采煤塌陷區(qū)裂隙優(yōu)先流特征

郭巧玲，蘇 寧，丁 斌，楊云松

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,454003,河南焦作；2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,454003,河南焦作；3.黃河水利委員會信息中心,450003,鄭州；4.河南理工大學(xué)工商管理學(xué)院,454003,河南焦作)

優(yōu)先流是一種常見的土壤水分運(yùn)移形式,是土壤水運(yùn)動機(jī)理研究由均質(zhì)走向非均質(zhì)領(lǐng)域的標(biāo)志[1-2],用于描述在多種環(huán)境條件下發(fā)生的非平衡流過程。優(yōu)先流的存在使水分主要受重力影響經(jīng)過優(yōu)先路徑快速流過上層土壤而很少與周圍的土壤基質(zhì)發(fā)生相互作用,使水和溶質(zhì)通過優(yōu)先路徑快速到達(dá)深層土壤,增加地下水污染威脅,對地表徑流的產(chǎn)生,水土流失及深層地下水的儲量影響較大[3-5],在流域水文過程中具有重要作用[6],它是目前國內(nèi)外環(huán)境、水和土壤物理研究的科學(xué)家關(guān)注的熱點問題之一。近年來,不同的專家和學(xué)者[7-11]分別對自然環(huán)境作用下,動植物形成的孔隙,凍融及干濕交替過程形成的裂隙、裂縫等產(chǎn)生的優(yōu)先流開展了大量研究。人為工程作用環(huán)境下形成的裂隙、裂縫與自然環(huán)境形成的裂隙、裂縫特征明顯不同,其產(chǎn)生的優(yōu)先流亦會不同。煤礦開采是形成人為工程作用下的土壤裂縫重要原因之一,也是煤炭開采地表破壞形式之一。塌陷區(qū)裂縫引發(fā)的優(yōu)先流將引起礦區(qū)水文地質(zhì)條件及地表水—土壤水—地下水轉(zhuǎn)化過程變化,導(dǎo)致礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量下降,水土流失等問題的出現(xiàn)。不同的專家學(xué)者時煤礦塌陷區(qū)地裂縫的破斷、發(fā)育及對植物生長的影響等[12-13]進(jìn)行了研究。還有學(xué)者對采煤塌陷對包氣帶結(jié)構(gòu)的影響[14]和塌陷區(qū)土壤水空間分布及動態(tài)變化[15]等進(jìn)行了研究。關(guān)于采煤塌陷區(qū)裂縫優(yōu)先流研究,程方奎[16]嘗試用高密度電法研究平原煤礦塌陷區(qū)裂隙優(yōu)先流形成、分布及時空演化,嚴(yán)家平等[17]在對淮南礦區(qū)的研究中指出土壤優(yōu)先流常為地下水運(yùn)移提供優(yōu)先路徑[17]；但對于神府東勝煤田,塌陷區(qū)裂縫優(yōu)先流研究成果相對較少。筆者通過野外染色示蹤試驗,分析采煤塌陷區(qū)裂縫優(yōu)先流特征,可豐富優(yōu)先流研究的理論成果,為礦區(qū)水土流失和生態(tài)環(huán)境治理提供基礎(chǔ)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于神府 東勝煤田石圪臺煤礦采空區(qū),黃河中游典型一級支流窟野河流域[18],陜西北部黃土高原與內(nèi)蒙古高原交界地帶[19],位于E 109°40′～110°30′,N 38°12′～ 39°27′；氣候為干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫7.9℃,多年平均降水量386 mm,雨季集中在6—9月,占年降水量的78.7%,多以暴雨形式出現(xiàn)[20]；地貌以砂梁、黃土梁峁和沙漠灘地地貌為主[21],土質(zhì)疏松,土壤瘠薄,地表植被稀少[22]。該區(qū)煤炭資源豐富,且礦區(qū)煤炭具有埋藏淺、易開采、煤質(zhì)優(yōu)的特點[23]。

2 材料與方法

2.1 野外染色實驗

在石圪臺煤礦塌陷區(qū)內(nèi)選擇50 m×50 m的試驗樣地,樣地內(nèi)無植被覆蓋。以亮藍(lán)為示蹤劑進(jìn)行染色試驗。試驗于2016年7月21—29日開展,在樣地內(nèi)選取2個相距20 m的試驗點,試驗點1裂縫1條,寬20 mm；試驗點2裂縫3條,寬5 mm,呈“Y”字型結(jié)構(gòu)。將直徑60 cm、高40 cm的鐵環(huán)打入土中30 cm,搗實距環(huán)內(nèi)壁5 cm的土層,防止染料沿內(nèi)壁縫隙下滲,用濃度為4 g/L的亮藍(lán)溶液20 L,均勻噴灑于環(huán)內(nèi),用塑料薄膜將試驗點覆蓋,防止水分蒸發(fā)及降雨影響。24 h后以10 cm為一層開挖水平剖面(圖1)。開挖剖面時,首先確定地表沿裂縫走向的直徑,將直徑等分為6段,在節(jié)點處沿垂直直徑方向依次開挖縱剖面,0～10 cm深度的5個縱剖面開挖完畢,進(jìn)行橫剖面整平并拍照；依次進(jìn)行各層縱剖面和橫剖面開挖。剖面挖取要盡量平整光滑,防止粗糙面產(chǎn)生陰影而影響染色面積的計算,垂直剖面的挖取要與水平面垂直,防止圖像發(fā)生變形。開挖時用1 200萬像素的相機(jī)進(jìn)行拍照,拍照時,相機(jī)的鏡頭垂直正對剖面中心,防止圖像發(fā)生變形。

2.2 染色圖像處理

在進(jìn)行圖像處理前,首先對同一位置不同深度的縱剖面圖像進(jìn)行拼接,形成完整的5個縱剖面圖。利用Photoshop CS 6.0和ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行圖片處理。采用Photoshop CS 6.0軟件對圖片進(jìn)行幾何校正、裁剪(將橫剖面裁剪成邊長42 cm的正方形；5個縱剖面的寬從過圓心剖面向兩邊依次為60、56和44 cm),自動對比度、顏色替換和灰度使染色區(qū)為黑色和灰色、非染色區(qū)為白色和淺灰色。調(diào)整閾值使處理結(jié)果與實際染色結(jié)果相同,此時染色與未染色部分分別為黑色和白色。將處理后的黑白照片導(dǎo)入ArcGIS 10.2對處理后的染色圖像進(jìn)行黑白像素統(tǒng)計,最終得到1個僅由0(白色)和1(黑色)組成的信息矩陣。計算每層連續(xù)黑色柵格的數(shù)量,記為1個染色路徑,統(tǒng)計每層染色路徑(優(yōu)先路徑)數(shù)量,將1條染色路徑所占的比例乘以實際剖面寬度得到染色路徑實際寬度。染色面積比通過計算某一深度土層中染色像素數(shù)占圖像寬度方向上總像素數(shù)的比值來確定。

2.3 土壤物理和水分特性

圖1 染色試驗土壤剖面示意圖Fig.1 Soil profile in soil-dyeing experiment

在野外染色示蹤試驗進(jìn)行分層挖掘剖面時,每層分別使用100 cm3的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀采集染色區(qū)域土樣1個,直到剖面染色消失,密封帶回實驗室進(jìn)行土壤機(jī)械組成、含水量、密度、飽和導(dǎo)水率、田間持水量和孔隙度等測試。土壤機(jī)械組成采用比重計法；含水量采用烘干法；密度采用稱量法；飽和導(dǎo)水率采用定水頭滲透儀法；田間持水量采用威爾特克斯法；孔隙度采用如下公式計算:

式中:Pt為土壤孔隙度,%；ρb為土壤密度,g/cm3；ρs為土粒密度,g/cm3。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理和水分特性

采空區(qū)試驗點1和試驗點2的土壤機(jī)械組成、孔隙度、含水量、密度、飽和導(dǎo)水率和田間持水量的分析結(jié)果見表1。試驗點1和試驗點2的染色深度分別為地面以下70和50 mm。2個試驗點土壤的機(jī)械組成主要由1～0.05 mm的砂粒組成,0.05～0.01 mm的粗粉粒與＜0.01 mm的細(xì)粉粒和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相當(dāng)且較少。相同深度處,試驗點1的砂粒含量低于試驗點2；粗粉粒、細(xì)粉粒和黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于試驗點2。試驗點1相鄰?fù)翆拥耐寥揽紫抖燃叭葜氐淖兓却笥谠囼烖c2。土壤含水量、飽和導(dǎo)水率和田間持水量的變化范圍2個試驗點較為一致?？傮w上,隨著土壤深度的增加,2個試驗點土壤的孔隙度、含水量及田間持水量呈增加趨勢；飽和導(dǎo)水率呈減小態(tài)勢。

3.2 優(yōu)先流分布及染色面積

3.2.1 水平剖面染色特征及染色面積 依據(jù)實際染色深度情況,試驗點1挖取6個水平剖面,試驗點2挖取4個水平剖面(圖2a、2b)。試驗點1第1層(0～10 cm)剖面被亮藍(lán)溶液大面積染色,染色面積達(dá)98.27%且染色均勻,表明是基質(zhì)流主導(dǎo)。圖中的1白色條帶,說明此處沒有水流通過,水流繞過此區(qū)域向下滲流?？赡苁怯捎谠搮^(qū)域孔隙度小,導(dǎo)水性差,滲透性差等原因。第2層(10～20 cm)和第3層(20～30 cm)染色面積分別為89.77%和81.93%,優(yōu)先流顯現(xiàn)。第4層(30～40 cm)和第5層(40～50 cm)染色面積迅速下降到62.25%和53.10%且優(yōu)先路徑明顯。第6層(50～60 cm)染色面積僅有11.49%,優(yōu)先路徑較少。試驗點2優(yōu)先流在第 1層(0～10 cm)開始發(fā)生,染色面積84.07%；第2層染色面積83.68%,該2層是優(yōu)先流的主要發(fā)生區(qū)域。第3層和第4層染色面積急速下降到38.45%和33.84%,優(yōu)先路徑較少。

表1 土壤物理和水分特性Tab.1 Soil physical and moisture characteristics

對比2個試驗點,同一深度的水平染色剖面,試驗點1的染色面積大于試驗點2。地面以下20～30和30～40 cm的水平染色剖面,試驗點1染色范圍大且分散,試驗點2染色范圍小且集中,說明試驗點1比試驗點2的側(cè)向滲流范圍大?？傮w上,2個試驗點土壤染色面積隨深度的增加而減小,染色區(qū)域位置具有一定的連續(xù)性。主要是由于各層孔隙結(jié)構(gòu)及其優(yōu)先路徑位置的分布具有一定的連續(xù)性。

3.2.2 垂直剖面染色特征及染色面積

2個試驗點在垂直方向分別開挖5個剖面,依次定義為剖面A(寬44 cm)、B(寬56 cm)、C(寬60 cm)、D(寬56 cm)和E(寬44 cm),剖面C是通過直徑的中心剖面,各垂直剖面的染色圖像見圖3。試驗點1各垂直剖面A、B、C、D和E的染色最大深度依次為66.22、67.88、66.02、55.22 和32.14 cm,A ～C剖面的染色深度明顯大于剖面D和E。試驗點2各垂直剖面A、B、C、D和E的染色最大深度依次為36.46、36.89、44.42、45.87 和 46.67 cm,染色深度由A至E基本呈增加趨勢。

對比2組染色試驗,在相同容積的染色溶液條件下,試驗點1最大染色深度達(dá)到66.02 cm,試驗點2染色深度僅為46.87 cm,二者的染色深度有明顯的差異。同時,2個試驗點的優(yōu)先流分布特征也明顯不同,說明裂縫的寬度、條數(shù)等對優(yōu)先流產(chǎn)生影響,裂縫寬度和深度較大的區(qū)域,對滲流影響較大,優(yōu)先流能夠到達(dá)土壤更深處。

2個試驗點各垂直剖面染色面積隨深度變化規(guī)律見圖4,整體上呈S形趨勢減小,主要是因為水分側(cè)流使得染色面積并不隨著土壤深度呈單調(diào)遞減,局部染色面積會增大。

圖2 水平剖面染色圖Fig.2 Dyed pattern in horizontal section

試驗點1的5個剖面,在0～12 cm的表土層,染色面積均達(dá)到96%以上；12 cm以下,隨著深度的增加各剖面染色面積變化具有一定的差異。剖面A分別在28和48 cm出現(xiàn)2個峰值,48 cm以下染色面積迅速下降,至66 cm染色面積僅為5.00%；剖面B在32 cm出現(xiàn)輕微的波動后46 cm深度達(dá)到峰值,此后持續(xù)下降至66 cm染色面積為6.86%；剖面C僅在32 cm出現(xiàn)一次峰值,持續(xù)下降至64 cm染色面積為4.46%；剖面D分別在26和42 cm出現(xiàn)2個峰值,至54 cm染色面積為3.54%；剖面D在12 cm以下染色面積呈現(xiàn)急速減少趨勢,32 cm染色面積僅為3.41%,是5個剖面中染色深度最淺的剖面。

試驗點2的5個剖面,剖面A在0～10 cm的表土層,染色面積達(dá)94%以上；隨著深度的增加,染色面積呈穩(wěn)定減小趨勢,至36 cm染色面積為5.93%。剖面B在0～14 cm的表土層,染色面積達(dá)95%以上；隨著深度的增加,染色面積呈穩(wěn)定減小趨勢,至36 cm染色面積為2.86%。剖面C在0～18 cm染色面積均在96%以上,此后分別在22和34 cm出現(xiàn)2個峰值后持續(xù)下降至44 cm染色面積為0.18%。剖面D在0～20 cm染色面積均在99%以上,此后分別在24和34 cm出現(xiàn)2個峰值后持續(xù)下降至44 cm染色面積為4.54%。剖面E在0～20 cm染色面積均在98%以上,此后分別在26和36 cm出現(xiàn)2個峰值后持續(xù)下降至46 cm染色面積為4.62%。總體上,剖面A和B的染色面積變化規(guī)律較為一致,剖面C、D和E的變化基本一致。

3.3 染色路徑及寬度

圖3 垂直剖面染色圖Fig.3 Dyed pattern in vertical section

將2組試驗點各自的5個剖面分別以2 cm為1層,統(tǒng)計各層染色路徑數(shù)量(圖5)。試驗點1在0～8 cm的表土層,染色路徑較少(＜8個)；8～54 cm區(qū)間,染色路徑穩(wěn)定在在8～12個,54 cm以下,染色路徑數(shù)量迅速減小。試驗點2在0～12 cm的表土層,染色路徑穩(wěn)定在5個；20～24 cm范圍,染色路徑最多,22 cm處達(dá)到最大值(19個),此后快速下降,至28 cm處,染色路徑為10個,28 cm以下出現(xiàn)小幅波動后持續(xù)下降。離散系數(shù)可反映統(tǒng)計參數(shù)的離散程度,試驗點1在0～8 cm范圍各層染色路徑寬度的離散系數(shù)在0.13～0.69之間,10～50 cm范圍在0.82～1.26之間,52～56 cm范圍在0.63～0.67之間,10～50 cm范圍變異性相對較強(qiáng),穩(wěn)定性較弱。試驗點2在0～16 cm各層染色路徑寬度的離散系數(shù)在0.11～0.46之間,18～38 cm的離散系數(shù)在0.79～1.05之間,40～46 cm的離散系數(shù)在0.03～0.38之間,18～38 cm是變異性較強(qiáng),穩(wěn)定性較弱的區(qū)域。

不同深度染色路徑的數(shù)量及寬度范圍統(tǒng)計見表2a和表2b?？傮w上,2個試驗點均隨著深度的增加,寬路徑的數(shù)量呈減小趨勢,細(xì)小路徑的數(shù)量逐漸增多。試驗點1在0～20 cm范圍,染色路徑集中在40 cm以上的寬路徑,伴有少量0.38～2.81 cm的細(xì)小路徑；20～40 cm處,寬路徑以30～40 cm為主且數(shù)量減少,同時1 cm以下的細(xì)小路徑增多；40～60 cm處,寬路徑以10～20 cm為主,細(xì)小路徑的數(shù)量基本與20～40 cm處相當(dāng)；60 cm以下,染色路徑全部為小于3 cm的細(xì)小路徑；10～50 cm是染色路徑發(fā)育較多的區(qū)域。試驗點2在0～10 cm,染色路徑均為47 cm以上的寬路徑；10～20 cm范圍染色路徑以10～20 cm寬度為主,同時出現(xiàn)1～4 cm的細(xì)小路徑；20～40 cm染色路徑主要是1～5 cm的細(xì)小路徑且數(shù)量較多；40 cm以下全部為細(xì)小路徑；10～30 cm是染色路徑發(fā)育較多的區(qū)域。

圖4 土壤染色面積變化Fig.4 Area change of dyed soil

圖5 土壤染色路徑數(shù)量分布Fig.5 Number distribution of soil-dyed paths

表2 不同深度染色路徑的數(shù)量及寬度Tab.2 Number and width of dyed paths in different depths

4 結(jié)論與討論

1)采煤塌陷區(qū)不同地表裂縫條件下,土壤基本特性隨深度的變化規(guī)律一致。均隨著土壤深度的增加,土壤的孔隙度、含水量及田間持水量呈增加趨勢,飽和導(dǎo)水率呈減小態(tài)勢。不同的裂縫情況下,相同深度的土壤基本特性指標(biāo)略有區(qū)別。

2)從水平剖面染色圖像可知,采煤塌陷區(qū)土壤染色面積隨深度的增加而減小,染色區(qū)域位置具有一定的連續(xù)性。從垂直剖面染色圖像可知,2個試驗點各垂直剖面染色面積隨深度整體上呈S形趨勢減小。在相同容積的染色溶液條件下,試驗點1最大染色深度達(dá)到66.02 cm,試驗點2染色深度僅為46.87 cm,二者的染色深度有明顯的差異。同時,2個試驗點的優(yōu)先流分布特征也明顯不同,說明裂縫的寬度、條數(shù)等對優(yōu)先流產(chǎn)生影響,裂縫寬度較大的區(qū)域,對滲流影響較大,優(yōu)先流能夠到達(dá)土壤更深處。

3)裂縫寬度和條數(shù)不相同的2個試驗點,裂縫較寬、條數(shù)較少的試驗點1在地面以下8～54 cm區(qū)間染色路徑較多；而裂縫寬度較窄、條數(shù)較多的試驗點2在地面以下12～28 cm區(qū)間染色路徑較多?？傮w上,2個試驗點均隨著土壤深度的增加,寬路徑的數(shù)量呈減小趨勢,細(xì)小路徑的數(shù)量呈增加趨勢。

4)筆者通過染色示蹤對黃土砂區(qū)采煤塌陷裂縫產(chǎn)生的優(yōu)先流特征做了初步研究。下一步將研究裂縫的形成機(jī)理,裂縫與優(yōu)先流的關(guān)系,不同降雨條件下優(yōu)先流差異等,以有效的支撐當(dāng)?shù)氐V區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理工作。

5)本研究是針對干旱、半干旱地區(qū)的黃砂土區(qū)的采煤塌陷裂縫開展研究。其他氣候、地形地貌、土壤條件下的采煤塌陷裂縫優(yōu)先流會與該研究結(jié)果有一定的差異,應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H具體分析。

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