平原地區(qū)采煤沉陷區(qū)非飽和帶水分特征及影響因素研究

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(1.安徽理工大學，安徽 淮南 232001；2. 煤炭開采國家工程技術研究院煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室，安徽 淮南 232001)

井工開采為我國平原地區(qū)煤礦開采的主要方式，近些年來，隨著生活、生產水平的提高，燃料需求量增多，造成開采量也需不斷增大，隨之而來的塌陷區(qū)面積也相繼增多，土地破壞問題也越來越嚴重[1]。煤炭開采產生的塌陷破壞了土壤的結構，使其內部產生裂縫，土壤持水能力降低，含水率減小，地下水位因此發(fā)生改變[2,3]。平原地區(qū)憑借著其優(yōu)越的地理優(yōu)勢，河流沖積帶來的肥沃土壤，成為我國農作物、煤炭等資源的綜合產區(qū)，非飽和帶是農作物生長的關鍵帶，因此研究非飽和帶中的水分含量顯得至關重要，這對礦區(qū)開采沉陷區(qū)居民的生活穩(wěn)定以及礦區(qū)的環(huán)境發(fā)展具有深遠影響[4-7]。

在上個世紀末期，我國就開采煤礦資源對土地資源造成的影響，開展一系列關于采煤區(qū)包氣帶水分如何運移以及影響因素的分析工作，以及后期研究如何在已經破壞的礦區(qū)建立土地復墾模式[8,9]。隨后，一些學者就地面塌陷使得土地無法正常使用問題做了相關研究[10-12]。近年來，張發(fā)旺、宋亞新等學者對我國西北地區(qū)的內蒙神府-東勝礦區(qū)開采沉陷問題做了相關研究，為我國學者研究土地復墾提供了有效的借鑒意義[13]。本文以我國淮北平原某礦區(qū)為例，基于試驗對非飽和帶水分特征及影響因素進行研究，在沉陷區(qū)建立室外試驗場，采集土樣實驗室內分析，得出礦區(qū)土壤水分變化的相關影響因素主次，為該區(qū)的生態(tài)修復及土地復墾提供一定理論依據。

1 礦區(qū)概況

試驗區(qū)選址于安徽省偏北部平原區(qū)，主要有黃河、淮河兩大河，土壤肥沃，地勢十分平坦，海拔標高約為+31.00～+36.00 m。礦區(qū)四季分明，處于我國南北交界處，水季多集中在夏季，夏季溫度一般較高，6到8月份為普遍多水季，平均降水達800多毫米，水資源充沛。冬季氣溫相對偏低且多風，最低溫度達到0℃以下，地下水位的埋藏深度較淺，礦區(qū)地面以下約2.5 m見到潛水面。

2 野外試驗建立

2.1 試驗場概況

通過實地對采煤區(qū)具體位置以及當地現(xiàn)已開采情況與預計開采量的調查，試驗區(qū)選擇在杜集區(qū)石臺鎮(zhèn)黃莊村的一處麥田內，位于該礦區(qū)采煤工作面3315上方，位置如圖1所示。采樣時，依據標準用體積為 100 cm3的環(huán)刀分層取樣，將采集的樣品密封保存，利用粒度分析儀分析試驗場地帶回的若干土樣顆粒組成情況，并對結果進行列表分析。通過對土樣的測試分析，得出表1 土壤類型隨深度變化規(guī)律。

表1 土壤類型隨深度變化規(guī)律

圖1 試驗場地位置

2.2 試驗場施工及布置

由于降水以及蒸發(fā)對試驗場的數據采集會產生相當大的影響，為了避免不必要的雨天降水和烈日暴曬，盡量減少影響，本次試驗在現(xiàn)場的監(jiān)測區(qū)上部搭建了簡易板房，其規(guī)格為長6 m、寬2.5 m、高2.5 m，在室內布置兩條非飽和帶監(jiān)測剖面，從地表向下分別安裝15支陶土管，從最深處到地表，深度數值為180 cm 、150 cm 、130 cm 、120 cm 、110 cm 、100 cm 、90 cm 、80 cm 、70 cm 、60 cm 、50 cm、 40 cm 、30 cm 、20 cm 、10 cm，一排深度從大到小，一排深度從小到大。如圖2所示，左圖為實際場地布置圖，右為試驗設計圖。

在簡易板房的兩壁上掛上負壓計刻度版，為后期讀數準備，并在刻度板下方大的小玻璃瓶中注入5 ml水銀，便于觀察讀數。用透明軟管將刻度板上的毛細玻璃管與對應陶土管連接，然后往軟管內注滿水(本實驗采用燒開后的涼水)，在負壓計的所有連接處用704硅膠封住避免漏氣影響實驗結果。觀測室實驗裝置安裝工作結束后，等24 h之后進行讀數，如果在軟管中出現(xiàn)大量氣泡，此時需要向軟管中注水，對于數據采集依據實際要求每月讀取3～4次數據。

在此基礎上，為了更加便利的觀測試驗場地下水的動態(tài)變化，充分利用試驗場地，在試驗場的兩側布置了淺層地下水位觀測孔。

圖2 觀測室構造設計圖

2.3 測定方法

依據以下公式可換算實測水銀面高度以及土壤水勢，其中實測水銀面高度讀數如圖3所示。

S=h1×13.6-h2

式中： S為所測土壤的水勢；h1為水銀柱高；h2為陶土頭9中心位置與水銀面最高處之間的垂直距離(cm水柱)。

h2=h1+h3+h4

式中：h3為水平地面至水銀面垂直距離(cm 水柱)；h4為陶土頭中心到地面的實際距離(cm 水柱)。

圖3 負壓計結構示意圖

圖4 降水與地下水位關系圖

3 結果與分析

3.1 降水及地下水位變動的影響

據相關數據顯示，2016年4月至2016年11月，降水最大值達到199 mm，最小值為25 mm左右，6、7月為集中降水月份，與常規(guī)年份降水規(guī)律一致。大氣降水通過地表入滲到地下，經過包氣帶，失去部分水量，最終補給潛水，研究區(qū)大氣降水成為潛水補給源，從圖4中可以看出，在6、7月降水量較大，但地下水位卻沒有明顯增大，分析其原因是試驗場地下水的動態(tài)變化與大氣降水之間存在一定的滯后現(xiàn)象。

按照實驗計劃，間隔一定時期在試驗場周圍采集土樣，對樣品進行水分測定實驗，得出隨著取樣深度的變化，如圖5所示，分別為10 cm、20 cm、30 cm深處的土樣。通過三組土樣的對比發(fā)現(xiàn)，10 cm的土樣基質勢與體積含水量之間的關系在10月到11月之間差距最大，30 cm的土樣基質勢與體積含水量之間的關系在10月在11月之間差距最小。隨著深度的增加，地表降水對其影響減小，滯后現(xiàn)象更加明顯。

圖5 沉陷區(qū)土樣水分特征曲線隨時間變化規(guī)律

3.2 降水、蒸發(fā)與土壤含水率的關系

由試驗場所采土樣的粒度分析結果得出，隨著土樣顆粒的減小，土樣顆粒與顆粒之間的孔隙也隨之減小，此時大氣降水等補給水源不容易向下發(fā)生滲透，致使土樣的持水能力相對孔隙大的土樣要大很多，含水率也就隨之較高，試驗場土樣含水率平均含水率數值在38%左右。

降水條件不同，地下水補給來源存在不同，如垂直方向的補給、河流等的側向補給等，如圖6所示為試驗場不同深度土樣在不同時間段的體積含水率變化?？傮w上研究區(qū)土壤含水率隨著深度變化而變化，呈正相關，分析其原因：研究區(qū)土壤水分運動類型偏蒸發(fā)型，因為在地表下40 cm上，土層受蒸發(fā)影響十分明顯，在40 cm更深處，隨著深度的加大，體積含水量變化規(guī)律較40 cm上不十分明顯。從圖6(a)中可以看出7月時土壤含水率明顯增大，分析其原因為6月份降水量達到199 mm左右。但在5月20日與6月2日之間的十幾天中，試驗場共有四次降水，總降水量達到61.5 mm，圖中顯示含水率卻未有明顯變化。分析其原因，可能是試驗場所建板房對土壤的保護作用，降水無法直接入滲到板房垂直的下方，僅能依靠側向補給，所以存在一定時間的滯后。

利用記錄的數據繪制圖6中a、 b兩圖，發(fā)現(xiàn)在11月份，測得土壤含水率較10月大，分析其原因可能是由10月大規(guī)模降水，時間上滯后影響，這與6月份降水量大而7月含水率較大現(xiàn)象一致。

圖6 降水條件與土壤水分分布關系

3.3 地下水位與土壤含水率的關系

由當地氣象站收集到的降水資料與地下水位數據可知，降水條件是影響地下水位變化的主要因素。如圖7所示，其中在圖7(a)中反映的是地下水位因降水的影響而逐漸升高。由圖7(b)可知，地下水位降低時，各層土壤含水率開始下降，且深部土壤含水率降幅較淺部更大，這是因為沉陷過程中地下水位的下降引起包氣帶中毛細水下降，導致深度土壤水勢增大。

圖7 地下水位與土壤水分分布關系

圖8 相同降水條件下土壤剖面水分分布

3.4 開采沉陷與土壤含水率的關系

利用控制變量法，選取相同降水條件(5 d內研究區(qū)降水量未超過2 mm)下的土壤，分析其水分分布特征，如圖8所示。如圖9為在不同地區(qū)所取土樣分析結果。

從圖8中可以看出，由于降水條件相同，降水對土壤水分的影響相同，此時處于地表的淺層土壤含水率相同，但在30 cm以下的非飽和帶中整體規(guī)律出現(xiàn)了較大差異。在春季三月到四月時期非飽和帶中的土壤含水率逐漸減小，五月份之后，隨著時間呈現(xiàn)相反的趨勢，如圖8(c)所示。對照同一時段沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)(如圖9)的土壤水分情況發(fā)現(xiàn)，總體上沉陷區(qū) 30 cm以下的土壤含水率均大于非沉陷區(qū)對應深度的土壤含水率。采煤后地面沉陷對

原狀土壤產生一定的擾動，豎直方向上裂隙增加，使得土壤持水率下降，當采煤工作面經過，地面發(fā)生整體沉降，使得研究區(qū)地勢降低，最終顯示在非飽和帶中現(xiàn)象為含水率上升。在沉陷穩(wěn)定后，研究區(qū)的土壤含水率恢復平穩(wěn)狀態(tài)。

圖9 沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)的土壤剖面水分分布

4 結語

試驗研究表明：

(1)降水條件的改變對沉陷區(qū)非飽和帶土壤分布產生較大的影響，蒸發(fā)條件的改變對40 cm以上土層影響較為明顯。而在降水、蒸發(fā)條件基本相同的情況下，沉陷區(qū)30 cm以下非飽和帶土壤含水率規(guī)律呈現(xiàn)先減小后增大，其原因是采煤造成沉陷對包氣帶土壤產生了一定的擾動，使得土壤中裂隙增加，土壤的持水能力降低。

(2)當工作面經過研究區(qū)下方后，地面發(fā)生了沉降，導致研究區(qū)地勢較于周圍非沉陷區(qū)降低，從而引起沉陷區(qū)非飽和帶土壤的含水率暫時上升。

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