降雨對廢棄尾礦壩坡面土壤侵蝕過程影響的模型試驗研究

吳超君，陳 娜，郝 喆*，滕 達，王曉明

(1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036；2.遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110013)

近年來，隨著礦產(chǎn)資源的逐漸枯竭和政策性關(guān)停等原因，我國形成了大量責(zé)任主體滅失的廢棄礦山和尾礦庫。廢棄尾礦庫由于缺乏有效的監(jiān)管措施與制度，地質(zhì)災(zāi)害、水土流失、水土污染、生態(tài)破壞等問題極其嚴(yán)重。經(jīng)過多年的堆積和風(fēng)化水蝕，廢棄尾礦庫在外力的干擾下極易誘發(fā)大規(guī)模的水土流失危害。因此，開展廢棄尾礦壩坡面侵蝕規(guī)律的研究，對于水土流失影響因素的敏感性評價具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者在水土流失領(lǐng)域進行了大量的研究工作。如：Lv等通過改變坡度，研究了再生基質(zhì)對防治在役鐵尾礦庫水土流失的效果；倪含斌等在神東礦區(qū)內(nèi)選取8個試驗小區(qū)進行了土壤侵蝕模擬試驗，研究了不同階段棄土的抗侵蝕能力，并確定了影響土壤侵蝕的主要因子；康宏亮等針對黃土丘陵區(qū)礫石對堆積體坡面徑流及侵蝕特征的影響研究發(fā)現(xiàn)，改變坡度及放水流量對產(chǎn)沙的影響呈指數(shù)函數(shù)形式增長，但對坡度的影響存在一個臨界值的現(xiàn)象；康靜雯等通過在室外模擬降雨研究了紫色土在大雨強條件下對坡度的響應(yīng)特征，并建立了關(guān)于徑流流速與侵蝕泥沙的回歸模型；Martin Duque等通過對西班牙某礦區(qū)所有廢棄尾礦壩的生態(tài)問題進行統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，廢棄尾礦壩的礦床地貌不穩(wěn)定是導(dǎo)致降雨引起廢棄礦山水土流失的主要災(zāi)害問題；辜婧瑤等通過設(shè)計不同的坡度及降雨強度進行室內(nèi)模擬降雨試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除徑流功率外其他水動力參數(shù)均與坡度和降雨強度成正相關(guān)關(guān)系；Wang等概述了降雨強度和坡度會影響土壤侵蝕的能力，此外，他認(rèn)為如土壤性質(zhì)、前期土壤含水量、土壤表面物理結(jié)皮和土壤表面粗糙度等其他因素也會影響土壤的抗侵蝕性；Wei等針對不同土地利用方式和降雨類型對黃土丘陵區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)降雨和下墊面相互作用使得水土流失過程變得復(fù)雜和不確定；王麗園等通過模擬不同降雨強度和坡度對水土流失的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)坡度是影響水土流失的重要因素，也是多年來水土流失影響因素的研究重點；張會茹等研究發(fā)現(xiàn)，坡面產(chǎn)生水土流失的主要誘因是降雨，其會顯著影響產(chǎn)流產(chǎn)沙量。

目前的水土流失研究多是針對自然形成的土壤基質(zhì)。尾礦是礦石磨細和選別后排棄的固體廢棄物，與自然土壤的理化性質(zhì)差別很大，有學(xué)者針對尾礦土壤水土流失也開展了部分研究，但主要限于在役或閉庫不久的尾礦庫。事實上水土流失的過程較復(fù)雜，影響因素較多，根據(jù)國內(nèi)外的研究結(jié)果來看，不同的研究對象發(fā)生水土流失現(xiàn)象，其主要影響因素不盡相同，且影響因素權(quán)重也相差很大，因此若想針對廢棄尾礦庫提出科學(xué)、有效的防治方案，必須從防治對象本質(zhì)出發(fā)，即針對廢棄尾礦壩自身的土壤特性進行研究。為此，本文通過建立室內(nèi)水土流失模型試驗裝置，采用室內(nèi)模擬降雨對不同降雨強度、坡度的廢棄尾礦壩坡面土壤產(chǎn)流產(chǎn)沙過程、水沙關(guān)系和產(chǎn)沙率與水動力參數(shù)之間的相關(guān)性開展模型試驗研究，以期為廢棄尾礦壩坡面土壤水土流失影響因素的敏感性評價提供參考依據(jù)。

1 室內(nèi)水土流失模型試驗

1.1 人工模擬降雨模型及試驗設(shè)計

1.1.1 人工模擬降雨模型

人工模擬降雨試驗裝置主體長、寬、高為7.5 m×1.2 m×1.5 m，其頂部設(shè)置降雨架，降雨架通過在PVC管體上向下均勻打孔進行降雨，降雨高度為6 m，有效降雨高度為2 m，降雨雨滴粒徑及降雨動能與天然降雨條件相近，降雨均勻度可達85%以上，可滿足人工模擬降雨試驗的要求；試驗槽底部設(shè)置防滲，并在槽底設(shè)置排水管，槽末端設(shè)置V型集流槽用以收集試驗樣品；輸水管道上設(shè)置控制閥和瞬時電子流量計用以調(diào)節(jié)降雨強度，允許誤差為±10 mm/h。人工模擬降雨試驗裝置模型設(shè)計圖及實物圖如圖1所示。

圖1 人工模擬降雨試驗裝置模型圖Fig.1 Diagram of simulated rainfall experiment model

1.1.2 取土地點及填土方案

本試驗所用尾礦土壤取自遼寧省遼陽縣寒嶺鎮(zhèn)某一廢棄尾礦庫，見圖2。填土前，為了使試驗槽底部土壤接近自然狀態(tài)，故在試驗槽底部均勻裝入約10 cm厚的碎石，然后分層裝填供試土壤，填筑一層壓實一層，壓實后再用齒耙耙松，繼續(xù)填土至土槽高0.5 m處，填土完畢后需適當(dāng)增加尾礦土壤與試驗槽邊壁接觸處土壤的容重(即壓實)，以減小邊壁對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的邊際效應(yīng)。將土壤容重控制在1.8～1.9 t/m之間。

圖2 遼陽縣寒嶺鎮(zhèn)某一廢棄尾礦庫Fig.2 Abandoned tailing reservoir in Hanling Town，Liaoyang County

1.1.3 試驗條件設(shè)計

每次試驗后用齒耙將前一次降雨造成的坡面痕跡耙至平整后，用盡可能小的降雨強度(以不破壞坡體表面為標(biāo)準(zhǔn))進行預(yù)降雨，直至出現(xiàn)渾濁且成流的徑流為止，立即停止降雨，靜置一周后開始試驗。試驗前需對坡面土壤含水率進行測量，所得土壤含水率為10%±5%方可試驗，其目的一是為使坡面耙后的松散土壤進行自然沉降即減小邊坡表面處理的誤差，二是保證每次試驗時土壤的初始含水率保持在10%左右。

有學(xué)者研究表明，喀斯特典型坡耕地在坡度小于20°時，其坡面水土流失量與坡度呈線性遞增的關(guān)系，在坡度大于20°時其坡面水土流失量與坡度呈冪函數(shù)遞增的關(guān)系?，F(xiàn)場尾礦壩的常見坡度為15°左右，且《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)中要求尾礦壩最大坡度為30°左右。因此，本試驗設(shè)計采取15°、30°兩種坡度更加符合尾礦庫的實際情況(通過填土實現(xiàn))。為了保證試驗條件一致，控制尾礦壩的坡長均為2 m，坡高均為0.5 m。

根據(jù)遼寧省大暴雨時間和空間分布特征可知，遼寧省的降雨強度在21～212 mm/h，降雨強度范圍分布不均勻，故本次試驗設(shè)置20 mm/h、60 mm/h、100 mm/h、220 mm/h 4種降雨強度。

1.2 試驗過程與方法

影響坡面土壤產(chǎn)流的因素很多，比如下墊面狀況、土壤容重、土壤前期含水率等，準(zhǔn)確地測量尾礦壩坡面初始產(chǎn)流時間對分析坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程具有重要的意義。因此，降雨前用透明苫布覆蓋整體坡面后調(diào)節(jié)降雨強度，利用梅花樁布點法在坡面布設(shè)雨量筒用以率定雨強，誤差不超過試驗設(shè)計條件的±5%為止，待雨強穩(wěn)定后，掀開透明苫布開始計時，觀察坡面產(chǎn)流過程并記錄產(chǎn)流時刻。試驗過程中每隔3 min收集1 min的徑流樣，每次試驗采集15個徑流樣品，待徑流樣品靜置24 h后進行分離，將上清液倒出，留下泥沙，將其自然風(fēng)干后稱重并記錄其質(zhì)量。采用精度1 mm的鋼尺測量坡面徑流深。利用染色劑示蹤法測定坡面徑流流速，在坡面均勻設(shè)置3個標(biāo)記，分別間隔0.5 m，水流通過標(biāo)記時加入染色劑(KMnO)，記錄到達下一個標(biāo)記的準(zhǔn)確時間，所得時間即為水流的平均表層流速。

1.3 試驗數(shù)據(jù)分析與處理

試驗指標(biāo)包括產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率、徑流剪切力和徑流功率，各指標(biāo)計算公式詳見表1。

表1 各試驗指標(biāo)的含義及其計算公式Table 1 Meaning and calculation formulas of experimental indexes

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 尾礦壩坡面土壤產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析

2.1.1 尾礦壩坡面土壤產(chǎn)流時間分析

不同降雨強度和坡度(15°、30°)下尾礦壩坡面土壤的產(chǎn)流時間曲線，見圖3。

圖3 不同降雨強度和坡度下尾礦壩坡面土壤的產(chǎn)流 時間曲線Fig.3 Runoff time curves of soil on the slopes at two slope gradients under different rainfall intensity

由圖3可見：相同坡度下尾礦壩坡面土壤的產(chǎn)流時間隨降雨強度的變化具有明顯的規(guī)律性，即隨著降雨強度的增加坡面土壤的產(chǎn)流時間縮短；坡度為15°和30°時降雨強度-產(chǎn)流時間曲線的特征不同，即坡度為15°時坡面土壤的產(chǎn)流時間隨降雨強度的增加以冪函數(shù)形式變化，坡度為30°時坡面土壤的產(chǎn)流時間隨降雨強度的增大以指數(shù)函數(shù)形式變化；坡度為15°時坡面土壤的產(chǎn)流時間較坡度為30°時更易受到降雨強度的影響，降雨強度為20 mm/h、60 mm/h坡面土壤的產(chǎn)流時間較為相近，相差約180 s，降雨強度為100 mm/h、220 mm/h的產(chǎn)流時間也較為相近，相差約70 s，但這兩組降雨強度下坡面土壤的產(chǎn)流時間跨度較大，相差約370 s。其主要原因是在尾礦坡度較緩條件下，且降雨強度較小時，雨滴落在坡面時產(chǎn)生的沿坡面的分力較小，使雨滴向下流動的速度變得緩慢，提高了尾礦壩坡面土壤的入滲率，隨著降雨強度的增加，增強了雨滴對坡面的擊濺能力，也會提高尾礦壩坡面土壤的入滲率，進而縮短了坡面土壤的產(chǎn)流時間；當(dāng)坡度為30°時，改變降雨強度對坡面土壤的產(chǎn)流時間有一定的影響，但相較于坡度為15°時坡面土壤的產(chǎn)流時間變化并不明顯，說明坡長相同時隨著坡度的增大，有效受雨面積減小，坡面的有效受雨量也同時減少，此原因與雨滴擊濺在坡面時產(chǎn)生沿坡面的分力變大兩種影響因素疊加，導(dǎo)致坡度為30°時坡面土壤的產(chǎn)流時間差異較??；在降雨強度為220 mm/h的極大雨強時，坡度對坡面土壤產(chǎn)流時間的影響不明顯。

2.1.2 尾礦壩坡面土壤產(chǎn)流產(chǎn)沙過程分析

2.1.2.1 產(chǎn)流過程分析

不同降雨強度下兩種坡度(15°、30°)尾礦壩坡面土壤產(chǎn)流率隨降雨時長的變化曲線，見圖4。

圖4 不同降雨強度和坡度下尾礦壩坡面土壤產(chǎn)流率 隨降雨時長的變化曲線Fig.4 Variation curves of the runoff rate of the tailing dam slope soil with time under different rainfall intensities and slopes

由圖4可見：當(dāng)坡度為15°時，尾礦壩坡面土壤侵蝕過程主要受徑流沖刷力控制，因此在降雨強度小、坡度小的情況下，坡面土壤徑流流速和產(chǎn)流率較小，進而徑流沖刷力較小，徑流只能將松散的坡面表層土壤顆粒從坡頂向下推動，故坡面土壤產(chǎn)流曲線整體表現(xiàn)較為平緩[見圖4(a)]；當(dāng)坡度為30°時，尾礦壩坡面土壤侵蝕過程受到土壤顆粒重力和徑流沖刷力的共同作用，故坡面土壤產(chǎn)流曲線變化較大[見圖4(b)]。

此外，由圖4還可以看出：坡面土壤產(chǎn)流曲線初始上升階段，坡度為15°和30°時均是從第2時段序號開始產(chǎn)流率逐漸攀增，此階段產(chǎn)流率增速較快，上升到峰值后進入到波動階段；坡度為15°時在第8時段序號時開始進入波動階段并在一段時間內(nèi)都維持在這個范圍內(nèi)，直至降雨結(jié)束；坡度為30°時在第3時段序號時開始進入波動階段并在一段時間內(nèi)都維持在這個范圍內(nèi)直至降雨結(jié)束。其主要原因是由于影響坡面土壤產(chǎn)流率的主要因素是土壤含水率和土壤下滲能力，降雨初期，雨滴落在坡面使坡面表層土壤的含水率逐漸達到飽和，所以試驗后期坡面土壤的產(chǎn)流率逐漸平穩(wěn)至最大產(chǎn)流率左右。

2.1.2.2 產(chǎn)沙過程分析

不同降雨強度下兩種坡度(15°、30°)尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率隨降雨時長的變化曲線，見圖5。

圖5 不同降雨強度和坡度下尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率 隨降雨時長的變化曲線Fig.5 Variation curves of sediment yield rate of tailing dam slope soil with time under different rainfall intensities and slopes

2.2 尾礦壩坡面土壤侵蝕水沙關(guān)系分析

2.2.1 坡度為15°時尾礦壩坡面土壤的產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率關(guān)系分析

不同降雨強度下坡度為15°時尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率關(guān)系的回歸分析曲線見圖6，其擬合方程見表2。

圖6 不同降雨強度下坡度為15°時尾礦壩坡面土壤 產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率關(guān)系的回歸分析曲線Fig.6 Regression analysis curves of relationship between sediment yield rate and runoff rate of the slope soil at 15° under different rainfall intensities

表2 不同降雨強度下坡度為15°時尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率關(guān)系的回歸分析擬合方程Table 2 Regression analysis fitting equations of relationship between sediment yield rate and runoff rate of the slope soil at 15° under different rainfall intensities

由圖6可見：除降雨強度為220 mm/h外，其他降雨強度下尾礦壩坡面土壤的產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，這是因為坡度為15°的尾礦壩坡面土壤侵蝕過程中水沙關(guān)系的趨勢是由水少沙少向水多沙多轉(zhuǎn)變，且其波動明顯，說明在該坡度下，降雨強度對坡面土壤侵蝕水沙關(guān)系的影響較大;降雨強度為20 mm/h時尾礦壩坡面下的初期侵蝕現(xiàn)象主要是分離和搬運坡面表層的土壤顆粒，因此呈現(xiàn)水少沙少的侵蝕現(xiàn)象；當(dāng)降雨強度增加到60 mm/h和100 mm/h時，表層土壤顆粒在初期階段被侵蝕殆盡后逐漸產(chǎn)生侵蝕溝，產(chǎn)沙率逐漸增大，該降雨強度下坡面土壤侵蝕過程中水沙關(guān)系由水少沙少向水多沙多的趨勢過渡，并且在這個變化階段中可以看出降雨強度越大，坡面土壤產(chǎn)沙率對產(chǎn)流率的敏感度越高；與前3個降雨強度相比，在220 mm/h的降雨強度下，坡面土壤侵蝕過程中水沙關(guān)系的提升幅度非常突出。分析原因認(rèn)為：在水少沙少的侵蝕階段，隨著坡面土壤產(chǎn)流率的增加，產(chǎn)沙率的增速先減小后增大，但在水多沙多的侵蝕階段，產(chǎn)沙率的增速隨著降雨強度的增大呈逐漸增加的趨勢，這與徑流分離表層土壤顆粒能力和坡面供沙能力的共同作用有關(guān)；隨著降雨強度的增大徑流的侵蝕能力增強，但是坡面實際提供其所能分離和搬運土壤顆粒有限，因此產(chǎn)沙率增速會隨著產(chǎn)流率的增大而減緩，但是當(dāng)降雨強度增加到220 mm/h時，徑流沖刷和挾沙能力增強，可搬運更大粒徑的坡面土壤顆粒，因此產(chǎn)沙敏感性又相較于之前3種降雨強度下的產(chǎn)沙敏感性更強。

2.2.2 坡度為30°時尾礦壩坡面土壤的產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率關(guān)系分析

不同降雨強度下坡度為30°時尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率關(guān)系的回歸分析曲線見圖7，其擬合方程見表3。

圖7 不同降雨強度下坡度為30°時尾礦壩坡面土壤 產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率關(guān)系的回歸分析曲線Fig.7 Regression analysis curves of relationship between sediment yield rate and runoff rate of the slope soil at 30° under different rainfall intensities

表3 不同降雨強度下坡度為30°時尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率關(guān)系的回歸分析擬合方程Table 3 Regression analysis fitting equations of relationship between sediment yield rate and runoff rate of the slope soil at 30° under different rainfall intensities

由圖7可見，坡度為30°時，尾礦壩坡面土壤侵蝕過程在降雨強度為20 mm/h和60 mm/h條件下呈現(xiàn)一種水多沙少的水沙關(guān)系，侵蝕過程以降水沖刷表層松散土壤顆粒為主，呈現(xiàn)為水多沙少的侵蝕現(xiàn)象；在降雨強度為100 mm/h時的降雨初期隨著表面松散土壤顆粒的侵蝕殆盡，且徑流沖刷坡面逐漸開始產(chǎn)生侵蝕溝，產(chǎn)沙率逐漸提升，坡面土壤侵蝕過程中水沙關(guān)系由水多沙少向水多沙多轉(zhuǎn)變；當(dāng)降雨強度增加到220 mm/h時，坡面土壤侵蝕初期就能達到水多沙多的水沙關(guān)系。

2.3 尾礦壩坡面土壤侵蝕階段產(chǎn)沙率與水動力參數(shù)相關(guān)性分析

徑流剪切力用于描述徑流作用過程的侵蝕過程，徑流功率用于描述徑流作用結(jié)果的侵蝕過程，因此選用這兩個水動力參數(shù)來描述廢棄尾礦壩坡面土壤的侵蝕階段。

2.3.1 產(chǎn)沙率與徑流剪切力的相關(guān)性分析

人人都知道“創(chuàng)業(yè)難，守業(yè)更難”，李志勇也不例外。隨著野生菌的銷量越來越可觀，他也發(fā)現(xiàn)了很多問題，其中最顯著的問題是，野生菌生長周期短，保鮮時間更短，可是用冰柜將新鮮野生菌冰凍起來，并不能解決問題，一經(jīng)過冰凍的野生菌，解凍后會發(fā)生性狀改變，一下鍋就都軟爛掉了。

不同降雨強度和坡度(15°、30°)下尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率與徑流剪切力關(guān)系的回歸分析結(jié)果，見表4和圖8。

表4 不同降雨強度和坡度下尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率與徑流剪切力關(guān)系的回歸分析擬合方程Table 4 Regression analysis fitting equations of relationship between sediment yield rate of the soil and the runoff shear force on the tailing dam slope under different rainfall intensities and slopes

圖8 不同降雨強度和坡度下尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率與 徑流剪切力關(guān)系的回歸分析曲線Fig.8 Regression analysis curves of relationship between sediment yield rate of the soil and the runoff shear force on the tailings dam slope under different rainfall intensities and slopes

由表4和圖8可以看出：

(1) 尾礦壩坡面土壤的產(chǎn)沙率與徑流剪切力呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)

R

在0.8以上(見表4)。

(2) 當(dāng)坡度為15°時，不同降雨強度下初始侵蝕階段尾礦壩坡面土壤的徑流剪切力分別為0.33 N/m、1.31 N/m、1.31 N/m、9.84 N/m，表明降雨強度確實可以提高起始侵蝕臨界徑流剪切力；到了細溝侵蝕階段時，4種降雨強度下尾礦壩坡面土壤的徑流剪切力分別為1.32 N/m、2.3 N/m、3.28 N/m、13.12 N/m，是初始侵蝕階段的1.3～3.9倍左右;侵蝕溝發(fā)育成熟后，4種降雨強度下尾礦壩坡面土壤的徑流剪切力分別為3.28 N/m、2.95 N/m、6.56 N/m、19.68 N/m，是細溝侵蝕階段的1.2～2.5倍左右[見圖8(a)]。

(3) 當(dāng)坡度為30°時，不同降雨強度下初始侵蝕階段尾礦壩坡面土壤的徑流剪切力分別為1.51 N/m、7.57 N/m、9.08 N/m、15.14 N/m，表明坡度為30°時不同降雨強度也可以提高起始侵蝕臨界徑流剪切力；到了細溝侵蝕階段時，4種降雨強度下尾礦壩坡面土壤的徑流剪切力分別為3.28 N/m、20.19 N/m、40.38 N/m、50.47 N/m，是初始侵蝕階段的2.17～4.45倍左右；侵蝕溝發(fā)育成熟后，4種降雨強度下尾礦壩坡面土壤的徑流剪切力分別為5.04 N/m、30.28 N/m、85.8 N/m、95.89 N/m，是細溝侵蝕階段的1.5～2.12倍左右[見圖8(b)]。尾礦壩坡面經(jīng)降雨沖刷后表面松散的土壤顆粒減少，土壤的抗沖性和抗水蝕性增強，徑流搬運土壤顆粒的能力減弱，因此細溝侵蝕階段較降雨初期更不易發(fā)生土壤侵蝕現(xiàn)象。

2.3.2 產(chǎn)沙率與徑流功率的相關(guān)性分析

不同降雨強度和坡度(15°、30°)下尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率與徑流功率關(guān)系的回歸分析結(jié)果，見表5和圖9。

表5 不同降雨強度和坡度下尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率與徑流功率關(guān)系的回歸分析擬合方程Table 5 Regression analysis fitting equations of relationship between sediment yield rate of the soil and the runoff power of the slope on the tailing dam slope under different rainfall intensities and slopes

圖9 不同降雨強度和坡度下尾礦壩坡面土壤產(chǎn)沙率與 徑流功率關(guān)系的回歸分析曲線Fig.9 Regression analysis cursve of relationship between sediment yield rate of the soil and the runoff power of the slope on the tailing dam slope under different rainfall intensities and slopes

由表5和圖9可以看出：

(1) 尾礦壩坡面土壤的產(chǎn)沙率與徑流功率呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)

R

在0.7以上(見表5)。

(2) 當(dāng)坡度為15°時，不同降雨強度下初始侵蝕階段尾礦壩坡面土壤的徑流功率分別為0.006 6 W/m、0.065 6 W/m、0.078 7 W/m、0.984 2 W/m，表明隨降雨強度的增大，侵蝕初期的臨界徑流功率增加；到了細溝侵蝕階段時，4種降雨強度下尾礦壩坡面土壤的徑流功率分別為0.031 5 W/m、0.160 7 W/m、0.311 7 W/m、2.624 4 W/m，是初始侵蝕階段的2.44～4.77倍左右；侵蝕溝發(fā)育成熟后，4種降雨強度下尾礦壩坡面土壤的徑流功率分別為0.114 8 W/m、0.280 4 W/m、0.852 9 W/m、5.905 W/m，是細溝侵蝕階段的1.74～3.64倍左右[見圖9(a)]。

(3) 當(dāng)坡度為30°時，不同的降雨強度下初始侵蝕階段尾礦壩坡面土壤的徑流功率分別為0.031 8 W/m、0.416 4 W/m、1.287 W/m、1.362 7 W/m，表明降雨強度確實可以提高起始侵蝕臨界徑流功率；到了細溝侵蝕階段時，4種降雨強度下尾礦壩坡面土壤的徑流功率分別為0.098 4 W/m、1.615 W/m、6.561 1 W/m、14.131 6 W/m，是初始侵蝕階段的3.09～10.37倍左右；侵蝕溝發(fā)育成熟后，4種降雨強度下尾礦壩坡面土壤的徑流功率分別為0.201 9 W/m、4.542 3 W/m、17.159 8 W/m、39.316 1 W/m，是細溝侵蝕階段的2.05～2.81倍左右[見圖9(b)]。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了可以實現(xiàn)控制降雨強度，模擬不同尾礦壩降雨強度及坡度，對不同修復(fù)條件下水土流失過程進行模擬、監(jiān)測的室內(nèi)水土流失模型試驗裝置，針對某現(xiàn)場廢棄尾礦庫土壤，開展了尾礦壩坡面土壤產(chǎn)流產(chǎn)沙特征、坡面土壤侵蝕的水沙關(guān)系、坡面土壤產(chǎn)沙率與水動力參數(shù)關(guān)系的系統(tǒng)研究,得到如下結(jié)論：

(1) 隨著降雨強度的增大，尾礦壩坡面土壤的產(chǎn)流時間縮短；坡度為15°和坡度為30°坡面土壤的降雨強度-產(chǎn)流時間曲線的特征不同，即隨降雨強度的增大，坡度為15°坡面土壤的產(chǎn)流時間以冪函數(shù)形式變化，坡度為30°坡面土壤的產(chǎn)流時間以指數(shù)函數(shù)形式變化；當(dāng)降雨強度達到220 mm/h的極大雨強時，坡度對坡面土壤產(chǎn)流時間沒有明顯的影響。

(2) 降雨強度為20 mm/h、60 mm/h和100 mm/h時坡度為15°坡面土壤的產(chǎn)流率增幅大于坡度為30°；降雨強度為220 mm/h時坡度為30°坡面土壤的產(chǎn)流率增幅大于坡度為15°；降雨強度為20 mm/h和60 mm/h時坡度為15°坡面土壤的產(chǎn)沙率增幅大于坡度為30°，降雨強度為100 mm/h和220 mm/h時坡度為30°坡面土壤的產(chǎn)沙率增幅大于坡度為15°；但是在降雨強度為220 mm/h時坡面土壤產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率都有激增的突變現(xiàn)象，表明從單因素分析產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率時可知，在降雨強度為220 mm/h時受降雨強度與坡度的相互作用影響，降雨強度對坡面土壤侵蝕的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的影響遠大于坡度。

(3) 通過分析降雨過程中廢棄尾礦壩坡面土壤侵蝕過程中的水沙關(guān)系，結(jié)果表明：坡度為15°的尾礦壩坡面土壤侵蝕過程中水沙關(guān)系趨勢是由水少沙少向水多沙多轉(zhuǎn)變，坡度為30°的尾礦壩坡面土壤侵蝕過程中水沙關(guān)系趨勢是由水多沙少向水多沙多轉(zhuǎn)變，且降雨強度為20 mm/h、60 mm/h和100 mm/h時不同坡度坡面土壤產(chǎn)沙率對坡面產(chǎn)流變化的敏感性表現(xiàn)為15°>30°，降雨強度為220 mm/h時不同坡度坡面土壤產(chǎn)沙率對坡面產(chǎn)流變化的敏感性表現(xiàn)為30°>15°。

(4) 坡度為15°的細溝侵蝕階段尾礦壩坡面土壤的徑流功率是初始侵蝕階段的2.44～4.77倍左右；坡度為30°的細溝侵蝕階段尾礦壩坡面土壤的徑流功率是初始侵蝕階段的3.09～10.37倍左右。在相同降雨強度下，不同坡度坡面土壤的挾沙能力及抗侵蝕能力表現(xiàn)為15°>30°，該現(xiàn)象在降雨強度為60～220 mm/h范圍內(nèi)尤為明顯。結(jié)果表明：徑流功率是優(yōu)于徑流剪切力的可用于描述尾礦壩坡面土壤侵蝕動力機制的水動力參數(shù)。