排土场土壤侵蚀研究进展

李 刚

（阜新蒙古族自治县水利事务服务中心，辽宁阜新123100）

煤炭是驱动世界经济的主要动力，也是我国的主要能源，其能源消费占全国次消费的59%，预测2025年中国能源消费总需求为55～56 亿t 标准煤，为我国全面建成小康社会、实现“两个百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴的中国梦提供能源保障[1]。煤炭资源的大规模发展，可以带来直接有效的经济发展，但无论是露天开采还是井工开采都将破坏植被、开挖土壤与岩层，对区域生态环境产生严重的威胁与破坏。煤炭资源的开采为电力、水力、城镇建设等方面提供了有力保障，但也带来一系列的生态环境问题，如生态景观破坏、塌陷地、边坡滑坡、粉尘、废水废气、水污染、地下水位下降、水土流失、土地荒漠化等[2-3]。我国大型煤矿多位于干旱半干旱地区的内蒙古高原、黄土高原及沙漠化地带[4]，生态环境极其脆弱，其中大规模的露天开采活动会破坏当地的生态系统，形成不同的地貌单元，改变矿区及其周围的土壤理化性质和水文平衡[5]。排土场是在露天开采过程中形成的平台-边坡相间的阶梯宝塔状巨型人工松散堆积体，作为矿区的一种典型地貌单元，具有坡度陡、坡长长的松散坡面和岩土压实的平台、物质组成复杂、孔隙发达、沉陷不均匀等特性[6]，其生态环境恶劣，水分几乎全部来自降雨，存在较为严重的土壤和植被水分亏缺问题，是工矿建设区水土流失最为严重的区域。由于排土场在短时间内无法恢复植被，植被覆盖度几乎为零，且排土场边坡土壤结构松散易侵蚀，在降雨和地表径流的作用下容易形成严重的水土流失，甚至会导致排土场边坡滑坡、崩塌和泥石流等灾害。因此，本文通过分析不同学者的研究进展，归纳总结了排土场土壤侵蚀机理和影响因素，为进一步讨论如何降低排土场土壤侵蚀，再造矿区“绿水青山”提供理论依据。

1 排土场土壤侵蚀机理与研究现状

土壤侵蚀是全球共同关注的生态环境问题之一，其土壤侵蚀机理和侵蚀过程复杂[7]。排土场土壤结构松散，多为土壤、石块和岩石的混合物，由于排土场物质组成的复杂性导致其土壤侵蚀过程更加复杂多变，与自然坡面相比，其土壤侵蚀量更加严重。关于土壤侵蚀的研究方法以放水冲刷试验和人工模拟降雨试验为主[8]，通过模拟不同防水流量和降雨强度，可以研究不同条件下排土场土壤侵蚀特征。排土场土壤侵蚀以水力侵蚀和重力侵蚀为主，其排土场边坡的土壤侵蚀程度与强度均显著高于排土场平台，一方面形成严重的水土流失，另一方面为边坡失稳提供可能性。排土场是一种典型的人工扰动土，已经不具备良好的土壤结构和植被覆盖，是矿区土壤侵蚀的主要来源，其土壤侵蚀极其严重[9-11]。吕春娟等[12]综述了矿区土壤侵蚀与水土保持，提出排土场在排弃过程中存在运输、倾倒、压实等施工工艺，在重型卡车的施压下，排土场平台变得紧实，土壤容重高达1.8 g/cm3，这使得排土场平台土壤入渗能力极低，容易形成和汇集大量的地表径流，进而侵蚀松散边坡，形成严重的水土流失；同时，紧实的平台不利于植被根系的穿插和延伸，这在一定程度上阻碍了植被的生长发育。露天煤矿的开采会严重破坏当地的生态环境与生态景观，开挖大量的地表土壤与深层岩石，产生大量的弃土弃渣[13-17]。相关研究表明[18]，露天煤矿的开采会扰动大量地表，严重破坏现有植被，每开采1 万t 煤炭会破坏1 000 m2植被，产生的弃土弃渣量达6.1 万m3。神府煤田是我国西部地区主要的煤炭资源，其大柳塔煤矿在一期和二期共产生5.18×107t 弃土弃渣[19]。

排土场占地面积大，边坡高陡，产生的水土流失量也极其严重[20-26]。由于排土场边坡高陡且结构松散，物质组成复杂，植被覆盖度低，其形成的水土流失量可达自然地貌的239.2 倍[27-29]。白中科等[30]以山西大同煤矿为研究对象，通过调查与计算发现，该煤矿由于开采形成大面积的采煤塌陷地，也形成了大量的水土流失，其每年由于塌陷地导致的水土流失高达7.91×106t。杨超等[31]基于无人机技术研究了排土场边坡土壤侵蚀速度，结果表明，排土场边坡水土流失面积高达1.11 hm2，土壤侵蚀速率为4 044 t/（km2·a）。郭建英等[32]研究发现，排土场边坡在无任何水土保持措施的条件下，其水土流失量高达1.42 万t。上述研究结果表明，矿区排土场水土流失极其严重，对当地生态环境以及经济可持续发展造成了严重的威胁。

2 排土场土壤侵蚀影响因素

2.1 地形因素

地形是影响土壤侵蚀的关键因素[33]。排土场土壤侵蚀多为水力侵蚀和重力侵蚀，其侵蚀类型与地形因素关系密切。排土场边坡高陡且长，一般坡度均在30°以上，且排土场为平台和边坡交替出现，上级平台紧实，可以汇集大量的地表径流，为排土场边坡土壤侵蚀提供侵蚀动力。大量的地表径流沿边坡向下运动，冲刷松散的边坡土壤，带走大量的泥沙，是排土场边坡砂砾化。由于排土场下垫面坡度较大，不仅加快了地表径流的汇集，缩短产流时间，且坡度越大，土壤侵蚀量越大，而且还有一部分重力势能转换为侵蚀动能，使得地表径流具有很强的侵蚀能力和输沙能力[34]。地形因素与地表侵蚀动能相互作用，地形的改变会引起侵蚀动能的变化，而侵蚀动能的改变直接影响和改变下垫面地形，地表径流冲刷边坡，形成细沟侵蚀，其侵蚀沟的长度、宽度、深度和密度取决于地表径流的侵蚀能力，侵蚀能力越大，侵蚀沟发育越严重，水土流失越严重。此外，排土场边坡较长，为地表径流的汇集提供条件，使得地表径流具有更强的侵蚀动力[35]。

2.2 土壤因素

排土场是典型的重构土体，不具有较好的土壤结构，进而导致土壤稳定性较差、松散易侵蚀，土壤质地的差异会导致排土场土壤侵蚀过程和侵蚀量的不同。由于排土场边坡土壤结构松散，其入渗能力、透水能力均较强，土壤抗蚀性较小而可蚀性较大，这为排土场边坡土壤侵蚀提供物质基础[36]。相关研究表明，土壤质地不同，其产流产沙过程也不同，其最终产生的土壤侵蚀量也存在差异[37]。影响土壤因素的指标较多，如土壤含水率、土壤紧实度、土壤质地、土壤孔隙等。已有研究表明，土壤含水率是直接影响产流时间、坡面侵蚀过程、径流量和土壤侵蚀量[38]。土壤紧实度越大，土壤侵蚀量相对越小。李建明等[39-40]研究黄土区薄厚层浮土土质道路降雨侵蚀过程差异，指出浮土道路侵蚀过程分为单独浮土侵蚀阶段和浮土、道路混合侵蚀阶段，且浮土侵蚀量所占比较大。

2.3 植被因素

植被是土壤侵蚀防治中重要的环节之一，可以分为林冠、地表和地下三个部分，每个部分的作用均不相同。首先是林冠，树木的林冠起到了拦截降雨的功能，较好的林分郁闭度可以降低雨滴的打击动能，降低土壤溅蚀发生的可能性[41]；地表枯落物能够进一步降低雨滴的打击动能，拦蓄地表径流和泥沙，提高土壤有机质含量，增强土壤团聚体稳定性，改善土壤结构，同时枯落物层可以提高土壤抗侵蚀能力，降低地表径流的冲刷作用[42-43]；地下部分主要是指植物根系，植物的根系在土壤中不断的穿插、延伸，一方面可以提高土壤抗蚀性和抗冲性，另一方面可以改善土壤结构，提高土体稳定性[44-45]。

2.4 气候因素

气候是影响排土场土壤侵蚀的外在因素，主要包括降雨、温度、风速等。水力侵蚀、风力侵蚀和重力侵蚀是土壤侵蚀的主要类型，不同区域的侵蚀类型有所不同。研究区排土场以水力侵蚀和重力侵蚀为主，其中水力侵蚀主要受到降雨因素的影响，对于短历时、强降雨而言，排土场容易发生严重的土壤侵蚀[46]，降雨量或者降雨强度越大，雨滴的打击动能越大，地表径流的冲刷能力越强，水土流失越严重；排土场边坡高陡，在水力侵蚀发生的同时，常常伴随重力侵蚀；在暴雨或大暴雨条件下，排土场容易发生崩塌、滑坡、泥石流等灾害，造成严重的生态环境问题和经济损失。此外，土壤侵蚀量与降雨强度、降雨量和降雨历时之间具有较好的关系，可以用上述指标来估算排土场土壤侵蚀量[47]。

2.5 人为因素

露天煤矿的采矿会扰动大量地表，破坏植被，产生大量的弃土弃渣，形成边坡松散的排土场。排土场是人工堆弃形成的松散堆积体，人为因素作用明显，更是导致严重水土流失的关键因素。采掘、开采等人为活动会改变某个煤矿局部侵蚀基准面，通过对坡度和坡长的改变来影响水土流失。与自然坡面相比，排土场在人为作用下更加容易形成水土流失，其产生的人为水土流失更是自然坡面的数十倍甚至数百倍[48]。

3 结语

本文从煤矿开采过程中形成的特殊地貌—排土场的土壤侵蚀角度出发，总结了排土场土壤侵蚀的发生机制、特点和危害；并从地形、土壤、植被、气候和人为因素等角度分析了排土场土壤侵蚀发生发展影响因子，认为气候条件以及排土场覆土工艺的差异导致土壤侵蚀的影响机理不同，很难筛选土壤侵蚀的主要影响因素。排土场土壤侵蚀与防治的科研工作中应尽量将各个指标与土壤侵蚀进行定量分析，这样就能够准确的构建排土场土壤侵蚀模型，对我们深入了解排土场土壤侵蚀过程与机理提供理论依据，为后期土壤侵蚀防治提供科学方法。