采煤沉陷區(qū)凍結(jié)滯水消融過程中土壤水分變化規(guī)律①

包斯琴，高 永*，丁延龍，羅鳳敏，呂新豐，單玉兵，王劍然

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采煤沉陷區(qū)凍結(jié)滯水消融過程中土壤水分變化規(guī)律①

包斯琴1，高 永1*，丁延龍1，羅鳳敏2，呂新豐3，單玉兵4，王劍然4

(1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010019；2中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，內(nèi)蒙古磴口 015200； 3內(nèi)蒙古自治區(qū)水土保持工作站，呼和浩特 010020；4內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，呼和浩特 010020)

凍結(jié)滯水的倒置富水性和雙向融化特性，使其消融過程中土壤水分遷移動向發(fā)生變化。采用烘干法，對采煤沉陷區(qū)不同立地類型凍結(jié)滯水消融過程中的土壤含水率進(jìn)行了測定。結(jié)果表明：①隨著融化時間的延長，采煤沉陷區(qū)陰坡土壤含水率峰值沿著垂直方向逐漸向下推移。凍結(jié)滯水融化第2天和第5天，土壤含水率峰值出現(xiàn)在0 ~ 10 cm土層；融化第8天土壤含水率最大值出現(xiàn)在20 ~ 30 cm土層；融化第11、14和17天土壤含水率最大值均出現(xiàn)在50 ~ 60 cm土層；②采煤沉陷區(qū)溝坡地凍結(jié)滯水融化第2天和第5天土壤含水率峰值均出現(xiàn)在20 ~ 30 cm土層；融化第8、11、14和17天土壤含水率最大值均出現(xiàn)在30 ~ 40 cm土層；③采煤區(qū)和非采煤區(qū)的凍結(jié)滯水含水率峰值在凍土層之下。

凍結(jié)滯水；土壤含水率；消融過程；采煤沉陷區(qū)

凍結(jié)滯水的形成是由于冬季的凍結(jié)作用在包氣帶凍土層內(nèi)產(chǎn)生凍結(jié)勢，強(qiáng)烈吸附包氣帶水、支持毛管水、潛水以及空氣中的水分，以液態(tài)和汽態(tài)形式向凍層遷移富集，然后凍結(jié)成冰晶，最后形成季節(jié)性滯留于凍土層內(nèi)的固態(tài)地下水[1]，凍結(jié)滯水是土壤中除毛管水、重力水、薄膜水和上層滯水之外，另外一種可以供給植物利用的水分存在狀態(tài)[2]。在凍土層厚度為1 m左右的區(qū)域，凍結(jié)滯水主要分布在20 ~ 80 cm土層內(nèi)，凍結(jié)滯水融化后，除地面蒸發(fā)、排泄以及向下滲流以外，大部分都以毛管水以及薄膜水的形態(tài)滯留在原位置。凍結(jié)滯水的含水率有明顯的分布特征，在凍結(jié)勢作用下包氣帶水和空氣中水分以液態(tài)和汽態(tài)向凍結(jié)滯水層遷移富集，主要富集在0 ~ 20 cm的深度，形成倒置富水性[3]。凍結(jié)滯水在解凍期間由上向下融化，其融水以蒸發(fā)為主消耗，部分向下運(yùn)動[4]。

中國干旱、半干旱區(qū)普遍氣候干旱，生態(tài)恢復(fù)難度很大[5]，而季節(jié)性凍土在中國分布十分廣泛，約占中國陸地總面積的46%，從最北端的大小興安嶺地區(qū)到長江流域均有分布[6-7]，因此，對西北地區(qū)的生態(tài)建設(shè)來說，季節(jié)性凍土形成的凍結(jié)滯水應(yīng)是一部分寶貴的水分資源。掌握凍結(jié)滯水的理論和動態(tài)規(guī)律，根據(jù)土壤水分狀況合理安排造林時間，對提高造林成活率及生長量，恢復(fù)干旱、半干旱地區(qū)植被及生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)意義。

神東礦區(qū)位于鄂爾多斯高原東南部和陜北黃土高原北緣接壤處，為季節(jié)性凍土分布區(qū)，凍結(jié)滯水現(xiàn)象普遍存在。大規(guī)模的采煤活動引起地表沉陷，破壞了季節(jié)凍結(jié)滯水原有的倒置富水性結(jié)構(gòu)，造成季節(jié)凍結(jié)滯水水分運(yùn)移狀態(tài)的改變，從而對地表降雨的入滲與蒸發(fā)、地下水的補(bǔ)給、地表植被水分和養(yǎng)分的吸收等都產(chǎn)生重要影響[8-9]。而目前關(guān)于采煤沉陷區(qū)的研究多集中于土壤水分動態(tài)變化[10-13]、土壤理化性質(zhì)空間分異[14-15]、采煤沉陷區(qū)水資源開發(fā)利用[16-17]及生態(tài)恢復(fù)[18-20]等方面，由于地理位置和社會經(jīng)濟(jì)意識等社會因素，目前有關(guān)采煤沉陷區(qū)凍結(jié)滯水消融水分變化過程尚未見報道。因此，在該區(qū)研究凍結(jié)滯水消融過程中土壤水分變化特征，能夠完善季節(jié)凍結(jié)滯水理論，對礦區(qū)的植被恢復(fù)以及生態(tài)環(huán)境綜合治理提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于神東公司采煤沉陷區(qū)，為鄂爾多斯高原東南部和陜北黃土高原北緣接壤處，地理坐標(biāo)為39°13′ ~ 39°15′ N，110°08′ ~ 110°10′ E。該區(qū)屬典型干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫7.3℃，年均蒸發(fā)量2 220.65 mm，年均降水量362 mm，主要集中在6—9月份，占全年降雨量的65% ~ 70%；年均風(fēng)速2.5 ~ 3.0 m/s，最大風(fēng)速19 ~ 20 m/s；地貌形態(tài)主要包括丘陵和溝谷，地形破碎，溝壑密度2 ~ 3 km/km–2；土壤以風(fēng)沙土為主，區(qū)內(nèi)季節(jié)性凍土平均厚度為1.2 m；沙生植物占主要優(yōu)勢，包括：沙柳(Wang et)、油蒿(Krasch.)、蟲實(shí)(Iljin.) 、糙隱子草((Trin.) Keng.)、沙米 ((L.) Moq.)和百里香((Ronnig.) Ronnig.)等[8]。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)樣地于2006年發(fā)生沉陷，由于煤層規(guī)模開采，形成大面積采空區(qū)。筆者及其研究團(tuán)隊(duì)在前期對沉陷位置、沉陷程度、沉陷類型等全面調(diào)查的基礎(chǔ)上，以發(fā)生沉陷的重點(diǎn)部位且存在明顯凍結(jié)作用的陰坡和坡溝底作為研究區(qū)，坡面坡度22° ~ 25°?？紤]到坡位與沉陷區(qū)內(nèi)地表的開裂情況，所有樣點(diǎn)避開裂縫處，選擇下墊面狀況相近的未擾動區(qū)作為對照。每研究區(qū)平行設(shè)置3個樣點(diǎn)。

2.2 土樣采集及測定

研究區(qū)11月初土壤開始凍結(jié)，次年3月下旬土體持續(xù)解凍。分別于2012年、2013年3月至4月中旬每隔3 d采集1次土樣，挖掘土壤剖面：長80 cm、寬50 cm、深100 cm，每10 cm一層，每層3次重復(fù)。將土樣裝入密封袋帶回，烘干，計算土壤含水率。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，本文對土壤凍融過程持續(xù)時間長，且降水少的2013年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 采煤沉陷區(qū)陰坡凍結(jié)滯水融化過程

圖1為研究時段內(nèi)研究區(qū)域的氣象變化情況，數(shù)據(jù)來源于神木縣氣象局地面氣候資料。由圖1可知，研究區(qū)在2012年11月初最低氣溫降至零下，此時最高氣溫仍在零度以上，土壤開始凍結(jié)。2012年12月15日開始至2013年1月9日，研究區(qū)最高氣溫均不超過零度，土壤進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)狀態(tài)。隨后最高氣溫回升至零度以上，偶有波動，最低氣溫多在零度以下，土壤開始融化。從2013年3月2日到3月9日，最低氣溫持續(xù)在零度以上，土壤進(jìn)入穩(wěn)定融化狀態(tài)。研究區(qū)在2012年10月15日至2013年3月15日，累積降水量21.2 mm，單日降水量最大不超過4.7 mm。

綜合分析采煤沉陷區(qū)陰坡凍結(jié)滯水融化后土壤含水率的垂直分布特征(圖2)可知，在解凍開始時期(2013年3月2日)，融化第2天(圖2A)和第5天(圖2B)的土壤含水率隨土層深度的變化趨勢均表現(xiàn)為先降低后增加，二者含水率在0 ~ 10 cm土層達(dá)到峰值，分別為16.21% 和14.91%；在30 ~ 40 cm土層達(dá)到最小值，其值分別為13.05% 和11.96%；其中融化第2天的40 ~ 100 cm土層土壤含水率隨土層增加幅度較小(13.05% ~ 13.88%)，而在融化第5天的40 ~ 100 cm土層土壤含水率增加趨勢較為明顯(11.96% ~ 14.81%)。在融化第8、11、14和17 天含水率隨土層深度的變化趨勢整體呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，從融化第8天到第17天，土壤含水率最小值均出現(xiàn)在0 ~ 10 cm土層，并且隨著融化時間的延長，含水率最大值沿著垂直方向逐漸向下推移，融化第8 天(圖2C)含水率最大值出現(xiàn)在20 ~ 30 cm土層，值為17.91%；融化第11天(圖2D)和14天(圖2E)含水率最大值則均出現(xiàn)在50 ~ 60 cm土層，至融化第17天(圖2F)，土壤含水率最大值出現(xiàn)在60 ~ 70 cm土層。從達(dá)到峰值時土壤含水率變化來看，0 ~ 100 cm土層土壤含水率峰值隨著融化時間的推移呈逐漸降低趨勢。

3.2 采煤沉陷區(qū)坡溝地凍結(jié)滯水融化過程

綜合分析采煤沉陷區(qū)溝坡地凍結(jié)滯水融化后土壤含水率的垂直分布特征(圖3)可知，土壤含水率隨著時間的推移整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，融化第2天和第5天土壤含水率峰值均出現(xiàn)在20 ~ 30 cm土層；融化第8、11、14和17天土壤含水率最大值均出現(xiàn)在30 ~ 40 cm土層，分別為13.64%、18.61%、16.31%和15.20%，融化第8天溫度降低，因此土壤含水率峰值較低，之后隨著融化時間的推移土壤含水率峰值逐漸降低。

由圖3A可以看出，土壤解凍后，20 ~ 30 cm土層含水率最大(15.73%)，比凍結(jié)期增加了28.30%，向下迅速減少，在40 ~ 50 cm土層內(nèi)含水率最小(10.29%)，之后又逐漸增加。至融化第5天(圖3B)，土壤含水率在20 ~ 30 cm土層內(nèi)含水率達(dá)到最大值15.36%。隨著土層的加深，土壤含水率迅速減少，在50 ~ 60 cm土層內(nèi)含水率最低，為13.21%。融化第8天(圖3C)，土壤含水率均降低，含水率的垂直變化特征與融化第5天相似，只是變化幅度不同。融化第11天(圖3D)，土壤含水率整體都增加。融化第14天(圖3E)，土壤含水率在30 ~ 40 cm土層內(nèi)含水率達(dá)到峰值，其值為16.31%，最小值出現(xiàn)在0 ~ 10 cm土層，值為11.02%，前者是后者的1.48倍。融化第17天(圖2F)，隨著土層深度的增加，土壤含水率的垂線分布特征呈現(xiàn)“S”型曲線變化規(guī)律，在30 ~ 40 cm土層內(nèi)含水率達(dá)到峰值，其值為15.20%，含水率最小值出現(xiàn)在80 ~ 100 cm土層內(nèi)，該層含水率為10.31%，前者是后者的1.47倍。

3.3 凍結(jié)滯水融化過程中土壤含水率峰值層與凍結(jié)層的關(guān)系

季節(jié)性凍土在凍結(jié)期內(nèi)土壤水分由表層逐漸向深層凍結(jié)。凍土凍結(jié)時，土壤含水率增加并凍結(jié)，在凍土層形成結(jié)晶體。由于凍結(jié)滯水存在倒置富水和雙向融化特性，導(dǎo)致垂直方向上的土壤含水率分布特征發(fā)生變化[21]。到了融凍期，外界降雨和融雪入滲的水量，主要積蓄在融凍鋒面以上，因此導(dǎo)致土壤含水率的垂線分布成為弧線型逆分配，即上層大于下層[22]。因而在融化開始時期，土壤含水率峰值出現(xiàn)在10 ~ 20 cm土層。之后隨著溫度的升高，土壤水分的蒸發(fā)作用也逐漸增強(qiáng)，水分逐漸向上層土壤轉(zhuǎn)移。同時由于凍結(jié)滯水的雙向融化會使得水分緩慢下移，所以含水率最大值會逐漸下移，且由于水分下移速度大于向上移動，因此在0 ~ 100 cm土層范圍內(nèi)土壤含水率峰值隨著時間的推移逐漸降低(圖2)。而在溝坡地，由于溝坡地的局部氣溫較低，因此地表蒸發(fā)作用較小，由此產(chǎn)生的蒸騰拉力也較小，因此凍結(jié)滯水主要向下運(yùn)移，使得融化初期含水率峰值出現(xiàn)在凍結(jié)滯水的下層(20 ~ 30 cm)；但是隨著土壤持續(xù)融化，滲透作用的逐漸增強(qiáng)，加之溫度逐漸升高，融化深度也逐漸加深，凍結(jié)滯水的雙向融化也會使得水分緩慢上移，土壤含水率最大值下移，由于水分下移速度大于向上移動，含水率峰值隨時間的推移逐漸降低(圖3)。

表1 凍結(jié)滯水融化過程中土壤含水率峰值層與凍結(jié)層的深度(cm)

注：表中數(shù)值為凍結(jié)層深度平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

采礦后地表沉陷，包氣帶土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，原有致密結(jié)構(gòu)層被破壞，土壤結(jié)構(gòu)變得疏松，也使得包氣帶垂向裂隙(縫)十分發(fā)育，增加了入滲通道和土壤水分蒸發(fā)面積[10]。因此，在同一融化時間，垂直方向上采煤區(qū)融化初期凍土層較非采煤區(qū)深。在冬季土壤凍結(jié)期，土壤水的垂向運(yùn)動被凍結(jié)，深層蒸發(fā)被上層凍結(jié)層阻擋，這時的蒸發(fā)以土壤凍結(jié)層表面蒸發(fā)為主。凍融時，由于累積正氣溫的增加，土壤表層土質(zhì)疏松，上層融化，但下層凍土依然存在，使土壤的毛管作用大大減弱，此時的蒸發(fā)以解凍層的水分蒸發(fā)為主，而下層含水率較高，如表1所示，融化第2天非采煤區(qū)凍土層出現(xiàn)在20 cm深度，而采煤區(qū)凍土層出現(xiàn)在30 ~ 50 cm深度范圍內(nèi)；融化第2天和第5天，采煤區(qū)和非采煤區(qū)的凍結(jié)滯水含水率峰值整體都在凍土層之下；隨著累積正氣溫的增加，水分蒸發(fā)作用加強(qiáng)，凍結(jié)滯水融化后的水分在蒸騰拉力作用下逐漸向上移動，因此，凍土層出現(xiàn)在凍結(jié)滯水峰值層之下，由于3月份氣溫整體較低，氣溫降低后已經(jīng)融化的土壤極易凍結(jié)，因此融化第8天至第14天凍土層與含水率峰值層波動比較頻繁；至融化第17天，100 cm深度內(nèi)土壤凍土層出現(xiàn)在100 cm深度或全部解凍，由于凍結(jié)滯水的雙向融化作用，因此凍土層在峰值層之下。

4 結(jié)論

1) 采煤沉陷區(qū)凍結(jié)滯水隨融化時間延長，陰坡土壤含水率峰值沿著垂直方向逐漸向下推移。融化初期，土壤含水率呈現(xiàn)隨土層深度增加先降低后增加的趨勢，峰值出現(xiàn)在0 ~ 10 cm土層；融化第8天，土壤含水率表現(xiàn)為先增加后降低，最后又增加，含水率最大值下移至20 ~ 30 cm土層；融化第11、14和17天，土壤含水率整體表現(xiàn)為先增加后降低，含水率最大值繼續(xù)下移至50 ~ 60 cm土層；且融化第8天土壤含水率峰值為整個融化過程的最大值。

2) 溝坡地凍結(jié)滯水融化之后土含水率隨著時間的推移整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，融化第2天和第5天土壤含水率峰值均出現(xiàn)在20 ~ 30 cm土層；融化第8、11、14和17天土壤含水率最大值均出現(xiàn)在30 ~ 40 cm土層，融化第8天溫度降低，因此含水率峰值較低，之后隨著融化時間的推移含水率峰值逐漸降低。

3) 融化第2天非采煤區(qū)凍土層出現(xiàn)在20 cm深度，而采煤區(qū)凍土層出現(xiàn)在30 ~ 50 cm深度范圍內(nèi)；融化第2天和第5天，采煤區(qū)和非采煤區(qū)的凍結(jié)滯水含水率峰值均在凍土層之下；融化第8天至第14天，凍土層與含水率峰值層波動比較頻繁；至融化第17天，凍土層出現(xiàn)在100 cm深度左右且在峰值層以下。

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On Soil Moisture Variation During Thaw Process of Frozen Stagnant Water in Mining Subsidence Area

BAO Siqin1, GAO Yong1*, DING Yanlong1, LUO Fengmin2, LV Xinfeng3, SHAN Yubing4, WANG Jianran4

(1 College of Desert Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China; 2 Experimental Center of Desert Forestry, Chinese Academy of Forestry, Dengkou, Inner Mongolia 015200, China; 3 Water and Soil Conser-vation Station of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010020, China; 4 Inner Mongolia Water Resources and Hydro-power Survey and Design Institute, Hohhot 010020, China)

Frozen stagnant water possesses inverted enriching water and two-way melting characteristics, which make soil moisture migration trend change during its melting process. In this paper, soil moisture variation was studied during the thaw process of frozen stagnant water in different terrains in mining subsidence area by using the drying method. The results showed that：1) with the extension of melting time, soil moisture peak of shady slope in mining subsidence area decreased gradually along the vertical direction. Soil moisture peak of frozen stagnant water appeared in 0-10 cm on the melted 2ndday and 5thday, appeared in 20-30 cm on the melted 8thday, in 50-60 cm on the melted 11thday, 14thday and 17thday. 2) Soil moisture peak of gully-slop lands appeared in 20-30 cm on the melted 2ndday and 5thday, and in 30-40 cm on the melted 8thday, 11thday, 14thday and 17thday. 3) The moisture peak layer of frozen stagnant water was always under the frozen layer in the mining area and the non-mining area.

Frozen stagnant water; Soil moisture; Thaw process; Mining subsidence area

10.13758/j.cnki.tr.2017.03.026

S152.3

A

內(nèi)蒙古自治區(qū)科學(xué)基金重大項(xiàng)目(2014ZD03)資助。

(13948815709@163.com)

包斯琴(1972—)，女(蒙古族)，內(nèi)蒙古通遼人，博士研究生，主要從事采煤沉陷區(qū)土壤修復(fù)、荒漠化防治研究。E-mail：baosiqin163@163.com