采煤沉陷區(qū)深層土壤物理性質(zhì)時空變化研究

高云飛，張 凱，鄧 旭，王順潔，吳鳳簫

(1.國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719300；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

煤炭作為我國重要的能源之一，占國內(nèi)能源消費構(gòu)成的70%以上，且在地域分布上呈現(xiàn)“西多東少、南貧北富”的狀態(tài)[1]。西北地區(qū)作為我國煤炭資源開發(fā)的主要區(qū)域，其高強度的煤炭資源開發(fā)與先天脆弱的生態(tài)本底環(huán)境所具有的內(nèi)在矛盾，造成了一系列的生態(tài)環(huán)境問題[2-5]。例如井工開采所形成的沉陷區(qū)、裂縫，會破壞包氣帶土壤原有的物理結(jié)構(gòu)，造成包氣帶土壤水分的流失。因此，探究西北采煤沉陷區(qū)土壤物理性質(zhì)的時空變化是改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境重要且基礎(chǔ)性的工作。

土壤容重和孔隙度作為土壤最重要的兩個物理性質(zhì)指標(biāo)，會對土壤的透氣性、入滲性、持水能力、溶質(zhì)遷移特征產(chǎn)生巨大影響，進而影響土壤含水率。例如吳志遠等在神東礦區(qū)的研究結(jié)果表明，采煤沉陷提高了土壤水分和土壤孔隙度的正相關(guān)關(guān)系[6]；韓煜等對比分析了大柳塔礦區(qū)不同年份的土壤理化性質(zhì)，結(jié)果表明，采煤沉陷后土壤容重明顯減小，孔隙度明顯增大，含水率明顯降低[7]。盡管國內(nèi)外學(xué)者就采煤沉陷對土壤容重、孔隙度和含水率的影響做了大量研究[8-12]，但由于目前相關(guān)工作主要考慮采煤沉陷對地表生態(tài)環(huán)境的影響，其研究范圍也主要集中在土壤表層(≤1m)，缺少深層土壤容重、孔隙度以及含水率時空變化的相關(guān)研究。而研究礦區(qū)深層土壤容重、孔隙度以及含水率時空變化，是進一步認(rèn)識和了解水資源存儲情況的前提與保障[13]，對采煤沉陷區(qū)水資源管理、植被恢復(fù)等具有重要意義。

本文以榆神府礦區(qū)納林河二號礦為研究區(qū)，研究該區(qū)采煤沉陷區(qū)0～10m深度的土壤含水率及土壤容重、孔隙度的時空變化規(guī)律，以期明確采煤沉陷對該區(qū)域深層土壤含水率的影響程度，從而為礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量改良與生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

納林河二號礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗境內(nèi)的鄂爾多斯納林河礦區(qū)最南端，其地理位置為東經(jīng)：108°51′30″—109°00′00″，北緯：37°58′00″—38°05′30″。井田長約17.8km，傾斜寬約13.5km，面積為176.34km2。

研究區(qū)內(nèi)無明顯地表水系，地下水主要為第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層，潛水位埋深平均為30m左右。潛水層的主要補給來源為大氣降水，其次為研究區(qū)外潛水的側(cè)向徑流補給，包括深層承壓水的越流補給。該區(qū)年均降水量雖少但主要集中在夏季，因此到雨季時，潛水補給量明顯增加。

1.2 數(shù)據(jù)及處理

1.2.1 布點與采樣

為了探究采煤沉陷區(qū)對土壤含水率的影響，測線以煤礦開采工作面為參照進行布置，如圖1所示。其中31102工作面已開采完成2年，31103工作面部分已采完，部分正在開采，31104工作面為待(未)開采區(qū)。根據(jù)調(diào)研資料，采樣時采煤掘進面位于31103工作面，據(jù)此劃分出未采區(qū)、1年采空區(qū)和2年采空區(qū)。同時根據(jù)礦山開采沉陷學(xué)理論，將兩個采空區(qū)又細分為盆底區(qū)和拉伸區(qū)。采樣時共布設(shè)9條測線，每條測線的末端均落在對應(yīng)采煤工作面的開切眼上，每條測線每隔150m進行一次打標(biāo)取樣。未采區(qū)、1年采空區(qū)和2年采空區(qū)采樣點個數(shù)分別為12個、27個和21個。

圖1 采煤沉陷區(qū)分區(qū)

實地取樣方面，選擇“洛陽鏟”進行打鉆取樣。取樣時，設(shè)定“洛陽鏟”的打鉆深度為10m，每隔0.5m用環(huán)刀取一份土樣，采集土樣后存于鋁盒內(nèi)帶回實驗室進行進一步分析研究。

1.2.2 土壤含水率計算

本研究中實地取回的土樣按照《土壤水分測定法》(GB 7172—1987)中的“烘干法”測定含水率[14]，土壤容重的計算方法依據(jù)《土壤檢測》(NYT1121.4—2006)標(biāo)準(zhǔn)中第四部分[15]進行計算，土壤孔隙度依據(jù)《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》(LYT1215—1999)標(biāo)準(zhǔn)[16]進行計算。詳細計算過程可參考上述材料。

2 土壤物理性質(zhì)時空演變

2.1 陷區(qū)土壤容重與孔隙度時空演變分析

通過對所采樣品進行處理計算，得到了拉伸區(qū)與盆底區(qū)所有點位不同深度、不同時間的土壤容重和土壤孔隙度測定結(jié)果，見表1。

對比未采區(qū)與拉伸區(qū)、盆底區(qū)測定結(jié)果可以看出，隨著時間推移，土壤容重逐漸減小，而土壤孔隙度則逐漸增加。相關(guān)研究表明，土壤孔隙度降低會導(dǎo)致土壤容重增加，從而改變土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤透氣性、入滲性能和持水能力等[17，18]。采煤沉陷破壞研究區(qū)土壤原有的風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土體緊實度變小、孔隙增多，且這種變化在一段時間內(nèi)很難恢復(fù)，因此造成了土壤容重與孔隙度隨時間推移持續(xù)發(fā)生變化。但是受采樣次數(shù)限制，土壤容重與孔隙度在經(jīng)過更長時間后是否會恢復(fù)或者產(chǎn)生其他的變化，尚需進一步研究。

表1 土壤容重與孔隙度均測定結(jié)果

對比相同時間下不同采煤沉陷區(qū)測定結(jié)果可以看出，整體上，拉伸區(qū)的土壤容重低于盆底區(qū)，而拉伸區(qū)的土壤孔隙度高于盆底區(qū)。容重降低、孔隙度升高，表明土壤受到了外部因素的擾動，影響了土壤結(jié)構(gòu)，使土質(zhì)變疏松。通過分析裂縫類型可知，該區(qū)域拉伸區(qū)和盆底區(qū)產(chǎn)生的地裂縫分別為邊緣地裂縫和動態(tài)地裂縫。動態(tài)地裂縫具有自修復(fù)性，經(jīng)過一定時間可以自行閉合，而邊緣地裂縫自修復(fù)性較差，只能閉合一部分，因此拉伸區(qū)土壤容重與孔隙度變化程度高于盆底區(qū)。

與未采區(qū)對比可以看出，在1年時間內(nèi)，拉伸區(qū)和盆底區(qū)土壤容重與孔隙度均與未采區(qū)相差不大，但是2年后，拉伸區(qū)與盆底區(qū)的容重均小于未采區(qū)，孔隙度均大于未采區(qū)，表明采煤沉陷對地表的影響是一個動態(tài)的過程，且需要較長時間恢復(fù)。

2.2 沉陷區(qū)土壤含水率時間演變分析

對不同區(qū)域(未采區(qū)、拉伸區(qū)、盆底區(qū))按照時間進程匯總分析土壤含水率測定結(jié)果，如圖2所示。

圖2 0～10m土壤含水率

由圖2(a)可知，除了深部土壤外，1年和2年拉伸區(qū)土壤含水量與未采區(qū)相比，均相差不大。這主要是由于拉伸區(qū)產(chǎn)生的地裂縫，雖然會造成深層土壤水分加速蒸發(fā)和向更深層入滲，但采樣季節(jié)為雨季，有利于大氣降水對土壤水分的補充。而2年拉伸區(qū)土壤含水量低于1年拉伸區(qū)，表明水分流失是一個持續(xù)的過程。

由圖2(b)可知，對于盆底區(qū)而言，5m以上淺層土壤含水率均低于未采區(qū)，這主要是由于淺層地下水經(jīng)過一定時間的滲流，還未得到大氣降水的補充；而在5m以下，1年盆底區(qū)明顯低于未采區(qū)，2年盆底區(qū)整體高于未采區(qū)，表明較深部土壤水分的流失在經(jīng)過一定時間后可以得到地下水的補充。

2.3 沉陷區(qū)土壤含水率空間演變分析

將相同時間不同區(qū)域土壤含水率測定結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可得，在1年時間內(nèi)，拉伸區(qū)與盆底區(qū)土壤含水率差異較大；而在2年時間內(nèi)，拉伸區(qū)與盆底區(qū)在5m以上土壤中含水率變化相差不大，但在5m以下仍有較大差異。按照補、徑、排的過程來說，盆底區(qū)水分流失的程度大于其通過補給所得，而拉伸區(qū)的這兩個過程基本持平。這主要是由于拉伸區(qū)可以通過地裂縫得到大氣降水補充，而盆底區(qū)只能依靠地下水的補給，其補給速度慢于地裂縫的滲流速度。在2年時間內(nèi)，拉伸區(qū)與未采區(qū)基本持平，但盆底區(qū)的水分明顯增加，尤其在較深層土壤區(qū)域，說明此時盆底區(qū)補給速度已經(jīng)快于滲流排泄速度。

圖3 不同區(qū)域土壤含水率

1年盆底區(qū)含水率明顯低于未采區(qū)，這主要是由于采煤沉陷引起的地表振動，會生成細小裂縫，使得土壤結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度增加，表層土壤持水能力減弱，部分水分滲入深層。而在開采初期，拉伸區(qū)的土壤變化程度小于盆底區(qū)，所以拉伸區(qū)土壤水分含量與未采區(qū)相差不大。

利用Surfer軟件以0.5m間隔作為一個平面，分別將每個平面插值成等值線圖，并將其按照深度排列，以分析研究區(qū)土壤含水率在縱深方面的整體變化，如圖4所示。由圖4可得，各區(qū)域土壤含水率以2m和6m為界，呈現(xiàn)不同的變化趨勢：

1)0.5～2m深度范圍內(nèi)，各區(qū)域含水率基本呈下降趨勢。研究表明，干旱地區(qū)地下水若對土壤水產(chǎn)生影響，即兩者具有水力聯(lián)系時，其潛水位埋深應(yīng)至少小于8m[19]。本研究中研究區(qū)的潛水位埋深約在30m左右，這種情況下地下水變化對表層土壤水基本沒有影響。而通過分析地裂縫對土壤含水率的影響可知，動態(tài)地裂縫和邊緣地裂縫區(qū)土壤含水率在2m以上均呈下降趨勢，在2m以下均呈上升趨勢。因此0～2m左右土壤含水率變化主要是由采煤沉陷引起的土壤結(jié)構(gòu)變化，即地裂縫造成的。

2)6～10m深度范圍內(nèi)，土壤整體含水率隨深度增加而大幅升高。這主要是由于該區(qū)域采煤沉陷區(qū)地裂縫影響深度均不超過6m，深層土壤水主要受地下水的影響。

3)2～6m深度范圍內(nèi)，除3m層面的未采區(qū)出現(xiàn)了一個可能由采樣或計算誤差造成高值外，整體含水率并無明顯變化。這主要是由于2～6m為變化的過渡地帶，土壤中的水分主要以包氣帶水的形式存在，若不存在足以直接影響到這個位置的因素，不會產(chǎn)生較大的變化，其含水率也相對穩(wěn)定。

土壤水分作為土壤特性的重要參數(shù)，學(xué)者對其時空分布進行了大量研究。吳麗等分析了裂縫與含水率的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著與裂縫距離的增加，土壤含水率升高，至2 m后影響不明顯[20]；馬坤等研究了陜北麻黃梁采動地裂縫發(fā)育區(qū)土壤含水率，結(jié)果表明臺階式地裂縫近距(20cm處)土壤在各個深度的含水率均高于無裂縫區(qū)土壤[21]；胡小東等基于克里金插值方法分層研究了西部干旱區(qū)土壤水分空間分布特征，結(jié)果表明土壤各深度土層(0～10cm、10～30cm、30～50cm)土壤水分變化具有較強的空間相關(guān)性，自上而下呈現(xiàn)變異性增大的趨勢[22]；趙國平等采用地統(tǒng)計學(xué)方法分層研究了毛烏素沙地采煤塌陷區(qū)0～100cm土壤水分空間變異性，結(jié)果表明，表層(0～20cm)土壤水分變化不大，中層(30～70cm)土壤水分變化最為明顯，下層(80～100cm)土壤水分有所下降[23]。綜上可知，目前土壤水分時空分布研究范圍主要集中在土壤表層，忽視了深層土壤含水率時空變化。本研究利用二維Kriging插值，分層研究了深層土壤水分空間分布，對采煤沉陷區(qū)水資源管理、植被恢復(fù)等具有重要意義。

二維克里金插值能較好地反映土壤水分的二維空間變異性。然而，土壤作為連續(xù)的三維實體，其特性在三維空間上均具有相關(guān)性?；诙S平面的土壤水分空間變異性研究忽視了土壤水分垂直方向的連續(xù)性，無法模擬現(xiàn)實土壤水分的三維空間分布狀況。因此，下一步將考慮采用三維Kriging插值，進一步分析深層土壤水分時空變化。

3 結(jié) 論

1)隨著采煤沉陷區(qū)形成時間的推移，土壤容重逐漸減小、孔隙度逐漸增加，其變化的原因主要是采煤沉陷改變了地表土壤原有的結(jié)構(gòu)；拉伸區(qū)的土壤容重低于盆底區(qū)，孔隙度則要高于盆底區(qū)，表明采煤沉陷對地表結(jié)構(gòu)造成的影響在拉伸區(qū)的表現(xiàn)更為明顯且持久。

2)隨著采煤沉陷區(qū)形成時間的推移，拉伸區(qū)在和盆底區(qū)不同深度土壤含水量均得到不同程度的恢復(fù)，拉伸區(qū)的含水率變化要小于盆底區(qū)；不同深度面上土壤含水率插值結(jié)果表明，0～2m土壤含水率主要受地裂縫影響，6～10m主要受地下水補給影響，中間為過渡地帶，土壤含水率相對穩(wěn)定。