排土場土壤侵蝕研究進展

李 剛

（阜新蒙古族自治縣水利事務服務中心，遼寧阜新123100）

煤炭是驅動世界經(jīng)濟的主要動力，也是我國的主要能源，其能源消費占全國次消費的59%，預測2025年中國能源消費總需求為55～56 億t 標準煤，為我國全面建成小康社會、實現(xiàn)“兩個百年”奮斗目標和中華民族偉大復興的中國夢提供能源保障[1]。煤炭資源的大規(guī)模發(fā)展，可以帶來直接有效的經(jīng)濟發(fā)展，但無論是露天開采還是井工開采都將破壞植被、開挖土壤與巖層，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重的威脅與破壞。煤炭資源的開采為電力、水力、城鎮(zhèn)建設等方面提供了有力保障，但也帶來一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如生態(tài)景觀破壞、塌陷地、邊坡滑坡、粉塵、廢水廢氣、水污染、地下水位下降、水土流失、土地荒漠化等[2-3]。我國大型煤礦多位于干旱半干旱地區(qū)的內蒙古高原、黃土高原及沙漠化地帶[4]，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，其中大規(guī)模的露天開采活動會破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)，形成不同的地貌單元，改變礦區(qū)及其周圍的土壤理化性質和水文平衡[5]。排土場是在露天開采過程中形成的平臺-邊坡相間的階梯寶塔狀巨型人工松散堆積體，作為礦區(qū)的一種典型地貌單元，具有坡度陡、坡長長的松散坡面和巖土壓實的平臺、物質組成復雜、孔隙發(fā)達、沉陷不均勻等特性[6]，其生態(tài)環(huán)境惡劣，水分幾乎全部來自降雨，存在較為嚴重的土壤和植被水分虧缺問題，是工礦建設區(qū)水土流失最為嚴重的區(qū)域。由于排土場在短時間內無法恢復植被，植被覆蓋度幾乎為零，且排土場邊坡土壤結構松散易侵蝕，在降雨和地表徑流的作用下容易形成嚴重的水土流失，甚至會導致排土場邊坡滑坡、崩塌和泥石流等災害。因此，本文通過分析不同學者的研究進展，歸納總結了排土場土壤侵蝕機理和影響因素，為進一步討論如何降低排土場土壤侵蝕，再造礦區(qū)“綠水青山”提供理論依據(jù)。

1 排土場土壤侵蝕機理與研究現(xiàn)狀

土壤侵蝕是全球共同關注的生態(tài)環(huán)境問題之一，其土壤侵蝕機理和侵蝕過程復雜[7]。排土場土壤結構松散，多為土壤、石塊和巖石的混合物，由于排土場物質組成的復雜性導致其土壤侵蝕過程更加復雜多變，與自然坡面相比，其土壤侵蝕量更加嚴重。關于土壤侵蝕的研究方法以放水沖刷試驗和人工模擬降雨試驗為主[8]，通過模擬不同防水流量和降雨強度，可以研究不同條件下排土場土壤侵蝕特征。排土場土壤侵蝕以水力侵蝕和重力侵蝕為主，其排土場邊坡的土壤侵蝕程度與強度均顯著高于排土場平臺，一方面形成嚴重的水土流失，另一方面為邊坡失穩(wěn)提供可能性。排土場是一種典型的人工擾動土，已經(jīng)不具備良好的土壤結構和植被覆蓋，是礦區(qū)土壤侵蝕的主要來源，其土壤侵蝕極其嚴重[9-11]。呂春娟等[12]綜述了礦區(qū)土壤侵蝕與水土保持，提出排土場在排棄過程中存在運輸、傾倒、壓實等施工工藝，在重型卡車的施壓下，排土場平臺變得緊實，土壤容重高達1.8 g/cm3，這使得排土場平臺土壤入滲能力極低，容易形成和匯集大量的地表徑流，進而侵蝕松散邊坡，形成嚴重的水土流失；同時，緊實的平臺不利于植被根系的穿插和延伸，這在一定程度上阻礙了植被的生長發(fā)育。露天煤礦的開采會嚴重破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境與生態(tài)景觀，開挖大量的地表土壤與深層巖石，產(chǎn)生大量的棄土棄渣[13-17]。相關研究表明[18]，露天煤礦的開采會擾動大量地表，嚴重破壞現(xiàn)有植被，每開采1 萬t 煤炭會破壞1 000 m2植被，產(chǎn)生的棄土棄渣量達6.1 萬m3。神府煤田是我國西部地區(qū)主要的煤炭資源，其大柳塔煤礦在一期和二期共產(chǎn)生5.18×107t 棄土棄渣[19]。

排土場占地面積大，邊坡高陡，產(chǎn)生的水土流失量也極其嚴重[20-26]。由于排土場邊坡高陡且結構松散，物質組成復雜，植被覆蓋度低，其形成的水土流失量可達自然地貌的239.2 倍[27-29]。白中科等[30]以山西大同煤礦為研究對象，通過調查與計算發(fā)現(xiàn)，該煤礦由于開采形成大面積的采煤塌陷地，也形成了大量的水土流失，其每年由于塌陷地導致的水土流失高達7.91×106t。楊超等[31]基于無人機技術研究了排土場邊坡土壤侵蝕速度，結果表明，排土場邊坡水土流失面積高達1.11 hm2，土壤侵蝕速率為4 044 t/（km2·a）。郭建英等[32]研究發(fā)現(xiàn)，排土場邊坡在無任何水土保持措施的條件下，其水土流失量高達1.42 萬t。上述研究結果表明，礦區(qū)排土場水土流失極其嚴重，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境以及經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展造成了嚴重的威脅。

2 排土場土壤侵蝕影響因素

2.1 地形因素

地形是影響土壤侵蝕的關鍵因素[33]。排土場土壤侵蝕多為水力侵蝕和重力侵蝕，其侵蝕類型與地形因素關系密切。排土場邊坡高陡且長，一般坡度均在30°以上，且排土場為平臺和邊坡交替出現(xiàn)，上級平臺緊實，可以匯集大量的地表徑流，為排土場邊坡土壤侵蝕提供侵蝕動力。大量的地表徑流沿邊坡向下運動，沖刷松散的邊坡土壤，帶走大量的泥沙，是排土場邊坡砂礫化。由于排土場下墊面坡度較大，不僅加快了地表徑流的匯集，縮短產(chǎn)流時間，且坡度越大，土壤侵蝕量越大，而且還有一部分重力勢能轉換為侵蝕動能，使得地表徑流具有很強的侵蝕能力和輸沙能力[34]。地形因素與地表侵蝕動能相互作用，地形的改變會引起侵蝕動能的變化，而侵蝕動能的改變直接影響和改變下墊面地形，地表徑流沖刷邊坡，形成細溝侵蝕，其侵蝕溝的長度、寬度、深度和密度取決于地表徑流的侵蝕能力，侵蝕能力越大，侵蝕溝發(fā)育越嚴重，水土流失越嚴重。此外，排土場邊坡較長，為地表徑流的匯集提供條件，使得地表徑流具有更強的侵蝕動力[35]。

2.2 土壤因素

排土場是典型的重構土體，不具有較好的土壤結構，進而導致土壤穩(wěn)定性較差、松散易侵蝕，土壤質地的差異會導致排土場土壤侵蝕過程和侵蝕量的不同。由于排土場邊坡土壤結構松散，其入滲能力、透水能力均較強，土壤抗蝕性較小而可蝕性較大，這為排土場邊坡土壤侵蝕提供物質基礎[36]。相關研究表明，土壤質地不同，其產(chǎn)流產(chǎn)沙過程也不同，其最終產(chǎn)生的土壤侵蝕量也存在差異[37]。影響土壤因素的指標較多，如土壤含水率、土壤緊實度、土壤質地、土壤孔隙等。已有研究表明，土壤含水率是直接影響產(chǎn)流時間、坡面侵蝕過程、徑流量和土壤侵蝕量[38]。土壤緊實度越大，土壤侵蝕量相對越小。李建明等[39-40]研究黃土區(qū)薄厚層浮土土質道路降雨侵蝕過程差異，指出浮土道路侵蝕過程分為單獨浮土侵蝕階段和浮土、道路混合侵蝕階段，且浮土侵蝕量所占比較大。

2.3 植被因素

植被是土壤侵蝕防治中重要的環(huán)節(jié)之一，可以分為林冠、地表和地下三個部分，每個部分的作用均不相同。首先是林冠，樹木的林冠起到了攔截降雨的功能，較好的林分郁閉度可以降低雨滴的打擊動能，降低土壤濺蝕發(fā)生的可能性[41]；地表枯落物能夠進一步降低雨滴的打擊動能，攔蓄地表徑流和泥沙，提高土壤有機質含量，增強土壤團聚體穩(wěn)定性，改善土壤結構，同時枯落物層可以提高土壤抗侵蝕能力，降低地表徑流的沖刷作用[42-43]；地下部分主要是指植物根系，植物的根系在土壤中不斷的穿插、延伸，一方面可以提高土壤抗蝕性和抗沖性，另一方面可以改善土壤結構，提高土體穩(wěn)定性[44-45]。

2.4 氣候因素

氣候是影響排土場土壤侵蝕的外在因素，主要包括降雨、溫度、風速等。水力侵蝕、風力侵蝕和重力侵蝕是土壤侵蝕的主要類型，不同區(qū)域的侵蝕類型有所不同。研究區(qū)排土場以水力侵蝕和重力侵蝕為主，其中水力侵蝕主要受到降雨因素的影響，對于短歷時、強降雨而言，排土場容易發(fā)生嚴重的土壤侵蝕[46]，降雨量或者降雨強度越大，雨滴的打擊動能越大，地表徑流的沖刷能力越強，水土流失越嚴重；排土場邊坡高陡，在水力侵蝕發(fā)生的同時，常常伴隨重力侵蝕；在暴雨或大暴雨條件下，排土場容易發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等災害，造成嚴重的生態(tài)環(huán)境問題和經(jīng)濟損失。此外，土壤侵蝕量與降雨強度、降雨量和降雨歷時之間具有較好的關系，可以用上述指標來估算排土場土壤侵蝕量[47]。

2.5 人為因素

露天煤礦的采礦會擾動大量地表，破壞植被，產(chǎn)生大量的棄土棄渣，形成邊坡松散的排土場。排土場是人工堆棄形成的松散堆積體，人為因素作用明顯，更是導致嚴重水土流失的關鍵因素。采掘、開采等人為活動會改變某個煤礦局部侵蝕基準面，通過對坡度和坡長的改變來影響水土流失。與自然坡面相比，排土場在人為作用下更加容易形成水土流失，其產(chǎn)生的人為水土流失更是自然坡面的數(shù)十倍甚至數(shù)百倍[48]。

3 結語

本文從煤礦開采過程中形成的特殊地貌—排土場的土壤侵蝕角度出發(fā)，總結了排土場土壤侵蝕的發(fā)生機制、特點和危害；并從地形、土壤、植被、氣候和人為因素等角度分析了排土場土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展影響因子，認為氣候條件以及排土場覆土工藝的差異導致土壤侵蝕的影響機理不同，很難篩選土壤侵蝕的主要影響因素。排土場土壤侵蝕與防治的科研工作中應盡量將各個指標與土壤侵蝕進行定量分析，這樣就能夠準確的構建排土場土壤侵蝕模型，對我們深入了解排土場土壤侵蝕過程與機理提供理論依據(jù)，為后期土壤侵蝕防治提供科學方法。