不同复垦模式下铁尾矿坡面产流产沙与水力特性

吕春娟，郭岩松，毕如田，梁建财，郭星星，陈 丹，王 煜，许彩彩

不同复垦模式下铁尾矿坡面产流产沙与水力特性

吕春娟，郭岩松，毕如田，梁建财，郭星星，陈 丹，王 煜，许彩彩

（1. 山西农业大学资源环境学院，太谷 030801；2. 山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，太谷 030801）

为了揭示降雨条件下铁尾矿复垦坡面的产流产沙特征与水力特性，该文采用室内人工模拟降雨方法研究了不同降雨强度（60、90、120 mm/h）和不同复垦模式（T，铁尾矿；TSH，铁尾矿与高比例生土；TM，铁尾矿与菌糠；TSM，铁尾矿、菌糠与生土；TSL，铁尾矿与低比例生土；植被类型均为胡枝子）25°坡度条件下的侵蚀过程。结果表明：1）产流速率在降雨初期迅速增长，中后期趋于稳定。添加菌糠的复垦模式产流速率高于未添加菌糠的复垦模式；2）产沙速率随降雨历时变化呈现两种模式，添加菌糠的复垦模式为减少型，未添加菌糠的复垦模式为增加型，TSL的减沙效果最为显著，T对降雨强度的响应最为敏感且高雨强下产沙量最大；3）所有复垦坡面平均径流深度范围在0.23～0.93 mm，水流流态均为层流，大部分情况下水流流型为缓流，但TSH在中高雨强下以及T在高雨强下为急流。添加菌糠模式的曼宁糙率系数和水流阻力系数高于未添加菌糠的复垦模式，流速低于未添加菌糠的复垦模式，添加菌糠的基质表面粗糙度较大；4）各复垦坡面的侵蚀形式以溅蚀和片蚀为主，高雨强下T出现细沟侵蚀，其余复垦模式未观察到明显细沟侵蚀；5）产流速率与水流功率、雷诺数（2＞0.998）呈极显著的线性关系，产沙速率与水流功率（2＞0.733）、雷诺数（2＞0.744）呈极显著的幂函数、指数函数关系。该研究可为铁尾矿坡面的复垦模式选择提供理论依据。

复垦；径流；侵蚀；铁尾矿；水力特性

0 引 言

铁矿开采是关系国计民生的重要活动。根据2018年自然资源部发布的《中国矿产资源》记载，铁矿石产量为12.3亿t，2017年铁矿石消费量为15.7亿t，并且每年都呈增长趋势[1]。由于中国的铁矿资源多属贫矿，综合利用率不高，开采过程中形成大量露天堆弃的铁尾矿固体废弃物[2]，其铁尾矿颗粒松散、容重较大、透气不良、干板湿黏、养分贫瘠，已成为限制铁矿复垦地区复垦效果的重要影响因素[3-4]。铁尾矿产生的重金属物质随径流渗入邻近农地及河道并污染水系，其尾矿堆积体坡度大且极易引发侵蚀和滑坡等水土流失现象，气候变暖和极端降雨事件增加又进一步加剧风险，严重影响区域生态系统的安全与服务功能[5]。因此，探究铁尾矿的水土流失特征，对于理解和控制铁尾矿复垦区水土保持和固体废弃物污染具有重要意义。

土壤重构和植被重建是矿山复垦措施的重要手段，也是确保矿山复垦方向和实现水土保持效果的关键[6]。土壤重构可以在短时间内提供植被生长的土壤条件[7]；植被重建可以通过减缓流速，减少雨滴动能，改善土壤结构的稳定性和渗透性，来达到控制水土流失的目标[8]，还可以通过根茎来吸收和固定矿区土壤中的重金属从而有效控制土壤污染[9]。因此，矿山复垦措施很大程度上影响了土壤侵蚀过程。例如，Taylor等[10-11]研究了复垦措施对美国肯塔基州东部的露天矿场坡面产流和侵蚀的影响，发现采用松散堆积覆土的方式可以提高渗透率和降低产流产沙的峰值，陡坡条件下也能有效的提高入渗。Luna等[12]通过对复垦土壤基质施加城市污泥、堆肥等改良剂和砾石、木屑等地表覆盖物来提高基质的有机质含量和增加地表粗糙度，发现施加改良剂能够提高土壤孔隙率，从而提高渗透和减少水蚀。牛耀彬等[13]通过对不同植被重建的整地措施进行水力学性质的研究，表明防护措施能够有效减少土壤可蚀性且水平阶的防护效果优于鱼鳞坑。郭星星等[14]研究了在不同雨强和坡度下铁尾矿砂裸坡复垦坡面的产流产沙特征，结果发现雨强对产流影响较大，而雨强和坡度对产沙的影响显著，并且铁尾矿砂与菌糠混合物的基质减沙效果相比其他类型更好。综上所述，将土壤重构和植被恢复结合的复垦模式已经成为指导生产实践的有效举措。

水蚀是由降雨和径流等侵蚀力引起土壤物质分离、运输和沉积的过程[15]。在斜坡上这些过程高度依赖土壤基质的水力特性。一些学者从水力学角度来研究土壤侵蚀过程并进行土壤侵蚀预测[16]。Nearing等[17]认为水流功率是迈阿密粉质壤土或者塞西尔沙壤土的坡面侵蚀的最佳预测指标。康宏亮等[18]发现单位径流功率是描述风沙区土质和10%砾石质量分数工程堆积体侵蚀产沙的最佳指标，径流功率是描述20%、30%砾石质量分数工程堆积体土壤侵蚀参数的最优指标。Guo等[19]研究表明在预测黄土坡面土壤的侵蚀量和溶质运移速率时，曼宁糙率系数与平均水流深度的比值是比水流功率或雷诺数更好的预测指标。有效模拟土壤侵蚀过程，需要考虑坡面的具体情况和研究目标，选择合理的水动力参数。

然而，使用上述水力学参数在降雨条件下对铁尾矿复垦坡面的研究较为缺乏。为此，本文采用人工模拟降雨的方法，研究不同降雨强度下不同复垦模式铁尾矿坡面的土壤侵蚀过程，探索铁尾矿复垦坡面的产流产沙规律和水力特性，并据此建立土壤侵蚀预报模型，以期为提升铁尾矿复垦效果和坡面水土流失治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

铁尾矿研究区位于山西省运城市垣曲县，介于35°14′14″～35°14′54″N，111°40′24″～111°41′09″E，属暖温带半干旱、半湿润大陆性季风气候，如图1所示。年平均气温为13.5 ℃，年平均蒸散量为2090 mm。当地植被除因采矿活动造成植被破坏严重外，其余地区植被覆盖良好，植被以灌木丛和草本植物占优势。该矿区位于黄河支流——亳清河流域范围内，小浪底坝湿地自然保护区的上游，年均降雨量为631 mm，降水一般集中在5－9月，短历时暴雨频发，在铁尾矿复垦地区引发水土流失和滑坡事件的风险较大。

图1 研究区示意图

供试材料是铁尾矿，土壤和菌糠。铁尾矿采集于山西省运城市垣曲县国泰矿业有限公司泉子沟干排尾矿库。铁尾矿带回实验室后，放置在阴凉地方自然风干，待风干后过2 mm的筛。菌糠来源于蘑菇种植基地的菌糠棒，菌糠棒主要材料由玉米芯、木屑、麸皮等组成，菌糠棒经过粉碎处理，过5mm筛。供试土壤类型属于褐土，与采矿区原始生境的土壤类型相似，待风干后过5 mm的筛，去除植被、石块和杂物后准备作为装填土槽的土壤材料。参照美国制土壤质地分类标准（黏粒＜0.002 mm，粉粒0.002～<0.05 mm，砂粒0.05～2 mm），粒径组成为：铁尾矿的砂粒、粉粒和黏粒质量分数分别为29.7%、57.8%、12.5%，生土的砂粒、粉粒和黏粒质量分数分别为21.56%、57.2%、21.24%，质地均属于粉壤土。

1.2 试验装置

在山西农业大学资源与环境学院的模拟降雨厅对不同复垦模式的坡面进行了模拟降雨试验。试验装置由2个独立部分组成：模拟降雨设备和土槽。模拟降雨设备（QYJY-501T）由西安清远西安测控技术有限公司定制，系统通过改变喷嘴尺寸和水压来调节降雨强度。混凝土土槽规格为：长2 m × 宽1 m × 高（0.6～2.3 m），土壤坡面装填坡度可变范围在0°～40°之间，土槽前端设计有集流口，使用径流桶于集流口处收集径流泥沙样。Wang等[20]基于同类规格土槽开展岩石覆盖对粗骨土土壤流失和水文响应影响的研究。本研究共有3种降雨强度：60、90、120 mm/h，下文均简称为低雨强、中雨强和高雨强。这是位于中国山西省南部以及黄土高原东部山地的中条山地区典型的普通暴雨、中型暴雨、大型暴雨等降雨等级[21]，经常被用于黄土质坡地的降雨试验研究[22-23]，对于铁尾矿复垦地区来说也是同样受限制的降雨强度。模拟降雨器经过多次校准后，测得的降雨强度分别为61.9～64.6，88.9～94.5和119.8～122.8 mm/h，模拟精度为±5 mm/h，在允许误差范围内，有效降雨范围内的均匀度超过80%。

1.3 试验设计与样品采集

试验设计5个土槽复垦坡面，分别对应野外试验基地5种铁尾矿的土壤和植被恢复组合。5个复垦模式的基质类型如下：铁尾矿（iron tailings, T），铁尾矿与高比例土壤掺混物（iron tailings and high proportion of soil, TSH），铁尾矿与菌糠掺混物（iron tailings and mushroom, TM），铁尾矿、菌糠与土壤掺混物（iron tailings and mushroom and soil, TMS），铁尾矿与低比例土壤掺混物（iron tailings and low proportion of soil, TSL）。土槽底部40 cm均为铁尾矿，表层20 cm为不同复垦基质类型。复垦基质的装填采取分层法[24]，保持垂直斜面以5 cm深度为间隔，装填与压实同步进行，各层间通过抓毛措施以确保容重均匀分布且防止出现分层现象。所有复垦坡面的平均坡度均为25°，为野外铁尾矿复垦坡面的代表性坡度。在模拟降雨开始前，在土槽斜坡表面不同位置进行取样以测定基质的理化性质，包括土壤颗粒组成[25]、容重、饱和持水量、田间持水量和土壤有机碳等[26]。具体参数和结果详见表1。

表1 复垦模式基本概况

注：T指铁尾矿；TSH指铁尾矿与高比例土壤掺混物；TM指铁尾矿与菌糠掺混物；TMS指铁尾矿、菌糠与土壤掺混物；TSL指铁尾矿与低比例土壤掺混物，下同。

Note: T means substrate of iron tailings; TSH means blend substrate of iron tailings and high proportion of soil; TM means blend substrate of iron tailings and mushroom; TMS means blend substrate of iron tailings、mushroom and soil; TSL means blend substrate of iron tailings and low proportion of soil, the same as below.

5个复垦模式的植被类型均为胡枝子（），胡枝子的枝叶茂盛和根系发达，可有效地保持水土和减少地表径流。播种前进行坡面整地，沿等高线方向以15 cm为间隔开挖约2 cm宽的水平阶，如图2所示，其作用主要是提高土壤水分入渗，拦蓄泥沙，以及降低植被生长期间坡面表层土壤侵蚀的程度[27]。降雨厅为半开放降雨厅，能够满足胡枝子所需的光照条件，生长期内通过人工浇水保持充足的供水条件。胡枝子出苗1个月，开始定苗，确保每个土槽的胡枝子密度相同，以品字形均匀分布在坡面上。在2018年5月开始装填土槽播种，2018年6月对坡面植被进行定苗，模拟降雨试验于2018年9月进行，在模拟降雨试验后，对每个土槽植株的覆盖率[28]和生物量进行测定（表1）。

图2 坡面水平阶与植物分布图

对于同一个土槽，按照降雨强度从小到大的顺序逐次降雨。降雨开始前，使用土壤水分测定仪对土槽基质含水率进行测定，通过预降雨和晾晒等方式将前期土壤含水率控制在8%±2%；每次降雨前后使用温度计测量水温，以计算运动粘度。降雨开始后，以坡面开始产流的时间为计时起点，以3 min为间隔在土槽前端V形排水口使用水桶收集泥沙样本，单场降雨产流后历时30 min，共收集10个泥沙样本；坡面流速采用高锰酸钾染料示踪法进行测量[29]。高锰酸钾染料示踪法测量的是最大表面速度，乘以层流流态的校正因子0.67得到平均流速[30]。降雨结束后，使用土壤水分测定仪测定土槽基质的表层0～5 cm土壤含水率；使用量筒测量每个泥沙样品的体积，待泥沙样品静置沉淀澄清后，倒掉上部清液，将泥沙转移到烧杯中，将泥沙和烧杯放入通风烘箱在105 ℃下持续12 h至恒质量并称质量[31]。

1.4 数据分析处理

平均径流深度、运动黏度的计算公式[32]为

式中为平均径流深度，m；R为产流速率，L/(m2·min)；为土槽的宽度，m；为平均流速，m/s；为实测水温，℃。为重力加速度，m/s2，通常取9.8 m/s2。

式中为水力半径，m，可近似用平均水流深度代替；为水力坡度，可用坡度的正弦值近似替代；为水的密度，g/cm3。

使用Excel 2010、Origin 9.1与R 3.4.4软件进行数据处理与绘图。

2 结果与分析

2.1 复垦坡面产流特征

图3为不同复垦模式的产流速率随降雨强度的变化。随降雨时间的延长，产流速率的变化趋势基本相似。在低雨强下，不同处理随时间变化的变异程度较低，基本呈稳定趋势。在中雨强和高雨强下，坡面起流的初始阶段（0~9 min）其产流速率迅速增长，中后期增长变缓或趋于稳定。表2结果表明，在低降雨强度下，TMS的产流速率最大，TM和TSH次之，T和TSL最小。中雨强和高雨强下，添加菌糠复垦模式产流速率与未添加菌糠的复垦模式差异显著，TM和TMS的产流速率均大于其余的复垦措施的产流速率。表明在低雨强下，添加较高比例的生土和只添加菌糠的这两种复垦模式对产流速率变化的影响其差异不显著，但在中雨强度和高降雨强度下，添加菌糠的复垦模式产流速率更高。比较不同降雨强度间产流速率的增长率变化，未添加菌糠的复垦模式其平均产流速率为0.34 L/(m2·min)，在中降雨强度和高降雨强度下其平均增长率为187.32%和46.7%。添加菌糠的复垦模式其平均产流速率为0.65 L/(m2·min)，在中降雨强度和高降雨强度下其平均增长率为109.26%和25.9%。上述结果表明未添加菌糠的复垦模式在不同降雨强度下产流速率的增幅大于添加菌糠的基质，但是其产流速率总体较低于添加菌糠的复垦模式。

图3 不同降雨强度不同复垦措施产流速率变化

表2 不同降雨强度不同复垦措施侵蚀和水流特征

注：不同字母代表各处理间的差异显著（<0.05），下同。

Notes: Different letters indicate significant differences at the 0.05 level, and the same as below.

土壤基质的入渗能力对坡面产流速率的大小会有很大影响。表2结果表明，随着降雨强度的增加，其降雨后表层含水率也相应递增。TMS在低雨强条件下降雨后含水率较高，而在中高雨强下降雨后含水率与TM接近。再者，与对应复垦基质的持水能力相比，在单次模拟降雨结束之后，T、TSH和TSL的表层含水率在高降雨强度下均能达到田间持水量与饱和持水量之间，而TM和TMS在不同降雨强度下均未能达到田间持水量的水平（表1和表2）。上述结果表明，未添加菌糠的基质其在降雨过程中入渗能力更强，因而其产流速率相比添加菌糠的基质更低，添加菌糠的基质更容易在坡面表面形成致密的不透水层，从而降低入渗能力，提高坡面的产流速率。

2.2 复垦坡面产沙特征

由图4可知，不同复垦模式的产沙速率随时间和降雨强度的变化其特征也具有明显的差异。随降雨时间的延长，产沙速率的变化呈现两种模式，即增加型和减少型。在低雨强下，产沙速率随时间变化其变异程度较低，稳定性较高，除TSH外其余复垦模式的变化趋势整体趋稳。在中雨强和高雨强下，T、TSH和TSL随时间延长其产沙速率增加，TM和TMS随时间延长其产沙速率降低。不同降雨强度下，TSH与TSL的产沙速率具有明显差异且TSH大于TSL，TM和TMS之间的产沙速率差异不大。虽然随降雨强度的增加复垦坡面的产沙速率增加，但不同复垦模式对其的响应程度具有差异特征。T在低降雨强度其平均产沙速率为0.56 g/(m2·min)，在中雨强和高雨强下其平均增长率为2690.71%和164.88%，随降雨强度的变化其增长率变化幅度最大。TM和TMS的产沙速率在低中降雨强度的平均增长率为907.41%且增幅较高，在中高雨强的平均增长率为26.17%且增幅较小。TSH和TSL在低中雨强的平均增长率为332.05%，与其他复垦模式相比较低但增幅较高，在中高雨强的平均增长率为112.2%且增幅趋缓。上述结果表明，纯尾矿坡面虽然在低降雨强度下其侵蚀程度相较其他复垦模式更低，但是对降雨强度的响应更为灵敏，尤其是在中高降雨强度下需要注意；添加菌糠的复垦模式坡面产沙规律类似，与其余复垦模式相比无论从时间响应特征还是侵蚀程度均有明显差异；添加较低比例的砂土混合模式TSL其减沙效果最为明显，随降雨强度的增加其变化程度最低，在高雨强下其产沙速率也能维持在较低水平；另外，在TSH和TSL的植被覆盖率和生物量相比其他复垦模式而言更为茂盛，但在不同降雨强度下TSL的产沙速率也比TSH要低，说明复垦基质的作用还是较为明显。

图4 不同降雨强度不同复垦模式产沙速率

2.3 复垦坡面水力特性

通过水流流速、水流深度、雷诺数和弗汝德数来反映坡面流的特征。由图5可知，在低雨强下随降雨时间的延长除TSH外的不同复垦模式的坡面流速均表现平缓的趋势且变异程度较低。在中雨强下，TSH的坡面流速随降雨时间的延长其变化趋势为先增加后稳定且变异程度较高，但在高降雨强度下TSH的变化趋势整体平稳，其时间序列结果与产沙速率的相关性很强，低雨强流速的波动也导致了产沙速率的波动。值得注意的是，T的坡面流速在高雨强下随降雨时间的延长其中后期（15～30 min）会发生较大的突变增长且增幅为93.9%，这说明在降雨的后期坡面发生较大程度的崩解和侵蚀从而造成流速的突变增长。由表2可知，随着降雨强度增加其水流流速增加，TSH均与其他复垦模式表现出明显的差异且坡面流速的值最高，T的坡面流速在高降雨强度下会与TM、TMS和TMS表现出明显的差异且增幅最大。在水流深度方面，随着降雨强度的增加其水流深度增加，范围在0.23～0.93 mm之间，水流深度较浅，说明复垦坡面植被恢复整地措施诸如水平阶的作用增加了水流弯曲度，从而降低了水流深度。根据坡面浅层均匀流[34]的标准，Re和的临界值分别为900和1。由表3可知，在不同降雨强度不同复垦模式的Re值在4.23～27.36之间，当Re＜900时则表示水流流态为层流，因此本研究的水流流态均为层流。姚文艺[34]认为，尽管雨滴已对水流有所扰动，水质点有局部掺混现象，但由于雷诺数和阻力系数的关系仍符合在通常明渠层流内的变化规律，表明此时水流的黏滞力的作用仍大于惯性力的作用，整体水流仍处于层流状态，据此提出“伪层流”的概念。弗劳德数是用来判断坡面水流是急流还是缓流的参数，＞1，说明重力小于惯性力作用，水流流型为急流；反之，＜1则水流流型为缓流。在本研究中大部分情况下不同降雨强度不同复垦模式的＜1，但TSH在中雨强和高雨强下以及T在高雨强下的＞1，则表现为急流的特征。

一般情况下，曼宁糙率系数随降雨强度的增加而减少，在复垦模式T、TSH和TSL均观察到此类现象，但是TMS随降雨强度的增加而增加，TM为先增后减，表3结果也表明TM和TMS的曼宁糙率系数高于其他复垦模式。阻力系数反映了坡面流在流动过程中所受到的阻力大小，阻力系数越大，说明水流克服坡面阻力所消耗的能量就越大，则用于坡面侵蚀和泥沙输移的能量就越小，坡面产沙就越少。在低雨强下，TSL的阻力系数较高且变异程度较大，其余复垦模式的阻力系数之间不具有明显差异。在中雨强下，不同复垦模式的阻力系数不具有明显的差异且变异程度较大，但在高雨强下阻力系数的排序为：TMS＞TM&TSL＞T&TSH。在低雨强下，不同复垦模式水流剪切力的排序为：TMS＞TM&TSL＞T&TSH，不同复垦模式水流功率的排序为：TMS＞TM&TSH＞T&TSL；在中雨强和高雨强下，TMS和TM的水流剪切力和水流功率的值与其余复垦模式的差异较大且排序靠前，这说明在不同降雨强度下添加菌糠的复垦基质均与未添加菌糠的复垦基质的水流剪切力和水流功率具有明显的差异且排序靠前。

图5 不同降雨强度不同复垦模式水流流速

表3 不同降雨强度不同复垦模式的水力参数

2.4 复垦坡面侵蚀特征与水力特性的拟合

表4为不同降雨强度下侵蚀特征与水力参数之间的相关关系。产流方面，不同降雨条件下产流速率与水力参数的相关性程度有差异，总体来看，水流功率、雷诺数和水流剪切力与产流速率的相关性较高，因此将这三个参数作为产流速率的拟合指标。产沙方面，在低中雨强下，雷诺数、水流功率与产沙速率呈极显著相关性，但在高雨强条件下，水流流速、弗汝德数与产沙速率呈极显著相关性，雷诺数、水流功率和产沙速率的相关性不显著，水流剪切力在中雨强下与产沙速率的相关性显著。因此初步将水流功率、雷诺数和水流剪切力作为产沙速率的拟合指标并进行探索。

在确定拟合指标的基础上，进一步分析每个拟合指标在不同复垦模式下的产流产沙拟合效果。表5为侵蚀特征与水力参数的拟合关系。拟合结果表明，不同复垦模式下水流功率和雷诺数对产流速率的线性拟合均呈极显著（＜0.01），而水流剪切力和产流速率除TSH外均呈极显著（＜0.01）的二次多项式关系，TSH的拟合效果较差，其水流剪切力和产流速率呈显著（＜0.05）的二次多项式关系。不同复垦模式下产沙速率与水流功率、雷诺数、水流剪切力呈幂函数和指数函数关系，产沙速率和雷诺数、水流功率之间的指数函数、幂函数关系均呈极显著（＜0.01），而水流剪切力与产沙速率的拟合效果较差，其中T和TSH呈显著（＜0.05）的幂函数关系，其余复垦模式则均呈极显著（＜0.01）的幂函数关系。综上所述，水流功率和雷诺数均可以作为产流速率和产沙速率的水力指标，而水流剪切力的效果相对较差。

表4 侵蚀特征与水力参数的相关分析

注：为水流流速；为雷诺数；为弗汝德数；为阻力系数；为水流剪切力；为水流功率；为曼宁糙率系数；为曼宁糙率系数除以水流深度。*表示显著相关，**表示极显著相关。

Note:is the flow velocity;is the Reynolds number;is the Froude Number;is the Darcy-Weisbach friction ;is the hydraulic shear stress;is the stream power;is the Manning roughness coefficient;is the Manning roughness coefficient divided by water flow depth. * is significant correlation at 0.05 level, ** is significant correlation at 0.01 level.

表5 侵蚀特征与水力参数的关系

3 讨 论

本文比较了铁尾矿5种不同复垦模式的产流产沙特征和水力特性，其结果表明复垦模式间均表现明显的差异特征。在对比产流速率、产沙速率随时间变化的结果表明，添加和未添加菌糠的复垦模式之间的差异最大。产流速率产生差异的原因在于，未添加菌糠复垦模式基质其水分渗透性更强，其表土层的抗侵蚀能力和团聚体的稳定性能够有效防止土壤颗粒分离。添加菌糠复垦模式基质其水分渗透性较差，其产沙量也高于未添加菌糠的复垦基质，这可能和侵蚀过程产生的泥沙颗粒组成和复垦基质的质地颗粒粒径有关。Thomaz等[35]认为，降雨分离的土壤颗粒，其中细颗粒堵塞土壤表面的孔隙，导致径流的增加和泥沙的运移，降低了土壤的渗透性，表土的粘结性对坡面径流具有重要影响。产沙速率随时间序列的延长有两种模式：增加型和减少型。对于增加型[36]的模式，是在降雨早期，侵蚀主要由雨滴溅蚀引起，土壤颗粒脱落从而增加侵蚀，随着降雨持续，雨滴冲击使得土壤水分增加和悬浮颗粒沉积在土壤表面，逐渐导致在粘壤质土壤表面形成限制性密封层，密封层具有提高土壤抗剪强度的作用[30]，从而降低土壤可蚀性，进而导致产沙速率随累积降雨量的增加而减少，径流的稳定进一步稳定产沙速率。对于减少型模式，其产沙速率随时间变化的曲线从现象来说与Zhao等[36]的研究类似，Zhao等的研究表明草或植被根系的存在对沙质土壤的土壤侵蚀过程有影响，降雨开始时本身就有大量原始的松散物质沿斜坡水流运移，从而迅速增加产沙量。然而，本研究中添加菌糠的复垦模式其植被长势较差，远低于砂土混合的复垦模式，砂土混合的复垦模式其侵蚀特征为逐渐增长模式，这说明植被措施对土壤侵蚀过程的影响较小。坡面的水力特性结果表明，含有菌糠复垦模式曼宁糙率系数和水流阻力系数高于未添加菌糠复垦模式，流速较低于未添加菌糠的复垦模式，Ding等[37]的研究表明，粗糙的土壤表面与光滑的土壤表面相比在降雨初期其产沙量迅速增加，在20 min左右到达峰值后降低为恒定水平，表面粗糙度与植被措施改良坡面土壤的相比其结论更为贴切，因此本研究中逐渐降低的模式是降雨初期较高的表面粗糙度更易受到降雨和坡面流的冲刷而导致产沙量的增加，在降雨后期侵蚀细颗粒堵塞土壤孔隙，对含菌糠基质的坡面其产流和产沙均有重要影响。综上所述，斜坡表面粗糙度是影响复垦坡面土壤侵蚀特征差异的重要因素。

坡面侵蚀均可广泛观察到溅蚀、片蚀和细沟侵蚀等侵蚀形式，这些侵蚀形式会单独或同时地发生[38]。Zhang等[39]认为，陡坡的侵蚀形式在上坡（0～80 cm）主要是溅蚀，雨滴溅蚀[40]在土壤表面水分接近饱和时达到最大值，之后随积水深度增加而减少；中坡（80～160 cm）为溅蚀与片蚀的过渡带，下坡（160～200 cm）由片蚀主导，而划分的依据主要是坡面水流深度和流速在斜坡位置的分布。Parsons等[41]认为，水深小于1 mm的条件下，无法有效降低或消除雨滴溅蚀的影响。植被覆盖率也对溅蚀过程产生影响。本研究中在不同雨强下所有坡面的平均水流深度范围在0.23～0.93 mm，水深较浅，极易引发雨滴溅蚀。再者，由于本研究的植被恢复措施中采取水平阶整地措施，通过增加水流弯曲度来对水流流速产生阻延作用。在试验过程中，高雨强下纯尾矿基质出现细沟侵蚀但程度较轻，形成一条1.4 m长，2 cm宽的细沟，连通性较好，其余复垦模式未观察到明显细沟侵蚀。在这些条件的基础上，本研究推断坡面的侵蚀形式受到植被分布的影响较大，没有植被覆盖的地方，上坡由溅蚀主导，中下坡受到溅蚀和片蚀的共同作用；有植被覆盖的地方，主要由片蚀主导。值得注意的是，纯尾矿基质在中高雨强条件下降雨后期会发生较大程度的崩解和细沟侵蚀，如果这种情况发生在野外，随着降雨时间的持续发生严重土壤侵蚀乃至滑坡的风险会陡然增加。

由前所述，侵蚀特征与水力参数的拟合结果表明，水流功率和雷诺数可以作为产流速率与产沙速率的预测指标。水流剪切力与水流功率的差异主要来源于水流流速的参与[31]，因此在本研究中，流速导致了水流功率成为比水流剪切力更好的预测指标。沙玉清[42]认为，无黏性沙随沙坡起伏前进，受到剪切力影响较大，而黏性土壤颗粒在起动时会在坡面形成缓和波形，波顶土壤颗粒随水流而动。本研究复垦基质的质地均为粉壤土，坡面土壤颗粒起动受到的剪切力的影响小，因此水力剪切力在土壤坡面侵蚀过程中影响并不显著，水流功率和雷诺数等基于水流流速的指标更能反映粉壤质坡面的侵蚀规律。研究结果与高晨烨等[43]、She等[30]和Nearing等[17]等的结论一致。由于本中所采取的植被恢复措施时间较短，坡面土壤性质受到植被措施改良效果的影响较小，本研究可以为铁尾矿复垦初期不同复垦模式坡面土壤侵蚀特征提供理论依据。

4 结 论

本文研究了不同雨强和复垦模式下铁尾矿坡地产流产沙特征和水力特性，结果表明：

1）产流规律在降雨初期迅速增长，中后期趋于稳定。添加菌糠的复垦模式其产流速率高于未添加菌糠的复垦模式。产沙规律呈现两种模式，添加菌糠的复垦模式为减少型，未添加菌糠的复垦模式为增加型，铁尾矿与低比例土壤掺混物的减沙效果最为显著，纯铁尾矿对降雨强度的响应最为敏感且高雨强下产沙量最大。

2）各复垦模式下，水流流态均为层流，大部分情况下水流流型为缓流，但铁尾矿与高比例土壤掺混物在中高雨强下以及纯铁尾矿在高雨强下为急流。不同雨强下所有复垦坡面的平均水流深度范围在0.23～0.93 mm，水深较浅。添加菌糠复垦模式曼宁糙率系数和水流阻力系数高于未添加菌糠的复垦模式，流速低于未添加菌糠的复垦模式。

3）各复垦坡面的侵蚀形式以溅蚀和片蚀为主。侵蚀形式受到植被分布的影响较大，没有植被覆盖的地方，上坡由溅蚀主导，中下坡受到溅蚀和片蚀的共同作用；有植被覆盖的地方，主要由片蚀主导。高雨强下纯铁尾矿出现细沟侵蚀但程度较轻，其余复垦模式未观察到明显细沟侵蚀。

4）水流功率和雷诺数均可以作为产流速率和产沙速率的水力指标。不同复垦模式下产流速率与水流功率、雷诺数呈极显著的线性关系，不同复垦模式下产沙速率与水流功率、雷诺数呈极显著的幂函数、指数函数关系。

[1]Sun Sizhong, Anwar Sajid. R&D activities and FDI in China’s iron ore mining industry[J]. Economic Analysis and Policy, 2019, 62: 47－56.

[2]邓文，江登榜，杨波，等. 我国铁尾矿综合利用现状和存在的问题[J]. 现代矿业，2012，27(9)：1－3.

Deng Wen, Jiang Dengbang, Yang Bo, et.al. Comprehensive utilization status and existing problems of iron tailings in China[J]. Morden Mining, 2012, 27(9): 1－3. (in Chinese with English abstract)

[3]陈颖，李晨光，徐学华，等. 铁尾矿废弃地火炬树林水土保持功能[J]. 水土保持学报，2015，29(3)：106－111.

Chen Ying, Li Chenguang, Xu Xuehua, et al. Soil and water conservation function of. forest in iron tailings[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(3): 106－111. (in Chinese with English abstract)

[4]吕春娟，毕如田，陈卫国，等. 土壤结构调理剂PAM对复垦铁尾矿砂物理性状的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(6)：240－245.

Lü Chunjuan, Bi Rutian, Chen Weiguo, et al. Effect of soil structure conditioner PAM on physical properties of iron tailings in reclaiming[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(6): 240－245. (in Chinese with English abstract)

[5]Feng Yu, Wang Jinman, Bai Zhongke, et al. Effects of surface coal mining and land reclamation on soil properties: A review[J]. Earth-Science Reviews, 2019, 62: 47－56.

[6]方星. 矿山土地复垦理论与方法[M]. 北京：地质出版社，2015：318－334.

[7]Shrestha Raj K, Lal Rattan. Carbon and nitrogen pools in reclaimed land under forest and pasture ecosystems in Ohio, USA[J]. Geoderma, 2010, 157(3/4): 196－205.

[8]Feng Tianjiao, Wei Wei, Chen Liding, et al. Assessment of the impact of different vegetation patterns on soil erosion processes on semiarid loess slopes[J]. Earth Surface Processes & Landforms, 2018, 43 (9): 1860－1870.

[9]Mahar Amanullah, Wang Ping, Ali Amjad, et al. Challenges and opportunities in the phytoremediation of heavy metals contaminated soils: A review[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2016, 126: 111－121.

[10]Taylor Timothy J, Agouridis Carmen T, Warner Richard C, et al. Runoff curve numbers for loose-dumped spoil in the Cumberland Plateau of eastern Kentucky[J]. International Journal of Surface Mining, Reclamation and Environment, 2009, 23(2): 103－120.

[11]Hoomehr Siavash, Schwartz John S, Yoder Daniel C, et al. Curve numbers for low-compaction steep-sloped reclaimed mine lands in the Southern Appalachians[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2013, 18(12): 1627－1638.

[12]Luna Lourdes, Vignozzi Nadia, Miralles Isabel, et al. Organic amendments and mulches modify soil porosity and infiltration in semiarid mine soils[J]. Land Degradation & Development, 2017, 29(4): 1019－1030.

[13]牛耀彬，高照良，刘子壮，等. 工程措施条件下堆积体坡面土壤侵蚀水动力学特性[J]. 中国水土保持科学，2015，13(6)：105－111.

Niu Yaobin, Gao Zhaoliang, Liu Zizhuang, et al. Hydrodynamic characteristics of soil erosion on deposit slope under engineering measures[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2015, 13(6): 105－111. (in Chinese with English abstract)

[14]郭星星，吕春娟，陈丹，等. 雨强和坡度对铁尾矿砂坡面复垦前后产流产沙的影响[J]. 水土保持研究，2019，26(1)：8－13.

Guo Xingxing, Lü Chunjuan, Chen Dan, et al. Effects of rainfall intensity and slope gradient on runoff and sediment production on the slope before and after recalmation in iron tailings[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2019, 26(1): 8－13. (in Chinese with English abstract)

[15]Shi Zhihua, Yan Fengling, Li Lu, et al. Interrill erosion from disturbed and undisturbed samples in relation to topsoil aggregate stability in red soils from subtropical China[J]. Catena, 2010, 81(3): 240－248.

[16]Zhang Yinghu, Zhang Mingxiang, Niu Jianzhi, et al. Rock fragments and soil hydrological processes: Significance and progress[J]. Catena, 2016, 147: 153－166.

[17]Nearing M A, Norton L D, Bulgakov D A, et al. Hydraulics and erosion in eroding rills[J]. Water Resources Research, 1997, 33(4): 865－876.

[18]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.

Kang Hongliang, Wang Wenlong, Xue Zhide, et al. Effect of gravel on runoff and erosion characteristics on engineering accumulation slope in windy and sandy area, northern China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 125－134. (in Chinese with English abstract)

[19]Guo Tailong, Wang Quanjiu, Li Dingqiang, et al. Flow hydraulic characteristic effect on sediment and solute transport on slope erosion[J]. Catena, 2013, 107: 145－153.

[20]Wang Xiaoyan, Li Zhaoxia, Cai Chongfa, et al. Effects of rock fragment cover on hydrological response and soil loss from Regosols in a semi-humid environment in South-West China[J]. Geomorphology, 2012(151/152): 234－242.

[21]张汉雄. 黄土高原的暴雨特性及其分布规律[J]. 地理学报，1983，38(4)：416－425.

Zhang Hanxiong. The characteristics of hard rain and its distribution over the loess plateau[J]. Acta Geographica Sinica, 1983, 38(4): 416－425. (in Chinese with English abstract)

[22]Han Luyan, Jiao Juying, Jia Yanfeng, et al. Seed removal on loess slopes in relation to runoff and sediment yield[J]. Catena, 2011, 85(1): 12－21.

[23]Shi Z H, Fang N F, Wu F Z, et al. Soil erosion processes and sediment sorting associated with transport mechanisms on steep slopes[J]. Journal of Hydrology, 2012(454/455): 123－130.

[24]倪世民，冯舒悦，王军光，等. 不同质地重塑土坡面细沟侵蚀形态与水力特性及产沙的关系[J]. 农业工程学报，2018，34(15)：149－156.

Ni Shimin, Feng Shuyue, Wang Junguang, et al. Relationship between rill erosion morphology and hydraulic characteristics and sediment yield on artificial soils slope with different textures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(15): 149－156. (in Chinese with English abstract)

[25]Bieganowski A, Ryzak M, Witkowska-Walczak B. Determination of soil aggregate disintegration dynamics using laser diffraction[J]. Clay Minerals, 2010, 45(1): 23－34.

[26]郭岩松，吕春娟，郭星星，等. 不同复垦措施下铁尾矿的土壤颗粒多重分形特征[J]. 土壤通报，2019，50(1)：81－88.

Guo Yansong, Lü Chunjuan, Guo Xingxing, et al. Multifractal characteristics of soil particles in iron tailings under different reclamation measures[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2019, 50(1): 81－88. (in Chinese with English abstract)

[27]孙秀殿，李纯丽，张凤霞. 胡枝子的栽培利用[J]. 特种经济动植物，1999(2)：33.

[28]Guijarro M, Pajares G, Riomoros I, et al. Automatic segmentation of relevant textures in agricultural images[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2011, 75(1): 75－83.

[29]Abrantes Joao R C B, Moruzzi Rodrigo B, Silveira Alexandre, et al. Comparison of thermal, salt and dye tracing to estimate shallow flow velocities: Novel triple-tracer approach[J]. Journal of Hydrology, 2018, 557: 362－377.

[30]She Dongli, Liu Dongdong, Meng Jiajia, et al. Hydrological responses on saline-sodic soil slopes in a coastal reclamation area of China[J]. Catena, 2016, 144: 130－140.

[31]Wei Wei, Chen Liding, Fu Bojie, et al. Responses of water erosion to rainfall extremes and vegetation types in a loess semiarid hilly area, NW China[J]. Hydrological Processes, 2010, 23(12): 1780－1791.

[32]Zhang Letao, Gao Zhaoliang, Yang Shiwei, et al. Dynamic processes of soil erosion by runoff on engineered landforms derived from expressway construction: A case study of typical steep spoil heap[J]. Catena, 2015, 128: 108－121.

[33]李少华，何丙辉，李天阳，等. 紫色土丘陵区生物埂不同植被类型土壤分离水动力学特征[J]. 水土保持学报，2019，33(3)：70－75.

Li Shaohua, He Binghui, Li Tianyang, et al. Hydraulic characteristics of soil detachment under the terrace banks with different vegetation types in the purple hilly area[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(3): 70－75. (in Chinese with English abstract)

[34]姚文艺. 坡面流阻力规律试验研究[J]. 泥沙研究，1996(1)：74－82.

Yao Wenyi. Experiment study on hydraulic resistance laws of overland sheet flow[J]. Journal of Sediment Research, 1996(1): 74－82. (in Chinese with English abstract)

[35]Thomaz Edivaldo L, Pereira Adalberto A. Misrepresentation of hydro-erosional processes in rainfall simulations using disturbed soil samples[J]. Geomorphology, 2017, 286: 27－33.

[36]Zhao Chunhong, Gao Jianen, Huang Yuefei, et al. The contribution of astragalus adsurgens roots and canopy to water erosion control in the water-wind crisscrossed erosion region of the loess plateau, China[J]. Land Degradation & Development, 2016, 28(1): 265－273.

[37]Ding Wenfeng, Huang Chihua. Effects of soil surface roughness on interrill erosion processes and sediment particle size distribution[J]. Geomorphology, 2017, 295: 801－810.

[38]Wang Zhijie, Jiao Juying, Rayburg Scott, et al. Soil erosion resistance of “Grain for Green” vegetation types under extreme rainfall conditions on the Loess Plateau, China[J]. Catena, 2016, 141: 109－116.

[39]Zhang X C, Wang Z L. Interrill soil erosion processes on steep slopes[J]. Journal of Hydrology, 2017, 548: 652－664.

[40]Poesen J. Rainwash experiments on erodibility of loose sediments[J]. Earth Surface Processes & Landforms, 2010, 6(3/4): 285－307.

[41]Parsons Anthony J, Abrahams Athol D, Wainwright Jhon. Rainsplash and erosion rates in an interrill area on semi-arid grassland, Southern Arizona[J]. Catena, 1994, 22(3): 215－226.

[42]沙玉清. 泥沙运动学引论[M]. 北京：中国工业出版社，1965.

[43]高晨烨，张宽地，杨明义. 基于无量纲水流强度指标的坡面流输沙能力计算方法[J]. 农业工程学报，2018，34(17)：134－142.

Gao Chenye, Zhang Kuandi, Yang Mingyi. Overland flow sediment transport capacity calculation method based on non-dimensional flow intensity index[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 134－142. (in Chinese with English abstract)

Effects of different reclamation patterns on surface runoff, sediment yield and hydraulic characteristics of slopes in iron ore tailings

Lü Chunjuan, Guo Yansong, Bi Rutian, Liang Jiancai, Guo Xingxing, Chen Dan, Wang Yu, Xu Caicai

(1,030801,;2,,030801,)

Reclamation is a key measure to ameliorate soil erosion from slopes in mining tailings. However, how rainfall intensity and different reclamation patterns combine to affect soil erosion remains elusive, especially in the loess plateau in China. We experimentally investigated these using artificial slopes in iron ore tailings as an example. The experiment was conducted in laboratory using a rainfall simulator. We compared three rainfall intensities, 60, 90 and120 mm/h, and five remediation methods: iron ore tailings without adding any amendment (T), overlaying the iron ore tailings with a high proportion of soil (TSH), planting mushroom in the iron ore tailings (TM), overlaying soil on the iron ore tailings and planting mushroom in the soil (TSM); overlaying a low proportion of soil on the iron ore tailings (TST). The experiment for each treatment was conducted in a 2 m × 1 m × 2.3 m soil flume, in which a layer of iron ore tailings 40 cm thick was underlaid by a 20 cm of above remediating substrate. The cultivar of the vegetation was. The angle between the soil flume to the horizontal was 25o. The soil water content in all treatments prior to rainfall was the same. During the experiment, we measured the water flow velocity and collected sediment samples after each three minutes to calculate the surface runoff and sediment erosion rate. The hydraulic parameters were also calculated in attempts to determine its impact on sediment erosion. The results showed: 1) The surface runoff rate increased asymptotically with time and it was higher in treatments with mushroom than those without mushroom. 2) The mushroom had a significant impact on sediment erosion. Regardless of rainfall density, the sediment erosion rate decreased with time in treatments with mushroom while increased with time in treatments without mushroom, especially in TSL. Soil erosion in T was most sensitive to rainfall intensity and it increased with rainfall intensity. 3) Water flow was laminar in most cases. Except in TSH under moderate and high rainfall intensity and T under high rainfall intensity where water flow was supercritical, water flow in other treatments was subcritical. The average infiltration depth in all treatments was shallow and ranged from 0.23 to 0.93 mm. The Manning roughness coefficient and the Darcy-Weisbach friction of the remediating substrates planted with mushroom were higher than that without mushroom. Mushroom reduced water velocity but increased the surface roughness compared to those without mushroom. 4) Splash erosion and shear erosion was the main cause of sediment erosion. 5) The runoff rate was linearly related to the stream power and to the Reynolds number with2>0.998. The erosion rate was related to the steam power exponentially with2>0.733 and to the Reynolds number in a power-law with2>0.744. This study improves our understanding of how different mediating methods and rainfall density combine to impact surface runoff and sediment erosion in slopes in iron or tailings.

reclamation; runoff; erosion; iron tailings; hydraulic characteristics

吕春娟，郭岩松，毕如田，梁建财，郭星星，陈 丹，王 煜，许彩彩. 不同复垦模式下铁尾矿坡面产流产沙与水力特性[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：156－165.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.019 http://www.tcsae.org

Lü Chunjuan, Guo Yansong, Bi Rutian, Liang Jiancai, Guo Xingxing, Chen Dan, Wang Yu, Xu Caicai. Effects of different reclamation patterns on surface runoff, sediment yield and hydraulic characteristics of slopes in iron ore tailings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 156－165. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.019 http://www.tcsae.org

2019-07-26

2019-12-28

国家青年科学基金（41401619）；山西农业大学引进人才科研启动项目（2014ZZ07）

吕春娟，博士，副教授，主要从事土壤侵蚀与土地整治的研究。Email：lcjcwg@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.019

S157.1

A

1002-6819(2020)-02-0156-10