半干旱區(qū)煤炭開采對(duì)土壤含水量的影響

程林森，雷少剛，卞正富

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州　221008)

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半干旱區(qū)煤炭開采對(duì)土壤含水量的影響

程林森，雷少剛①，卞正富

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州221008)

摘要：土壤含水量是影響干旱區(qū)植被生長(zhǎng)的一個(gè)重要因素，研究由于煤礦開采引起的土壤水時(shí)序變化有利于礦區(qū)植被的重建。以大柳塔礦井52303工作面為例，采用剖面水分速測(cè)儀對(duì)開采前后壓縮區(qū)10～100 cm深處土壤含水量的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，未受采煤影響時(shí)，土壤含水量較平穩(wěn)，不隨溫度變化而改變；受采煤影響初期，土壤含水量變化不明顯，存在滯后性，滯后時(shí)間為地下開采到達(dá)測(cè)點(diǎn)正下方后4～5 d；之后，在測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大沉降量過程中發(fā)現(xiàn)，下沉對(duì)土體的擾動(dòng)作用導(dǎo)致土壤含水量出現(xiàn)先上升后下降現(xiàn)象，且地下開采對(duì)土壤水?dāng)_動(dòng)程度由淺至深逐漸減弱。沉陷引起的土體擾動(dòng)導(dǎo)致土壤粒徑減小，容重增加，孔隙比降低，使得土壤持水能力增強(qiáng)，這是導(dǎo)致在受開采干擾初期(04-03—04-10)土壤含水量短暫上升的重要原因，而裂縫產(chǎn)生以及雨水補(bǔ)給能力的降低是導(dǎo)致后期土壤含水量降低的主要原因。

關(guān)鍵詞：半干旱區(qū)；煤炭開采；土壤水；時(shí)序監(jiān)測(cè)

煤炭是我國(guó)重要的能源來源,在我國(guó)一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比例一直是70%左右[1]。目前,我國(guó)東部礦區(qū)煤炭資源趨于枯竭,國(guó)家煤炭資源開發(fā)重心正向西北地區(qū)轉(zhuǎn)移,隨著向西部進(jìn)一步擴(kuò)張,在干旱缺水的地區(qū)集中大規(guī)模井工開采將會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問題[2],使得某些環(huán)境要素進(jìn)一步惡化;煤炭開采對(duì)地表土壤水的影響是對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響的一個(gè)重要表現(xiàn),對(duì)其進(jìn)行研究有助于生態(tài)脆弱區(qū)植被的重建。采煤對(duì)土壤水影響主要是擾動(dòng)土體,改變土體理化性質(zhì)[3]和土壤持水能力[4],從而引起土壤水的變化;而西部礦區(qū)井工開采具有高強(qiáng)度和高產(chǎn)特點(diǎn),且埋深較淺,對(duì)地表土體擾動(dòng)尤為顯著。已有研究表明,受采煤影響,塌陷區(qū)域內(nèi)土壤容重、孔隙比和機(jī)械組成等物理性質(zhì)發(fā)生不同程度變化[5],這也導(dǎo)致土壤滲透系數(shù)的改變;而地下水位降低,潛水補(bǔ)給能力降低,地表裂縫產(chǎn)生導(dǎo)致地表蒸發(fā)量增加,都影響土壤含水率[6];同時(shí)由于井工開采方式會(huì)導(dǎo)致覆巖從下至上發(fā)生冒落、裂隙和彎曲下沉,使地表產(chǎn)生大量裂縫[7],這也增大了土壤水蒸發(fā)面積,進(jìn)一步降低土壤含水量[8]。薛豐昌等[9]通過對(duì)礦區(qū)預(yù)采區(qū)、采動(dòng)區(qū)和采空區(qū)土壤含水率的調(diào)查比較,發(fā)現(xiàn)采礦影響下神東礦區(qū)域土壤含水率存在一定空間分異性,與未塌陷區(qū)相比,塌陷區(qū)土壤含水量降低;受坡位影響,采煤對(duì)土壤水影響程度也存在差異[10]。國(guó)外對(duì)采煤塌陷區(qū)土壤水的研究認(rèn)為,采煤沉陷對(duì)包氣帶水分影響十分嚴(yán)重,分析了煤炭開采對(duì)土壤水力學(xué)參數(shù)及其空間變異性的影響[11-13],同時(shí)對(duì)采后塌陷區(qū)土壤結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究[14]。從上述研究可以看出,礦區(qū)土壤水分變化研究主要集中在采前和采后變化差異上,關(guān)于土壤水分時(shí)序變化方面的研究較缺乏,而國(guó)外對(duì)于土壤水的連續(xù)監(jiān)測(cè)研究已有先例,但主要集中在流域范圍內(nèi)。COSH等[15-16]通過對(duì)流域范圍內(nèi)表層3～7 cm處土壤水的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè),采用時(shí)序穩(wěn)定分析來評(píng)估典型樣點(diǎn),以獲得流域范圍內(nèi)土壤水平均值;CHO等[17]通過土壤水的連續(xù)監(jiān)測(cè)來研究氣象因素對(duì)土壤水的影響,研究發(fā)現(xiàn)降雨為主要影響因素。因此,對(duì)于西部礦區(qū)土壤水的研究目前尚缺乏塌陷區(qū)不同區(qū)域(中性區(qū)、拉伸區(qū)和壓縮區(qū))以及時(shí)序監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。筆者將對(duì)塌陷區(qū)內(nèi)特定區(qū)域采前、采中和采后的土壤水進(jìn)行時(shí)序監(jiān)測(cè),以研究土壤水受采煤影響整個(gè)過程中的連續(xù)變化情況,以期為工作面上方土壤水的時(shí)序變化研究提供參考,進(jìn)而有利于整個(gè)礦區(qū)的植被重建。

1研究區(qū)概況

大柳塔礦區(qū)位于陜西省神木縣西北約52.5 km處,北鄰哈拉溝,南與朱蓋塔礦井接壤,東以悖牛川為界,西以烏蘭木倫河為界。該區(qū)地處陜北高原與毛烏素沙漠東南緣的接合部位,屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),冬季漫長(zhǎng)寒冷,夏季短暫炎熱,風(fēng)沙頻繁,暴雨集中,晝夜溫差懸殊。多年氣溫為-28.1～38.9 ℃,降水量為251.3～646.5 mm,多集中在7—9月,平均蒸發(fā)量為1 788.4 mm。所選取的52303工作面地面位置位于大柳塔礦井田的東南區(qū)域三盤區(qū),工作面長(zhǎng)4 547.6 m,寬301 m,煤層平均厚度為6.94 m,煤層傾角為1°～3°,平均埋深為235.0 m,屬于典型的超大工作面開采。地表大部為第四系松散沉積物覆蓋,平均厚度為30.0 m,上覆基巖主要由粉砂巖和細(xì)砂巖組成,平均厚度為205.0 m,地表土壤類型主要為沙土、栗鈣土和黃土。

2研究方法

2.1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇

選取大柳塔礦52303工作面為研究對(duì)象,根據(jù)開采進(jìn)度表在掘進(jìn)方向前方還未受開采影響的區(qū)域選取監(jiān)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)位于工作面上方,地形較平坦,土壤類型為硬梁地,質(zhì)地均勻,采用單點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè),以時(shí)間替代空間,采前土壤水的相對(duì)穩(wěn)定與采中、采后土壤水時(shí)序變化形成對(duì)照。通過對(duì)該區(qū)100 cm深度內(nèi)土壤水的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),了解該區(qū)域在受開采影響不同階段土壤水的變化情況。

2.2數(shù)據(jù)的獲取

采用英國(guó)PR2(Profile Probe Type PR2)土壤剖面水分速測(cè)儀進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),每30 min監(jiān)測(cè)1次,分別監(jiān)測(cè)10、20、30、40、60和100 cm深處土壤體積含水量的變化;監(jiān)測(cè)時(shí)間為2014-03-16—2014-06-03,即監(jiān)測(cè)點(diǎn)受地下開采影響前至沉陷相對(duì)穩(wěn)定后一段時(shí)間,獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)在受到地下開采影響前后10～100 cm深度土壤含水量數(shù)據(jù)。同時(shí)利用附近已有的2個(gè)地表沉陷觀測(cè)站,觀測(cè)站走向分別為沿工作面和與工作面方向相垂直,采用上海華測(cè)X91型接收機(jī)(標(biāo)稱精度為5 mm+1 km)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分觀測(cè),監(jiān)測(cè)地表下沉情況,從而分析不同下沉階段土壤水的變化。土壤取樣采用環(huán)刀法,在土壤水監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍取3個(gè)樣點(diǎn),每個(gè)樣點(diǎn)取4個(gè)環(huán)刀,用玻璃片將環(huán)刀兩頭密封后帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

3監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1測(cè)點(diǎn)地表沉陷監(jiān)測(cè)結(jié)果

主要通過對(duì)走向觀測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖1)來判定測(cè)點(diǎn)位置的地表沉陷情況。

土壤水測(cè)點(diǎn)位置在4號(hào)站點(diǎn)。

圖1顯示,測(cè)點(diǎn)位置在03-26之前就已經(jīng)受到開采影響而開始下沉,04-05還未達(dá)到最大沉降量,之后處于下沉活躍期,04-26、05-08和06-11測(cè)點(diǎn)位置沉降量基本不變,說明已處于相對(duì)穩(wěn)沉狀態(tài)。

3.2土壤水監(jiān)測(cè)結(jié)果

2014-03-16—2014-06-03土壤含水量的變化趨勢(shì)見圖2。根據(jù)地表沉陷觀測(cè)結(jié)果(圖1)以及該工作面推進(jìn)進(jìn)度表可知,03-26之前監(jiān)測(cè)點(diǎn)已經(jīng)受到開采影響而開始下沉,03-29前后地下開采達(dá)到測(cè)點(diǎn)正下方,由圖2可知,04-03之前土壤含水量變化較平穩(wěn);之后的一段時(shí)間,受開采和降雨影響,土壤含水量變化幅度較大。因此,可分04-03之前的土壤含水量未擾動(dòng)期和之后的擾動(dòng)期對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行采前和采后對(duì)比分析。

圖2　不同深度土壤含水量變化趨勢(shì)

4分析與討論

4.1未擾動(dòng)期土壤水分變化分析

土壤含水量未受地下開采影響的時(shí)間為03-16—04-03,將這段時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,研究氣象條件對(duì)土壤含水量的影響。根據(jù)氣象數(shù)據(jù),此段時(shí)間沒有降雨,所以不存在降雨對(duì)土壤水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響,因此分析溫度與土壤含水量變化的關(guān)系(圖3)。由圖3可知,該段時(shí)間內(nèi)不同深度土壤含水量變化不隨溫度的變化而發(fā)生改變,因此溫度變化對(duì)土壤水影響不大。根據(jù)開采進(jìn)度表推算地下開采于03-29到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方;根據(jù)觀測(cè)站觀測(cè)結(jié)果可知,該點(diǎn)在03-26前后就受到地下開采的影響而下沉,直到04-03不同深度土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差都很小(表1),均<0.01 m3·m-3,且變異系數(shù)均較小,表明地表下沉初期對(duì)土壤含水量影響不明顯,具有一定滯后性,滯后時(shí)間為地下開采到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方之后4～5 d。這主要是由于地表下沉初期沉陷速度相對(duì)較緩慢,對(duì)土體擾動(dòng)較小,導(dǎo)致土壤含水量變化不明顯。

圖3　03-16—04-03期間溫度與土壤含水量變化

4.2擾動(dòng)期土壤水分變化分析

土壤含水量變化在04-03之后趨于明顯(圖2),對(duì)于該段時(shí)間內(nèi)不同深度土壤水變化進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)發(fā)現(xiàn),除60和100 cm深度外,各相鄰層土壤含水量變化都具有較強(qiáng)的正相關(guān)性,說明各層土壤含水量在受地下開采和降雨影響下的變化具有一定關(guān)聯(lián)性;而100 cm深處由于受降雨影響小,且受開采影響后土壤水較早進(jìn)入穩(wěn)定期,因此和其他各層之間存在負(fù)相關(guān)性。

表1未擾動(dòng)期不同深度土壤含水量變化幅度

Table 1Magnitude of the change in soil moisture content with soil depth during the undisturbed period

深度/cm標(biāo)準(zhǔn)差/(m3·m-3)變異系數(shù)/%100.0026.4200.0031.1300.0031.0400.0031.0600.0030.71000.0061.2

表2不同深度土壤含水量相關(guān)性分析

Table 2Correlation analysis of soil moisture content with soil depth

深度/cm不同深度(cm)土壤含水量相關(guān)系數(shù)20304060100100.747*0.476*0.507*0.062*-0.387*200.858*0.770*0.499*-0.403*300.722*0.744*-0.501*400.553*-0.274*60-0.506*

*表示在α=0.01水平上相關(guān)顯著(雙側(cè)檢驗(yàn))。

通過查找氣象數(shù)據(jù)(04-10、04-14、04-15、04-25、05-01、05-08和05-09降水量分別為3.8、0.1、0.2、13.8、3.4、0.1和12.0 mm),各層出現(xiàn)土壤含水量突變值是由于降水影響所致。由圖2可知,在04-09之前未受到降水影響的情況下各層都出現(xiàn)土壤含水量上升階段,這說明在受地下開采擾動(dòng)地表沉陷活躍期間,各層土壤含水量并未立即下降,而是在初期先有個(gè)上升過程,在無外來降水補(bǔ)給情況下,其補(bǔ)給源只能來源于土壤含水量較高的底層,且補(bǔ)給量大于損失量,土壤含水量上升表明這一階段土壤持水能力上升。而從擾動(dòng)程度來看,通過對(duì)各層土壤含水量變化程度(10、20、30、40、60和100 cm深處土壤含水量變異系數(shù)分別為25.3%、8.5%、7.9%、2.4%、3.0%和1.8%)進(jìn)行分析可知,隨著深度的增加,土壤含水量變異系數(shù)在減小,說明開采對(duì)表層土壤水的擾動(dòng)要大于深層。

土壤持水性能主要受土壤總孔隙度、毛管孔隙度、土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤顆粒組成的影響[18]。土壤孔隙度降低會(huì)導(dǎo)致容重增加,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[19]。土壤有機(jī)質(zhì)影響土壤的比表面積[20],并且自身結(jié)構(gòu)疏松多孔,有利于水分保持。土壤顆粒組成在一定程度上決定了土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),對(duì)土壤持水性和保肥供肥能力均有明顯影響[21]。由上述相關(guān)性分析可知,相鄰?fù)寥缹又g含水量的變化具有較強(qiáng)相關(guān)性,為了分析上述現(xiàn)象,且考慮到采煤對(duì)表層土壤水影響較大,因此取開采前后測(cè)點(diǎn)周圍10～20 cm深處土樣進(jìn)行分析。通過對(duì)采樣結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn),土壤粒徑減小(表3),主要是由于沉陷所致土體之間相互應(yīng)力作用,土壤顆粒重新組合,這在一定程度上導(dǎo)致采后土壤孔隙比小于采前,從而使容重增加,而有機(jī)質(zhì)含量變化不顯著(P>0.05)(表4)。已有研究表明,土壤孔隙大小不同,所起作用也不同,團(tuán)粒內(nèi)部毛管孔隙(小孔隙)能保持水分,而團(tuán)粒間非毛管孔隙(大孔隙)則能保持通氣。當(dāng)土壤受壓縮作用時(shí),團(tuán)粒間大孔隙容積降低,中等大小孔隙容積卻有所增加[22]。馮杰等[23]的研究表明,受擾動(dòng)后原狀土的中等孔隙發(fā)育,在低吸力段持水性較好。因此,土體在受煤礦開采沉陷影響時(shí),擠壓作用使得土壤團(tuán)聚體間大孔隙減小,中等孔隙發(fā)育,土壤含水量處于上升階段。而隨著沉陷加劇,由于土體非連續(xù)移動(dòng),地表出現(xiàn)裂縫,增加了土壤水蒸發(fā)面積,從而使土壤含水量下降。

表3開采前后不同粒徑土壤占比的變化

Table 3Composition of soil particle size before mining and after mining

粒徑/mm不同粒徑土壤占比/%采前采后<0.005 3.7 8.80.005～<0.07539.436.70.075～<0.2557.154.60.25～0.50.50.3

表4開采前后土壤孔隙比、容重和有機(jī)質(zhì)含量的變化

Table 4Void ratio, soil bulk density and organic matter content before and after coal mining

時(shí)間容重/(g·cm-3)天然孔隙比w(有機(jī)質(zhì))/%采前1.300.9541采后1.450.8242

從整個(gè)過程來看,土壤含水量受降水影響較大的時(shí)間為04-10、04-25和05-09,對(duì)這3個(gè)降水過程中土壤含水量變化速率(即每小時(shí)土壤含水量變化程度)進(jìn)行分析。由于60 cm深處只在02-25受到降水影響,100 cm深處在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中受降水影響較小,因此選取10、20、30和40 cm深處進(jìn)行分析,結(jié)果見表5。由表5可知,10 cm深處土壤含水量變化速率變化較小,基本平穩(wěn),主要是由于0～10 cm深處為沙土,雨水下滲速度較快所致。而其他3層在這3次降水過程中土壤含水量變化速率在減小,說明這3層土壤滲透速度降低。這主要是由于在地表下沉過程中擠壓作用使得土壤團(tuán)聚體間孔隙減小,土壤導(dǎo)水率降低,同時(shí)降水隨裂縫流失,從而引起土壤含水量變化速率減小,這也說明雨水對(duì)土壤水的補(bǔ)給能力下降。

表53次降雨過程土壤含水量的變化速率

Table 5Change rates of soil moisture content during the course of three rainfall events

時(shí)間(月-日)不同深度(cm)土壤含水量變化速率/(m3·m-3·h-1)1020304004-102.018.211.226.004-251.88.29.013.205-091.63.96.26.6

5結(jié)論

未擾動(dòng)期各層土壤含水量變化幅度不大,溫度對(duì)土壤水的影響較小,地下開采對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響在初期不明顯,對(duì)土壤水影響存在一定滯后性,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,其影響在地下開采到達(dá)測(cè)點(diǎn)正下方之后4～5 d趨于明顯。

在開采擾動(dòng)期間,在測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大沉降量的過程中,壓縮區(qū)各層土壤水受不同程度的影響,且表層土壤水受影響程度大于深層;由于沉陷引起的土體擾動(dòng)導(dǎo)致土壤粒徑減小,容重增加,孔隙比降低,使得土壤持水能力增強(qiáng),這是導(dǎo)致在受開采擾動(dòng)初期(04-03—04-10)土壤含水量短暫上升的重要原因,而裂縫產(chǎn)生以及雨水補(bǔ)給能力的降低是導(dǎo)致后期土壤含水量降低的主要原因。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Effect of Coal Mining on Soil Moisture Content in Semi-Arid Areas.

CHENGLin-sen,LEIShao-gang,BIANZheng-fu

(School of Environment Science and Spatial Informatics， China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Abstract:Soil moisture content is an important factor affecting vegetation growth in semi-arid areas. The study on effects of coal mining on soil moisture dynamics may help reestablish vegetation in the mining area.Profile soil moisture probes were used to monitor changes in soil moisture content (SMC) in the 10 to 100 cm soil layer of the compression area located at the 52303 working face of the Daliuta coal mine before and after the mining operation. Analysis of the monitoring data shows that before the mining operation, SMC remained quite stable and didn′t change much with temperature. In the initial period of the coaling operation SMC changed, but the change was not significant and lagged temporally behind the process of mining. The time lag reached 4-5 days, that is to say, the change in SMC became apparent 4 to 5 days later after the mining operation reached right beneath the monitoring site. Then subsidence began to develop till maximum. During the course it disturbed the soil mass, causing changes in SMC, which rose first and then fell. The disturbance of mining to SMC waned gradually with soil depth in the soil profile from top to bottom. The disturbance of the soil mass caused by subsidence also led to decrease in soil particle size, increase in bulk density and decline of void ratio, thus enhancing the water holding capacity of the soil mass, which explains why SMC rises temporarily in the initial period of the mining operation. Meanwhile the occurrence of ground fissures and reduced water supply from rainfall are the two major causes that lower SMC in the late period of the operation.

Key words:semi-arid area;coal mining;soil moisture;time sequential monitoring

作者簡(jiǎn)介：程林森(1990—),男,安徽桐城人,碩士生,研究方向?yàn)榈V山生態(tài)修復(fù)。E-mail： chenglinsen@126.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.008

中圖分類號(hào)：X825;S152.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-4831(2016)02-0219-05

通信作者①E-mail: lsgang@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2014FY110800);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-12-0956)

收稿日期：2015-11-10