风化煤矸石坡面水土流失规律模拟

冯慧敏，王电龙，胡振华

(1.山西农业大学林学院，030801，山西太谷;2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，050061，石家庄;3.山西省水利建设开发中心，030002，太原)

煤矸石是在煤炭开采、洗选加工过程中所产生的固体废物，约占煤炭开采量的10% ～25%。目前全国煤矸石的总积存量约45亿t，而且仍在逐年增长，矸石山几乎成为我国煤矿的标志［1］。煤矸石组成物质理化性质特殊，如果不断受到雨水淋溶冲刷，将会严重破坏矿区生态环境，造成环境污染，进而影响到当地居民的生存和发展。

此前，一些学者对煤矸石坡面的水土流失规律进行了一定的研究，例如:王青杵等［2］认为，小径流冲刷条件下，煤矸石抗冲性能大，侵蚀轻微;李德平等［3］认为，降雨特征、地形地貌和植被覆盖度是影响矸石山水土流失量大小的主要因素，降雨强度越大，坡越长越陡水土流失量越大，植被覆盖度越大，水土流失量越小;林素兰等［4］的模拟试验结果表明，在大降雨强度条件下煤矸石废弃物累计侵蚀量与降雨产流历时呈幂函数关系，在小降雨强度条件下，煤矸石废弃物累积侵蚀量与降雨产流历时呈对数函数关系;王文龙等［5］的野外放水冲刷试验结果表明，煤矸石堆积年限越长，可蚀性越小，侵蚀强度越小，径流量、产沙量与放水流量呈直线关系，产沙量与径流量亦成直线关系，集中的径流可造成严重的侵蚀，含沙量保持很高的水平，随着冲刷时间的变化，含沙量出现剧烈的上下波动，总体上表现出减少的趋势;胡振华等［6-7］的研究结果表明，煤矸石渗透性较强，在较小坡度和流量条件下，煤矸石坡面侵蚀的脉动性、随机性、间歇性明显，径流体积含沙量变化幅度很大，在较大坡度和流量条件下，侵蚀呈现明显的突发性，泥沙移动具有类似泥石流移动的特征。这些研究成果为矸石山水土流失防治提供了一定的科学依据，但针对煤矸石坡面产流过程机制和设计径流量、坡度与产流产沙量定量关系的研究成果还相对较少，有待更进一步研究。

笔者在前人研究的基础上，采用室内模拟径流冲刷试验的方法，研究风化煤矸石坡面在不同径流量和坡度组合影响条件下的水土流失规律，旨在为矿区煤矸石山的水土流失防治提供参考。

1 研究区概况

研究区位于山西省古交市西北部的古交煤矿，地理坐标 E 111°43′8″～112°21′5″，N 37°40′6″～38°8′9″，海拔1 604 m，气候区划为温带大陆性气候。研究区年平均温度9.5℃，最高气温40℃，最低气温-20℃，年均降水量460 mm，10年一遇24 h降水量为119 mm，20年一遇24 h降水量为150 mm，降水量多集中在7、8、9月份。最大风速7.2 m/s。冻土深度0.5～0.8 m。研究区现堆存有大量风化程度不等的煤矸石，水土流失较为严重。

2 试验材料及方法

1)试验材料。模拟试验采用位于山西农业大学水土保持研究所内的长200 cm、宽40 cm、深50 cm的可调节坡度径流槽进行。材料取自研究区矸石山风化5年的煤矸石，颗粒组成如表1所示。其中，＜0.15 mm的颗粒占15.82%，＞2 mm的颗粒占57.09%。

表1 试验煤矸石颗粒组成Tab．1 Particle size distribution and median diameter of the tested waste rock

2)试验方法。试验流量采用恒压箱定水头控制。试验时将煤矸石分层填入试验槽内，边填边压实，干密度控制在1.35～1.40 g/cm3之间。试验前测定煤矸石的含水量及干密度。根据黄土高原地区暴雨降雨强度标准(下、中、上限分别为0.5、2和4 mm/min)［7-8］，将在野外标准径流小区产生的单宽流量及李德平等［3］在野外煤矸石山径流小区实测的径流量换算成径流槽内的流量，并参照王青杵等［2］煤矸石坡面径流冲刷试验采用的流量，得到相应径流槽内的设计流量2、2.5、3、3.5 L/min。坡度采用 20°、25°、30°、35°4 个等级。每次试验时间为10 min，重复2次，每隔1 min在试验槽堰口处取一次样。取样后首先用量筒测量每个试样体积作为试验产流量，然后用孔径0.05 mm的试验筛将泥沙样筛出后，用烘干箱将泥沙样烘干，再用电子天平称量作为试验产沙量。

3 产流过程分析

3.1 设计径流量对产流过程的影响

根据实测产流量资料，分析得到在4个坡度下坡面产流量随时间的变化曲线，如图1所示。

从图1(a)～(b)可以看出，在设计径流量为2.0和2.5 L/min的条件下，坡面产流曲线随试验时间增长高低起伏，呈现为“单峰”或“多峰”曲线，没有明显的规律性。这是因为当坡面坡度小于30°时，坡面径流流速较小，径流主要下渗到土壤中，分散能力和冲刷能力相对较弱，不足以推动泥沙向前运移，随着水量不断的下渗，土壤含水量越来越大，坡面上相对低洼处开始积蓄水量，径流冲刷分散能力随之逐渐加大，当增大到一定程度，便推动少量泥沙向前运移，并在坡面上留下侵蚀沟，侵蚀沟内不断积蓄更多的水量，携带更多的泥沙到达堰口，形成一个峰值。由于坡面的不均匀不平整性，上述产流过程会在坡面多个位置同步或异步进行，从而造成多个峰值的交错出现。

图1 不同设计径流流量下产流量随时间变化曲线Fig．1 Runoff curve in different designed runoff

从图1(c)～(d)可以看出，当流量增大为3.0和5.0 L/min时，坡面产流量随试验时间增长变化曲线多呈现为“单峰”曲线，且“峰值”出现时间较早。这是因为强大的径流冲刷力在试验初期便推动泥沙大规模运移到达堰口，形成“峰值”，并在坡面上冲刷出一道近似“U”型的凹槽，此后，径流多从沟头和沟侧汇集于凹槽中，使沟头不断向坡面上方移动，凹槽不断变长变宽，随着试验的进行，坡面上部的溯源侵蚀和下部的淤积使得整个凹槽坡降逐渐变缓，径流流速减小，冲刷力减弱，当径流不足以带动矸石颗粒向前推移时，到达堰口径流逐渐变为清水，流量逐渐趋于稳定。

3.2 坡度对产流过程的影响

根据实测径流量资料，分析得到在设计径流量为2.0、2.5、3.0和3.5 L/min 4种情况下坡面产流量随坡度增大变化曲线，如图2所示。

从图2(a)～(b)可以看出，在设计径流量为2.0和2.5 L/min的条件下，坡度对坡面产流曲线的影响十分明显，20°和25°坡面条件下坡面产流曲线随试验时间增长均较为平缓，产流量随坡度增大略有增加，而在30°和35°坡面条件下产流曲线随试验时间增长变化幅度较大。这是因为坡面产流过程与侵蚀产沙过程是密切相关的，在20°和25°坡面条件下，侵蚀过程主要受径流冲刷力的控制，在小坡度小设计径流量条件下，径流流速和坡面产流量均较小，径流冲刷力较小，径流只能推动小股的分散的矸石颗粒到达堰口，故坡面产流曲线表现的较为平缓，当坡面坡度增大到30°和35°时，侵蚀过程受到矸石颗粒重力和径流冲刷力的双重控制，矸石颗粒在重力和径流冲刷力的作用下不断到达堰口，坡面产流曲线变化幅度较大。

图2 不同坡度下产流量随时间变化曲线Fig．2 Runoff curve in different designed slopes

从图2(c)～(d)可以看出，当流量为3.0和3.5 L/min时，在20°坡面条件下，坡面产流曲线随时间变化幅度较大，表现出与设计径流量2.0和2.5 L/min的条件下20°和25°坡面产流曲线相似的变化规律，其产生原因是相同的。当坡度增大到25°、30°和35°时，径流曲线呈现出基本一致的变化规律，试验一开始产流量便达到最大值，随后逐渐减小，最后趋于稳定。这是因为试验初期重力与径流冲刷力出现叠加效应，矸石聚积体在重力与径流冲刷力叠加作用下较大规模地整体滑移，同时到达堰口，径流量与产沙量同时达到最大值，以后径流逐渐形成固定流路，产流量逐渐趋于稳定。

3.3 设计径流量和坡度对坡面平均产流量的影响

图3 平均产流量随设计径流量(a)及坡度(b)变化曲线Fig．3 Average runoff curve with different designed runoff(a)and slopes(b)

坡面平均产流量是指每组试验总产流量与试验时间的比值。点绘的坡面平均产流量与坡度和设计径流量关系如图3所示。由图3(a)可以看出，在相同设计径流量条件下，坡面平均产流量随坡度的增大而迅速增大，如在设计径流量为2.0 L/min条件下，35°坡面的平均产流量是30°坡面的1.4倍、25°坡面的1.6倍、20°坡面的1.8倍。这是因为随着坡度的增大，径流流速增大，下渗量减少。由图3(b)可以看出，在相同坡度条件的下，设计径流量对坡面平均产流量影响显著，如在35°坡度条件下，设计径流量为3.5 L/min时的平均产流量是3.0 L/min时的1.1倍，设计径流量为3.0 L/min时的平均产流量是2.5 L/min时的1.1倍，设计径流量为2.5 L/min时的平均产流量是2.0 L/min时的1.3倍。利用SPSS(11.5)软件对坡面平均产流量与坡度和设计径流量进行相关分析，得如下关系式:

式中:q为坡面平均产流量，L/min;Q为设计径流量，L/min;S 为坡度，(°)。

可知，坡面平均产流量与坡度和设计径流量均呈幂函数增长关系，且设计径流量的指数(1.157)大于坡度的指数(0.721)，说明设计径流量对坡面平均产流量的影响要大于坡度。

3.4 设计径流量和坡度对坡面平均产沙率的影响

坡面平均产沙率为每组试验总产沙量与试验时间的比值。图4为坡面平均产沙率随设计径流量和坡度的变化曲线。从图4(a)可以看出，在相同坡度的条件下，坡面平均产沙率随设计径流量的增大增长趋势明显，如在25°坡面条件下，设计径流量为2.0 L/min时，坡面平均产沙率仅为64.4 g/min，当设计径流量增大到2.5 L/min时，坡面平均产沙率增大到226.56 g/min，当设计径流量增大到3.0 L/min时，坡面平均产沙率增大到527.71 g/min，当设计径流量增大到3.5 L/min时，坡面平均产沙率达到648.19 g/min。由此可知，设计径流量对坡面平均产沙率影响显著，这是因为随着设计径流量增大，坡面产流量增大，径流冲刷力增大的缘故。由图4(b)可以看出，在相同设计径流量的条件下，坡面平均产沙率随坡度的增大而迅速增大，如在设计径流量为3.0 L/min的条件下，35°坡面的平均产沙率是30°坡面的 1.3 倍，25°坡面的 1.5 倍、20°坡面的 2.3倍。由此可知，坡度对坡面平均产沙率的影响也十分显著，这是因为随着坡度的增大，径流流速和产流量增大，径流冲刷力和矸石颗粒受到的重力作用均增大的缘故。利用SPASS(11.5)软件对坡面平均产沙率与坡度和设计径流量进行相关分析，得如下关系式:

式中M为坡面平均产沙率，g/min。

可以看出，坡面平均产沙率与坡度及设计径流量均呈幂函数关系，且设计径流量的指数(2.02)要大于坡度的指数(1.751)，说明设计径流量对坡面平均产沙率的影响要大于坡度。

图4 平均产沙率随设计径流量(a)及坡度(b)变化曲线Fig．4 Curve of sediment yield with different designed runoff(a)and slopes(b)

4 结论

1)设计径流量对坡面产流过程影响显著，在设计径流流量为2.0和2.5 L/min的条件下，坡面产流过程曲线高低起伏，呈现为“单峰”或“多峰”曲线，没有明显规律性，当设计径流量增大到3.0和3.5 L/min时，坡面产流曲线多为“单峰”曲线，且峰值出现时间较早，呈现出相似的规律性。

2)在设计径流量为2.0和2.5 L/min的条件下，20°和25°坡面径流曲线随试验时间增长变化较为平缓，产流量随坡度增大略有增加，其原因是坡面侵蚀产流过程主要受径流冲刷力控制;当坡度增大到30°和35°时，坡面径流曲线随试验时间增长产流量变化幅度较大，其原因是坡面侵蚀产流过程受重力和径流冲刷力的双重控制;在设计径流量为3.0和3.5 L/min 的条件下，25°、30°和 35°坡面产流曲线呈现出基本一致的变化规律，其原因是坡面侵蚀产流过程受到径流冲刷力和重力双重叠加影响。

3)坡面平均产流量随设计径流量和坡度的增大而迅速增大，增长趋势符合幂函数关系，且设计径流量对坡面平均产流量的影响要大于坡度，其回归方程式为 q=0.073S0.721Q1.157，R2=0.906。

4)坡面平均产沙率随设计径流量和坡度的增大而增长趋势明显，增长趋势符合幂函数关系，且设计径流量对坡面平均产沙率的影响要大于坡度，其回归方程式为M=0.183S1.751Q2.02，R2=0.923。

［1］ 刘迪.煤矸石的环境危害及综合利用研究［J］.气象与环境学报，2006，22(3):60-62

［2］ 王青杵，王贵平.黄土高原煤炭开采区水土流失特征的研究［J］.水土保持研究，2001，8(4):83-85

［3］ 李德平，张玉梅，方继臣，等.矸石山水土流失规律与防治措施的研究［J］.水土保持研究，2001，8(3):22-25

［4］ 林素兰，郑国相，宋国献.辽宁省采矿业水土流失规律研究［C］.全国水土流失与江河泥沙灾害及其防治对策学术研讨会会议文摘，2003:13-16

［5］ 王文龙，李占斌，李鹏，等.神府东胜煤田开发建设弃土弃渣冲刷试验研究［J］.水土保持学报，2004，18(5):68-71

［6］ 胡振华，王电龙，呼起跃，等.风化煤矸石入渗规律模拟［J］.中国水土保持科学，2008，6(2):55-59

［7］ 胡振华，王电龙，呼起跃.煤矸石松散堆置体坡面侵蚀规律研究［J］.水土保持学报，2007，21(3):23-27

［8］ 李勇，吴钦孝，朱显谟，等.黄土高原植物根系提高土壤抗冲性能的研究［J］.水土保持学报，1990，4(1):1-4