廢棄尾礦坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙影響因素分析

李 楠，吳超君，郝 喆，滕 達，王曉明

(1.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036；2.遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110013)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，每年全國礦山所排棄的尾礦越來越多，這些尾礦僅小部分被利用，剩下的大部分都存放在尾礦庫中，其中很多尾礦庫處于無人看管的廢棄狀況。結(jié)構(gòu)極其不穩(wěn)定的廢棄尾礦庫水土流失嚴重，致使礦區(qū)及其附近環(huán)境受到污染。明確廢棄尾礦壩坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征以及初始產(chǎn)流時間，可為提出合理水土保持措施提供理論依據(jù)。

國內(nèi)外諸多學(xué)者通過人工模擬降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律進行了探究。Yuli Zhao[1]等通過模擬降雨對不同雨強下的植被產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進行了研究；Xiang Li[2]等利用人工降雨裝置研究了森林植被對徑流產(chǎn)沙的影響，并表明植被在減少產(chǎn)流量和延緩產(chǎn)流時間方面有顯著影響；Changjia Li[3]等在模擬降雨條件下對坡地地表徑流侵蝕進行了動態(tài)研究。把握模擬降雨中的初始產(chǎn)流時間是計算坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的重要環(huán)節(jié)，而初始產(chǎn)流時間受到降雨強度、坡度、植被等多種因素的影響[4]。蔣秋玲[5]等對坡面初始產(chǎn)流時間進行了探究；車明軒[6]等在對紫色土坡面產(chǎn)流影響的研究中表明了不同雨強和坡度下產(chǎn)流時間的變化趨勢；鄧景成[7]開展的灌草植被蓋度對產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的模擬降雨試驗中表明增加植被覆蓋率可有效延緩初始產(chǎn)流時間。

目前，對產(chǎn)流產(chǎn)沙的研究多為自然形成的土壤基質(zhì)，而針對廢棄多年無人管理的尾礦庫開展的研究較少。廢棄尾礦庫的表層土質(zhì)疏松孔隙率高，保水、保肥的能力差，且有毒有害物質(zhì)常存在于廢棄尾礦中，植物難以生長，再加上結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，使得廢棄尾礦壩坡面極易發(fā)生徑流及侵蝕產(chǎn)沙。本文采用人工模擬降雨裝置，將廢棄尾礦土作為研究對象，選擇灰色關(guān)聯(lián)度的方法，研究植被覆蓋率、雨強、坡度對產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的影響，以及對初始產(chǎn)流時間的影響分析。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤與填土方案

試驗?zāi)Ｐ筒捎玫奈驳V土壤取自遼陽縣寒嶺鎮(zhèn)一廢棄尾礦庫，見圖1。

圖1 遼陽縣寒嶺鎮(zhèn)一廢棄尾礦庫

進行模型填土?xí)r，將厚度為10 cm的碎石放置在試驗槽底部，旨在讓底部試驗土壤同現(xiàn)場盡可能相仿，以減少誤差。填土?xí)r，方法為分層填筑，填充和壓實兩道工序同步進行，使土層從上到下土壤的緊實度增加。在試驗槽邊壁進行適當壓實，以降低邊壁效應(yīng)使水流正常流動。單位容積的土體重量控制在1.8～1.9 t。

1.2 模擬降雨設(shè)計

人工降雨試驗?zāi)Ｐ偷闹黧w規(guī)格為：7.5 m×1.2 m×1.5 m(長×寬×高)。利用設(shè)置在裝置頂部的降雨架模擬降雨，降雨過程中的有效高度為6 m，保持恒定水壓，雨滴大小及到達坡面的速度與天然降雨狀態(tài)相近。裝置底部設(shè)防滲系統(tǒng)及排水管，末端出水處設(shè)計有V型集流槽，徑流泥沙樣通過放置在集流口處的空桶來收集。導(dǎo)水管上設(shè)置瞬時電子流量計和控制閥，降雨裝置噴頭并聯(lián)，通過打開不同的閥門，控制雨強。

為使每次試驗的初始含水率基本維持在10%左右并消除坡體表面的差異性。試驗前，在坡面進行預(yù)降雨，當徑流出現(xiàn)渾濁時停止降雨。試驗中開始記錄降雨的時間為雨滴落在坡面上的時刻，記錄產(chǎn)流的時間以產(chǎn)流出現(xiàn)渾濁的現(xiàn)象為起始，共降雨30 min。開始記錄產(chǎn)流時即進行徑流樣的收集，每次試驗共采集15個樣品。待樣品靜置24 h徑流泥沙樣完全澄清后倒掉上層清液，之后將泥沙樣自然風(fēng)干后，取一部分土壤樣品烘干稱重得到產(chǎn)沙重量并記錄。試驗實物如下圖2所示。

圖2 降雨模型實物圖

1.3 坡度及植被覆蓋設(shè)計

遼寧省雨強空間的分布極不均勻，范圍在21～212 mm/h之間，其南部地區(qū)中心雨強值達到100 mm/h，北部地區(qū)雨強值在21～67 mm/h之間[8]，故本試驗設(shè)置20、60、100、220 mm/h四種雨強。坡度因素對產(chǎn)流產(chǎn)沙的作用最主要[9]。15°是尾礦壩的常見坡度，且楊開寶[10]等在試驗中發(fā)現(xiàn)坡度在10°～24°時侵蝕量隨坡度增加而增加，但當坡度大于24°以后侵蝕量同坡度的關(guān)系呈負相關(guān)。根據(jù)尾礦壩的常見坡度以及試驗地的條件，設(shè)置了兩種坡度(15°和30°)，并將坡長控制在2 m。植被可有效緩解水土流失現(xiàn)象[11]。本試驗通過鋪設(shè)草皮模擬植被覆蓋。大部分相關(guān)研究認為超過70%的覆蓋率，可很大程度上控制水土流失。覆蓋率在60%～80%之間產(chǎn)生的防治效果較在20%～40%之間的穩(wěn)定[12]，根據(jù)當?shù)厍闆r，采用0、40%、80%、100%四種植被覆蓋率。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)沙率與影響因素之間的關(guān)系

當坡度和植被覆蓋率一定時，產(chǎn)沙率原始數(shù)據(jù)可分為8組。每組數(shù)據(jù)中隨著一定的時間間隔一種雨強對應(yīng)15個產(chǎn)沙率數(shù)據(jù)，對8組數(shù)據(jù)中每一種雨強對應(yīng)的15個產(chǎn)沙率數(shù)據(jù)取均值后，共得到32個數(shù)據(jù)作為灰色分析的原始數(shù)據(jù)。設(shè)置影響因素坡度(X1)、植被覆蓋率(X2)、雨強(X3)為比較數(shù)列，產(chǎn)沙率(X0)為參考數(shù)列。計算灰色關(guān)聯(lián)度具體步驟如下[13]：

無量綱化(均值化法)處理原始數(shù)據(jù)即：

(1)

逐一計算參考數(shù)列(均值化后的第一列)與比較數(shù)列的絕對差值即：

|x0(k)-xi(k)|

(2)

計算關(guān)聯(lián)系數(shù)：

ζi(k)=

(3)

計算關(guān)聯(lián)度：

(4)

據(jù)此，求得影響因素對于產(chǎn)沙率的關(guān)聯(lián)度，詳見表1。

表1 影響因素與產(chǎn)沙率的關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度的數(shù)值大小可表明影響因素對參考數(shù)列的影響程度，數(shù)值越大則影響程度越大。由表1可知，各因素對產(chǎn)沙率均有較大的影響，對產(chǎn)沙率的關(guān)聯(lián)度影響最大的因素為雨強，其數(shù)值是0.872 48，雨強的增大致使坡面徑流變大，土壤的滲透性由于徑流沖刷力的增強而下降，致使侵蝕產(chǎn)沙現(xiàn)象加重。坡度對于產(chǎn)沙率的關(guān)聯(lián)度，為0.862 22，坡度增大會增加土層被徑流沖走的幾率。植被覆蓋率較另兩種因素的數(shù)值小，為0.845 46，但對產(chǎn)沙率同樣有較大的影響，地表在植被的阻擋下受到雨水的擊濺侵蝕作用減小，另一方面植被可增加土壤的抗蝕能力，兩者共同作用使產(chǎn)沙率降低。

2.2 產(chǎn)流率與影響因素之間的關(guān)系

把參考數(shù)列Y0設(shè)為產(chǎn)流率，比較數(shù)列不變，利用公式(1)～(3)對原始數(shù)據(jù)進行計算，得出關(guān)聯(lián)系數(shù)后，利用公式(4)得到影響因素對于產(chǎn)流率的灰色關(guān)聯(lián)度，計算結(jié)果見表2。

表2 影響因素與產(chǎn)流率的關(guān)聯(lián)度

對灰色關(guān)聯(lián)度進行排序：雨強>坡度>植被覆蓋率,即對坡面產(chǎn)流率影響程度相對較大的首先為雨強，次之是坡度，影響程度相對最弱的為植被覆蓋率。雨強對于產(chǎn)流率的關(guān)聯(lián)度為0.742 54，雨強愈大，動能愈大，落在坡面的雨滴速度愈大，尾礦壩坡面接受單位時間內(nèi)的雨量愈大，使得坡面產(chǎn)流率增加，該因素對產(chǎn)流率的影響最大。坡度對于產(chǎn)流率的關(guān)聯(lián)度為0.722 97，產(chǎn)流率受其影響較大，坡面徑流沿重力方向移動的分力同坡度呈正相關(guān)，所以提高坡度會加快水流匯集速度，產(chǎn)流率隨之增大。與坡度因素和雨強因素相比，植被覆蓋率對于產(chǎn)流率的影響較小，關(guān)聯(lián)度為0.670 63。

2.3 尾礦壩坡面初始產(chǎn)流時間分析

不同試驗條件下尾礦壩坡面初始產(chǎn)流時間的結(jié)果見圖3。由圖3可見，控制植被覆蓋率的條件下，坡度和雨強增加，可縮短尾礦壩坡面的初始產(chǎn)流時間?？刂破露群陀陱妰煞N變量，初始產(chǎn)流時間在植被覆蓋率增加的條件下被推遲。說明同初始產(chǎn)流時間呈負相關(guān)的為雨強及坡度，呈正相關(guān)的為植被覆蓋率。其中裸地初始產(chǎn)流時間的最小值為130 s(220 mm/h，15°)，最大值為600 s(20 mm/h，15°)；植被覆蓋率為100%時初始產(chǎn)流時間的最小值為165 s(220 mm/h，30°)，最大值為1 080 s(20 mm/h，15°)。雨滴連續(xù)不斷的擊打坡面，使得坡面出現(xiàn)不均勻的雨穴，雨強增大使得雨穴的數(shù)量增加，增大了坡體表面的粗糙程度，局部徑流流速因此延緩，從而提前初始產(chǎn)流時間。坡度提高，雨水滲到土壤的幾率下降，雨滴加速在坡面上匯集，徑流流速增大，從而使初始產(chǎn)流時間提前。

圖3 不同試驗條件下的初始產(chǎn)流時間

經(jīng)回歸分析，得出試驗條件下初始產(chǎn)流時間和三種因素的關(guān)系式為：

T=799.981 2+3.079 237D-2.857 14I-9.183 33C

(5)

式中：T—初始產(chǎn)流時間，s；D—植被覆蓋率，%；I—雨強，mm/h；C—坡度，°。

回歸方程得到樣本決定系數(shù)R2=0.846，觀測值n=32，達到極顯著(p<0.01)，說明該回歸方程能夠用于預(yù)測試驗條件下的尾礦壩坡面初始產(chǎn)流時間。

對初始產(chǎn)流時間與植被覆蓋率、雨強、坡度做偏相關(guān)性分析。得到三者與初始產(chǎn)流時間的標準偏回歸系數(shù)分別為0.757、-0.902、-0.559，且植被覆蓋率、雨強、坡度與初始產(chǎn)流時間的相關(guān)性均達到極顯著(P<0.01)，由此得出試驗條件下的三個因素都對尾礦壩坡面初始產(chǎn)流時間有較大影響且影響極顯著?？纱_定三個因素中對初始產(chǎn)流時間影響最大的因素為雨強，其次為植被覆蓋率，最后為坡度。

與裸地相比較，植被的存在可推遲初始產(chǎn)流時間。三種植被覆蓋率對尾礦壩坡面初始產(chǎn)流時間的延緩情況如圖4所示，由圖4可知，初始產(chǎn)流時間能被三種植被覆蓋率有效延緩，其中40%的植被覆蓋率延緩產(chǎn)流時長在5～140 s范圍內(nèi)，雨強為100 mm/h、坡度15°時延緩產(chǎn)流時間達140 s，其他條件下延緩產(chǎn)流時間在5～110 s內(nèi)。80%的覆蓋率延緩產(chǎn)流時長在15～300 s之間，較40%覆蓋率的延長效果好，雨強為20 mm/h、坡度15°時延緩產(chǎn)流時間達300 s。100%的覆蓋率延緩產(chǎn)流時長在30～612 s之間，雨強為100 mm/h、坡度15°時延緩產(chǎn)流時間達612 s，其延緩產(chǎn)流時間較80%、40%覆蓋率效果都要好。這是由于植被的覆蓋減小了雨滴對于坡面的沖擊，同時植被也起到阻擋作用，使徑流的速度變慢，覆蓋在地表的植物承受了原來作用在地表的力。因此，延緩產(chǎn)流時間隨著植被覆蓋率的增加相對變長。

圖4 不同試驗條件下的延緩產(chǎn)流時間

3 結(jié)論

利用人工模型實驗裝置，研究不同植被覆蓋率、雨強和坡度下的廢棄尾礦坡面初始產(chǎn)流時間以及與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)聯(lián)度，所得結(jié)論如下：

(1)植被覆蓋率、雨強和坡度對于產(chǎn)沙率的關(guān)聯(lián)順序為：雨強>坡度>植被覆蓋率，對產(chǎn)流率的關(guān)聯(lián)順序為：雨強>坡度>植被覆蓋率。當雨強、坡度、植被共同作用時，廢棄尾礦坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙率受雨強影響最大，坡度次之，植被覆蓋的影響相對其他兩個影響因素較弱。

(2)初始產(chǎn)流時間與植被覆蓋率、雨強及坡度呈一定的線性關(guān)系，與植被覆蓋率之間表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，與雨強及坡度之間表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系。裸地、雨強為220 mm/h、坡度為15°時初始產(chǎn)流時間最早；覆蓋率為100%、雨強為20 mm/h、坡度為15°時初始產(chǎn)流時間最晚。

(3)對初始產(chǎn)流時間產(chǎn)生最主要影響的是雨強和植被覆蓋，坡度在試驗條件下對初始產(chǎn)流時間的影響較另外兩種因素都小，三個因素對初始產(chǎn)流時間的作用效果都較大且均達到極顯著。試驗條件下設(shè)置的三種植被覆蓋率均可有效延緩初始產(chǎn)流時間，植被覆蓋率的提高對產(chǎn)流時間延緩有積極作用。