神府煤田棄土棄渣體坡面流速及其影響因素試驗(yàn)研究

董玉錕, 王文龍, 黃懿梅, 歐陽朝波

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

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神府煤田棄土棄渣體坡面流速及其影響因素試驗(yàn)研究

董玉錕1, 王文龍2,3, 黃懿梅1, 歐陽朝波2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

[目的] 研究棄土棄渣體坡面流速變化規(guī)律及礫石含量、坡度、放水流量、含沙量對(duì)坡面流速的影響，為揭示棄土棄渣體侵蝕機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 采用野外放水沖刷試驗(yàn)方法研究神府煤田棄土棄渣坡面流速。 [結(jié)果] 棄土棄渣體在不同放水流量下平均流速隨產(chǎn)流歷時(shí)會(huì)在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，表現(xiàn)為多谷多峰的特點(diǎn)，而且隨放水流量增大，斷面內(nèi)平均流速波動(dòng)程度增強(qiáng)。棄土棄渣體坡面流速與棄土棄渣體中礫石含量、放水流量及含沙量均呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，與坡度呈顯著的二次函數(shù)關(guān)系。逐步回歸分析表明，礫石含量和放水流量的共同作用對(duì)棄土棄渣體坡面流速的影響最為顯著。 [結(jié)論] 棄土棄渣體坡面流速變化復(fù)雜，礫石含量和上方來水是影響流速的最關(guān)鍵因素。

棄土棄渣; 坡面流速; 坡度; 放水流量; 含沙量

文獻(xiàn)參數(shù)： 董玉錕, 王文龍, 黃懿梅, 等.神府煤田棄土棄渣體坡面流速及其影響因素試驗(yàn)研究[J].水土保持通報(bào)，2016,36(4)：148-151.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.027

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市化、工業(yè)化、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的步伐加快，交通運(yùn)輸、礦山開采、大型水利工程、城鎮(zhèn)建設(shè)等生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)量迅速擴(kuò)增，到處可以看到施工建設(shè)的景象。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在開發(fā)、建設(shè)、運(yùn)行過程中造成地地表挖填擾動(dòng)、邊坡開挖、植被破壞、原地貌破壞，形成各種各樣松散的物質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜多樣的棄土棄渣體，從而造成嚴(yán)重的水土流失問題，引起環(huán)境質(zhì)量的嚴(yán)重下降，已受到社會(huì)廣泛關(guān)注[1-2]。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中棄土棄渣體水土流失問題已成為新的產(chǎn)沙來源之一，目前很多學(xué)者對(duì)棄土棄渣體的水土流失進(jìn)行了大量研究，主要集中在室外天然降雨、室外放水沖刷、人工模擬降雨試驗(yàn)。藺明華等[3]以降雨—入滲—產(chǎn)流原理，根據(jù)人工模擬降雨與放水沖刷等試驗(yàn)研究成果及神府典型區(qū)域開發(fā)建設(shè)新增水土流失量，分析建立了適用于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目新增水土流失評(píng)價(jià)的模型及新增土壤侵蝕系數(shù)。倪含斌等[4]采用模擬降雨試驗(yàn)確定了影響土壤侵蝕的主要因子為棄土堆積時(shí)間和土壤的植被覆蓋度。李強(qiáng)[5]、孫虎[6]采用野外模擬降雨試驗(yàn)的研究方法，對(duì)降雨入滲、降雨產(chǎn)流歷時(shí)、侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律進(jìn)行了初步研究。陳奇伯[7]、景峰[8]、郭成久[9]、趙暄[10]采用人工模擬降雨方法，對(duì)初始含沙率徑流量、棄土坡面侵蝕溝產(chǎn)流時(shí)間、平均入滲率等規(guī)律進(jìn)行了探討。白蕓等[11-13]采用人工模擬降雨試驗(yàn)方法，對(duì)神府東勝礦區(qū)棄土棄渣體產(chǎn)流、產(chǎn)沙規(guī)律、減少效益等進(jìn)行研究。目前許多學(xué)者[14-17]對(duì)于公路建設(shè)產(chǎn)生的棄土棄渣體的侵蝕特征和水土流水規(guī)律也進(jìn)行了有效的試驗(yàn)研究。雖然很多學(xué)者對(duì)棄土棄渣體進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，但對(duì)于礦區(qū)開采過程中棄土棄渣下墊面的坡面流速變化規(guī)律研究較少。坡面流速有助于準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)細(xì)溝侵蝕過程及其發(fā)育發(fā)展機(jī)理，因此本試驗(yàn)采用野外放水沖刷試驗(yàn)方法，研究棄土棄渣體坡面流速變化規(guī)律及礫石含量、坡度、放水流量、含沙量對(duì)坡面流速的影響，以期為揭示棄土棄渣體侵蝕機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

神府東勝煤田位于陜北、晉西北、內(nèi)蒙古南部3省交界處，北緯為38°50′—39°50′，東經(jīng)為109°30′—110°30′，屬窟野河上游烏蘭木倫河流域，地貌為典型的蓋沙黃土丘陵，煤田面積為3.12×104km2。該地區(qū)是干旱半干旱氣候，區(qū)內(nèi)年平均氣溫為6.1～9.1 ℃，年極端氣溫為-28.1～38.9 ℃。降雨多集中在7—9月，多以暴雨發(fā)生，降雨量占到全年的65%～70%，多年平均降雨量為325～460 mm。神府東勝礦區(qū)內(nèi)土壤多以風(fēng)沙土和黃土，結(jié)構(gòu)松散、易風(fēng)化，抗蝕性差。神府東勝礦區(qū)內(nèi)的植被主要是沙蒿、沙柳、檸條等溫帶半干旱草原植被和沙地植被，區(qū)內(nèi)植被稀少，植被覆蓋度低，加上受人類活動(dòng)影響，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

1.2試驗(yàn)布設(shè)及方法

試驗(yàn)地點(diǎn)在神府煤田腹地神木縣西溝鄉(xiāng)六道溝村。試驗(yàn)小區(qū)建在一塊撂荒地上，小區(qū)統(tǒng)一采用自然休止角，分為多土型棄土棄渣體、沙少石多型棄土棄渣體(重量土石比1∶0.9)、沙多石少型棄土棄渣體(重量土石比1∶2.1)3種，室內(nèi)對(duì)各下墊面顆粒組成測(cè)量結(jié)果詳見表1。對(duì)應(yīng)的坡度分別為39°,41.7°,35°。小區(qū)規(guī)格1 m×10 m，小區(qū)周圍用1 mm厚鋼板圍住，鋼板高出地面0.1 m，小區(qū)邊界控制條件一致。小區(qū)頂端放置一個(gè)2 m3的水箱，由水泵供水，用汽油泵向小區(qū)供水。在出水管設(shè)置2個(gè)閥門調(diào)節(jié)不同流量，流量分別測(cè)定2次，前后2次誤差不超過5%。小區(qū)上方設(shè)置穩(wěn)流槽，寬度與小區(qū)寬度一致、緊貼地面，保證上面的水流以薄層水流均勻向下流。小區(qū)底端裝有集流槽收集徑流泥沙。小區(qū)自上而下設(shè)置3個(gè)斷面，每個(gè)斷面長(zhǎng)度1 m，分別在2～3 m，5～6 m，8～9 m處，便于測(cè)定流速、流深及流寬。試驗(yàn)開始后，水流流出集留口開始計(jì)算產(chǎn)流歷時(shí)，前3 min內(nèi)，每1 min接1次泥沙樣，3 min以后每隔3 min接1次樣，試驗(yàn)時(shí)間為45 min。每次試驗(yàn)前，測(cè)定土壤容重、土壤含水量等。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定細(xì)溝的上寬、下寬、溝深，觀測(cè)細(xì)溝的變化，用量筒測(cè)定徑流樣的體積，烘干法測(cè)定泥沙質(zhì)量。放水流量以神府東勝地區(qū)暴雨發(fā)生頻率在試驗(yàn)小區(qū)上產(chǎn)生的單寬流量，采用4個(gè)放水流量：10，15，20，25 L/min。坡面流速測(cè)定選用高錳酸鉀示蹤法，在每次接樣的時(shí)間段內(nèi)測(cè)定3個(gè)測(cè)流斷面的流速，乘以系數(shù)0.7最后得到的斷面流速，取其3個(gè)斷面流速的平均值，作為試驗(yàn)小區(qū)的坡面平均流速。試驗(yàn)小區(qū)如圖1所示。

圖1　放水試驗(yàn)示意圖

粒徑/mm 黏粒(<0.002)粉粒0.002～0.0050.005～0.010.01～0.0250.025～0.05砂粒0.05～0.10.1～0.250.25～0.50.5～11～2礫石2～55～1010～20沙少石多棄土棄渣體0.050.110.190.320.583.234.455.967.138.6521.2134.2713.85沙多石少棄土棄渣體0.080.120.230.410.775.677.749.3410.3320.2532.978.353.74多土型棄土棄渣體 0.150.420.480.630.913.4228.635.287.675.342.962.521.63

2　結(jié)果與分析

2.1坡面流速的變化

多土型、沙多石少、沙少石多棄土棄渣體在放水流量在10，15，20，25 L/min下，測(cè)得各斷面平均流速隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化如圖2所示。由圖2可以看出，多土型棄土棄渣體在不同放水流量下平均流速隨產(chǎn)流歷時(shí)會(huì)在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，表現(xiàn)為多谷多峰的特點(diǎn)，而且隨放水流量增大，斷面內(nèi)平均流速波動(dòng)程度增強(qiáng)。在產(chǎn)流后，由于劇烈的徑流沖刷作用，坡面很快形成細(xì)溝侵蝕。溝蝕形成后，徑流繼續(xù)對(duì)溝底、溝壁進(jìn)行侵蝕，加上重力的作用，溝壁兩側(cè)會(huì)發(fā)生倒塌，阻礙徑流，因而此時(shí)會(huì)出現(xiàn)流速下降，當(dāng)徑流匯聚一定程度后，堵塞部位的沙石會(huì)被徑流沖散，此時(shí)大量的徑流攜帶沙石迅速流下，流速突然增大，隨著放水沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)溝侵蝕加劇，此過程在放水沖刷中反復(fù)出現(xiàn)，所以平均流速會(huì)不斷呈現(xiàn)波峰波谷的變化。對(duì)于沙多石少型棄土棄渣體，在不同的放水流量下，平均流速隨著產(chǎn)流歷時(shí)整體趨勢(shì)是逐漸變小，然后會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，也會(huì)有波峰波谷的變化。由于礫石的存在，改變了土壤的物理性質(zhì)，土壤空隙增大，入滲變強(qiáng)。在產(chǎn)流初期入滲率未達(dá)到最大，坡面徑流減小，流速變慢，當(dāng)入滲達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，流速保持在范圍內(nèi)波動(dòng)。對(duì)于沙少石多型棄土棄渣體，隨著產(chǎn)流歷時(shí)延長(zhǎng)，也同樣表現(xiàn)出多谷多峰的變化趨勢(shì)。比較3種不同下墊面坡面流速變化，沙少石多型棄土棄渣體坡面流速較低，流速波動(dòng)范圍為0.1～0.3 m/s。而沙多石少型棄土棄渣體坡面流速是先降低后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，流速范圍多為0.2～0.4 m/s多土型棄土棄渣體坡面流速變化波動(dòng)較小，較為穩(wěn)定。

圖2　各放水流量下不同處理?xiàng)壨翖壴w坡面流速隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化

2.2坡面流速影響因素分析

對(duì)3種下墊面在放水沖刷條件下流速變化過程分析可知，3者之間的流速差異顯著，主要是由于棄土棄渣體下墊面組成差異所致。朱元駿等[18]研究土壤中礫石含量對(duì)流速影響顯著，一方面礫石增加水流路徑而減小流速，另一方面礫石含量會(huì)影響土壤空隙，土壤入滲率隨礫石含量變化而變化進(jìn)而改變徑流量影響流速。分析棄土棄渣體坡面流速與礫石含量關(guān)系，礫石對(duì)其影響顯著，二者關(guān)系可用冪函數(shù)(R2=0.44)表示。坡度對(duì)流速的影響存在反饋關(guān)系，李君蘭等[19]研究發(fā)現(xiàn)不同坡度的坡面水流會(huì)使溝床粗糙度不同，當(dāng)坡度增加時(shí)，徑流所受到加速度作用也應(yīng)該會(huì)增加，但是徑流對(duì)坡面沖刷變劇烈，溝床粗糙度增加，水流速度也會(huì)受到影響。棄土棄渣體坡面流速與坡度的關(guān)系可用二次函數(shù)表示(R2=0.50)，其中極值點(diǎn)為：(37.92，0.35)。放水流量與棄土棄渣體入滲能力之間相互關(guān)系直接決定坡面流量大小，進(jìn)而影響坡面流速棄土棄渣體坡面流速與放水流量的關(guān)系，二者關(guān)系可用冪函數(shù)表示(R2=0.28)。坡面徑流具有的能量一部分用于剝蝕土壤、攜帶搬運(yùn)土壤，一部分用于水流自身流動(dòng)的動(dòng)能。而被搬運(yùn)的土壤顆粒的速度動(dòng)能是水流消耗自身動(dòng)能賦予的。在整個(gè)流動(dòng)過程中，被水流搬運(yùn)的泥沙顆粒與坡面的土壤顆粒之間存在不斷的交換，含沙量的變化反映出水流消耗自身動(dòng)能的變化，同樣，棄土棄渣體坡面流速與含沙量的關(guān)系可用采用冪函數(shù)表示(R2=0.62)。由上分析可知，流速與棄土棄渣體中礫石含量、坡度、放水流量及含沙量存在顯著的相關(guān)關(guān)系，然而4者對(duì)流速的影響并非簡(jiǎn)單的線性疊加，而是以相互作用的形式影響流速的變化，因此，對(duì)流速、礫石含量、坡度、放水流量及含沙量進(jìn)行逐步回歸分析，結(jié)果如表2—3和公式(1)所示，礫石含量和放水流量的聯(lián)合對(duì)棄土棄渣體坡面流速的影響最為顯著。

V=-0.165D+0.005q+0.254(R2=0.75)

(1)

式中：V——棄土棄渣體流速(m/s)；D——棄土棄渣體中礫石質(zhì)量百分比含量；q——放水流量(L/min)。

表2　流速與影響因子間回歸分析模型系數(shù)

注：模型1：V=-0.016 5D+0.347； 模型2：V=-0.165D+0.000 5q+0.254。下同。

表3　流速與影響因子間回歸分析模型剔除因子

3　結(jié) 論

(1) 棄土棄渣體在不同放水流向下平均流速隨產(chǎn)流歷時(shí)會(huì)在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，表現(xiàn)為多谷多峰的特點(diǎn)，而且隨放水流量增大，斷面內(nèi)平均流速波動(dòng)程度增強(qiáng)。

(2) 棄土棄渣體在加入在不同含量的礫石后，土壤入滲隨礫石含量變化，平均流速隨礫石含量變化。平均流速最后穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，也會(huì)有波峰波谷的變化。

(3) 流速與棄土棄渣體中礫石含量、坡度、放水流量及含沙量存在顯著的相關(guān)關(guān)系，然而4者對(duì)流速的影響并非簡(jiǎn)單的線性疊加，而是以相互作用的形式影響流速的變化。結(jié)果分析在4種作用疊加的情況下，礫石含量和放水流量的聯(lián)合對(duì)棄土棄渣體坡面流速的影響最為顯著，礫石含量增加，流速減?。涣髁吭龃?，流速增大。

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Experimental Study on Flow Velocity and Its Influence Factors on Abandoned Dreg Slope in Shenfu Coalfield

DONG Yukun1, WANG Wenlong2,3, HUANG Yimei1, OUYANG Chaobo2

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

[Objective] The slope flow velocity in abandoned dreg site and the effects of gravel content, slope gradient, water flows discharge, and sediment concentration on it were demonstrated to provide scientific reference for revealing the erosion mechanism on dreg site. [Methods] Field scouring experiment was carried out to study the velocity of residue slop in Shenfu Coalfield. [Results] Results showed that flow velocity experienced fluctuated processes within a certain range on all flow discharge conditions. The velocity along discharge time was multi-valley multimodal, and its fluctuation range observed in flow sections increased with the increase of discharge amount. Power function could be used to describe the relationships between flow velocity and the influence factors, including gravel content, flow discharge and sediment concentration. Quadratic power function could express the relationship between velocity and slope gradient. Stepwise regression analysis showed both flow discharge and gravel content significantly influenced flow velocity. [Conclusion] Variation of flow velocity on abandoned dreg slope was complicated. Gravel amount and upstream catchment area were two key factors influencing flow velocity.

residues; slope velocity; slope; water flows; sediment concentration

2014-12-03

2014-02-10

水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)“生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失測(cè)算共性技術(shù)研究”(201001036), “工程開挖面與堆積體水土流失測(cè)算技術(shù)研究”(201201048； 201201047); 中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2-XB3-13); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40771127)

董玉錕(1989—)，男(漢族)，山東省莒南縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)殚_發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持。E-mail:sixiangzhe20000@163.com。

黃懿梅(1971—)，女(漢族)，四川省大竹縣人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域的研究。E-mail:ymhuang1971@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0148-04

S157.1