榆神府礦區(qū)臺階式地裂縫近距土壤水分的垂向變化特征

馬 坤，楊 磊

(西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054)

1 引言

煤炭是我國的最重要的能源，其主導地位短期內(nèi)不會發(fā)生改變。榆神府礦區(qū)作為國家重點建設的14個大型煤炭基地中陜北基地的重要組成部分，其探明儲量為733.4560×108t，占全國的12%[1，2]，對于保障國家能源供應安全，促進陜西經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。榆神府礦區(qū)在為國民經(jīng)濟發(fā)展提供能源支持的同時，也產(chǎn)生了地表沉陷、地下水漏失等一系列的采動損害現(xiàn)象，其中以地表采動地裂縫最為典型。地表采動地裂縫產(chǎn)生后造成地表土地結構破壞，土壤物、化、生等性質(zhì)發(fā)生劣化，其中以土壤水分最為敏感[3]。土壤水分在像陜北這樣的生態(tài)脆弱區(qū)，具有維系地表植被、保持水土的重要生態(tài)功能。鑒于此，以陜北麻黃梁采動地裂縫發(fā)育區(qū)土壤為研究對象，通過野外采樣、室內(nèi)實驗等方法，研究并揭示臺階式地裂縫近距土壤的含水量在垂向上的變化特征，以期為陜北采動損害區(qū)的生態(tài)恢復提供科學依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

陜北麻黃梁采動地裂縫發(fā)育區(qū)位于毛烏蘇沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，地貌以黃土梁崗為主，峁部與坡中為黃土區(qū)，坡腳為沙土區(qū)。該采動地裂縫發(fā)育區(qū)自2013年出現(xiàn)，至2019年已有5年左右的歷史，區(qū)內(nèi)發(fā)育的采動地裂縫多達數(shù)十條，裂縫寬度最大可達1 m左右，最小僅為1～2 mm；裂縫長度一般在200 m左右；裂縫形態(tài)多以臺階式為主，臺階高度最大可達40～50 cm。區(qū)內(nèi)植被以草本和小灌木為主。

3 研究方法

3.1 野外采樣與室內(nèi)實驗

首先，在遙感解譯和實地踏勘的基礎上，在麻黃梁采動地裂縫發(fā)育區(qū)，選擇3條形態(tài)相似的臺階式地裂縫；第二，在地裂縫兩側近距(20 cm處)隨機布設5個采樣點；第三，對每個采樣點，使用土鉆分6層采集土壤，采樣深度依次為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm；第四，將15個采樣點中相同一層的土壤進行混合、現(xiàn)場稱重、記錄編號后裝入密封塑料袋中，帶回實驗室以備檢測；第五，在無裂縫區(qū)布設空白樣點，按照上述方法采集土樣帶回實驗室以備檢測；第六，實驗室內(nèi)，將所有土樣放置于烘箱，在105 ℃下經(jīng)24h烘干處理后，依次測其質(zhì)量。

3.2 土壤含水率計算

土壤含水率是指土壤中實際所含的水分重量占烘干土重量的百分數(shù)，可通過式(1)計算得到。

(1)

式(1)中：W為土壤含水率，%；W1為樣土濕重，g；W2為樣土烘干重，g。

4 結果與分析

4.1 計算結果

根據(jù)式(1)，分別計算空白樣(CK)和臺階式地裂縫近距土壤的0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm共12組土壤含水率，結果見表1。

4.2 討論與分析

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，運用origin軟件進行數(shù)理分析，并繪制圖1。由表1和圖1可知。

(1)臺階式地裂縫近距土壤在不同深度的含水率介于7.10%～13.14%，垂向上總體表現(xiàn)為土壤含水率隨著深度的增加而增加，且存在先提高后降低的兩段式變化特點。其中，0～10 cm土壤(表層)含水率最低，僅為7.10%，60～80 cm土壤含水率最高，為13.14%。分析認為，臺階式地裂縫使得0～10 cm土壤開裂，與空氣接觸面積增大，增強了土壤水分的蒸發(fā)，導致其土壤含水率降低；由于裂縫存在，使得降水入滲作用加大，造成10～100 cm土壤含水率回升，這與蘇寧等[4]的研究結果一致。

表1 麻黃梁采動地裂縫發(fā)育區(qū)土壤樣品與空白土樣的含水率

圖1 臺階式地裂縫近距土壤及空白土樣含水率在不同深度變化

(2)無裂縫區(qū)土壤在不同深度的含水率介于5.11%～10.06%，垂向上總體表現(xiàn)為隨著深度的增加，土壤含水率呈現(xiàn)先降低后提高的兩段式變化規(guī)律。其中，80～100 cm土壤含水率最高，為10.06%，0～10 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土壤含水率基本保持在8%～9%左右，只有10～20 cm土壤含水率最低，僅為5.11%，與其它深度土壤差異明顯。分析認為，該區(qū)地表植被多為長芒草，賴草等草本植物，其根系多分布于10～20 cm范圍內(nèi)，因此草本植物根系的大量吸水是土壤含水率低的主因。

(3)臺階式地裂縫近距土壤在除了表層以外的各個深度的含水率均高于無裂縫區(qū)土壤。相對于無裂縫區(qū)的土壤含水率，臺階式地裂縫近距土壤在除了表層以外的各個深度的含水率均有所提高，平均提高了45%。其中，10～20 cm土壤含水率提高幅度最大，為108%；其他各深度的土壤含水率增幅基本保持在20%～40%； 0～10 cm土壤含水率下降了20%左右。說明臺階式地裂縫對0～20 cm土壤水分的干擾強烈，而其它深度土壤水分相對變化不大。