豫西黃土區(qū)礦山人為坡溝水土流失特征研究

姚貴奇 吳卿 何洪名 徐建昭 雙瑞 解翼陽 李泮營 張巖

摘?要：礦山開采形成的坡溝是礦區(qū)人為新增水土流失的重要部位和重點防治區(qū)域，為了給礦區(qū)水土保持綜合治理提供科學依據(jù)，以豫西黃土區(qū)礦山人為坡溝為研究對象，利用概化的黃土區(qū)礦山人為坡溝模型，進行歷時60 min，雨強分別為66、85、120 mm/h的人工模擬降雨試驗，結(jié)果表明：同一雨強下產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、徑流含沙量、土壤侵蝕模數(shù)、輸沙率隨降雨歷時延長而增大，徑流含沙量沿程呈逐漸增大趨勢，溝坡徑流含沙量整體上較坡面的大;雨強越大，產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、徑流含沙量、土壤侵蝕模數(shù)、輸沙率越大，徑流含沙量沿程增速越快、增幅越大。應在坡面及其上游、溝道兩側(cè)采取截排水措施，將坡面徑流有效導向下游，防止徑流沖刷坡面和溝道。

關(guān)鍵詞：礦山人為坡溝;水土流失特征;人工降雨;產(chǎn)流產(chǎn)沙;模型試驗;豫西黃土區(qū)

中圖分類號：S157.1文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.019

Study on Characteristics of Soil Erosionin Mine Artificial Slope and Gully in

Loess Region of Western Henan Province

YAO Guiqi1， WU Qing2， HE Hongming2， XU Jianzhao1， SHUANG Rui1， XIE Yiyang3， LI Panying1， ZHANG Yan1

（1.Soil and Water Conservation Monitoring Station of Henan Province， Zhengzhou 450003， China;

2.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China;

3.Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：The slope and gully formed by mining is an important part of artificial soil erosion and the key prevention and control area in the mining area. In order to provide scientific basis for comprehensive control of soil and water conservation in mining area， taking the mine artificial slope and gully in loess region of western Henan Province as a research object， using the generalized model of mine artificial gully in loess region， carrying out the artificial simulated rainfall test with rainfall intensity of 66， 85 and 120 mm/h for 60 min， the results show that： runoff， sediment yield， runoff sediment content， soil erosion modulus and sediment transport rate are increased with the extension of rainfall duration under the same rainfall intensity， the sediment concentration along the river shows the trend of gradually increasing， the sediment concentration of gully runoff on the whole is greater than that of slope surface. When the rainfall intensity is greater， runoff， sediment yield， runoff sediment concentration， soil erosion modulus and sediment transport rate are greater and the runoff sediment concentration along the river is faster and greater. Drainage interception should be taken on the both sides of slopes and the upstream area to effectively guide the runoff to the downstream for preventing slope surface and gully erosion.

Key words： mine artificial slope gully; characteristics of soil erosion; artificial rainfall; runoff and sediment production; model test; loess region of western Henan Province

河南省礦產(chǎn)資源種類及儲量豐富，已開發(fā)利用90余種，采選業(yè)工業(yè)增加值高于全國平均水平。豫西是河南省礦產(chǎn)資源分布及開采的重要地區(qū)，形成了煤炭、鋁土礦、鉬礦、金礦、水泥灰?guī)r礦等開采基地，對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展起到了重要作用[1-2]。豫西黃土丘陵區(qū)面積約2.78萬km2，水土流失嚴重，土壤侵蝕模數(shù)2 000～5 000 t/（km2·a），最高可達10 000 t/（km2·a）[3]。礦山開采導致局部區(qū)域生態(tài)更加脆弱、人為水土流失加劇，特別是礦山開采形成的坡溝、排土場堆棄體及其裸露坡面，是礦區(qū)人為新增水土流失的重要部位和防治的重點區(qū)域[4-5]。對于坡溝水土流失特征，國內(nèi)許多學者采用模型試驗方法開展了大量研究[6-10]，但針對黃土區(qū)礦山開采形成的坡溝水土流失特征研究較少，筆者通過模擬降雨試驗，對豫西黃土區(qū)礦山人為坡溝水土流失特征進行了研究，以期為該區(qū)水土保持綜合治理提供科學依據(jù)。

1?試驗概況

（1）模型。采用可變坡移動式鋼制土槽模擬坡溝，土槽長10 m，其中上部坡面長5 m、下部溝坡（發(fā)育有細溝的坡面）長5 m，槽寬2 m，坡面坡度為20°、溝坡坡度為35°，模型總高度4.6 m，坡面及溝坡自上而下每隔1 m設(shè)置一個觀測斷面，共設(shè)10個觀測斷面（坡面及溝坡各5個），序號依次為1、2、…、10。

（2）邊界條件。土槽內(nèi)壁粘一層大沙、底面鋪5 cm厚大沙;土槽填充取自鄭州邙山的黃土，過5 mm篩，按10 cm厚分層填充拍實，填土總厚度為45 cm;試驗前模擬小雨以保持填土濕潤，消除含水量差異。

（3）試驗雨強及歷時。采用分區(qū)自動控制模擬降雨系統(tǒng)，噴頭高22 m，設(shè)置66、85、120 mm/h等3種試驗雨強，各場次降雨歷時均為60 min。

（4）試驗過程及數(shù)據(jù)采集。降雨開始前用土壤水分儀測定模型土壤含水量，在模型集水口放置徑流桶;試驗開始后記錄降雨開始到有徑流流至集水口徑流桶的時間即初始產(chǎn)流時間，試驗過程中在徑流中加入高錳酸鉀溶液并記錄其通過50 cm距離的時間進而換算徑流速度，在流速測量的同時采用直尺量測徑流寬、徑流深，采用針管抽取徑流沿程含沙水樣、采用徑流桶接取徑流泥沙樣后分別存放至徑流瓶內(nèi)，流速、徑流泥沙觀測時間間隔（時段）為2 min;試驗結(jié)束時記錄降雨產(chǎn)流時間及試驗總歷時;試驗結(jié)束后，對徑流泥沙樣品采用烘箱烘干后稱重，計算徑流量、含沙量等。

2?試驗結(jié)果分析

2.1?各時段水土流失變化情況

試驗雨強為66、85、120 mm/h的場次降雨試驗，采集到數(shù)據(jù)的降雨場次分別為7場、6場、4場，平均初始產(chǎn)流時間分別為第120、102、43 s，平均產(chǎn)流量分別為

91 107.73、134 684.44、238 823.50 mL，平均產(chǎn)沙量分別為37 855.45、101 260.99、184 995.81 g，徑流平均含沙量分別為0.416、0.752、0.775 g/mL，平均土壤侵蝕模數(shù)分別為315.46、843.84、1 541.63 kg/（hm2·min），見表1。

由表1可知，在60 min人工降雨歷時內(nèi)，雨強為66、85、120 mm/h情況下，時段產(chǎn)流量最大值分別為5 113.00、7 520.41、11 851.75 mL，分別出現(xiàn)在第28、30、29時段即55～56、59～60、57～58 min;時段產(chǎn)沙量最大值分別為2 422.86、7 213.83、11 391.75 g，分別出現(xiàn)在第25、30、27時段即49～50、59～60、53～54 min;時段徑流含沙量最大值分別為0.534、1.008、1.184 g/mL，分別出現(xiàn)在第13、28、26時段即25～26、55～56、51～52 min;計算的時段土壤侵蝕模數(shù)最大值分別為302.86、901.73、1 423.97 kg/（hm2·min），分別出現(xiàn)在第25、30、27時段即49～50、59～60、53～54 min。

試驗雨強條件下坡溝尺度模型試驗測算的產(chǎn)流產(chǎn)沙指標變化趨勢見圖1。由圖1可知，在60 min人工降雨歷時內(nèi)，坡溝模型產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、徑流含沙量、土壤侵蝕模數(shù)均隨降雨歷時延長呈增大趨勢，增幅隨雨強的增大而增大，即雨強為120 mm/h的增幅最大、雨強為85 mm/h的次之、雨強為66 mm/h的最小。

由于制作的黃土坡溝模型與黃土區(qū)礦山開采形成的人為黃土坡溝一樣，均改變了原地貌黃土物理特征、降低了黃土抗沖抗蝕性，因此試驗結(jié)果反映了黃土區(qū)礦山人為坡溝水土流失基本特征：雨強越大、降雨歷時越長，造成的地表徑流量越大、侵蝕產(chǎn)沙量越多、土壤侵蝕模數(shù)越大即土壤侵蝕越嚴重。根據(jù)水土保持工作實踐經(jīng)驗，對黃土區(qū)礦山開采形成的各類人為黃土坡面、溝坡進行綜合治理時，應加強坡面及其上游、溝道兩側(cè)截水排水措施，將坡面徑流有效導向下游，防止徑流沖刷坡溝、加劇侵蝕。

2.2?徑流含沙量沿程變化情況

徑流含沙量是坡面和溝坡徑流挾帶泥沙能力的綜合反映，以10 min為統(tǒng)計時段對各斷面觀測的徑流含沙量進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2，徑流含沙量沿程變化情況見圖2。由圖2可知，在60 min人工降雨歷時內(nèi)，3種雨強對應的徑流含沙量沿程均呈逐漸增大趨勢，其中：坡面（1～5號斷面）徑流含沙量沿程迅速大幅增大，而溝坡（6～10號斷面）徑流含沙量沿程增速、增幅均較小，但溝坡徑流含沙量整體上較坡面的大;雨強為120 mm/h的坡面徑流含沙量沿程增速最快、增幅最大即迅速增大到與溝坡徑流含沙量基本一致，雨強為66 mm/h的增速最慢、增幅最小，雨強越大造成的徑流含沙量沿程增速越快、增幅越大。

2.3?徑流輸沙率變化情況

徑流輸沙率是降雨徑流侵蝕產(chǎn)沙和輸沙能力的綜合反映，以10 min為統(tǒng)計時段對坡面和溝坡平均輸沙率進行統(tǒng)計，結(jié)果見表3，試驗雨強條件下坡面和溝坡平均輸沙率變化情況見圖3。

由圖3可知：在60 min人工降雨歷時內(nèi)，同一雨強條件下坡面徑流輸沙率小于溝坡的;坡面徑流輸沙率隨降雨歷時延長而增大，雨強越大對應的徑流輸沙率增幅越大;溝坡徑流輸沙率也隨降雨歷時延長而增大，雨強為85 mm/h對應的增幅最大、雨強為120 mm/h的次之、雨強為66 mm/h的最小。

3?結(jié)?論

利用概化的黃土區(qū)礦山人為坡溝模型進行不同雨強的人工模擬降雨試驗，結(jié)果表明：同一雨強下產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、徑流含沙量、土壤侵蝕模數(shù)、輸沙率隨降雨歷時延長而增大，徑流含沙量沿程呈逐漸增大趨勢，溝坡徑流含沙量整體上較坡面的大;雨強越大，產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、徑流含沙量、土壤侵蝕模數(shù)、輸沙率越大，徑流含沙量沿程增速越快、增幅越大。

礦山開采形成的各類人為坡溝是水土流失及其防治的重要部位，應在其坡面及其上游、溝道兩側(cè)采取截排水措施，將坡面徑流有效導向下游，防止徑流沖刷坡面和溝道。

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【責任編輯?張智民】