采煤沉陷區(qū)地表水土流失時(shí)空演化研究

趙 令，蘇 濤，李杰衛(wèi)，周 亮，樊 宇

（1.安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.浙江省地礦勘察院，浙江 杭州 310000）

大規(guī)模高強(qiáng)度的煤礦井工開采過程中，由于煤炭資源的采掘，采空區(qū)原有應(yīng)力的平衡狀態(tài)遭到破壞，這種破壞變化波及地表，對地表的地形地貌產(chǎn)生影響，其直接危害是形成地表土壤結(jié)構(gòu)破壞，以及表土承載體的脆性變形[1-3]。隨時(shí)間推移，地表土體破壞面積不斷擴(kuò)大，形成范圍較廣的采煤沉陷區(qū)[4]。沉陷區(qū)的形成破壞了原有土體的黏聚力和固結(jié)力，在自然降雨或融雪作用下，易形成地表徑流，一方面加速了坡面的水土流失，造成坡面土壤肥力下降；另一方面表層土壤的持水能力減弱[5]，土壤松軟度減小，造成土壤板結(jié)，兩者都會(huì)在不同程度上影響開采區(qū)土壤高效利用。

目前，關(guān)于開采沉陷區(qū)土壤水土流失的研究多集中在土壤養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移和土壤優(yōu)先流路徑特征等方面[6-10]，關(guān)于采煤沉陷區(qū)坡面地表水土流失在降水作用下隨時(shí)間的變化的研究較少，未能對于時(shí)間尺度效應(yīng)、降雨強(qiáng)度以及塌陷坡度等進(jìn)行綜合定量性分析。采用室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究采煤沉陷區(qū)不同坡度坡面在不同降雨強(qiáng)度下地表水土流失的時(shí)空演化規(guī)律，并進(jìn)行定量化分析，為恢復(fù)沉陷區(qū)土地的高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)材料選取淮北五溝礦區(qū)開采沉陷區(qū)坡面表土，為客觀反映坡面水土流失效應(yīng)，故實(shí)驗(yàn)沿沉陷坡面呈扇形分別布設(shè)4條采樣線，每隔50 m在每條采樣線上采用環(huán)刀法采集表層0～20 cm土壤，裝盒密封帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干后過2 mm細(xì)篩備用。

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)3組模型，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀赡M降雨裝置、實(shí)驗(yàn)土槽、傾斜控制裝置、穩(wěn)流槽以及固定裝置組成。實(shí)驗(yàn)土槽的尺寸為100 cm×50 cm×50 cm，土槽末端裝有出水口，出水口下方放置接樣桶，搜集水沙混合物；傾斜控制裝置用來控制實(shí)驗(yàn)土槽傾斜角度，穩(wěn)流槽以及模擬降雨裝置用來模擬自然降雨和上方徑流沖刷；各模型實(shí)驗(yàn)土槽傾斜角度不同，降雨強(qiáng)度不同。模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。

圖1 模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按原狀土壤的初始密度和含水量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)土槽填充，充填體分2層，下層為20 cm厚的細(xì)砂，上層為20 cm厚的原狀土。實(shí)驗(yàn)方法包括模擬不同強(qiáng)度自然降雨作用下塌陷坡面水土流失量以及水土流失強(qiáng)弱與沉陷區(qū)坡面角度之間相互影響過程的模擬。

1.2.1 水流含沙量的降雨強(qiáng)度模擬

自然降水作用下塌陷坡面地表土體易形成地表徑流，而降水強(qiáng)度在一定程度上直接決定了坡面水土流失的程度；故通過搜集和分析五溝礦區(qū)近3年的實(shí)際降雨量，求得平均降雨量并按比例縮小，設(shè)定3個(gè)模擬降雨強(qiáng)度分別為強(qiáng)降雨0.385 mm/min、中降雨0.237 mm/min以及弱降雨0.107 mm/min。

1.2.2 水流含沙量塌陷坡度模擬

隨煤層的不斷掘進(jìn)，采空區(qū)巖體應(yīng)力平衡遭到破壞，巖石出現(xiàn)不同程度的破碎垮落，地表受到擾動(dòng)出現(xiàn)不同程度的沉陷，塌陷坡度直接影響地表水土流失的速度和土壤破壞程度。故通過對五溝煤礦2年內(nèi)的塌陷坡度變化分析，設(shè)定3組實(shí)驗(yàn)裝置的坡度分別為 3°、5°、10°。

1.3 數(shù)據(jù)采集

通過控制模擬降雨裝置，調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度，記錄不同降雨強(qiáng)度條件下的初始出水時(shí)間，同時(shí)記錄不同坡度相同降雨強(qiáng)度下的初始出水時(shí)間；計(jì)算相同時(shí)間下，不同降雨強(qiáng)度和坡度下的水流含沙量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水土流失的時(shí)間效應(yīng)分析

在不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下坡面的平均流速以及初始出水時(shí)間如圖2、圖3。研究表明，坡面平均流速與降雨強(qiáng)度整體呈正比關(guān)系，即在相同坡度條件下，隨降雨強(qiáng)度的增加，坡面的平均流速增加。主要原因是在弱降雨條件下，表層土壤達(dá)到飽和入滲量的時(shí)間長，并且難以形成明顯的徑流現(xiàn)象，而隨著降雨強(qiáng)度的增加，表層土壤達(dá)到飽和入滲量的時(shí)間減小，地表徑流形成所需時(shí)間短，地表土壤可見明顯徑流，水土流失平均速度增加。并且隨著坡面傾斜角度的增加，坡面平均流速出現(xiàn)小幅度增加，在強(qiáng)降雨作用下，隨坡度增加，坡面平均流速基本不變，主要是強(qiáng)降雨作用下，形成地表徑流時(shí)間短，水土流失速度快，坡度對于形成地表徑流的影響作用較小。

圖2 不同降雨強(qiáng)度和坡度下坡面平均流速

初始出水時(shí)間與降雨強(qiáng)度整體呈現(xiàn)反比關(guān)系，坡度對于初始出水時(shí)間的影響較小。在相同坡度條件下，隨模擬降雨強(qiáng)度的增加，初始出水時(shí)間呈現(xiàn)明顯遞減規(guī)律；主要原因是隨降雨強(qiáng)度增加，地表土壤在強(qiáng)降雨的沖刷下，獲得較強(qiáng)的動(dòng)力能量，克服了形成徑流的阻力，使得阻力明顯減小，水土流失的速度明顯增加，故初始出水時(shí)間減少。

2.2 降雨作用強(qiáng)度分析

不同降雨強(qiáng)度和坡度下平均含沙量如圖4。由圖4 可知，降雨強(qiáng)度大小與平均含沙量大小具有較強(qiáng)的相關(guān)性，在相同的坡度條件下，弱降雨下水流平均含沙量明顯小于強(qiáng)降雨下水流含沙量。在弱降雨條件下，坡度為3°和5°的水流平均含沙量分別為0.226 g/L和0.347 g/L，而在強(qiáng)降雨下的水流平均含沙量分別為3.88 g/L和4.17 g/L，強(qiáng)降雨作用下的水流含沙量增加了15倍左右，坡度為10°的強(qiáng)降雨含沙量是弱降雨條件下的10倍左右；在相同降雨條件下，不同坡度的水流含沙量最高于最低增長率為2倍關(guān)系。主要原因是在弱降雨條件下，土壤吸水黏聚能力增加，而弱降雨的沖擊力較小，難以破壞土壤的黏聚力并形成明顯的細(xì)溝徑流，而強(qiáng)降雨的流速快、沖擊力大，易破壞土壤的黏聚力形成較寬的徑流溝。即強(qiáng)降雨作用對塌陷區(qū)坡面水土流失產(chǎn)生較大的影響。

圖3 不同降雨強(qiáng)度和坡度下初始出水時(shí)間

圖4 不同降雨強(qiáng)度和坡度下平均含沙量

2.3 塌陷坡度效應(yīng)分析

弱降雨下水流含沙量隨坡度的變化如圖5。由圖5可知，在弱降雨強(qiáng)度條件下，各階段水流含沙量隨坡度增加而呈非線性增加。開始階段，坡度為10°的水流含沙量高于坡度為3°和5°含沙量，在坡度為3°和5°時(shí)，各階段水流含沙量隨時(shí)間的變化曲線相似，且整體波動(dòng)變化范圍較??；坡度為10°的含沙量隨時(shí)間變化波動(dòng)范圍較大，曲線整體呈現(xiàn)明顯的彈性變化，存在2個(gè)峰值，含沙量最大值為2.79 mg/L，最小值為0.51 mg/L，即最大含沙量是最小含沙量的5倍左右。不同坡度下的最終含沙差異較小，即弱降雨條件下，隨坡度增加，土壤受到的侵蝕較小。

圖5 弱降雨下水流含沙量隨坡度的變化

中降雨下水流含沙量隨坡度的變化如圖6。由圖6可知，在中降雨強(qiáng)度下，坡度對含沙量存在一定影響。在剛開始階段，5°的水流含沙量略高于10°和3°的水流含沙量，此后，坡度為3°的水流含沙量整體無明顯變化規(guī)律且波動(dòng)范圍較小，最終水流含沙量低于開始階段；坡度為5°的水流含沙量呈3個(gè)階段變化，即先線性減少，再呈非線性增加，最后呈現(xiàn)較微小的變化趨于穩(wěn)定；坡度為10°的水流含沙量隨時(shí)間增加呈兩階段變化，即先非線性交替增加，再近線性梯度增加，且增加幅度較大；最終10°的水流含沙量約為5°含沙量的4倍，即在中降雨條件下，隨坡度增加，坡面出現(xiàn)明顯的水土流失現(xiàn)象。

圖6 中降雨下水流含沙量隨坡度的變化

強(qiáng)降雨下水流含沙量隨坡度的變化如圖7。由圖7可得，開始階段含沙量的大小關(guān)系為3°＞5°＞10°，即隨坡度增加，坡度對于含沙量的影響是負(fù)作用，隨時(shí)間增加，各坡度的水流含沙量開始呈現(xiàn)不同程度增加，坡度對于含沙量的影響呈現(xiàn)正相關(guān)；坡度為3°和5°的水流含沙量隨時(shí)間的變化趨勢相似，整體呈現(xiàn)3個(gè)階段變化，在開始階段，含沙量呈現(xiàn)近線性減小變化，再呈現(xiàn)階梯波動(dòng)變化增加，最后呈線性增加且增加速度較小；坡度為10°的水流含沙量隨時(shí)間的變化趨勢成2階段變化，先趨于平緩變化，再呈現(xiàn)似直線增加，增加速度較大，曲線變化明顯；呈現(xiàn)上述變化的主要原因是坡度對于坡面土壤的流失存在1個(gè)臨界值，超出臨界值后，坡面土壤受雨水侵蝕出現(xiàn)明顯的徑流，坡面失去穩(wěn)定性，水土流失現(xiàn)象明顯。

圖7 強(qiáng)降雨下水流含沙量隨坡度的變化

3 結(jié)論

1）坡面平均流速與降雨強(qiáng)度整體呈正比關(guān)系，即在相同坡度條件下，隨降雨強(qiáng)度的增加，坡面的平均流速增加。

2）初始出水時(shí)間與降雨強(qiáng)度整體呈現(xiàn)反比關(guān)系，坡度對于初始出水時(shí)間的影響較小。

3）降雨強(qiáng)度大小與平均含沙量大小具有較強(qiáng)的相關(guān)性，在相同的坡度條件下，弱降雨下水流平均含沙量明顯小于強(qiáng)降雨下水流含沙量。

4）弱降雨下水流含沙量隨坡度的變化無明顯變化規(guī)律，中、強(qiáng)降雨條件下，坡面坡度對含沙量變化呈2個(gè)階段影響作用：第:1階段，隨坡度增加，含沙量減少，呈負(fù)效應(yīng)；第2階段，隨坡度增加，含沙量明顯增加，呈正相關(guān)。