結(jié)皮量與含水率對尾礦風(fēng)蝕影響的風(fēng)洞模擬研究①

楊小亮，靳正忠*，丁 剛，俞祥祥，王海峰

結(jié)皮量與含水率對尾礦風(fēng)蝕影響的風(fēng)洞模擬研究①

楊小亮1,2,3，靳正忠1,2,3*，丁 剛4，俞祥祥1,3,5，王海峰1,3,5

(1 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所國家荒漠–綠洲生態(tài)建設(shè)工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830011；2 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所塔克拉瑪干沙漠研究站，新疆庫爾勒 841000；3中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4 新疆維吾爾自治區(qū)應(yīng)急管理廳風(fēng)險監(jiān)測和綜合減災(zāi)處，烏魯木齊 830011；5 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站，新疆石河子 832056)

尾礦風(fēng)蝕是影響周邊環(huán)境空氣質(zhì)量和人體健康的重要因素。以喀拉通克銅鎳礦加烏爾尾礦庫尾礦為研究對象，通過風(fēng)洞試驗，對不同風(fēng)速、含水率和結(jié)皮量條件下的尾礦風(fēng)蝕率、風(fēng)蝕顆粒釋放特征進行研究。結(jié)果表明：尾礦風(fēng)蝕率、風(fēng)蝕顆粒量及其碰撞能量隨著試驗風(fēng)速的增加而增加，隨著尾礦含水率和結(jié)皮量的增加而減小。首次出現(xiàn)顆粒碰撞的風(fēng)速隨著尾礦含水率和結(jié)皮量的增加而增加。尾礦風(fēng)蝕顆粒主要分布在3 cm高度內(nèi)，占總風(fēng)蝕顆粒的50% 以上。在結(jié)皮不被吹破的情況下，結(jié)皮的抗風(fēng)蝕效果要優(yōu)于含水率。因此，結(jié)皮抗風(fēng)蝕效果與風(fēng)速和結(jié)皮量有關(guān)，10 m/s以下風(fēng)速任何結(jié)皮量均能有效抗風(fēng)蝕，12 m/s需25 g以上結(jié)皮量，14 m/s需50 g以上結(jié)皮量；而含水率在任何試驗風(fēng)速下需達到2.72% 以上才有較好的抗風(fēng)蝕效果。

結(jié)皮量；含水率；尾礦；風(fēng)蝕；風(fēng)洞試驗

風(fēng)蝕是在風(fēng)力作用下地表物質(zhì)被釋放搬運的過程，是我國西北干旱區(qū)最主要的地表侵蝕類型[1-2]。風(fēng)蝕一方面使地表物質(zhì)被搬運，破壞土壤理化性質(zhì)，使土壤養(yǎng)分流失，造成土地荒漠化；另一方面風(fēng)蝕釋放的地表顆粒物進入大氣，造成環(huán)境污染及沙塵暴的頻發(fā)[3-4]。研究表明[5-6]，風(fēng)蝕主要與土壤自身物理特性、下墊面及環(huán)境狀況有關(guān)，包括土壤含水率、土壤機械組成、土壤團聚體、地表覆蓋度、地表緊實度、環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境濕度等。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要進行農(nóng)田、退化草地、固定半固定沙漠等土壤的風(fēng)蝕研究，關(guān)注于風(fēng)蝕率及顆粒分布，風(fēng)蝕過程及動力機制，風(fēng)蝕影響因子及模型，抗風(fēng)蝕措施及效果等方面，取得了較多研究成果[7-15]。但對于大量存在的礦業(yè)廢棄尾礦風(fēng)蝕及其顆粒釋放研究較少。尾礦是礦業(yè)生產(chǎn)過程中的產(chǎn)物，是重要的沙塵源和環(huán)境污染源[16]。尾礦無論是干式排放、濕式排放還是膏體式排放，所形成的尾礦庫都會對周邊土壤及地下水造成不同程度的污染[17]，同時尾礦庫干涸后形成的干灘在風(fēng)力作用下會產(chǎn)生尾礦風(fēng)蝕。尾礦風(fēng)蝕顆粒表面極為粗糙，含有原子價不飽和的離子，人若過量吸入，會導(dǎo)致病患，尾礦風(fēng)蝕也是造成環(huán)境空氣質(zhì)量惡化的局部污染源之一[18-19]。因此，尾礦風(fēng)蝕對環(huán)境空氣質(zhì)量和人體健康的影響絕對不能低估[3]，其風(fēng)蝕率及顆粒釋放特征等研究是尾礦風(fēng)蝕及其相關(guān)防治研究的基礎(chǔ)。研究結(jié)果有助于尾礦采取有效的防護措施，控制尾礦風(fēng)蝕污染。

為了解尾礦風(fēng)蝕特征及其對環(huán)境的影響，合理采取防治措施，本文通過風(fēng)洞試驗對西北干旱區(qū)尾礦風(fēng)蝕特征進行研究，探討不同風(fēng)速下含水率和結(jié)皮量對尾礦風(fēng)蝕的影響，研究結(jié)果對于揭示我國西北干旱區(qū)尾礦風(fēng)蝕及其顆粒釋放規(guī)律，拓展我國風(fēng)蝕研究內(nèi)容，探索我國西北干旱區(qū)尾礦風(fēng)蝕防護措施具有重要意義，并可為科學(xué)制定尾礦庫風(fēng)蝕防護措施等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究所用尾礦采自于喀拉通克銅鎳礦加烏爾尾礦庫，該尾礦庫位于新疆富蘊縣西南25 km(89°41′E，46°48′N，海拔931 m)。尾礦庫所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷母珊荡箨懶詺夂?，夏季炎熱干旱，冬季?yán)寒少雪，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料顯示：該區(qū)年平均氣溫2.86 ℃，負(fù)溫期長達5個月(11月至次年3月)，年最高溫集中在7—8月；年平均相對濕度為64%；年平均降水量195.8 mm，多集中在5—10月，有效降水量為41.6 mm，年蒸發(fā)量1 960.6 mm；春末夏初多風(fēng)，風(fēng)向以西北、東北為主，年平均風(fēng)速2.7 m/s。

尾礦庫附近地形平緩，植被較少且以駱駝刺為主。庫內(nèi)尾礦表層在干涸過程中會逐漸固化，形成一層結(jié)構(gòu)松散但蓋度較高的物理結(jié)皮。庫內(nèi)尾礦化學(xué)成分主要以SiO2、Al2O3、MgO、Fe為主，含量約為76.58%。庫內(nèi)尾礦表層物質(zhì)機械組成(表1)不僅含少量黏土(1.63%)等細(xì)顆粒，還含有大量中沙(11.01%)及以上粗顆粒，但主要以極細(xì)沙和細(xì)沙為主，含量分別為30.92% 和30.50%，其次為粗粉沙，含量15.30%。平均粒徑3.349φ(0.098 mm)，屬于極細(xì)沙，分選性較差，屬于正偏窄峰態(tài)。

表1 尾礦機械組成

注：①由Folk-Ward圖解法計算而得；②由公式=2–a計算得到，式中為平均粒徑①。粒級級配含量為體積百分含量。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 樣品采集與處理 于2019年6月在尾礦干灘上隨機采集6處50 cm×50 cm，表層20 cm的尾礦樣品，分別裝入樣品箱，帶回室內(nèi)進行風(fēng)洞試驗及粒度分析。

粒度分析在中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠環(huán)境與生態(tài)修復(fù)實驗室完成，采用BT-2001型激光粒度分布儀(濕法)，分析結(jié)果以體積百分含量表示，根據(jù)Wentworth[20]對粒級的劃分標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計了尾礦樣品的顆粒級配，并根據(jù)Folk-Ward圖解法[21]計算粒度參數(shù)(平均粒徑MZ、分選系數(shù)σI、峰度KG、偏度SkI)。

風(fēng)洞試驗前將采集的6處尾礦樣品混合均勻，晾干，過2 mm篩，去除雜質(zhì)備用。由于所研究尾礦為濕式排放，結(jié)皮為物理結(jié)皮，因此本試驗采用混合法制備尾礦含水，噴水法制備尾礦結(jié)皮。由混合法和噴水法制備的樣品含水和結(jié)皮情況與尾礦庫排放的濕式尾礦及其干涸后形成的結(jié)皮較為相似，還原度較高，具有良好的代表性。

含水率制備方法：試驗設(shè)置4個含水率梯度，分別為對照組、2%、3%、4%，對照組為自然晾干樣品，含水率0.3%，其余每個梯度準(zhǔn)備足夠量的晾干樣品，并根據(jù)樣品量計算所需水量(試驗用水為自來水)，將計算好的水量分別加入各樣品中，混合均勻，密封保存并靜置12 h。試驗前將各梯度樣品裝入長57 cm、寬37 cm、深5 cm的沙盤中，鋪滿、表面刮平，并重新測量含水率，真實含水率梯度為1.74%、2.72%、3.57%。含水率測量采用烘干法，溫度控制在120 ℃，恒溫烘干8 h。

結(jié)皮制備方法：試驗設(shè)置4個結(jié)皮量梯度，分別為對照組，25、50、100 g，對照組為自然晾干樣品，結(jié)皮量0 g。試驗前將自然晾干的樣品裝入長57 cm、寬37 cm、深5 cm的沙盤中，鋪滿、表面刮平，然后均勻噴灑相應(yīng)水量，靜置并晾干，晾干后的沙盤表面會形成一層均勻的物理結(jié)皮，但由于噴灑水量不同，形成的結(jié)皮厚度及硬度不同，然而結(jié)皮厚度及硬度不易測量且誤差較大，因此，本文以噴灑的水量來量化結(jié)皮梯度。

1.2.2 風(fēng)洞試驗設(shè)計 風(fēng)洞試驗于2019年8月在中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所環(huán)境風(fēng)洞實驗室(位于莫索灣沙漠研究站)完成。該風(fēng)洞為直流開口吹氣式，全長16.2 m，實驗段長8 m，截面寬1.3 m，高1 m，采用側(cè)壁擴散式結(jié)構(gòu)，每側(cè)壁擴散角0.2°，風(fēng)速0 ～ 20 m/s可調(diào)。尾礦庫年平均風(fēng)速2 ～ 3 m/s，起沙風(fēng)大多分布在6 ～ 16 m/s，因此試驗設(shè)置風(fēng)速梯度為 8、10、12、14 m/s，每個梯度樣品分別用8、10、12、14 m/s 的風(fēng)速吹蝕30、15、7、3 min。

將制備好的沙盤放入風(fēng)洞實驗段中段中軸線上，沙盤下風(fēng)向5 cm處放置2個梯度集沙儀，用以測量風(fēng)蝕顆粒分布；1個美國Sensit H14-LIN型風(fēng)蝕傳感器，用以測量風(fēng)蝕顆粒碰撞數(shù)和碰撞能量；1個美國014A型風(fēng)速傳感器，用以記錄實時風(fēng)速[22-23]。梯度集沙儀高度20 cm，共20層，每層開口1 cm×1 cm。風(fēng)蝕傳感器和風(fēng)速傳感器同步貼地測量，數(shù)據(jù)采集和記錄頻率為1 s，采集器CR1000自動記錄。試驗布設(shè)如圖1所示。每個沙盤試驗前后用精度1 g的電子秤稱重，用以計算樣品風(fēng)蝕率。

圖1 試驗布設(shè)圖

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速對尾礦風(fēng)蝕率的影響

根據(jù)各組試驗沙盤吹蝕前后質(zhì)量差，計算尾礦風(fēng)蝕率，并與吹蝕風(fēng)速進行冪函數(shù)(=ax)、指數(shù)函數(shù)(=e)、二次多項式(=2++)和對數(shù)函數(shù)(=–ln(x))擬合，得到不同結(jié)皮量與含水率尾礦風(fēng)蝕率與風(fēng)速的關(guān)系(圖2)及最佳擬合函數(shù)結(jié)果(表2)。結(jié)果顯示，風(fēng)速對風(fēng)蝕率的影響十分顯著。風(fēng)蝕率與風(fēng)速的最佳擬合函數(shù)為二次多項式，其在0.01顯著性水平上的相關(guān)系數(shù)均在0.98以上。對照組風(fēng)蝕率隨風(fēng)速增加由4.03 g/(m2·min) 增加到8 171.17 g/(m2·min)，增加2 028.60倍；含水率1.74% 組風(fēng)蝕率隨風(fēng)速增加201.29倍，結(jié)皮量25 g組增加4 245.25倍；含水率2.72% 組增加52.49倍，結(jié)皮量50 g組增加145.67倍；含水率3.57% 組增加10.33倍，結(jié)皮量100 g組增加89.00倍。無論何種處理，風(fēng)蝕率均隨著風(fēng)速的增加而增加，但隨著含水率和結(jié)皮量的增加，風(fēng)蝕率隨風(fēng)速的增長率在降低。目前，部分學(xué)者[2, 12-13]給出的草地、沙地、農(nóng)田風(fēng)蝕量隨風(fēng)速變化遵循冪函數(shù)分布，而本研究與部分學(xué)者[19, 22-23]給出的工業(yè)棄渣、煤礦土風(fēng)蝕量隨風(fēng)速分布結(jié)果一致，說明土壤差異對風(fēng)蝕量隨風(fēng)速變化規(guī)律影響很大，主要體現(xiàn)在土壤的理化性質(zhì)、抗風(fēng)蝕性和表層粗糙度等方面。

圖2 不同結(jié)皮量(A)與含水率(B)條件下風(fēng)蝕率與風(fēng)速關(guān)系

表2 不同結(jié)皮量與含水率條件下風(fēng)蝕率與風(fēng)速擬合結(jié)果

2.2 結(jié)皮量與含水率對尾礦風(fēng)蝕率的影響

通過對各試驗組風(fēng)蝕率與結(jié)皮量、含水率進行擬合，得到風(fēng)蝕率與結(jié)皮量、含水率的關(guān)系(圖3)，以及最佳擬合結(jié)果(表3)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)皮量和含水率變化對風(fēng)蝕率的影響很大。風(fēng)蝕率與結(jié)皮量、含水率的最佳擬合函數(shù)均為二次多項式，除8 m/s風(fēng)速下結(jié)皮量的相關(guān)系數(shù)較低外，其余相關(guān)系數(shù)均在0.93以上。8 m/s風(fēng)速下各處理和對照的風(fēng)蝕率均較低，不超過30 g/(m2·min)，含水率和結(jié)皮量增加對尾礦風(fēng)蝕率的影響不明顯。10 m/s風(fēng)速下含水率和結(jié)皮量增加對風(fēng)蝕率的影響逐漸顯現(xiàn)，隨著含水率的提高，尾礦風(fēng)蝕率降低了765.58 g/(m2·min)；隨著結(jié)皮量的提高，尾礦風(fēng)蝕率降低了760.43 g/(m2·min)。12 m/s風(fēng)速下，隨著含水率和結(jié)皮量的提高，尾礦風(fēng)蝕率分別降低了3 336.98和3 317.65 g/(m2·min)。14 m/s情況下，隨著含水率和結(jié)皮量的提高，尾礦風(fēng)蝕率分別降低了8 116.41和8 069.71 g/(m2·min)。除8 m/s外，其他風(fēng)速條件下風(fēng)蝕率隨結(jié)皮量和含水率的增加而降低，且風(fēng)速越大，結(jié)皮量與含水率增加對風(fēng)蝕率的影響越大。風(fēng)蝕影響因子主要與風(fēng)速、土壤抗蝕性和地表粗糙度等有關(guān)，結(jié)皮量和含水率對尾礦風(fēng)蝕率產(chǎn)生的影響顯然是由于結(jié)皮量增加了地表粗糙度，增強了表層抗蝕能力；含水率則增加了土壤顆粒粘結(jié)性，增強了土壤抗蝕性。

2.3 結(jié)皮量與含水率對尾礦風(fēng)蝕顆粒分布的影響

本文利用梯度集沙儀收集各試驗組樣品吹蝕出的顆粒物，得到各結(jié)皮量和含水率條件下的風(fēng)蝕顆粒隨高度分布情況(圖4)及總風(fēng)蝕顆粒量差異(圖5)。結(jié)果顯示，總風(fēng)蝕顆粒量隨著風(fēng)速的增大而增加，隨著含水率和結(jié)皮量的增加而減小。各處理風(fēng)蝕顆?；痉植荚?0 cm內(nèi)，部分處理在3 cm高度處達到最大，各處理3 cm以下顆粒物占總風(fēng)蝕顆粒物的50% 以上，最大能到76.92%。風(fēng)速8 m/s時，各處理顆粒分布隨高度變化不明顯，介于0.011 ～ 0.039 g/min。隨著風(fēng)速的增大，顆粒分布結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)差異。10 m/s時，對照組，含水率1.74% 和2.72% 處理下的顆粒分布隨高度先增加后減??；12 m/s時，對照組，含水率1.74%、2.72%，以及結(jié)皮量25 g處理下的顆粒分布結(jié)構(gòu)先增加后減??；14 m/s時，對照組，含水率1.74%、2.72%，以及結(jié)皮量 25和50 g處理下的顆粒分布結(jié)構(gòu)先增加后減小。隨著風(fēng)速的增大、含水率的降低，結(jié)皮量的減少，這種先增加后減小的分布結(jié)構(gòu)越容易出現(xiàn)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)風(fēng)速增大時，表層顆粒受到的剪切力增大，顆粒間碰撞能量增大，而含水率和結(jié)皮量保護不足，導(dǎo)致更多顆粒發(fā)生躍移，躍移高度增加，從而增大了風(fēng)蝕顆粒物釋放，改變了顆粒分布結(jié)構(gòu)。

圖3 不同風(fēng)速條件下風(fēng)蝕率與結(jié)皮量(A)、含水率(B)關(guān)系

表3 不同風(fēng)速條件下風(fēng)蝕率與結(jié)皮量、含水率擬合結(jié)果

圖4 不同結(jié)皮量與含水率對風(fēng)蝕顆粒分布的影響

圖5 不同結(jié)皮量與含水率對總風(fēng)蝕顆粒量的影響

2.4 結(jié)皮量與含水率對風(fēng)蝕顆粒碰撞的影響

2.4.1 結(jié)皮量與含水率對顆粒碰撞數(shù)及能量的影響 各試驗組在吹蝕時間內(nèi)的顆粒碰撞總數(shù)及能量如圖6所示，顆粒碰撞能量與數(shù)量同步變化。風(fēng)速、含水率、結(jié)皮量變化均會對顆粒碰撞產(chǎn)生影響。風(fēng)速越大，顆粒碰撞數(shù)及能量越大；除對照組外，含水率和結(jié)皮量越高，顆粒碰撞數(shù)及能量越?。慌c風(fēng)速、含水率和結(jié)皮量對尾礦風(fēng)蝕率、風(fēng)蝕顆粒分布的規(guī)律一致。風(fēng)速8 m/s試驗組由于風(fēng)速較小，結(jié)皮量100 g及含水率3.57% 試驗組由于抗風(fēng)蝕能力較強，風(fēng)蝕顆粒釋放較少，顆粒碰撞數(shù)和能量也較小。

(柱形表示顆粒碰撞數(shù)，折線表示顆粒碰撞能量)

2.4.2 顆粒碰撞數(shù)隨時間的變化 由于14 m/s風(fēng)速下風(fēng)蝕效果最顯著，顆粒碰撞數(shù)及能量最大，且顆粒碰撞數(shù)和能量同步變化，因此本文選擇14 m/s風(fēng)速下不同含水率及結(jié)皮量吹蝕試驗進行顆粒碰撞數(shù)隨時間變化規(guī)律的分析，結(jié)果如圖7所示。不同處理下的尾礦顆粒釋放隨時間變化呈現(xiàn)相同的規(guī)律。除結(jié)皮量25 g處理外，其他處理在風(fēng)速增加段(約前25 s)，顆粒碰撞數(shù)迅速增大到最大值，當(dāng)風(fēng)速到達14 m/s并穩(wěn)定后，顆粒碰撞數(shù)隨時間逐漸降低，且隨著含水率和結(jié)皮量的增加，顆粒碰撞數(shù)峰值逐漸減小，每秒顆粒碰撞數(shù)也逐漸減小。含水率3.57% 的峰值顆粒碰撞數(shù)僅有2個，總顆粒碰撞數(shù)僅有65個。在風(fēng)速上升過程中，不同處理首次出現(xiàn)顆粒碰撞的風(fēng)速也有所差異，對照組首次出現(xiàn)顆粒碰撞的風(fēng)速為8.45 m/s，隨著含水率和結(jié)皮量的增加，首次出現(xiàn)顆粒碰撞的風(fēng)速逐漸增大到10.05 m/s，說明隨著含水率和結(jié)皮量的增加，尾礦顆粒釋放所需風(fēng)速越大。

3 討論

試驗結(jié)果表明，風(fēng)速、含水率和結(jié)皮量對尾礦風(fēng)蝕和顆粒釋放均有較大影響。風(fēng)速增加對風(fēng)蝕和顆粒釋放有促進作用，含水率和結(jié)皮增加對風(fēng)蝕和顆粒釋放有抑制作用，二者耦合作用下，含水率和結(jié)皮量增加能有效抵消風(fēng)速增加對風(fēng)蝕和顆粒釋放的影響，且風(fēng)速越大效果越明顯。但這僅僅從整體上說明了風(fēng)速與含水率、結(jié)皮量對尾礦風(fēng)蝕和顆粒釋放的影響，沒有體現(xiàn)含水率和結(jié)皮量之間的差異。圖8比較了含水率和結(jié)皮量在不同風(fēng)速下的抗風(fēng)蝕效率，高含水率和結(jié)皮量(3.57% 和100 g)在任何風(fēng)速下防護效果均能達到98% 以上，差異不大；中含水率和結(jié)皮量(2.72% 和50 g)在任何風(fēng)速下，結(jié)皮的防護效果均比含水率好，且呈現(xiàn)出隨著風(fēng)速的增大，含水率防護效果增強，結(jié)皮效果略微降低的趨勢；低含水率和結(jié)皮量(1.74% 和25 g)，這種趨勢更加明顯，低、中風(fēng)速(10、12 m/s)結(jié)皮的防護效果比含水率好，但高風(fēng)速(14 m/s)含水率的防護效果比結(jié)皮好。造成同一結(jié)皮量防護效果隨風(fēng)速增大而降低這一現(xiàn)象是由于結(jié)皮量與風(fēng)速耦合作用有臨界值，當(dāng)結(jié)皮量小于或風(fēng)速大于臨界值，結(jié)皮會被破壞，一旦結(jié)皮被吹破，破口處防護效力基本為零，因此，25 g和50 g結(jié)皮量下，防護效力隨風(fēng)速增大而減小，25 g結(jié)皮量能有效防護的臨界風(fēng)速為12 m/s，50 g以上結(jié)皮量能有效防護的風(fēng)速大于14 m/s。同時，造成相同含水率防護效果隨風(fēng)速增加而增加這種現(xiàn)象可能跟吹蝕時間有關(guān)，10 m/s吹蝕15 min，12 m/s吹蝕7 min，14 m/s吹蝕3 min，新疆夏季高溫干燥，樣品暴露于空氣時間越長，水分散失越多，抗風(fēng)蝕效率越低，且含水率越低對吹蝕時長越敏感，當(dāng)含水率增大后，吹蝕時長造成的水分散失對抗風(fēng)蝕效率的影響逐漸減弱。

綜上，在結(jié)皮量足夠的情況下，結(jié)皮的防護效果、適應(yīng)性和穩(wěn)定性比含水率高。一般來說，為防止尾礦風(fēng)蝕，可采用物理法、植物法和化學(xué)法進行防護。物理法主要是采用物理方法覆蓋尾礦表面，比如覆蓋礫石、樹皮、稻草，向尾礦噴水形成固化層等；植物法主要是在尾礦上栽種永久性植物；化學(xué)法主要是利用可與尾礦發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)試劑，比如石灰、硅酸鈉等，在尾礦表面形成堅固硬殼[24-26]。相比較而言，植物法持續(xù)效果好、環(huán)境友好度高，但植物篩選難、持續(xù)投入多、管護難；化學(xué)法和物理法類似，但化學(xué)法對環(huán)境污染大、成本高、化學(xué)試劑選擇難；物理法是較為適合西北干旱區(qū)的一種低成本防護方式，且本文驗證了物理結(jié)皮法的可行性及防護效果。對于本研究的尾礦，200 mm的全年降水量，相當(dāng)于在試驗沙盤上噴灑了42 g的水，能承受14 m/s的風(fēng)吹蝕，已可以發(fā)揮較好的防護效果，但這是多次降雨的總降水量，單次降水量以及兩次降水之間結(jié)皮的老化問題未考慮，因此，結(jié)皮野外實際的防護效果還需更多試驗加以研究。

圖7 風(fēng)速14 m/s下不同結(jié)皮量與含水率顆粒碰撞數(shù)隨時間變化

圖8 風(fēng)速、結(jié)皮量與含水率對抗風(fēng)蝕效果的影響

4 結(jié)論

風(fēng)速、含水率和結(jié)皮量對尾礦風(fēng)蝕影響顯著。風(fēng)蝕率隨風(fēng)速的增加而增加，隨結(jié)皮和含水率的增加而減小，均符合二次多項式函數(shù)擬合，二者耦合作用下，含水率和結(jié)皮量增加能有效抵消風(fēng)速增加對風(fēng)蝕的影響，且風(fēng)速越大效果越明顯。

風(fēng)速、結(jié)皮量和含水率對尾礦風(fēng)蝕顆粒釋放也會產(chǎn)生一定影響。尾礦風(fēng)蝕顆粒主要分布在3 cm以下，占總風(fēng)蝕顆粒的50% 以上。顆粒分布結(jié)構(gòu)會隨著風(fēng)速的增加、含水率和結(jié)皮量的降低，逐漸出現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象?？傦L(fēng)蝕顆粒物、風(fēng)蝕顆粒物碰撞數(shù)量和能量隨著風(fēng)速的增加而增加，隨著含水率和結(jié)皮量的增加而減小。首次出現(xiàn)顆粒碰撞的風(fēng)速隨著含水率和結(jié)皮量的增加而增加。顆粒碰撞數(shù)隨時間變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律，在風(fēng)速增加段，顆粒碰撞數(shù)迅速增大到最大值，當(dāng)?shù)竭_最大風(fēng)速并穩(wěn)定后，顆粒碰撞數(shù)隨時間逐漸降低，且隨著含水率和結(jié)皮量的增加，顆粒碰撞數(shù)峰值逐漸減小，每秒顆粒碰撞數(shù)也逐漸減小。

在結(jié)皮不被吹破的情況下，結(jié)皮的抗風(fēng)蝕效果要優(yōu)于含水率，因此，結(jié)皮抗風(fēng)蝕效果與風(fēng)速和結(jié)皮量有關(guān)，10 m/s以下風(fēng)速任何結(jié)皮量均能有效抗風(fēng)蝕，12 m/s需25 g以上結(jié)皮量，14 m/s需要50 g以上結(jié)皮量。而含水率在任何試驗風(fēng)速下需達到2.72% 以上才有較好的抗風(fēng)蝕效果。

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Wind Tunnel Simulation of Effects of Crust Quantity and Moisture on Wind Erosion of Tailings

YANG Xiaoliang1,2,3, JIN Zhengzhong1,2,3*, DING Gang4, YU Xiangxiang1,3,5, WANG Haifeng1,3,5

(1 National Engineering Technology Research Center for Desert-Oasis Ecological Construction, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 2 Taklimakan Desert Research Station, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Korla, Xinjiang 841000, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4 Office of Risk Monitoring and Comprehensive Disaster Reduction, Department of Emergency Management of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China; 5 Mosuowan Desert Research Station, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Shihezi, Xinjiang 832056, China)

Wind erosion of tailings is an important factor affecting ambient air quality and human health. In this study, the tailings of copper-nickel tailings pond are taken as the research object, and the effects of wind speed, crust quantity and moisture on the characteristics of wind erosion rate and wind erosion particles of tailings were studied by wind tunnel experiment. The results show that the wind erosion rate, wind erosion particles and collision energy of tailings increase as the wind speed increases, but decrease with the increase of moisture and crust quantity of tailings. The wind speed of first particle collision increases with the increase of moisture and crust quantity of tailings. Wind erosion particles of tailings are mainly concentrated within 3 cm height, accounting for more than 50% of the total wind erosion. Under the condition that the crust is not broken by the wind, crust quantity has the better resistance to wind erosion than moisture. Therefore, wind erosion resistance of crust is related to wind speed and crust quantity. Any crust quality can effectively resist wind erosion at wind speed below 10 m/s, but more than 25 g and 50 g crust are required to resist wind erosion at wind speed of 12 m/s and 14 m/s, respectively. Moisture of tailings should higher than 2.72% for better wind erosion resistance under the experimental wind speed.

Crust quantity; Moisture; Tailings; Wind erosion; Wind tunnel experiments

X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.05.027

楊小亮, 靳正忠, 丁剛, 等. 結(jié)皮量與含水率對尾礦風(fēng)蝕影響的風(fēng)洞模擬研究. 土壤, 2022, 54(5): 1085–1092.

國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFC1802903，2018YFC1802906)資助。

(jinzz@ms.xjb.ac.cn)

楊小亮(1995—)，男，甘肅定西人，碩士研究生，主要研究方向為尾礦庫及周邊環(huán)境修復(fù)。E-mail: yangxiaoliang19@mails.ucas.ac.cn