西部風(fēng)沙區(qū)采煤塌陷地裂縫影響下的土壤水分運(yùn)移規(guī)律及調(diào)控方法

王強(qiáng)民，董書寧，王 皓，楊 建，王曉東，趙春虎，張溪彧

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

黃河流域中游煤炭資源豐富，是我國(guó)最重要的煤炭生產(chǎn)基地[1]。位于黃河流域中游的榆神、神府和東勝礦區(qū)已成為我國(guó)煤炭高強(qiáng)度開發(fā)的核心區(qū)域，但由于該區(qū)域煤層淺埋，地質(zhì)環(huán)境脆弱，采煤引發(fā)的礦山地質(zhì)災(zāi)害顯著，其中采煤塌陷地裂縫是該區(qū)域最為典型的礦山地質(zhì)災(zāi)害之一[2-5]。前人研究表明，上灣煤礦的主裂縫寬度大于50 mm，發(fā)育周期為14 d[4]，神木北部礦區(qū)裂縫寬度大多在10～50 cm，垂直位移在0～80 cm[5]。由于該區(qū)域?yàn)榈湫偷母珊蛋敫珊祬^(qū)，歷史上就是土地沙化、水土流失、水資源貧乏的地區(qū)，采煤塌陷地裂縫對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重要的影響[6]，如土壤質(zhì)量下降[5]、植被退化[7]、土壤含水率減少[8]等。由于研究區(qū)多采用長(zhǎng)工作面、大采高的機(jī)械化開采工藝，采動(dòng)對(duì)區(qū)域地下水?dāng)_動(dòng)較為劇烈[9]，造成塌陷區(qū)的地下水埋深普遍較大，土壤水多寡已成為影響干旱-半干旱采煤塌陷區(qū)植被生長(zhǎng)好壞的主要控制因素[10]，因此采煤塌陷地裂縫對(duì)土壤水分的影響得到廣泛關(guān)注[11-13]。

通過(guò)野外試驗(yàn)，趙紅梅等[14]認(rèn)為塌陷區(qū)的土壤含水率明顯低于非塌陷區(qū)，且塌陷區(qū)的含水率在垂向上的變異性更大;畢銀麗等[8]發(fā)現(xiàn)塌陷明顯增加了水分的垂直入滲深度，減小了表層土壤持水能力，土壤蒸發(fā)量明顯增大，不利于土壤水分的保持;張延旭等[15]研究了風(fēng)沙區(qū)采煤裂縫對(duì)土壤水分的影響，發(fā)現(xiàn)含水率的分布服從以下規(guī)律:裂縫區(qū)<沉陷無(wú)裂縫區(qū)<未開采區(qū)。通過(guò)室內(nèi)物理試驗(yàn)，嚴(yán)家平等[16]模擬研究了煤礦開采過(guò)程中土壤裂隙對(duì)土壤銨態(tài)氮遷移及土壤結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為土壤裂隙加劇了銨態(tài)氮由表層向深部的遷移流失。通過(guò)數(shù)值模擬，楊澤元等[12]建立了采煤塌陷裂縫區(qū)的土壤水分運(yùn)移模型，并通過(guò)模型識(shí)別和驗(yàn)證，獲取了塌陷區(qū)土壤的水力學(xué)參數(shù)。采用室內(nèi)物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，畢銀麗等[13]認(rèn)為越靠近地裂縫處土壤含水量下降越快，對(duì)于臺(tái)階為20 cm的地裂縫，其水鹽含量影響范圍約為水平距離裂縫45 cm處，同時(shí)裂縫區(qū)土壤含鹽量有向下遷移的趨勢(shì)。

總體來(lái)說(shuō)，該方面的研究仍以野外觀測(cè)試驗(yàn)為主，基本掌握了裂縫區(qū)土壤水分的時(shí)空分布特征[8,14-15];盡管開展了部分的物理[13,16]和數(shù)值模擬[12-13]工作，但裂縫區(qū)水分運(yùn)移規(guī)律及其生態(tài)環(huán)境影響機(jī)制依然不清，并缺乏相對(duì)應(yīng)的調(diào)控手段。筆者在調(diào)研和分析榆神、神府和東勝礦區(qū)多個(gè)煤礦地裂縫的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)測(cè)試、原位觀測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探討研究區(qū)典型淺埋煤礦高強(qiáng)度開采地表裂縫對(duì)土壤水運(yùn)移的影響規(guī)律，并提出針對(duì)性的調(diào)控方法，研究結(jié)果對(duì)我國(guó)西部生態(tài)脆弱礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于蒙陜交界處的毛烏素沙地，礦區(qū)地表大部分區(qū)域被風(fēng)積沙覆蓋，多年平均降水量為357.3 mm，植被類型以多年生、旱生的草本與灌木組成，塌陷區(qū)沙蒿(Artemisia)分布廣泛。該礦12401綜采工作面長(zhǎng)度5 286 m，寬度299 m，1-2煤層平均厚度9.26 m，屬于巨厚煤層。工作面于2018年3月開始回采，采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤法開采，2019年9月回采完畢，實(shí)際平均推進(jìn)速度為9.87 m/d。在井田部分區(qū)域，1-2煤層導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育到松散砂層，導(dǎo)致包氣帶厚度增加。該礦地表裂縫較為發(fā)育，最大寬度為0.7 m，最大深度近10 m，裂縫密度92條/hm[4]，裂縫周邊植被退化現(xiàn)象較為明顯(圖1)。

由于研究區(qū)大多數(shù)地裂縫在煤炭開采后的6～12個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)自然彌合，因此研究對(duì)象主要是彌合性裂縫?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查內(nèi)容包括土樣采集、植被調(diào)查及取樣、含水率測(cè)定等內(nèi)容。① 土樣采集:分別對(duì)裂縫區(qū)和非裂縫區(qū)的土壤進(jìn)行取樣，取樣深度的分層區(qū)間為:0～10，10～20，20～50，50～80 cm，分別在裂縫區(qū)和裂縫區(qū)各取土樣20個(gè)，并對(duì)土樣進(jìn)行粒徑分析;② 植被調(diào)查及取樣:分別對(duì)裂縫區(qū)和非裂縫區(qū)的沙蒿進(jìn)行調(diào)查，各取樣本10株，現(xiàn)場(chǎng)采集植被地上部分和地下根系，在實(shí)驗(yàn)室開展地上生物量和根系總干質(zhì)量的測(cè)量;③ 含水率測(cè)量:現(xiàn)場(chǎng)選擇寬度為10～50 cm的5條典型裂縫，采用ECH2O土壤水分傳感器測(cè)量裂縫區(qū)0～100 cm深度的土壤含水率;④ 包氣帶厚度測(cè)量:采用KJ117礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)，反算出包氣帶厚度。

2 塌陷影響下的包氣帶結(jié)構(gòu)變異特征

在借鑒張發(fā)旺等[17]在神府-東勝礦區(qū)的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，將采煤塌陷對(duì)包氣帶結(jié)構(gòu)的影響分為3個(gè)階段:開采前、開采中和開采后(圖2)。開采前，地層結(jié)構(gòu)由松散含水層、隔水層、基巖含水層和煤層組成，其中松散含水層由風(fēng)積沙和薩拉烏蘇組砂層組成。潛水主要賦存在風(fēng)積沙層和薩拉烏蘇組砂層，采前潛水位埋深主要為1～15 m，地下水以水平順層徑流為主，包氣帶較薄，土壤顆粒相對(duì)均一，孔隙發(fā)育。

開采中:研究區(qū)內(nèi)侏羅系延安組最上部的1-2,2-2,3-1和4-2煤層埋藏淺，是目前的主要開采煤層，單層煤厚2～12 m。煤層開采導(dǎo)水裂隙帶穿越隔水層發(fā)育至地表風(fēng)積沙等松散含水層內(nèi)，潛水被迅速疏干并涌入井下[18]，地下水的運(yùn)動(dòng)由采煤前的水平順層徑流向垂直裂隙流過(guò)度，并進(jìn)入采煤工作面形成礦井水，采掘影響范圍內(nèi)地下水位明顯下降，包氣帶厚度急劇增加(圖3)。同時(shí)，開采形成的地面塌陷或裂縫對(duì)包氣帶結(jié)構(gòu)造成較大影響，土壤顆粒均一性變差，裂隙發(fā)育。

圖3 研究區(qū)典型煤礦包氣帶厚度變化特征Fig.3 Variation of vadose zone thickness in study area

開采后:研究區(qū)地表分布有大面積的風(fēng)積沙，結(jié)構(gòu)疏松，顆粒較細(xì)，受風(fēng)力和水力侵蝕作用影響，大多數(shù)地裂縫在煤炭開采后的6～12個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)自然彌合，但在地表以下仍存在部分連續(xù)性較差的隱伏裂縫。盡管此時(shí)地裂縫已處于相對(duì)穩(wěn)定期，但是地裂縫使得土壤中的黏性顆粒減少，砂性顆粒增多(圖4)，土壤出現(xiàn)明顯的粗化現(xiàn)象，研究結(jié)果和前人研究基本一致[19-20]。土壤粗化直接導(dǎo)致土壤入滲能力增強(qiáng)，加速了水分通過(guò)包氣帶運(yùn)移至潛水面的過(guò)程。

圖4 裂縫區(qū)和非裂縫區(qū)的不同粒徑風(fēng)積沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成Fig.4 Mass fraction of different particle sizes for eolian-sand in subsidence and nonsubsidence area

3 塌陷影響下的土壤水分運(yùn)移規(guī)律

目前，可以利用野外原位監(jiān)測(cè)、室內(nèi)物理模擬和數(shù)值仿真模擬等手段開展塌陷區(qū)水分運(yùn)移規(guī)律研究。原位監(jiān)測(cè)埋設(shè)水分傳感器時(shí)需對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行剖面挖掘，極大的破壞了塌陷區(qū)的土壤結(jié)構(gòu);室內(nèi)物理模擬難以模擬現(xiàn)場(chǎng)的塌陷情況和氣候條件，以上因素大大限制了原位監(jiān)測(cè)和物理模擬在塌陷區(qū)水分運(yùn)移研究方面的應(yīng)用。數(shù)值模擬技術(shù)具有靈活性和直觀性，在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，能夠較好模擬不同工況下水分在塌陷區(qū)的運(yùn)移過(guò)程[21-22]。

3.1 水分運(yùn)移概念模型及控制方程

裂縫影響下的水分運(yùn)移模型可概化為圖5，其中EFGH為裂縫區(qū)，ACGE和BDHF為非裂縫區(qū)，裂縫中心為對(duì)稱軸;地表A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，其中AB為大氣邊界，CD為自由排水邊界，長(zhǎng)度為5.0 m;AC和BD為隔水邊界，長(zhǎng)度為3.0 m;裂縫區(qū)和非裂縫區(qū)分別概化為均質(zhì)各向異性的非穩(wěn)定水流模型。

圖5 水分運(yùn)移概念模型Fig.5 Concept model of soil water movement

忽略水汽和溫度的影響，將塌陷區(qū)水分運(yùn)移簡(jiǎn)化為二維運(yùn)動(dòng)，二維非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)的控制方程為

(1)

式中，C(h)為容水度，cm-1;h為土壤水壓力水頭，cm;t為時(shí)間，d;x為水平坐標(biāo)，cm;K(h)為非飽和滲透系數(shù)，cm/d;z為垂向坐標(biāo)，cm。

采用van-Genuchten-Mualem模型[23]描述土壤水分特征曲線和滲透系數(shù)曲線:

(2)

(3)

(4)

式中，θr為殘余含水量，cm3/cm3;θs為飽和含水量，cm3/cm3;α，m，n為相關(guān)土壤參數(shù)，其中m=1-1/n，n>1;Ks為飽和滲透系數(shù)，cm/d;Se為有效含水率，%;l為彎曲度參數(shù)，一般取0.5。

3.2 計(jì)算參數(shù)及工況

根據(jù)裂縫區(qū)和非裂縫區(qū)土壤的粒徑組成特征，運(yùn)用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Rosetta Lite程序推出了土壤的水力學(xué)參數(shù)[13]，具體參數(shù)見表1;按照現(xiàn)場(chǎng)地裂縫調(diào)查的結(jié)果，數(shù)值模型中裂縫的寬度分別取10，20，30，40，50 cm;模型上邊界所需的潛在蒸散發(fā)量由神木市氣象站點(diǎn)的多年觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

表1 土壤的水力學(xué)參數(shù)Table 1 Hydraulic parameter values of soil

3.3 結(jié)果及分析

3.3.1裂縫影響下的土壤水分運(yùn)移特征

采用有限元滲流軟件分析裂縫影響的土壤水分運(yùn)移特征，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，降水強(qiáng)度選擇為10 mm/h(持續(xù)1 h)，潛在蒸散發(fā)強(qiáng)度選擇為2.8 mm/d，計(jì)算參數(shù)見表1，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，受蒸發(fā)作用影響，風(fēng)沙區(qū)表層為干沙層，含水率較低(一般小于0.05 cm3/cm3)，且隨著深度的增加含水率有增加趨勢(shì)。如圖6(a)所示，無(wú)裂縫時(shí)濕潤(rùn)鋒平行向下運(yùn)移，同一深度的土壤含水率基本相同，入滲深度為110 cm;如圖6(b)所示，裂縫存在時(shí)濕潤(rùn)鋒沿著裂縫快速運(yùn)移，優(yōu)勢(shì)滲流現(xiàn)象明顯，入滲深度大于200 cm。

圖6 降雨和蒸發(fā)作用下土體的滲流場(chǎng)Fig.6 Soil seepage field under the influence of rainfall and evaporation

3.3.2不同裂縫寬度土壤含水率分布特征

不同寬度裂縫影響下的土壤含水率分布特征具有相似性，選取寬度為10 cm和40 cm下的裂縫為例，對(duì)含水率的分布特征進(jìn)行分析，如圖7所示，圖7中含水率背景值表示無(wú)裂縫時(shí)天然條件下的土壤含水率數(shù)值。由圖7(a)可知，裂縫寬度為10 cm時(shí)，深度為20 cm處的裂縫中心區(qū)的含水率為0.09 cm3/cm3，相比背景值減少19%;由圖7(b)可知，裂縫寬度為40 cm時(shí)，深度為20 cm處的裂縫中心區(qū)的含水率為0.07 cm3/cm3，相比背景值減少31%。

圖7 不同裂縫寬度的土壤含水率分布特征Fig.7 Soil water distribution of fissures with different widths

總體上，當(dāng)裂縫寬度為0～50 cm時(shí)，裂縫中心區(qū)土壤含水率隨著裂縫寬度的增加呈線性減小趨勢(shì)(圖8)?！兜叵滤畡?dòng)力學(xué)》將地下水影響半徑定義為:以抽水井為中心至地下水位降深等于0處的距離[24]。以此為參考，將土壤含水率影響范圍定義為:以地裂縫為中心至含水率降低值等于零處的距離。裂縫寬度為10 cm條件下，當(dāng)?shù)搅芽p距離大于100 cm時(shí)，深度為20，50和100 cm的含水率與背景值基本一致，認(rèn)為其土壤含水率影響范圍為100 cm(圖7(a));裂縫寬度為40 cm條件下，當(dāng)?shù)搅芽p距離為150 cm時(shí)，深度為20，50和100 cm的含水率仍明顯小于其背景值，認(rèn)為其土壤含水率影響范圍大于150 cm(圖7(b))。從以上分析可以推斷，隨著裂縫寬度的增加，裂縫對(duì)土壤含水率的影響范圍呈增大趨勢(shì)。

圖8 土壤含水率隨裂縫寬度的變化Fig.8 Soil water content at different fissure widths

3.3.3包氣帶厚度增加對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響

為分析包氣帶厚度增加對(duì)土壤水分的影響，建立地下水補(bǔ)給量與包氣帶厚度的關(guān)系曲線，如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)包氣帶厚度由50 cm增加至150 cm，入滲補(bǔ)給量由0.103 cm/d快速減小至0.088 cm/d;當(dāng)包氣帶厚度由150 cm增加至300 cm，入滲補(bǔ)給量緩慢減小;當(dāng)包氣帶厚度大于300 cm時(shí)，入滲補(bǔ)給量基本不變。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著包氣帶厚度的增加，地下水補(bǔ)給量呈減小趨勢(shì)，由以上分析可知，當(dāng)包氣帶厚度大于極限蒸發(fā)深度時(shí)，入滲補(bǔ)給量和包氣帶厚度基本無(wú)關(guān)，僅會(huì)延長(zhǎng)土壤水分通過(guò)包氣帶運(yùn)移到潛水面的時(shí)間。

圖9 不同包氣帶厚度條件下的地下水入滲補(bǔ)給量Fig.9 Groundwater recharge at different vadose zone thicknesses

3.4 土壤水分變異對(duì)植被生態(tài)的影響

土壤水是聯(lián)系地表水與地下水的紐帶，在水資源的形成、轉(zhuǎn)化與消耗過(guò)程中，它是不可缺少的成分[25]，是旱區(qū)植被生存的關(guān)鍵因子[26]。在毛烏素沙地，沙蒿在含水率10%～15%分布最為廣泛，沙柳和苔草等草本植物的適生含水率都大于25%[27]。由3.3小節(jié)分析可知，當(dāng)裂縫寬度大于10 cm時(shí)，裂縫中心區(qū)0～50 cm深度內(nèi)的土壤含水率小于0.10 cm3/cm3，裂縫加速了土壤的水分匱缺，對(duì)植被的影響作用不可忽視?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了塌陷區(qū)和非塌陷區(qū)沙蒿的生長(zhǎng)狀況，并對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)生態(tài)學(xué)指標(biāo)測(cè)試。圖10反映了采煤塌陷對(duì)不同齡級(jí)沙蒿地上生物量和根系總干質(zhì)量的影響。隨著沙蒿齡級(jí)的增加，其地上生物量和根系總干質(zhì)量整體呈增加趨勢(shì)，但是受采煤塌陷影響，塌陷區(qū)不同齡級(jí)沙蒿的根系總干質(zhì)量和地上生物量相比非塌陷區(qū)沙蒿都出現(xiàn)明顯減小的現(xiàn)象，平均根系總干質(zhì)量和地上生物量分別相對(duì)減小為21.7%和22.2%。塌陷區(qū)土壤水分的相對(duì)匱缺(吸水水源不足，含水率小于0.1 cm3/cm3)和塌陷誘發(fā)的植被根系密度降低(吸水通道降低，根系總干質(zhì)量減小21.7%)2種因素共同導(dǎo)致植被演化及生長(zhǎng)狀況發(fā)生改變，與鄒慧等[19]的研究結(jié)果一致。

圖10 采煤塌陷對(duì)沙蒿地上生物量和根系總干質(zhì)量的影響Fig.10 Variation of Artemisia aboveground biomass and dry root weight because of mining subsidence

4 塌陷源頭減損與土壤重構(gòu)

4.1 塌陷源頭減損

由3.3節(jié)分析可知，塌陷地裂縫的寬度越大，其對(duì)土壤含水率的擾動(dòng)程度和影響范圍越大。通過(guò)改變煤炭開采工藝，控制開采塌陷或裂縫的發(fā)育范圍，維持滿足地表生態(tài)的水環(huán)境條件，是調(diào)控礦區(qū)土壤水分運(yùn)移的重要的途徑之一[28]。以該礦12401工作面為例，在現(xiàn)場(chǎng)巖移觀測(cè)的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件探討分析不同工作面寬度、采厚對(duì)地面塌陷的影響規(guī)律，充分采動(dòng)時(shí)不同采寬和采高的覆巖變形云圖如圖11,12所示。

圖11 充分采動(dòng)時(shí)不同采寬的覆巖變形云圖 Fig.11 Overlying rock strata movement of different mining widths under critical extraction

圖12 充分采動(dòng)時(shí)不同采厚的覆巖變形云圖Fig.12 Overlying rock strata movement of different mining thicknesses under critical extraction

圖13為不同工作面寬度下的地面變形特征，當(dāng)工作面寬度由220 m增加至260 m時(shí)，充分采動(dòng)后地表最大下沉值由0.75 m升至2.77 m，最大水平變形值由0.19 m增至0.65 m，呈現(xiàn)緩慢增大趨勢(shì);當(dāng)工作面寬度由260 m增至300 m時(shí)，地表最大下沉值由2.77 m升至7.78 m，最大水平變形值由0.65 m增至1.86 m，呈急劇陡升趨勢(shì);隨著寬度進(jìn)一步加大，地表變形趨于穩(wěn)定至最大值。這是由于隨工作面寬度的增加，采動(dòng)覆巖的橫向跨度增大，工作面采空之后，控制地表塌陷的關(guān)鍵層懸露面積增大，在上覆載荷作用下更易發(fā)生破斷，破斷后下沉更加充分，覆巖內(nèi)部巖層的變形相對(duì)協(xié)調(diào)，最終發(fā)育至地表，導(dǎo)致最大變形值增大，最終趨于穩(wěn)定，因此確定該礦合理工作面長(zhǎng)應(yīng)在260～280 m。

圖13 不同工作面寬度下的地面變形特征Fig.13 Characteristics of ground deformation under different mining widths

表2反映了不同采厚條件下地面變形特征參數(shù)，當(dāng)工作面采厚由3 m增加至6 m時(shí)，充分采動(dòng)后地表最大下沉值由2.73 m升至5.30 m，最大水平變形值由0.76 m增至1.33 m;當(dāng)采厚繼續(xù)由6 m增至9 m時(shí)，充分采動(dòng)后地表最大下沉值由5.30 m升至7.78 m，最大水平變形值由1.33 m增至1.86 m，隨工作面采厚的增加，地表的最大變形值均隨之增大;這是由于采厚的增加導(dǎo)致采動(dòng)覆巖活動(dòng)空間變大，相應(yīng)覆巖內(nèi)部巖層變形破壞程度變大，最終導(dǎo)致地表變形值增大。

表2 不同采厚條件下地面變形特征參數(shù)Table 2 Ground deformation under different mining thicknesses m

4.2 土壤重構(gòu)

對(duì)于均質(zhì)土壤而言，粗顆粒的非飽和巖性較細(xì)顆粒更利于入滲[29];但對(duì)于層狀的非飽和巖性結(jié)構(gòu)，厚度僅為幾厘米甚至幾毫米的層狀結(jié)構(gòu)都可以在很大程度上阻礙水流向下遷移。顯而易見，當(dāng)細(xì)質(zhì)土被粗質(zhì)土覆蓋時(shí)，尤其當(dāng)細(xì)質(zhì)土為黏性土質(zhì)時(shí)，由于黏性土的滲透系數(shù)較小，黏性土的存在使得上部粗質(zhì)土含水率升高[30]。在研究區(qū)開展塌陷區(qū)土壤重構(gòu)時(shí)，結(jié)合研究區(qū)植被根系分布特征，將植被根系層的土壤厚度定義為80 cm。由于研究區(qū)及其周邊黃土資源相對(duì)豐富，因此考慮在土壤層下襯墊不同厚度的黃土，以實(shí)現(xiàn)塌陷區(qū)水分保持的目的?；诖?，室內(nèi)搭建了柱模擬系統(tǒng)，分析了不同厚度黃土襯墊下植被根系層的土壤含水率分布特征(圖14)。由圖14可知，隨著黃土襯墊厚度由0 cm增加至30 cm，植被根系層土壤的含水率由0.09 cm3/cm3快速增加至0.19 cm3/cm3左右，當(dāng)黃土襯墊的厚度大于30 cm，土壤含水率變化幅度較小，說(shuō)明在塌陷區(qū)整治的工程實(shí)踐中采用滲透系數(shù)為10～20 cm/d的黃土作為襯墊層可以大大提高植被根系區(qū)的土壤含水率。同時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)因素和植被的實(shí)際需水特征，其厚度應(yīng)為10～30 cm。

圖14 不同厚度黃土襯墊下植被根系層土壤含水率Fig.14 Soil moisture of vegetation root system for different thicknesses loess liner

5 結(jié) 論

(1)將采煤塌陷對(duì)包氣帶結(jié)構(gòu)的影響分為3個(gè)階段。煤層開采前，包氣帶較薄，土壤顆粒相對(duì)均一;開采中，水位明顯下降，包氣帶厚度急劇增加，土壤顆粒均一性變差;開采后，風(fēng)沙區(qū)多數(shù)地裂縫自然彌合，土壤中的黏性顆粒減少，砂性顆粒增多，土壤出現(xiàn)明顯的粗化現(xiàn)象，以此為背景構(gòu)建了二維土壤水分運(yùn)移模型。

(2)無(wú)裂縫時(shí)濕潤(rùn)鋒平行向下運(yùn)移，同一深度的土壤含水率基本相同，裂縫存在時(shí)濕潤(rùn)鋒沿著裂縫快速運(yùn)移，優(yōu)勢(shì)滲流現(xiàn)象明顯;土壤含水率隨裂縫寬度的增加呈減小趨勢(shì)，含水率影響范圍隨裂縫寬度增加呈增大趨勢(shì);當(dāng)包氣帶厚度大于極限蒸發(fā)深度時(shí)，入滲補(bǔ)給量和包氣帶厚度基本無(wú)關(guān)，僅會(huì)延長(zhǎng)土壤水分通過(guò)包氣帶運(yùn)移到潛水面的時(shí)間;受塌陷區(qū)土壤水分匱缺(吸水水源不足，含水率小于0.1 cm3/cm3)和塌陷誘發(fā)的植被根系密度降低(吸水通道降低，根系總干質(zhì)量減小21.7%)2種因素影響，塌陷區(qū)沙蒿平均地上生物量相對(duì)非塌陷區(qū)減小22.2%。

(3)提出了地面塌陷影響下的土壤水分運(yùn)移調(diào)控方法。開采中，通過(guò)調(diào)整工作面開采寬度和厚度，減小地面塌陷的發(fā)育程度，從而減小塌陷區(qū)土壤含水率的損失量;開采后，開展塌陷區(qū)土壤重構(gòu)時(shí)，考慮不同植被的耗水特征，在植被根系土壤層下襯墊10～30 cm的黃土，可以較大提升植被根系層的土壤含水率，加速礦區(qū)植被恢復(fù)進(jìn)程。