露天煤矿排土场不同治理模式边坡细沟侵蚀特征研究

陈同德，王文龙，2＊，董玉锟，郭明明，康宏亮，朱宝才，3

（1.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌712100；3.山西农业大学林学院，山西 太谷030801）

排土场是矿区集中堆置弃土弃渣的场所，属于典型的人造地貌。排土过程中机械车辆反复碾压排土场顶部导致地表致密、平坦，因此降雨在排土场顶部形成汇水，流至表层质地疏松、坡度较大的边坡，引起严重的水土流失。排土场边坡主要的土壤侵蚀类型有面蚀、细沟侵蚀、泄溜、滑坡、泥石流等［1］，有研究表明排土场边坡侵蚀模数为平台面积的11倍，成为排土场甚至是矿区的主要水土流失区域之一［2］。近年来，国内外学者对排土场边坡土壤侵蚀防治技术［3］、产流产沙特征［4］、预测模型［5］等方面展开了研究。关于排土场边坡土壤侵蚀防治取得了丰硕的研究结果，对于矿区边坡治理有重要的指导意义。刘瑞顺［2］认为针对1年排土年限的边坡，稻草帘子覆盖措施的减沙效益可达到93.63%。郭建英［6］认为植被恢复初期，不合理的治理模式会导致侵蚀量增大，其中“柽柳方格+牧草混播”措施下的土壤侵蚀量是裸坡土壤侵蚀量的1.02倍。产流产沙特征的研究主要用于确定坡面尺度的侵蚀模数以及侵蚀规律，为矿区新增水土流失量的预测提供必要参数［7］。郭明明［7］等人研究神府煤田弃土弃渣的侵蚀特征，认为砾石含量对产流特征、侵蚀速率有较大影响，侵蚀模数最高可比撂荒地高239.2倍。目前，没有通用的预测模型适用于矿区土壤侵蚀。国外一般使用ULSE以及RULSE来预测矿区的土壤侵蚀模数［5，8］，取得了良好的效果。由于我国缺少详实的监测资料，ULSE以及其改进版难以直接用于实际生产［9］。

细沟侵蚀是坡面侵蚀的主要方式之一，细沟形成后，坡面侵蚀速率会急剧增大，细沟侵蚀量可占坡面侵蚀总侵蚀量的70%左右［10-11］，细沟对坡面地貌的发育以及演化过程也有着重要的影响［12］。前期调查发现，永利煤矿排土场边坡，无论有无治理模式，边坡均存在不同程度的细沟侵蚀。研究排土场边坡细沟侵蚀特征是了解坡面土壤侵蚀环境的重要途径，将为评价排土场边坡不同恢复模式控制细沟侵蚀效果提供科学依据。沙打旺在北方水土流失地区有了大范围的推广［13］，但是沙打旺在排土场边坡这一特殊下垫面条件下控制土壤侵蚀的效果如何却未可知。本研究可用于检验沙打旺的控蚀效果，也能为快速评价排土场边坡不同恢复模式的控蚀效果提供科学方法。因此，本文以永利煤矿排土场边坡为研究对象，通过调查不同治理模式下边坡的侵蚀细沟状况，研究排土场边坡的细沟侵蚀特征、评价不同恢复模式控制细沟侵蚀的效果，以期为矿区排土场边坡治理及生态恢复提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗永利煤矿（E 110°17′21″，N 39°69′43″）。研 究 区 海 拔 在1000～1500m，属于温带大陆性气候，年平均气温6.2～7.2℃。全年降水量在300～500mm之间，降雨集中在7—9月，约占年降水量的80%，多为侵蚀性暴雨。该区风力资源丰富，春季风速最大，风速可达5.5m·s-1。研究区土壤以栗钙土为主，其母质为砒砂岩。砒沙岩结构性差，所以该区易发生风蚀、水蚀和重力侵蚀。自然植被以灌木和半灌木为主，主要有百里香（ThymusmongolicusRonn）、本氏针茅（Stipacapillata）等。人工植被主要有沙棘（Hippophaerhamnoides）、沙打旺（Astragalusadsurgens）、苜蓿（Medicagosativa）、柠条（Caragana KorshinskiiKom）等。

1.2 样地选择与细沟测量

前期调查发现，永利煤矿排土场治理模式有A（沙柳方格+沙打旺）和B（沙柳方格）2种。因排土年限仅为1年，边坡土壤质地松散，最易发生水土流失，所以本研究以1年排土年限的边坡为研究对象。为保证植物生境的相对一致性、便于说明2种恢复模式相比裸坡的治理效果，经调查和筛选，选择同时具备有A、B 2种模式以及裸坡（CK）的边坡。之后通过细沟测量，计算每个样地坡面的细沟密度、细沟割裂度、细沟宽深比和细沟侵蚀量，反映细沟侵蚀状况并探讨2种恢复模式效益。

调查确定2种治理模式施工工艺及主要技术指标，具体如下：

1）沙柳方格：人工将长约0.35m的沙柳条垂直插入新生边坡约0.2m，插入的沙柳呈菱形排列，长对角线（坡面方向）约5m，短对角线约3m。

2）沙柳方格+沙打旺：沙柳方格施工结束后均匀撒播沙打旺草种，撒播量15kg·hm-2。

调查确定本文研究的1年排土年限边坡形成于2013年3—5月，并于6—7月实施上述治理模式，所有边坡在治理前经过平整，坡型均为直型坡。细沟调查时间是从2014年7月2日到6日，调查期间无降雨。在A、B 2种治理模式的边坡上随机选择坡面进行测量，测量长度和坡长一致，宽3m。测量细沟时自上而下每隔2m分段测量，依次测量每个坡段细沟顶宽、深度、底宽、长度。每种治理模式选择2个坡面进行测量，分别为：A1，A2和B1，B2。样方法测量并计算植被覆盖度，测量结束后在测量断面处取土样测定容重，每个位置3次重复，计算其平均值，作为坡面容重取值。采用郑粉莉［14］提出的容积法计算各个坡面的细沟侵蚀量，相同治理模式下的边坡细沟特征参数和细沟侵蚀量均取均值作为该治理模式的细沟侵蚀特征参数和细沟侵蚀量，即A1和A2计算均值，B1和B2计算均值，得到A和B治理模式下的细沟侵蚀特征参数和细沟侵蚀量。相同方法测量裸坡作为对照。5个坡面基本概况如表1所示。

表1 样地概况Table 1 General conditions of sample sites

5个坡面的坡长均不相同，考虑到坡长因子［15-16］对细沟发育的影响，因此在后文中如果涉及2个及以上不同长度的边坡进行比较分析时，以较短坡长为基准坡长。

侵蚀性降雨是引起黄土高原土壤侵蚀的主要因素之一，谢云、刘宝元等［17］提出我国侵蚀性降雨标准为日降雨量大于12mm，已有广泛应用。侵蚀性降雨情况直接影响1年排土场边坡细沟侵蚀特征。永利煤矿2013年6月至2014年6月发生侵蚀性降雨8次，日降雨量大小在14.5～60mm之间，主要分布在2013年6—9月。侵蚀性降雨量为279.4 mm，占总降雨量的54.13%。

1.3 细沟参数描述

本研究采用细沟密度、细沟割裂度和细沟宽深比来反映不同治理模式下排土场边坡的细沟发育状况。

（1）细沟密度指单位研究区域内的细沟总长度，可以反映边坡的破碎程度以及细沟的分布状况，计算式为：

式中，γ为细沟密度，mm2；m为坡面上细沟的总条数；Lti为坡面上某条细沟总长度，m；A为研究坡面的面积，m2

（2）细沟割裂度指单位研究区域内所有细沟面积之和，除了可以反映边坡的破碎程度，还能反映细沟侵蚀强度，计算式为：

式中，α为细沟割裂度；Ai为坡面上第i条细沟的面积，m2；A为研究坡面的面积，m2

（3）细沟宽深比是指细沟宽度和对应深度的比值，可以反映细沟横断面积的形状变化，计算式为：

式中，Wi为第i个测点细沟宽度，cm；Di为第i个测点的细沟深度，cm

（4）细沟累计侵蚀量指一段坡面上细沟对表层土壤剥蚀的总重量，计算式为：

式中，G为细沟累计侵蚀量，kg；Ri为第i细沟的侵蚀量，kg

（5）某条细沟侵蚀量Ri的计算［14］。从上到下每隔2m量测每条细沟的宽度RW和深度RH，将每个测量段的细沟面积简化为梯形计算，计算过程为：

式中，Ri为某条细沟的侵蚀量，kg；j为测量该条细沟宽、深的次数；RWj，RWj+1分别代表第j次和j+1次测量的细沟宽，cm；RLj为测量间距，为2m；RHj为第j次测量的细沟深，cm；rd代表土壤干容重，g·m-3

用Excel 2013进行数据处理和分析，Origin 8.5进行数据绘图。

2 结果与分析

2.1 不同治理模式下的细沟特征参数

CK（裸坡）和A（沙柳方格+沙打旺）、B（沙柳方格）2种治理模式下的坡面细沟特征参数随坡长（从坡顶至坡脚）的变化如图1所示。细沟密度（γ）反映坡面细沟的空间分布，由图1a可知，γCK随坡长增加先减小后增大再减小，γA随坡长增加逐渐增大，γB变化整体上呈先增大后减小的趋势，γ大小分别为：0.00～1.90m·m-2，0.00～0.99m·m-2和0.16～1.85m·m-2。γCK在距离坡顶12m处达到最大，为1.90m·m-2；γA在18m处达到最大，为0.99m·m-2，γB在10m处达到最大，为1.85 m·m-2，γA，γB与γCK的最大值相比分别降低47.89%和2.63%。γCK在2～8m处逐渐减小，其原因是上方汇水流至裸坡后，抗冲性较差［18］的表土首先被径流剥蚀、分散、输移，随着输移沙量的增大，径流用于输移泥沙能量的消耗也越大［15］，所以削弱了径流冲刷能力，在2～8m甚至出现沉积现象，导致细沟密度逐渐变小；而从第8m开始急剧上升，细沟密度增大约190倍，这表明坡长＞8m后，CK坡面细沟发育程度大，侵蚀强烈。相比γCK，γA在坡面上增长较缓，最大值为CK的52.10%，说明A模式可以有效控制细沟发育。γB和γCK在坡面上的变化规律相同，都在中间部位达到最大，因B坡面在2～8m处没有类似CK的沉积作用，所以γB比γCK提前达到最大值。

细沟割裂度（α）反映坡面破碎程度，从图1b中看出，αCK随坡长增加呈减小-增大-减小趋势，αA随坡长缓慢增大，αB随坡长先增大后减小。αCK在12m处达到最大值，为0.32，αA和αB分别在18m，10m处达到最大值，分别为0.07和0.10，3种坡面α的变化范围分别为：0.00～0.32，0.00～0.07和0.009～0.10。CK在2～8m处α逐渐减小。αA，αB的最大值分别为αCK的25%和31.25%。另外，B模式坡面10m处的αB是αCK的0.69倍，但γB却是γCK的2.03倍。

细沟宽深比（R）可客观反映细沟沟槽的形态变化，由图1c可知：RCK和γCK以及αCK的变化趋势相同；RA在距离坡顶4～8m增大，8～16m保持相对稳定，16m后又缓慢增大，随坡长呈现波动变化；RB在0～4m快速增加，后减小，6～16m相对稳定，16m后减小。CK在0～4m坡段因径流先遇到大量松散物质，径流含沙量迅速达到饱和，用于侵蚀、分散表土的能量下降，后以泥沙沉积作用为主，表现为细沟宽深比迅速下降。A治理模式坡面，0～4m处因沙柳方格和沙打旺的保护无细沟产生，所以宽深比为0，4 m后产生细沟侵蚀，并以沟壁的拓宽为主，因此宽深比越来越大；8～10m细沟下切侵蚀作用加强，宽深比减小；随着坡长增加，沟壁拓宽和下切侵蚀作用交替进行，RA呈波动变化。RB变化和RA类似，但B模式的坡面仅有沙柳方格的保护作用，所以RB的变化幅度明显较大。与RCK相比，RA，RB的最大值分别下降49.04%和27.95%，平均值分别下降48.89%和34.78%，表明A，B 2种模式均能控制细沟长、宽发育，可防止细沟在局部过度下切或拓宽，A模式的作用更为明显，突出了沙打旺的重要性。

图1 2种治理模式和裸坡细沟参数随坡长的变化Fig.1 Changes of rill parameter from two management models and bare-slope with slope length

2.2 不同治理模式下的细沟侵蚀量特征

A，B 2种治理模式及CK的坡面细沟侵蚀量（M）和细沟累计侵蚀量（G）从坡顶至坡脚的变化过程如图2所示。MCK随坡长的变化剧烈波动，6～8 m趋近于0kg，10～12m增加至72.10kg，14～16 m减小至34.14kg，减小52.65%，随着坡长延长变化剧烈，呈现周期性“减-增”变化，即每隔8m细沟侵蚀量会增大。MA随坡长缓慢增长，距坡顶16～18m达到最大值，为24.86kg；MB先随坡长增大，10m处达到最大，为38.21kg，后减小。与MCK的最大侵蚀量相比，MA和MB分别减小65.52%和47.00%。可知A和B 2种治理模式都能控制细沟侵蚀，且A比B效果好，说明沙打旺使细沟在坡面上的发育受到抑制。

由图2b可知，CK坡细沟累计侵蚀量（G）随坡长呈指数函数变化，回归模型为GCK=4.452e0.446x，R2=0.910；A，B的累计侵蚀量随坡长均呈幂函数变化，回归模型分别为：GA=0.041x3.737，R2=0.953；GB=2.954x1.899，R2=0.963，3个方程的 R2均大于0.9，所以以上3个方程均能反映累计侵蚀量和坡长之间的关系。总累计侵蚀量GCK＞GB＞GA，分别为283.73，184.16和152.19kg，相比CK的总侵蚀量，A和B减小46.36%和35.09%，表明A，B治理模式均可显著降低坡面细沟侵蚀，且A模式治理效果更佳。有研究表明，细沟强度的变化规律和细沟累计侵蚀量的变化规律一致［19］。从图2b可知，A，B，CK 3种坡面16～18m处累计侵蚀量曲线斜率为0＜KA＜KB＜KCK，表明若非坡长限制，细沟侵蚀强度将会在一定范围内越来越大。以上为实现控制变量一致，只表述了坡长在0～18m范围内时各模式下排土场边坡的细沟侵蚀状况，为进一步研究18m之后排土场坡面细沟侵蚀状况，以调查5个边坡中3个大于20m的坡面为例，分别为A1坡面（坡长为24m）、A2坡面（坡长为22m）、B2坡面（坡长为20m），其细沟累计侵蚀量如图3所示：3个坡面在18m之后细沟侵蚀强度迅速增大，说明在一定范围内，若排土场边坡坡长较大，侵蚀强度将会急剧增大。

图2 2种种治理模式和裸坡细沟侵蚀量以及累计侵蚀量随坡长的变化Fig.2 Changes of rill and it’s accumulate erosion amount from two management models and bare-slope with slope length

图3 A1，A2和B2边坡细沟累计侵蚀量随坡长的变化Fig.3 Changes of rill accumulate erosion amount of A1，A2and B2with slope length

2.3 不同沙打旺覆盖度的细沟侵蚀特征

不同沙打旺覆盖度下，A1、A2坡面细沟密度（γ）及细沟侵蚀量（cm）从坡顶至坡脚的变化过程，如图4所示。从图4a可以看出，相同坡位（6～8m除外），γA2（沙打旺盖度45%）比γA1（沙打旺盖度75%）大21%～144%，整体均随坡长增大而增大。6～8m处A1坡面的细沟密度较A2低，这是径流动能对土壤剥蚀与泥沙输移2个过程同时分配的结果。0～18m，mA1和mA2在坡面上沿程增大，变化趋势相对稳定，18m后，m开始较大波动变化。由图4b可以看出，在14m以前，mA1相比mA2减小约4.48%～9.26%，控蚀效果相差不大；14m后，mA1和mA2变化趋势虽然相同，但已经产生明显的数量差异，mA1与mA2差值最大可达到112.60kg。由上可知，在距离坡顶0～14m时，75%和45%覆盖度的沙打旺对于控制细沟侵蚀的能力基本一致，细沟侵蚀量相比裸坡分别减小37.29%～70.82%和43.10%～70.34%；距离坡顶14m后，75%覆盖度的沙打旺比45%覆盖度更能控制细沟侵蚀，降低53.32%～61.49%的细沟侵蚀量。其原因主要是坡面径流量的改变，在降雨过程中，排土场顶部因其巨大的平台面积，产生较多上方汇水，加上沿途降水的不断汇入，径流量会逐渐增大。沙打旺可以阻挡、分散径流，使径流能量降低，但这种能力有限，从侵蚀量曲线的波动情况可以看出，沙打旺不同的覆盖度控制细沟侵蚀存在一个“临界坡长”，当坡长小于临界值时，细沟侵蚀量随坡长增大缓慢增加或保持稳定；当坡长大于临界值时，细沟侵蚀量大幅增加。45%覆盖度的A2坡面的坡长大于14m时，细沟侵蚀量出现第一次大幅上升，增长率为99.85%；而75%覆盖度的A1坡面，侵蚀量第一次出现大幅度上升是在20m处，增长率为55.25%，因此，45%和75%的沙打旺覆盖度对应的临界坡长分别是14m和20m。

3 讨论

A，B 2种治理模式下坡面细沟侵蚀总量相比CK减少46.36%和35.09%，表明A，B 2种措施均能有效控制细沟侵蚀，A模式的效果更好，植被作用明显。该结果与其他类型下垫面［20-21］所得结果一致：植被均能不同程度的控制土壤侵蚀。A，B，CK 3种类型的坡面在0～2m处的细沟侵蚀量分别为：0，4.4和25.53kg；其中CK坡面顶部（0～2m）细沟侵蚀量占坡面总细沟侵蚀量的7.3%，B坡顶部也有细沟侵蚀产生，这与通过人工模拟试验得到的结果有所不同［22-23］，即裸坡顶部就有相对严重的细沟侵蚀，并非只在坡面中下部细沟侵蚀强烈。这是由于排土场是特殊的人造地貌，排土场平台经过机械车辆长期反复碾压，表面变得坚硬、平缓，给边坡提供了大量的上方汇水；上方汇水流入边坡后，将加大坡面被侵蚀的可能性。而A模式下边坡因沙打旺覆盖度较大，增加了坡面土壤的抗冲性、抗蚀性，所以A坡面0～2m处的细沟侵蚀很小。从图2可知，B模式坡面距离坡顶0～2m处，细沟密度、细沟割裂度、细沟宽深比3个参数均小于CK，表明B类坡面虽然没有种植沙打旺，但沙柳方格控制细沟侵蚀的能力也较明显。因此，在没有种植沙打旺或者其他植被的条件下，可考虑“排水沟+沙柳方格”模式，边坡顶部修筑排水沟以减少上方汇水，沙柳方格控制细沟侵蚀的能力将会加强。

图4 A1和A2的细沟密度及细沟侵蚀量随坡长的变化Fig.4 Changes of rill density and rill erosion amount of A1and A2with slope length

坡长影响坡面沿程水流能量以及水流泥沙的运移规律，是影响细沟侵蚀的重要因子。有关坡长对坡面侵蚀量的影响现在并没有一致结论，一些研究发现从坡顶到坡下侵蚀量随着坡长的增加而增加［24-25］，而也有研究和本文研究结果类似［15，26-27］：侵蚀量随坡长呈现波动性变化，其原因是由于侵蚀作用和沉积作用随坡长的增加不断的交替转换。径流能量包括2方面：径流动能和径流势能，用以侵蚀坡面和携带泥沙，在径流能量相对稳定的情况下，侵蚀坡面的能量和携带泥沙的能量互为消长关系，在坡面上表现为侵蚀作用和沉积作用的交替变化。从图2a中得知CK坡面侵蚀在0～2m处以侵蚀作用为主，到2～8m以沉积作用为主，8m后2种作用交替变换。上方汇水到达坡面后，顶部大量的松散物质被径流冲起，径流迅速呈现“泥沙饱和”状态，最终导致CK坡面出现沉积现象；到8m处径流能量通过降雨叠加和势能转化得到加强，且径流中的泥沙含量因沉积作用变得相对较小，此时的径流又有了较大的侵蚀能力和携沙能力，因此8～12m处侵蚀量迅速增加，之后也是类似的交替现象。由图2a可知CK坡上每隔8m，细沟侵蚀量会迅速增大，可在8m处采取一定的水土保持措施，比如植物藩篱，以起到拦水拦沙的作用，从而控制坡面细沟侵蚀。A、B 2种治理模式的坡面也有类似的交替现象，但没有CK坡面明显，且无确定周期。王禹［27］在东北黑土区就坡长对坡面土壤侵蚀影响进行了研究，不同坡长产沙也有类似的大小交替变化现象，但是其周期长度为142m，而本研究仅距离坡顶2m处就发生了这种现象。原因可能有2个方面：1、本研究中下垫面是采矿过程中产生的弃土弃渣混合体，其有机质含量低、结构松散，抗冲性、抗蚀性相比坡耕地土壤均较差；2、东北黑土区典型耕地坡度约3°［27］，而本研究中坡度均在30°及以上，坡度越大，径流动能也越大。

覆盖度控制细沟侵蚀的能力和坡长有关。45%覆盖度下坡长超过14m、75%盖度下坡长超过20 m后，细沟侵蚀量分别增加了1.70，1.81倍。由图4b可知距坡顶20m处沙打旺难以控制细沟侵蚀。边坡面积越大，其盛雨面积也越大，所以一定覆盖度的植被控制土壤侵蚀的能力却有限。焦菊英［21］分析了黄土高原人工草地的减水减沙效益和有效盖度，结果表明人工草地在大暴雨条件下仍有减缓土壤侵蚀的作用，但减缓作用随着雨量、雨强增大呈减小趋势。永利煤矿地处黄土高原北部，降雨也以侵蚀性暴雨为主，另外排土场顶部存在大面积平台，提供了上方汇水条件，这种条件下，不可“高估”植被覆盖度的固土作用，即使采取高覆盖度沙打旺治理坡面，排土过程中也需控制边坡长度，必要时需要采取相应的工程措施。

4 结论

对永利煤矿排土场治理边坡的细沟侵蚀特征与裸坡进行了对比分析得到以下结论：

1）“沙打旺+沙柳方格”治坡与沙柳方格治坡均能控制排土场边坡细沟侵蚀，与裸坡相比，2种治理坡面细沟侵蚀量分别减小46.36%和35.09%；裸坡细沟侵蚀量随着坡长沿程变化剧烈，呈现周期性变化，即每隔8m细沟侵蚀量会增大。

2）裸坡细沟累计侵蚀量随坡长呈指数变化，治理边坡坡面细沟累计侵蚀量随坡长呈幂函数变化。

3）覆盖度对坡面细沟侵蚀的影响与坡长有关。距坡顶0～14m处，75%，45%覆盖度的沙打旺控制细沟侵蚀的能力无明显差异，侵蚀量较裸坡减少37.29%～70.82%和43.10%～70.34%；距坡顶14～20m处，75%比45%覆盖度坡面侵蚀量降低53.32%～61.49%。距坡顶＞20m处，沙打旺不能有效控制坡面细沟侵蚀。