自然降水条件下煤矸石坡土壤含水量及径流变化

冯晶晶，张成梁，刘治辛，赵廷宁†，荣立明

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京； 2.轻工业环境保护研究所，100089，北京)



自然降水条件下煤矸石坡土壤含水量及径流变化

冯晶晶1，张成梁2，刘治辛1，赵廷宁1†，荣立明2

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京； 2.轻工业环境保护研究所，100089，北京)

为了防止矸石山水土流失，促进煤矿废弃地植被恢复，对自然降水条件下煤矸石坡面含水量及径流变化进行观测，研究降水量及风化年限对煤矸石坡面各层含水量及产流量的影响。结果表明：1)在小雨(<10 mm/d)条件下，煤矸石坡地表、地下径流量接近；在中雨(≥10 mm/d，<25 mm/d)及大雨(≥25 mm/d)条件下，降雨主要以地下径流的形式流失。在小雨情况下，煤矸石坡产生的地表径流、地下径流量均较少；中雨的发生频率和累计降水量最高，累计产生的地表径流量最高；大雨发生频率最低，累计产生的地下径流量和总径流量最高。2)地表径流量与降水量显著正相关，地下径流量与最大降雨强度、平均降雨强度显著正相关。3)由于风化程度增加，与2013年相比，2014年次小雨产生的地表径流、地下径流和总径流分别降低50%、100%、80%，次中雨产生的地表径流、地下径流和总径流分别降低88%、82%、97%。4)煤矸石具有一定的蓄水能力，20～30 cm含水量最高。随着风化程度增加，10～30 cm含水量增加。尽管10 cm风化程度高，但是由于表层蒸发，含水量较低。5)由于煤矸石颗粒粗大、渗透性强，在小雨、中雨、大雨条件下，矸石坡产生的地表径流量均小于土坡，分别为土坡的4%、26%、19%。

煤矸石； 径流量； 降水； 含水量； 风化

采煤作业中产生的废弃地主要包括排土场、塌陷区和矸石山。煤矸石是煤矿在建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选过程中排出的含炭岩石及岩石，是煤矿建设、生产过程中的废弃物。煤矸石从地下开采排到地面堆积如山，称为矸石山。煤矸石坡体主要由砂质岩、碳酸盐岩类、页岩、泥岩类及煤粒、硫结核组成，矿物成分主要有高岭石和石英，还含有长石、菱铁矿、黄铁矿、方解石、伊利石等，化学组分主要有碳、硅、铝、铁、钙、镁、钾等金属和非金属元素的氧化物，其中氧化硅、氧化铝比例较高[1]。煤矸石山立地条件恶劣，植物存活困难[2-3]。在降水作用下，裸露地表受到侵蚀，养分流失，土体物理结构改变，立地条件进一步恶化。无法蓄积的水分作为径流流失，造成水资源的浪费。根据1998年颁布的《中华人民共和国土地管理法》，因挖掘、塌陷、占压等造成土地破坏的，应当按照国家有关规定负责复垦[4]。

为了控制矸石山水土流失，一些学者对矸石山水文规律和水力性质进行了研究。李建明等[5]的研究表明煤矸石坡在降雨强度<1.0 mm/min时产流、产沙均不明显，与未受扰动的土壤相比，煤矸石坡在2.5～3.0 mm/min的高强度降雨下稳定径流量较低。矸石山的径流产量与入渗能力密切相关，矸石散体的黏性、颗粒组成影响到矸石山边坡的入渗能力。臧亚君等[6]认为，随着排矸年限的增加，矸石渗透速率增加。胡振华等[7]研究表明，随着煤矸石密度增加，初渗速率和稳渗速率下降。王青杵[8-9]比较了覆土及不覆土的煤矸石堆积坡，发现覆土反而增加了煤矸石坡的径流量和输沙率，随着堆积年限的增加，煤矸石山坡面侵蚀和沟道侵蚀模数显著增加。然而，这些研究多采用人工模拟降雨或模拟径流冲刷试验[5,10]，而自然降雨的强度和持续时间不定，温度、湿度、煤矸石的初始含水量等因素也更多样化，因此试验数据未必与实际一致。

本试验连续2年观测煤矸石堆积坡含水量及径流量，研究风化年限及降水量对煤矸石坡体含水量及径流量的影响，以期为矸石山水土流失防治及水资源在植被修复中的利用提供参考。

1　研究区概况

试验在轻工业环境保护研究所生态修复科研基地进行。基地位于北京市昌平县马池口镇亭子庄村(E 116°9′1.04″，N 40°9′56.73″)，海拔57 m。温带季风气候，年平均温度13.7 ℃，多年平均降水量620 mm，试验期间年平均降水量为348 mm，降水集中在6—9月。

2　材料及方法

径流小区朝北，宽2.75 m，长3.55 m(图1)。煤矸石来自山西潞安及阳泉三矿。2011年12月—2012年1月运到试验地，两地煤矸石混合，铺成厚度约70 cm、坡度为38°的坡面。坡底经过防渗处理，无法蓄存的水分作为地下径流排出。经过1年沉降，2013年6—10月、2014年5—8月分别收集地表、地下径流，每次降水1 d后用量筒量取径流量，按小区面积换算成径流深度。2013年6月—2014年11月，每月3次使用Diviner 2000土壤水分轮廓仪测量10～70 cm(0～10，10～20，…，60～70 cm)各层的煤矸石体积含水量。以附近土质边坡为对照，比较分析矸石坡地表径流量及含水量。土质边坡朝西，坡长5 m，坡度为26°，无地被植物覆盖。2013年6—10月测量土质边坡地表径流量、土壤含水量，测量方法同前。使用Davis自动气象站记录气温、相对湿度、降水量，记录间隔为10 min。

图1　径流小区示意图Fig.1　Design of runoff plot

对降雨量、最大降雨强度、平均降雨强度与地表径流量、地下径流量进行相关分析。根据GB/T 28592—2012《降水量等级》将24 h降雨量分成小雨(<10 mm)、中雨(≥10 mm，<25 mm)、大雨(≥25 mm)，比较不同等级降雨产流情况，比较2013年及2014年相同等级下降雨产流情况。使用配对样本非参数检验煤矸石坡10～70 cm各层含水量差异性。下渗停止后，含水量日变化量为日蒸发量，对日蒸发量与初始含水量日平均气温、相对湿度进行相关分析。

3　结果与分析

3.12013年降雨及煤矸石坡产流情况

2013年试验期间总降雨量为332.7 mm，累计产生径流29.165 mm，其中地表径流2.428 mm，占总径流量8.3%，地下径流26.737 mm，占总径流量91.7%。煤矸石坡产生的径流绝大部分为地下径流，地表径流较少。

如表1所示，试验期间降小雨9次，累计降雨量为50.8 mm，累计产生径流0.348 mm，其中地表径流0.142 mm，占总径流量40.8%，地下径流0.206 mm，占总径流量59.2%。中雨8次，累计降雨量为129.8 mm，累计产生径流12.334 mm，其中地表径流1.503 mm，占总径流量12.2%，地下径流10.831 mm，占总径流量87.8%。大雨4次，累计降雨量为152.1 mm，累计产生径流16.483 mm，其中地表径流0.783 mm，占总径流量4.8%，地下径流15.700 mm，占总径流量95.2%。无论降雨等级，煤矸石坡产生的地下径流量均大于地表径流量，随着降水量等级升高，更多降水以地下径流的形式流失。

2013年，小雨累计降雨量为试验期间总降雨量15.3%，产生的地表径流占累计地表径流量的5.8%，地下径流占累计地下径流量的0.8%；中雨累计降雨量为试验期间总降雨量39.0%，产生的地表径流占累计地表径流量的61.9%，地下径流占累计地下径流量的40.5%；大雨累计降雨量为试验期间总降雨量45.7%，产生的地表径流占累计地表径流量的32.3%，地下径流占累计地下径流量的58.7%。在小雨情况下，煤矸石坡产生地表、地下径流量占累计地表、地下径流量比例最小，中雨情况下产生地表径流量比例最大，大雨情况下产生地下径流量比例最大。

3.22014年降雨及煤矸石坡产流情况

2014年，试验期间总降雨量为176.8 mm，累计产生径流7.872 mm，其中地表径流0.636 mm，占总径流量8.1%，地下径流7.236 mm，占总径流量91.9%。地表、地下径流量占总径流量的比例与2013年基本一致。

如表2所示，试验期间降小雨3次，累计降雨量为23.8 mm，累计产生径流0.009 mm，其中地表径流0.009 mm，占总径流量100%，不产生地下径流。中雨6次，累计降雨量为113.2 mm，累计产生径流1.809 mm，其中地表径流0.140 mm，占总径流量7.7%，地下径流1.669 mm，占总径流量92.3%。大雨1次，降雨量为39.8 mm，产生径流6.054 mm，其中地表径流0.487 mm，占总径流量8.0%，地下径流5.567 mm，占总径流量92.0%。

高职院校一线教师大多由高学历背景、高研究能力的硕博研究生组成，他们拥有较强的教学能力和科研能力，能够承担较重的教学任务，然而缺乏敏锐的市场洞察力，科研课题偏重基础理论的研究，应用型研究较少。在选择科研项目时，重点考虑学术水平的高低和项目的新颖性，忽视了研究成果产品化的可行性，导致研究成果与实际市场需求脱节。

表2　2014年各等级降雨累计产流量及产流比例

2014年，小雨累计降雨量为试验期间总降雨量13.5%，产生的地表径流占累计地表径流量的1.4%，不产生地下径流；中雨累计降雨量为试验期间总降雨量64.0%，产生的地表径流占累计地表径流量的22.0%，地下径流占累计地下径流量的23.1%；大雨累计降雨量为试验期间总降雨量22.5%，产生的地表径流占累计地表径流量的76.6%，地下径流占累计地下径流量的76.9%。与2013年相比，尽管中雨频率、占总降雨量比例增加，但中雨情况下产生的地表、地下径流量占累计地表、地下径流量的比例减少；尽管大雨频率、占总降雨量比例下降，但大雨情况下产生地表、地下径流量占累计地表、地下径流量的比例增加。

3.3煤矸石坡表层含水量年际变化

2013年8月—2014年11月，煤矸石坡10～70 cm各层平均含水量分别为0.89%、3.82%、2.44%、0.82%、1.01%、0.78%、1.25%。水分主要蓄存在20～30 cm层，20 cm含水量显著高于10和40～70 cm含水量，30 cm含水量显著高于10 cm和40～60 cm各层含水量(P<0.01)。

如表3所示，从2013到2014年，煤矸石坡各层含水量增加。尽管2014年各月降雨量均低于2013年，70 cm内平均含水量从0.78%～1.94%增加到1.04%～2.36%。10～30 cm含水量升高幅度最大，从0.46%～5.02%增加到0.77%～6.25%。

3.4煤矸石坡与土坡地表径流量、表层含水量比较

2013年，每次小雨下土质边坡平均产生径流0.467 mm，矸石坡为0.018 mm；每次中雨下土坡平均产生径流0.735 mm，矸石坡为0.188 mm；每次大雨下土坡平均产生径流1.057 mm，矸石坡为0.196 mm。在不同等级的降雨条件下，煤矸石坡产生的地表径流量均小于土坡，分别为土坡的4%、26%、19%。

表3　2013及2014年8—11月各层含水量及气象因子

2013年8—10月，10～70 cm各层平均含水量分别为13.24%、19.19%、17.92%、19.06%、19.52%、16.54%、17.44%，是同期矸石坡各层含水量的5～25倍，说明煤矸石的持水能力显著低于未受扰动的土壤。矸石颗粒粗大、渗透性强，因此不容易产生地表径流；但由于持水力弱，在中、高强度降雨下，尤其遇到暴雨或连续的中等强度降雨时，煤矸石坡无法蓄存的降雨以地下径流的形式流失，产生的径流总量可能远大于未受扰动的土坡。

4　讨论

4.1降水量等级对煤矸石坡径流量的影响

试验期间，小雨累计降雨量占总降雨量14.6%，煤矸石坡产生的地表径流量、地下径流量、径流总量分别为累计地表、地下及径流总量的4.9%、0.6%、0.9%。中雨累计降雨量占总降雨量47.7%，煤矸石坡产生的地表径流量、地下径流量、径流总量分别为累计地表、地下及径流总量的53.7%、36.8%、37.7%。大雨累计降雨量占总降雨量37.7%，煤矸石坡产生的地表径流量、地下径流量、径流总量分别为累计地表、地下及径流总量的41.4%、62.6%、61.3%。由此可见：在小雨情况下，煤矸石坡产生的地表、地下径流量均较少；中雨发生频率和累计降水量最高，累计产生的地表径流量最高；大雨发生频率最低，累计产生的地下径流量和总径流量最高。

平均来看，次小雨产生地表径流0.014 mm、地下径流0.019 mm，次中雨产生地表径流0.117 mm、地下径流0.962 mm，次大雨产生地表径流0.252 mm、地下径流4.253 mm。由此可见：在小雨条件下，煤矸石坡地表、地下径流量接近；在中雨及大雨条件下，降雨主要以地下径流的形式流失。

相关分析表明，地表径流与降雨量显著正相关(P<0.05)，R为0.579。地下径流与平均降雨强度、最大降雨强度显著正相关(P<0.05)，R分别为0.621和0.614。可知降雨强度不显著影响地表径流量，这与李建明等[5]的研究结果一致。由于煤矸石风化物主要由石块和石砾组成，渗透能力强，持水能力弱，随着降雨强度增加，更多的降雨渗入坡体，超渗产流较少；降雨以地下径流的形式迅速流失，坡体维持不饱和的状态，蓄满产流较少[11]：因此，地表径流与降雨强度相关性不大。于桂芬等[12]的研究表明，风化15年以上的矸石山产流量与降雨强度显著相关，相关系数在0.9以上，说明随着煤矸石风化，渗透性降低，持水能力增强，地表径流量与降雨强度的相关性可能增加。降雨量不显著影响地下径流，可能是由于长历时的低强度降雨与高强度的短历时降雨尽管累计降雨量相近；但产流过程不同[13]，导致降雨量与地下径流量相关性较弱。此外，由于相关分析使用的是连续2年的降雨-径流数据，而试验翌年煤矸石的物理特性明显不同于试验首年，也导致降雨量与地下径流量相关性较弱。

4.2堆积年限对煤矸石坡径流量的影响

如图2所示，2014年径流量明显低于2013年。

2013年，每次小雨平均产生0.018 mm地表径流、0.026 mm地下径流，平均产生径流0.043 mm；2014年，每次小雨平均产生0.003 mm地表径流，试验期间3次小雨皆不产生地下径流。与2013年相比，2014年次小雨产生的地表径流、地下径流和总径流量分别降低50%、100%、80%。

2013年，每次中雨平均产生0.188 mm地表径流，1.547 mm地下径流，平均产生径流1.735 mm；2014年，每次中雨平均产生0.023 mm地表径流，0.278 mm地下径流，平均产生径流0.301 mm。与2013年相比，2014年次中雨产生的地表径流、地下径流和总径流量分别降低88%、82%、97%。

2013年每次大雨平均产生0.196 mm地表径流，3.925 mm地下径流，平均产生径流4.121 mm；2014年试验期间唯一一次大雨产生0.487 mm地表径流，5.567 mm地下径流，总径流量为6.054 mm。由于样本不足，大雨产流的变化还需进一步观测。

图2　次降水量及径流图Fig.2　Precipitation and runoff

坡面径流的产生与下垫面性质密切相关[14]。通常来说，物理风化导致细粒物质的质量分数增加，小粒径的煤矸石颗粒填入大孔隙，通气孔隙减少，渗透系数下降；然而，在小雨及中雨情况下，试验翌年煤矸石坡地表径流、地下径流均小于试验首年，说明更多的降雨进入并保存在坡体中。风化作用可能降低了煤矸石的斥水性[15]，改善了风化物中孔隙的连通性[16]，从而减少地表径流量。由于煤矸石坡地表径流较少，风化的作用主要体现为地下径流的减少。

4.3堆积年限对煤矸石坡含水量的影响

煤矸石的持水量包括颗粒内部水、颗粒表面结合水和毛管水。随着煤矸石风化，风化裂隙逐渐发育，裂隙水含量增加，次生黏土矿物与水结合，也提高了颗粒内部水的含量。由于黏粒及黏土矿物逐渐增多，煤矸石颗粒表层结合水的含量有所提高。由于单位体积的煤矸石比表面积增加，毛管水含量逐渐增加[17]。研究[18-19]表明，风化作用导致煤矸石饱和持水量和田间持水量增加。由于矸石山表层风化程度高，因此持水能力和含水量较高。段永红等[20]测得弃置20余年的煤矸石边坡10～30 cm雨季含水量为10.95%～11.47%，说明随着堆积年限增加，煤矸石的持水能力和自然含水量将进一步提高。

含水量不但与持水能力有关，也与蒸发能力有关[21]。相关分析表明，煤矸石日蒸发量与初始含水量显著相关(P<0.01，R=0.898)。尽管10 cm煤矸石风化程度高，但蒸发快；因此含水量低，干燥的风化层切断了毛管联系，阻碍毛管水的上升，有利于下层水分的保存[22]。

尽管煤矸石具有一定的蓄水能力，但在自然降水条件下，煤矸石坡的含水量仍然显著低于未受扰动的土坡。根据张锐等[23]的研究，煤矸石的毛管孔隙度仅1.17%～1.40%，渗入煤矸石的降水在重力作用下迅速流失，植物缺乏水分，存活和生长受到限制。在矸石山生态修复中，覆土是常用的改善立地条件的工程措施[24-25]；但是，覆盖用土的渗透速率小[26]，土体如果受到机械碾压，则渗透速率进一步下降。当下渗速率小于降雨强度，降雨以地表径流的形式流失，得不到合理的利用[27]。为了在煤矸石的渗透性和持水能力之间权衡，一些学者将煤矸石与不同的固体组分混合，改变煤矸石的颗粒组成和孔隙分布[28-30〗]，取得了一定的成果。

5　结论

1) 在小雨条件下，煤矸石坡地表、地下径流量接近；在中雨及大雨条件下，降雨主要以地下径流的形式流失。在小雨情况下，煤矸石坡产生的地表径流、地下径流量均较少；中雨的发生频率和累计降水量最高，累计产生的地表径流量最高；大雨发生频率最低，累计产生的地下径流量和总径流量最高。

2)地表径流量与降水量显著正相关，地下径流量与最大降雨强度、平均降雨强度显著正相关。

3)2013—2014年，随着风化程度增加，次小雨产生的地表径流、地下径流和总径流分别降低50%、100%、80%，次中雨产生的地表径流、地下径流和总径流分别降低88%、82%、97%。

4)煤矸石具有一定的蓄水能力，20～30 cm含水量最高。随着风化程度增加，10～30 cm含水量增加。尽管10 cm风化程度高，但是由于表层蒸发，含水量较低。

5)由于煤矸石颗粒粗大、渗透性强，在小雨、中雨、大雨条件下，矸石坡产生的地表径流量均小于土坡，分别为土坡的4%、26%、19%。

[1]粟俊江.南桐煤矿矸石山的稳定性分析及防治措施研究[D].重庆:重庆大学,2008:4-5.

Su Junjiang.Stability analysis and research of prevention and cure measure of waste dump in Nantong coal mine[D].Chongqing:Chongqing University,2008:4-5.(in Chinese)

[2]魏忠义,王秋兵.大型煤矸石山植被重建的土壤限制性因子分析[J].水土保持研究,2009,16(1):179.

Wei Zhongyi,Wang Qiubing.Research on limited factors of reclaimed soil in the large coal wastes pile in Fushun west opencast coal mine [J].Research of Soil and Water Conservation,2009,16(1):179.(in Chinese)

[3]张耀方,江东,史东梅,等.重庆市煤矿开采区土壤侵蚀特征及水土保持模式研究[J].水土保持研究,2011,18(6):94.

Zhang Yaofang,Jiang Dong,Shi Dongmei,et al.Research on soil erosion characteristics and soil and water conservation pattern in coal mine exploration area of Chongqing [J].Research of Soil and Water Conservation,2011,18(6):94.(in Chinese)

[4]冯国宝.煤矿废弃地的治理与生态恢复[M].北京:中国农业出版社,2009:13-25.

Feng Guobao.Harnessment and restoration of coal mine wastelands [M].Beijing:China Agriculture Press,2009:13-25.(in Chinese)

[5]李建明,王文龙,王贞,等.神府煤田废弃堆积体新增水土流失研究[J].自然灾害学报,2014,23(2):239.

Li Jianming,Wang Wenlong,Wang Zhen,et al.Study on newly increased soil and water loss from waste accumulation in Shenfu coal-field [J].Journal of Natural Disasters,2014,23(2):239.(in Chinese)

[6]臧亚君,刘东燕,蒋克锋.重庆山区矸石山降雨入渗特性及其稳定性研究[J].土木工程学报,2009,42(7):85.

Zang Yajun,Liu Dongyan,Jiang Kefeng.Characteristics of rainfall infiltration and stability of gangue hills in Chongqing mountainous area [J].China Civil Engineering Journal,2009,42(7):85.(in Chinese)

[7]胡振华,王电龙,呼起跃,等.风化煤矸石入渗规律模拟[J].中国水土保持科学,2008,6(2):55.

Hu Zhenhua,Wang Dianlong,Hu Qiyue,et al.Infiltration laws of weathering gangue [J].Science of Soil and Water Conservation,2008,6(2):55.(in Chinese)

[8]王青杵.煤炭开采区废弃物堆置体坡面侵蚀特征研究[J].中国水土保持,1998(8):26.

Wang Qingchu.Study of erosion characteristics on waste pile slopes in coal mines [J].Soil and Water conservation in China,1998(8):26.(in Chinese)

[9]王青杵.煤炭开采区废弃物堆置体坡面侵蚀特征的研究[J].山西水利科技,1998(4):39.

Wang Qingchu.Study of erosion characteristics on waste pile slopes in coal mines [J].Shanxi Hydro Technics,1998(4):39.(in Chinese)

[10] 冯慧敏,王电龙,胡振华.风化煤矸石坡面水土流失规律模拟[J].中国水土保持科学,2013,11(2):39.

Feng Huimin,Wang Dianlong,Hu Zhenhua.Soil erosion and water loss laws of mine waste slope [J].Science of Soil and Water Conservation,2013,11(2):39.(in Chinese)

[11] 刘青泉,李家春.降雨坡面径流汇集模型及其在茅坪滑坡中的应用[J].自然科学进展,2006,16(6):662.

Liu Qingquan,Li Jiachun.The rainfall-runoff model and its application in Maoping landslide [J].Progress in Natural Science,2006,16(6):662.(in Chinese)

[12] 于桂芬,吴祥云,杨亚平,等.潞安矿区煤矸石山水土流失特征及植被恢复关键技术[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2011,30(2):2446.Yu Guifen,Wu Xiangyun,Yang Yaping,et al.Study on characteristics of soil and water loss and key technologies of vegetation restoration at coal gangue dumps in Lu′an mining area [J].Journal of Liaoning Technical University (Natural Science),2011,30(2):244.(in Chinese)

[13] 刘战东,高阳,段爱旺,等.麦田降雨产流过程的影响因素[J].水土保持学报,2012,26(2):38.

Liu Zhandong,Gao Yang,Duan Aiwang,et al.Influence factors of rainfall runoff in the winter wheat field [J].Journal of Soil and Water Conservation,2012,26(2):38.(in Chinese)

[14] 施明新,李陶陶,吴秉校,等.地表粗糙度对坡面流水动力学参数的影响[J].泥沙研究,2015,34(7):83.

Shi Mingxin,Li Taotao,Wu Bingxiao,et al.Influences of surface roughness on overland flow hydraulic characteristics [J].Journal of Sediment Research,2015,34(7):83.(in Chinese)

[15] 唐升引,蒋永吉,陈静,等.煤矸石主要物理特性及在栽培基质中应用的可行性分析[J].干旱地区农业研究,2014,32(3):209.Tang Shengyin,Jiang Yongji,Chen Jing,et al.Major physical characteristics of gangue and feasible analysis for the application in cultivation matrix [J].Agricultural Research in the Arid Areas,2014,32(3):209.(in Chinese)

[16] 王善江.碳酸盐岩潜山储层渗透率解释方法探讨[J].承德石油高等专科学校学报,2009,11(4):5.

Wang Shanjiang.Reservoir permeability interpretation method in carbonate buried hill [J].Journal of Chengde Petroleum College,2009,11(4):5.(in Chinese)

[17] 蔡毅,严家平,陈孝杨,等.表生作用下煤矸石风化特征研究:以淮南矿区为例[J].中国矿业大学学报,2015,44(5):937.

Cai Yi,Yan Jiaping,Chen Xiaoyang,et al.Weathering characteristics of coal gangue in hypergenesis:a case study on Huainan coal mining area [J].Journal of China University of Mining & Technology,2015,44(5):937.(in Chinese)

[18] 郑彬.煤矸石自然风化进程中风化物理化性质变化研究：以阜新矿区为例[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2009:19.

Zheng Bin.Study on weathering material physical and chemical property changes of gangue pile in natural weathering process:a case study in Fuxin mining area [D].Hohhot:Inner Mongolia Agricultural Univeristy,2009:19.(in Chinese)

[19] 郑永红,张治国,胡友彪,等.淮南矿区煤矸石风化物特性及有机碳分布特征[J].水土保持通报,2014,34(5):18.Zheng Yonghong,Zhang Zhiguo,Hu Youbiao,et al.Properties and organic carbon distribution of weathered coal gangue in Huainan mining area [J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2014,34(5):18.(in Chinese)

[20] 段永红,庞亨辉,王景华.阳泉煤矸石山矸石风化物剖面水分变化特征初探[J].山西农业大学学报(自然科学版),2001,21(2):125.

Duan Yonghong,Pang Henghui,Wang Jinghua.The preliminary research of the variational characteristics of water content in the section of the weathered coal gobs on coal gob mountains in Yangquan city [J].Journal of Shanxi Agricultural University (Nature Science Edition),2001,21(2):125.(in Chinese)

[21] 段永红,白中科,赵景逵.阳泉煤矸石山浅层矸石风化物水分特性初探[J].煤炭学报,1999,24(5):533.

Duan Yonghong,Bai Zhongke,Zhao Jingkui.The preliminary study on water properties of the weathered products of gangue in the shallow layers of gangue mountains in Shanxi province [J].Journal of China Coal Society,1999,24(5):533.(in Chinese)

[22] 许丽,周心澄,王冬梅.煤矸石废弃地复垦研究进展[J].中国水土保持科学,2005,3(3):117.

Xu Li,Zhou Xincheng,Wang Dongmei.Progress on the reclamation of gangue waste area [J].Science of Soil and Water Conservation,2005,3(3):117.(in Chinese)

[23] 张锐,张成梁,李美生,等.煤矸石山风化堆积物水分动态研究[J].水土保持通报,2008,28(1):124.

Zhang Rui,Zhang Chengliang,Li Meisheng,et al.Research on water dynamics of weathered coal gangue dumps [J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2008,28(1):124.(in Chinese)

[24] 李永庚,蒋高明.矿山废弃地生态重建研究进展[J].生态学报,2004,24(1):95.

Li Yonggeng,Jiang Gaoming.Ecological restoration of mining wasteland in both China and abroad an over review [J].Acta Ecologica Sinica,2004,24(1):95.(in Chinese)

[25] Skousen J,Zipper C E.Post-mining policies and practices in the Eastern USA coal region [J].International Jourual of Coal Science & Technology,2014,1(2):135.

[26] Nicolau J M.Runoff generation and routing on artificial slopes in a Mediterranean-continental environment:the Teruel coalfield,Spain[J].Hydrological processes,2002,16:631.

[27] 张成梁.山西阳泉自燃煤矸石山生境及植被构建技术研究[D].北京:北京林业大学，2008:85-87.

Zhang Chengliang.The habitat and vegetation constructing for spontaneous combustion gangue pile in Yangquan,Shanxi Province [D].Beijing:Beijing Forestry University，2008:85-87.(in Chinese)

[28] 张成梁,孙龙,张洪江,等.不同配比的煤矸石与垃圾筛分土抗剪试验[J].中国水土保持科学,2013,11(3):35.

Zhang Chengliang,Sun Long,Zhang Hongjing,et al.Experimental study of effects of different ratio of gangue mixture to screening refuse soil on shearing strength [J].Science of Soil and Water Conservation,2013,11(3):35.(in Chinese)

[29] 冯慧敏,王电龙,任慧君.容重及掺土比例对风化煤矸石渗透特性的影响[J].山西水土保持科技,2015(1):14.

Feng Huimin,Wang Dianlong,Ren Huijun.The effect of bulk density and the percentage of soil on the infiltration capacity of weathered gangue [J].Soil and Water Conservation Science and Technology in Shanxi,2015(1):14.(in Chinese)

[30] 张静雯,张成梁,宋楠,等.煤矸石渣土改良及其效果研究[J].水土保持通报,2011,31(4):227.

Zhang Jingwen,Zhang Chengliang,Song Nan,et al.Analysis on gangue improvement and its effect [J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2011,31(4):227.(in Chinese)

Volumetric water content and runoff dynamic of coal gangue dump under natural precipitation

Feng Jingjing1,Zhang Chengliang2,Liu Zhixin1,Zhao Tingning1,Rong Liming2

(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.Environmental Protection Research Institute of Light Industry,100089,Beijing,China)

[Background] Gangue is an undesirable material generated during shaft building,coal mining,and coal washing.Gangue is dug out from underground and piled up on the surface,which is called gangue dump.Because of the harsh site conditions of gangue dump,the recolonization of plants is very difficult.[Methods] In order to prevent erosion and facilitate revegetation in coal gangue dump,the volumetric water content and runoff of a coal gangue slope under natural precipitation were monitored for 2 years.The coal gangue was evenly spread on the 38° runoff plot and formed a slope with a depth of 70 cm.The base of the slope was impermeable,and the surface and groundwater runoffs were collected separately 1 day after each rainfall event.The effects of natural precipitation and weathering on volumetric water content and runoff were tested.[Results] 1) On average,during each light rainfall event (<10 mm/d),0.014 mm surface runoff and 0.019 mm groundwater runoff were produced,i.e.,the amounts of surface and groundwater runoffs were similar,and a small amount of surface and groundwater runoffs were generated on coal gangue slope.Moderate rains happened at the highest frequency and accounted for most surface runoff.In each moderate rainfall event (10-25 mm/d),0.117 mm surface runoff and 0.962 mm groundwater runoff were generated,meaning that more precipitation was discharged as groundwater runoff.While heavy rains occurred at the lowest frequency and accounted for most groundwater and total runoff,during each heavy rainfall event (>25 mm/d),0.254 mm surface runoff and 4.253 mm groundwater runoff were generated.2) The amount of surface runoff was positively correlated to precipitation,and the amount of groundwater runoff was positively correlated to maximum precipitation intensity and mean precipitation intensity.However,the correlation between precipitation intensity and surface runoff was not significant,which probably resulted from the fact that the infiltration rate of coal gangue was generally higher than the precipitation intensity.The correlation between precipitation and groundwater runoff was also not significant.3) In 2014,due to the increase of weathering,the amounts of surface runoff,groundwater runoff and total runoff during each light rainfall event decreased by 50%,100% and 80% respectively,compared to 2013.During moderate rainfalls,they decreased by 88%,82% and 97% respectively.4) Coal gangue held a certain amount of water,and the volumetric water content in 20-30 cm coal gangue was the most.Volumetric water content in 10-30 cm ones increased as gangue weathered despite less water input from precipitation in 2014,indicating water holding capacity increased.Even though gangue in 10 cm was highly weathered,the water content was low because of high evaporation rate.5) Because of its coarse texture and high infiltration capacity,the surface runoffs on the coal gangue slope during light,moderate and heavy rainfall events were 4%,26% and 19% of those on the soil slope respectively.[Conclusion] This research will guide the practice of soil and watter conservation in gangue dump.

coal gangue; runoff; precipitation; volumetric water content; weathering

2015-03-12

2015-11-17

项目名称：国家林业公益性行业科研专项“四川地震灾区灾后植被恢复及可持续发展关键技术研究与示范”(201104109)

冯晶晶(1989—)，女，博士研究生。主要研究方向：工程绿化。E-mail：staatstionnoit@sina.com

简介：赵廷宁(1962—)，男，博士，教授。主要研究方向：工程绿化。E-mail：zhtning@bjfu.edu.cn

S157

A

1672-3007(2016)04-0060-08

10.16843/j.sswc.2016.04.008