煤矸石基質(zhì)土壤的水分入滲試驗(yàn)研究

馬保國(guó),王 健,劉婧然,武燕蕾,郝九芝

(1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院,河北邯鄲 056021;2.河北工程大學(xué)城建學(xué)院,河北邯鄲 056021;3.河北邢臺(tái)縣水利局,河北邢臺(tái) 054001)

煤矸石基質(zhì)土壤的水分入滲試驗(yàn)研究

馬保國(guó)1,王 健1,劉婧然1,武燕蕾2,郝九芝3

(1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院,河北邯鄲 056021;2.河北工程大學(xué)城建學(xué)院,河北邯鄲 056021;3.河北邢臺(tái)縣水利局,河北邢臺(tái) 054001)

為了解煤矸石基質(zhì)土壤的水分特性,利用室內(nèi)一維垂直入滲模擬試驗(yàn),研究煤矸石山山頂、山腰、山腳處及3種矸土質(zhì)量比(7∶3,5∶5,3∶7)的土壤水入滲規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明,煤矸石的初始入滲率、穩(wěn)滲率由山腳到山頂逐漸減小,減小關(guān)系符合冪函數(shù)遞減關(guān)系。山腳矸石的初始入滲率和穩(wěn)滲率分別為山腰的1.111和1.078倍;山腰矸石的初始入滲率和穩(wěn)滲率分別為山頂?shù)?.096和1.102倍;矸土質(zhì)量比為7∶3的初始入滲率和穩(wěn)滲率分別為5∶5的1.152和1.149倍;矸土質(zhì)量比為5∶5的初始入滲率和穩(wěn)滲率分別為矸土質(zhì)量比3∶7的1.179和1.057倍。矸土混合土壤的初始入滲率、穩(wěn)滲率均隨矸土質(zhì)量比7∶3,5∶5,3∶7的減小而迅速減小,入滲達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間隨矸土比的減小而增加?？妓辜涌煞蛉霛B模型更適合作為風(fēng)化煤矸石的入滲模型;通用經(jīng)驗(yàn)公式更適合作為摻土較多的矸土混合土壤的入滲模型。最終煤矸石基質(zhì)土壤的累積入滲量為矸土質(zhì)量比3∶7＞5∶5＞7∶3＞山頂＞山腰＞山腳。矸石摻土可以顯著降低入滲率,提高累積入滲量,有益于煤矸石山水土保持和植物生長(zhǎng)。

煤矸石;矸土比;入滲率;濕潤(rùn)鋒;累積入滲量

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,煤炭作為我國(guó)目前的主要能源之一,煤炭開采在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也會(huì)給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響。采煤過(guò)程和洗煤過(guò)程中排放的固體廢棄物煤矸石是在成煤過(guò)程中與煤層伴生的黑灰色巖石,其含碳量較低,比煤堅(jiān)硬,目前我國(guó)煤炭開采量的20%左右以煤矸石廢棄物排放掉,全國(guó)每年約新增煤矸石4億t,綜合利用約6 000萬(wàn)t,其余部分就近混雜堆積形成煤矸石山[1-2]。煤矸石最突出的水文特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)性差,大孔隙多,土壤保水、保肥能力極差,滲透率較高,容易產(chǎn)生垂直侵蝕(即養(yǎng)分的淋溶損失和水分的滲漏損失)[2-3]。煤矸石摻土可以改善土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)性,煤矸石基質(zhì)土壤的初始滲透速率、穩(wěn)滲速率均隨摻土比例的增大而迅速的減小,提高基質(zhì)土壤的保水和保肥能力,有益于植被生長(zhǎng)[4-5]。國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)化煤矸石土壤水分特性方面研究,已有一些報(bào)道[4-8]。

土壤中殘留大粒徑的礫石母質(zhì)成分時(shí),土壤的水分特性就隨著其孔隙結(jié)構(gòu)和殘留大粒徑母質(zhì)礫石性質(zhì)的變化而較難解釋。對(duì)植物生長(zhǎng)來(lái)說(shuō),有研究認(rèn)為大粒徑的煤矸石在土壤中能提高大孔隙數(shù)量、優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)和水分入滲[9-10];也有研究報(bào)道土壤中摻有大粒徑的煤矸石會(huì)堵塞土壤大孔隙,切斷原有水分通道聯(lián)系,會(huì)影響水分下滲和傳導(dǎo)[11-12]。煤矸石基質(zhì)土壤的水分特性決定于其風(fēng)化程度、組成礦物及其化學(xué)成分。

采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方法,以峰峰集團(tuán)新三礦煤矸石山山頂、山腰和山腳不同地形處的煤矸石基質(zhì)及其與附近黃土混合物為研究土樣。通過(guò)室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn),研究矸石山上不同地形處(山頂、山腰、山腳)的矸石以及黃土和煤矸石混合物定水頭一維垂直入滲特征。探討煤矸石基質(zhì)土壤的水分入滲特性,為生態(tài)修復(fù)及復(fù)墾綠化煤矸石山提出理論和方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為冀中能源峰峰集團(tuán)新三礦風(fēng)化20 a的煤矸石山陽(yáng)坡上(山頂、山腰和山腳)風(fēng)化矸石及矸石(3種矸石按1∶1∶1混合樣)與附近黃土的混合物,矸土混合樣品按照矸/土質(zhì)量比7∶3,5∶5和3∶7混勻作為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)在河北工程大學(xué)土壤物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。

取試驗(yàn)用煤矸石和矸土混合土樣1 kg,用0.25, 0.5,1,2,5,10,20 mm篩子篩分和比重計(jì)法測(cè)土樣機(jī)械組成,測(cè)得試驗(yàn)土樣粒徑組成比例見(jiàn)表1。

表1 不同土壤樣品的機(jī)械組成Table 1 Mechanical composition of soil weathering coal gangue

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

入滲試驗(yàn)土柱由直徑15 cm、高60 cm的有機(jī)玻璃管制成,底部用有機(jī)玻璃板密封,并留有排水孔;用馬氏瓶為入滲試驗(yàn)供水,保持供水水頭為5 cm。土柱底部鋪上濾紙和紗布,管壁涂凡士林,根據(jù)試驗(yàn)高度計(jì)算有機(jī)玻璃管的容積,按密度1.25 g/cm3計(jì)算出管中填加基質(zhì)質(zhì)量,然后稱相應(yīng)質(zhì)量混勻基質(zhì)土壤,分層填入管中,邊填邊夯實(shí),直至達(dá)到設(shè)計(jì)高度45 cm。試驗(yàn)開始后,記錄馬氏瓶的水量變化和土柱濕潤(rùn)鋒的遷移情況,在入滲開始階段每分鐘記錄一次,濕潤(rùn)鋒變化小的時(shí)候適當(dāng)延長(zhǎng)每次記錄時(shí)間,入滲水量和濕潤(rùn)鋒變化一直記錄到試驗(yàn)結(jié)束。入滲試驗(yàn)的室內(nèi)溫度約為25℃。

運(yùn)用回歸分析法建立試驗(yàn)入滲率I與時(shí)間t的最優(yōu)回歸函數(shù),入滲率與時(shí)間的關(guān)系及試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行擬合和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地形和矸土比例對(duì)土壤入滲率的影響

由表2可知,山腳、山腰和山頂矸石初始入滲率、穩(wěn)滲率均隨地形的增高而減小;入滲率由大到小的順序?yàn)?山腳＞山腰＞山頂。其中山腳矸石的初始入滲率和穩(wěn)滲率分別為山腰的1.111和1.078倍;山腰矸石的初始入滲率和穩(wěn)滲率分別為山頂?shù)?.096和1.102倍,不同處理間有顯著性差異。由此可見(jiàn),矸石傾倒時(shí),粒徑大的滾落到山腰、山腳處;矸石粒徑為山腳＞山腰＞山頂,山頂矸石經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化,風(fēng)化嚴(yán)重,粒徑細(xì)小,因此山頂矸石基質(zhì)土壤的水分入滲率比山腰、山腳低,保水性能比山腰、山腳處好。

表2 風(fēng)化煤矸石土壤的入滲特征參數(shù)Table 2 Infiltration parameters of soil weathering coal gangue

對(duì)于矸土混合土壤來(lái)說(shuō),其黃土比例越高初始入滲率和穩(wěn)滲率越低,當(dāng)土壤密度為1.25 g/cm3時(shí),摻土矸石入滲率由大到小的順序?yàn)轫吠临|(zhì)量比7∶3＞5∶5＞3∶7,矸土質(zhì)量比7∶3的初始入滲率和穩(wěn)滲率分別為5∶5的1.152和1.149倍;矸土質(zhì)量比5∶5的初始入滲率和穩(wěn)滲率分別為矸土質(zhì)量比3∶7的1.179和1.057倍。矸土混合土壤入滲率均顯著低于風(fēng)化矸石,隨著矸石摻土比例的提高,初始入滲率顯著降低,矸土質(zhì)量比5∶5與3∶7的混合土樣穩(wěn)滲率之間差異不顯著。入滲率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間隨矸土比的減小而增加,矸土質(zhì)量比3∶7的入滲率到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間分別為5∶5和7∶3的1.28和1.92倍。粉質(zhì)的黃土顆粒填充到大粒徑矸石的縫隙中,矸土混合土樣的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,從而改變了土壤水分的入滲特性。

2.2 Kostiakov模型和通用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)風(fēng)化煤矸石土壤入滲特征的分析

已有較多的數(shù)學(xué)模型描述入滲率和入滲時(shí)間的關(guān)系,如考斯加可夫的入滲模型(Kostiakov)[4-8]、菲利普入滲模型(Philip)[9-14]和通用經(jīng)驗(yàn)公式等[1,15-18]。用SPSS(16.0)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)入滲速率和入滲時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了擬合,由擬合結(jié)果可知(表3),實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)用考斯加可夫模型和通用經(jīng)驗(yàn)公式擬合,有較高的相關(guān)系數(shù)。

從表3得出,數(shù)據(jù)用考氏入滲模型和通用經(jīng)驗(yàn)公式擬合程度較高,其相關(guān)系數(shù)(R2)值都超過(guò)0.92。在Kostiakov入滲模型中,式中n值大小反映入滲率隨時(shí)間t的遞減變化,其中,n越大,遞減就越迅速,n變小,入滲率就降低;所以,從表3的Kostiakov入滲模型中,n值大小能得出沿著由山頂?shù)缴侥_的地形變化,入滲時(shí)間越長(zhǎng),煤矸石入滲率遞減速度也越快;矸土質(zhì)量比由7∶3,5∶5到3∶7,隨著矸石入滲時(shí)間延長(zhǎng),入滲率的迅速遞減。

表3 Kostiakov入滲模型回歸結(jié)果和通用經(jīng)驗(yàn)公式擬合結(jié)果Table 3 Regression results of Kostiakov infiltration model and simulation results of universal empirical formula

圖1,2是不同地形處矸石和矸土混合土樣兩種入滲模擬曲線和實(shí)測(cè)曲線,結(jié)果表明,煤矸石基質(zhì)土壤水分入滲可劃分為3個(gè)時(shí)期:第1為入滲初期,這個(gè)時(shí)期土壤的含水量很低,濕潤(rùn)表層與干燥下層土壤產(chǎn)生很大的水勢(shì)差,水快速下滲,入滲率變化明顯,基質(zhì)的水勢(shì)梯度控制該階段的水分入滲過(guò)程;第2為緩變期,該時(shí)期基質(zhì)的土壤含水量漸增,土壤的水勢(shì)梯度慢慢變小,再加上較小的土壤水重力勢(shì)的作用,入滲率就隨著水勢(shì)梯度降低而慢慢降低,該時(shí)期減弱的土壤水基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)梯度控制著入滲過(guò)程;第3為穩(wěn)定入滲期,該時(shí)期土壤已經(jīng)是飽和含水率狀態(tài),土壤基質(zhì)勢(shì)梯度已變的很小,土壤水重力勢(shì)梯度控制入滲過(guò)程,土柱上面水頭維持一定值,土壤水分的入滲率就不變,入滲率為穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 不同地形風(fēng)化矸石入滲率隨時(shí)間的變化Fig.1 Infiltration rate changes of different coal gangue weathering with time

此外,從圖1可以明顯看出,2個(gè)模型曲線與實(shí)測(cè)曲線在初始入滲階段的擬合程度均很高,但隨入滲時(shí)間的增加,通用公式模擬曲線從漸變階段開始逐漸與實(shí)測(cè)曲線相偏離,而且,偏離逐漸變遠(yuǎn)。可認(rèn)為當(dāng)煤矸石由山腳到山頂時(shí),考斯加可夫入滲模型更適合作為風(fēng)化矸石的入滲模擬。由圖2能夠得出,在入滲的初始期和緩變期,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有著很高的擬合度,繼續(xù)延長(zhǎng)入滲時(shí)間,考氏模型的入滲模擬曲線從穩(wěn)定階段開始逐漸與試驗(yàn)曲線偏離,而且,偏離漸漸變遠(yuǎn)。表明當(dāng)摻土比例增大時(shí),通用經(jīng)驗(yàn)方程較適合用于矸土混合土壤的入滲模擬。

圖2 不同矸土混合土壤入滲率隨時(shí)間的變化Fig.2 Infiltration rate changes of mixed soils with time

2.3 不同煤矸石基質(zhì)土壤的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特征

不同煤矸石基質(zhì)土壤在不同時(shí)間達(dá)到相同的濕潤(rùn)深度、累積入滲量均隨時(shí)間延長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)。圖3(a),(c)和表4中給出了不同矸石基質(zhì)土壤的累積入滲量隨時(shí)間變化的關(guān)系,在較高水勢(shì)梯度下,入滲初期對(duì)累積入滲量影響的主要因素是基質(zhì)勢(shì),所以,山腳、山腰和山頂矸石和摻土矸石分別在剛開始的10和30 min試驗(yàn)中,基質(zhì)土壤的累積入滲量沒(méi)有顯著差異;隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),基質(zhì)土壤慢慢浸潤(rùn),不同基質(zhì)土壤對(duì)累積入滲量的影響開始出現(xiàn)變化,當(dāng)矸石和矸土混合基質(zhì)的試驗(yàn)分別進(jìn)行20和180 min以后,處理間的累積入滲量差異顯著性開始顯現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),摻土矸石累積入滲量顯著高于矸石,其中以矸土質(zhì)量比3∶7的累積入滲量最高,山腳矸石最低。說(shuō)明矸石摻土可以顯著提高矸石基質(zhì)土壤的保水性能。

濕潤(rùn)峰變化速率可以反映土壤的輸水能力[19],土壤中小粒徑的碎石具有改善土壤結(jié)構(gòu)的作用[20],但是,在矸石山上大粒徑的矸石能夠增加土壤通透性,有利于土壤的輸水,保水性能就較差,這種影響隨矸石大粒徑含量的增大更加明顯。圖3(b),(d)和表4表明,矸石基質(zhì)土壤水分入滲濕潤(rùn)鋒隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加繼續(xù)下移,在試驗(yàn)最初的10 min內(nèi),不同地形矸石間及矸土混合物間入滲濕潤(rùn)鋒向下運(yùn)移深度幾乎沒(méi)差別,20 min后,不同基質(zhì)土壤的濕潤(rùn)鋒下移深度漸漸產(chǎn)生差異。當(dāng)入滲濕潤(rùn)鋒下移較快時(shí),土壤顆粒大小對(duì)入滲濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離沒(méi)有影響;隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng),大粒徑矸石及矸石比例高的矸土混合土壤入滲濕潤(rùn)鋒的下移速度顯著加快。相同入滲時(shí)間,山腳矸石濕潤(rùn)鋒下移深度比山腰、山頂處大,均高于摻土矸石。矸石的濕潤(rùn)鋒平均運(yùn)移速率均顯著高于摻土矸石,矸土質(zhì)量比5∶5與3∶7之間平均遷移速率差異不顯著。

圖3 矸石基質(zhì)土壤的累積入滲量和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特征Fig.3 Cumulative infiltration and wetting front migration characteristics of the soil weathering coal gangue

表4 累積入滲量與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率的多重比較Table 4 Comparison of cumulative infiltration and weting front

3 結(jié) 論

(1)煤矸石的初始入滲率、穩(wěn)滲率由山腳到山頂而逐漸減小,減小關(guān)系符合冪函數(shù)遞減關(guān)系。矸土混合土壤的初始入滲率、穩(wěn)滲率均隨矸土質(zhì)量比的減小(7∶3,5∶5,3∶7)而迅速減小。入滲達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間隨矸土比的減小(7∶3,5∶5,3∶7)而增長(zhǎng)。矸石摻土能顯著降低土壤水入滲速率。

(2)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)用Kostiakov入滲模型和通用經(jīng)驗(yàn)公式擬合程度較好。當(dāng)煤矸石由山腳到山頂?shù)匦巫兓瘯r(shí),Kostiakov入滲模型更適合作為風(fēng)化矸石的入滲模型。當(dāng)矸石摻土比較大時(shí),通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透m合作為矸土混合土樣的入滲模型。(3)試驗(yàn)初期,不同基質(zhì)土壤的累積入滲量無(wú)差異,最終矸石基質(zhì)土壤的累積入滲量為山腳＜山腰＜

山頂＜7∶3＜5∶5＜3∶7;基質(zhì)土壤中小顆粒越多其濕潤(rùn)鋒到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間越長(zhǎng),基質(zhì)土壤的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率為山腳＞山腰＞山頂＞7∶3＞5∶5＞3∶7。矸石摻土顯著增加累積入滲量,降低濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率,提高土壤保水性。

[1] 劉 迪.煤矸石的環(huán)境危害及綜合利用研究[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2006,22(3):60-62.

Liu Di.Research on environmental effect and comprehensive utilization of coal waste rocks[J].Journal of Meteorology and Envirenment,2006,22(3):60-62.

[2] 馮廣達(dá),畢銀麗,杜善周,等.煤系廢棄物對(duì)磷的吸附及解吸特性[J].煤炭學(xué)報(bào),2008,33(12):1430-1434.

Feng Guangda,Bi Yinli,Du Shanzhou,et al.Phosphate adsorption and desorption characteristics in different coal wastes medium[J].Journal of China Coal Society,2008,33(12):1430-1434.

[3] 胡振琪.半干旱地區(qū)煤殲石山綠化技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào), 1995,20(3):322-327.

Hu Zhenqi.A forestation of waste pile in semi-arid areas[J].Journal of China Coal Society,1995,20(3):322-327.

[4] 胡振華,王電龍,呼起躍,等.風(fēng)化煤矸石入滲規(guī)律模擬[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2008,6(2):55-59.

Hu Zhenhua,Wang Dianlong,Hu Qiyue,et al.Infiltration laws of weathering gangue[J].Science of Soil and Water Conservation, 2008,6(2):55-59.

[5] 鄭福祥,王電龍.摻土煤矸石垂直入滲規(guī)律模擬研究[J].亞熱帶水土保持,2011,23(2):19-21,35.

Zheng Fuxiang,Wang Dianlong.Simulation experiment on the vertical infiltration rules of earth mixing coal refuse[J].Subtropical Soil and Water Conservation,2011,23(2):19-21,35.

[6] 高露雙,許 麗,尹忠東,等.阜新矸石山土壤滲透性的研究[J].水土保持研究,2006,13(3):45-46.

Gao Lushuang,Xu Li,Yin Zhongdong,et al.Study on soil permeability of waste rock hill[J].Research of Soil and Water Conservation,2006,13(3):45-46.

[7] Potter K N.Physical properties of constructed and undisturbed soils [J].Soil Science Soc.,1998,52(5):66-75.

[8] 張光燦,劉 霞,王 燕.煤礦區(qū)生態(tài)重建過(guò)程中風(fēng)化矸石山植被生長(zhǎng)及土壤水文效應(yīng)[J].水土保持學(xué)報(bào),2002,16(5):20-23.

Zhang Gangcan,Liu Xia,Wang Yan.Weathering growth and soil hydrological effect of vegetation on gangue pile in coal mine area ecological reconstruction process[J].Journal of Soil and Water Conservation,2002,16(5):20-23.

[9] Ravina I,Magier J.Hydraulic conductivity and water retention of clay soils containing coarse fragments[J].Soil Science Society of America Journal,1984,48:736-740.

[10] Guebert M D,Gardner T W.Macropore flow on a reclaimed surface mine:Infiltration and hill slope hydrology[J].Geomorphology, 2001,39(3/4):151-169.

[11] Ingelmo F,Cuadrado S,Ibanez A,et al.Hydric properties of some Spanish soils in relation to their rock fragment content:Implications for runoff and vegetation[J].Catena,1994,23(1/2):73-85.

[12] Valentin C.Surface sealing as affected by various rock fragment covers in West Africa[J].Catena,1994,23:87-97.

[13] 李德平,張玉梅,方繼臣,等.矸石山水土流失規(guī)律與防治措施的研究[J].水土保持研究,2001,8(3):22-25.

Li Deping,Zhang Yumei,Fang Jichen,et al.Study of the laws of water and soil loss and preventive measure in waste rock hill[J].Research of Soil and Water Conservation,2001,8(3):22-25.

[14] 孫艷紅,張洪江,程金花,等.重慶縉云山林地枯落物及土壤水文效應(yīng)研究[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2006,4(3):31-35.

Sun Yanhong,Zhang Hongjiang,Cheng Jinhua,et al.Hydrological effect of forest litter and soil in Jinyun mountain of Chongqing [J].Science of Soil and Water Conservation,2006,4(3):31-35.

[15] 王慧芳,邵明安.含碎石土壤水分入滲試驗(yàn)研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2006,17(5):604-609.

Wang Huifang,Shao Ming’an.Experimental study on water infiltration of soil containing rock fragments[J].Advances in Water Science,2006,17(5):604-609.

[16] 趙偉霞,蔡煥杰,陳新明,等.無(wú)壓灌溉土壤濕潤(rùn)體含水率分布規(guī)律與模擬模型研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(3):7-12.

Zhao Weixia,Cai Huanjie,Chen Xinming,et al.Distribution rule of soil moisture and simulation model in wetting front under nonpressure irrigation[J].Transactions of the CSAE,2007,23(3):7-12.

[17] 程?hào)|娟,張亞麗.土壤物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2012:58-62.

Cheng Dongjuan,Zhang Yali.Soil physics experimental instruction [M].Beijing:China Water Power Press,2012:58-62.

[18] 雷志棟,楊詩(shī)秀,謝森傳.土壤水動(dòng)力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1988:77-130.

Lei Zhidong,Yang Shixiu,Xie Senchuan.Dynamics of soil water [M].Beijing:Tsinghua University Press,1988:77-130.

[19] Hillel D.Applications of soil physics[M].New York:Academic Press,1880:139-140.

[20] Ravina I,Magier J.Hydraulic conductivity and water retention of clay soils containing coarse fragments[J].Soil.Sci.Soc.Am.J.,1984,48:736-740.

Experimental study on water infiltration of soil weathering coal gangue

MA Bao-guo1,WANG Jian1,LIU Jing-ran1,WU Yan-lei2,HAO Jiu-zhi3

(1.College of Hydroelectricity,Hebei University of Engineering,Handan 056021,China;2.College of City Construction,Hebei University of Engineering,Handan 056021,China;3.Xingtai County Water Conservancy Bureau of Hebei,Xingtai 054001,China)

In order to understand the moisture characteristics of soil weathering coal gangue,the vertical one-dimensional infiltration test was conducted to investigate the infiltration law of coal gangue at pile-top,mid-slope,pile-foot and the mixed soil of gangue and loess with the weight ratio 7∶3,5∶5 and 3∶7 respectively.The results show that the initial and steady infiltration rates of gangue decrease gradually from pile-foot to hilltop,those value at pile-foot are 1.111 and 1.078 times respectively of those at pile-top;those at mid-slope are 1.096 and 1.102 times respectively of those at pile-top and their relationship can be described with power function.The initial and steady infiltration rates of mixed soil of gangue and loess decrease quickly with the decrease of weight ratio(gangue/loess 7∶3,5∶5,3∶7 respectively).The time of infiltration to reach steady state increases with the decrease of gangue proportion.The initial and steady infiltration rates of gangue and loess with ratio of 7∶3 are 1.152 and 1.149 times respectively of those of 5∶5,and those of 5∶5 are 1.179 and 1.057 times respectively of those of 3∶7.The Kostiakov model is more suitable for the infiltration model of gangue from pile-foot to pile-top,and the general empirical model is more suitable forthe infiltration model of the mixed soils of gangue and loess.The cumulative infiltration is gangue and loess ratio 7∶3＞5∶5＞3∶7＞pile-top gangue＞mid-slope gangue＞pile-foot gangue at the end of the experiment.The mixed soil of gangue and loess can significantly reduce the infiltration rate,increase the cumulative infiltration and be beneficial to soil and water conservation and plant growth at coal gangue pile.

coal gangue;the ratio of gangue and loess;infiltration rate;wetting front;cumulative infiltration

X752

A

0253-9993(2014)12-2501-06

2013-12-19 責(zé)任編輯:王婉潔

河北省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(12220802D)

馬保國(guó)(1967—),男,河北邯鄲人,教授,博士。E-mail:mabghd@aliyun.com

馬保國(guó),王 健,劉婧然,等.煤矸石基質(zhì)土壤的水分入滲試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(12):2501-2506.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1874

Ma Baoguo,Wang Jian,Liu Jingran,et al.Experimental study on water infiltration of soil weathering coal gangue[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2501-2506.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1874