（环境科学专业论文）地下采煤项目水土流失预测研究.pdf

地下采煤项目水土流失预测研究 a b s t r a c t u n d e r g r o u n dc o a lm i n i n gp r o j e c t sc o n t r i b u t et ot h el o s so fw a t e ra n ds o i lw h i c hh a s s e r i o u s l yd e s t r o y e dt h el o c a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h et y p e so fw a t e ra n ds o i l l o s si n c o a lr e s o u r c e se x p l o i t a t i o na r ec o m p l e xa n dd i v e r s e e s p e c i a l l y , t h e r ea r ec o n t r o v e r s i e s a b o u th o wt of o r e c a s tm a n - m a d el o s sa r e aa n da d d i t i o n a ll o s sq u a n t i t yw h e np e o p l ed r a w u pw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o np r o j e c t t h i st h e s i si st oe l a b o r a t et h ek e yi s s u e sr e l a t e dt o w a t e ra n ds o i ll o s si nx i q uc o a lm i n ea n ds t u d yt h et e r ma n dl a wo fw a t e ra n ds o i ll o s s c o m b i n i n gw j t hp r o s p e c t i v ec o n t e n t sa n dm e t h o d so fo t h e rw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o n p r o j e c t s ，i te s t a b l i s h e st h ee q u a t i o no ff o r e c a s t i n gg a n g u el o s sa n ds u b s i d e n c ea r e al o s si n u n d e r g r o u n dc o a lm i n i n gp r o j e c t s 。 d i r e c t i n ga tf e a t u r eo fl o s s ，t h et h e s i sa t t e m p t st of o r e c a s tc o a lg a n g u et a k eu pa r e a ， s u b s i d e n c ea r e a , a d d i t i o n a lq u a n t i t yo fl o s s ，a n dt h ef i r s tf o r e c a s tc o n t a m i n a t i o no w i n gt o w a t e rt h a tm i n e r a lp i t se j e c ta n dc o a lg a n g u el e a c h e s t h i st h e s i so f f e r ss c i e n t i f i cg i s tf o r r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n to ft h ew a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o nm e a s u r e s a tt h es a l n et i m e ，i t m a k e sm e a s u r e m e n t st os u p e r v i s ea n de x e c u t et h el a wi nw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o n o n t h eo n eh a n d ，i to f f e r st h eb e t t e rs c i e n t i f i cp r o s p e c t i v em e t h o dt h r o u g ht h i sr e s e a r c h ， p r o s p e c t i v ec o n t e n t s ，p r o s p e c t i v ep r o c e s s ，o nt h eo t h e rh a n d ，i to f f e r sr e f e r e n c ef o rw a t e r a n ds o i ll o s sf o r e c a s ti no t h e rd e v e l o p i n ga n dc o n s t r u c t i o np r o j e c t s k e y w o r d ：u n d e r g r o u n dc o a lm i n i n g w a t e ra n ds o i ll o s sf o r e c a s t e q u a t i o n s u b s i d e n c ea r e ac o a lg a n g u e 翱辩浚 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为 获得中南林学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：王东晖 抄r 年i 月o 日 翱辩浚混 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、 不保密日。 ( 请您在以上响应方框打“4 ”) 作者签名： 口产年6 月i 、，日 毛暮向晕 导师签名：刁勿嘞 妒年多冠日 地下采煤项目水土流失预测研究 绪论 众所周知，当今全球存在三大环境问题：人口爆炸、环境污染和自然资源的枯竭 与破坏。水土流失是水土资源的破坏问题，水土资源是人类赖以生存的物质基础，水 土流失对国民经济的持续发展和自然生态环境的平衡构成了严重威胁。在人类漫长的 生殖繁衍的岁月里，人口生产与生产力水平很低，即使是战争频繁破坏，人类对自然 的需求和生态的破坏干预都很有限。人类不合理地开发利用自然资源的活动加速了土 壤侵蚀的地质过程。历史证明：“玛雅文明”的突然消失、中东( 美索不达米亚流域 沙漠化和我国的黄河流域变成“大动脉出血”( 美国巴尔尼博士来华观后感叹) ，无不 与严重的水土流失有关。现代科学技术飞速进步，生产力的高度发展，人类干预自然、 改造自然的能力前所未有地增加，而“人口爆炸”与自然资源的有限性迫使人们过度 地使用水土资源和过分地向大自然索取。于是森林过伐、土地滥垦、造成大面积水土 流失。草场退化、沙化，河道水库淤塞，洪灾频繁。人类活动对自然的冲击和破坏大 大超过自然生态系统自我恢复能力所允许的限度【1 】。美国“世界观察研究所”发表的 世界形势报告( 1 9 8 4 ) 中指出：“土壤侵蚀是对世界经济的长期威胁。迫使世界经济趋 向不可持续发展的道路”。从而使全球认识到，人与水土资源的关系从来没有象现在 这样休戚相关【“。我国近几年经济的发展，各类开发建设项目纷纷上马，在给国家和 社会创造财富的同时，也给生态环境造成了一定的破坏，产生了大量的水土流失，为 控制日益严重的人为水土流失，中华人民共和国水土保持法中明确规定：开发建 设项目必须实行“三同时”制度。 随着水土流失发生地点范围的变化，水土保持科研的对象也发生了变化。对水土 保持科研的领域不能囿于山区、丘陵区和农业、农村。2 1 世纪国家要加强各类基础 设施建设和资源的合理开发以及城市化进程，特别是要实施西部大开发战略，如果我 们在观念和指导思想上不创新，不能把水土保持工作扩展到一切产生水土流失的区 域，不仅水土保持工作不能蓬蓬勃勃开展起来，而新的水土流失将大量产生。实践证 明，在城市建设、交通( 包括公路、铁路、机场、码头) 、矿山、水电等领域的建设和 开发利用中，人为造成的水土流失是严重的。我们不能再停留在原有观念和指导思想 上。非农领域各项开发建设过程产生水土流失的规律的研究；各项开发建设土壤侵蚀 标准的研究；各个水保新分支的综合治理技术，快速覆盖技术的研究等等【3 】。 目前，我国的开发建设项目的水土保持方案的编制工作已走上f 轨，其研究也有 一定的进展，但在方案的编制过程中，对水土流失的预测一直存在着争议，而且，丌 发建设项目的类型复杂，所产生的水土流失形式多样，建立一个科学的预测方程，科 地下采煤项目水土流失预测研究 学准确地对其进行预测，对于保证水土保持方案的合理、可行是非常必要的，在今后 的方案编制过程中有着广阔的应用前景。 l 我国水土流失现状 我国是一个水土流失严重、水旱灾害频繁的国家。土壤的大量流失，不仅严重影 响农业生产，而且泥沙淤积河道及水利工程，危及下游防洪安全。水旱灾害历来是中 华民族的严重忧患。因此，防治水土流失，是一项功在当代，利及千秋的长期的战略 任务，需要几代人坚持不懈地艰苦奋斗，无私奉献，才能达到预定的目标【4 1 。 根据水利部公布的全国第二次遥感调查( 1 9 9 9 年) 结果，中国的水土流失( 陈 雷，2 0 0 2 ；中华人民共和国水利部，) 具有以下特点： 一是分布范围广、面积大。中国水土流失面积3 5 6 万k m 2 ，占国土面3 7 ，其中 水力侵蚀面积1 6 5 万k m 2 ，风力侵蚀面积1 9 1 万k m 2 。( 其中黄河流域水土流失状况 最为严重，现己达4 5 万k m 2 ，占流域面积的6 0 。) 二是侵蚀形式多样，类型复杂。水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀及滑坡、泥石流 等重力侵蚀特点各异，相互交错，成因复杂。西北黄土高原区、东北黑土漫岗区、南 方红壤丘陵区、北方土石山区、南方石质山区以水力侵蚀为主，伴随有大量的重力侵 蚀：青藏高原以冻融侵蚀为主；西部干旱地区风沙区和草原区风蚀非常严重：西北半 干旱农牧交错带则是风蚀水蚀共同作用区。 三是土壤流失严重。据统计，中国每年流失的土壤总量达5 0 亿t 。长江流域年土 壤流失总量2 4 亿t ，其中上游地区达1 56 亿t ：黄河流域黄土高原区每年进入黄河的 泥沙多达1 6 亿t 。 日趋严重的水土流失和不断恶化的生态环境，向人类提出了前所未有的挑战。 2 我国工矿区开发建设项目的水土流失现状 工矿区是工程建设区、工厂和矿区的总称，是指国土范围内修筑公路、铁路、水 利工程和开办矿山、电力、化工、石油等工业企业以及采矿、取石、挖砂等建设活动 的场地。工矿区、尤其是矿区，是国土范围内生态环境破坏最为严重的区域，也是国 土范围内土地复垦与生态重建的重点和难斟5 1 。 以土地破坏为核心的生态环境问题，已对工矿区人类的生存空间及社会经济的可 持续发展构成巨大威胁我国具有世界最大的人类活动规模和强度，而且越是接近现 代，越超过世界各国的人类活动的平均规模和强度。例如，全世界人类活动的规模总 量，如果以其每年搬动和运移土石的数量为标志，全世界的总量达1 3 6 0 亿吨，而我 地下采煤项目水土流失预测研究 国平均每年搬动和运移土石的数量达3 8 1 7 亿吨，占全世界的2 8 1 ，远高出国土面 积占全球7 和人口数量占全世界2 2 的比例。全世界平均每人每年搬动土石的数量 为2 2 7 吨，而我国平均每人每年搬动土石的数量为3 1 8 吨，是世界平均值的1 4 倍。 另外，资料表明，人类活动每年所引起地球表面物质运移的数量约等于自然状态下， 每年从河川径流中搬运泥沙的1 7 倍。从世界范围内总体评价，如果人类活动所致的 岩石土壤移动高出自然状态下岩石土壤运移的4 5 倍，尚可列入f 常的人类活动强度 范围。我国的人类活动强度要比世界平均范围高出3 0 3 5 倍【6 1 。 这些人类活动主要发生在矿产资源开发与加工利用、公路铁路建设、水利水电工 程建设、城市建设等人口和经济密集的工矿区。以上资料表明，在人类社会迅速发展 的今天，存在着一对永恒的矛盾，那就是一方面必须大量地从生态系统中索取资源， 束满足经济发展的需求；另一方面又必须采取措施，整治此种经济活动诱发的土地破 坏和生态退化，来保证人类社会的可持续发展。1 7 据统计，到1 9 9 5 年底，我国矿山生产企业为1 2 万多个，其中煤炭生产企业7 5 9 0 0 多个，全国建成的国有重点煤矿生产基地1 0 4 个，国有地方煤矿1 8 0 3 个，乡镇煤矿 7 2 9 0 0 多个，共生产1 2 9 亿吨原煤。其中全国2 3 0 0 县( 市) 中，有煤矿生产企业 1 2 0 0 多个 ”。由此可见，煤炭等矿产资源的开采对我国环境的影响的范围是非常广泛 的。资料统计显示，1 9 9 4 年世界一次能源消费中，化石能源( 煤炭，石油，天然气) 占9 0 以上，在我国的社会经济生活中一次能源消费结构中，煤炭占7 5 ，煤炭在 二十一世纪仍将是我国的主要能源，可以看出煤炭资源的开发对国民经济增长提供了 重要的能源保障。但在矿产资源开发，特别是煤炭资源的丌发中，在给国家提供大量 的能源和原材料，创造了巨大物质财富，为国民经济的快速发展提供了巨大的能源保 障的同时，却给环境带来了严重的破坏和污染，给矿区人民的生产、生活环境所产生 的影响尤其严重【8 j 。我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭产量1 9 9 7 年己达1 3 3 亿 吨，居世界第一位，占我国矿山开采量的9 0 以上，其中井工开采产量约占9 4 ， 在能源结构中煤炭占7 5 左右。【9 】仅全国国有重点煤矿，到1 9 9 4 年底累计破坏土地 约3 0 0 万h a 【l j ，煤矸石和粉煤灰等固体废弃物累计占压耕地约1 3 0 一2 0 0 万h a 。如 以每万吨采煤塌陷土地o ，2 o 3 h a 推算，全国每年新增塌陷地2 7 4 1 万h a ，造成 煤矿区的建设和农业用地紧张，人地矛盾突出i l 。 矿区水土流失有自然原因和人为因素，实践证明，水土流失是区域自然条件和不 合理的社会经济活动相互作用的结果，它基本规律是：能否发生和加剧水土流失，取 决于降雨、地形、土壤、植被等方面和情况。由于矿产资源的开发，产生了大量的松 散固体废弃物，破坏了地表的植被资源，同时地表塌陷或排土场堆置，改变了原有的 地下采煤项目水土流失预测研究 地形地貌，为水土流失人为地创造了条件；另外由于矿区的开发，新迁入大量的人口， 增加环境容量承载力，加剧了水土流失的发生。我国的大型煤田多数处于水土流失易 发生区。如山西煤田相当部分分布于黄土高原之中，这些地区地形破碎，千沟万壑， 水土流失十分严重，属黄河中游侵蚀最强地区之一，年土壤侵蚀模数一般为 7 5 0 0 t k m 2 左右，最高达1 4 0 0 0 t l k m 2 ，水土流失面积3 2 8 6 9k r n 2 ；占全省水土流失面 积的3 4 6 ，而流入黄河的1 3 条支流及其区间的泥沙量却达3 5 + 1 0 8 t ，占全省总输沙 量的7 7 8 【i ”，煤田所在地一般土层深厚、地貌复杂，这是造成水土流失严重的下 垫面条件，而雨量集中且多暴雨，则是产生土体流失的主要动力。 3 开发建设项目水土保持与传统水土保持 3 1 水土保持起源背景 从水土保持的起源背景来看，传统水土保持集中在农村，研究历史长，科学试验 和生产实践的数据资料较完备，理论和方法独具特色。开发建设项目水土保持集中在 城市、城镇、工业开发区，其研究刚刚起步，许多问题亟待研究解决，尚无成熟的理 论来指导生产1 2 1 。 3 2 水土流失外营力 传统水土流失是指由水、重力和风等外营力引起的水土资源和土地生产力的破坏 和损失。开发建设项目造成的水土流失是以人类生产建设话动为主要外营力形成的特 殊水土流失类型，是人类建设活动过程中扰动地表和地下岩土层、堆置废弃物、构筑 人工边坡以及排放各种有毒有害物质而造成的水土资源和土地生产力的破坏和损失， 是典型的人为加速侵蚀。其形式复杂多样，包括建设项目主体建设区和直接影响区的 水资源及其环境的破坏和损失、各类固体物质的流失。此类水土流失与原地貌条件下 的水土流失存在着天然联系，但也有着明显的区别。 3 3 水土流失的侵蚀形式 传统水土流失以自然地貌的侵蚀形式为主，人为加速侵蚀主要是毁林毁草、开垦 荒地造成的：开发建设项目水土流失是一种极为剧烈的人为加速侵蚀，形式非常复杂。 其特殊性表现为：一是水循环系统和水资源的破坏与损失，二是侵蚀搬运物质复杂化， 三是人为诱发水土流失严重。四是特殊的水土流失形式”1 。 地下采煤项日水土流失预测研究 4 煤矿开发建设项目的水土流失特点 4 1 地域的不完整性 开发建设项目区根据其资源分布和建设需要，生产建设区域一般都不是完整的一 条流域或地域。 矿山开发建设项目一般包括矿山开采和矿石后处理( 洗选、冶炼等) 两部分。矿山 开采按其开采方式又可分为露采和坑采两大类。其中，矿石后处理部分与一般工业项 目相同，主要环境问题是污染物排放问题，而矿山开采部分既有环境污染问题，又有 生态破坏问题【”】。如矿业生产破坏了原有的地形地貌，交通等工程穿山越水影响的是 一条线。由于地域的不完整性，决定了不能按以往的方式即以完整的自然单元进行整 治的做法，而是要因地制宜，采取各种相应的措施进行防治。 4 2 水土流失过程的不均衡性 开发建设项目造成的水土流失不像原生侵蚀那样，按自然侵蚀规律发生发展，而 是具有突发性，在造成水土流失的过程中，有强烈、有轻微，往往是开始建设时造成 十分严重的水土流失，到生产时期保持一个相对稳定的侵蚀量级。因此，在防治水土 流失措施的布局和实施时序上与常规治理不同，要因时制宜。 4 3 水土流失危害的多异性和潜在性 由于生产企业类型不同，造成的水土流失形式和危害也各不相同，地面生产项目 主要是通过对地形地貌及地表的破坏加剧水土流失，而一些地下生产项目如采油、汽、 并采煤等，除部分地面扰动外，更长期的是通过对地层、地下水等的影响，间接的使 地面植被退化，地面塌陷，从而加剧了水土流失，因而其危害具有潜在性。 5 开发建设项目水土流失预测的概念、内涵、外延 开发建设项目水土流失预测就是应用人们对水土流失的认识和掌握的规律，根据 开发建设项目的总体布局、生产工艺和施工工艺，特别是扰动和破坏地面、弃土弃渣 等情况，在全面调查的基础上。经过综合分析，对可能产生的水土流失做出预估和推 测。水土流失预测的内涵实质上是对开发建设项目可能造成水土流失的形式、原因、 程度、危害和水土流失量进行预估和推测，目的是为水土保持措施布局提供依据。同 时，应对可能破坏的水土保持设施和降低水土保持功能的设施的数量、面积或工程量 地下采煤项目水土流失预测研究 进行预测，为水土流失补偿费的计算提供依据。其外延就是对开发建设项目可能造成 具有较大危害的水土流失进行定性和定量的分析。为项目主体工程选线、选址、总体 布局和局部工程设计提供修正意见，如果由于水土流失可能造成难以挽回的重大经济 损失或重大环境危害，水土流失预测应为主体工程设计的修改或否决可行性提供充分 的理由【”1 6 o 6 开发建设项目水土流失的预测内容 开发建设项目水土流失预测内容在不同的方案设计阶段有着不同的着重点。水土 流失预测内容包括：挖损、占压和破坏原地貌利植被情况的预测，对水土保持设施破 坏情况的预测、弃土弃渣量及其堆放位置、数量和高度等的预测。新增水土流失量的 预测，水土流失危害预测，水土流失全面分析和评价等。水土流失预测的侧重点应根 据项目不同设计阶段的要求和项目的具体情况来确定，一般可行性研究阶段注重水土 流失影响的综合分析和水土流失危害的估判，设计阶段则侧重于明确的定量或半定量 分析。 7 水土流失预测方法 开发建设项目引发土壤流失的因素和流失分区建设项目可能造成新的土壤流失 的因素通常包括3 个方面：一是开挖造成植被破坏和表土剥离，使土壤的抗侵蚀能力 减弱，造成土壤流失强度加大；二是项目建设堆弃的土石渣抗侵蚀能力弱，极易在降 雨和径流作用下产生流失；三是料场开挖、建设占地和库区周围冲刷等降低了边坡稳 定性，容易引起塌陷、滑坡甚至在雨季产生泥石流 1 ”。流失分区可以根据建设项目的 功能区或土壤流失类型、土壤流失方式等进行划分，但最好是将流失分区与流失类型、 流失方式、水土保持措施布设分区等相互联系起来进行联调。所谓联调，是指将流失 量预测分区的划分与原生土壤流失类型和流失方式、项目功能区、水土保持防治分区 的划分结合起来进行，其中一个分区变化时，其他分区也需要进行相应的调型“j 。 7 1 对原地貌、植被、土地和水土保持设施破坏情况的预测 对原地貌、植被、土地和水土保持设施破坏情况的预测关系到水土流失量的多少。 采用实地调查和图面直接量测相结合的方法进行。首先采用实地调查法获得土地利用 现状和各种设施的背景值。然后来用图面测法推算可能破坏程度和数量”】。 6 地下采煤项耳水十流失预测研究 7 2 对弃土弃渣的预测 出于弃土弃渣堆放高度、位置与其稳定性和可能的冲刷量有直接的关系，因此对 弃土弃渣的预测，不应简单地看作是数量的预测，应包括位置、占地面积、数量、堆 高等多方面的预测7 。“。预测应通过查阅项目技术资料及观测或类比调查方法结合 进行，特别注意项目的挖填平衡、松散系数、剥采比或产品产量与弃土弃渣的关系、 数目与堆高和占地面积的关系、不同位置的堆放要求等。现在有些方案中采用弃土弃 渣总量( 体积或重量) 乘以0 3 左右的流失系数，得到预测的弃土弃渣流失量，这样造 成的误差较大1 2 ”。 7 3 新增水土流失形式和水土流失量预测 开发建设项目新增水土流失量探讨目前，在编制水土保持方案时，人们对新增水 土流失量的模糊认识是。开发建设项目由于其基本建设破坏原地貌和生产运行弃渣改 变原地貌从而造成水土流失量的增加值。这些破坏和改变都是人为对自然地貌施加的 影响，由于这些影响才使得水土流失加剧，造成了人们通常所说的人为水土流失1 2 4 - 2 6 1 8 水土流失预测时段 预i 贝 | 时段和可能造成的土壤流失量预测时段对于土壤流失面积与流失分区非常 重要，不同功能区的流失面积随项目建设进度而发生变化。其表现为：不同的功能区， 流失得以发生和得到控制的时间不同；同一功能区，流失面积随建设迸度( 包括扰动 原生态景观和水土保持措施布设) 而发生变化。因此，在预测土壤流失量时，必须研 究预测时段 2 72 引。 水土流失的预测时段应与水土保持方案的服务年限橱结合。开发建设项目的建设 期一般不会太长，几年内基本完成，水土保持方案也应与其相适应，开发建设项目完 成之日，也应是水土保持方案实施竣工之同，因此水土保持方案的服务年限与主体工 程建设期应相同。另一类是资源开发性建设项目，如制砖、采矿等，这类项目除在建 设过程中造成新的水土流失，在生产期间将继续产生新的人为水土流失。其生产期， 一般都在几十年甚至更长，但由于我国经济体制的不断变化，企业的状况也在发生变 化，因此水土保持方案不可能服务几十年甚至更长时阅。根据目女f 水土保持生态环境 建设的需要，这类生产建设项目其水土保持方案的服务年限一般应为1 0 1 5 年，最 长不超过2 0 年，根据方案确定的服务年限对水土流失进行预测l 。 7 地下采煤项目水土流失预测研究 做水土流失预测时，一般都根据( 开发建设项目水土保持方案技术规 范) ( s l 2 0 4 - 9 8 ) ，把预测分为基本建设期和生产运行期两个时段，并把建设期作为预测 的重点。其中基本建设期为施工工期，生产运行期即为林草植被恢复期( 一般取2 3 年1 。但是随着人们对开发建设项目环保意识的增强、建设施工中“三同时”措施的 落实，主体工程施工中不同阶段及相应水保措旌对水土流失状况会产生很大影响【3 0 l 。 用二维法( 时间、空间) 对水土流失量进行预测，在时间维上，按施工阶段进行分 期预测，在每个施工阶段内，根据其旌工内容、水保措施情况，来预测本阶段内产生 的水土流失量。在空间维上，按水土流失特点进行分区预测f 3 0 】。 9 水土流失预测范围 科学准确地界定开发建设项目水土流失防治的责任范围，对合理编制开发建设项 目水土保持方案，水土保持监督管理部门实旌有效的监督检查，切实控制人为水土流 失，有着重要的意义 3 1 1 。 煤炭开采项目建设区：主要包括采掘场区，运煤、选煤、洗煤、破碎、机修、仓 储等工业广场区，拉沟开工及内外排土场、矸石场区，专用铁路、公路等运输系统， 疏干水工程、矿区排水工程区，取水水源及输水工程区，办公、生活区，待开采区等。 直接影响区：河流改道工程，下游防洪区，周边防粉煤灰工程【3 2 1 。 开发建设项目在生产和建设过程中造成的水土流失是否超过规定的土壤容许流 失量，是界定丌发建设项目有无水土流失防治任务的量化标准1 3 3 。 1 0 开发建设项目水土流失预测研究现状 水土流失预测定量研究开始于1 9 世纪4 0 年代，如z i n g g ( 1 9 4 0 ) 的坡长、坡度 因子分析 3 4 1 ，史密斯( 1 9 4 1 ) 进了作物和土壤保持因子口5 1 。e i l l i s o n ( 1 9 4 7 ) 引入土壤可 蚀性，降雨击溅能量与土壤侵蚀的关系【3 。 美国的威斯迈尔和史密斯( w i i s c h m e i e r 和d s m i t h ) 在上述基础上通过系统 整理分析全美l 万多个小区试验资料，得出了著名的通用土壤流失方程( u s l e ) ： 3 7 】 a = r k l s c p 式中：r 为气候固子。k 土壤抗蚀园子，l s 为地形固子，c 为植被覆盖因子，p 为保 土措施因子【3 5 t 38 1 3 9 1 。进入9 0 年代后，美国水土保持局又在u s l e 的基础上发展了修 正的通用土壤流失方程( r u s l e ) 。在土壤侵蚀预测的研究和应用中更进了一步，并 应用大容量计算机，采用模型软件包f 4 伽。g u y 则在这个过程中研究了冲蚀与溅蚀的定 量关系【4 ”。h u d s o n 通过对非洲侵蚀性降雨研究建立了土壤侵蚀量与土壤类型、坡长 和坡度的关系 4 2 1 。在针对坡面侵蚀模型方面，k n i s e l 主张一个坡面基本单元按照一 r 地下采煤项目水土流失预测研究 定的标准来划分建立模型【43 1 。e l w e l l 把环境分为气候、土壤、作物、地形四个自然系 统，从而建立坡面土壤侵蚀模型l 。a g a s s i 认为要把结皮和低入渗率作为影响坡面侵 蚀模型的重要因子 45 1 。m o o r e 和s i n g e r 用径流形成前、形成中、形成后三个阶段来 解释侵蚀过程，进而说明侵蚀模型的建立也应分为三个阶段【4 6 】。m 对侵蚀的过程分 别进行了定量的描述，提出了细沟和细沟间侵蚀的概念，用方程描述了水流分离速率 和泥沙荷载之间的关系 4 7 - 4 9 】。f 在此基础上建立了l i s l e 侵蚀方程【5 05 ”。k 建立了 考虑养分和化学物质的水土流失和化学物质的流失模型【5 “。澳大利亚的m 在h 所提 出的坡面水流侵蚀理论的基础上，建立了g u e s t 模型考虑了有无细沟的侵蚀过程 1 5 3 - 5 6 。l i s e m 作为一种基于过程的流域水文和土壤侵蚀模型也得到了广泛的应用【5 7 。 近年来，各国的土壤侵蚀及其模型研究者致力于从土壤侵蚀出发，研究适合于当 地的预测模型，欧洲流失方程即为一例【5 。这一模型从研究产生侵蚀的过程入手( 包 括降雨的植被截留量。土壤表面状况，径流的产生，雨滴的溅蚀和径流的冲蚀及运送 能力) ，来预测土壤侵蚀量。吴长文等( 1 9 9 4 ) 1 5 9 1 从侵蚀的水动力学原理出发，利用 一维水流模型，把导出的坡面流近似模型与侵蚀基本方程耦合求解，得出了坡地侵蚀 的数学模型。该模型既适合缓坡，亦适合陡坡，既可用于坡度变化的裸露坡面，又可 用于有植被的林地、农地。但由于它是一种数学解析模型，因而限制条件较多。它不 适于坡度变化的复合坡面，对不同耕作措旌的情况亦未作深入研究，模型参数的选取 还应做大量的工作，但是这一思路可作为今后的研究方向。由美国林业局和土地管 理局共同主持的w e p p 水蚀预测模型【6 0 】( w a t e re r o s i o np r e d c t i o np r o j e c t ) 是1 9 8 5 年 美国农业部开展的一项侵蚀模型研究，其目标是研究出适于水蚀预报的新一代模型技 术。现已研究出模型的景观剖面版本及其相应的计算机程序( 第一阶段研究) 。现正 在进行项目的第二阶段，其目的是完善模型的流域及网络版本，求出一系列广泛支持 模型的参数值，并研制出一种便干模型应用的计算机软件。由于土地退化对全球生存 环境的严峻挑战，跨区域、多学科和综合性国际侵蚀研究项目应运而生。新近正式推 出的m e d a l u s 模型( 为m e d i t e r r a n e a nd e s e r t l f l c a t l o na n dl a n du s e p r o j e c t 的缩写) 【6 ”，其研究经费预算高达7 0 0 万欧洲货币单位。该项目第一部分的工作是通过野外观 测与试验来观测上壤水分变化，植被生长动态，地表径流与土壤侵蚀等方面的数据。 为理论建模提供必要的基础资料。项目的第二部分是理论模型研究。旨在通过利用野 外观测与试验计划所获取的资料，建立一个从坡地到流域尺度上的、基于物理机理侵 蚀模型。项目的第三、第四部分是寻求防治措施与目标示范区计划。陈晓燕利用w e p p 模型对紫色土水蚀预测进行了研究，得出其不能完全准确预测土壤侵蚀量，能反映出 实际径流发生过程及土壤侵蚀量分布状况，对产沙量预测不太准确。土壤侵蚀研究的 地下采煤项目水土流失预测研究 重要作用是估计土壤流失速度，可以将预测的侵蚀模数与可接受的临界值进行比较， 从而确定土地利用方式。也可以评价不同水土保持措施的作用【6 2 】。 在水土流失的预测研究方面，国内也做了大量的研究，针对开发建设项目水土流 失的研究也有了一定的发展。主要是开发建设项目的水土流失形式、水土流失背景值 的确定、水土流失影响范围、新增水土流失量预测方法等。近几年来，开发建设项目 的水土流失预测方面的研究很多，但大多集中于某一具体的工程的预测。目前开发建 设项i f l 水土流失的定位观测和动态监测数据十分缺乏，如采用方法不妥或参数选取不 当，则会造成很大的误差。1 6 3 蚓焦华富等在全面分析文献的基础上，结合实地调研 的资科，对煤矿区采煤塌陷地土地复垦的基本模式进行了总结，分析了目前土地复垦 过程中存在的主要问题，并提出了相应的对策i l 。王治国等提出了在开发建设项目中 水土流失预测过程中出现的盲目采用数理模型导致预测结果发生偏差或错误。只注重 水土保持设施破坏和水土流失量的预测。忽视其他方面的预测。预测的内容和精度应 根据项目的设计深度，各项目的特点确定，不能教条地使用某一项目的预测。水土流 失包括水蚀、风蚀、重力侵蚀、泥石流等，不能由于水蚀资料较丰富而重视水蚀，忽 视其他侵蚀形式。水土流失特别是水蚀存在着与水文频率相关的问题( 风蚀则与风频 有关) 这在实际预测中很少考虑。主要是缺乏预测基础数据和基本理论。应通过科学 研究来解决等一些问题【】”。高玉华等则提出在对一些参数进行调整后用美国土壤流失 方程进行测算，应用黑龙江省水土保持科学研究所于1 9 9 2 年完成了黑龙江省土壤流 失方程式的研究，提出的方程式各因子的计算参数，在预测黑龙江省开发建设项目时 可适当采用”“。郭锐、薛志敏、刘勇、杜新源据水土保持方案汇编材料和水保方案编 制工作实践发现在开发建设项目水土流失预测时，由于大都采用破坏前的土地类型 进行预测，易造成水土流失面积和土壤侵蚀模数偏小等错误。经以公路建设项目为例 进行对比分析，认为按开发建设过程中造成的新的水土流失形式或土地类型进行预 测，其结果更符合实际 2 。叶翠玲等提出u s l e 是适用于估算缓坡农耕地多年平均土 壤侵蚀量的模型，由于工程建设项目水土流失预到的时段及范围与u s l e 的适用条件 有较大差别，经工程建设施工扰动的上体结构与农耕地的土壤结构有较大差异，因此 工程项目施工引起的水上流失不能直接用u s l e 进行估算【25 1 。李艳平针对地下采煤工 程具有弃渣量大、征地范围与采煤工程涉及范围相差悬殊、对地下水资源破坏大、地 下采空区塌陷具有不确定性等特点。文章对水土流失防治责任范围确定、采煤工程对 水循环系统的影响、采空区塌陷侵蚀等三个问题进行了探讨口舶。丁光敏等介绍了福建 省安溪县铁峰山花岗岩矿区水土流失基本情况，以集水区为单元探讨了水土流失量的 预测，取得了理想结果，并在实际中得到成功应用。在此基础上，提出了露天矿水土 1 0 地下采煤项目水土流失预测研究 流失量的预测不能只针对矿区，而应以集水区为单元进行综合评估，才能合理布置综 合治理措施，进行彻底治理的技术性途径f 3 。王治国等以平朔安太堡煤矿为例，探讨 了岩土侵蚀形式、分布和成因，危害及潜在危险，以排为主，排蓄结合，调节水分， 增强整体稳定性迅速复垦，恢复植被，建立生物工程相结合的控制体系。岩土侵蚀为 岩石黄土混合搬运，侵蚀方式独特，除发生普遍存在的击溅、层状侵蚀外，还存在着 少见的沉陷侵蚀、砂砾化面蚀、土沙流泻、坡面泥石流等侵蚀，根据岩土侵蚀的特点， 将排土场分为三个垂直带，平盘沉陷侵蚀带、边坡砂砾化面蚀、沟蚀重力侵蚀带、坡 脚沉积带。分别进行预测【65 | 。段喜明等对建设中的朔黄铁路山西段沿线的水土流失及 水土保持现状进行了分析，对因修建铁路而新增水土流失进行了预测。新增水土流失 预测以预测水蚀量为主( 黄丘区考虑风蚀) ，对施工区的风蚀量也进行了预测。主要采 用类比和经济分析法，结合实际调查进行。新增土壤侵蚀模数及流失系数的确定f 1 ) 新增土壤侵蚀模数的确定。综合分析各种研究资料及调查成果，经计算确定出铁路建 设工程中不同项目区的土壤侵蚀模数。( 2 ) 弃渣流失系数。弃渣的流失系数参照黄委 会水利科学研究院张胜利教授调查研究结论，施工影响区新增水土流失预测根据确定 的施工影响区面积、原地面土壤侵蚀模数和铁路施工期土壤侵蚀模数，根据弃渣堆放 地点，确定相应的流失系数，采用体积法预测弃渣在施工期内可能产生的水土流失量 m 1 。刘玲研究了矿产丌发建设项目中的地表形态变化预测及环境影响评价是减少生态 环境影响和破坏，落实国家可持续发展战略的重要环节，以马钢龙桥铁矿为例，采用 有限单元法预测地表形态的变化，并对地面变形将产生的环境影响进行全面的分析， 有针对性的提出切实可行的环保措施，为合理地开发矿产资源，有效地保护生态环境 提供科学依据1 6 ”。傅杰结合拟建的丹东至庄河高速公路这一大型工程建设项目，针对 公路建设项目中水土保持设计的若干问题进行了探讨。研究了公路建设项目水土流失 预测的基本内容和方法，在多方查询、请教专家及分析研究的基础上，提出了丹庄高 速公路水土流失预测模型，针对项目不同区域进行了水土流失预测和分析，为水土保 持措施的设计提供了定量依据：根据高速公路项目的特点，将丹东至庄河高速公路项 目区分成了主体工程、取土场、弃士场三个水土流失防治区，并在初步设计文件的基 础上，针对三个水土流失防治区进行了较为完善的水土保持防治措施设计68 1 。胡玉平 等提出了在进行水土流失预测时的几个问题：采用的水土流失面积不准确、采用的土 壤侵蚀模数偏小、选用的弃渣流失系数不准确等 30 1 ，并建议采用朱四平的预测公式 睇6 j ：进行扰动地表、地貌新增水土流失量预测，计算公式如下： s = f ( a b ) y 式中：s 新增水土流失量，t ： 地下采煤项目水土流失预测研究 f 影响面积，h m 2 ； a 再塑地貌土壤侵蚀模数，t j k n 1 2 - a b 原地貌土壤侵蚀模数，t k m 2 a y 影响时问，a l 当工程扰动到原地表、地貌时，表层岩土结构变松，土质抗蚀能力降低，使表土 植被的平衡关系失调，降雨时就会引起水土流失。 针对高速公路的预测时段划分方法，与高速公路建设项目主体工程和水保工程的 施工进度相结合，而不是简单的进行基本建设期和生产运行期两个时段划分【6 9 1 。认为 主体工程施工进度、水土保持施工进度对水土流失预测时段的划分都是必须考虑的因 素。 郭同章主要从原理、理论上分析研究了黄河上游水土流失与地形、地貌、土质、 植被气温以及降雨量等因素的关系。从而初步建立了黄河兰州段上游水流失的预测模 型7 0 1 。 王美芝等阐述了道路工程生态环境影响评价中水土流失评价的重要性，按照边坡 形成过程的不同将人工边坡分为堆填边坡、挖损边坡和压实边坡，分别分析了三类边 坡的水土流失形式，在野外监测、降雨试验及既有研究成果的基础上，探讨了各类边 坡的水土流失预测方法【7 ”。琚泽萍以宁国市近几年来工业固体废弃物的产生量为基 础，应用灰色系统中的g m o ，1 1 模型理论，建立了工业固体废弃物产生量的g m ( 1 ， 1 ) 预测模型，预测了宁国市未来几年工业固废产生量的变化趋势，从而为环境管理提 供了科学的依据i ”1 。卞正富比较了我国与主要采煤国家在煤矿区土地复垦方面的差异 和差距，对国内外矿区土地复垦的目标、工艺技术及理论研究的现状进行了综述，分 析了我国矿区土地复垦工作的特点，将我国土地复垦理论研究大致划分为两个阶段， 提出了我国今后土地复垦理论研究的发展方向7 ”。王治国等以安太堡露天煤矿为例研 究了黄土高原矿区水土流失特征、矿区水土保持的研究内容和方法【7 4 1 。李定强等认为 全球性的水土流失和土地退化是人类社会可持续发展面临的主要障碍之一。介绍了可 持续的土地管理的基本概念，水土保持可持续发展的基本理论问题和发展方向就是可 持续的土地管理，传统的水土保持工作必须从技术性水土保持发展到土壤的可持续管 理。并论述了水土保持可持续发展前景，同时列举了国内外水土保持可持续发展的相 关行动与些具体项目 7 5 l 。 在地表塌陷的预测方面，国内也有研究。张瑜等在采动引起地表沉陷后，欲使土 地复垦达到预期目的，必须注重地表沉陷预测工作。介绍了矿山地表沉陷的研究和预 测方法及其在矿区土地复垦中的作用，并对几个实例进行了分析 7 6 1 。张文华等分析了 2 地下采煤项目水土流失预测研究 地表塌陷三种模式，并指出了其危害性【7 7 】。胡风英等分析了塌陷区降雨渗水特点及防 治技术网。赵朋鹏、张震斌等对矿区地面塌陷对土地生产力的影响进行了分析，并提 出了治理方案7 9 1 。提福晓对大同白洞矿塌陷机理、特点进行了深入分析，并对相邻采 空区的塌陷趋势进行了预测【8 。赵勤正等确定了土地破坏程度特征因子定量分级指标 1 9 1 。杨升田等以实际观测为依据，以七台河地区地质条件为背景，导出不均匀沉降、 地面倾斜、曲率变化等力学量估算 8 2 】。韩宝平等从开采扰动特点、诱发致塌作用、类 型等方面进行了研究 8 3 1 。史同广等阐述了采煤塌陷对土地自然形态结构、地下水位方 面的影响【洲。戚富忠等提出采用典型曲线法进行地表移动和变形预计峭“。张平仓、 等提出采煤塌陷的易发生性、快速性和规模性的环境影响特征【8 “。马超等导出塌陷面 积和万吨塌陷亩数之间的线性关系1 8 。马超、康建荣则对煤矿地表塌陷的预测精度进 行了分析研究【8 引。胡海峰等应用地表移动规律对塌陷区土地破坏面积和程度进行了预 测研究【聃l 。薛顺金用直线相关法得出了总排水量和塌陷区面积的相关曲线，并对梅山 铁矿的塌陷面积进行了预测【9 0 1 。管瑞光等指出煤矿地表塌陷是长期地下开采和疏干排 水活动引起的 9 ”。张发旺等分析了塌陷对矿区土壤构造、物理性质、水分养分运移的 影响效应，阐述了塌陷与土壤质量之间的关系【9 ”。马祥爱等以丌元矿为例对井田开发 进行了非污染生态影响评价【”j 。 1 1 煤矿开发建设项目水土流失预测研究前景 目前，我国的开发建设项目水土保持方案的编制工作已步入正轨，凡没有编制水 土保持方案的开发建设项目，一律不预以审批立项。水土保持方案编制的是否科学， 关系到开发建设项目能否顺利实施，而方案的编制关键，在于对其可能引发的水土流 失量的预测，预测的准确与否，关系到建设项目能否立项，关系到当地的生态环境、 关系到当地的经济、生态、社会的可持续发展。尤其是近几年来，资源的紧缺带来了 过度的开发，煤矿资源是我国的主要能源，而且其开采年限长，土地破坏程度高，引 发的水土流失也对环境造成的影响大，对其产生的水土流失的预测，是关系到能否有 效扼制矿区水土流失，合理布设水保措旋，改善生态环境的关键，我国近几年的水土 保持方案编制过程中对水土流失的预测缺乏全面的内容、合理的方法、准确的测算， 大多是照搬一些自然状态下的土壤侵蚀方程，一方面缺乏针对性，另一方面在准确性 上也有偏差，因此，对地下采煤项目的流失规律进行一系列的研究，结合项目实际情 况，进而提出针对性强、科学性严谨的预测方程，对于合理布设治理措施、保护生态、 合理开发利用自然资源，促进开发建设项目的可持续发展有着巨大的意义。 地下采煤项目水土流失预测研究 正文 地下采煤项目采用传统的开采方式，存在着剥离量大，弃渣量多，引发地表沉陷 等诸多问题，都会产生大量的水土流失，造成生态环境的恶化，本研究通过对山西省 西山煤电集团公司下属的西曲矿的水土流失状况的调查分析，实验观测，数据分析， 总结出适合于煤矿的水土流失