吳志遠(yuǎn)，尹尚先，馬麗紅

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

地表土壤水分在控制植被生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)地表生態(tài)環(huán)境等方面起著重要的作用，特別是在干旱地區(qū)，地表土壤水分是防止土壤沙漠化的關(guān)鍵因素之一[1-3]。地處毛烏素沙地邊緣的神府東勝礦區(qū)，是中國(guó)目前已探明的煤炭?jī)?chǔ)量最豐富的地區(qū)，該地區(qū)煤礦的開(kāi)采對(duì)保證國(guó)家優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤供應(yīng)及促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。但該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，蒸發(fā)強(qiáng)烈、降雨量較低、地表砂質(zhì)土壤疏松，地表土壤表現(xiàn)出水分少、水分存儲(chǔ)能力差的特點(diǎn)[4-7]。又由于地下煤層開(kāi)采，打破了本來(lái)已十分脆弱的生態(tài)環(huán)境，致使開(kāi)采區(qū)發(fā)生塌陷，導(dǎo)致本來(lái)已十分脆弱的生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化[8-10]。因此了解煤礦開(kāi)采前后地表土壤水分含量及其分布變化的主導(dǎo)因素是進(jìn)行開(kāi)采區(qū)環(huán)境治理及生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

探地雷達(dá)(Ground penetrating radar，GPR)已被證明能夠較好地獲得地表土壤水分含量的變化情況[11-12]。其具有探測(cè)面積大、探測(cè)速度快、無(wú)損探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)方法如中子儀、時(shí)域反射儀法(Time-Domain Reflectometry，TDR) 等只能點(diǎn)測(cè)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，且沒(méi)有輻射的危害。與遙感探測(cè)方法相比，探地雷達(dá)具有探測(cè)精度高、受植被干擾小等優(yōu)點(diǎn)[13-18]，非常適合土壤水分的探測(cè)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)地處中國(guó)西北部，礦區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，干燥少雨，大風(fēng)頻繁，多年平均降水量為194.7～531.6 mm，如圖1所示，多年年平均蒸發(fā)量為2 297.4～2 838.7 mm。由于氣候干旱、地表徑流較少，導(dǎo)致該地區(qū)地下潛水面深度一般在30 m以下。同時(shí)由于地下煤層開(kāi)采導(dǎo)致地表出現(xiàn)大量裂縫，進(jìn)一步加劇了該地區(qū)生態(tài)的惡化情況。

圖1 研究區(qū)2013、2014年8月份降雨量分圖

所選研究區(qū)位于神東煤礦大柳塔礦區(qū)，如圖3所示。研究區(qū)主要屬風(fēng)沙堆積地貌，上部由砂層覆蓋，砂層厚度0～20 m不等。區(qū)內(nèi)高程最大變化值為35.2 m，地勢(shì)中間高兩邊低，植被主要為沙柳，由于前幾年煤礦公司的綠化，研究區(qū)內(nèi)分布著少量的楊樹(shù)。

1.2 儀器及探測(cè)方法

本次探測(cè)利用GR探地雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。GR探地雷達(dá)系統(tǒng)主要由一個(gè)主機(jī)和兩個(gè)天線盒子組成，兩個(gè)天線盒子一個(gè)為發(fā)射天線，一個(gè)為接收天線，如圖2所示。天線的中心頻率為400 MHz天線，雷達(dá)參數(shù)采樣點(diǎn)數(shù)為2048，空間分辨率0.2 m。

圖2 地表直達(dá)波方法探地雷達(dá)工作原理圖

在開(kāi)采區(qū)中心位置選取一條900 m長(zhǎng)的L1測(cè)線進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)及取樣測(cè)試；同時(shí)在未開(kāi)采區(qū)內(nèi)選取了一條900 m長(zhǎng)測(cè)線L2進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)及取樣以判斷兩次探測(cè)過(guò)程中降雨及季節(jié)變化等因素是否對(duì)研究區(qū)地表土壤含水率產(chǎn)生影響。各測(cè)線與正北方向呈30°夾角，如圖3所示；大范圍的土壤含水率變化由小范圍內(nèi)土壤含水率變化引起，為了了解小面積范圍內(nèi)土壤含水率的變化規(guī)律及其影響因素，在開(kāi)采區(qū)選取了 40 m×40 m 正方形區(qū)域進(jìn)行了雷達(dá)探測(cè)，如圖3中紅色方塊所示。

圖3 研究區(qū)地理位置圖，紅色星號(hào)為研究區(qū)位置

2013年8月30日用探地雷達(dá)對(duì)兩條900 m測(cè)線進(jìn)行了探測(cè)，以確定收發(fā)天線的最優(yōu)天線距及地下煤層開(kāi)采前地表土壤的水分含量及分布情況。同時(shí)對(duì)測(cè)線進(jìn)行鉆孔取樣，取樣間隔為25 m，取樣工具為高10 cm，體積為100 cm3的環(huán)刀，利用烘干法在室內(nèi)對(duì)樣品含水率進(jìn)行測(cè)試,以對(duì)比分析雷達(dá)探測(cè)含水率的精確性。然后在開(kāi)采區(qū)較平坦位置選出一個(gè)40 m×40 m的正方形區(qū)域進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)及取樣。正方形區(qū)域內(nèi)的探測(cè)在直角坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行，在X、Y方向每隔4 m布置一條測(cè)線。由于受沙柳、楊樹(shù)等植被的影響，會(huì)在探測(cè)時(shí)對(duì)測(cè)線位置做較小的改動(dòng)。2014年8月30日探地雷達(dá)探測(cè)及取樣與2013年方式相同。

探地雷達(dá)探測(cè)在鉆孔取樣之前，但時(shí)間相差很短，以保證含水率探測(cè)的準(zhǔn)確性。在當(dāng)天把樣品稱重后放入實(shí)驗(yàn)室KLM29-CW-01烘箱內(nèi)，在105°C的條件下烘8～12個(gè)小時(shí)直至恒重，在烘干后取出土樣并計(jì)算烘干后土樣干質(zhì)量，然后計(jì)算出水分含量，最后計(jì)算出土壤體積含水率。

1.3 地表直達(dá)波方法探測(cè)土壤含水率原理

電磁波在地下傳播時(shí)對(duì)土壤介電常數(shù)的變化非常敏感，含水量較小的變化將會(huì)引起介質(zhì)的介電常數(shù)改變， 進(jìn)而引起電磁波在土壤中的傳播速度。地表直達(dá)波在地表的最上部傳播, 它的振幅隨距離衰減很快， Du 和 Rummel認(rèn)為在沒(méi)有明確地下反射層的條件下， 地表直達(dá)波是測(cè)定淺表層土壤含水率的最佳方法[19-21]。在GPR 多偏移距剖面上很容易識(shí)別出地表直達(dá)波。地表直達(dá)波走時(shí)與天線距離之間呈線性關(guān)系，如圖4所示，直線的斜率即是地表直達(dá)波速度。

圖4 探地雷達(dá)多偏移距方法示意圖

但是在實(shí)際操作過(guò)程中GPR 多偏移距測(cè)量會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間和人力，不適合應(yīng)用于大范圍探測(cè)。因此，Du 和Sperl 提出用以下3 個(gè)步驟確定土壤水含率 ：①用多偏移距方法測(cè)量, 確定采用不同天線距離時(shí)所對(duì)應(yīng)的地面波大致到達(dá)時(shí)間。②選擇一個(gè)天線距離, 使地面波與空氣波和反射波明顯地區(qū)分開(kāi)。③使用這個(gè)天線距離做共偏移距測(cè)量, 將地面波旅行時(shí)間的變化與土壤介電常數(shù)的變化聯(lián)系起來(lái)。

地面波走時(shí)tGW( s) 、天線距離x( m) 和土壤介電常數(shù)之間最直接的關(guān)系由下式給出:

(1)

式中，tAW為空氣波走時(shí)，s。

Topp等人在1980年提出了如今已較為常用的“εθ”模型[22]，其公式如下：

θ=-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3

(2)

其中θ為體積含水率，ε為相對(duì)介電常數(shù)。

2 最優(yōu)天線距確定

如圖5所示，L2測(cè)線在橫向上穿越了9個(gè)沙丘(分別位于25、142、250、300、400、525、650、775、875處)，測(cè)線內(nèi)最大高差為19.9 m。2013年和2014年8月30日分別利用多種探地雷達(dá)方法沿L2測(cè)線進(jìn)行了淺部地層土壤含水率探測(cè)，同時(shí)每隔25 m進(jìn)行一次取樣，取樣點(diǎn)共37個(gè)。遵循天線分離距內(nèi)雷達(dá)波信號(hào)干擾最小、子波最清晰的原則，2013年和2014年從多個(gè)不同天線距的探地雷達(dá)測(cè)量效果中找出了兩個(gè)最優(yōu)天線分離距，分別為102 cm和114 cm。

3 煤礦開(kāi)采對(duì)地表含水率變化影響

3.1 未開(kāi)采區(qū)2013年與2014年地表土壤含水率對(duì)比

圖5給出了L2測(cè)線2013、2014年探地雷達(dá)及取樣實(shí)測(cè)30 cm以上砂層含水率的粗略分布圖。從圖中可以看出，探地雷達(dá)反演含水率比取樣實(shí)測(cè)含水率要高，2013、2014年雷達(dá)探測(cè)所得含水率平均值分別為0.0837 cm3/cm3、0.0802 cm3/cm3比2013/2014年取樣實(shí)測(cè)含水率0.0636 cm3/cm3、0.0548 cm3/cm3分別大0.0201 cm3/cm3和0.0254 cm3/cm3。造成這種情況的原因有兩個(gè)：一是于L2測(cè)線地表地形起伏較大，雷達(dá)在上下坡時(shí)貼地不緊也會(huì)致使探測(cè)結(jié)果存在誤差；二是兩種方法探測(cè)的尺度不同。同時(shí)地表土壤含水率越小，探地雷達(dá)與實(shí)測(cè)含水率的誤差也就越大。

圖5 L2測(cè)線探地雷達(dá)和鉆孔取樣實(shí)測(cè)含水率對(duì)比圖。右側(cè)為使用歸一化高程處理后的測(cè)線內(nèi)各點(diǎn)的相對(duì)高度。鉆孔取樣深度為30 cm。

2013年L2測(cè)線雷達(dá)探測(cè)土壤含水率與實(shí)測(cè)土壤含水率的相關(guān)性分析圖如圖6所示，從圖中可以看出探地雷達(dá)探測(cè)含水率比實(shí)測(cè)含水率略大，兩種方法所探地表土壤含水率的相關(guān)系數(shù)為0.76，具有較強(qiáng)的相關(guān)性。表明利用探地雷達(dá)能夠獲得與實(shí)測(cè)相近的土壤含水率。

從探地雷達(dá)兩次探測(cè)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，L2測(cè)線內(nèi)地表土壤含水率變化與沙丘分布關(guān)系密切。沙丘脊部地表土壤體積含水率較低(0.05～0.07 cm3/cm3)，其中頂部水分最小；沙丘底部體積地表土壤含水率較高(0.07～0.012 cm3/cm3)，沙丘迎風(fēng)坡地表土壤含水率略高于沙丘背風(fēng)坡土，這與呂貽忠等[23]的研究結(jié)果相同。同時(shí)可以看出在測(cè)線最西北端海拔較低處，含水率比其他地區(qū)略高。

圖6 L2測(cè)線2013年探地雷達(dá)探測(cè)含水率與實(shí)測(cè)含水率相關(guān)性圖

兩次探地雷達(dá)反演平均體積含水率基本相同，2013年(0.0837 cm3/cm3)比2014年(0.0802 cm3/cm3)稍高，這說(shuō)明兩次探測(cè)過(guò)程中未開(kāi)采區(qū)地表土壤水分基本沒(méi)有變化，表明兩次探測(cè)時(shí)間內(nèi)地表土壤水分基本不受降雨等因素的影響。

3.2 開(kāi)采區(qū)2013年和2014年地表土壤含水率對(duì)比

3.2.1 L1測(cè)線2013年和2014年地表土壤含水率對(duì)比

L1測(cè)線位于開(kāi)采區(qū)中間位置，測(cè)線內(nèi)主要有四沙丘(400、550、700和875 m)，主要位于測(cè)線西北端，測(cè)線內(nèi)最大高差為22 m。圖7為L(zhǎng)1測(cè)線2013、2014年探地雷達(dá)及取樣實(shí)測(cè)砂層含水率的粗略分布圖。

使用GPS對(duì)L1測(cè)線高程測(cè)量發(fā)現(xiàn)，開(kāi)采后地表沉降值在1.27～2.92 m之間，平均下降了1.95 m。從圖7中可以看出，2014年探測(cè)含水率(平均為0.099 cm3/cm3)比2013年探測(cè)含水率(平均為0.083 cm3/cm3)大，推測(cè)這主要是由于近年來(lái)礦區(qū)內(nèi)植樹(shù)造林增強(qiáng)了地表土壤的蓄水能力。L1測(cè)線內(nèi)沙丘頂部地表土壤水分較低，如400 m、550 m處體積含水率分別為0.063 cm3/cm3、0.065 cm3/cm3；沙丘底部地表土壤體積含水率較大，如475 m、625 m處，地表土壤含水率分別為0.131 cm3/cm3、0.135 cm3/cm3，沙丘迎風(fēng)坡(375 m、525 m處)土壤水分相比背風(fēng)坡(410、600 m)含量略高。這與未開(kāi)采區(qū)的L2測(cè)線地表土壤含水率的變化規(guī)律基本相同。

圖7 L1測(cè)線探地雷達(dá)含水率分布圖。右側(cè)為使用歸一化高程處理后的測(cè)線內(nèi)各點(diǎn)的相對(duì)高度。鉆孔取樣深度為30 cm

3.2.2 正方形區(qū)域2013年和2014年地表土壤含水率對(duì)比

大范圍內(nèi)土壤含水率變化主要由小范圍內(nèi)土壤含水率變化引起。本次研究在開(kāi)采區(qū)內(nèi)靠近沉降中心位置較平坦地區(qū)選擇了一個(gè)40 m×40 m的正方形區(qū)域以研究小范圍內(nèi)開(kāi)采區(qū)土壤含水率的變化規(guī)律。正方形區(qū)域內(nèi)植被主要為沙柳和楊樹(shù)。圖8(a)、(b)中的紅點(diǎn)為楊樹(shù)根莖位置，綠色沙柳根莖位置(沙柳較密集)，黑色圓圈為樹(shù)冠覆蓋直徑，其余部分為裸砂地。圖8(a)、(b)展示了2013年8月26和2014年8月26日各種環(huán)境因子條件下正方形區(qū)域淺部砂層體積含水率分布圖。

圖8 利用克里格插值法所得 2013、2014年兩次探測(cè)含水率平面分布圖。注：虛線為含水率為6 cm3/cm3等值線，實(shí)線為含水率為8 cm3/cm3等值線，紅色實(shí)線為歸一化等高線。

從圖8(a)、(b)中可以看出2014年探地雷達(dá)所得體積含水量(平均為0.096 cm3/cm3)明顯比2013探測(cè)所得體積含水率(平均為0.082 cm3/cm3)高，這與長(zhǎng)測(cè)線體積含水率探測(cè)結(jié)果一致，但與長(zhǎng)測(cè)線不同的是，正方形區(qū)域內(nèi)兩次探測(cè)所得的含水率的空間分布十分相似，含水率只是在數(shù)量上有所變化。從圖中可以看出植被基本都分布在含水率較高的區(qū)域(黑色實(shí)線范圍內(nèi)，含水率>8 cm3/cm3)，其中含水率最高區(qū)域位于沙柳覆蓋區(qū)，如25/24，36/33處，含水率達(dá)到0.12 cm3/cm3；含水率較低區(qū)域一般都為裸砂地(黑色虛線范圍內(nèi),含水率<0.06 cm3/cm3)，如4/0、16/0、8/12處，含水率小于0.04 cm3/cm3。另外，兩年探測(cè)正方形區(qū)域內(nèi)地表沉降平均為1.84 m，沉降較為均勻。

4 結(jié)論

利用探地雷達(dá)對(duì)中國(guó)西部煤礦開(kāi)采區(qū)開(kāi)采前后地表土壤含水率進(jìn)行了探測(cè)，利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法分析了土壤含水率的變化情況，并得出以下結(jié)論：

(1) 干旱半干旱地區(qū)使用探地雷達(dá)能夠得到與取樣烘干精度相近的土壤含水率，且探地雷達(dá)具有快速、連續(xù)的探測(cè)優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)方法所不能做到的，在以后大范圍土壤含水率探測(cè)中探地雷達(dá)應(yīng)該得到更加廣泛的應(yīng)用。

(2) 在長(zhǎng)測(cè)線范圍內(nèi)地表土壤含水率及其分布主要受控于海拔高度和沙丘地形，未開(kāi)采區(qū)地表土壤體積含水率2013、2014年兩次探測(cè)變化不大，分別為0.084 cm3/cm3、0.082 cm3/cm3，而開(kāi)采區(qū)中心位置地表土壤含水率在地下煤層開(kāi)采后顯著增大，2013、2014年兩次探測(cè)分別為0.099 cm3/cm3、0.083 cm3/cm3。

(3) 40×40 m正方形區(qū)域研究結(jié)果顯示，2014年探測(cè)地表土壤含水率明顯大于2013年，兩次探測(cè)分別為0.096 cm3/cm3、0.082 cm3/cm3。在含水率較高的區(qū)域基本都分布在植被覆蓋區(qū)，其中含水率最高區(qū)域位于沙柳覆蓋區(qū)，裸沙地地表土壤含水率較低。

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