn)生的地表徑流量均小于土坡，分別為土坡的4%、26%、19%。

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Volumetric water content and runoff dynamic of coal gangue dump under natural precipitation

Feng Jingjing1,Zhang Chengliang2,Liu Zhixin1,Zhao Tingning1,Rong Liming2

(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.Environmental Protection Research Institute of Light Industry,100089,Beijing,China)

[Background] Gangue is an undesirable material generated during shaft building,coal mining,and coal washing.Gangue is dug out from underground and piled up on the surface,which is called gangue dump.Because of the harsh site conditions of gangue dump,the recolonization of plants is very difficult.[Methods] In order to prevent erosion and facilitate revegetation in coal gangue dump,the volumetric water content and runoff of a coal gangue slope under natural precipitation were monitored for 2 years.The coal gangue was evenly spread on the 38° runoff plot and formed a slope with a depth of 70 cm.The base of the slope was impermeable,and the surface and groundwater runoffs were collected separately 1 day after each rainfall event.The effects of natural precipitation and weathering on volumetric water content and runoff were tested.[Results] 1) On average,during each light rainfall event (<10 mm/d),0.014 mm surface runoff and 0.019 mm groundwater runoff were produced,i.e.,the amounts of surface and groundwater runoffs were similar,and a small amount of surface and groundwater runoffs were generated on coal gangue slope.Moderate rains happened at the highest frequency and accounted for most surface runoff.In each moderate rainfall event (10-25 mm/d),0.117 mm surface runoff and 0.962 mm groundwater runoff were generated,meaning that more precipitation was discharged as groundwater runoff.While heavy rains occurred at the lowest frequency and accounted for most groundwater and total runoff,during each heavy rainfall event (>25 mm/d),0.254 mm surface runoff and 4.253 mm groundwater runoff were generated.2) The amount of surface runoff was positively correlated to precipitation,and the amount of groundwater runoff was positively correlated to maximum precipitation intensity and mean precipitation intensity.However,the correlation between precipitation intensity and surface runoff was not significant,which probably resulted from the fact that the infiltration rate of coal gangue was generally higher than the precipitation intensity.The correlation between precipitation and groundwater runoff was also not significant.3) In 2014,due to the increase of weathering,the amounts of surface runoff,groundwater runoff and total runoff during each light rainfall event decreased by 50%,100% and 80% respectively,compared to 2013.During moderate rainfalls,they decreased by 88%,82% and 97% respectively.4) Coal gangue held a certain amount of water,and the volumetric water content in 20-30 cm coal gangue was the most.Volumetric water content in 10-30 cm ones increased as gangue weathered despite less water input from precipitation in 2014,indicating water holding capacity increased.Even though gangue in 10 cm was highly weathered,the water content was low because of high evaporation rate.5) Because of its coarse texture and high infiltration capacity,the surface runoffs on the coal gangue slope during light,moderate and heavy rainfall events were 4%,26% and 19% of those on the soil slope respectively.[Conclusion] This research will guide the practice of soil and watter conservation in gangue dump.

coal gangue; runoff; precipitation; volumetric water content; weathering

2015-03-12

2015-11-17

項(xiàng)目名稱：國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“四川地震災(zāi)區(qū)災(zāi)后植被恢復(fù)及可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(201104109)

馮晶晶(1989—)，女，博士研究生。主要研究方向：工程綠化。E-mail：staatstionnoit@sina.com

簡(jiǎn)介：趙廷寧(1962—)，男，博士，教授。主要研究方向：工程綠化。E-mail：zhtning@bjfu.edu.cn

S157

A

1672-3007(2016)04-0060-08

10.16843/j.sswc.2016.04.008