工矿区水土保持研究进展.doc

矿区水土保持1 矿区水土流失的概念人们通常认为矿区土地破坏形式有挖损、压占和塌陷，而忽略了矿区水土流失。其原因是挖损、塌陷和压占是土地直接破坏形式,而水土流失往往是间接的，且主要由上述3种形式引起。事实上，矿区水土流失绝不仅，仅是因上述3种破坏形式引起的，还包括土地利用不当，矿区地表、地下水文条件改变等原因引起的，因此它是一种重要的土地破坏形式。水土流失是由水、重力、风等外营力引起的水土资源和土地生产力的破坏和损失。这一概念常与广义的土壤侵蚀相等同。矿区水土流失就是由于人为扰动地面或堆置废弃物而造成的岩土、废弃物的混合搬运、迁移和沉积，其结果是导致水土资源的破坏和损失，最终使土地生产力下降甚至完全丧失1。矿区水土流失属人为作用诱发产生的特殊工程侵蚀类型，与原地貌条件下的水土流失在侵蚀程度和方式上存在着明显的区别2。水土流失与挖掘、塌陷和压占等土地破坏形式的共同点都是使土地生产力下降，不同点或者说水土流失对土地破坏的特征表现为不可逆转性，流失的水土资源难以再被收回，水土流失除对本区域产生影响外，还会对更大范围内的土地利用、水文条件产生影响，如大面积水土流失使区域性土地荒漠化或减产，流失的土石方淤积堵塞下游河道或使河床抬高,造成洪水泛滥等危害。我国1991年6月29日颁布了中华人民共和国水土保持法，该法对矿山开采引起的水土流失的预防、治理、管理、经费开支与法律责任等均有明确规定。因此，自该法颁布以来,各矿区都开展了卓有成效的水土保持工作，但对矿区水土流失的规律及其特殊性，尚缺乏足够的认识，因此，弄清矿区水土流失规律，掌握其控制方法具有重要的意义。2 矿区水土流失特征研究2.1 塌陷地的水土流失特征研究地面塌陷是井工开采过程中产生的最为严重的破坏问题，它不仅对土地资源、植物资源产生破坏，还加剧地面侵蚀程度，对建筑物及人类构成威胁。矿区塌陷较为常见的主要有岩溶塌陷和矿山塌陷，前者以水动力致塌为主，后者则以采空致塌为主3。岩溶塌陷主要发生在岩溶洞穴发育的地区，王军等4以安庆铜矿为例，阐述了岩溶矿区水土流失主要分布于覆盖的强岩溶地段，与水流的关系密切，地面塌陷频频发生。主要分析了岩溶矿区塌陷的成因：一是地表水、地下水的潜蚀，二是真空吸蚀作用。胡振琪5将我国煤矿区塌陷地的侵蚀问题分为永久性的土地损失，塌陷坡地的土壤侵蚀、污染和滑坡与泥石流灾害等三种类型。项元和等采用土壤水蚀模型对内蒙古平庄矿的塌陷侵蚀进行预测，为水土流失措施的选择提供了依据。国内有关塌陷地侵蚀规律的研究报道不多，但关于塌陷地的综合治理开发和水资源污染方面的研究不少。王斌（2002）在煤矿地表塌陷的生态治理方面，对国内外的治理方法进行了综合评述。方创林6从政策法规等宏观方面阐述了采煤塌陷地综合开发的途径。崔光华、孙绍先等7主要在利用煤矸石和粉煤灰充填区方面作了研究。姜岩等8主要研究了东部高潜水位区塌陷地分类与综合开发生态模式。郭建斌等9利用覆岩高层注浆技术对煤矿开采地面沉陷进行了防治，实践证明，这是一种有效而经济的治理煤矿由开采引起环境问题的新方法。程东等(1996)从地层组合方面分析了山西煤炭开采对水环境的影响，并指出山区煤炭开采对水环境影响最大，其次为丘陵区和平原。由于塌陷积水受酸性矿井水的污染，从而引起附近水资源短缺,破坏了水循环。2.2煤矸石山的水土流失特征研究煤矸石是采煤和洗、选煤过程中排出的废弃物，大都直接堆积在地表，不仅占用了土地,还严重地污染了环境。我国目前堆积的煤矸石达1520亿,每年新增1.5亿t，形成煤矸石山约850个，占用土地6700多h。煤矸石初期人渗能力较强，随着风化程度的提高，表层土壤发育，入渗能力降低10，特别是机械碾压往往导致形成致密的“不渗层”，遇暴雨即发生严重的侵蚀11。王青杵等12，通过模拟径流冲刷实验研究了煤矸石、自燃煤矸石、煤矸石覆土等三种堆置形式的坡面产流、产沙过程、侵蚀特征及抗冲性能,结果表明：在小径流冲刷下，煤矸石抗冲性能最大，坡面侵蚀轻微；而自燃后的煤矸石坡面侵蚀是在重力和流水冲力作用下的脉冲性泥石流侵蚀，并依此为依据提出了煤矸石排放工艺和废弃物堆置体坡面侵蚀防治的一些见解。段永红等（1995）采用“改良的重量法”测定粗颗粒物质的水分含量，采用“塑膜覆坑灌水法”测定粗颗粒物质的容重，并分别运用这2种方法对煤矸石风化物的水分含量和容重进行了测定,胡振琪等13也对煤矸石山的水分特性进行了实验研究，得出同样的结果煤矸石风化物由于其粗颗粒而产生的高渗透（渗透曲线为直线型）、低蒸发的特性，使之具有一定的保水性能，煤矸石风化物可以贮存一定量水分。水分的空间变异较大，但与黄土水分的物理常数相比还是比较低，这些为煤矸石山堆置和生物复垦提供了科学依据。降水特征、地形地貌和植被覆盖程度是影响水土流失量的主要因素，李德平等在此基础上研究了煤矸石山水土流失规律，观察到降雨强度越大，坡越长越陡,水土流失量越大；植被覆盖率越高,水土流失量越小，并提出了改变矸石山局部小地形、缩短坡长、快速恢复植被，提高土壤入渗是减少水土流失的有效途径14。张光灿等(2002)通过对煤矸石上9年生植被的实验测定表明，植物群落具有明显减少矸石山渗透速率，提高煤矸石山持水和保水的作用。由于不合理的排放工艺，还可能导致煤矸石自燃，发生爆炸，产生强烈的混合侵蚀。1996年7月古交西曲煤矿的龙王沟自燃煤矸石山上发生了这种侵蚀，石流冲毁3间房屋，死伤8人,冲出长达100余米，深45m，宽20的切沟。2.3排土场的水土流失特征研究国内排土场的侵蚀研究以山西农业大学土地复垦课题组报道最多。排土场整体呈平盘边坡相间分布的阶式塔状松散岩土堆积体，它的岩土分散、搬运、沉积规律与黄土的侵蚀迥然不同，国内有人称它为“岩土侵蚀”，并将排土场岩土侵蚀划为3个侵蚀带，即平盘沉陷侵蚀带、边坡沙砾化面蚀沟蚀重力侵蚀带、坡脚沉积带。进行了特征研究，分析其形成原因，提出岩土侵蚀的控制技术11。排土场堆置厚度各部位不等，颗粒组成差异大，自然固结率不同，在自重营力入渗水流的作用下，造成不同部位压缩沉降速率不一，即所谓的“非均匀沉降”。据资料，一般排土场的沉降率波动在10%20%（沉降系数为1.11.2，沉降过程延续数年，但在前3年，沉降量可达到总沉降量的80%，且夏季春季秋季冬季15。在沉陷过程中，入渗水流使较细颗粒随水流下移，形成盲洞等类似于洞穴的侵蚀现象，并伴随着塌陷，沉陷是一个相当长的缓慢过程，10年以上尚未有停止的迹象。大型露天矿排土场面临的两大“国际通病”是重型卡车碾压使地表严重压实，及非均匀沉降产生沉降裂缝因压实造成植物扎根困难和大量地表径流。因有沉陷裂缝存在，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，或钻向基底，降低基底承载力，导致整体失陷。赵景逵等在研究排土场土壤侵蚀的基础上，提出了排土场平台初期做成“堆状地面”，可以避免因地表严重压实引起的产流、汇流等水土流失16。魏忠义等进一步从水文学角度研究了排土场平台“堆状地面”的侵蚀控制机理，并根据分析计算结果，提出了优化的“堆状地面”土壤重构与侵蚀控制排土工艺17 。以容重为核心的物理特性是现代化露天煤矿废弃地水土流失最根本的原因，白中科等根据排土场的实际情况采取相应的方法，测定排土场的物理特性(水分测定：一般土壤采用环刀法；紧实土壤采用特殊容重取土器；石砾土壤采用充水法和填沙法；穿透阻力采用土壤紧实度计；渗透系数测定采用室内模拟和田间双环渗透法；径流系数测定采用针孔小型人工降雨机。)，并提出改善现行排土工艺，首先解决废弃地容重过大，地表严重压实问题18。白中科等(1998)研究了排土场坡度、土体容重、地表物质组成等因素与水土流失及植被恢复的关系,并对排土场所造成的侵蚀进行了分类和评估。1995年通过对排土场8个类型的径流小区观测,发现未复垦的排土场侵蚀模数、（15060t/(ka)）比原黄土丘陵地貌的侵蚀模数（10120t/(ka)）大30%。俄罗斯科学院乌拉尔分院矿业研究所技术科学副博士布雷金提出形成废石场表面的参数，应防止侵蚀作用和滑坡的发展，并详细描述了不同复垦方向边坡的平整方法。蒲玉宏等提出煤矿废弃物堆积物侵蚀形式除击溅、层状面蚀、细沟侵蚀、滑坡等外，还出现了黄土区少见的沙砾化面蚀及坡面泥石流19。据美国道格拉斯对美国24个露天矿观测统计，若排土时松散物料细粒含量较多，5mm细颗粒超过35%40%，排土场易失稳，当50%时，排土场易形成泥石流，粘土物在渗水型泥石流中起决定性作用，这正是新桥硫铁矿四房排土场泥石流的成因之一。张丽萍等在神府-东胜矿区人为泥石流沟道广泛野外调查的基础上，根据人为泥石流的特点及其发生发展过程的动态机理，应用多层次系统控制原理，分别提出了现有人为泥石流及潜在人为泥石流系统防治模式，总结出神府-东胜矿区人为泥石流系统防治的特殊性。控制固体物质补给是关键，合理设计规划弃土石渣的排放场地是重点，搞好汇水区水土保持系统工程是基础，调整沟床比降，减少水流动能，使泥石流暴发减少到最低程度20。白中科等在大量调查的基础上，进一步探讨了现代化大型露天矿排土场岩土侵蚀形式及其时空变异规律，并分析了影响侵蚀因素在侵蚀发展过程中的作用。结果表明：排土场平盘以面蚀、不均匀沉降等形式为主,边坡以沟蚀、崩塌等形式为主，侵蚀程度与下垫面物质组成、坡位、复垦植被等有关。3矿区水土流失的防治对策研究3.1工程措施与生物措施研究3.1.1国外研究进展 国外工矿区水土保持起源于土地复，伴随着土地复垦而不断发展,国外土地复垦与水土保持最早见于德国和美国，近年来在俄罗斯、德国、英国和澳大利亚等国家有高度的发展，组织管理严密，科学研究与技术开发都获得了极大成功21。在欧美，矿区水土保持实际上包含了土地复垦的大部分内容，矿区土地复垦技术与水土保持措施是基本一致的。建立稳定地表和控制堆场的侵蚀，是澳大利亚矿山复垦中的首要研究领域。不少矿山研究者注重堆场适宜坡度的研究，同时还研究了坡形、坡度变化与控制侵蚀的关系。在对煤矿剥离物堆筑研究表明，坡剖面宜为“S”形，凸面在上部增加至长度的20%30%，凹面在下部低至长度的70%80%。控制侵蚀研究工作，多集中在控制侵蚀覆盖材料种类的选择和控制方法的选择等方面22。目前国外在这方面不仅技术先进,而且已实现控制产品的产业化，主要有以下几种23：“侵蚀被”主要作用是将其铺设在地表，阻止土壤流失,加速种子萌发，迅速建立植被以及长期防止侵蚀。侵蚀被在复垦土地中推广应用现还处于开始阶段。沉积控制技术与产品。主要是利用各种侵蚀控制产品，达到控制沉积物、限制侵蚀与污染面积的目的。它常用于建筑场地、筑路场地、采矿场地的沉积控制。侵蚀控制构筑物。其主要特点是用各种材料制成不同形状的构筑物，铺设在地表达到控制侵蚀的目的。它们多用于复垦土地沟渠的边坡防护、坡地的防护、梯田埂等的防护。水力播种与覆盖。这一技术与产品广泛应用于复垦土地的重新植被，具有速度快、成活率高、复垦率高等特点。常用于废弃物顶部、陡坡、废物堆、沙地等的植被建设与侵蚀控制。人造表土，新近推出的有“生物土”和“无毒土”。二者都是有机产品，可以改善土壤结构，促进植被生长，减少侵蚀。土壤水。它是一种有机聚合产品，可使水贮存起来，缓慢释放，减弱水土流失。这些侵蚀控制措施虽然很有效，但由于成本太高，目前在我国尚未广泛应用。在前苏联，整个土地复垦过程分为2个基本阶段：工程技术复垦阶段和生物技术复垦阶段，并且不同的复垦方法坡度要求不同。3.1.2国内研究进展我国矿区水土保持在新中国建立前尚属空白。新中国诞生后，采矿、冶金、建筑企业高速发展造成的水土流失，引起了国家主管部门的注意，矿区水土保持才逐步有所发展，近年来其科研与工程项目取得了不少成绩。白中科等从理论上初步分析了废弃地中试用的新技术，包括黄土母质直接铺盖工艺、污染岩层包埋压埋工艺、堆状地面排土工艺，暂时性、过度性、永久性水土保持措施，硬化与非硬化排水渠系，草灌乔木合理配置模式24。卞正富等在讨论了矿区水土流失的表现形式，提出了控制矿区，尤其是复垦区水土流失的设计方法与措施，结合案例介绍了生物多样性指数在矿山水土保持区适种植物品种及种植方案优选时的应用25。胡振琪提出我国在煤矿区实施的防治土壤侵蚀的措施主要是土地复垦和造林绿化，造林绿化的关键是选择适宜的植物种，科学的种植技术和合理的抚育管理方式3。这些措施在一定程度上都有效地控制了水土流失，减轻了环境污染。参考文献1李文银,王治国,等,工矿区水土保持M.北京:科学出版社,1996.2王军,胡强.安庆铜矿水土流失特点及防治对策J.水土保持研究,2001,(1) 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