黄麻纤维护坡水蚀防护效果

崔利强，袁立敏，赵名彦，丛文成

(1.河北天和咨询有限公司，050021，石家庄；2.内蒙古自治区沙地(沙漠)生态系统与生态工程重点实验室，010010，呼和浩特；3.内蒙古多伦浑善达克沙地生态系统国家定位观测研究站，027300，内蒙古锡林郭勒盟；4.河北省水利科学研究院，050020，石家庄 ；5.内蒙古农业大学沙漠治理学院，010011，呼和浩特；6.沙地生物资源保护与培育国家林业局重点实验室，010010，呼和浩特)

排土场是露天矿在开采过程中产生的台阶式岩土松散堆积体，是一项永久性工程建筑，具有坡度大、规模大、占地面积大及土壤结构疏松、混杂渣土碎石等特点。排土场一般距离矿区较近，具有占地面积大、结构复杂、土层瘠薄等特点，是开采区生态系统主要的受损和重建区域[1]。并且排土场压占、滑坡、崩塌、土壤污染等问题已经严重影响排土区周边农牧民正常生活，同时也影响了矿山生产[2]。排土场作为露天矿开采重要的组成部分，其治理应该受到重视。在治理过程中，排土场水土保持工程措施是矿区植被重建的重要前提保障。排土场存在平台与边坡2种部位，平台的治理难度相对较小，多采用富营养土，直接结合植被恢复措施即可达到显著效果，且有关于植被恢复与重建方面的研究也比较深入。针对于排土场边坡的生态修复相对较少，特别是关于排土场边坡的水土流失防治研究更为欠缺，影响了我国矿区生态修复技术体系建设及绿色矿山目标实现进程。国外对排土场的治理研究多集中在控制坡面地表侵蚀的覆盖材料及植被控制侵蚀等措施[3]，我国的排土场边坡治理采用的水土保持工程措施主要有护坡[4]、反坡土埂[5]及植物措施[6]。针对排土场边坡坡度较大，工程材料运输困难、施工不便等问题，一些新型的轻便材料得到了广泛应用，如聚乳酸纤维护坡[7]、生物笆[8]等，极大地降低了材料运输及施工成本，同时取得了较好的生态效益。但聚乳酸纤维材料成本较高、施工效率较低，黄柳(Salixgordejevii)等灌木在矿区附极少分布，其灌木枝条难以获取等问题依然阻碍相关技术的发展。所以，护坡材料易获取、成本低、施工简易等成为矿区修复过程首要解决的问题。

针对目前排土场边坡治理材料的局限，本研究采用易获取、成本低的黄麻(Corchoruscapsularis)纤维材料，设计了一种排土场边坡防护结构[9]。黄麻纤维护坡是利用黄麻纤维材料覆盖于反坡土埂之上，用于保护进拦截坡面径流，并保护土埂结构稳定，防止径流冲垮土埂使整个护坡系统失去防护功能，极大提高了护坡的作用效果，延长了作用时间。本研究充分考虑径流沿坡面向下的运移，设计与径流运动方向垂直的条带配置模式，将黄麻纤维护坡沿着边坡等高线进行不同间距设置，开展坡面土壤侵蚀深度、侵蚀沟等结构参数变化对比试验研究，拟筛选出成本较低而水土保持效果最佳的护坡规格，为排土场边坡水蚀治理技术提供参考依据。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古通辽市霍林郭勒盟境内，该区地处科尔沁草原深处，地势从南向北逐渐升高，地形略有起伏状。该区为温带大陆性气候，年均温为0 ℃，月均温为-20.7 ℃，极端最低气温可达-37 ℃。年均降水量为363 mm，多集中在5—9月(图1)，占全年降水量的66%以上。积雪期较长，平均可达133 d。常年大风，年平均风速4.6 m/s。生长季较短，冻土时间可达288 d，平均无霜期70 d。植物区系属于欧亚草原亚区，蒙古草原地区及东部蒙古亚地区范围，地带性植被以菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)和蔷薇科(Rosaceae)为主[10]，大籽蒿(Artemisiasieversiana)、米蒿(Artemisiadalai-lamae)、线叶菊(Filifoliumsibiricum)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、野古草(Arundinellapubescens)、兴安胡枝子(Lespedezadavurica)、羊草(Leymuschinensis)等，矿区人工植物主要以沙棘(Hippophaerhamnoides)、柠锦鸡儿条(Caraganakorshinskii)和山杏(Prunussibirica)为主。

数据来源MERRA-2大气再分析资料。Data source MERRA-2 atmospheric reanalysis data.图1 研究区温度湿度情况Fig.1 Temperature and humidity in the study area

研究区位于内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司的南排土场区，选择堆置3年的排土场进行治理。地理坐标为E 119°31′0.59″、N 45° 32′13.67″，选择排土场边坡进行实验，总面积约6.67 hm2，试验边坡朝向西，属于半阴坡，长度550 m，宽度60 m，坡度37°。试验于水土流失最为严重的6、7、8月进行，此期间降雨较多，坡面径流极易形成。

2 研究方法

2.1 试验设计

在排土场边坡沿着等高线设置护坡，采用黄麻纤维制成的麻袋与麻袋片2种类型进行护坡。排土场护坡由坡面上部至下部依次设置。首先，在坡面上部沿着坡面等高线开挖深度约40 cm，宽度为40 cm的槽，将挖出的土方全部堆积在槽下方，形成高约25 cm的土埂，此时，将麻袋片(宽1 m、长25 m/卷)沿着土埂铺设，使槽内全部铺满麻袋片，其余宽度麻袋片铺置于土埂下面延至坡面，槽内麻袋片覆土厚度约3～5 cm，主要是防止麻袋片移动，将整卷麻袋片沿着开沟土埂向前铺设，直至铺完为止，中间接壤处，麻袋片重合倾轧50 cm长度即可。麻袋护坡设计开沟并堆置土埂与麻袋片护坡相同，只是用来堆置土埂的土方全部灌装于麻袋内，并将灌装完毕的麻袋封口后依次摆放在土埂位置，确保装土的麻袋之间接触实，无缝隙(图2)。

由坡面的上部开始设置，沿坡面等高线完成一条麻袋片护坡，向下方移至4 m，设置第2条护坡，依次沿等高线设置，逐步下移，直至坡面底部边缘，完成4 m规格的麻袋片护坡设置。依此步骤将剩余坡面依次铺设8和10 m规格的麻袋片护坡，布局设计(图3)。其中，4 m麻袋护坡0.53 hm2，4、8和10 m麻袋片护坡分别建设约0.93 hm2。

Sack and sackcloth are made of jute fiber.The same below.图2 黄麻纤维护坡组成结构及截流槽尺寸示意图Fig.2 Schematic diagram of composition structure of jute fiber slope protection and intercepting groove size

图3 不同规格护坡布局设计示意图Fig.3 Schematic diagram of slope protection layout design with different specifications

2.2 试验方法

护坡设置完毕后，在4 m麻袋、4 m麻袋片、8 m麻袋片和10 m麻袋片护坡设置区，按照设置区宽度平均，分为上部、中部、下部，在各部位分别设置木桩，具体设置方法如下：

在各部位坡面内侵蚀沟内、侵蚀沟外部坡面上分别设置木桩，木桩总长度50 cm，预留地面高度20 cm，在不同部位侵蚀沟内、侵蚀沟外坡面上分别设置5个重复木桩。另外，在截留槽内中心处设置木桩，预留高度30 cm，每个部位设置5个重复木桩。在未设置护坡的坡面的上部、中部、下部的侵蚀沟等位置采用相同的方式进行木桩设置，此坡面称为对照。

分别于护坡设置后3个月(2018年9月底)、第2年9月、第3年9月对木桩高度进行测试，木桩高度与初始高度20 cm的差值即为土壤侵蚀深度，为正值时，说明土壤在此阶段处于水蚀状态，负值则为堆积状态。

2.3 数据处理

IBM SPSS Statistics 25软件进行方差分析等统计分析，Graphpadprism8和Excel 2007进行绘图与数据处理。

3 结果与分析

3.1 边坡不同坡位土壤侵蚀深度差异

黄麻纤维护坡设置当年对排土场边坡土壤侵蚀能够产生显著的抑制作用，黄麻纤维护坡防护区侵蚀沟及坡面土壤侵蚀深度均显著低于对照(图4)，分别比对照的小42.08%和30.71%，对侵蚀沟的土壤侵蚀抑制作用效果更佳。无论是防护区还是对照区，从边坡坡面上部至下部的土壤侵蚀深度均呈现出线性递增的变化趋势，黄麻纤维护坡防护区侵蚀沟及坡面的土壤侵蚀深度分别增加212.54%和46.25%，而对照的下部比下部分别增加163.08%和85.71%。

图4 侵蚀沟内与坡面土壤侵蚀深度变化Fig.4 Changes of soil erosion depth in gullies and slope

图5为护坡防护边坡上部、中部、下部3个部位截流槽内土壤淤积深度的对比分析。在坡面不同部位的护坡截留槽内均发生不同程度的土壤淤积现象，整体规律为沿着坡面自上而下截留槽内土壤淤积深度逐渐增，呈现线性递增的趋势(R2=0.988)。

图5 坡面截流槽土壤淤积深度变化Fig.5 Change of soil siltation depth in slope intercepting groove

另外，不同规格护坡对不同部位截流槽内土壤淤积深度影响程度存在一定的差异性，除坡面下部差异不明显外，在不同部位均是护坡规格越大截流槽内土壤淤积深度越深。计算整个坡面截流槽内平均土壤淤积深度，8和10 m护坡规格分别是4 m护坡规格的1.77倍和2.23倍，整体上呈现4 m麻袋片护坡<8 m麻袋片护坡<10 m麻袋片护坡。

3.2 不同护坡措施土壤侵蚀深度差异

从图6可以看出，侵蚀沟内土壤侵蚀深度显著高于坡面，且相同规格(带宽4 m)的麻袋和麻袋片护坡侵蚀沟内土壤侵蚀深度存在显著差异(P<0.05)，麻袋护坡防护侵蚀沟内土壤侵蚀深度比麻袋片护坡高72.88%，较对照减小16.39%和51.64%；麻袋和麻袋片护坡坡面土壤侵蚀深度差异不显著(P>0.05)，麻袋片防护边坡坡面土壤侵蚀深度显著低于对照(P<0.05)，麻袋与麻袋片防护边坡分别比对照低48.30%和38.10%。麻袋和麻袋片护坡截流槽内土壤淤积深度无显著差异，分别为5.63和5.60 cm。2种护坡措施均较大程度的提高对过境径流的阻力，进而减缓了径流强度。

图6 不同防护边坡土壤侵蚀深度差异Fig.6 Difference in soil erosion depths on differentslope protections

4、8和10 m规格麻袋片护坡对坡面、侵蚀沟内土壤侵蚀均有显著的抑制效果，并且对侵蚀沟的土壤侵蚀深度降低效果更优。3种规格麻袋片护坡防护侵蚀沟内土壤侵蚀深度无显著差异，但较对照均显著降低51.64% 、51.91% 和 48.36%；3种规格麻袋片护坡防护坡面土壤侵蚀深度分别比对照降低38.10% 、43.54% 和16.33%，4和8 m规格麻袋片土壤侵蚀深度与对照存在显著差异。防护边坡依然存在一定程度的水土流失，导致在3种规格护坡截流槽内存在泥沙堆积，且随着护坡规格的增大，截流槽土壤淤积深度增加，10 m规格麻袋片护坡截流槽平均淤积深度为12.50 cm，仅为最大淤积深度的50%，4、8 m规格麻袋片护坡截流槽内土壤淤积深度分别比10 m规格低52.20%和20.53%，说明各规格麻袋片护坡截流槽依然具有一定的蓄积泥沙能力。

3.3 护坡设置区土壤侵蚀深度年际差异

+与8 m护坡规格相比差异显著(P<0.05)；+ Difference significant (P<0.05)compared with 8 m protected slope.*与10 m护坡规格相比差异显著(P<0.05)；* Difference significant (P<0.05)compared with 10 m protected slope.#与对照相比差异显著(P<0.05)。# Difference significant (P<0.05)compared with control.NS=Not significant.图7 不同规格麻袋片护坡防护土壤侵蚀深度年际差异Fig.7 Inter-annual differences in the depth of soil erosion for slope protection with different specifications of sackcloth

2018年9月(设置当年)、2020年7月护坡防护区和对照区内各年度坡面中部侵蚀沟内外土壤侵蚀情况(图7)。防护边坡与对照在监测期内侵蚀沟内、坡面均发生土壤侵蚀，护坡防护的第3年边坡侵蚀沟内土壤侵蚀深度比设置初期平均增加37.45%，坡面土壤侵蚀深度平均增加56.90%；而在此期间，无防护坡面(对照)侵蚀沟内土壤侵蚀深度比设置初期增加74.86%，坡面土壤侵蚀深度增加95.92%。护坡设置后，防护边坡依然发生坡面和沟道侵蚀，但是土壤侵蚀程度远远低于对照区，侵蚀沟深度仅增加2.26 cm，坡面仅被侵蚀1.88 cm，而对照的侵蚀沟平均深度增加9.13 cm，是护坡防护边坡的4.04倍，坡面被侵蚀土壤厚度达到4.70 cm，是护坡防护边坡的2.5倍。

护坡设置的2～3年内，4和8 m规格麻袋片护坡土壤侵蚀程度无显著差异，10 m规格麻袋片护坡防护区依然发生显著的土壤侵蚀现象，至第3年10 m规格麻袋片护坡防护区侵蚀沟和坡面土壤侵蚀深度分别比对照降低53.13%和34.03%。护坡防护第3年，3种规格麻袋片护坡截流槽内土壤淤积深度均有不同程度增加，但是4 m护坡截流槽土壤淤积深度增加程度不显著，4 m规格麻袋片护坡截流槽淤积到初始的27.98%，截流槽初始设置最大土壤淤积深度约为25 cm，8和10 m规格麻袋片截流槽内淤积深度增加程度较大，与防护第1年相比，分别显著增加84.59%和96.00% (P<0.05)。

4 讨论

露天开采形成的排土场边坡治理是矿区生态恢复的难点，对坡面岩土侵蚀的防治策略，首先应该关注径流的调控与治理[6]，尽管排土场表层能够覆盖大量的营养土，无任何防护措施条件下，在短期内即可形成大量的侵蚀沟，并快速发展形成较大规模的侵蚀沟，甚至是冲沟(图8)，极不利于植物的生长。研究[11]认为，植物是有效控制坡面水土流失治理不可替代措施。长期的观测发现，若缺少水土流失治理措施，加之不合理的植被配置，尽管有一定的植被保护，但是边坡水土流失形势依然不容乐观[12](图9)。

图8 堆置当年的排土场边坡水蚀情况Fig.8 Water erosion of dump slope in the year of stacking

图9 植被防护措施下排土场边坡侵蚀特征Fig.9 Erosion characteristics of dump slope under vegetation protection measures

针对排土场边坡水土流失治理存在3种思路：1)通过设置拦截水流的结构，减小过境径流流速或流量的方式削弱边坡水流的冲刷能力。内蒙古永利煤矿排土场边坡设置呈菱形排列的沙柳(Salixpsammophila)方格[13]，沙柳枝条形成的防护，能够有效削减径流速度，当年初步治理效益极为显著，坡面的细沟侵蚀量减小35.09%，但是枝条间存在孔隙，不能有效阻截泥沙。而黄麻纤维护坡起伏地形，减弱坡面径流的同时，还存在截流槽结构，能够储存径流携带的泥沙。在伊敏煤矿排土场边坡铺设PLA(polylactic acid)纤维织物袋[9]，形成不同规格的方格配置，有效控制了坡面水土流失。PLA纤维织物袋就地灌装了渣土等，形成了无孔隙障体，与黄麻纤维袋护坡的作用功能相似。由于PLA纤维织物袋规格太小，导致灌装完成的纤维袋质量太轻，难以承受径流冲刷带来的推力，在坡度较大的坡面发生位移，PLA纤维织物袋形成的防护结构破坏，导致防护功能大大降低。黄麻纤维护坡完全避开了位移形变等问题，黄麻纤维能够牢牢的固定在土埂上，保证了护坡防护体系的长期稳定。2)排土场坡面修筑完善的排水系统，将整个坡面分区划片，筑建排水渠以引导径流流向，迅速且集中的泻掉大量地表径流，新疆玛纳斯河流域的排土场下部设置引水渠，将雨季坡面汇集的积水导入石砌水池和小侵蚀沟内，排土场右侧将水流汇入截洪沟内统一排泄[14]，通过集流汇水，统一排放的方式使得侵蚀率明显下降。但此类措施工程量大，筑建排水系统会对地表产生剧烈扰动，引发新的水土流失。黄麻纤维护坡利用轻便的黄麻纤维材料，利用坡面的渣土构筑截流结构，直接在坡面施工，且操作方法也较为简易，解决了排土场治理过程中治理材料运输困难等问题。3)在边坡上建立植被[15]，形成乔、灌、草结合的生物防护带。植物能够有效削弱雨滴击溅侵蚀，根系能够固土，增加了坡面的抗冲性，有效的控制坡面细小沟蚀发育，削弱面蚀与重力侵蚀的搬运。但是仅通过植物措施进行治理难度较大，通常会与工程措施并举进行。矿区煤区排土场的土壤养分贫瘠，土质疏松，降雨冲刷汇集极易发生水土流失，严重阻碍植物定居，依靠生态系统的自然修复控制边坡水蚀难以实现。汝箕沟露天煤矿排土场边坡造林时辅以削坡放坡[11,16]，边坡坡度削缓，有利于减弱坡面水土流失，为植被存活生长提供了稳定的土壤条件，也存在通过覆盖秸秆[17]、土壤肥料[18]、混合的客土[19]等工程措施，虽然取得了不错的生态修复效果[20]，但具有成本高、工程量大、见效周期长等劣势，实际生产中很难推广实施。

黄麻纤维护坡能够有效控制坡面水土流失，保证了天然植被的快速恢复。排土场坡面覆土堆置3年后，有稀疏植物生长存在，但是同时侵蚀沟发育明显(图10a)，经过治理后，第3年植物种类和数量明显增加(图10b)，侵蚀沟内也生长有大量植物，说明说明侵蚀得到了有效控制。在黄麻纤维护坡的截流槽内，淤积了大量的泥沙，同时也存储了较多植物种子。截流的泥沙为植物的生长提供了优越条件，植物长势更强(图10c)。在第3年，黄麻纤维材料出现腐烂现象，此时已经形成了较好的植物防护体系。黄麻纤维护坡是通过设置坡面截流槽、土埂形成水蚀防护体系，并利用常见的、价格低廉的、环保的黄麻纤维材料对土埂等结构进行保护，极大的提高了结构的稳定性与持久性。而麻袋片与麻袋护坡相比，麻袋片护坡更具有优越性，其省略了灌装袋体步骤，施工方法更为简易。相同规格的麻袋片与麻袋护坡，二者材料用量相同，但是麻袋片的绝大部分全部覆盖于坡面上，防护地表的面积更大，而麻袋的下部材料压在袋体下方，并且易腐烂，实际作用效果较弱。并且麻袋护坡相邻两袋之间摆放易出现缝隙，地表径流会从缝隙流出，会大大降低径流的阻截能力。

图10 坡面治理初期及后期植被恢复情况Fig.10 Vegetation restoration in the early and late stage of slope treatment

5 结论

1)黄麻纤维护坡能够有效控制坡面水土流失，护坡设置区的侵蚀深度小于对照，有效降低沟蚀强度。

2)4、8和10 m规格麻袋片护坡均有显著的作用效果，但是随着设置间距的增大防护效果降低。4、8和10 m麻袋片护坡侵蚀沟内土壤侵蚀深度与对照相比，分别降低51.64%、51.91%和48.36%，坡面土壤侵蚀深度分别减小38.10%、43.54%和16.33%，但是4、8 m规格麻袋片护坡截流槽内土壤淤积深度分别比10 m规格低52.20%和20.53%，至护坡防护的第3年，10 m规格护坡截流槽内土壤已淤满。

3)同规格的麻袋片护坡效果优于麻袋护坡，4 m麻袋护坡设置区侵蚀沟内土壤侵蚀深度比4 m麻袋片护坡大72.88%。

4)麻袋片护坡施工更为简易，防护效果优于麻袋护坡，若考虑实际施工情况与护坡效果，在排土场等坡面治理过程中，建议采用4～8 m规格麻袋片护坡。