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第 31 卷 第 3 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.3 296 2015年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2015 典型草原大型露天煤矿排土场边坡水蚀控制效果 郭建英 1，何京丽1，李锦荣1，邢恩德1，温挨树2，刘艳萍1，杨改英3 （1. 水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020； 2. 内蒙古自治区地质环境监测院，呼和浩特 010020； 3. 乌兰察布市水土保持生态环境监测站，集宁 012000） 摘 要：以典型草原区大型露天煤矿排土场边坡不同治理措施为研究对象，利用标准径流场定位观测设施对不同治理措 施植被生长-枯萎期间的次降雨产流产沙过程进行了连续观测，研究结果表明：在边坡植被恢复初期，由于实施治理措施 对边坡的强烈扰动，不合理的治理措施导致边坡的土壤侵蚀量大于裸地；当植被盖度大于35%时，不同治理措施的拦 沙、蓄水、入渗能力明显强于裸地；降雨强度与降雨量是边坡产流产沙的主控因子，随着降雨强度和降雨量的增加而增 加；裸露边坡的土壤侵蚀模数最大，为 14 183 t/(km2a)，生态袋一字型布设措施的土壤侵蚀模数最小，为 5 179 t/(km2a)； 生态袋一字型布设措施的土壤侵蚀模数是裸露边坡的 36.5%，是沙地柏+绣线菊灌丛（植被恢复 4 a）的 81.5%。可见，排 土场边坡是一种极强烈侵蚀的人工再塑地貌，对其采用合理的生物措施+工程措施的治理措施要优于单纯的生物措施，是 控制矿区排土场边坡土壤侵蚀的最有效途径之一。 关键词：侵蚀；植被；煤矿；排土场；产流产沙过程 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2015.03.040 中图分类号：S157.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-03-0296-08 郭建英，何京丽，李锦荣，等. 典型草原大型露天煤矿排土场边坡水蚀控制效果J. 农业工程学报，2015，31(3)： 296303. Guo Jianying, He Jingli, Li Jinrong, et al. Effects of different measures on water erosion control of dump slope at opencast coal mine in typical steppeJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 296303. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 随着中国煤炭开发“战略西进”的实施，草原地区 已成为中国重要的能源基地之一，而同时这里又是中国 北方主要的生态屏障。长期以来由于自然和人类的双重 作用，草原的生态环境已是十分脆弱，而煤炭资源的开 发和利用，在促进经济和社会发展的同时，也带来了一 系列生态环境灾害1。露天开采对地表产生剧烈扰动，大 量剥离物堆积而成的排土场土壤瘠薄，加之排土过程中重 型卡车碾压使地表严重压实，造成植物扎根困难，在降雨 条件下形成大量地表径流，因排土场非均匀沉降产生沉降 裂缝，降雨后径流汇集钻入裂缝，集中下渗，下渗水从下 伏边坡间出露，诱发崩塌、滑坡和坡面泥石流，乃至整体 失陷。另外，煤矸石（渣）的排放占用了大量的天然草地， 截止到 2012 年， 中国煤炭产量达到 35.2 亿 t， 年平均排放 煤矸石 1.5 亿 t， 露天煤矿挖损和排土场每年破坏和占用土 地多达 1 万 hm2，每年增加水土流失面积 0.3 万 hm22-4。 因此，矿区作为一种人为作用诱发产生的特殊侵蚀地貌， 收稿日期：2014-10-15 修订日期：2015-01-12 基金项目：水利部公益性行业科研专项经费（201301049） ；国家自然科学基 金（41301302） ；中国水科院科研专项项目（MK2013J08） 。 作者简介：郭建英，男，博士，高级工程师，主要从事干旱、半干旱地区水 土流失与植物生态方面的研究。呼和浩特 水利部牧区水利科学研究所， 010020。Email：guojianying1980 ，TEL 通信作者：李锦荣，男，博士，工程师，主要从事风沙物理及其草地遥感 方面的研究。呼和浩特 水利部牧区水利科学研究所，010020。 Email：lijingrong918 其严重的水土流失问题越来越受到国家、地方政府及广大 科技工作者的高度重视，已成为制约中国北方典型草原区 实施可持续发展战略的一个亟待解决的热点问题之一。 近 30 a 来，中国科技工作者对不同类型矿区土地复 垦、生态系统恢复重建、土壤侵蚀机理等方面进行了较 为系统研究5-9，特别是对黄土丘陵区及中国东部煤矿生 态重建地表覆盖技术10-12， 地表覆盖材料优选13-16， 采煤 塌陷地复垦后土壤质量的变化、堆积地貌的水土流失特 征和机理、矿区生态评价等方面有大量研究成果17-22， 草原露天煤矿的生态恢复重建也有值得借鉴的成果5,23。 而对于草原露天矿排土场边坡不同治理措施的土壤侵蚀 过程及其机理的研究尚未见到报道。本文以位于典型草 原区的胜利东二号露天矿排土场边坡为研究对象，通过 设置不同边坡治理措施，实地观测次降雨过程中地表水 沙变化，试图通过分析探讨降雨、产流、产沙变化的动 态规律，阐明实施不同治理措施后排土场边坡降雨产流 产沙动态过程及其响应关系，旨在为典型草原矿区边坡 水土流失控制及其生态恢复重建提供一定的参考价值。 1 材料与方法 1.1 研究区概况 试验场位于内蒙古自治区锡林浩特盟锡林浩特市东 北部的胜利东二号露天矿南排土场，行政区划隶属锡林 浩特市宝力根苏木，距离锡林浩特市 10 km，露天矿呈北 东-南西走向不规则的四边形，面积 49.88 km2，南排土场 位于矿区的东南部，占地面积 13.66 km2，为平台、边坡 第 3 期 郭建英等：典型草原大型露天煤矿排土场边坡水蚀控制效果 297 相间分布的阶梯式地貌，相对高度 100 m，每级台阶坡面 高度约 20 m，台阶坡面为煤矸石与土混排后覆土，形成 覆土坡，坡面角 3234，覆土边坡陡而松散24，试验 区土壤基本理化性状见表 1。 表 1 试验区土壤基本理化性状 Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in experimentation area 机械组成 mechanical composition/% 土壤类型 Soil types 容重 Bulk density/(gcm-3) 总孔隙度 Total porosity/% 最大持水率 Maximum moisture capacity/% 田间持水率 Field capacity/% 稳定入渗率 Stable infiltration rate/(mmh-1) 粒径 0.05 mm 粒径 0.010.05 mm 粒径 0.01 mm 栗钙土 1.36 48.84 32.95 24.92 96 76.13 13.81 10.06 研 究 区 地 理 坐 标 为 1160641“ 1161411“E ， 440207“440705“N，海拔 9901 130 m，属中温带干 旱半干旱气候， 多年平均降水量 289 mm， 集中分布在 6 8 月份，占全年降水量的 70%以上，多年平均蒸发量 1 830.8 mm，为降水量的 6 倍多24；春季多风，多年平均 风速为 3.5 m/s， 多年平均大风日数年均 61.1 d， 瞬时最大 风速 36.60 m/s；土壤为典型栗钙土和暗栗钙土，有机质 质量分数 20.036.8 g/kg，pH 值8，土壤养分状况是缺 磷， 富钾， 氮中等4,25； 矿区原地表植被属典型草原植被， 以克氏针茅（Stipa krylovii）+羊草（Aneurotepidimu chinense）为主要建群种，植被盖度 35%50%；根据土 壤侵蚀分类分级标准（SL190-2007），本项目区所属土 壤侵蚀类型区为内蒙古高原风蚀水蚀区，土壤允许流失 量为 200 t/(km2a)。研究区地理位置图见图 1。 图 1 研究区地理位置图 Fig.1 Location diagram of study area 1.2 试验设计 根据苏文贤的研究结果表明，在前 3 a，排土场的沉 降量可达到总沉降量的 80%以上26。因此，选择 2009 年 10 月排土到界并进行了覆土的排土场作为试验场地。将 排土场边坡进行平整后，在排土场边坡布设径流小区， 每个径流小区坡面面积100 m2， 即倾斜坡长20 m， 宽5 m， 小区间设置砖砌步道，宽 0.5 m，便于试验观察取样，每 个径流小区两侧及上边用彩钢板加钢骨架围起，用锤子 夯实，黏土镏缝，其中埋入地下 30 cm，外露 25 cm，集 流槽下端挡墙采用混凝土浇筑，埋入地下部分 30 cm，地 上部分高 40 cm， 在墙体前设置导流槽 （两边高， 中间低） ， 将水流汇集于墙体中间的导流孔，在径流小区的底部设 计径流采集池，径流池根据研究区近 30 a 的降雨资料， 最大降雨量 78.9 mm/d，径流系数按裸露土壤的最大值 0.65计算27-28， 最后确定径流池长宽高=3.0 m1.5 m 1.8 m，径流池为砖混结构，用防水胶抹面，将次降雨 过程中携带的泥沙流全部收集入径流池。共布设 13 个径 流小区，其中 1 号径流小区为对照样地（无任何治理措 施的裸地）；26 号类型径流小区内为不同配置的边坡 治理措施； 7 号径流小区为 2010 年实施的坡面治理措施， 除对照样地外，其他治理措施 27 号均设置 2 个径流小 区进行重复观测。所有径流小区于 2013 年 5 月 25 日建 设完工，并开始进行观测，径流场治理措施基本情况见 表 2。 表 2 径流场基本情况表 Table 2 Basic information table of runoff field 类型 编号 Types 坡度 Slope/() 治理措施 Control measures 措施类型 Types of measures 1# 33 裸地（对照） 裸露边坡 2# 33 生态袋一字型布设， 生态袋间距 1 m，在生态袋间撒播种草，撒 播密度为 150 kghm-2。 生物措施+ 工程措施 3# 33 生态袋品字型布设，水平间距 0.5 m，垂直间距 1 m，牧草混合 撒播，撒播密度为 150 kghm-2。 生物措施+ 工程措施 4# 33 草灌结合种植： 灌木种植株行距 为 1 m1 m，种植 2 年生柠条， 每穴 23 株，牧草混合撒播， 撒播密度为 150 kghm-2。 生物措施 5# 33 全部铺设植生带。 生物措施 6# 33 柽柳沙障+牧草混播：沙障规格 为 1 m1 m 的网格，疏透度 25%，牧草混合撒播，撒播密度 为 150 kghm-2。 生物措施+ 工程措施 7# 33 种植沙地柏+绣线菊，沙地柏与 绣线菊为 3:1 种植，株行距为 0.5 m0.5 m， 植被恢复 4 a （2010 年种植） ，植被总盖度 50%，植 被平均高度 45 cm。 生物措施 注：植生带、生态袋及径流小区内撒播种草的草种均为紫花苜蓿、披碱草、 沙打旺、黑麦草、紫穗槐，混合比例为 1:1:1:1:1。生态袋是由聚丙烯为原材 料制成的双面熨烫针刺无纺布加工而成的袋子，袋内由植物种子、培养土、 可降解包装袋组成， 植物种子按照比例附着在两层可降解的纸之间， 外径规 格为 810 mm430 mm 的袋子， 装土后的大约规格是长度 65 cm， 宽度 30 cm， 高度 15 cm。 植生带是把草种 （10 gm-2） 、 肥料 （25 gm-2） 、 保水剂 （0.4 gm-2 定植在可自然降解的无纺布上，并经过机器的滚压和针刺的复合定位工序， 形成的一定规模的产品，200 m2（即宽 1 m，长 200 m）。 Note: Grass seeds in vegetative belt, ecological bag and runoff plots are all Medicago sativa, Elymus submuticus , Astragalus adsurgens Pall.and Amorpha fruticosa, their mixed ratio is 1:1:1:1:1. Ecological bag is a kind of double pressing acupuncture non-woven bag made of polypropylene as raw materials, having plant seeds, cultivating soil and biodegradable bags in it. Plant seeds adhering between the two layers of biodegradable paper according to the proportion. For a bag with outer diameter specifications for 810 mm430 mm, after filling soil its specification is about length 65cm, width 30cm, high 15cm. Planting grass seeds (10 gm-2), fertilizer (25 gm-2)and water-retaining agent (0.4 gm-2) on non-woven fabric which can be natural degraded, after machine rolling and acupuncture compound positioning process, forming a certain size of products, it is the vegetative belt with area of 200 m2 (namely width 1 m, length 200 m). 1.3 测定内容与方法 降雨过程观测。利用 2 台翻斗式自记雨量筒记录 农业工程学报 2015 年 298 逐次降雨的起始时间，每 1 min 记录一次降雨量，降雨量 精确至 0.1 mm，降雨强度单位 mm/min。 径流量观测。于每次降雨停止后立即进行径流量 观测。根据集流池内水位标尺读数，用校正后的率定水 位与容积关系线推算出一次降雨的径流总量。在进行集 水池水位观测时，如果集水槽内有淤滞泥沙，先将泥沙 刮入池内，再进行水位读数观测。 泥沙量观测。测定径流后，然后将径流采集池内的 水充分搅浑，用铝盒取水样，每次取 60 mL 左右，3 次重 复，现场测定浑水质量，记录浑水体积，静置 3 h，过滤 掉清水，在 105下烤箱内烘烤 12 h，测定铝盒加干土重 量，算出干土质量，再换算成整个径流场的冲刷量和径流 量，取 3 次平均值。 植被观测。每次降雨后对坡面上部、中部、下部 的植被进行调查，采用小网格法调查植被的盖度，样方 面积为 1 m1 m，对样方内的物种数、高度、盖度、生 物量进行调查。 土壤含水量测定。每次降雨后，在每个径流场的 上部、中部、下部，用土钻分层次取土，层次为 05、 510、1020、2030、3040 cm，每层次 重复 3 次，然后现场用电子秤测定湿土加盒质量，带回 实验室在 105下烘烤 12 h，测定其土壤含水量。 降雨入渗率。降雨入渗率 f 由土壤性质、降雨特 性及植被截留量决定，根据水量平衡原理，降雨入渗率 f 的公式为29： f=Icos-R/t-S （1） 式中：f 为降雨入渗率，%；I 为降雨强度，mm/min； 为边坡的坡度，()；R 为径流深，mm；t 为入渗时间， min；S 为单位时间植被截留雨量，mm/min。 植被截流量通过“简易吸水法”确定植冠层的潜在截 留能力30-31，即在径流小区内选择有代表性的样方，面 积为 0.5 m0.5 m， 割下样方内所有草本植物， 称鲜质量， 推算单位面积内草本层的鲜质量。取一定质量的样品浸 入水中 5 min，然后轻轻捞出，待重力水滴净后称质量， 测定草本层的最大截留率，算出单位面积草本层生物质 量和最大截留量。 2 结果与分析 2.1 试验观测期降雨变化特征 降雨强度的大小、降雨历时的长短是地表产流产沙 的主导因素，根据全国气象防灾减灾标准化技术委员会 编制的降水量等级国家标准规定：24 h 内的降雨量 称之为日降雨量，凡是日雨量在 10 mm 以下称为小雨， 10.024.9 mm 为中雨，25.049.9 mm 为大雨，暴雨为 50.099.9 mm，大暴雨为 100.0250.0 mm，超过 250.0 mm 的称为特大暴雨32。从表 3 的统计结果表明， 研究区产生径流的总降雨量为 167.1 mm，占全年总降雨 量的 62.2%。9 次产流的降雨中，小雨 4 次，中雨 2 次， 大雨 3 次，其中有 6 次降雨的最大 60 min 的降雨量都为 次降雨总量的 62.0%以上，最高达 97.58%，可见研究区 的降雨以短历时高强度的降雨为主。此降雨特点与高涛 等利用当地 47 a 降雨资料统计研究的结果相一致27。 2.2 植被盖度变化对坡面产流产沙的影响 植被冠层对降水具有显著的截流功能，可减少降水 直接到达地表的雨量，避免雨滴直接打击地表，削弱了 降水的动能，并随着植被盖度的增加，植物密度也随之 增加，地表粗糙率加大，使地表径流的流速减小，遏制 坡面水土流失28,30。结合表 3，从表 4 可以明显的看到， 在第 1 次 （2013 年 6 月 16 日） 降雨时， 即植被恢复初期， 1#6#治理措施的植被盖度均为 1%，随着时间的增加， 植被开始快速生长发育，到第 6 次降雨（2013 年 8 月 6 日）时，植被生长趋于稳定，植被盖度增长趋势放缓， 在第 7 次（2013 年 8 月 15 日）降雨后，植被盖度稳定， 盖度均35%。在植物停止生长时，天然草地的植被盖度 为 70%，各种治理措施中，生态袋一字型布设措施（2#） 的植被盖度最大，与恢复植被 4 a 的沙地柏+绣线菊灌丛 （7#）边坡的植被盖度相同，均为 55%，最小的是无治理 措施的裸地（1#），植被盖度 10%，其植被为 1 年生的 虫实、狗尾草等植物。不同治理措施植被盖度由大到小 的顺序为：2#、7#3#6#5#4#1#。 表 3 径流场产流过程次降雨统计 Table 3 Rainfall statistics of runoff and runoff process 降雨情况 Precipitation changes 最大时段雨量 Maximum period of rainfall/mm 编号 Number 降雨日期 Date of rainfall 历时 Duration/min 雨量 Precipitation/mm 平均雨强 Average rainfall intensity/(mmmin-1) 10 min 30 min 60 min J1 2013-06-16 902 32.8 0.036 3.9 5.3 7.5 J2 2013-07-07 191 11.5 0.060 0.9 2.0 2.7 J3 2013-07-14 456 26.1 0.057 3.2 6.3 8.9 J4 2013-07-18 323 24.9 0.077 14.4 16.2 16.9 J5 2013-07-21 81 8.8 0.109 6.2 7.9 8.4 J6 2013-08-06 67 8.1(有冰雹) 0.121 2.8 5.4 7.9 J7 2013-08-15 135 39.9 0.296 18.2 23.3 27.8 J8 2013-08-31 171 9.2 0.054 2.8 3.4 5.7 J9 2013-09-08 129 5.8 0.044 1.9 2.6 3.9 合计 167.1 注：研究区 2013 年全年降雨量为 268.5 mm。 Note: Annual rainfall is 268.5 mm in 2013 in study area . 第 3 期 郭建英等：典型草原大型露天煤矿排土场边坡水蚀控制效果 299 表 4 不同降雨期径流小区植被变化、径流量、土壤侵蚀量变化表 Table 4 Changes of vegetation coverage, runoff deepth and sediment yield at different rainfall runoff plots 降雨日期 Date of rainfall 类型编号 Types 变量 Variable 06-16 07-07 07-14 07-18 07-21 08-06 08-15 08-31 09-08 1# 1 2 3 5 6 8 10 10 10 2# 1 13 20 25 30 45 55 55 55 3# 1 10 15 20 28 45 50 50 50 4# 1 5 10 15 20 30 35 35 35 5# 1 5 10 16 31 35 37 37 37 6# 1 5 8 18 30 33 40 40 40 7# 植被盖度 vegetation coverage/% 35 40 40 40 50 50 55 55 55 1# 11.5 7.5 3.4 11.8 4.1 7.9 14.2 0.5 0.5 2# 7.8 5.6 2.2 7.7 2.0 7.4 6.2 0.2 0.3 3# 9.2 4.6 2.2 7.8 2.2 6.8 12.2 0.2 0.2 4# 9.0 4.2 2.2 7.8 2.1 5.7 10.1 0.3 0.3 5# 7.9 3.3 2.1 7.3 1.1 5.8 12.4 0.2 0.2 6# 8.8 5.3 2.1 7.4 2.1 4.9 9.1 0.4 0.3 7# 径流量 runoff deepth /mm 6.9 2.2 1.4 4.9 0.6 4.8 9.3 0.1 0.1 1# 5640.26 915.37 961.07 1006.76 313.03 1314.35 4031.80 0.50 0 2# 2545.00 238.22 533.99 829.77 30.35 747.66 253.95 0 0 3# 4452.98 528.17 718.24 908.31 274.66 1313.91 552.28 0 0 4# 3109.00 244.61 408.80 572.99 271.60 1253.39 2037.18 0 0 5# 6468.72 472.26 1425.20 2378.14 336.90 3019.75 3939.82 0 0 6# 5768.49 460.48 991.83 1523.18 259.26 1186.06 1772.00 0 0 7# 土壤侵蚀量 sediment yield/(tkm-2) 2442.64 271.11 404.59 538.07 176.31 1019.98 1505.00 0 0 1# 50.0 18.3 47.4 49.3 37.6 9.1 42.7 77.8 75.0 2# 60.7 35.6 59.1 53.7 59.9 24.5 68.8 80.0 74.4 3# 56.6 44.7 61.0 53.2 58.6 11.4 69.2 82.0 80.6 4# 57.0 47.9 61.7 53.3 60.3 24.0 71.7 82.5 80.4 5# 60.6 56.2 64.4 55.2 71.3 22.9 69.1 82.8 81.6 6# 58.3 38.3 59.6 54.5 59.6 21.4 61.5 77.8 75.0 7# 入渗率/% 63.9 65.0 70.2 64.9 75.2 32.2 73.6 81.5 79.5 通过对不同治理措施植被盖度变化过程中次降雨的 产流、产沙的对比分析发现（表 4），在植被恢复初期， 由于植被盖度非常低，加之治理过程中人为对边坡的强 烈扰动，不同治理措施的拦水蓄水功能较弱，首次降雨 时，不同治理措施之间坡面径流量变化幅度小，是裸地 径流量的 68.2%79.%，恢复植被 4 a 的沙地柏+绣线菊 灌丛（7#）是裸地（1#）径流量的 59.6%；首次降雨时， 坡面土壤侵蚀量均较大，均达到中度以上的侵蚀强度， 铺设植生带措施（5#）、柽柳沙障+牧草混播（6#）次降 雨产生的土壤侵蚀量分别为 6 469、5 768 t/km2，为强烈 侵蚀， 分别是裸地土壤侵蚀量5 640 t/km2的1.15倍和1.02 倍。生态袋一字型布设措施（2#）表现出明显的阻沙能 力，其产生的泥沙量为 2 545 t/km2，与恢复植被 4 a 的沙 地柏+绣线菊灌丛（7#）产生的土壤侵蚀量为 2 443 t/km2 相接近；当治理措施的植被盖度35%时，即第 6 次降雨 之后，不同治理措施的土壤侵蚀量均小于裸地的土壤侵 蚀量，且雨强越大，生态袋一字型布设措施（2#）的阻 沙能力越强。如次降雨量为 39.9 mm，平均雨强为 0.296 mm/min 时，其土壤侵蚀量仅仅为裸地的 6.29%， 是沙地柏+绣线菊灌丛的 16.8 %， 其次为生态袋品字形布 设措施（3#），其土壤侵蚀量为裸地的 13.7%，是沙地柏 +绣线菊灌丛的 36.7%，天然草地（8#）的土壤侵蚀量是 裸地的 0.4%；次降雨量为小雨时，且雨强较小，除裸地 有少量产沙（1 t/km2），其他措施均未产沙。在降雨量 为 8.1 mm 时，此次降雨伴随冰雹，由于冰雹对边坡的强 烈打击，导致土壤板结，坡面径流系数除天然草地和沙 地柏+绣线菊灌丛以外，其他措施坡面径流量均大于 0.8， 可见恢复良好的植被群落对灾害性天气的抵抗力要明显 强于恢复初期的植被群落。因此，在对排土场边坡进行 治理时，早期排土后，应用柳耙（用柳条编制的覆盖物） 覆盖，使边坡表土自然沉降，边坡稳定后，尽可能采用 生物措施+工程措施相结合的治理措施，纯生物措施采用 秋季造林种草为宜，在第 2 年雨季到来时地表植被覆盖 度相对提高，可有效减少边坡因地表裸露产生严重的土 壤侵蚀。 2.3 不同治理措施对坡面年产流量的影响 植被退化对典型草原地表径流有重要影响, 地表径 流与退化强度呈正相关，植被退化显著增加了地表径流 系数和地表径流量33。因此，通过不同治理措施对典型 草原露天煤矿排土场边坡进行治理，恢复植被，可有效 控制边坡径流冲刷。 通过对图 2、 图 3 和表 3 的分析可知， 无论在何种雨强条件下，裸地（1#）的径流量均为最大， 年径流量为 61.3 mm，径流系数（次降雨径流深/次降雨 量）为 0.37；边坡治理措施中，沙地柏+绣线菊灌丛植被 （7#）的年径流量最小，是裸地的 49.2%，其次为生态袋 一字型布设措施（2#）的年径流量是裸地的 64.1%，生态 袋品字型布设措施（3#）的年径流量最大，是裸地的 73.7%。随降雨强度的增加，不同治理小区的径流量的差 农业工程学报 2015 年 300 距逐渐增大，且不论是何种雨强条件下，裸地的年径流 量均为最大。在小雨强时，裸地的年径流量最大，为 12.9 mm，沙地柏+绣线菊灌丛植被是裸地的 43.6%，生 态袋一字型布设措施是裸地的 77.1%，其他措施介于 43.6%77.1%之间；在中雨强时，沙地柏+绣线菊灌丛植 被是裸地的 36.5%，生态袋一字型布设措施是裸地的 68.6%，其他措施介于 36.5%68.6%之间；在大雨强时， 沙地柏+绣线菊灌丛植被的 1.7 倍、生态袋一字型布设措 施的径流量最小，是裸地的 60.2%，生态袋品字形布设措 施的径流量最大 ， 为裸地的80.9% ， 其他措施介于60.2% 80.9%之间。由此可见，通过生物措施、工程措施治理边 坡后，具有明显的拦水蓄水的作用，恢复植被 4a 的沙地 柏+绣线菊灌丛边坡，径流量明显小于实施当年的其他工 程措施，在大雨强时生态袋一字型布设措施的径流量为 沙地柏+绣线菊灌丛植被径流量的 92.4%。说明，在大雨 强条件下，合理的生物措施+工程措施的拦水蓄水效果要 明显好于单纯的生物治理措施。 注：1#（裸地） 、2#（生态袋一字型布设） 、3#（生态袋品字型布设） 、4#（草 灌混合种植） 、5#（铺设植生带） 、6#（柽柳沙障+牧草混播）7#（恢复植被 4 a 的沙地柏+绣线菊灌丛） 。下同。 Note: 1 # (bare ground), 2# (eco-bags lay out as line), 3# (eco-bags lay out as triangle), # 4 (mixed grass and shrub planting), 5 # (laying vegetable belt), 6 # (Sand barrier with Tamarix + Forage seeding mix.) ,7 # (restoration of vegetation for 4 years with Sabina vulgaris + Spiraea Salicifolia shrub). Same as below. 图 2 不同治理措施径流小区年径流量比较 Fig.2 Annual runoff changes of different measures in runoff plots 注：小雨强下径流量是 4 次降雨的平均值，中雨强是 2 次降雨的平均值，大 雨强是 3 次降雨的平均值。 Note：Values of runoff under minimum, middle and maximum intensity rainfall condition are the average values of 4 times, 2 times, 3 times, respectively 图 3 不同治理措施径流小区不同雨强径流量比较 Fig.3 Runoff changes with different rainfall and measures at runoff plots 2.4 不同治理措施对坡面年土壤侵蚀量的影响 降雨及其产生的径流所引发的坡面土壤侵蚀，是全 球性的环境难题之一，而通过植物措施、工程措施可有效 控制边坡土壤流失。在降雨量相同的条件下，对不同治理 措施的土壤侵蚀量进行对比分析发现（图 4、图 5），铺 设 植 生 带 措 施 （ 5# ） 的 年 土 壤 侵 蚀 量 最 大 ， 为 18 041 t/(km2a)，达到了剧烈侵蚀，由于铺设植生带后在 表层需要覆土 23 cm 厚， 加之坡度30， 在降雨过程中， 表层疏松的土壤极易产生侵蚀， 因此植生带在30陡坡治 理中要慎重使用。其次为裸地（1#），其土壤侵蚀量为 14 183 t/(km2a)，为极强烈侵蚀。各治理措施中，生态袋 一字型布设措施（2#）的年土壤侵蚀量最小，为 5 179 t/(km2a)，是裸地的 36.5%，是植被恢复 4 a 沙地柏+ 绣线菊灌丛（7#）治理措施年土壤侵蚀量 6 358 t/(km2a) 的 81.5%，各治理措施年土壤侵蚀量由大到小的顺序为： 5# 1# 6# 3# 4# 7# 2# ， 其 比 值 为 3.5:2.7:2.3:1.7:1.5:1.2:1。在小雨强条件下，各治理措施 的土壤侵蚀量相差不大，在雨强增大时，土壤侵蚀量差 距明显增大，特别是降雨量越大，合理的植物措施+工程 措施（生态袋一字型布设措施）的阻沙能力优于单纯的 植物措施，如在降雨量为 39.9 mm 时，各治理措施土壤 侵蚀量由大到小的顺序依次为：1#5#4#6#7# 3#2#，其比值为 15.8:15.5:8.0:6.9:5.9:2.1:1。通过上 述试验数据的对比分析，在30边坡采取合理的工程措 施+生物措施（生态袋一字型布设措施），对边坡水土流 失控制效果好于单一的措施，不适合单纯采用铺设植生 带的治理措施，其早期产生的土壤侵蚀明显大于无治理 措施的边坡。 图 4 不同治理措施径流小区年土壤侵蚀量比较 Fig.4 Soil erosion changes with different measures at runoff plots 图 5 不同治理措施径流小区不同雨强土壤侵蚀量比较 Fig.5 Sediment yield changes with different rainfall and measures at runoff plots 2.5 不同治理措施对坡面土壤入渗的影响 植被覆盖和工程措施改变了降水过程中雨水转化为 第 3 期 郭建英等：典型草原大型露天煤矿排土场边坡水蚀控制效果 301 土壤水的途径，植被对降水的截留及其根系改变了土壤 结构，形成不规则空隙；坡面工程措施，改变了坡面径 流的流速与流量，都将影响降水的入渗过程。通过对图 6 的分析可知：裸地的入渗率最小，为 48.1%，坡面治理措 施中， 沙地柏+绣线菊灌丛 （7#） 的入渗率最大， 为 66.6%， 生态袋一字型布设（2#）措施的入渗率次之，为 61.1%， 其他措施的入渗率均60%， 不同治理措施入渗率由大到 小的排序为：7#2#5#6#4#3#1#。 通过表 4 的分析可知，不论在何种雨强条件下，裸 地的入渗量均为最小，在降雨量小，雨强较弱时，各径 流小区的入渗量相差较小，如降雨量为 9.2 mm 时，不同 径流小区的入渗率集中在 77.8%82.8%之间；随着降雨 量和降雨强度的增加，入渗率的差异明显，如降雨量为 39.9 mm 时，裸地（1#）的入渗率为 42.7%，有治理措施 的入渗率均大于 60%，沙地柏+绣线菊灌丛（7#）的入渗 率最大，为 73.6%。当遭遇带有冰雹的灾害性天气时，如 在降雨量为 8.1 mm 时，土壤入渗率明显下降，裸地的入 渗率仅仅为 9.1%，沙地柏+绣线菊灌丛的入渗率为 32.2%，其他坡面治理措施介于 9.1%32.2%之间。可见 通过在排土场边坡实施坡面治理工程后，可有效增加降 雨入渗，减少坡面径流，随着坡面植被恢复年限的延长， 通过植物对降雨动能的消减和植被根系对坡面土壤结构 的改善，增强了土壤的入渗能力，特别是对灾害性天气 的抵抗力明显强于裸地。 图 6 不同治理措施径流小区多次降雨平均入渗率比较 Fig.6 Infiltration rate changes with different measures at runoff plots 3 结 论 利用野外原型定位观测设施，研究了典型草原区大 型露天煤矿排土场边坡次降雨及其降雨过程中不同治理 措施对坡面径流、产沙、入渗的影响，为阐明矿区生态 恢复治理工程控制边坡土壤水蚀作用的机理提供理论依 据，初步得出以下结论： 1）研究区的降雨以短历时高强度的降雨为主，其产 生径流的降雨量占全年总降雨量的 62.2%， 且次降雨过程 中最大 60 min 的降雨量均大于降雨总量的 62.0%。 2）坡面治理工程对坡面产生强烈的扰动，在雨季到 来前植被盖度较低时，不合理的治理措施侵蚀产沙量大 于裸地，即铺设植生带措施、柽柳沙障+牧草混播措施的 土壤侵蚀量分别是裸地土壤侵蚀量的 1.15 倍和 1.02 倍， 而生态袋一字型布设措施表现出明显的阻沙能力，其产 生的泥沙量与恢复植被 4 a 的沙地柏+绣线菊灌丛产生的 土壤侵蚀量几乎相当，其土壤侵蚀量分别为裸地和沙地 柏+绣线菊灌丛的 36.5%与 81.5%，矿区边坡生态恢复工 程以秋季实施为宜。 3）植被盖度是影响地表径流与入渗率的重要影响因 子。研究区裸地的年平均入渗率最小，为 48.1%，坡面治 理措施的年平均入渗率均大于裸地，为 61.1%66.6%， 且随降雨强度的增加，治理措施增加降雨入渗率的效果 更加明显。 4）相同降雨条件下，对于一定坡度的径流小区，产 流产沙量随着降雨量的增加而持续增加，无论在何种雨 强条件下，裸地的径流量均为最大；随降雨强度的增加， 生态袋一字型布设措施对坡面径流的控制效果越明显， 在小雨强时，生态袋一字型布设措施是裸地年径流量的 77.1%，在中雨强时，生态袋一字型布设措施是裸地年径 流量的 68.6%，在大雨强时，生态袋一字型布设措施是裸 地年径流量的 60.2%。 5）坡面植被盖度能增加水流的入渗量，随着降雨强 度和植被盖度的增加而增加。在降雨量相同的条件下， 铺 设 植 生 带 措 施 的 年 土 壤 侵 蚀 量 最 大 ， 为 18 041 t/(km2a) ， 其 次 为 裸 地 ， 其 土 壤 侵 蚀 量 为 14 183 t/(km2a)，各治理措施中，生态袋一字型布设措施 的年土壤侵蚀量最小，为 5 179 t/(km2a)，但仍然为强烈 侵蚀，可见，天然草地实施煤炭开发后，形成的人工边 坡再塑地貌，加剧了当地的土壤侵蚀。 参 考 文 献 1 徐嘉兴，李钢，陈国良，等. 土地复垦矿区的景观生态质 量变化J. 农业工程学报，2013，29(1)：232239. 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