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神府东胜煤田不同下垫面侵蚀动力过程及新增水土流失研究

罗婷  
【摘要】:神府东胜煤田是世界七大煤田之一,是我国重要的优质煤与能源重化工基地,主要以露天和井工开采为主。煤田在开采过程中大量扰动破坏原生地貌,修建运煤专线,剥离地表采石取料,产生了大量的扰动地面、土质生产道路、弃土弃渣、高陡边坡等不同类型的下垫面,加剧了土壤侵蚀程度与生态环境恶化,造成了严重的水土流失,引起了社会各界的高度关注。而对矿区水土流失的专门实验研究又极其薄弱,水保方案编制的国家需求又迫切需要这一方面的科学数据,因此,本论文针对神府东胜煤田开发引起的严重新增水土流失问题,以原始地面、扰动地面、非硬化土路和弃土弃渣为研究对象,采用野外放水冲刷试验的研究方法,系统分析研究了神府东胜煤田开发建设中不同下垫面的侵蚀产沙、水动力学特征、新增水土流失规律和弃渣体坡面的防蚀效应,对矿区水土流失防治和区域生态环境建设提供科学依据,具有重要的科学意义和应用价值。取得了以下主要研究进展: (1)在不同的放水流量条件下,原始地面、扰动地面、非硬化土路和弃土弃渣体下垫面的径流率均随时间呈平稳的变化趋势。在一定放水流量和坡度条件下,径流率随坡度和放水流量的增大而增大;含沙量和产沙量均随时间而减小,随坡度和放水流量的增大而增大。 (2)原始地面、扰动地面和非硬化路面的水流剪切力、水流功率和阻力系数,在不同的放水流量条件下随时间均呈逐渐增大的趋势,而弃土弃渣体坡面的水流剪切力和水流功率均呈稍减小的趋势,阻力系数则在一定水平上上下波动;在一定坡度条件下,不同下垫面的水流剪切力和水流功率随放水流量的增大而增大,阻力系数随放水流量的增大而减小;在一定放水流量条件下,原始地面的水流剪切力和水流功率随坡度的增大而增大,阻力系数在放水流量为5L/min时,随坡度的增大呈先减小后增大的趋势,放水流量为25L/min时,呈先增大后减小的趋势,其余放水流量条件下,均呈稍增大的趋势。扰动地面和非硬化路面的水流剪切力、水流功率和阻力系数随坡度的增大均呈增大的趋势。 (3)不同下垫面的土壤剥蚀率随水流剪切力和水流功率的增大而增大,随阻力系数的增大而减小。在原始地面上,土壤剥蚀率与水流功率呈线性关系;在扰动地面和非硬化路面上,土壤剥蚀率与水流剪切力、水流功率均呈线性关系;在弃土弃渣体坡面上,土壤剥蚀率与水流剪切力呈线性关系,与水流功率呈指数函数关系,与阻力系数呈幂函数关系。 (4)不同下垫面上产生的土壤侵蚀量均随径流量的增大而增大。原始地面、扰动地面和非硬化路面的土壤侵蚀量与径流量之间均呈幂函数关系,弃土和沙多石少弃渣体坡面呈线性关系,沙少石多弃渣体坡面呈指数函数关系;原始地面、弃土坡面的平均土壤侵蚀量分别为最小和最大。不同下垫面的平均土壤侵蚀量大小顺序依次为弃土沙多石少弃渣沙少石多弃渣非硬化路面扰动地面原始地面。扰动地面、非硬化土路、弃土、沙多石少和沙少石多弃渣体坡面的水土流失量较原始地面分别增加了4.35倍、4.41倍、45.27倍、19.61倍和10.61倍。 (5)在一定放水流量条件下,对沙多石少、沙少石多弃渣和煤矸石坡面实施种草和鱼鳞坑防护措施后,径流含沙量和产沙率明显低于未做任何防护措施的,并且在整个放水冲刷过程中,径流含沙量和产沙率均随时间呈波动减小趋势。实验条件下,各坡面的平均含沙量和产沙率的大小顺序依次为:无防护种草鱼鳞坑,鱼鳞坑的减沙效果优于种草。


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