降雨條件下風(fēng)沙區(qū)高強(qiáng)度開采對剖面土壤水分的影響?

陳 超 林 杉 胡振琪 臺曉麗 楊 坤

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京市海淀區(qū)，100083）

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降雨條件下風(fēng)沙區(qū)高強(qiáng)度開采對剖面土壤水分的影響?

陳 超 林 杉 胡振琪 臺曉麗 楊 坤

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京市海淀區(qū)，100083）

為研究降雨條件下風(fēng)沙區(qū)高強(qiáng)度開采對剖面土壤水分的影響，通過采用中子儀對高強(qiáng)度開采過程中表層土壤水分進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，分析降雨前后開采對風(fēng)沙區(qū)垂直土壤水分變化的影響。研究表明：開采活動對不同區(qū)域土壤含水量的影響不同，正在開采的研究區(qū)受影響程度要大于采后的開切眼區(qū)，且邊緣區(qū)大于盆底區(qū)；開采活動對不同深度土壤含水量影響程度也不同，對表層土壤的影響大于深層土壤；開采結(jié)束后，土壤水分有一定的恢復(fù)，且表層土壤恢復(fù)較快，深層土壤受影響時間較長。

風(fēng)沙區(qū) 土壤體積含水量 超大工作面 高強(qiáng)度開采

隨著我國煤炭戰(zhàn)略西移，超大工作面等高強(qiáng)度開采技術(shù)逐漸在神東礦區(qū)得到大規(guī)模推廣和應(yīng)用，這可能嚴(yán)重威脅風(fēng)沙區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境。處于風(fēng)沙區(qū)的神東礦區(qū)主要植被為耐旱、根系相對較淺的沙篙、沙柳等，植物根系所需水分大都來自淺層土壤水分，由于降水較少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，淺層土壤水分是該區(qū)植被生長與恢復(fù)的主要限制因子，而已有研究較少涉及煤炭資源高強(qiáng)度開采條件下植被、土壤與水分間的相互關(guān)系，這關(guān)系到能否準(zhǔn)確判斷采煤塌陷對生態(tài)環(huán)境的影響程度。選取神東礦區(qū)大柳塔礦某超大工作面，對不同沉陷區(qū)、不同深度土層的土壤水分在降雨前后的變化情況進(jìn)行對比分析，試圖了解不同采煤沉陷區(qū)域表層土壤水分的響應(yīng)特征，同時揭示采煤過程與表層土壤水分動態(tài)變化關(guān)系，以期為土地復(fù)墾與生態(tài)重建工作提供理論參考。

1　研究區(qū)概況

大柳塔礦地處毛烏素沙地南緣，海拔1120～1280 m，地貌主要為風(fēng)積沙，少量為黃土梁峁區(qū)。礦區(qū)干旱少雨多風(fēng)，屬典型高原大陸性氣候。地表水體主要為井田西界的烏蘭木倫河和東界的勃牛川。該區(qū)土壤以風(fēng)沙土為主，結(jié)構(gòu)疏松。研究區(qū)某超大工作面長度為280.5 m，推進(jìn)長度為2881.3 m。開采5-2煤層，煤層埋深為190～220 m，煤層厚度為7.07～7.7 m，平均厚度為7.25 m。煤層傾角較小，層狀構(gòu)造，屬近水平煤層。工作面平均進(jìn)尺量約為11 m/d，采用長壁開采、全部垮落法管理頂板，目前已完成全部回采工作。

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計與方法

2.1布點(diǎn)方法

根據(jù)開采沉陷學(xué)理論，利用MSPS軟件預(yù)計出均勻沉降區(qū)與非均勻沉降區(qū)，為排除地形差異影響，選取地勢平坦、植物種類和蓋度相當(dāng)?shù)膮^(qū)域布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，均勻沉降區(qū)為沉陷盆地中間研究區(qū)（以下簡稱中間區(qū)，以ZJ代表）、非均勻沉降區(qū)為沉陷盆地邊緣研究區(qū)（以下簡稱邊緣區(qū)，以BY代表）、開切眼研究區(qū)（以下簡稱開切眼區(qū)，以KQ代表）和對照區(qū)（以CK代表），利用GPS準(zhǔn)確布設(shè)12個點(diǎn)，在監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)直徑為4.5 cm、長度為230 cm的鋁管，實(shí)驗(yàn)區(qū)分區(qū)及監(jiān)測點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)區(qū)分區(qū)及監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖

2.2實(shí)驗(yàn)方法

研究重點(diǎn)探討采煤對剖面土壤水分的影響，同時結(jié)合工作面開采進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)測。水分監(jiān)測主要選取CNC503B智能中子土壤水分儀（下稱中子儀）作為監(jiān)測儀器，監(jiān)測土壤體積含水量（土壤水分體積與土壤體積之比），用烘干法對其進(jìn)行標(biāo)定。計算公式為:

式中:θv——土壤體積含水量，%；

Ws——濕土重量，g；

Wg——烘干土重量，g；

ρb——土壤容重，g/cm3。

由于中子儀在地表0～10 cm有中子外溢現(xiàn)象，產(chǎn)生一定實(shí)驗(yàn)誤差，故監(jiān)測地表下10 m～200 cm的土壤體積含水量。具體方法是:每10 cm為一層，分層監(jiān)測，原則上每2 d監(jiān)測一次。為減小誤差，應(yīng)確保觀測時段相同，并按同一順序觀測，盡量保證實(shí)驗(yàn)條件的一致性。

2.3數(shù)據(jù)校正

利用中子儀測定土壤體積含水量有一定的空間差異，故用烘干法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。一般通過計數(shù)比率Rv（測量計數(shù)/標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)）與土壤體積含水量θv建立線性關(guān)系，用以消除或減弱系統(tǒng)誤差，從而準(zhǔn)確求出土壤水分含量。采取野外標(biāo)定，在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇未擾動過的典型監(jiān)測點(diǎn)，在距離監(jiān)測點(diǎn)2 m處，開挖2 m深的剖面，每10 cm用環(huán)刀取土樣1組，每組3個平行樣，測定土壤重量、含水量和土壤容重，換算成土壤體積含水量并取均值；利用中子儀在相同深度測定土壤含水量，每層測定3個數(shù)據(jù)并取平均值。將每組不同的Rv和θv直接作為獨(dú)立的樣本進(jìn)行線性回歸分析（相關(guān)系數(shù)r為0.91），所得回歸方程為:

式中:Rv——計數(shù)比率。

3　結(jié)果與分析

3.1土壤水分變化分層情況

通過分析對照區(qū)土壤剖面水分變化情況，土壤水分在垂直方向隨深度增加，呈現(xiàn)出先增大后達(dá)到基本穩(wěn)定的趨勢，體積含水量在2%～10%范圍內(nèi)變化，其分布受降水、蒸發(fā)和植被等因素的影響較大，監(jiān)測時段對照區(qū)土壤剖面水分變化如圖2所示。

圖2　監(jiān)測時段對照區(qū)土壤剖面水分變化

根據(jù)體積含水量均值及變異系數(shù)，將0～200 cm土壤分為土壤水分速變層和穩(wěn)定層，土壤體積含水量垂直分層結(jié)果如圖3所示。

圖3　土壤體積含水量垂直分層結(jié)果

（1）土壤水分速變層（10～40 cm）。隨深度增加土壤水分顯著增加（P＜0.05），且變異系數(shù)普遍較大，對雨水等因素響應(yīng)較為明顯。在監(jiān)測期導(dǎo)致土壤水分變化的主要因素有降雨、蒸發(fā)和植物蒸騰作用等。由變異系數(shù)可知，該區(qū)表層40 cm內(nèi)土壤受雨水影響明顯，20 cm變異系數(shù)最大，同時該層土壤水分隨深度顯著遞增。

（2）土壤水分穩(wěn)定層（40 cm以下）。存在少許灌木和喬木根系，土壤水分受氣候和植被影響相對較小，對上、下層土壤均能起到補(bǔ)給及儲存作用。該層雖受降雨影響較小，但也隨降雨等因素發(fā)生變化。如在降雨初期，該層土壤有貯水作用，隨時間延長，除補(bǔ)給地下水外，植物蒸騰及地表蒸發(fā)等使得該層土壤又可向上層供水，水分入滲和向上遷移同時發(fā)生于此層。這與該區(qū)土壤屬沙土、物理

性黏粒含量較低、結(jié)構(gòu)松散、保水能力差有關(guān)，在降雨強(qiáng)度大時，僅小部分雨水在短期內(nèi)形成地表徑流，故而入滲量大以致入滲深度較大。

3.2降雨前后10～20 cm土壤對降雨的響應(yīng)情況

4個分區(qū)10～20 cm土壤體積含水量變化情況如圖4所示，降雨后1 d的四個分區(qū)10～20 cm土壤體積含水量較降雨前均有一定提升，降雨5 d后與1 d后相比均有所降低，但升高與降低量并不一致。

圖4　降雨前后10～20 cm土壤體積含水量的變化情況

圖4（a）表明地域差異導(dǎo)致降雨前中間區(qū)、邊緣區(qū)與對照區(qū)土壤體積含水量均顯著低于開切眼區(qū)。降雨補(bǔ)給使得降雨后1 d的對照區(qū)含水量比降雨前顯著提高，開切眼區(qū)、中間區(qū)亦顯著升高，而邊緣區(qū)變化并不顯著。降雨后1 d的土壤體積含水量升高量如圖4（b）所示，雖然開切眼區(qū)與中間區(qū)土壤體積含水量均顯著升高，但對降雨的響應(yīng)程度不同。中間區(qū)與邊緣區(qū)升高量顯著低于對照區(qū)，而開切眼區(qū)升高量卻顯著高于對照區(qū)。邊緣區(qū)在降雨后1 d含水量升高值顯著低于中間區(qū)，說明開采對不同區(qū)域土壤含水量影響程度有所不同:邊緣區(qū)＞中間區(qū)。這說明在開采過程中開采活動導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變化直接影響到土壤含水量對降雨的響應(yīng)程度。就中間區(qū)與邊緣區(qū)相比而言，雖然中間區(qū)下沉值較大，且高強(qiáng)度開采導(dǎo)致巖土層垮落現(xiàn)象明顯，但是邊緣區(qū)土壤結(jié)構(gòu)受擾動程度較中間區(qū)大。同時，降雨后雨水匯集于中間區(qū)，導(dǎo)致邊緣區(qū)升高量顯著低于中間區(qū)。開切眼區(qū)升高量較對照區(qū)高則是因降雨前含水量本底值高，這也說明開切眼區(qū)雖處工作面邊緣，但在采后長時間內(nèi)自然營力作用下土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，土壤含水量因降水等得到一定的恢復(fù)。

圖4（a）表明降雨后5 d的對照區(qū)和邊緣區(qū)土壤體積含水量與降雨后1 d無顯著性差異，而降雨后1 d含水量顯著升高的開切眼區(qū)和中間區(qū)卻顯著下降，如圖4（b）所示，開切眼區(qū)下降量最大，其次是中間區(qū)，均顯著高于對照區(qū)和邊緣區(qū)，這主要由于開切眼區(qū)和中間區(qū)地表存在大量裂縫導(dǎo)致土壤蒸發(fā)面積增大、部分水分下滲至下層土壤所致。開切眼區(qū)、中間區(qū)裂縫分屬邊緣裂縫、動態(tài)裂縫，兩者的性狀特征及留存時間均有顯著差異，邊緣裂縫性狀特征尺度較大且留存時間長，導(dǎo)致開切眼區(qū)降雨后5 d水分下降量較多。

3.3降雨前后20～40 cm土壤對降雨的響應(yīng)情況

四個分區(qū)20～40 cm土壤體積含水量變化情況如圖5所示。

圖5　降雨前后20～40 cm土壤體積含水量的變化情況

圖5（a）表明降雨后1 d四個分區(qū)土壤體積含水量較降雨前均顯著提高，但圖5（b）表明四個分區(qū)對降雨的響應(yīng)程度顯著不同，開采區(qū)內(nèi)3個分區(qū)土壤含水量升高值均顯著低于對照區(qū)，就各區(qū)受開采影響程度而言，邊緣區(qū)受開采影響程度最大，其次為中間區(qū)和開切眼區(qū)。這說明20～40 cm土壤受開采活動影響情況與10～20 cm土壤有相似之處，即正受開采影響的邊緣區(qū)與中間區(qū)對雨水響應(yīng)程度顯著弱于對照區(qū)，這與開采擾動引起的表土層持水能力減弱有關(guān)。

降雨后5 d的土壤水分變化情況與10～20 cm土壤不同，對照區(qū)土壤水分顯著升高，并未與10～20 cm土壤變化一致，這表明10～20 cm土壤部分水分下滲至下層土壤。開切眼區(qū)與對照區(qū)亦存在類似響應(yīng)，即5 d后土壤水分有所升高，但圖5（b）表明升高量較對照區(qū)高，在10～20 cm土壤水分下降較多的同時，20～40 cm土壤水分有所升高，即表層水分下滲至此所致。而正受開采影響的中間區(qū)與邊緣區(qū)則與對照區(qū)較為不同，5 d后土壤水分均顯著下降，與10～20 cm土壤的情況類似，中間區(qū)降低量大于邊緣區(qū)。

3.4降雨前后40～60 cm土壤對降雨的響應(yīng)情況

四個分區(qū)的40～60 cm土壤體積含水量變化情況如圖6所示。

圖6　降雨前后40～60 cm土壤體積含水量的變化情況

圖6（a）、（b）表明該層土壤仍對降雨作出一定響應(yīng)，降雨后5 d該層土壤體積含水量仍顯著升高，表明上層土壤水分繼續(xù)下滲，并留存在該層土壤。除邊緣區(qū)外，開切眼區(qū)與中間區(qū)均未對降雨1 d后作出及時響應(yīng)，邊緣區(qū)土壤體積含水量雖較降雨前有顯著升高，但圖6（b）表明升高量顯著低于對照區(qū)，這表明開采活動導(dǎo)致該層土壤對降雨的響應(yīng)能力降低。除對照區(qū)外，降雨后5 d三個區(qū)土壤體積含水量較降雨后1 d也顯著升高，但差異不顯著，且升高量顯著低于對照區(qū)。這表明采煤對40～60 cm土壤對雨水響應(yīng)能力的影響小于表層土壤，但對土壤保水力的影響要大于表層土壤。

3.5降雨前后60～200 cm土壤對降雨的響應(yīng)情況

四個分區(qū)60～200 cm土壤體積含水量變化情況如圖7所示。

圖7　降雨前后60～200 cm土壤體積含水量的變化情況

圖7（a）、（b）表明對照區(qū)60～200 cm土壤含水量在降雨后存在小幅波動。中間區(qū)三個時間段土壤體積含水量依次顯著降低，而邊緣區(qū)變化不顯著。這表明中間區(qū)土壤結(jié)構(gòu)由于臺階、裂縫等變得疏松，各層連通性增強(qiáng)致使雨水下滲深度增大。而開切眼區(qū)不同于其他區(qū)，降雨后1 d土壤體積含水量便顯著升高，5 d后顯著降低，但仍顯著高于降雨前。這主要因該區(qū)60～200 cm土壤受到開采擾動影響，土壤入滲能力增強(qiáng)，導(dǎo)致開采期間降雨快速下滲至該層，同時表層裂縫及土壤空隙度增大也增加了蒸發(fā)的深度。從降雨下滲深度而言，開切眼區(qū)得到一定程度的恢復(fù)，但從保水時長而言，開切眼區(qū)并未完全恢復(fù)。

4　結(jié)論

（1）煤炭開采對不同區(qū)域土壤含水量的影響程度不同，正受開采影響的區(qū)域受影響程度要大于采后的開切眼區(qū)；在對雨水響應(yīng)方面，邊緣區(qū)受采煤影響程度大于中間區(qū)；在降雨后土壤持水能力方面，各區(qū)域存在差異，有待進(jìn)一步研究。

（2）煤炭開采對不同深度土壤水分影響程度不同，且對表層土壤的影響大于深層土壤，但影響強(qiáng)度均不大。隨開采結(jié)束，土壤水分在一定程度上有所恢復(fù)，且表層土壤恢復(fù)速度顯著高于深層土壤，深層土壤受采煤影響時間較長。

（3）根據(jù)不同區(qū)域受影響程度及恢復(fù)速度，應(yīng)實(shí)施分區(qū)分時的差異化修復(fù)措施，首先進(jìn)行自修復(fù)，然后于不同時間采取相應(yīng)的措施進(jìn)行人工修復(fù)，可降低修復(fù)成本，提高修復(fù)效率。

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（責(zé)任編輯 孫英浩）

Impacts of high-intensive coal mining on vertical soil moisture on the condition of precipitation in windy and sandy region

Chen Chao，Lin Shan，Hu Zhenqi，Tai Xiaoli，Yang Kun
（Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming to study impacts of high-intensive coal mining on vertical soil moisture on the condition of precipitation in windy and sandy region，the paper analyses the impacts of mining on vertical soil moisture distribution in windy and sandy region pre and post precipitation.The results exhibit that the magnitude of impacts of mining activities on soil volumetric moisture content varies in different areas，the impacts of the mining area is greater than that of the post-mining area（open-off cut area），while impacts of marginal area is greater than that of the basin floor area.Mining activities have various impacts on different soil depths，and the impacts on surface soil is larger than that of the deep soil.With the completion of mining，there is some recovery of soil moisture，with a rapid recovery rate of the surface soil，and the impact time lasts longer for the deep soil.

windy and sandy region，soil volumetric moisture content，super-large working face，high-intensive coal mining

TD997

A

?國家自然科學(xué)基金委員會—神華集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項目（U1361203）

陳超（1989-），男，河南開封人，中國礦業(yè)大學(xué)（北京），博士研究生，現(xiàn)從事土地復(fù)墾與生態(tài)重建方面研究。