煤矸石基质土壤的水分入渗试验研究

马保国,王 健,刘婧然,武燕蕾,郝九芝

(1.河北工程大学水电学院,河北邯郸 056021;2.河北工程大学城建学院,河北邯郸 056021;3.河北邢台县水利局,河北邢台 054001)

煤矸石基质土壤的水分入渗试验研究

马保国1,王 健1,刘婧然1,武燕蕾2,郝九芝3

(1.河北工程大学水电学院,河北邯郸 056021;2.河北工程大学城建学院,河北邯郸 056021;3.河北邢台县水利局,河北邢台 054001)

为了解煤矸石基质土壤的水分特性,利用室内一维垂直入渗模拟试验,研究煤矸石山山顶、山腰、山脚处及3种矸土质量比(7∶3,5∶5,3∶7)的土壤水入渗规律。试验结果表明,煤矸石的初始入渗率、稳渗率由山脚到山顶逐渐减小,减小关系符合幂函数递减关系。山脚矸石的初始入渗率和稳渗率分别为山腰的1.111和1.078倍;山腰矸石的初始入渗率和稳渗率分别为山顶的1.096和1.102倍;矸土质量比为7∶3的初始入渗率和稳渗率分别为5∶5的1.152和1.149倍;矸土质量比为5∶5的初始入渗率和稳渗率分别为矸土质量比3∶7的1.179和1.057倍。矸土混合土壤的初始入渗率、稳渗率均随矸土质量比7∶3,5∶5,3∶7的减小而迅速减小,入渗达到稳定状态的时间随矸土比的减小而增加。考斯加可夫入渗模型更适合作为风化煤矸石的入渗模型;通用经验公式更适合作为掺土较多的矸土混合土壤的入渗模型。最终煤矸石基质土壤的累积入渗量为矸土质量比3∶7＞5∶5＞7∶3＞山顶＞山腰＞山脚。矸石掺土可以显著降低入渗率,提高累积入渗量,有益于煤矸石山水土保持和植物生长。

煤矸石;矸土比;入渗率;湿润锋;累积入渗量

随着国民经济的发展,煤炭作为我国目前的主要能源之一,煤炭开采在带来经济效益的同时也会给当地生态环境带来负面影响。采煤过程和洗煤过程中排放的固体废弃物煤矸石是在成煤过程中与煤层伴生的黑灰色岩石,其含碳量较低,比煤坚硬,目前我国煤炭开采量的20%左右以煤矸石废弃物排放掉,全国每年约新增煤矸石4亿t,综合利用约6 000万t,其余部分就近混杂堆积形成煤矸石山[1-2]。煤矸石最突出的水文特点是:结构性差,大孔隙多,土壤保水、保肥能力极差,渗透率较高,容易产生垂直侵蚀(即养分的淋溶损失和水分的渗漏损失)[2-3]。煤矸石掺土可以改善土壤质地和结构性,煤矸石基质土壤的初始渗透速率、稳渗速率均随掺土比例的增大而迅速的减小,提高基质土壤的保水和保肥能力,有益于植被生长[4-5]。国内外对风化煤矸石土壤水分特性方面研究,已有一些报道[4-8]。

土壤中残留大粒径的砾石母质成分时,土壤的水分特性就随着其孔隙结构和残留大粒径母质砾石性质的变化而较难解释。对植物生长来说,有研究认为大粒径的煤矸石在土壤中能提高大孔隙数量、优化土壤结构和水分入渗[9-10];也有研究报道土壤中掺有大粒径的煤矸石会堵塞土壤大孔隙,切断原有水分通道联系,会影响水分下渗和传导[11-12]。煤矸石基质土壤的水分特性决定于其风化程度、组成矿物及其化学成分。

采用室内模拟试验的方法,以峰峰集团新三矿煤矸石山山顶、山腰和山脚不同地形处的煤矸石基质及其与附近黄土混合物为研究土样。通过室内土柱模拟试验,研究矸石山上不同地形处(山顶、山腰、山脚)的矸石以及黄土和煤矸石混合物定水头一维垂直入渗特征。探讨煤矸石基质土壤的水分入渗特性,为生态修复及复垦绿化煤矸石山提出理论和方法。

1 实 验

1.1 实验材料

试验材料为冀中能源峰峰集团新三矿风化20 a的煤矸石山阳坡上(山顶、山腰和山脚)风化矸石及矸石(3种矸石按1∶1∶1混合样)与附近黄土的混合物,矸土混合样品按照矸/土质量比7∶3,5∶5和3∶7混匀作为试验材料。试验在河北工程大学土壤物理实验室内进行。

取试验用煤矸石和矸土混合土样1 kg,用0.25, 0.5,1,2,5,10,20 mm筛子筛分和比重计法测土样机械组成,测得试验土样粒径组成比例见表1。

表1 不同土壤样品的机械组成Table 1 Mechanical composition of soil weathering coal gangue

1.2 实验方法

入渗试验土柱由直径15 cm、高60 cm的有机玻璃管制成,底部用有机玻璃板密封,并留有排水孔;用马氏瓶为入渗试验供水,保持供水水头为5 cm。土柱底部铺上滤纸和纱布,管壁涂凡士林,根据试验高度计算有机玻璃管的容积,按密度1.25 g/cm3计算出管中填加基质质量,然后称相应质量混匀基质土壤,分层填入管中,边填边夯实,直至达到设计高度45 cm。试验开始后,记录马氏瓶的水量变化和土柱湿润锋的迁移情况,在入渗开始阶段每分钟记录一次,湿润锋变化小的时候适当延长每次记录时间,入渗水量和湿润锋变化一直记录到试验结束。入渗试验的室内温度约为25℃。

运用回归分析法建立试验入渗率I与时间t的最优回归函数,入渗率与时间的关系及试验数据用SPSS统计软件进行拟合和分析。

2 结果与分析

2.1 不同地形和矸土比例对土壤入渗率的影响

由表2可知,山脚、山腰和山顶矸石初始入渗率、稳渗率均随地形的增高而减小;入渗率由大到小的顺序为:山脚＞山腰＞山顶。其中山脚矸石的初始入渗率和稳渗率分别为山腰的1.111和1.078倍;山腰矸石的初始入渗率和稳渗率分别为山顶的1.096和1.102倍,不同处理间有显著性差异。由此可见,矸石倾倒时,粒径大的滚落到山腰、山脚处;矸石粒径为山脚＞山腰＞山顶,山顶矸石经过长时间风化,风化严重,粒径细小,因此山顶矸石基质土壤的水分入渗率比山腰、山脚低,保水性能比山腰、山脚处好。

表2 风化煤矸石土壤的入渗特征参数Table 2 Infiltration parameters of soil weathering coal gangue

对于矸土混合土壤来说,其黄土比例越高初始入渗率和稳渗率越低,当土壤密度为1.25 g/cm3时,掺土矸石入渗率由大到小的顺序为矸土质量比7∶3＞5∶5＞3∶7,矸土质量比7∶3的初始入渗率和稳渗率分别为5∶5的1.152和1.149倍;矸土质量比5∶5的初始入渗率和稳渗率分别为矸土质量比3∶7的1.179和1.057倍。矸土混合土壤入渗率均显著低于风化矸石,随着矸石掺土比例的提高,初始入渗率显著降低,矸土质量比5∶5与3∶7的混合土样稳渗率之间差异不显著。入渗率达到稳定状态的时间随矸土比的减小而增加,矸土质量比3∶7的入渗率到达稳定状态的时间分别为5∶5和7∶3的1.28和1.92倍。粉质的黄土颗粒填充到大粒径矸石的缝隙中,矸土混合土样的结构发生了变化,从而改变了土壤水分的入渗特性。

2.2 Kostiakov模型和通用经验公式对风化煤矸石土壤入渗特征的分析

已有较多的数学模型描述入渗率和入渗时间的关系,如考斯加可夫的入渗模型(Kostiakov)[4-8]、菲利普入渗模型(Philip)[9-14]和通用经验公式等[1,15-18]。用SPSS(16.0)统计软件对试验入渗速率和入渗时间的关系进行了拟合,由拟合结果可知(表3),实测数据用考斯加可夫模型和通用经验公式拟合,有较高的相关系数。

从表3得出,数据用考氏入渗模型和通用经验公式拟合程度较高,其相关系数(R2)值都超过0.92。在Kostiakov入渗模型中,式中n值大小反映入渗率随时间t的递减变化,其中,n越大,递减就越迅速,n变小,入渗率就降低;所以,从表3的Kostiakov入渗模型中,n值大小能得出沿着由山顶到山脚的地形变化,入渗时间越长,煤矸石入渗率递减速度也越快;矸土质量比由7∶3,5∶5到3∶7,随着矸石入渗时间延长,入渗率的迅速递减。

表3 Kostiakov入渗模型回归结果和通用经验公式拟合结果Table 3 Regression results of Kostiakov infiltration model and simulation results of universal empirical formula

图1,2是不同地形处矸石和矸土混合土样两种入渗模拟曲线和实测曲线,结果表明,煤矸石基质土壤水分入渗可划分为3个时期:第1为入渗初期,这个时期土壤的含水量很低,湿润表层与干燥下层土壤产生很大的水势差,水快速下渗,入渗率变化明显,基质的水势梯度控制该阶段的水分入渗过程;第2为缓变期,该时期基质的土壤含水量渐增,土壤的水势梯度慢慢变小,再加上较小的土壤水重力势的作用,入渗率就随着水势梯度降低而慢慢降低,该时期减弱的土壤水基质势和重力势梯度控制着入渗过程;第3为稳定入渗期,该时期土壤已经是饱和含水率状态,土壤基质势梯度已变的很小,土壤水重力势梯度控制入渗过程,土柱上面水头维持一定值,土壤水分的入渗率就不变,入渗率为稳定状态。

图1 不同地形风化矸石入渗率随时间的变化Fig.1 Infiltration rate changes of different coal gangue weathering with time

此外,从图1可以明显看出,2个模型曲线与实测曲线在初始入渗阶段的拟合程度均很高,但随入渗时间的增加,通用公式模拟曲线从渐变阶段开始逐渐与实测曲线相偏离,而且,偏离逐渐变远。可认为当煤矸石由山脚到山顶时,考斯加可夫入渗模型更适合作为风化矸石的入渗模拟。由图2能够得出,在入渗的初始期和缓变期,模拟结果与试验结果有着很高的拟合度,继续延长入渗时间,考氏模型的入渗模拟曲线从稳定阶段开始逐渐与试验曲线偏离,而且,偏离渐渐变远。表明当掺土比例增大时,通用经验方程较适合用于矸土混合土壤的入渗模拟。

图2 不同矸土混合土壤入渗率随时间的变化Fig.2 Infiltration rate changes of mixed soils with time

2.3 不同煤矸石基质土壤的湿润锋运移特征

不同煤矸石基质土壤在不同时间达到相同的湿润深度、累积入渗量均随时间延长呈增大趋势。图3(a),(c)和表4中给出了不同矸石基质土壤的累积入渗量随时间变化的关系,在较高水势梯度下,入渗初期对累积入渗量影响的主要因素是基质势,所以,山脚、山腰和山顶矸石和掺土矸石分别在刚开始的10和30 min试验中,基质土壤的累积入渗量没有显著差异;随着试验时间的延长,基质土壤慢慢浸润,不同基质土壤对累积入渗量的影响开始出现变化,当矸石和矸土混合基质的试验分别进行20和180 min以后,处理间的累积入渗量差异显著性开始显现。试验结束时,掺土矸石累积入渗量显著高于矸石,其中以矸土质量比3∶7的累积入渗量最高,山脚矸石最低。说明矸石掺土可以显著提高矸石基质土壤的保水性能。

湿润峰变化速率可以反映土壤的输水能力[19],土壤中小粒径的碎石具有改善土壤结构的作用[20],但是,在矸石山上大粒径的矸石能够增加土壤通透性,有利于土壤的输水,保水性能就较差,这种影响随矸石大粒径含量的增大更加明显。图3(b),(d)和表4表明,矸石基质土壤水分入渗湿润锋随着试验时间的增加继续下移,在试验最初的10 min内,不同地形矸石间及矸土混合物间入渗湿润锋向下运移深度几乎没差别,20 min后,不同基质土壤的湿润锋下移深度渐渐产生差异。当入渗湿润锋下移较快时,土壤颗粒大小对入渗湿润锋的运移距离没有影响;随着入渗时间的延长,大粒径矸石及矸石比例高的矸土混合土壤入渗湿润锋的下移速度显著加快。相同入渗时间,山脚矸石湿润锋下移深度比山腰、山顶处大,均高于掺土矸石。矸石的湿润锋平均运移速率均显著高于掺土矸石,矸土质量比5∶5与3∶7之间平均迁移速率差异不显著。

图3 矸石基质土壤的累积入渗量和湿润锋运移特征Fig.3 Cumulative infiltration and wetting front migration characteristics of the soil weathering coal gangue

表4 累积入渗量与湿润锋运移速率的多重比较Table 4 Comparison of cumulative infiltration and weting front

3 结 论

(1)煤矸石的初始入渗率、稳渗率由山脚到山顶而逐渐减小,减小关系符合幂函数递减关系。矸土混合土壤的初始入渗率、稳渗率均随矸土质量比的减小(7∶3,5∶5,3∶7)而迅速减小。入渗达到稳定状态的时间随矸土比的减小(7∶3,5∶5,3∶7)而增长。矸石掺土能显著降低土壤水入渗速率。

(2)试验实测数据用Kostiakov入渗模型和通用经验公式拟合程度较好。当煤矸石由山脚到山顶地形变化时,Kostiakov入渗模型更适合作为风化矸石的入渗模型。当矸石掺土比较大时,通用经验模型更适合作为矸土混合土样的入渗模型。(3)试验初期,不同基质土壤的累积入渗量无差异,最终矸石基质土壤的累积入渗量为山脚＜山腰＜

山顶＜7∶3＜5∶5＜3∶7;基质土壤中小颗粒越多其湿润锋到达终点的时间越长,基质土壤的湿润锋运移速率为山脚＞山腰＞山顶＞7∶3＞5∶5＞3∶7。矸石掺土显著增加累积入渗量,降低湿润锋运移速率,提高土壤保水性。

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Experimental study on water infiltration of soil weathering coal gangue

MA Bao-guo1,WANG Jian1,LIU Jing-ran1,WU Yan-lei2,HAO Jiu-zhi3

(1.College of Hydroelectricity,Hebei University of Engineering,Handan 056021,China;2.College of City Construction,Hebei University of Engineering,Handan 056021,China;3.Xingtai County Water Conservancy Bureau of Hebei,Xingtai 054001,China)

In order to understand the moisture characteristics of soil weathering coal gangue,the vertical one-dimensional infiltration test was conducted to investigate the infiltration law of coal gangue at pile-top,mid-slope,pile-foot and the mixed soil of gangue and loess with the weight ratio 7∶3,5∶5 and 3∶7 respectively.The results show that the initial and steady infiltration rates of gangue decrease gradually from pile-foot to hilltop,those value at pile-foot are 1.111 and 1.078 times respectively of those at pile-top;those at mid-slope are 1.096 and 1.102 times respectively of those at pile-top and their relationship can be described with power function.The initial and steady infiltration rates of mixed soil of gangue and loess decrease quickly with the decrease of weight ratio(gangue/loess 7∶3,5∶5,3∶7 respectively).The time of infiltration to reach steady state increases with the decrease of gangue proportion.The initial and steady infiltration rates of gangue and loess with ratio of 7∶3 are 1.152 and 1.149 times respectively of those of 5∶5,and those of 5∶5 are 1.179 and 1.057 times respectively of those of 3∶7.The Kostiakov model is more suitable for the infiltration model of gangue from pile-foot to pile-top,and the general empirical model is more suitable forthe infiltration model of the mixed soils of gangue and loess.The cumulative infiltration is gangue and loess ratio 7∶3＞5∶5＞3∶7＞pile-top gangue＞mid-slope gangue＞pile-foot gangue at the end of the experiment.The mixed soil of gangue and loess can significantly reduce the infiltration rate,increase the cumulative infiltration and be beneficial to soil and water conservation and plant growth at coal gangue pile.

coal gangue;the ratio of gangue and loess;infiltration rate;wetting front;cumulative infiltration

X752

A

0253-9993(2014)12-2501-06

2013-12-19 责任编辑:王婉洁

河北省科技支撑计划资助项目(12220802D)

马保国(1967—),男,河北邯郸人,教授,博士。E-mail:mabghd@aliyun.com

马保国,王 健,刘婧然,等.煤矸石基质土壤的水分入渗试验研究[J].煤炭学报,2014,39(12):2501-2506.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1874

Ma Baoguo,Wang Jian,Liu Jingran,et al.Experimental study on water infiltration of soil weathering coal gangue[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2501-2506.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1874