基于风洞实验的露天煤矿区土壤风蚀研究

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土壤风蚀是造成干旱半干旱地区土地沙漠化的主要原因,由于气候变化与人为活动的影响,我国的土壤风蚀在干旱区呈现总体减小、局部恶化的趋势。准东煤田是全国最大的整装煤田,煤炭资源丰富,但生态环境极其脆弱。煤矿开采、运输、装卸等人为活动会对周边地表土壤产生剧烈扰动,从而加剧土壤的风蚀程度,但当前有关露天煤矿开采等活动对土壤可蚀性能影响的定量研究十分匮乏。因此,本文以准东矿区内红沙泉煤矿及其周边共727.87km~2范围为研究区,选取1个不受煤粉尘影响的采样点进行采样,选取裸地、沙地、草地、盐碱地、裸岩石砾地、矿区内堆煤场、排土场7种地类共22个采样点进行原状土采样,利用风洞试验结合风蚀传感器探究土壤含水率、煤粉含量、结皮面积、粒径大小对土壤风蚀的影响,估算不同地类的输沙率及研究区总输沙率。结论如下:(1)土壤含水率越高,输沙率越低;风沙流高度随含水率增加而降低,14m/s的风速使土壤颗粒发生跃移;颗粒碰撞的数量和能量随含水率增加而减少,含水率越高,吹蚀前期土壤颗粒碰撞量越少;首次出现颗粒碰撞时的风速随含水率增加而增加。(2)土壤中添加煤粉的输沙率结果遵循5%>10%>20%>40%>0%的规律;添加煤粉得到的风沙流高度最大。风沙流收集量随着高度增加逐渐降低,14m/s的风速使土壤颗粒产生跃移;煤粉含量实验组的颗粒碰撞数量、能量结果遵循5%>10%>20%>0%>40%的规律。首次出现颗粒碰撞时的风速随煤粉含量增加而增加。(3)土壤结皮率增加,输沙率显著下降。14m/s的风速能够使土壤发生跃移,土壤结皮率达到50%能够显著降低风沙流高度;颗粒碰撞的数量与能量随结皮率增加而减少;首次出现颗粒碰撞时的风速随结皮率的增加而增加;结皮均匀分布的实验组输沙率整体小于结皮集中分布的实验组,颗粒碰撞数量、能量也有显著下降。(4)输沙率随土壤粒径的减小表现为先增后减的趋势,粒径为0.25~0.5mm的土壤可蚀性最高;0.125~0.5mm的实验组在8m/s的风速下便会发生跃移,各高度下的收集量远远大于其他控制实验;大于0.5mm的土壤颗粒几乎不发生碰撞,0.125~0.5mm的土壤颗粒碰撞数量能量最高,首次发生颗粒碰撞时的风速随粒径减小呈现先减小后增加的趋势。(5)研究区不同地类土壤可蚀性大小排序为:沙地>草地>堆煤场>裸地>排土场>裸岩石砾地>盐碱地;研究区不同地类输沙率大小排序为:沙地>草地>裸地>裸岩石砾地>堆煤场>排土场>盐碱地;10、12、14、16m/s风速下研究区总输沙率分别为25.97×10~4t/h、98.35×10~4t/h、271.38×10~4t/h、628.91×10~4t/h。土壤含水率和土壤颗粒大小是影响风蚀的自然因素,土壤结皮和土壤中的煤粉含量是影响风蚀的人为因素。综合上述结论可见,每种影响因子对土壤风蚀的影响效果不同,从实验产生的总输沙率来看,4种因子对风蚀的影响效果表现为:土壤颗粒>结皮>含水率>煤粉含量,而研究区各个样点的风蚀输沙率是由多种因子共同作用的结果。
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