基于水分特性的采煤沉陷地充填復(fù)墾黃河泥沙容重優(yōu)選

王曉彤，胡振琪，梁宇生，陳 洋

（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 100083）

0 引 言

充填復(fù)墾是提高采煤沉陷地耕地恢復(fù)率的有效途徑，一般依據(jù)“因地制宜”原則，利用土壤和容易得到的礦區(qū)固體廢棄物、粉煤灰、垃圾及湖泥等進(jìn)行充填采煤沉陷地，使其恢復(fù)到設(shè)計(jì)地面高程的過程[1]。但由于傳統(tǒng)采用煤矸石[2]、粉煤灰[3]、垃圾充填復(fù)墾采煤沉陷地的方法，有二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，并存在充填物料短缺的難題，使其推廣應(yīng)用受到限制。湖泥充填有利于土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量，但因質(zhì)地黏重、排水固結(jié)時(shí)間較長，充填復(fù)墾兩三年后才能進(jìn)行耕種[4]。尋找合適的充填材料，是采煤沉陷地土地復(fù)墾工作亟待解決的問題。

黃河泥沙含量大，下游河段長期淤積形成典型的“地上懸河”，同時(shí)該范圍又屬于采煤沉陷地較為集中的區(qū)域之一，相關(guān)研究表明黃河泥沙是一種綠色、安全的充填材料[5]。借助黃河沿岸的地理優(yōu)勢，用于充填復(fù)墾采煤沉陷地，既疏浚了黃河河道，又解決了充填復(fù)墾物料短缺的難題。但由于黃河泥沙砂粒含量高達(dá) 80%以上，大孔隙度較高，充填復(fù)墾后的土壤剖面構(gòu)型漏水漏肥，農(nóng)作物長勢欠佳[6]。

土壤孔隙是土壤水分運(yùn)動的空間，同一土體隨容重的增加，孔隙度降低。國內(nèi)外的相關(guān)研究表明孔隙度的改變對土壤中水 、肥、氣 、熱等肥力因素的變化和供應(yīng)狀況有很大的影響[7]。呂殿青等[8-9]研究表明，飽和含水率隨容重的增加而減小，與容重成反比關(guān)系，飽和導(dǎo)水率隨著容重的增加呈現(xiàn)冪函數(shù)形式遞減，另外，隨著土壤容重的增大，同一吸力下的有效飽和度增大，土壤水分特征曲線坡度越平緩。佘冬立等[10]研究發(fā)現(xiàn)，土壤飽和導(dǎo)水率、土壤水分?jǐn)U散率及相同土壤吸力下的含水率均隨容重的增大而減小，并隨著復(fù)墾年限的增長，土壤容重對水分運(yùn)動參數(shù)的影響更明顯。Sobczuk等[11]研究表明，容重對同一土壤水分特征曲線的影響，并獲得了Van Genuchten模型中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)n與容重的線性關(guān)系。Richard等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)踐過程中，通過機(jī)械壓實(shí)改變了土壤的孔隙狀況和數(shù)量，影響了土壤的導(dǎo)水能力。王恩姮等[13]研究發(fā)現(xiàn)在土壤承受能力范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)膲簩?shí)可以有效調(diào)節(jié)土壤三相，改善土壤結(jié)構(gòu)。李梅等[14]通過對不同土體構(gòu)型的土壤肥力評價(jià)及與容重關(guān)系分析表明，土壤壓實(shí)過度使得其對水分的調(diào)節(jié)能力下降，降低土壤的水分存儲能力，也會在一定程度上制約土壤肥力，不利于植物生長。

對于充填復(fù)墾所形成的新的土壤剖面，由于存在人類活動行為可稱之為“人造土壤（artificial soils）”，在土壤分類學(xué)上可將其納入人為土（anthropogenic soils）范疇[15]。在充填復(fù)墾的過程中，黃河泥沙作為一種充填基質(zhì)，充填完成后，黃河泥沙就成為了整個(gè)土壤結(jié)構(gòu)的一部分，即“人造土壤”，其容重的改變必然會影響其水力特性，進(jìn)而影響復(fù)墾土壤質(zhì)量。本研究利用土壤的概念和性質(zhì)類比研究黃河泥沙，從黃河泥沙容重與水分運(yùn)動特征參數(shù)的關(guān)系出發(fā)，找出其內(nèi)在的聯(lián)系和規(guī)律，進(jìn)行黃河泥沙充填復(fù)墾容重的優(yōu)選，為黃河泥沙充填復(fù)墾采煤沉陷地的實(shí)踐過程中，合理機(jī)械壓實(shí)程度的選擇，提供理論上的指導(dǎo)，從而在一定程度提高黃河泥沙的持水性，實(shí)現(xiàn)黃河泥沙充填復(fù)墾耕地生產(chǎn)力水平的提高。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用黃河泥沙采自于山東省德州市齊河縣邱集靳莊引黃干渠（36°29￠40.052N，116°28￠54.32E），樣品風(fēng)干后經(jīng)碾壓、去雜、過2 mm篩、充分混合均勻后備用。黃河泥沙的初始含水率（qi）、滯留含水率（qr）采用烘干法測定，分別為5.73%和3.16%。黃河泥沙的機(jī)械顆粒組成采用吸管法測定，粒徑在≤0.002，>0.002～0.05，>0.05～2 mm 所占的積分?jǐn)?shù)分別為 4.81%，18.93%，76.26%。整個(gè)試驗(yàn)過程將室溫控制在22 ℃左右。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用實(shí)測試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)，利用實(shí)測試驗(yàn)確定容重與飽和含水率及飽和導(dǎo)水率的關(guān)系，并為非飽和研究提供基礎(chǔ)參數(shù)；通過模擬試驗(yàn)研究非飽和情況下容重與含水率的關(guān)系，從而優(yōu)選最佳容重。

1.2.1 實(shí)測試驗(yàn)方法

1）實(shí)測試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程均采用容積為100 cm3的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀，洗凈、晾干編號后稱其質(zhì)量。根據(jù)實(shí)測已復(fù)墾農(nóng)田中黃河泥沙的容重情況，共設(shè)計(jì)8組試驗(yàn)容重，每組處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。首先，分別計(jì)算出不同容重黃河泥沙對應(yīng)填充質(zhì)量如表 1所示，然后，按規(guī)定質(zhì)量將環(huán)刀填平，同時(shí)需配合進(jìn)行不同程度的壓實(shí)。最后，進(jìn)行黃河泥沙飽和含水率、飽和導(dǎo)水率的試驗(yàn)測定。

表1 不同容重黃河泥沙對應(yīng)填充質(zhì)量Table 1 Yellow River sediment weight of different bulk density

2）飽和含水率的測定

將裝有黃河泥沙的環(huán)刀頂蓋取下，僅留墊有濾紙的帶孔底蓋，稱取質(zhì)量后，放入平底盆，注水至環(huán)刀上緣1～2 mm處，使其充分吸水達(dá)24 h，完全飽和后，用毛巾擦去環(huán)刀外壁所粘水分，立即稱其質(zhì)量，并計(jì)算出不同容重條件下黃河泥沙的飽和含水率。

式中為黃河泥沙飽和含水率，%；m2為干黃河泥沙質(zhì)量，g；m1為飽和黃河泥沙質(zhì)量，g。

3）飽和導(dǎo)水率的測定

稱取質(zhì)量后的飽和黃河泥沙環(huán)刀樣品，采用定水頭滲透筒法，通過馬氏瓶自動供水，水頭定為 2.5 cm，觀測量筒上的讀數(shù)，記錄不同時(shí)間間隔的出流量，并用溫度計(jì)實(shí)時(shí)記錄水溫，待相同時(shí)間間隔，連續(xù) 3次出流量近似相等，停止試驗(yàn)，并計(jì)算出黃河泥沙的飽和導(dǎo)水率。在飽和土壤中單位勢梯度下單位時(shí)間內(nèi)通過單位土壤橫截面積的水流體積，可根據(jù)達(dá)西定律獲得[16]

式中SK為飽和導(dǎo)水率，mm/min；nQ為滲出水總量，mm3；L為飽和土層厚度，mm；S為土樣的截面積，mm2；h為水層厚度，mm；nt為滲透所間隔時(shí)間，min。

將所測得SK換算成10 ℃時(shí)的飽和導(dǎo)水率

式中K10為10 ℃時(shí)飽和導(dǎo)水率，mm/min；SK為飽和導(dǎo)水率，mm/min；t為測定時(shí)水的溫度，℃。

1.2.2 模擬試驗(yàn)方法

1）模型介紹

土壤水分特征曲線是土壤水分物理基本特性之一，在研究土壤物理性質(zhì)和土壤水分變化過程中，具有極其重要的作用[17]。在已經(jīng)建立的眾多數(shù)學(xué)模型中，Van Genuchten模型[18]以其與各種性狀土壤的實(shí)測數(shù)據(jù)擬合程度好而得到廣泛的應(yīng)用[19]。

式中為滯留含水率，%；為飽和容積含水率，%；為有效飽和度；為基質(zhì)勢;為進(jìn)氣吸力相關(guān)參數(shù)；為滯留含水率；m、n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

2）模擬方法

應(yīng)用 HYDRUS-1D 中內(nèi)置的 Rosetta 模塊根據(jù)黃河泥沙的機(jī)械顆粒組成，并結(jié)合實(shí)測飽和含水率及飽和導(dǎo)水率對模擬生成的水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。然后，根據(jù)黃河泥沙的不同容重設(shè)計(jì)，基于van Genuchten模型對進(jìn)氣吸力相關(guān)參數(shù)a及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)m分別進(jìn)行反演，并生成不同容重條件下對應(yīng)的水分特征曲線。通過模擬試驗(yàn)研究非飽和情況下容重與含水率的關(guān)系，從而優(yōu)選黃河泥沙充填復(fù)墾過程中的最佳容重設(shè)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河泥沙容重對飽和含水率的影響

飽和含水率是指土壤全部孔隙充滿水時(shí)所持有的水分含量[20]。在充填復(fù)墾過程中對黃河泥沙進(jìn)行相應(yīng)的壓實(shí)后其容重增加，導(dǎo)致孔隙狀況發(fā)生變化，大孔隙降低，中小孔隙相應(yīng)的增加，所以飽和含水率減少。黃河泥沙容重與飽和含水率的關(guān)系如圖 1所示，黃河泥沙飽和含水率隨容重的減小而逐漸增加，與理論上土壤的飽和含水率與容重的關(guān)系相一致[8]。當(dāng)黃河泥沙的容重從1.35 g/cm3逐漸提高到 1.60 g/cm3，對應(yīng)的飽和含水率提高了16.73%。在中低容重點(diǎn)，實(shí)測值與理論值基本吻合，相對誤差控制在6.28%以內(nèi)，而在高容重點(diǎn)，黃河泥沙的飽和含水率較理論計(jì)算值存在一定的偏差，主要是由于人為填裝環(huán)刀的過程中對黃河泥沙壓實(shí)的受力程度不均勻且高容重時(shí)飽和過程中存在一定的膨脹現(xiàn)象造成。對實(shí)測黃河泥沙飽和含水率與容重進(jìn)行線性擬合，其表達(dá)式為

式中為黃河泥沙容重，g/cm3。黃河泥沙容重與含水率的關(guān)系呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.995，決定系數(shù)為0.990，其擬合效果良好。能夠較好的反映出黃河泥沙容重與飽和重量含水率的關(guān)系。由于土壤孔隙不可能完全被水充滿，土壤飽和含水率小于土壤孔隙度，且土壤容重越小，飽和含水率與孔隙度的偏差越大[8]，因此飽和含水率與容重關(guān)系的斜率小1。相關(guān)研究表明[9]容重是造成土壤含水率產(chǎn)生差異的主要影響因素。因此，在實(shí)際的黃河泥沙充填復(fù)墾過程中，依據(jù)黃河泥沙容重與飽和含水率的關(guān)系方程式（5）可以通過實(shí)測容重，預(yù)測對應(yīng)黃河泥沙的飽和含水率。

圖1 黃河泥沙容重與飽和含水率的關(guān)系Fig.1 Relationship between bulk density and saturated water content

2.2 黃河泥沙容重對飽和導(dǎo)水率的影響

導(dǎo)水率又稱為水力傳導(dǎo)度，代表土壤導(dǎo)水的基本性質(zhì)，它受土壤質(zhì)地、孔隙度、結(jié)構(gòu)、容重等諸多因素的影響，也是這些土壤物理性質(zhì)的一個(gè)綜合反映指標(biāo)[21]。土壤飽和導(dǎo)水率是土壤導(dǎo)水率的最大值，是研究土壤水分的重要參數(shù)[22]。黃河泥沙容重與飽和導(dǎo)水率的關(guān)系如圖 2所示，黃河泥沙飽和導(dǎo)水率隨容重增加而減小，在容重分別等于1.35、1.37、1.40 g/cm3時(shí)，黃河泥沙的飽和導(dǎo)水率分別高達(dá) 3.386 7′10–3、3.162 5′10–3、2.858 9′10–3m/s，最小容重 1.35 g/cm3條件下對應(yīng)的飽和導(dǎo)水率是最大容重 1.60 g/cm3條件下飽和導(dǎo)水率 1.512 43′10–3m/s的2.2倍。產(chǎn)生這種差異的主要原因是由于黃河泥沙容重在低于1.40 g/cm3的情況下，其內(nèi)部分布著大量的孔隙（包括大孔隙），使水分優(yōu)先從大孔隙中通過，對飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生重要的影響。對黃河泥沙容重與飽和含水率進(jìn)行冪函數(shù)擬合，其表達(dá)式為

實(shí)測值與理論值基本吻合，相對誤差控制在10.77%以內(nèi)，黃河泥沙容重與飽和導(dǎo)水率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.992，決定系數(shù)為0.984，其擬合效果良好。說明飽和導(dǎo)水率與孔隙度呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，隨黃河泥沙土壤的壓實(shí)度的提高，土壤容重增大，大孔隙度逐漸降低，從而使黃河泥沙的飽和導(dǎo)水率降低，然而當(dāng)br≥1.5 g/cm3，飽和導(dǎo)水率隨容重增大而減小的趨勢變慢。

圖2 黃河泥沙容重與飽和導(dǎo)水率的關(guān)系Fig.2 Relationship between bulk density and saturated hydraulic conductivity

2.3 基于水分特征曲線模擬的黃河泥沙容重的優(yōu)選

土壤水分特征曲線亦稱為土壤持水曲線，是土水勢與土壤含水率關(guān)系的曲線，表征了土壤的持水特性。黃河泥沙容重與水分特征線的關(guān)系如圖 3所示，不同容重黃河泥沙的含水率隨吸力的增大而急劇減少，且變化趨勢一致。依據(jù)毛管理論，土壤水分特征曲線實(shí)際反映的是土壤孔隙狀況和含水率之間的關(guān)系[23-24]，在質(zhì)地一定的條件下，容重的改變是影響土壤孔隙狀況的主要因素。對于黃河泥沙而言其砂粒占比高達(dá) 75%以上，黏粒僅含4.81%，孔隙空間主要分布在大孔隙中，對于飽和狀態(tài)的黃河泥沙，能夠以較高的導(dǎo)水率傳導(dǎo)水分。隨著容重的增加，大孔隙的有效直徑變小，而中小孔隙變化較小。在非飽和狀態(tài)下，吸力的微小增加就能使水分從大孔隙迅速排出，所以，在高吸力段，不同容重條件下黃河泥沙的含水率不存在顯著性差異，這與不同容重條件下黏土與壤土所呈現(xiàn)的水分特征曲線規(guī)律有所不同[9]。

黃河泥沙不同容重條件下模型參數(shù)的反演結(jié)果如表2所示，由 van Genuchten模型給定的已知條件可知：m=1–1/n(n>1)，m值可以根據(jù)擬合后n值求得。黃河泥沙容重的變化對 van Genuchten模型參數(shù)具有一定的影響。當(dāng)時(shí)，進(jìn)氣吸力相關(guān)的參數(shù)隨容重的增加而減??；當(dāng)時(shí)，隨容重的減小而增加。a越大說明起始狀態(tài)黃河泥沙的失水能力越強(qiáng)。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)m隨容重的增加而增加，當(dāng)m值隨容重增大而增加速度明顯；當(dāng)m隨容重增大而增加速度緩慢甚至隨容重增大有可能出現(xiàn)降低的趨勢。m越小說明黃河泥沙失水速率越大，水分特征曲線的坡度越陡峭。

圖3 黃河泥沙容重與水分特征線的關(guān)系Fig.3 Relationship between bulk density and water retention curves

表2 黃河泥沙不同容重條件下模型參數(shù)的反演結(jié)果Table 2 Inversion results of model parameters under different bulk density

綜上可知，通過van Genuchten模型反演的不同容重黃河泥沙的模型參數(shù)，表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，為了進(jìn)一步明確其內(nèi)部的規(guī)律，將a、m與容重的對應(yīng)關(guān)系分別繪制為圖4 a、4 b所示。根據(jù)與進(jìn)氣吸力相關(guān)的參數(shù)a及模型的形狀系數(shù)m隨容重變化的分布趨勢，分別進(jìn)行多項(xiàng)式和指數(shù)函數(shù)的擬合，相關(guān)系數(shù)分別為0.995和0.938，說明擬合效果較好。黃河泥沙容重與模型參數(shù)的關(guān)系如圖4所示，當(dāng)br=1.5 g/cm3時(shí)，a值最低，說明失水最慢，所以該容重條件下黃河泥沙的持水效果最好。

2.4 基于非飽和導(dǎo)水率模擬的黃河泥沙容重的優(yōu)選

非飽和導(dǎo)水率是研究非飽和土壤水分運(yùn)動的重要參數(shù)，Mualem建立了土壤水分特征曲線與非飽和導(dǎo)水率間的函數(shù)關(guān)系[25]，結(jié)合van Genuchten模型根據(jù)不同容重黃河泥沙的水分特征曲線，得出不同壓力條件下的非飽和導(dǎo)水率如表 3所示。黃河泥沙在飽和狀態(tài)下，全部孔隙被水分充滿，水分運(yùn)動呈現(xiàn)連續(xù)性，且飽和導(dǎo)水率高。而在非飽和狀態(tài)下，由于黃河泥沙非毛管孔隙度占比高，在低壓段含水率迅速下降，非飽和導(dǎo)水率迅速減小，如是h=10 kPa時(shí)對應(yīng)非飽和導(dǎo)水率的1 018.46倍。隨著水分從大孔隙的迅速排出，黃河泥沙中的部分孔隙被空氣所代替，水分運(yùn)動被空氣阻隔，不再呈現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動狀態(tài)，其非飽和導(dǎo)水率迅速降低。

圖4 黃河泥沙容重與模型參數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between bulk density and shape coefficients

表3 黃河泥沙不同容重條件下不同壓值對應(yīng)的非飽和導(dǎo)水率Table 3 Unsaturated hydraulic conductivity corresponding to different pressure in Yellow River sediment under different bulk density conditions cm·d–1

隨黃河泥沙容重的增加，各吸力段的含水率的下降速度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，即容重越高非飽和導(dǎo)水率越小，但當(dāng)h=1 kPa時(shí)，容重從1.4提高1.5 g/cm3，非飽和導(dǎo)水率降低了 18.8 cm/d。當(dāng)容量從 1.5 g/cm3提高1.6 g/cm3，非飽和導(dǎo)水率降低了 17.1 cm/d，說明當(dāng)容重大于1.5 g/cm3時(shí)，隨著容重的持續(xù)降低的速率將減小并趨于平緩，即大孔隙很難再被繼續(xù)壓縮，隨著壓實(shí)度的提高中小孔隙將被壓縮，毛管孔隙度的減少將成為土壤總孔隙度下降的主要影響因素。

2.5 黃河泥沙容重變化對持水性影響的機(jī)理分析

土壤的孔隙狀況反映了組成土壤的物質(zhì)狀態(tài)，對分析土壤水分運(yùn)動具有重要意義[26]。不同壓實(shí)程度下的黃河泥沙容重不同，對應(yīng)的土壤孔隙狀況也將產(chǎn)生差異，分析不同容重條件黃河泥沙的孔隙狀況，能進(jìn)一步闡明黃河泥沙持水性的作用機(jī)理。

按不同大小當(dāng)量孔徑，將不同容重條件下黃河泥沙的當(dāng)量孔徑劃分為3類：非毛管孔隙（d≥0.01 mm）、毛管孔隙（0.01 mm

圖5 黃河泥沙容重與孔隙度的關(guān)系Fig.5 Relationship between bulk density and porosity

3 結(jié) 論

1）飽和含水率及飽和導(dǎo)水率均隨黃河泥沙容重增加而降低，黃河泥沙容重與飽和含水率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.995，決定系數(shù)為0.990，其線性擬合效果良好；黃河泥沙充填容重與飽和導(dǎo)水率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為 0.992，決定系數(shù)為0.984，冪函數(shù)擬合效果較好。說明，在實(shí)際的黃河泥沙充填復(fù)墾過程中，可根據(jù)所得經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e預(yù)測不同容重黃河泥沙的飽和含水率及飽和導(dǎo)水率。

2）土壤水分特征VanGenuchten模型模擬試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)驗(yàn)參數(shù)n隨容重的增大先減小后增加，進(jìn)氣吸力相關(guān)參數(shù)α隨容重的增大先增大后減小與容重呈正比關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.995和0.938，說明擬合效果較好，當(dāng)值最低，失水最慢，所以該容重條件下黃河泥沙的持水效果最好。

3）非飽和導(dǎo)水率模擬試驗(yàn)也得出了與土壤水分特征曲線模擬試驗(yàn)一致的結(jié)果：充填黃河泥沙的最佳容重為1.5 g/cm3。主要機(jī)理在于，黃河泥沙充填容重的改變直接影響其孔隙分布、進(jìn)而影響土壤的導(dǎo)水特性。當(dāng)容重大于 1.5 g/cm3時(shí)，大孔隙很難再被繼續(xù)壓縮，隨著壓實(shí)度的提高中小孔隙將被壓縮，非飽和導(dǎo)水率持續(xù)降低的速率將減小并趨于平緩，毛管孔隙度的減少成為土壤總孔隙度下降的主要影響因素。

基于以上結(jié)果，建議在黃河泥沙充填復(fù)墾采煤沉陷地的實(shí)踐過程中，進(jìn)行合理的機(jī)械壓實(shí)使容重控制為1.5 g/cm3，黃河泥沙的毛管孔隙度到達(dá)最大，能夠在一定程度上提高黃河泥沙的持水性，實(shí)現(xiàn)黃河泥沙充填復(fù)墾耕地生產(chǎn)力水平的提高。

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