王璽凱，赫云蘭

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

我國(guó)的煤炭資源呈“井”字型分布，晉陜蒙(西)寧區(qū)保有煤炭資源量巨大[1]，是我國(guó)目前煤炭開發(fā)活動(dòng)最為活躍的區(qū)域。晉陜蒙(西)寧區(qū)地處黃河流域中上游，降水稀少，水資源短缺，是制約該區(qū)域煤礦開采和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的瓶頸[2]。為此許多學(xué)者進(jìn)行了研究探索，畢銀麗等[3]提出干旱半干旱露天煤礦生態(tài)重構(gòu)技術(shù)；顧大釗[4]開發(fā)了煤礦分布式地下水庫(kù)技術(shù),并提出應(yīng)用“自修復(fù)”規(guī)律的地表生態(tài)主動(dòng)性減損；范立民等[5]提出加強(qiáng)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，為黃河流域煤炭基地可持續(xù)發(fā)展提供保障;曹志國(guó)等[6]通過室內(nèi)物理模型研究了煤水協(xié)調(diào)開采技術(shù)。目前對(duì)于煤礦區(qū)表層土壤水的研究尚少，畢銀麗[7]等利用數(shù)值模擬的方法研究了西部采煤沉陷地裂縫區(qū)土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律；楊志文等[8]研究了山西陽(yáng)泉礦區(qū)塌陷區(qū)的土壤水分時(shí)空變化；葛夢(mèng)玉[9]對(duì)高潛水位采煤塌陷復(fù)墾區(qū)的土壤水運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了討論。

水中常見的同位素包括17O、18O、2H和3H，最常用的水穩(wěn)定同位素有18O和2H。水中穩(wěn)定同位素伴隨水的蒸發(fā)、運(yùn)移、降水和地上地下徑流而發(fā)生富集和分餾，形成水的“指紋”。自1963年Craig[10]進(jìn)行大氣降水的水穩(wěn)定同位素研究以來，隨著同位素質(zhì)譜分析技術(shù)的進(jìn)步，同位素水文學(xué)也蓬勃發(fā)展起來，被應(yīng)用于水文學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。王力等[11-12]利用水穩(wěn)定同位素技術(shù)分析了榆神府礦區(qū)土壤-植被 -大氣系統(tǒng)中水分的轉(zhuǎn)化過程;楊國(guó)敏等[13]利用土壤水的穩(wěn)定同位素特征研究了露天礦區(qū)排土場(chǎng)的入滲規(guī)律。神東礦區(qū)長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的開采對(duì)于地表生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了影響，本文基于煤礦區(qū)土壤水的穩(wěn)定同位素特征，對(duì)煤礦區(qū)塌陷區(qū)土壤層與原狀土壤層的水分特征進(jìn)行了分析和討論。對(duì)比研究沉陷區(qū)與未受采動(dòng)影響區(qū)域包氣帶水運(yùn)移規(guī)律，對(duì)于研究采礦對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義，能夠?yàn)辄S河流域西部礦區(qū)生態(tài)治理提供理論基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 樣地選擇

在神東礦區(qū)的上灣礦和布爾臺(tái)礦地面的采煤塌陷區(qū)和原狀對(duì)照區(qū)分別選取一個(gè)樣地進(jìn)行土壤剖面采樣。對(duì)照區(qū)樣地應(yīng)選擇地勢(shì)平坦開闊的地方，避開河谷低地，，采煤塌陷區(qū)的樣地應(yīng)避開裂縫區(qū)。同時(shí)，采樣區(qū)都應(yīng)保證植物密度適中。

1.2 樣品采集與處理

在2020年當(dāng)?shù)赜昙具^后的九月中下旬，利用洛陽(yáng)鏟人工鉆取直徑為6cm的采樣孔。鉆孔剖面每20cm進(jìn)行土壤樣品采集，采集的土壤樣品置于300ml聚乙烯塑料瓶中，瓶口用塑料薄膜覆蓋，后將瓶口擰緊。采集的樣品在野外儲(chǔ)存在保溫箱中。回到室內(nèi)后把樣品儲(chǔ)存于4℃的冰箱中保存。為避免水穩(wěn)定同位素的分餾，本研究的土壤水提取采用低溫共沸蒸餾的方法。所有樣品基于質(zhì)譜法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率特征

本文分析的土壤剖面含水率為重量含水率。布爾臺(tái)和上灣礦區(qū)0～5m的土壤剖面含水率區(qū)間為1.7%～7.63%，由淺到深整體表現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)。雨季的集中降水過后，0～0.5m的淺層土壤經(jīng)過降水的補(bǔ)給維持了較高的含水率，除BD5剖面外其余三個(gè)剖面均在1m深度存在最小含水率，0.5～1.5m剖面段維持了較低的含水率。自2～4m段四個(gè)剖面均表現(xiàn)出含水率上升的趨勢(shì)，在4～5m段四個(gè)剖面均維持了較高的含水率。上述土壤剖面的含水率特征是由于7—9月雨季過后，集中降水的補(bǔ)給使得土壤表層0～0.5m剖面含水率較高。0.5～1.5m剖面含水率降低是因?yàn)?—9月降水家中的同時(shí)溫度較高，是植物快速生長(zhǎng)的季節(jié)，蒸騰旺盛，植物根系大量吸水，造成0.5～1.5m含水率較低。4～5m剖面段處于神東礦區(qū)地表風(fēng)積沙層的下部，其下與黏土層靠近，黏土層的滲透率較低，所以在風(fēng)積沙層底部存在著側(cè)向流動(dòng)的土壤水，造成了4～5m剖面段的較高含水率。2～4m段植物的吸水效應(yīng)逐漸減弱，4～5m段剖面含水率較高，2～4m段向下補(bǔ)給的土壤水逐漸在此段積累，表現(xiàn)為含水率逐漸增大(圖1)。

圖1 含水率變化曲線Figure 1 Moisture content variation curve

2.2 土壤水穩(wěn)定同位素特征

土壤水中δD與δ18O具有相同的變化規(guī)律，但D的分子量小于δ18O，所以D更易發(fā)生分餾，因此采用δ18O來描述四個(gè)剖面土壤水穩(wěn)定同位素變化更具說服力[14]。SD5剖面δ18O為-16.52‰～5.82‰，均值為-12.67‰；SC5剖面δ18O為-15.1‰～2.77‰，均值為-9.88‰；BD5剖面δ18O為-15.26‰～9.95‰，均值為-12.98‰；BC5剖面δ18O為-17.45‰～4.30‰，均值為-11.42‰。塌陷區(qū)剖面SC5和BC5的δ18O值變化范圍大于對(duì)照區(qū)剖面SD5和BD5，并且塌陷區(qū)剖面SC5和BC5δ18O值的均值都大于對(duì)照區(qū)剖面SD5和BD5。如圖2所示BC5和SC5的δ18O值曲線變化范圍更大，變化更加劇烈，且BC5和SC5的δ18O值曲線整體位于BD5和SD5的δ18O值曲線的右側(cè)。

圖2 BC5和SC5的δ18O值變化曲線Figure 2 δ18O value variation curves of BC5 and SC5

全球大氣水線為δ2H=8.0δ18O+10‰，根據(jù)CHNIP監(jiān)測(cè)結(jié)果，鄂爾多斯市當(dāng)?shù)氐拇髿馑€為δ2H=7.12δ18O-0.23/‰[15]。如圖3所示，鄂爾多斯市的大氣水線斜率小于全球大氣水線(GMWL)，四個(gè)剖面的土壤水同位素大部分位于水線下方，表現(xiàn)出氘貧化的特征，表明四個(gè)剖面的土壤水都受到蒸發(fā)分餾的影響。對(duì)照區(qū)剖面SD5和BD5的水穩(wěn)定同位素點(diǎn)集中分布于圖3當(dāng)?shù)卮髿馑€下方的中間部分，而塌陷區(qū)剖面SC5和BC5的水穩(wěn)定同位素點(diǎn)分布更加分散。對(duì)照區(qū)剖面SD5和BD5的水穩(wěn)定同位素點(diǎn)集中于圖3中的藍(lán)色橢圓中，整體斜率與當(dāng)?shù)卮髿馑€斜率基本相同。塌陷區(qū)剖面SC5和BC5的水穩(wěn)定同位素點(diǎn)集中于圖3中的紅色橢圓中，整體斜率小于當(dāng)?shù)卮髿馑€斜率。

圖3 神東礦區(qū)近地表水穩(wěn)定同位素特征Figure 3 Stable isotope characteristics of near surface water in shendong mining area

3 結(jié)論

1)雨季過后，神東礦區(qū)塌陷區(qū)的土壤含水量沒有小于對(duì)照區(qū)的土壤含水率，甚至略大于對(duì)照區(qū)的土壤含水率。這表明塌陷區(qū)在雨季更易接受大氣降水補(bǔ)給，維持自身的高含水率特性。

2)雨季過后，神東礦區(qū)塌陷區(qū)的土壤水穩(wěn)定同位素變化范圍大于對(duì)照區(qū)的土壤水穩(wěn)定同位素，并且塌陷區(qū)的土壤水穩(wěn)定同位素均值大于對(duì)照區(qū)的土壤水穩(wěn)定同位素均值。土壤水同位素證據(jù)表明塌陷區(qū)的土壤層更易受蒸發(fā)作用的影響。

3)雨季過后，神東礦區(qū)土壤水同位素絕大部分分散于當(dāng)?shù)卮髿馑€的下方，但塌陷區(qū)土壤水同位素分布更加分散，其分布區(qū)域在圖3中的斜率明顯小于當(dāng)?shù)卮髿馑€，表明塌陷區(qū)土壤結(jié)構(gòu)被改變，相比對(duì)照區(qū)的土壤水，塌陷區(qū)土壤水的入滲更加快速，蒸發(fā)更加強(qiáng)烈。