神府煤田風(fēng)沙區(qū)采煤塌陷對風(fēng)蝕的影響

趙國平, 畢銀麗, 李軍保, 高 榮, 郜 超

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院, 北京 019000;2.陜西榆林毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 陜西 榆林 719000; 3.陜西省治沙研究所, 陜西 榆林 719000)

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神府煤田風(fēng)沙區(qū)采煤塌陷對風(fēng)蝕的影響

趙國平1,2, 畢銀麗1, 李軍保2,3, 高 榮3, 郜 超3

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院, 北京 019000;2.陜西榆林毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 陜西 榆林 719000; 3.陜西省治沙研究所, 陜西 榆林 719000)

[目的] 探究神府煤田風(fēng)沙區(qū)采煤塌陷對風(fēng)沙活動的影響，為礦區(qū)防治風(fēng)蝕危害和植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 以塌陷區(qū)擾動地表為研究對象，通過野外定位觀測，研究塌陷1～2 a沙丘典型位置及不同的地表破損率對風(fēng)蝕/風(fēng)積量影響。 [結(jié)果] 塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷)沙丘不同典型位置的風(fēng)蝕/風(fēng)積深度分別達(dá)到-28.2，-45.6和-2.8 cm，其整體的風(fēng)蝕概率達(dá)60%以上,90%以上和10%以下。地表破損率越大，其地表風(fēng)積過程越顯著，且隨著地表破損率的減小，風(fēng)沙運(yùn)動狀態(tài)逐漸由風(fēng)積填縫過程轉(zhuǎn)化為風(fēng)蝕過程，其風(fēng)蝕/風(fēng)積深度(Q)與地表破損率(V)呈多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。 [結(jié)論] 采煤塌陷有效地促進(jìn)了風(fēng)沙運(yùn)動，改變了局部的風(fēng)蝕/風(fēng)積深度，可能引起固定半固定沙丘重新活化。

神府煤田; 風(fēng)沙區(qū); 采煤塌陷; 地表破損率; 風(fēng)蝕/風(fēng)積

文獻(xiàn)參數(shù)： 趙國平, 畢銀麗, 李軍保, 等.神府煤田風(fēng)沙區(qū)采煤塌陷對風(fēng)蝕的影響[J].水土保持通報(bào)，2016,36(4)：129-132.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.023

神府煤田地處中國北方的生態(tài)脆弱區(qū)，位于陜西省榆林市北部毛烏素沙地邊緣的晉陜蒙寧接壤區(qū)，是國家確定的跨世紀(jì)特大型煤炭開采、開發(fā)地區(qū)，為晉陜蒙寧能源富集區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)相互作用的一個典型地區(qū)，在氣候、土壤、植被等因子上均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的過渡性特征[1-3]，特別是伴隨著人類活動的強(qiáng)度增加，生態(tài)環(huán)境對采礦的響應(yīng)非常敏感。監(jiān)測結(jié)果表明，到目前為止形成的煤炭采空區(qū)面積約550 km2，其中，產(chǎn)生明顯塌陷裂縫面積約為130 km2，造成地表扭曲，土壤結(jié)構(gòu)疏松，地下水滲漏，植被根系拉斷，大面積的植被枯萎死亡，活化固定、半固定沙丘300 km2以上，嚴(yán)重制約著該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的進(jìn)一步發(fā)展[1,3-4]。前人對中國干旱半干旱沙漠、及邊緣地區(qū)的沙丘形成與風(fēng)沙流運(yùn)動、風(fēng)蝕量做了大量詳細(xì)的研究[6-9]，而對于半干旱由于人為干擾條件下的采煤塌陷對風(fēng)沙運(yùn)動研究成果涉及很少。因此，本文以塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷區(qū))的風(fēng)蝕/風(fēng)積過程為研究對象，通過野外定點(diǎn)觀測，系統(tǒng)研究不同年限的塌陷區(qū)沙丘典型位置的風(fēng)蝕/風(fēng)積量對風(fēng)沙運(yùn)動影響過程，以期為礦區(qū)防治風(fēng)蝕危害和礦區(qū)實(shí)施荒漠化防治、土地復(fù)墾工程提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市北部和內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東南部接壤地區(qū)大柳塔礦區(qū)。地貌類型多為固定半固定星月型沙丘，相對高度5～10 cm，植被類型主要以80年代飛播的人工沙柳、楊柴、花棒及檸條為主[1,5]。經(jīng)過多年的煤炭開采，目前礦區(qū)形成的采空塌陷區(qū)約為5 km2，區(qū)內(nèi)塌陷裂縫交錯廣布，地表沉陷明顯，裂縫寬度3～60 cm不等，錯落高度約為5～50 cm。就氣候條件來說，降水稀少、光照充足、蒸發(fā)強(qiáng)勁、地表干燥，大風(fēng)頻繁，容易發(fā)生風(fēng)蝕和沙塵暴，造成土地沙化；年平均溫度7.3 ℃，年均降水量368.2 mm，蒸發(fā)量1 319 mm，降水變率大，春季80%保證率的降水量僅12 mm，干燥度1.3以上；年均風(fēng)速3.6 m/s，最大風(fēng)速24 m/s，起沙風(fēng)向以西北風(fēng)和偏北風(fēng)為主，年均大風(fēng)日42.2 d，沙暴日10.7 d；尤其是在春季，不僅干旱少雨、地表干燥，而且大風(fēng)最為頻繁，月均風(fēng)速4～5 m/s，最高風(fēng)速可高達(dá)20～25 m/s以上。

2　材料與方法

2.1樣地選擇

選擇塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷)區(qū)走向一致的3條典型沙丘，在相同條件下(地貌類型、植被蓋度、主害風(fēng)方向一致)，觀測迎風(fēng)坡坡腳、迎風(fēng)坡坡中、迎風(fēng)坡坡上2/3處、丘頂、背風(fēng)坡坡上2/3，背風(fēng)坡坡中、背風(fēng)坡坡腳等風(fēng)蝕/風(fēng)積狀況。

2.2風(fēng)蝕/風(fēng)積量觀測

采用標(biāo)桿定點(diǎn)觀測不同塌陷時間的風(fēng)蝕/風(fēng)積深度變化，觀測時間為每年的春季(4月)、秋季(9月)，重復(fù)3次。具體方法為：首先測出原地貌的相對高程，標(biāo)桿(鋼條)上刻上刻度(cm)，前1次測值減去后1次余量，如果差為負(fù)數(shù)，表示風(fēng)蝕，正數(shù)表示風(fēng)積。其中，塌陷區(qū)的風(fēng)蝕程度用風(fēng)蝕/風(fēng)積概率來表示，它表征的是風(fēng)蝕次數(shù)占整個樣本數(shù)的百分比。

2.3地表破損率的測定

用樣線法調(diào)查采煤塌陷區(qū)地表破損率，計(jì)算公式為：

SSI=S/L

式中：SSI——地表破損率(%)，表征塌陷區(qū)地表結(jié)構(gòu)破壞程度;S——塌陷裂縫條數(shù);L——塌陷區(qū)樣點(diǎn)每隔100 m長度。

3　結(jié)果與分析

3.1采煤塌陷對地表風(fēng)蝕/風(fēng)積量變化

相同條件下(沙丘走向、地貌類型和植被蓋度)，塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷)，沙丘典型位置的風(fēng)蝕/風(fēng)積厚度變化如圖1所示。采煤塌陷1 a后，塌陷裂痕明隙可見，沙丘典型位置的風(fēng)蝕/風(fēng)積過程受塌陷微地貌變化的影響，風(fēng)蝕/風(fēng)積量隨風(fēng)沙流運(yùn)行路線的改變而發(fā)生變化，地表塌陷后4,7,12月的風(fēng)蝕/風(fēng)積深度分別為+3.2，-7.1和-20.3 cm，沙丘不同典型位置的變化經(jīng)過初期4個月(1—4月平均風(fēng)速達(dá)4.6 m/s)的沙埋風(fēng)積(風(fēng)沙流填縫堆積)后，從迎風(fēng)坡坡腳到背風(fēng)坡坡腳，整個沙丘處在風(fēng)蝕狀態(tài)(圖1)，不同典型位置的平均風(fēng)蝕/風(fēng)積深度分別為-4.6，-6.1，-16.4，-5.3和+4.3 cm，從沙丘典型位置22個標(biāo)桿觀測值66組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，整體沙丘風(fēng)蝕概率可達(dá)60%，除了背風(fēng)坡坡腳大量堆積外，其他位置間或堆積。這說明采煤塌陷后產(chǎn)生的地表裂縫、土壤結(jié)構(gòu)疏松、地表扭曲等導(dǎo)致風(fēng)蝕程度逐漸加強(qiáng)，如果不采取人工整治、恢復(fù)措施，固定半固定沙丘可能會活化。采煤塌陷2 a后的沙丘不同位置區(qū)域風(fēng)蝕堆積深度隨著塌陷時間的增長，風(fēng)沙流填縫過程完成，整個沙丘不同典型位置流線性的輸沙斷面基本形成，風(fēng)蝕和堆積深度程度逐漸加強(qiáng)。塌陷2 a同時間平均風(fēng)蝕/風(fēng)積深度分別為-0.8，-22.2和-26.6 cm，不同典型位置的平均風(fēng)蝕/風(fēng)積深度分別為-17.1，-3.7，-4.5，-32.2和+11.9 cm，其風(fēng)蝕程度比塌陷1 a增大了3倍。統(tǒng)計(jì)分析表明，整個沙丘風(fēng)蝕概率可達(dá)90%以上，這說明受采煤塌陷的影響2 a后沙丘已經(jīng)基本活化，整體都處在運(yùn)動狀態(tài)(圖1)，生態(tài)恢復(fù)措施刻不容緩，否則造成的后果不可想象。

對照(非塌陷區(qū))不受采煤塌陷的干擾，沙丘典型位置的風(fēng)蝕/風(fēng)積過程符合固定半固沙丘的規(guī)律，從迎風(fēng)坡坡腳到背風(fēng)坡坡腳平均風(fēng)蝕/風(fēng)積深度分別為-6.5,+3.9，-5.4,+3.6和+1.6 cm，整體風(fēng)蝕深度僅為-2.8 cm，沙丘常年處在固定狀態(tài)。經(jīng)過對比分析，塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷)沙丘不同典型位置的總的風(fēng)蝕/風(fēng)積深度分別達(dá)到-28.2，-45.6和-2.8 cm，失土厚度分別比對照(非塌陷)高10.07和16.29倍，說明采煤塌陷后有效的促進(jìn)了風(fēng)沙運(yùn)動，改變了局部的風(fēng)蝕堆積深度，可能會引起固定半固定導(dǎo)致的沙丘重新活化。

注：1，2，3，4，5分別表示沙丘位置為迎風(fēng)坡坡腳，迎風(fēng)坡坡中，丘頂，背風(fēng)坡坡中，背風(fēng)坡坡腳。

3.2不同的地表破損率對風(fēng)蝕堆積厚度的響應(yīng)

塌陷區(qū)的地表破損率表征的是受采煤塌陷的影響地表結(jié)構(gòu)破壞程度，如地表扭曲、塌陷裂縫都能導(dǎo)致地表破損率變化。地表破損以后對塌陷區(qū)風(fēng)蝕/風(fēng)積過程有一定的影響，不同的地表破損率其風(fēng)蝕/風(fēng)積深度變化詳見表1。

表1　不同地表破損率風(fēng)蝕/風(fēng)積量變化

注：H表示風(fēng)蝕/風(fēng)積深度; 下標(biāo)表示塌陷時間(月)； +表示風(fēng)積； -表示風(fēng)蝕。

當(dāng)?shù)乇砥茡p率為50%，地表層次不齊，錯落有致，變得支離破碎。采煤塌陷后4,12,16和20個月，平均風(fēng)蝕/風(fēng)積深度分別為+13.9,+15.3,+21.9和+24.5 cm，區(qū)域風(fēng)沙流運(yùn)行過程整體表現(xiàn)為風(fēng)積(表1)，平均風(fēng)積深度達(dá)+18.9，總的風(fēng)積深度可達(dá)+75.6 cm，但對21個測點(diǎn)72組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，其風(fēng)蝕和堆積概率各為50%；當(dāng)?shù)乇砥茡p率為35%時，致使地表形成錯落階梯狀塌陷地表，風(fēng)沙運(yùn)動首先也表現(xiàn)為地表的填縫過程，4次平均風(fēng)蝕/風(fēng)積深度分別為+2.4,+0.8,+7.1和20.3 cm，平均風(fēng)積深度+7.65 cm，總深度達(dá)+30.6 cm，其總體過程仍處于風(fēng)積過程，但隨著地表破損率的減小，其風(fēng)蝕概率逐漸增大，達(dá)到55.5%。經(jīng)過分析，當(dāng)?shù)乇砥茡p率為20%時，塌陷裂縫雖然明隙可見，風(fēng)沙運(yùn)動形式轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)蝕為主風(fēng)積為輔的過程，風(fēng)蝕概率為65%，而風(fēng)積概率僅為35%，不同時間平均風(fēng)蝕/風(fēng)積深度分別為-12.8，-14.6，-6.6和+7.4 cm，總風(fēng)蝕深度為-26.6 cm，平均風(fēng)蝕深度達(dá)-6.65 cm。當(dāng)?shù)乇砥茡p率為5%時，塌陷裂痕已基本被風(fēng)沙流填沒，塌陷地表已接近非塌陷地表，所以區(qū)域風(fēng)沙運(yùn)動過程已近似的接近于正常地表(非塌陷區(qū))的風(fēng)蝕沙埋過程，區(qū)域風(fēng)蝕/風(fēng)積深度近似的接近于平衡點(diǎn)，分別為-1.7，-0.9，-2.6和-2.2 cm，和對照(非塌陷0%)相比，已經(jīng)十分接近非塌陷地表，其總的風(fēng)蝕深度分別為-7.4和-6.9 cm。

據(jù)分析，不同地表破損率與風(fēng)蝕/風(fēng)積深度存在著一定的相關(guān)關(guān)系，地表破損率越大，其地表風(fēng)積過程越顯著，地表破損率為50%時月均的風(fēng)蝕/風(fēng)積深度是35%，20%，5%和0%的2.5,2.8,9和12倍，且隨著地表破損率的減小，風(fēng)沙流運(yùn)動狀態(tài)逐漸由風(fēng)積填縫過程轉(zhuǎn)化為風(fēng)蝕過程，地表破損率越小，越接近于非塌陷地表情況?；貧w分析表明，風(fēng)蝕/風(fēng)積深度(H)與地表破損率(V)呈多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。對回歸模型的可信度及顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，其相關(guān)系數(shù)的變化范圍為81.86%～95.6%，方程擬合效果較好。

4　討論與結(jié)論

(1) 塌陷1 a、塌陷2 a和對照(非塌陷)沙丘不同典型位置的平均風(fēng)蝕/風(fēng)積深度分別達(dá)到-28.2，-45.6和-2.8 cm，失土厚度分別比對照(非塌陷)高10.07和16.29倍，其整體的風(fēng)蝕概率分別達(dá)60%以上,90%以上和10%以下。采煤塌陷有效的促進(jìn)了風(fēng)沙運(yùn)動，改變了局部的風(fēng)蝕堆積厚度，可能引起固定半固定沙丘重新活化。

(2) 采煤塌陷后不同地表破損率對風(fēng)蝕堆積厚度影響不同，地表破損率越大，其地表風(fēng)積過程越顯著，地表破損率為50%時月均的風(fēng)蝕/風(fēng)積深度是35%，20%，5%和0%的2.5,2.8,9和12倍，且隨著地表破損率的減小，風(fēng)沙流運(yùn)動狀態(tài)逐漸由風(fēng)積填縫過程轉(zhuǎn)化為風(fēng)蝕過程，地表破損率越小，越接近于非塌陷地表情況?；貧w分析表明，風(fēng)蝕/風(fēng)積深度(H)與地表破損率(V)呈多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。

[1]趙國平,李暉,張洪江,等.神府煤田風(fēng)沙區(qū)采煤塌陷地表環(huán)境動態(tài)變化的綜合評價[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,46(5):126-137.

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Effects of Coal Mining Subsidence on Wind Erosion Characteristics in Aeolian Desert Region of Shenfu Coal Mining

ZHAO Guoping1,2, BI Yinli1, LI Junbao2,3, GAO Rong3, GAO Chao3

(1.CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering，ChinaUniversityofMingTechnology,Beijing019000，China; 2.ShaanxiYulinMaowuxuSandyNationalEcosystemObservationandResearchStaion,Yulin,Shaanxi710009，China，China; 3.ShaanxiProvinceResearchInstituteforSandControl,Yulin,Shaanxi719000，China)

[Objective] The influences of Shenfu coal mining subsidence on the movement of aeolian sand were studies to provide scientific basis and guidance for the controlling of wind erosion and recovery of vegetation. [Methods] Based on local field observation in a typical sand dune, this paper studied the impacts of sand dune position and the surface damage ratio on the thickness of aeolian deposit. [Results] The results showed that the thinkness of aeolian deposits on the ground that had undergone one year of subsidence and two year of subsidence were -28.2 cm and -45.6 cm, respectively; while the reference sand dune was -2.8 cm. The overall probabilities of wind erosion of the above three dunes were >60%,>90%, and<10%, respectively. Surface accumulation occurred more intensely on the surface with a higher damage ratio. The movement of wind-blown sand gradually shifted from accumulation or filling to wind erosion as the surface damage ratio decreased. The relation between the thickness of aeolian deposit(Q) and the surface damage ratio(V) can be described by a polynomial function. [Conclusion] It was concluded that the coal mining-induced subsidence significantly promoted the movement of aeolian sand and changed the thickness of aeolian deposit locally, and it may reactivate fixed or semi-fixed dunes.

Shenfu coal mining; windy desert region; coal mining subsidence; surface damage ratio; aeolian deposit

2015-12-02

2016-01-05

陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“陜北生態(tài)脆弱區(qū)煤炭資源開采的風(fēng)蝕效應(yīng)研究”(2014jm5126)； 陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014KJXX-21); 榆林市科技攻關(guān)項(xiàng)目(sf13-35)

趙國平(1979—),男(漢族),青海省海東市人，副研究員,主要從事荒漠化防治、礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)方面的研究。E-mail：516293916@qq.com。

A

1000-288X(2016)04-0129-04

S157.1