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降雨侵蚀力对露天矿排土场边坡水土流失的影响研究

发布时间:2018-10-26 15:30所属分类:理工论文浏览:1

摘要:降雨侵蚀力反应降雨引起的土壤侵蚀潜在能力,是水土保持研究中的主要指标之一。以露天煤矿排土场不同覆盖类型边坡为研究对象,分析了日降雨侵蚀力与边坡侵蚀的关系。结果表明,从控制坡面径流深来看,降雨侵蚀力的作用受到了乔灌草和灌草配置的显著影

  摘要:降雨侵蚀力反应降雨引起的土壤侵蚀潜在能力,是水土保持研究中的主要指标之一。以露天煤矿排土场不同覆盖类型边坡为研究对象,分析了日降雨侵蚀力与边坡侵蚀的关系。结果表明,从控制坡面径流深来看,降雨侵蚀力的作用受到了乔灌草和灌草配置的显著影响,其产生的坡面径流仅为对照区的42.9%和52.6%。从控制坡面侵蚀量来看,三种植物配置措施都具有显著减少功能,土壤侵蚀量仅为对照区的2.3%~6.7%。降雨侵蚀力与边坡水土流失量存在线性正相关,其中坡面径流深对降雨侵蚀力的响应快于土壤侵蚀量。

  关键词:降雨侵蚀,径流深,侵蚀量,露天矿排土场,半干旱地区

  1引言

  降雨侵蚀力反映了由降雨引起的土壤侵蚀潜在能力,是构建水土流失预测模型的最基本因子之一[1]。其特点是通过定义减少了雨量小、频次高的小降水事件干扰,便于在水土流失地区进行预判分析[1,2]。从相关的研究特点来看,以降水侵蚀力时空分布、影响因素及对植被分布的影响等较多。

  如,殷水清等[3]通过对降雨侵蚀力空间插值分析,指出黄土高原降雨侵蚀力由东南向西北递减趋势;信忠保等[4]研究了近50a黄土高原侵蚀性降水的时空变化特征,得出引起变化的主要原因在于夏季风变化的影响;李静等[5]从地貌类型的角度研究了降水侵蚀力空间分布,解释了地形再分配的影响机制。黑岱沟露天煤矿位于黄土高原核心区域,采煤过程中剥离堆积的排土场成为影响矿区及周边地区环境的主要源区之一[6-8]。

  由于排土场堆积过程有严格设计,标准的平台和边坡坡度控制以及植物治理措施,使其成为区域水土流失研究的量化验证对象[7,9]。从引起的水土流失问题来看,研究主要集中在二个方面:一是针对排土堆的侵蚀与产沙规律、平台与边坡土壤侵蚀特征等开展的研究[9,10];二是针对排土场堆积平台和边坡的工程堆积体物理力学性质和边坡稳定性等方面进行研究[11,12]。

  在这些研究中,排土场平台或边坡的性质被予以了高度关注并有较多的研究结果,但是有关降雨侵蚀力对排土场边坡水土流失影响的研究相对较少,有些研究涉及到了植被与降雨侵蚀力的关系,但也对植物配置对降雨侵蚀力响应涉及较少[9]。因此本文在已有研究的基础上,选取不同植被配置类型的排土场边坡为研究对象,分析降雨侵蚀力对其的影响,拟验证的关键问题是降雨侵蚀力变化和不同植物配置与边坡水土侵蚀的量化关系,为干旱、半干旱地区大型露天矿区排土场基于水土流失控制的人工植被恢复最佳模式选择提供依据。

  2研究区概况与研究方法

  2.1研究区概况

  研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部的黑岱沟露天煤矿。地理坐标为111°10’~111°25′E,39°25′~39°59′N,面积55km2(见图1)。气候属于中温带半干旱大陆性气候,年平均气温为5.3~7.6℃;多年平均降水量408mm,其中60%~70%集中在每年的7~9月;年蒸发量为1824.7~2896.1mm。研究区内非地带性土壤(黄绵土)分布广泛,其中粉粒占64%~73%,粘粒占17%~20%。

图1

  优势植物以油松(Pinustabuliformis)、柠条(Caraganaintermedia)、山杏(Armeniacasibirica)和无芒雀麦(Bromusinermis)等人工引进种为主,裸露边坡以铁杆蒿(Artemisiagmelinii)和白藜(Chenopodiumalbum)等当地植物为主。黑岱沟露天煤矿于1992年建成投产。在开采过程中矿区共设有北排土场、东排土场、东沿帮排土场、阴湾排土场、西排土场和内排土场6处(见图1)。

  排土场标高分布在1200~1320m之间。在排土场治理过程中主要以防治水土流失为目标,采用乔、灌、草多种组合。采用的植物种有油松、山杏、柠条、无芒雀麦、沙打旺(Astragalusadsurgens)和紫花苜蓿(Medicagosativa)等。本文实验布置在北排土场,该小区从1995年开始治理,到2003年完成,累计完成治理面积147.96hm2。未治理对照区设在阴湾排土场。

  2.2研究方法

  2.2.1径流小区设置与观测

  径流小区设置在北排土场的西坡面(1993年开始植被恢复),径流对照区设置在阴湾排土场(见图1)。在每种植被类型和对照区上设长20m、宽5m径流小区3个,共12个。每个小区用PVC板材做隔离材料,在坡面下方平台修汇水池并配有塑料遮布。为了与气象站日降水数据对应,在径流小区入池口设分流调节阀,如降水过程超过晚24点,则关闭入池阀,打开侧阀将径流小区水量排到池外,同时用塑料遮布盖住汇水池。在汇水池最低处设排水口,一次降水过程测定后,将水、泥沙排干。实验是在2014年和2015年的5~10月份进行观测(排除降雪干扰),期间如果发生连日降水事件,则只选择最完整一天的测定数据参与分析。

  2.2.2边坡特征与植被配置

  排土场堆积有严格的标准,每一堆积层高15m,边缘留15m水平平台,坡面坡度控制在35°(±1°)。排土场经过2~3年的重力沉积后开始植物治理,由于采用严格的工程施工管理,不同坡向在植被建设和工程施工中没有区别。在本文选定的北排土场植物治理22年形成了稳定边坡面植被层。对照区设立在阴湾排土场,经过了2年的重力沉积。植物治理坡面包括了乔木(油松)+灌木(山杏)+草本(无芒雀麦)模式、灌木(山杏)+草本(无芒雀麦)模式和单一草本(无芒雀麦)模式。其中,乔木和灌木的造林密度为3m×3m,行间种草垄距为0.4m,共6垄;单一草本垄距都为0.4m。

  经过22年治理3种植物配置坡面植被盖度都达到了75%以上,加之地表枯落物积累几乎没有裸露地面。对照区坡面为重力沉积后的裸坡有少量的铁杆蒿、白藜生长,植被盖度<1%。

  2.2.3降雨侵蚀力

  在降水导致的土壤侵蚀研究中,地形、土壤、植被、降水等是研究中考虑的关键因子。在本文实验中,研究区集中在很小范围内且经过标准化排土堆砌,地形、土壤类型基本一致,所不同的是植被和降雨量的差异。因此,选取不同人工植被类型和日降雨侵蚀力指标进行分析。

  3研究结果

  3.1降水量与侵蚀性降水量日变化

  在观测期内,2014年发生降水为64d,2015年为60d(见表1)。从发生侵蚀性雨量(>12mm)天数来看(见表1),2014年和2015年分别为10d和8d,累积侵蚀性雨量分别为211.5mm和147.7mm。其中,在2014年6月24~25日、8月12~13日、9月22~23日和2015年的6月28~29日、9月29~30日发生了连续降水事件,因此在上述时段只选择最完整一天的测定数据参与分析。在二年的监测中共获得有效天数为38d(见表1),侵蚀性降雨量的有效观测共16d(次)。

  此外,对大于12mm降雨量与对应的降雨侵蚀力ANOVA分析表明,二者之间没有差异(Sig.<0.001),且关联系数为0.993。说明采用降雨侵蚀力替代降水量具有极高可靠性。

        3.2降雨侵蚀力与边坡土壤侵蚀的关系

        从降雨侵蚀力与边坡径流的关系来看,植物坡面治理对侵蚀性降雨所引发的径流具有明显的减少功能。从效果来看,乔灌草配置效果最好,灌草次之,单一草本相对最低,分别是对照边坡的49.58%、56.56%和65.92%。ANOVA分析表明,除对照边坡与草本覆盖边坡径流深之间没有显著性差异(P=0.002)外,与其它2种类型都有显著性差异;三种植物措施治理的边坡之间没有显著性差异,它们的P值最小也为0.032。

  4讨论

  土壤侵蚀与降雨侵蚀力关系是水土保持研究中的核心问题之一[3,4]。露天煤矿排土场边坡土壤侵蚀不仅与土壤水土流失所涉及的因子有关[7,10],而且与排土场堆积平台和边坡的工程堆积体物理力学性质也密切相关[8,12]。特别是人工植物配置减缓降雨侵蚀力作用,不仅对露天煤矿排土场环境治理具有重要意义,而且对于水土保持工程和流域治理所产生的生态效益分析和区域水土流失机理研究研究提供了极好的场所[13,14]。

表1

  从降水雨量和降雨侵蚀力的发生天数分布特点来看,在黑岱沟露天煤矿年降雨天数在60~64d(见表1),其中达到侵蚀性降雨量(>12mm)天数在8~10d,占降雨量发生天数的13.3%~15.6%。虽然2年中侵蚀性降雨量发生次数所占比例较低,但是从降雨量来看具有较高的比例,大于12mm的降雨量分别为211.5mm和147.7mm,分别占年降水量的48.0%和50.75%。此外,从产生土壤径流和侵蚀的降雨量天数(>5mm)来看以10~25mm为主,发生概率在43.0%~43.5%;其次为5~10mm,在33.3%~39.2%;而大于25mm降雨量每年只发生了1次(见表1)。

  5结论

  在半干旱草原区露天矿排土场,降雨侵蚀力导致的水土流失过程受到不同植被配置方式的显著影响。

  (1)从控制坡面径流深来看,降雨侵蚀力的作用受到了乔灌草和灌草配置的显著影响,其产生的坡面径流仅为对照坡面的42.9%和52.6%。

  (2)从控制坡面侵蚀量来看,三种植物配置措施都能显著减少降雨侵蚀力产生的水土流失现象,土壤侵蚀量仅为对照的2.3%~6.7%。

  (3)在4种坡面类型中,降雨侵蚀力与坡面径流深拟合直线的斜率大于其与土壤侵蚀量的斜率,说明坡面径流深对降雨侵蚀力的响应快于土壤侵蚀量。

  参考文献:

  [1]WischmeierWH,SmithDD.PredictingRailfallErosionLosses:AGuidetoConservationPlanning[M].AgricultureHandbook,1978:537.

  [2]谢云,章文波,刘宝元.用日雨量和雨强计算降雨侵蚀力[J].水土保持通报,2001,21(6):53-56.(XIEYun,ZHANGWenbo,LIUBaoyuan.Rainfallerosivityestimationusingdailyrainfallamountandintensity[J].BulletinofSoilandWaterConservation,2001,21(6):53-56.(inChinese))

  [3]殷水清,谢云.黄土高原降雨侵蚀力时空分布[J].水土保持通报,2005,25(4):29-33.(YINShuiqing,XIEYun.SpatialvariationsandseasonaldistributionsofrainfallerosivityonLoessplateau[J].BulletinofSoilandWaterConservation,2005,25(4):29-33.(inChinese))

  [4]信忠保,许炯心,马元旭.近50a黄土高原侵蚀性降水的时空变化特征[J].地理科学,2009,29(1):98-104.(XINZhongbao,XUJiongxin,MAYuanxu.Spatio-temporalvariationoferosiveprecipitationinLoessplateauduringpast50years[J].ScientiaGeographicaSinica,2009,29(1):98-104.(inChinese))

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