露天煤礦排土場(chǎng)不同治理模式邊坡細(xì)溝侵蝕特征研究

陳同德，王文龍，2＊，董玉錕，郭明明，康宏亮，朱寶才，3

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷030801）

排土場(chǎng)是礦區(qū)集中堆置棄土棄渣的場(chǎng)所，屬于典型的人造地貌。排土過(guò)程中機(jī)械車(chē)輛反復(fù)碾壓排土場(chǎng)頂部導(dǎo)致地表致密、平坦，因此降雨在排土場(chǎng)頂部形成匯水，流至表層質(zhì)地疏松、坡度較大的邊坡，引起嚴(yán)重的水土流失。排土場(chǎng)邊坡主要的土壤侵蝕類(lèi)型有面蝕、細(xì)溝侵蝕、泄溜、滑坡、泥石流等［1］，有研究表明排土場(chǎng)邊坡侵蝕模數(shù)為平臺(tái)面積的11倍，成為排土場(chǎng)甚至是礦區(qū)的主要水土流失區(qū)域之一［2］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)排土場(chǎng)邊坡土壤侵蝕防治技術(shù)［3］、產(chǎn)流產(chǎn)沙特征［4］、預(yù)測(cè)模型［5］等方面展開(kāi)了研究。關(guān)于排土場(chǎng)邊坡土壤侵蝕防治取得了豐碩的研究結(jié)果，對(duì)于礦區(qū)邊坡治理有重要的指導(dǎo)意義。劉瑞順［2］認(rèn)為針對(duì)1年排土年限的邊坡，稻草簾子覆蓋措施的減沙效益可達(dá)到93.63%。郭建英［6］認(rèn)為植被恢復(fù)初期，不合理的治理模式會(huì)導(dǎo)致侵蝕量增大，其中“檉柳方格+牧草混播”措施下的土壤侵蝕量是裸坡土壤侵蝕量的1.02倍。產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的研究主要用于確定坡面尺度的侵蝕模數(shù)以及侵蝕規(guī)律，為礦區(qū)新增水土流失量的預(yù)測(cè)提供必要參數(shù)［7］。郭明明［7］等人研究神府煤田棄土棄渣的侵蝕特征，認(rèn)為礫石含量對(duì)產(chǎn)流特征、侵蝕速率有較大影響，侵蝕模數(shù)最高可比撂荒地高239.2倍。目前，沒(méi)有通用的預(yù)測(cè)模型適用于礦區(qū)土壤侵蝕。國(guó)外一般使用ULSE以及RULSE來(lái)預(yù)測(cè)礦區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)［5，8］，取得了良好的效果。由于我國(guó)缺少詳實(shí)的監(jiān)測(cè)資料，ULSE以及其改進(jìn)版難以直接用于實(shí)際生產(chǎn)［9］。

細(xì)溝侵蝕是坡面侵蝕的主要方式之一，細(xì)溝形成后，坡面侵蝕速率會(huì)急劇增大，細(xì)溝侵蝕量可占坡面侵蝕總侵蝕量的70%左右［10-11］，細(xì)溝對(duì)坡面地貌的發(fā)育以及演化過(guò)程也有著重要的影響［12］。前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，永利煤礦排土場(chǎng)邊坡，無(wú)論有無(wú)治理模式，邊坡均存在不同程度的細(xì)溝侵蝕。研究排土場(chǎng)邊坡細(xì)溝侵蝕特征是了解坡面土壤侵蝕環(huán)境的重要途徑，將為評(píng)價(jià)排土場(chǎng)邊坡不同恢復(fù)模式控制細(xì)溝侵蝕效果提供科學(xué)依據(jù)。沙打旺在北方水土流失地區(qū)有了大范圍的推廣［13］，但是沙打旺在排土場(chǎng)邊坡這一特殊下墊面條件下控制土壤侵蝕的效果如何卻未可知。本研究可用于檢驗(yàn)沙打旺的控蝕效果，也能為快速評(píng)價(jià)排土場(chǎng)邊坡不同恢復(fù)模式的控蝕效果提供科學(xué)方法。因此，本文以永利煤礦排土場(chǎng)邊坡為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)查不同治理模式下邊坡的侵蝕細(xì)溝狀況，研究排土場(chǎng)邊坡的細(xì)溝侵蝕特征、評(píng)價(jià)不同恢復(fù)模式控制細(xì)溝侵蝕的效果，以期為礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡治理及生態(tài)恢復(fù)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗永利煤礦（E 110°17′21″，N 39°69′43″）。研 究 區(qū) 海 拔 在1000～1500m，屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫6.2～7.2℃。全年降水量在300～500mm之間，降雨集中在7—9月，約占年降水量的80%，多為侵蝕性暴雨。該區(qū)風(fēng)力資源豐富，春季風(fēng)速最大，風(fēng)速可達(dá)5.5m·s-1。研究區(qū)土壤以栗鈣土為主，其母質(zhì)為砒砂巖。砒沙巖結(jié)構(gòu)性差，所以該區(qū)易發(fā)生風(fēng)蝕、水蝕和重力侵蝕。自然植被以灌木和半灌木為主，主要有百里香（ThymusmongolicusRonn）、本氏針茅（Stipacapillata）等。人工植被主要有沙棘（Hippophaerhamnoides）、沙打旺（Astragalusadsurgens）、苜蓿（Medicagosativa）、檸條（Caragana KorshinskiiKom）等。

1.2 樣地選擇與細(xì)溝測(cè)量

前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，永利煤礦排土場(chǎng)治理模式有A（沙柳方格+沙打旺）和B（沙柳方格）2種。因排土年限僅為1年，邊坡土壤質(zhì)地松散，最易發(fā)生水土流失，所以本研究以1年排土年限的邊坡為研究對(duì)象。為保證植物生境的相對(duì)一致性、便于說(shuō)明2種恢復(fù)模式相比裸坡的治理效果，經(jīng)調(diào)查和篩選，選擇同時(shí)具備有A、B 2種模式以及裸坡（CK）的邊坡。之后通過(guò)細(xì)溝測(cè)量，計(jì)算每個(gè)樣地坡面的細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度、細(xì)溝寬深比和細(xì)溝侵蝕量，反映細(xì)溝侵蝕狀況并探討2種恢復(fù)模式效益。

調(diào)查確定2種治理模式施工工藝及主要技術(shù)指標(biāo)，具體如下：

1）沙柳方格：人工將長(zhǎng)約0.35m的沙柳條垂直插入新生邊坡約0.2m，插入的沙柳呈菱形排列，長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)（坡面方向）約5m，短對(duì)角線(xiàn)約3m。

2）沙柳方格+沙打旺：沙柳方格施工結(jié)束后均勻撒播沙打旺草種，撒播量15kg·hm-2。

調(diào)查確定本文研究的1年排土年限邊坡形成于2013年3—5月，并于6—7月實(shí)施上述治理模式，所有邊坡在治理前經(jīng)過(guò)平整，坡型均為直型坡。細(xì)溝調(diào)查時(shí)間是從2014年7月2日到6日，調(diào)查期間無(wú)降雨。在A、B 2種治理模式的邊坡上隨機(jī)選擇坡面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量長(zhǎng)度和坡長(zhǎng)一致，寬3m。測(cè)量細(xì)溝時(shí)自上而下每隔2m分段測(cè)量，依次測(cè)量每個(gè)坡段細(xì)溝頂寬、深度、底寬、長(zhǎng)度。每種治理模式選擇2個(gè)坡面進(jìn)行測(cè)量，分別為：A1，A2和B1，B2。樣方法測(cè)量并計(jì)算植被覆蓋度，測(cè)量結(jié)束后在測(cè)量斷面處取土樣測(cè)定容重，每個(gè)位置3次重復(fù)，計(jì)算其平均值，作為坡面容重取值。采用鄭粉莉［14］提出的容積法計(jì)算各個(gè)坡面的細(xì)溝侵蝕量，相同治理模式下的邊坡細(xì)溝特征參數(shù)和細(xì)溝侵蝕量均取均值作為該治理模式的細(xì)溝侵蝕特征參數(shù)和細(xì)溝侵蝕量，即A1和A2計(jì)算均值，B1和B2計(jì)算均值，得到A和B治理模式下的細(xì)溝侵蝕特征參數(shù)和細(xì)溝侵蝕量。相同方法測(cè)量裸坡作為對(duì)照。5個(gè)坡面基本概況如表1所示。

表1 樣地概況Table 1 General conditions of sample sites

5個(gè)坡面的坡長(zhǎng)均不相同，考慮到坡長(zhǎng)因子［15-16］對(duì)細(xì)溝發(fā)育的影響，因此在后文中如果涉及2個(gè)及以上不同長(zhǎng)度的邊坡進(jìn)行比較分析時(shí)，以較短坡長(zhǎng)為基準(zhǔn)坡長(zhǎng)。

侵蝕性降雨是引起黃土高原土壤侵蝕的主要因素之一，謝云、劉寶元等［17］提出我國(guó)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為日降雨量大于12mm，已有廣泛應(yīng)用。侵蝕性降雨情況直接影響1年排土場(chǎng)邊坡細(xì)溝侵蝕特征。永利煤礦2013年6月至2014年6月發(fā)生侵蝕性降雨8次，日降雨量大小在14.5～60mm之間，主要分布在2013年6—9月。侵蝕性降雨量為279.4 mm，占總降雨量的54.13%。

1.3 細(xì)溝參數(shù)描述

本研究采用細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度和細(xì)溝寬深比來(lái)反映不同治理模式下排土場(chǎng)邊坡的細(xì)溝發(fā)育狀況。

（1）細(xì)溝密度指單位研究區(qū)域內(nèi)的細(xì)溝總長(zhǎng)度，可以反映邊坡的破碎程度以及細(xì)溝的分布狀況，計(jì)算式為：

式中，γ為細(xì)溝密度，mm2；m為坡面上細(xì)溝的總條數(shù)；Lti為坡面上某條細(xì)溝總長(zhǎng)度，m；A為研究坡面的面積，m2

（2）細(xì)溝割裂度指單位研究區(qū)域內(nèi)所有細(xì)溝面積之和，除了可以反映邊坡的破碎程度，還能反映細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度，計(jì)算式為：

式中，α為細(xì)溝割裂度；Ai為坡面上第i條細(xì)溝的面積，m2；A為研究坡面的面積，m2

（3）細(xì)溝寬深比是指細(xì)溝寬度和對(duì)應(yīng)深度的比值，可以反映細(xì)溝橫斷面積的形狀變化，計(jì)算式為：

式中，Wi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)細(xì)溝寬度，cm；Di為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的細(xì)溝深度，cm

（4）細(xì)溝累計(jì)侵蝕量指一段坡面上細(xì)溝對(duì)表層土壤剝蝕的總重量，計(jì)算式為：

式中，G為細(xì)溝累計(jì)侵蝕量，kg；Ri為第i細(xì)溝的侵蝕量，kg

（5）某條細(xì)溝侵蝕量Ri的計(jì)算［14］。從上到下每隔2m量測(cè)每條細(xì)溝的寬度RW和深度RH，將每個(gè)測(cè)量段的細(xì)溝面積簡(jiǎn)化為梯形計(jì)算，計(jì)算過(guò)程為：

式中，Ri為某條細(xì)溝的侵蝕量，kg；j為測(cè)量該條細(xì)溝寬、深的次數(shù)；RWj，RWj+1分別代表第j次和j+1次測(cè)量的細(xì)溝寬，cm；RLj為測(cè)量間距，為2m；RHj為第j次測(cè)量的細(xì)溝深，cm；rd代表土壤干容重，g·m-3

用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，Origin 8.5進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同治理模式下的細(xì)溝特征參數(shù)

CK（裸坡）和A（沙柳方格+沙打旺）、B（沙柳方格）2種治理模式下的坡面細(xì)溝特征參數(shù)隨坡長(zhǎng)（從坡頂至坡腳）的變化如圖1所示。細(xì)溝密度（γ）反映坡面細(xì)溝的空間分布，由圖1a可知，γCK隨坡長(zhǎng)增加先減小后增大再減小，γA隨坡長(zhǎng)增加逐漸增大，γB變化整體上呈先增大后減小的趨勢(shì)，γ大小分別為：0.00～1.90m·m-2，0.00～0.99m·m-2和0.16～1.85m·m-2。γCK在距離坡頂12m處達(dá)到最大，為1.90m·m-2；γA在18m處達(dá)到最大，為0.99m·m-2，γB在10m處達(dá)到最大，為1.85 m·m-2，γA，γB與γCK的最大值相比分別降低47.89%和2.63%。γCK在2～8m處逐漸減小，其原因是上方匯水流至裸坡后，抗沖性較差［18］的表土首先被徑流剝蝕、分散、輸移，隨著輸移沙量的增大，徑流用于輸移泥沙能量的消耗也越大［15］，所以削弱了徑流沖刷能力，在2～8m甚至出現(xiàn)沉積現(xiàn)象，導(dǎo)致細(xì)溝密度逐漸變??；而從第8m開(kāi)始急劇上升，細(xì)溝密度增大約190倍，這表明坡長(zhǎng)＞8m后，CK坡面細(xì)溝發(fā)育程度大，侵蝕強(qiáng)烈。相比γCK，γA在坡面上增長(zhǎng)較緩，最大值為CK的52.10%，說(shuō)明A模式可以有效控制細(xì)溝發(fā)育。γB和γCK在坡面上的變化規(guī)律相同，都在中間部位達(dá)到最大，因B坡面在2～8m處沒(méi)有類(lèi)似CK的沉積作用，所以γB比γCK提前達(dá)到最大值。

細(xì)溝割裂度（α）反映坡面破碎程度，從圖1b中看出，αCK隨坡長(zhǎng)增加呈減小-增大-減小趨勢(shì)，αA隨坡長(zhǎng)緩慢增大，αB隨坡長(zhǎng)先增大后減小。αCK在12m處達(dá)到最大值，為0.32，αA和αB分別在18m，10m處達(dá)到最大值，分別為0.07和0.10，3種坡面α的變化范圍分別為：0.00～0.32，0.00～0.07和0.009～0.10。CK在2～8m處α逐漸減小。αA，αB的最大值分別為αCK的25%和31.25%。另外，B模式坡面10m處的αB是αCK的0.69倍，但γB卻是γCK的2.03倍。

細(xì)溝寬深比（R）可客觀反映細(xì)溝溝槽的形態(tài)變化，由圖1c可知：RCK和γCK以及αCK的變化趨勢(shì)相同；RA在距離坡頂4～8m增大，8～16m保持相對(duì)穩(wěn)定，16m后又緩慢增大，隨坡長(zhǎng)呈現(xiàn)波動(dòng)變化；RB在0～4m快速增加，后減小，6～16m相對(duì)穩(wěn)定，16m后減小。CK在0～4m坡段因徑流先遇到大量松散物質(zhì)，徑流含沙量迅速達(dá)到飽和，用于侵蝕、分散表土的能量下降，后以泥沙沉積作用為主，表現(xiàn)為細(xì)溝寬深比迅速下降。A治理模式坡面，0～4m處因沙柳方格和沙打旺的保護(hù)無(wú)細(xì)溝產(chǎn)生，所以寬深比為0，4 m后產(chǎn)生細(xì)溝侵蝕，并以溝壁的拓寬為主，因此寬深比越來(lái)越大；8～10m細(xì)溝下切侵蝕作用加強(qiáng)，寬深比減??；隨著坡長(zhǎng)增加，溝壁拓寬和下切侵蝕作用交替進(jìn)行，RA呈波動(dòng)變化。RB變化和RA類(lèi)似，但B模式的坡面僅有沙柳方格的保護(hù)作用，所以RB的變化幅度明顯較大。與RCK相比，RA，RB的最大值分別下降49.04%和27.95%，平均值分別下降48.89%和34.78%，表明A，B 2種模式均能控制細(xì)溝長(zhǎng)、寬發(fā)育，可防止細(xì)溝在局部過(guò)度下切或拓寬，A模式的作用更為明顯，突出了沙打旺的重要性。

圖1 2種治理模式和裸坡細(xì)溝參數(shù)隨坡長(zhǎng)的變化Fig.1 Changes of rill parameter from two management models and bare-slope with slope length

2.2 不同治理模式下的細(xì)溝侵蝕量特征

A，B 2種治理模式及CK的坡面細(xì)溝侵蝕量（M）和細(xì)溝累計(jì)侵蝕量（G）從坡頂至坡腳的變化過(guò)程如圖2所示。MCK隨坡長(zhǎng)的變化劇烈波動(dòng)，6～8 m趨近于0kg，10～12m增加至72.10kg，14～16 m減小至34.14kg，減小52.65%，隨著坡長(zhǎng)延長(zhǎng)變化劇烈，呈現(xiàn)周期性“減-增”變化，即每隔8m細(xì)溝侵蝕量會(huì)增大。MA隨坡長(zhǎng)緩慢增長(zhǎng)，距坡頂16～18m達(dá)到最大值，為24.86kg；MB先隨坡長(zhǎng)增大，10m處達(dá)到最大，為38.21kg，后減小。與MCK的最大侵蝕量相比，MA和MB分別減小65.52%和47.00%?？芍狝和B 2種治理模式都能控制細(xì)溝侵蝕，且A比B效果好，說(shuō)明沙打旺使細(xì)溝在坡面上的發(fā)育受到抑制。

由圖2b可知，CK坡細(xì)溝累計(jì)侵蝕量（G）隨坡長(zhǎng)呈指數(shù)函數(shù)變化，回歸模型為GCK=4.452e0.446x，R2=0.910；A，B的累計(jì)侵蝕量隨坡長(zhǎng)均呈冪函數(shù)變化，回歸模型分別為：GA=0.041x3.737，R2=0.953；GB=2.954x1.899，R2=0.963，3個(gè)方程的 R2均大于0.9，所以以上3個(gè)方程均能反映累計(jì)侵蝕量和坡長(zhǎng)之間的關(guān)系。總累計(jì)侵蝕量GCK＞GB＞GA，分別為283.73，184.16和152.19kg，相比CK的總侵蝕量，A和B減小46.36%和35.09%，表明A，B治理模式均可顯著降低坡面細(xì)溝侵蝕，且A模式治理效果更佳。有研究表明，細(xì)溝強(qiáng)度的變化規(guī)律和細(xì)溝累計(jì)侵蝕量的變化規(guī)律一致［19］。從圖2b可知，A，B，CK 3種坡面16～18m處累計(jì)侵蝕量曲線(xiàn)斜率為0＜KA＜KB＜KCK，表明若非坡長(zhǎng)限制，細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度將會(huì)在一定范圍內(nèi)越來(lái)越大。以上為實(shí)現(xiàn)控制變量一致，只表述了坡長(zhǎng)在0～18m范圍內(nèi)時(shí)各模式下排土場(chǎng)邊坡的細(xì)溝侵蝕狀況，為進(jìn)一步研究18m之后排土場(chǎng)坡面細(xì)溝侵蝕狀況，以調(diào)查5個(gè)邊坡中3個(gè)大于20m的坡面為例，分別為A1坡面（坡長(zhǎng)為24m）、A2坡面（坡長(zhǎng)為22m）、B2坡面（坡長(zhǎng)為20m），其細(xì)溝累計(jì)侵蝕量如圖3所示：3個(gè)坡面在18m之后細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度迅速增大，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，若排土場(chǎng)邊坡坡長(zhǎng)較大，侵蝕強(qiáng)度將會(huì)急劇增大。

圖2 2種種治理模式和裸坡細(xì)溝侵蝕量以及累計(jì)侵蝕量隨坡長(zhǎng)的變化Fig.2 Changes of rill and it’s accumulate erosion amount from two management models and bare-slope with slope length

圖3 A1，A2和B2邊坡細(xì)溝累計(jì)侵蝕量隨坡長(zhǎng)的變化Fig.3 Changes of rill accumulate erosion amount of A1，A2and B2with slope length

2.3 不同沙打旺覆蓋度的細(xì)溝侵蝕特征

不同沙打旺覆蓋度下，A1、A2坡面細(xì)溝密度（γ）及細(xì)溝侵蝕量（cm）從坡頂至坡腳的變化過(guò)程，如圖4所示。從圖4a可以看出，相同坡位（6～8m除外），γA2（沙打旺蓋度45%）比γA1（沙打旺蓋度75%）大21%～144%，整體均隨坡長(zhǎng)增大而增大。6～8m處A1坡面的細(xì)溝密度較A2低，這是徑流動(dòng)能對(duì)土壤剝蝕與泥沙輸移2個(gè)過(guò)程同時(shí)分配的結(jié)果。0～18m，mA1和mA2在坡面上沿程增大，變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，18m后，m開(kāi)始較大波動(dòng)變化。由圖4b可以看出，在14m以前，mA1相比mA2減小約4.48%～9.26%，控蝕效果相差不大；14m后，mA1和mA2變化趨勢(shì)雖然相同，但已經(jīng)產(chǎn)生明顯的數(shù)量差異，mA1與mA2差值最大可達(dá)到112.60kg。由上可知，在距離坡頂0～14m時(shí)，75%和45%覆蓋度的沙打旺對(duì)于控制細(xì)溝侵蝕的能力基本一致，細(xì)溝侵蝕量相比裸坡分別減小37.29%～70.82%和43.10%～70.34%；距離坡頂14m后，75%覆蓋度的沙打旺比45%覆蓋度更能控制細(xì)溝侵蝕，降低53.32%～61.49%的細(xì)溝侵蝕量。其原因主要是坡面徑流量的改變，在降雨過(guò)程中，排土場(chǎng)頂部因其巨大的平臺(tái)面積，產(chǎn)生較多上方匯水，加上沿途降水的不斷匯入，徑流量會(huì)逐漸增大。沙打旺可以阻擋、分散徑流，使徑流能量降低，但這種能力有限，從侵蝕量曲線(xiàn)的波動(dòng)情況可以看出，沙打旺不同的覆蓋度控制細(xì)溝侵蝕存在一個(gè)“臨界坡長(zhǎng)”，當(dāng)坡長(zhǎng)小于臨界值時(shí)，細(xì)溝侵蝕量隨坡長(zhǎng)增大緩慢增加或保持穩(wěn)定；當(dāng)坡長(zhǎng)大于臨界值時(shí)，細(xì)溝侵蝕量大幅增加。45%覆蓋度的A2坡面的坡長(zhǎng)大于14m時(shí)，細(xì)溝侵蝕量出現(xiàn)第一次大幅上升，增長(zhǎng)率為99.85%；而75%覆蓋度的A1坡面，侵蝕量第一次出現(xiàn)大幅度上升是在20m處，增長(zhǎng)率為55.25%，因此，45%和75%的沙打旺覆蓋度對(duì)應(yīng)的臨界坡長(zhǎng)分別是14m和20m。

3 討論

A，B 2種治理模式下坡面細(xì)溝侵蝕總量相比CK減少46.36%和35.09%，表明A，B 2種措施均能有效控制細(xì)溝侵蝕，A模式的效果更好，植被作用明顯。該結(jié)果與其他類(lèi)型下墊面［20-21］所得結(jié)果一致：植被均能不同程度的控制土壤侵蝕。A，B，CK 3種類(lèi)型的坡面在0～2m處的細(xì)溝侵蝕量分別為：0，4.4和25.53kg；其中CK坡面頂部（0～2m）細(xì)溝侵蝕量占坡面總細(xì)溝侵蝕量的7.3%，B坡頂部也有細(xì)溝侵蝕產(chǎn)生，這與通過(guò)人工模擬試驗(yàn)得到的結(jié)果有所不同［22-23］，即裸坡頂部就有相對(duì)嚴(yán)重的細(xì)溝侵蝕，并非只在坡面中下部細(xì)溝侵蝕強(qiáng)烈。這是由于排土場(chǎng)是特殊的人造地貌，排土場(chǎng)平臺(tái)經(jīng)過(guò)機(jī)械車(chē)輛長(zhǎng)期反復(fù)碾壓，表面變得堅(jiān)硬、平緩，給邊坡提供了大量的上方匯水；上方匯水流入邊坡后，將加大坡面被侵蝕的可能性。而A模式下邊坡因沙打旺覆蓋度較大，增加了坡面土壤的抗沖性、抗蝕性，所以A坡面0～2m處的細(xì)溝侵蝕很小。從圖2可知，B模式坡面距離坡頂0～2m處，細(xì)溝密度、細(xì)溝割裂度、細(xì)溝寬深比3個(gè)參數(shù)均小于CK，表明B類(lèi)坡面雖然沒(méi)有種植沙打旺，但沙柳方格控制細(xì)溝侵蝕的能力也較明顯。因此，在沒(méi)有種植沙打旺或者其他植被的條件下，可考慮“排水溝+沙柳方格”模式，邊坡頂部修筑排水溝以減少上方匯水，沙柳方格控制細(xì)溝侵蝕的能力將會(huì)加強(qiáng)。

圖4 A1和A2的細(xì)溝密度及細(xì)溝侵蝕量隨坡長(zhǎng)的變化Fig.4 Changes of rill density and rill erosion amount of A1and A2with slope length

坡長(zhǎng)影響坡面沿程水流能量以及水流泥沙的運(yùn)移規(guī)律，是影響細(xì)溝侵蝕的重要因子。有關(guān)坡長(zhǎng)對(duì)坡面侵蝕量的影響現(xiàn)在并沒(méi)有一致結(jié)論，一些研究發(fā)現(xiàn)從坡頂?shù)狡孪虑治g量隨著坡長(zhǎng)的增加而增加［24-25］，而也有研究和本文研究結(jié)果類(lèi)似［15，26-27］：侵蝕量隨坡長(zhǎng)呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，其原因是由于侵蝕作用和沉積作用隨坡長(zhǎng)的增加不斷的交替轉(zhuǎn)換。徑流能量包括2方面：徑流動(dòng)能和徑流勢(shì)能，用以侵蝕坡面和攜帶泥沙，在徑流能量相對(duì)穩(wěn)定的情況下，侵蝕坡面的能量和攜帶泥沙的能量互為消長(zhǎng)關(guān)系，在坡面上表現(xiàn)為侵蝕作用和沉積作用的交替變化。從圖2a中得知CK坡面侵蝕在0～2m處以侵蝕作用為主，到2～8m以沉積作用為主，8m后2種作用交替變換。上方匯水到達(dá)坡面后，頂部大量的松散物質(zhì)被徑流沖起，徑流迅速呈現(xiàn)“泥沙飽和”狀態(tài)，最終導(dǎo)致CK坡面出現(xiàn)沉積現(xiàn)象；到8m處徑流能量通過(guò)降雨疊加和勢(shì)能轉(zhuǎn)化得到加強(qiáng)，且徑流中的泥沙含量因沉積作用變得相對(duì)較小，此時(shí)的徑流又有了較大的侵蝕能力和攜沙能力，因此8～12m處侵蝕量迅速增加，之后也是類(lèi)似的交替現(xiàn)象。由圖2a可知CK坡上每隔8m，細(xì)溝侵蝕量會(huì)迅速增大，可在8m處采取一定的水土保持措施，比如植物藩籬，以起到攔水?dāng)r沙的作用，從而控制坡面細(xì)溝侵蝕。A、B 2種治理模式的坡面也有類(lèi)似的交替現(xiàn)象，但沒(méi)有CK坡面明顯，且無(wú)確定周期。王禹［27］在東北黑土區(qū)就坡長(zhǎng)對(duì)坡面土壤侵蝕影響進(jìn)行了研究，不同坡長(zhǎng)產(chǎn)沙也有類(lèi)似的大小交替變化現(xiàn)象，但是其周期長(zhǎng)度為142m，而本研究?jī)H距離坡頂2m處就發(fā)生了這種現(xiàn)象。原因可能有2個(gè)方面：1、本研究中下墊面是采礦過(guò)程中產(chǎn)生的棄土棄渣混合體，其有機(jī)質(zhì)含量低、結(jié)構(gòu)松散，抗沖性、抗蝕性相比坡耕地土壤均較差；2、東北黑土區(qū)典型耕地坡度約3°［27］，而本研究中坡度均在30°及以上，坡度越大，徑流動(dòng)能也越大。

覆蓋度控制細(xì)溝侵蝕的能力和坡長(zhǎng)有關(guān)。45%覆蓋度下坡長(zhǎng)超過(guò)14m、75%蓋度下坡長(zhǎng)超過(guò)20 m后，細(xì)溝侵蝕量分別增加了1.70，1.81倍。由圖4b可知距坡頂20m處沙打旺難以控制細(xì)溝侵蝕。邊坡面積越大，其盛雨面積也越大，所以一定覆蓋度的植被控制土壤侵蝕的能力卻有限。焦菊英［21］分析了黃土高原人工草地的減水減沙效益和有效蓋度，結(jié)果表明人工草地在大暴雨條件下仍有減緩?fù)寥狼治g的作用，但減緩作用隨著雨量、雨強(qiáng)增大呈減小趨勢(shì)。永利煤礦地處黃土高原北部，降雨也以侵蝕性暴雨為主，另外排土場(chǎng)頂部存在大面積平臺(tái)，提供了上方匯水條件，這種條件下，不可“高估”植被覆蓋度的固土作用，即使采取高覆蓋度沙打旺治理坡面，排土過(guò)程中也需控制邊坡長(zhǎng)度，必要時(shí)需要采取相應(yīng)的工程措施。

4 結(jié)論

對(duì)永利煤礦排土場(chǎng)治理邊坡的細(xì)溝侵蝕特征與裸坡進(jìn)行了對(duì)比分析得到以下結(jié)論：

1）“沙打旺+沙柳方格”治坡與沙柳方格治坡均能控制排土場(chǎng)邊坡細(xì)溝侵蝕，與裸坡相比，2種治理坡面細(xì)溝侵蝕量分別減小46.36%和35.09%；裸坡細(xì)溝侵蝕量隨著坡長(zhǎng)沿程變化劇烈，呈現(xiàn)周期性變化，即每隔8m細(xì)溝侵蝕量會(huì)增大。

2）裸坡細(xì)溝累計(jì)侵蝕量隨坡長(zhǎng)呈指數(shù)變化，治理邊坡坡面細(xì)溝累計(jì)侵蝕量隨坡長(zhǎng)呈冪函數(shù)變化。

3）覆蓋度對(duì)坡面細(xì)溝侵蝕的影響與坡長(zhǎng)有關(guān)。距坡頂0～14m處，75%，45%覆蓋度的沙打旺控制細(xì)溝侵蝕的能力無(wú)明顯差異，侵蝕量較裸坡減少37.29%～70.82%和43.10%～70.34%；距坡頂14～20m處，75%比45%覆蓋度坡面侵蝕量降低53.32%～61.49%。距坡頂＞20m處，沙打旺不能有效控制坡面細(xì)溝侵蝕。