排土場土壤侵蝕研究進(jìn)展

李 剛

（阜新蒙古族自治縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧阜新123100）

煤炭是驅(qū)動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)的主要?jiǎng)恿?，也是我國的主要能源，其能源消費(fèi)占全國次消費(fèi)的59%，預(yù)測2025年中國能源消費(fèi)總需求為55～56 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，為我國全面建成小康社會、實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)百年”奮斗目標(biāo)和中華民族偉大復(fù)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(jì)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(yán)重的威脅與破壞。煤炭資源的開采為電力、水力、城鎮(zhèn)建設(shè)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(nèi)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(dòng)會破壞當(dāng)?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(zhì)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(shí)的平臺、物質(zhì)組成復(fù)雜、孔隙發(fā)達(dá)、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(yán)重的土壤和植被水分虧缺問題，是工礦建設(shè)區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域。由于排土場在短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)植被，植被覆蓋度幾乎為零，且排土場邊坡土壤結(jié)構(gòu)松散易侵蝕，在降雨和地表徑流的作用下容易形成嚴(yán)重的水土流失，甚至?xí)?dǎo)致排土場邊坡滑坡、崩塌和泥石流等災(zāi)害。因此，本文通過分析不同學(xué)者的研究進(jìn)展，歸納總結(jié)了排土場土壤侵蝕機(jī)理和影響因素，為進(jìn)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(jī)理與研究現(xiàn)狀

土壤侵蝕是全球共同關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問題之一，其土壤侵蝕機(jī)理和侵蝕過程復(fù)雜[7]。排土場土壤結(jié)構(gòu)松散，多為土壤、石塊和巖石的混合物，由于排土場物質(zhì)組成的復(fù)雜性導(dǎo)致其土壤侵蝕過程更加復(fù)雜多變，與自然坡面相比，其土壤侵蝕量更加嚴(yán)重。關(guān)于土壤侵蝕的研究方法以放水沖刷試驗(yàn)和人工模擬降雨試驗(yàn)為主[8]，通過模擬不同防水流量和降雨強(qiáng)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(qiáng)度均顯著高于排土場平臺，一方面形成嚴(yán)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(dòng)土，已經(jīng)不具備良好的土壤結(jié)構(gòu)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(yán)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(yùn)輸、傾倒、壓實(shí)等施工工藝，在重型卡車的施壓下，排土場平臺變得緊實(shí)，土壤容重高達(dá)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(jìn)而侵蝕松散邊坡，形成嚴(yán)重的水土流失；同時(shí)，緊實(shí)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(yán)重破壞當(dāng)?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(guān)研究表明[18]，露天煤礦的開采會擾動(dòng)大量地表，嚴(yán)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(dá)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(yán)重[20-26]。由于排土場邊坡高陡且結(jié)構(gòu)松散，物質(zhì)組成復(fù)雜，植被覆蓋度低，其形成的水土流失量可達(dá)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(diào)查與計(jì)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(dǎo)致的水土流失高達(dá)7.91×106t。楊超等[31]基于無人機(jī)技術(shù)研究了排土場邊坡土壤侵蝕速度，結(jié)果表明，排土場邊坡水土流失面積高達(dá)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(dá)1.42 萬t。上述研究結(jié)果表明，礦區(qū)排土場水土流失極其嚴(yán)重，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)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(guān)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(guān)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(shí)，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(dòng)力。大量的地表徑流沿邊坡向下運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(zhuǎn)換為侵蝕動(dòng)能，使得地表徑流具有很強(qiáng)的侵蝕能力和輸沙能力[34]。地形因素與地表侵蝕動(dòng)能相互作用，地形的改變會引起侵蝕動(dòng)能的變化，而侵蝕動(dòng)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(xì)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(yán)重，水土流失越嚴(yán)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(qiáng)的侵蝕動(dòng)力[35]。

2.2 土壤因素

排土場是典型的重構(gòu)土體，不具有較好的土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤穩(wěn)定性較差、松散易侵蝕，土壤質(zhì)地的差異會導(dǎo)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(jié)構(gòu)松散，其入滲能力、透水能力均較強(qiáng)，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(zhì)基礎(chǔ)[36]。相關(guān)研究表明，土壤質(zhì)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(biāo)較多，如土壤含水率、土壤緊實(shí)度、土壤質(zhì)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(shí)間、坡面侵蝕過程、徑流量和土壤侵蝕量[38]。土壤緊實(shí)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(zhì)道路降雨侵蝕過程差異，指出浮土道路侵蝕過程分為單獨(dú)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(gè)部分，每個(gè)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(dòng)能，降低土壤濺蝕發(fā)生的可能性[41]；地表枯落物能夠進(jìn)一步降低雨滴的打擊動(dòng)能，攔蓄地表徑流和泥沙，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(jié)構(gòu)，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(fēng)速等。水力侵蝕、風(fēng)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(shí)、強(qiáng)降雨而言，排土場容易發(fā)生嚴(yán)重的土壤侵蝕[46]，降雨量或者降雨強(qiáng)度越大，雨滴的打擊動(dòng)能越大，地表徑流的沖刷能力越強(qiáng)，水土流失越嚴(yán)重；排土場邊坡高陡，在水力侵蝕發(fā)生的同時(shí)，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(zāi)害，造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題和經(jīng)濟(jì)損失。此外，土壤侵蝕量與降雨強(qiáng)度、降雨量和降雨歷時(shí)之間具有較好的關(guān)系，可以用上述指標(biāo)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(dòng)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(dǎo)致嚴(yán)重水土流失的關(guān)鍵因素。采掘、開采等人為活動(dòng)會改變某個(gè)煤礦局部侵蝕基準(zhǔn)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(jié)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(jié)了排土場土壤侵蝕的發(fā)生機(jī)制、特點(diǎn)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(rèn)為氣候條件以及排土場覆土工藝的差異導(dǎo)致土壤侵蝕的影響機(jī)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(yīng)盡量將各個(gè)指標(biāo)與土壤侵蝕進(jìn)行定量分析，這樣就能夠準(zhǔn)確的構(gòu)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(jī)理提供理論依據(jù)，為后期土壤侵蝕防治提供科學(xué)方法。