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(1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；2. 煤炭開采國家工程技術(shù)研究院煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(yán)重[1]。煤炭開采產(chǎn)生的塌陷破壞了土壤的結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部產(chǎn)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(nóng)作物、煤炭等資源的綜合產(chǎn)區(qū)，非飽和帶是農(nóng)作物生長的關(guān)鍵帶，因此研究非飽和帶中的水分含量顯得至關(guān)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(yuǎn)影響[4-7]。

在上個(gè)世紀(jì)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(guān)于采煤區(qū)包氣帶水分如何運(yùn)移以及影響因素的分析工作，以及后期研究如何在已經(jīng)破壞的礦區(qū)建立土地復(fù)墾模式[8,9]。隨后，一些學(xué)者就地面塌陷使得土地?zé)o法正常使用問題做了相關(guān)研究[10-12]。近年來，張發(fā)旺、宋亞新等學(xué)者對我國西北地區(qū)的內(nèi)蒙神府-東勝礦區(qū)開采沉陷問題做了相關(guān)研究，為我國學(xué)者研究土地復(fù)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(yàn)對非飽和帶水分特征及影響因素進(jìn)行研究，在沉陷區(qū)建立室外試驗(yàn)場，采集土樣實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析，得出礦區(qū)土壤水分變化的相關(guān)影響因素主次，為該區(qū)的生態(tài)修復(fù)及土地復(fù)墾提供一定理論依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

試驗(yàn)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(biāo)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(dá)800多毫米，水資源充沛。冬季氣溫相對偏低且多風(fēng)，最低溫度達(dá)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(yàn)建立

2.1 試驗(yàn)場概況

通過實(shí)地對采煤區(qū)具體位置以及當(dāng)?shù)噩F(xiàn)已開采情況與預(yù)計(jì)開采量的調(diào)查，試驗(yàn)區(qū)選擇在杜集區(qū)石臺鎮(zhèn)黃莊村的一處麥田內(nèi)，位于該礦區(qū)采煤工作面3315上方，位置如圖1所示。采樣時(shí)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)場地帶回的若干土樣顆粒組成情況，并對結(jié)果進(jìn)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(yàn)場地位置

2.2 試驗(yàn)場施工及布置

由于降水以及蒸發(fā)對試驗(yàn)場的數(shù)據(jù)采集會產(chǎn)生相當(dāng)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(yàn)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(nèi)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(shù)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(shí)際場地布置圖，右為試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖。

在簡易板房的兩壁上掛上負(fù)壓計(jì)刻度版，為后期讀數(shù)準(zhǔn)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(shù)。用透明軟管將刻度板上的毛細(xì)玻璃管與對應(yīng)陶土管連接，然后往軟管內(nèi)注滿水(本實(shí)驗(yàn)采用燒開后的涼水)，在負(fù)壓計(jì)的所有連接處用704硅膠封住避免漏氣影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。觀測室實(shí)驗(yàn)裝置安裝工作結(jié)束后，等24 h之后進(jìn)行讀數(shù)，如果在軟管中出現(xiàn)大量氣泡，此時(shí)需要向軟管中注水，對于數(shù)據(jù)采集依據(jù)實(shí)際要求每月讀取3～4次數(shù)據(jù)。

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

圖2 觀測室構(gòu)造設(shè)計(jì)圖

2.3 測定方法

依據(jù)以下公式可換算實(shí)測水銀面高度以及土壤水勢，其中實(shí)測水銀面高度讀數(shù)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(shí)際距離(cm 水柱)。

圖3 負(fù)壓計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 降水與地下水位關(guān)系圖

3 結(jié)果與分析

3.1 降水及地下水位變動的影響

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016年4月至2016年11月，降水最大值達(dá)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(jīng)過包氣帶，失去部分水量，最終補(bǔ)給潛水，研究區(qū)大氣降水成為潛水補(bǔ)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(yàn)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(shí)驗(yàn)計(jì)劃，間隔一定時(shí)期在試驗(yàn)場周圍采集土樣，對樣品進(jìn)行水分測定實(shí)驗(yàn)，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(zhì)勢與體積含水量之間的關(guān)系在10月到11月之間差距最大，30 cm的土樣基質(zhì)勢與體積含水量之間的關(guān)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(shí)間變化規(guī)律

3.2 降水、蒸發(fā)與土壤含水率的關(guān)系

由試驗(yàn)場所采土樣的粒度分析結(jié)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(shí)大氣降水等補(bǔ)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(yàn)場土樣含水率平均含水率數(shù)值在38%左右。

降水條件不同，地下水補(bǔ)給來源存在不同，如垂直方向的補(bǔ)給、河流等的側(cè)向補(bǔ)給等，如圖6所示為試驗(yàn)場不同深度土樣在不同時(shí)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(guān)，分析其原因：研究區(qū)土壤水分運(yùn)動類型偏蒸發(fā)型，因?yàn)樵诘乇硐?0 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(shí)土壤含水率明顯增大，分析其原因?yàn)?月份降水量達(dá)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(yàn)場共有四次降水，總降水量達(dá)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(yàn)場所建板房對土壤的保護(hù)作用，降水無法直接入滲到板房垂直的下方，僅能依靠側(cè)向補(bǔ)給，所以存在一定時(shí)間的滯后。

利用記錄的數(shù)據(jù)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(shí)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(guān)系

3.3 地下水位與土壤含水率的關(guān)系

由當(dāng)?shù)貧庀笳臼占降慕邓Y料與地下水位數(shù)據(jù)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(shí)，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?yàn)槌料葸^程中地下水位的下降引起包氣帶中毛細(xì)水下降，導(dǎo)致深度土壤水勢增大。

圖7 地下水位與土壤水分分布關(guān)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(guān)系

利用控制變量法，選取相同降水條件(5 d內(nèi)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(jié)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(shí)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(shí)期非飽和帶中的土壤含水率逐漸減小，五月份之后，隨著時(shí)間呈現(xiàn)相反的趨勢，如圖8(c)所示。對照同一時(shí)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(yīng)深度的土壤含水率。采煤后地面沉陷對

原狀土壤產(chǎn)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(dāng)采煤工作面經(jīng)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(fù)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(jié)語

試驗(yàn)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(chǎn)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(chǎn)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(dāng)工作面經(jīng)過研究區(qū)下方后，地面發(fā)生了沉降，導(dǎo)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(shí)上升。

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