摘要
露天采矿造成规模和数量巨大的弃土弃渣排土场，成为矿区独特显著的地貌景观之一。平台-边坡系统是排土场的基本地貌单元，平台经车辆反复碾压导致土表致密、平坦，边坡坡面陡峭，结构松散易蚀。排土场平台径流汇集量大且急促，常常导致边坡发生细沟甚至剧烈的切沟侵蚀，造成矿区严重的水土流失和生态环境退化，但目前关于排土场平台-边坡系统的土壤侵蚀过程研究仍十分薄弱。研究排土场平台-边坡系统侵蚀演化过程和侵蚀产沙规律，深入揭示其水动力机制，对矿区排土场水土流失防治具有十分重要的科学意义。因此，本文在对陕北矿区排土场实地调查基础上，以典型露天煤矿排土场平台-边坡系统为研究对象，采用野外放水冲刷试验、降雨+放水冲刷试验方法，研究排土场平台（2°、2m）-边坡（35°、6m）系统在有、无降雨（50mm·h-1）及不同放水流量（48L·min-1、60L·min-1、72L·min-1和84L·min-1）条件下的水力侵蚀演化特征、产流产沙过程和水动力过程，揭示排土场平台-边坡系统水力侵蚀机制，为陕北露天矿排土场平台-边坡系统侵蚀治理提供理论依据。主要研究结果如下： （1）放水冲刷条件下，48L·min-1流量时平台-边坡系统的侵蚀演变过程依次为片蚀和细沟侵蚀，以细沟侵蚀为主，60~84L·min-1流量下系统侵蚀演变过程依次为片蚀、细沟侵蚀和切沟侵蚀，以切沟侵蚀为主；降雨+放水冲刷条件下，48L·min-1流量时出现切沟侵蚀阶段。在2种试验条件下，平台平均沟深、沟面积均小于边坡，平均沟宽大于边坡，侵蚀沟沿平台至边坡坡脚呈“宽浅-窄深-宽浅”式发展；边坡上部和中部是主要侵蚀区，分别占总侵蚀体积的23.0%~45.0%和18.9%~33.8%。在降雨+放水冲刷条件下，平均沟深、平均沟宽、宽深比和沟面积较仅放水冲刷时大，分别增加了0%~38.2%、41.6%~150.2%、29.4%~144.8%和40.5%~121.9%。 （2）在放水冲刷和降雨+放水冲刷条件下，平台、边坡产沙率分别为19.35~49.12g·s-1、21.25~59.90g·s-1和205.91~331.01g·s-1、347.44~542.77g·s-1，边坡产沙率均大于平台，分别高达平台的6.74~10.64倍和8.31~15.16倍；平台细沟侵蚀产沙量占总产沙量的91.1%~96.5%和91.0%~94.1%，边坡切沟侵蚀产沙量占总产沙量80.8%~91.6%和80.8%~94.9%。2种试验条件下的径流率差异性不显著（P＞0.05），但降雨+放水冲刷条件下的边坡和平台-边坡系统侵蚀产沙量较仅放水冲刷显著增大（P＜0.05），产沙量增加值分别为253.55~427.33kg和305.41~444.60kg。 （3）在放水冲刷和降雨+放水冲刷条件下，边坡平均流速、平均雷诺数、平均径流剪切力和平均径流功率分别为0.47~0.58m·s-1、2087.18~4119.05、1.21~2.82Pa、0.48~1.36W·m-2和0.47~0.53m·s-1、2087.18~4119.05、46.55~73.76Pa、26.29~42.52W·m-2，边坡水动力学参数均大于平台，分别是平台的1.02~1.52倍、1.56~2.81倍、20.60~38.53倍、21.19~57.99倍和1.07~1.40倍、1.13~2.31倍、12.02~30.11倍、17.84~33.51倍；径流流态均属于紊流范畴（Re＞500）。当径流经过平台汇流后到达地形陡变的特殊位置时，径流流速、紊动性、径流切应力和径流能量均增大。降雨+放水冲刷条件下，平台和边坡的流速、雷诺数、径流剪切力、径流功率较仅放水冲刷下增大，分别增加了2.0%~11.3%、12.3%~84.3%、35.5%~107.3%、36.7%~106.2%和-10.7%~9.5%、13.9%~38.1%、9.7%~33.1%和23.2%~42.0%。 （4）在放水冲刷和降雨+放水冲刷条件下，平台产沙率与平台沟宽、沟面积显著相关（P＜0.05）；边坡、系统产沙率与边坡、系统的各侵蚀形态参数均呈极显著相关（P＜0.01），其中沟面积和沟宽是与排土场平台-边坡系统产沙率相关性最显著的形态参数。不同侵蚀阶段产沙率均与径流剪切力、径流功率呈显著线性函数关系（R2冲刷?=0.18~0.25，R2冲刷?=0.19~0.32，R2降雨?=0.28~0.65，R2降雨?=0.20~0.64，P＜0.05）。同一侵蚀阶段下，边坡上径流剪切力和径流功率所对应的土壤可蚀性参数大于平台，边坡细沟侵蚀阶段径流剪切力和径流功率所对应的土壤可蚀性参数是平台的1.92倍~4.05倍和1.03倍~1.08倍；边坡上，切沟侵蚀阶段径流剪切力和径流功率所对应的土壤可蚀性参数小于细沟侵蚀阶段，减幅分别为1.9%~57.5%和37.8%~41.1%。
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