矿区3种弃土弃渣体侵蚀及水动力学差异研究

， ，，，，

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010；2.西北农林科技大学 a.水土保持研究所;b.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；3.中国科学院 水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

矿区3种弃土弃渣体侵蚀及水动力学差异研究

李建明1，孙蓓1，王一峰1，王文龙2a,2b,3，张长伟1，郭明明2a,2b

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010；2.西北农林科技大学 a.水土保持研究所;b.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；3.中国科学院 水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

人为因素影响使得矿区扰动地表范围广，形成的弃土弃渣物质组成复杂，且堆积坡度较大，在降雨作用下容易产生严重水土流失。在野外调查基础上，通过选取、修筑径流小区并建立野外人工模拟降雨场，研究弃土体、沙多石少弃渣体和沙少石多弃渣体3种下垫面的侵蚀及水动力特征的差异性。结果表明：①弃土弃渣体平均径流率随雨强增大1.5～3.0倍,递增幅度是33.7%～276.2%。②沙多石少弃渣体的平均流速较弃土体及沙少石多弃渣体大，随雨强增大，3种弃土弃渣体的平均流速递增13.6%～43.3%；同雨强下，沙多石少弃渣体平均侵蚀速率分别是弃土体和沙少石多弃渣体的1.8倍和11.2倍。③弃土弃渣体次降雨下的平均雷诺数以过渡流为主，水流呈缓流。平均径流率与平均水流功率、水流剪切力分别可用线性函数表示，决定系数>0.8；弃土体及沙少石多弃渣体平均侵蚀速率与平均水流功率、水流剪切力分别可用线性函数表示，决定系数>0.9，而沙多石少弃渣体呈幂函数关系，决定系数在0.5左右。

弃土弃渣体; 径流产沙；水动力参数；扰动;野外人工模拟降雨；神府东胜矿区

1 研究背景

神府东胜矿区位于风蚀水蚀交错带、复杂脆弱的自然环境是该地区水土流失严重的主要原因之一。由于人为因素作用大，形成的多种下垫面的侵蚀特征存在差异，尤其是人为堆积的弃土弃渣等混合堆积体、复杂的物质组成使得侵蚀物质源、侵蚀方式等均发生改变，也是造成严重水土流失的重要来源。目前，许多学者针对以上区域展开了大量的研究，一方面采用降雨或冲刷方法研究不同下垫面的各侵蚀参数特性，主要从入渗、径流和产沙等方面深入开展研究，并取得一定成果[1]。研究认为随着堆积年限延长，弃土弃渣体的抗蚀性增强[2]。郭明明等[3]研究得出弃土弃渣体、扰动面的侵蚀速率是撂荒地的2.27～239.2倍。倪含斌等[4-7]针对弃土弃渣的水土流失规律及其引发的环境问题展开系列研究，并取得一定成果。另一方面造成侵蚀的主要动力是坡面径流，研究侵蚀过程中坡面流的水力学特性，探寻可较好描述坡面侵蚀的水动力学参数也成为了一个热点。王贞等[8-10]提出了断面单位能量、水流功率、单位水流功率、水流切应力等参数是描述侵蚀动力学过程较好的动力学参数。张乐涛等[11]通过研究高速公路弃土场工程堆积体，指出水流功率是与土壤剥蚀率关系最好的水动力学参数。康宏亮等[12-14]通过不同的试验方法研究不同堆积体类型的水动力学特性。综上，针对神府东胜以及不同生产建设项目不同下垫面的侵蚀已有较多研究，但针对矿区弃土弃渣体下垫面在相同条件下侵蚀特征及水动力学特性差异的对比分析研究较少。本文采用野外人工模拟降雨方法，研究了矿区沙多石少弃渣体、沙少石多弃渣体和弃土体在相同降雨条件下的产流、产沙、水力学参数的差异，以期为矿区水土流失防治及生态建设提供指导。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

神府东胜煤田处于晋陕蒙交界的典型生态脆弱区，属于干旱半干旱大陆季风性气候，年平均气温为5.5～9.1 ℃，年蒸发量为1 092～2 508 mm，蒸发强烈[15]。年平均降水量不足400 mm，多集中在7—9月份，占全年降雨的65%～70%，且大部分以暴雨及大暴雨形式出现，具有频率高、强度大等特性，是造成该区侵蚀严重的动力条件[15]。受气候、地貌等影响，风沙土、栗钙土及黄绵土是该区主要土类，质地较粗，抗蚀性、结构性差，且地表植被覆盖度低，容易遭受侵蚀[15]。

神府煤田探明储量2 200余亿t，远景储量近1 000亿t，成为我国已探明最大优质动力煤基地。在开采过程中，产生大量的废弃堆渣体，主要包括开采前期修筑道路(公路、铁路)、采石、建筑物等基地基础建设以及矿区表层剥离、采煤排放的土、石、沙、煤矸石、废渣等废弃物。调查表明，三期开采共计排放各种废弃堆积物总量可达51 000余万m3，常堆积于路边、沟谷、河道等地，遇暴雨后由于堆积松散等特性，随水流进入河道，严重的侵蚀对行洪安全产生威胁[15]。煤矿的不断开采，导致了土地资源及植物资源破坏、土地沙漠化、水资源流失等生态环境问题[17]。针对神府东胜矿区的弃土弃渣的水土流失规律进行研究，可为矿区开发后的土地复垦、植被恢复及生态修复提供指导，具有重要的意义。

2.2 试验设计与试验过程

本试验选在神木县辖区进行。在矿区内选取3种典型下垫面作为研究对象，包括弃土体、沙多石少弃渣体和沙少石多弃渣体，平均密度分别为1.29,1.33,1.53 g/cm3，机械组成见表1。

表1 弃土弃渣体颗粒机械组成Table 1 Mechanical composition of waste soil and residues

按美国制分级标准，3种下垫面分别属于中砾质土、轻砾石土和中砾石土。试验小区尺寸设计为3 m×1 m，四周采用钢板密封，并在小区出口处安装集水槽，利用集流桶收集径流泥沙样。室外人工模拟降雨雨强设计1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 mm/min这5个级别，涵盖了试验区各种侵蚀性降雨类型。基于野外实地调查的统计结果分析，试验坡度采用35°[17]。共计降雨次数为3(下垫面数)×5(雨强种数)=15。

采用2 m3储水桶为水源,放置在小区上端，通过潜水泵抽水，雨强通过双阀门和压力表控制。建立封闭式的野外模拟降雨场，搭建高3 m的降雨架。为保证雨强大小及均匀度，在降雨前后分别率定，误差控制在5%内，雨强率定完成后揭开小区上遮雨布开始降雨，产流开始后降雨总时间为45 min。产流开始的3 min内每1 min接一个径流泥沙样，随后每隔3 min接一个，接样时间段内同步测定坡面的流速、流深和流宽[3]。流速采用高锰酸钾示踪法，将测量得到的流速乘以系数0.75得到较为理想的水流平均流速[18]。试验结束后，用量筒测定各个径流样体积，用烘干法测定泥沙含量。

2.3 指标测定与分析

依据已有研究，本文分析的水力学特性参数定义及计算方法参照已有文献，主要包括雷诺数[19]、弗劳德数[20]、Darcy-weisbach阻力系数[21]、水流剪切力[21]和水流功率[22]。试验数据采用SPSS 17.0进行相关分析。

3 结果与分析

3.1 弃土弃渣体产流差异特征

3.1.1 平均径流率差异

图1为弃土弃渣体在不同雨强下的平均径流率的变化。

图1 弃土弃渣体平均径流率随雨强变化Fig.1 Variation of average runoff rate of waste soil and residues with rainfall intensity

雨强≤1.5 mm/min时，不同质地弃土弃渣体平均径流率表现为,沙少石多弃渣体<弃土体<沙多石少弃渣体，沙少石多弃渣体由于颗粒机械组成中大颗粒占的比例大，形成的大孔隙多，雨水接触后迅速下渗，只有在表层饱和或雨强大于入渗强度时，形成径流，入渗量大，导致产流量最小。沙多石少弃渣体由于砾石镶嵌在坡面表层，雨强较小时，经过一段时间，坡面表层达到饱和，入渗速率稳定，径流带走坡面细小颗粒，砾石覆盖，减小了雨滴对下垫面的直接击溅，坡面表层光滑，径流在坡面受到的阻力减小，流动较快，进而使得单位时间内收集到的径流增加，即径流率增大，导致此时平均径流率最大。弃土体坡面由于土壤颗粒的阻力系数介于二者之间，形成的平均径流率处于二者之间。在雨强≥2.0 mm/min时，弃土弃渣体下垫面主要发生超渗产流，且雨强越大，对下垫面的击溅作用力越强，雨水入渗多，弃渣体由于颗粒组成中粗颗粒多，利于雨水入渗，导致径流量小，大小总体呈现为沙少石多弃渣体<沙多石少弃渣体<弃土体。但在雨强为2.5 mm/min时，沙多石少弃渣体在降雨过程中发生了部分坡位滑塌现场，导致径流携带大量泥沙迅速流出径流出口，使得发生滑塌后一段时间内的瞬时径流率显著增大，进而使得该场次的平均径流率增大，大小表现为沙少石多弃渣体小于弃土体小于沙多石少弃渣体。雨强由1.0 mm/min增大至3.0 mm/min时，弃土体、沙多石少弃渣体和沙少石多弃渣体平均径流率递增幅度分别为43.0%～218.2%,33.7%～116.6%和108.8%～276.2%，雨强变化对沙少石多弃渣体影响最显著。综合分析可知，平均径流率大小表现为沙多石少弃渣体平均径流率是弃土体的1.1倍，也是沙少石多弃渣体的1.1倍。3种土壤质地弃土弃渣体的平均径流率与雨强呈显著线性相关，决定系数均>0.9。

3.1.2 平均流速差异

图2为弃土弃渣体在不同雨强下的平均流速的变化。

图2 弃土弃渣体平均流速随雨强变化Fig.2 Variation of average runoff velocity of waste soil and residues with rainfall intensity

5种雨强条件下，弃土弃渣体的平均流速均呈现出沙多石少弃渣体最大，弃渣体坡面砾石与土壤颗粒相互交叉混合，径流对坡面产生剥蚀作用，带走坡面细小的可蚀性颗粒，砾石由于自身的重力作用，不随水流发生位移，且砾石表面光滑，对水流阻力减少，加之径流率大，导致流速大。雨强为2.0,3.0 mm/min时，沙少石多弃渣体由于降雨过程中，发生壤中流现场象，该下垫面条件下，由于介于砾石间的土壤颗粒被水流带走，形成大孔隙，水流沿大孔隙下渗后形成沿坡面向下的壤中流通道，在距离下渗点不远处冲出坡面，形成瞬时高含沙水流，同时导致瞬时流速加大，出现了平均流速大于弃土体。其他条件下，由于沙少石多弃渣体较弃土体入渗量大、坡面径流小，且出露的砾石在坡面广泛分布，径流沿坡面流动的路径弯曲度加大，延长径流路径，导致流速小于弃土体。综合分析，3种弃土弃渣体的平均流速随雨强1.0 mm/min递增至3.0 mm/min的递增幅度是13.6%～43.3%，雨强对平均流速影响在大雨强下愈加显著。弃土体和沙少石多弃渣体的平均流速与雨强均呈显著线性相关，相关系数分别为0.884和0.914(P<0.05)。

3.2 弃土弃渣体产沙差异特征

图3为弃土弃渣体在不同雨强下的平均侵蚀速率的变化。

图3 弃土弃渣体平均侵蚀速率随雨强变化Fig.3 Variation of average erosion rate of waste soil and residues with rainfall intensity

相较于弃土弃渣体的产流特征，其产沙特征差异性更加显著。雨强由1.0 mm/min增大至3.0 mm/min时，沙少石多弃渣体的平均侵蚀速率相较于弃土体及沙多石少弃渣体显著较小，主要是由于下垫面中所含的可蚀性颗粒少，砾石在坡面受垂直向下的重力作用，径流的剥蚀、搬运能力无法对砾石造成侵蚀，使得整个侵蚀过程中侵蚀速率始终维持在较低水平，5种雨强下平均侵蚀速率呈递增趋势，变化范围为1.33～163.01 g/(m2·min)，递增幅度为2 478.1%～12 161.5%。弃土体平均侵蚀速率随雨强增大呈递增趋势，尤其是在大雨强下递增尤其显著，弃土体下垫面组成为土壤颗粒，雨强较小时侵蚀过程中土壤的抗蚀性能与径流的剥蚀能力处于动态平衡状态，大雨强下，侵蚀过程发生坡位整体滑塌，形成高含沙水流，使得整体的平均侵蚀速率提高，雨强增大1.5～3.0倍，平均侵蚀速率增幅为33.4%～228.1%。相较于弃土体及沙少石多弃渣体，沙多石少弃渣体平均侵蚀速率随雨强变化呈现较大差异，在雨强由1.0 mm/min增大至2.5 mm/min时，平均侵蚀速率呈递增趋势，增幅为80.6%～124.7%，随雨强继续增大至3.0 mm/min，平均侵蚀速率又突然降低，与平均流速、径流率的变化趋势一致，递增幅度降为49.3%。造成该现象的原因可能是由于暴雨条件下，坡面迅速形成径流，带走表层侵蚀颗粒，同时雨滴的击溅作用使得坡面整体下陷，表层出露的砾石阻碍了水流运动，同时可能在砾石迎水坡面形成凹坑，使得被侵蚀的颗粒随径流运动发生沉积，降低了侵蚀量。对比分析3种弃土弃渣体的平均侵蚀速率，可知除雨强3.0 mm/min外，其余场次均表现为沙少石多弃渣体小于弃土体小于沙多石少弃渣体，一方面主要是由于下垫面可供侵蚀的物质量决定，另一方面也受下垫面组成中砾石与土壤颗粒的黏结性所影响。相同雨强条件下，沙多石少弃渣体的平均侵蚀速率是弃土体的2.0～2.8倍，是沙少石多弃渣体的11.6～358.2倍；雨强增大至3.0 mm/min时，弃土体的平均侵蚀速率最大，是沙多石少弃渣体的1.1倍，是沙少石多弃渣体的4.7倍。综合分析5种雨强下的平均侵蚀速率，沙多石少弃渣体分别是弃土体和沙少石多弃渣体的1.8倍和11.2倍。弃土体和沙少石多弃渣体的平均侵蚀速率与雨强间可用线性函数表示，决定系数分别为0.864和0.961(P<0.05)。

表2 弃土弃渣体各水力学参数值Table 2 Hydraulics parameters of waste soil and residues

3.3 侵蚀产沙与水动力学特性相关分析

弃土弃渣体由于物质组成复杂，降雨的作用对象不仅包括坡面土壤，还包括了分布在表层的砾石。从动力学机制及能量角度来分析弃土弃渣体的侵蚀规律，能更进一步探寻侵蚀机理。已有的研究表明，目前针对侵蚀方面的水力学参数研究较多的主要包括雷诺数Re、弗劳德数Fr、阻力系数f、水流功率P和水流剪切力τ。计算得到弃土弃渣体各场次下平均水力学参数值，见表2。

参照清水明渠水流标准，随雨强增大弃土体的Re呈显著递增趋势，弃渣体的Re在部分场次存在突变，但总体呈递增趋势，在雨强为1.0 mm/min时弃土体及沙少石多弃渣体的Re<500，该降雨过程水流主要为层流，其它场次降雨下的Re处于500～2 000之间，水流为过渡流。本试验层流和过渡流所占比例为分别为13.3%和86.7%。同雨强条件下沙多石少弃渣体平均Re最大，分别是弃土体和沙少石多弃渣体的1.38～2.75和1.04～2.68倍。

弃土体的平均Fr随雨强增大总体呈递减趋势，变化幅度较小,为4.0%～11.0%，沙多石少弃渣体和沙少石多弃渣体平均Fr随雨强增大变化趋势不显著，变化幅度分别为11.4%～38.4%和7.8%～52.6%，弃土弃渣体各场次降雨条件下的平均Fr<1，水流呈缓流，沙多石少弃渣体5种雨强下的平均Fr是弃土体的1.1倍，是沙少石多弃渣体的1.4倍。

弃土体、沙多石少弃渣体和沙少石多弃渣体的平均f随雨强增大，变化趋势较复杂，变化幅度分别为0.7%～50.3%,7.1%～82.2%和48.1%～146.2%。沙多石少弃渣体较弃土体减少21.9%，较沙少石多弃渣体减少51.8%。

弃土弃渣体的平均P和平均τ随雨强变化趋势相似，均随雨强增大呈递增趋势。雨强由1.0 mm/min增大至3.0 mm/min时，弃土体平均P和平均τ的递增幅度分别为12.1%～204.0%,15.7%～154.2%，沙多石少弃渣体和沙少石多弃渣体分别为45.6%～212.5%,41.6%～119.6%和172.1%～721.4%,88.3%～205.4%，弃土体平均P和平均τ在大雨强下的增幅较小雨强显著。5种雨强下的平均P和平均τ均表现为弃土体小于沙少石多弃渣体小于沙多石少弃渣体，后者分别是前两者的1.8,1.6,1.4,1.2倍。

进一步分析侵蚀特征与水力学参数的相关性，结果见表3。

表3 弃土弃渣体侵蚀参数与水力学参数相关性分析Table 3 Correlation analysis between hydraulic parameters and erosion parameters for waste soil and residues

注：*是指0.05水平(双侧)上显著相关；**是指在0.01水平(双侧)上显著相关

由表3分析可知，雨强与弃土体及沙少石多弃渣体的径流产沙相关性显著，与沙多石少弃渣体的径流呈显著相关。沙少石多弃渣体的雨强与Re,Fr,f,P,τ均呈显著相关性，弃土体雨强与Re,Fr和τ相关性显著，沙多石少弃渣体雨强与Re,P和τ相关性显著。雨强对3种弃土弃渣体的平均径流率、Re,τ均呈显著相关性。沙少石多弃渣体平均流速与平均侵蚀速率、平均径流率及各水力学参数均呈显著相关关系。沙多石少弃渣体平均流速仅与平均水流功率显著相关，而弃土体平均流速与平均侵蚀速率及平均径流率相关性显著，与水力学参数中的Re,P和τ呈显著相关性。弃土体及沙少石多弃渣体的平均侵蚀速率与平均径流率及各水力学参数显著相关，沙多石少弃渣体平均侵蚀速率与径流及水力学相关性不显著。沙少石多弃渣体平均径流率与各水力学参数显著相关，弃土体与Re,Fr,P和τ呈显著相关性，沙多石少弃渣体与Re,P和τ呈显著相关性。通过相关性分析可知，在5种水力学参数中，与弃土弃渣体径流产沙相关性最密切的是Re,P和τ，其次为Fr，而f与其相关性较疏远。

已有的研究表明，在各项侵蚀动力参数中，P和τ可用于较好地描述侵蚀特性。通过上述分析可知，弃土弃渣体的平均径流率与平均水流功率P、水流剪应力τ可用线性函数表示，决定系数均>0.8。弃土体及沙多石少弃渣体的平均侵蚀速率均与平均水流功率P、水流剪应力τ呈显著线性函数关系，决定系数均>0.9，而沙多石少弃渣体可用幂函数表示，决定系数在0.45～0.55之间。

4 结 论

通过野外人工模拟降雨试验，研究了神府东胜矿区3种弃土弃渣体侵蚀特征及水力学参数特征的差异性，进一步探索弃土弃渣体侵蚀内在机理。本试验结果表明：

(1) 随雨强增大1.5～3.0倍，弃土弃渣体平均径流率递增幅度是33.7%～276.2%。沙多石少弃渣体平均径流率是弃土体和沙少石多弃渣体的1.1倍。

(2) 沙多石少弃渣体的平均流速较弃土体及沙少石多弃渣体大，大雨强下沙少石多弃渣体可能会发生壤中流现象，出现瞬时流速增大。雨强1.0 mm/min增大至3.0 mm/min，平均流速递增幅度是13.6%～43.3%。随雨强1.0 mm/min增大至3.0 mm/min，沙少石多弃渣体平均侵蚀速率增幅为2 478.1%～12 161.5%，弃土体增幅为33.4%～228.1%。沙多石少弃渣体的平均侵蚀速率随雨强1.0 mm/min增大至2.5 mm/min时，递增幅度为80.6%～124.7%，雨强继续增大至3.0 mm/min，递增幅度降为49.3%。相同5种雨强条件下，沙多石少弃渣体平均侵蚀速率分别是弃土体和沙少石多弃渣体的1.8倍和11.2倍。

(3) 本试验中弃土弃渣体降雨平均雷诺数Re以过渡流为主，所占比例为86.7%，平均弗汝德数Fr<1，呈现为缓流。平均水流功率P和平均水流剪应力τ均随雨强增大而变化,增幅分别是12.1%～721.4%和15.7%～205.4%。与弃土弃渣体径流产沙相关性最密切的是Re,P,τ。弃土弃渣体的平均径流率与平均水流功率P、水流剪应力τ可用线性函数表示，决定系数均>0.8，弃土体及沙少石多弃渣体平均侵蚀速率与水流功率P、水流剪应力τ可用线性函数描述，决定系数均>0.9，而沙多石少弃渣体可用幂函数表示，决定系数在0.45～0.55之间。

[1] 李 强,李占斌,鲁克新,等.神府东胜矿区不同下垫面产流产沙试验研究[J].水土保持研究,2008,15(3):1-3.

[2] 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.

[3] 郭明明,王文龙,李建明,等.神府矿区弃土弃渣体侵蚀特征及预测[J].土壤学报,2015,52(5): 1044-1057.

[4] 倪含斌,张丽萍,张登荣.模拟降雨试验研究神东矿区不同阶段堆积弃土的水土流失[J].环境科学学报,2006,26(12): 2065-2071．

[5] BIAN Z F,INYANG H I,DANIELS J L,etal.Environment Issues from Coal Mining and Their Solutions[J].Mining Science and Technology,2010,20(2): 215-223.

[6] DONG J Z,ZHANG K L,GUO Z L.Runoff and Soil Erosion from Highway Construction Spoil Deposits: A Rainfall Simulation Study[J].Transportation Research Part D,2012,17(1): 8-14.

[7] HAIGH M J,GENTCHEVA-KOSTADINOVA S V.Ecological Erosion Control on Coal-spoil Banks: An Evaluation[J].Ecological Engineering,2002,18(3): 371-377.

[8] 王 贞,王文龙,罗 婷,等.神府东胜煤田扰动地面水流水动力学特征[J].水土保持通报,2011,31(2):42-45.

[9] 胡世雄,靳长兴.坡面流与坡面侵蚀动力过程研究的最新进展[J].地理研究,1998,17(3):326-335.

[10] 刘俊娥,王占礼,高素娟,等.黄土坡面片蚀过程动力学机理试验研究[J].农业工程学报,2012,28(7):144-149.

[11] 张乐涛,高照良,田红卫.工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀水动力学过程[J].农业工程学报,2013,29(24):94-102.

[12] 康宏亮,王文龙,薛智德,等.北方风沙区砾石对堆积体坡面径流及侵蚀特征的影响[J].农业工程学报,2016 ,32(3) : 125 -134.

[13] 吴淑芳,吴普特,宋维秀,等.黄土坡面径流剥离土壤的水动力过程研究[J].土壤学报,2010,47(2):223-228.

[14] RIEKE-ZAPP D,POESEN J,NEARING M A.Effects of Rock Fragments Incorporated in the Soil Matrix on Concentrated Flow Hydraulics and Erosion[J].Earth Surface Processes Landforms,2007,32(7): 1063-1076.

[15] 谭克龙,王晓峰.农牧交错区生态环境监测与动态变化分析——以神府东胜地区为例[J].地球信息科学,2006,8(3):109-113.

[16] 侯新伟,张发旺,韩占涛,等.神府-东胜矿区生态环境脆弱性成因分析[J].干旱区资源与环境,2006,20(3): 55-57.

[17] 李建明,王文龙,王 贞,等.神府东胜煤田弃土弃渣体径流产沙过程的野外试验[J].应用生态学报,2013,24(12): 3537-3545.

[18] 雷廷武,张晴雯,闫丽娟.细沟侵蚀物理模型[M].北京: 科学出版社,2009: 117-129.

[19] 沙际德,白清俊.粘性土坡面细沟流的水力特性试验研究[J].泥沙研究,2001,(6):39-43.

[20] 魏 霞,李勋贵,李占斌,等.黄土高原坡沟系统径流水动力学特性试验[J].农业工程学报,2009,25(10):19-24.

[21] FOSTER G R,HUGGINS L F,MEYER L D.Laboratory Study of Rill Hydraulics(II).Shear Stress Relationships[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,1984,27(3): 797-804.

[22] BAGNOLD R.An Approach to the Sediment Transport Problem from General Physics[M].Washington: United States Government Printing Office,1966.

(编辑：赵卫兵)

Differences in Erosion and Hydrodynamic Characteristics of Three Kinds of Residues in Mining Area

LI Jian-ming1，SUN Bei1，WANG Yi-feng1，WANG Wen-long2,3,4，ZHANG Chang-wei1，GUO Ming-ming2,3

(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China; 2.Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A & F University,Yangling 712100,China; 3.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming Agriculture on the Loess Plateau,Northwest A&F University,Yangling 712100,China; 4.Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,Yangling 712100,China)

Affected by man-made factors,ground surface in coal mine area is disturbed in a wide range,with complex waste soils and residues accumulating into steep slopes,resulting in heavy soil and water loss under rainfall action.On the basis of field investigations,runoff plot and outdoor artificial rainfall field were selected and constructed to study the differences of erosion and hydrodynamic characteristics among three underlying surfaces,namely,waste soil,coal mine residue with more sand and less stone,and residue with less sand and more stone.Results showed that 1) the average runoff rate of residues increased in a range from 33.7% to 276.2% with rainfall intensity increasing by 1.5 times to 3.0 times; the average runoff velocity of waste soil and residues increased by 13.6%-43.3% as rainfall intensified,and the average runoff velocity of residue with more sand and less stone was larger than the other two; under the same rainfall intensity,the average erosion rate of residue with more sand and less stone was 1.8 times and 11.2 times that of the waste soil and the residue with less sand and more stone,respectively; 3) the average Reynolds number revealed waste soil and residue as transition flow in slow motion; 4) the relations between average runoff rate and average stream power and average shear stress,respectively,can be expressed by linear function,with the coefficient of determination greater than 0.8; the relations between erosion rate and average stream power and average shear stress of waste soil and residue with less sand and more stone can be expressed by linear function,with the coefficient of determination greater than 0.9; while a power function for residue with more sand and less stone with the coefficient of determination about 0.5.

waste soil and residues; runoff and sediment yield; hydrodynamic parameter; disturbance; simulated field rainfall experiment; Shenfu-Dongsheng coalmine field

S157.1

A

1001-5485(2017)10-0024-07

2016-06-17;

2016-07-05

国家自然科学基金项目(40771127,51309154,41301298)；水利部公益性行业科研专项(201201048,201201047)；中国科学院知识创新工程重大项目(KZZD-EW-04-03)

李建明(1989-)，男，福建三明人，助理工程师，主要从事土壤侵蚀研究，(电话)027-82829895(电子信箱)hahalijianming@126.com。

王文龙(1964-)，男，陕西大荔人，研究员，主要研究方向为土壤侵蚀与水土保持,(电话)029-87016156(电子信箱)wlwang@nwsuaf.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160667 2017,34(10):24-30