半干旱区煤炭开采对土壤含水量的影响

程林森，雷少刚，卞正富

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州　221008)



半干旱区煤炭开采对土壤含水量的影响

程林森，雷少刚①，卞正富

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州221008)

摘要：土壤含水量是影响干旱区植被生长的一个重要因素，研究由于煤矿开采引起的土壤水时序变化有利于矿区植被的重建。以大柳塔矿井52303工作面为例，采用剖面水分速测仪对开采前后压缩区10～100 cm深处土壤含水量的变化进行监测。通过对监测结果的分析发现，未受采煤影响时，土壤含水量较平稳，不随温度变化而改变；受采煤影响初期，土壤含水量变化不明显，存在滞后性，滞后时间为地下开采到达测点正下方后4～5 d；之后，在测点达到最大沉降量过程中发现，下沉对土体的扰动作用导致土壤含水量出现先上升后下降现象，且地下开采对土壤水扰动程度由浅至深逐渐减弱。沉陷引起的土体扰动导致土壤粒径减小，容重增加，孔隙比降低，使得土壤持水能力增强，这是导致在受开采干扰初期(04-03—04-10)土壤含水量短暂上升的重要原因，而裂缝产生以及雨水补给能力的降低是导致后期土壤含水量降低的主要原因。

关键词：半干旱区；煤炭开采；土壤水；时序监测

煤炭是我国重要的能源来源,在我国一次性能源消费结构中所占比例一直是70%左右[1]。目前,我国东部矿区煤炭资源趋于枯竭,国家煤炭资源开发重心正向西北地区转移,随着向西部进一步扩张,在干旱缺水的地区集中大规模井工开采将会导致环境问题[2],使得某些环境要素进一步恶化;煤炭开采对地表土壤水的影响是对区域生态环境影响的一个重要表现,对其进行研究有助于生态脆弱区植被的重建。采煤对土壤水影响主要是扰动土体,改变土体理化性质[3]和土壤持水能力[4],从而引起土壤水的变化;而西部矿区井工开采具有高强度和高产特点,且埋深较浅,对地表土体扰动尤为显著。已有研究表明,受采煤影响,塌陷区域内土壤容重、孔隙比和机械组成等物理性质发生不同程度变化[5],这也导致土壤渗透系数的改变;而地下水位降低,潜水补给能力降低,地表裂缝产生导致地表蒸发量增加,都影响土壤含水率[6];同时由于井工开采方式会导致覆岩从下至上发生冒落、裂隙和弯曲下沉,使地表产生大量裂缝[7],这也增大了土壤水蒸发面积,进一步降低土壤含水量[8]。薛丰昌等[9]通过对矿区预采区、采动区和采空区土壤含水率的调查比较,发现采矿影响下神东矿区域土壤含水率存在一定空间分异性,与未塌陷区相比,塌陷区土壤含水量降低;受坡位影响,采煤对土壤水影响程度也存在差异[10]。国外对采煤塌陷区土壤水的研究认为,采煤沉陷对包气带水分影响十分严重,分析了煤炭开采对土壤水力学参数及其空间变异性的影响[11-13],同时对采后塌陷区土壤结构变化进行研究[14]。从上述研究可以看出,矿区土壤水分变化研究主要集中在采前和采后变化差异上,关于土壤水分时序变化方面的研究较缺乏,而国外对于土壤水的连续监测研究已有先例,但主要集中在流域范围内。COSH等[15-16]通过对流域范围内表层3～7 cm处土壤水的长时间连续监测,采用时序稳定分析来评估典型样点,以获得流域范围内土壤水平均值;CHO等[17]通过土壤水的连续监测来研究气象因素对土壤水的影响,研究发现降雨为主要影响因素。因此,对于西部矿区土壤水的研究目前尚缺乏塌陷区不同区域(中性区、拉伸区和压缩区)以及时序监测结果分析。笔者将对塌陷区内特定区域采前、采中和采后的土壤水进行时序监测,以研究土壤水受采煤影响整个过程中的连续变化情况,以期为工作面上方土壤水的时序变化研究提供参考,进而有利于整个矿区的植被重建。

1研究区概况

大柳塔矿区位于陕西省神木县西北约52.5 km处,北邻哈拉沟,南与朱盖塔矿井接壤,东以悖牛川为界,西以乌兰木伦河为界。该区地处陕北高原与毛乌素沙漠东南缘的接合部位,属半干旱大陆性季风气候区,冬季漫长寒冷,夏季短暂炎热,风沙频繁,暴雨集中,昼夜温差悬殊。多年气温为-28.1～38.9 ℃,降水量为251.3～646.5 mm,多集中在7—9月,平均蒸发量为1 788.4 mm。所选取的52303工作面地面位置位于大柳塔矿井田的东南区域三盘区,工作面长4 547.6 m,宽301 m,煤层平均厚度为6.94 m,煤层倾角为1°～3°,平均埋深为235.0 m,属于典型的超大工作面开采。地表大部为第四系松散沉积物覆盖,平均厚度为30.0 m,上覆基岩主要由粉砂岩和细砂岩组成,平均厚度为205.0 m,地表土壤类型主要为沙土、栗钙土和黄土。

2研究方法

2.1监测点的选择

选取大柳塔矿52303工作面为研究对象,根据开采进度表在掘进方向前方还未受开采影响的区域选取监测点,测点位于工作面上方,地形较平坦,土壤类型为硬梁地,质地均匀,采用单点连续监测,以时间替代空间,采前土壤水的相对稳定与采中、采后土壤水时序变化形成对照。通过对该区100 cm深度内土壤水的连续动态监测,了解该区域在受开采影响不同阶段土壤水的变化情况。

2.2数据的获取

采用英国PR2(Profile Probe Type PR2)土壤剖面水分速测仪进行连续监测,每30 min监测1次,分别监测10、20、30、40、60和100 cm深处土壤体积含水量的变化;监测时间为2014-03-16—2014-06-03,即监测点受地下开采影响前至沉陷相对稳定后一段时间,获得监测点在受到地下开采影响前后10～100 cm深度土壤含水量数据。同时利用附近已有的2个地表沉陷观测站,观测站走向分别为沿工作面和与工作面方向相垂直,采用上海华测X91型接收机(标称精度为5 mm+1 km)进行实时动态差分观测,监测地表下沉情况,从而分析不同下沉阶段土壤水的变化。土壤取样采用环刀法,在土壤水监测点周围取3个样点,每个样点取4个环刀,用玻璃片将环刀两头密封后带回实验室分析。

3监测结果

3.1测点地表沉陷监测结果

主要通过对走向观测站的监测结果(图1)来判定测点位置的地表沉陷情况。

土壤水测点位置在4号站点。

图1显示,测点位置在03-26之前就已经受到开采影响而开始下沉,04-05还未达到最大沉降量,之后处于下沉活跃期,04-26、05-08和06-11测点位置沉降量基本不变,说明已处于相对稳沉状态。

3.2土壤水监测结果

2014-03-16—2014-06-03土壤含水量的变化趋势见图2。根据地表沉陷观测结果(图1)以及该工作面推进进度表可知,03-26之前监测点已经受到开采影响而开始下沉,03-29前后地下开采达到测点正下方,由图2可知,04-03之前土壤含水量变化较平稳;之后的一段时间,受开采和降雨影响,土壤含水量变化幅度较大。因此,可分04-03之前的土壤含水量未扰动期和之后的扰动期对监测结果进行采前和采后对比分析。

图2　不同深度土壤含水量变化趋势

4分析与讨论

4.1未扰动期土壤水分变化分析

土壤含水量未受地下开采影响的时间为03-16—04-03,将这段时间监测数据与气象数据进行对比分析,研究气象条件对土壤含水量的影响。根据气象数据,此段时间没有降雨,所以不存在降雨对土壤水监测数据的影响,因此分析温度与土壤含水量变化的关系(图3)。由图3可知,该段时间内不同深度土壤含水量变化不随温度的变化而发生改变,因此温度变化对土壤水影响不大。根据开采进度表推算地下开采于03-29到达监测点正下方;根据观测站观测结果可知,该点在03-26前后就受到地下开采的影响而下沉,直到04-03不同深度土壤含水量标准差都很小(表1),均<0.01 m3·m-3,且变异系数均较小,表明地表下沉初期对土壤含水量影响不明显,具有一定滞后性,滞后时间为地下开采到达监测点正下方之后4～5 d。这主要是由于地表下沉初期沉陷速度相对较缓慢,对土体扰动较小,导致土壤含水量变化不明显。

图3　03-16—04-03期间温度与土壤含水量变化

4.2扰动期土壤水分变化分析

土壤含水量变化在04-03之后趋于明显(图2),对于该段时间内不同深度土壤水变化进行相关性分析(表2)发现,除60和100 cm深度外,各相邻层土壤含水量变化都具有较强的正相关性,说明各层土壤含水量在受地下开采和降雨影响下的变化具有一定关联性;而100 cm深处由于受降雨影响小,且受开采影响后土壤水较早进入稳定期,因此和其他各层之间存在负相关性。

表1未扰动期不同深度土壤含水量变化幅度

Table 1Magnitude of the change in soil moisture content with soil depth during the undisturbed period

深度/cm标准差/(m3·m-3)变异系数/%100.0026.4200.0031.1300.0031.0400.0031.0600.0030.71000.0061.2

表2不同深度土壤含水量相关性分析

Table 2Correlation analysis of soil moisture content with soil depth

深度/cm不同深度(cm)土壤含水量相关系数20304060100100.747*0.476*0.507*0.062*-0.387*200.858*0.770*0.499*-0.403*300.722*0.744*-0.501*400.553*-0.274*60-0.506*

*表示在α=0.01水平上相关显著(双侧检验)。

通过查找气象数据(04-10、04-14、04-15、04-25、05-01、05-08和05-09降水量分别为3.8、0.1、0.2、13.8、3.4、0.1和12.0 mm),各层出现土壤含水量突变值是由于降水影响所致。由图2可知,在04-09之前未受到降水影响的情况下各层都出现土壤含水量上升阶段,这说明在受地下开采扰动地表沉陷活跃期间,各层土壤含水量并未立即下降,而是在初期先有个上升过程,在无外来降水补给情况下,其补给源只能来源于土壤含水量较高的底层,且补给量大于损失量,土壤含水量上升表明这一阶段土壤持水能力上升。而从扰动程度来看,通过对各层土壤含水量变化程度(10、20、30、40、60和100 cm深处土壤含水量变异系数分别为25.3%、8.5%、7.9%、2.4%、3.0%和1.8%)进行分析可知,随着深度的增加,土壤含水量变异系数在减小,说明开采对表层土壤水的扰动要大于深层。

土壤持水性能主要受土壤总孔隙度、毛管孔隙度、土壤容重、土壤有机质和土壤颗粒组成的影响[18]。土壤孔隙度降低会导致容重增加,从而改变土壤结构,影响土壤透气性、入渗性能和持水能力等[19]。土壤有机质影响土壤的比表面积[20],并且自身结构疏松多孔,有利于水分保持。土壤颗粒组成在一定程度上决定了土壤的结构和性质,对土壤持水性和保肥供肥能力均有明显影响[21]。由上述相关性分析可知,相邻土壤层之间含水量的变化具有较强相关性,为了分析上述现象,且考虑到采煤对表层土壤水影响较大,因此取开采前后测点周围10～20 cm深处土样进行分析。通过对采样结果的分析发现,土壤粒径减小(表3),主要是由于沉陷所致土体之间相互应力作用,土壤颗粒重新组合,这在一定程度上导致采后土壤孔隙比小于采前,从而使容重增加,而有机质含量变化不显著(P>0.05)(表4)。已有研究表明,土壤孔隙大小不同,所起作用也不同,团粒内部毛管孔隙(小孔隙)能保持水分,而团粒间非毛管孔隙(大孔隙)则能保持通气。当土壤受压缩作用时,团粒间大孔隙容积降低,中等大小孔隙容积却有所增加[22]。冯杰等[23]的研究表明,受扰动后原状土的中等孔隙发育,在低吸力段持水性较好。因此,土体在受煤矿开采沉陷影响时,挤压作用使得土壤团聚体间大孔隙减小,中等孔隙发育,土壤含水量处于上升阶段。而随着沉陷加剧,由于土体非连续移动,地表出现裂缝,增加了土壤水蒸发面积,从而使土壤含水量下降。

表3开采前后不同粒径土壤占比的变化

Table 3Composition of soil particle size before mining and after mining

粒径/mm不同粒径土壤占比/%采前采后<0.005 3.7 8.80.005～<0.07539.436.70.075～<0.2557.154.60.25～0.50.50.3

表4开采前后土壤孔隙比、容重和有机质含量的变化

Table 4Void ratio, soil bulk density and organic matter content before and after coal mining

时间容重/(g·cm-3)天然孔隙比w(有机质)/%采前1.300.9541采后1.450.8242

从整个过程来看,土壤含水量受降水影响较大的时间为04-10、04-25和05-09,对这3个降水过程中土壤含水量变化速率(即每小时土壤含水量变化程度)进行分析。由于60 cm深处只在02-25受到降水影响,100 cm深处在整个监测过程中受降水影响较小,因此选取10、20、30和40 cm深处进行分析,结果见表5。由表5可知,10 cm深处土壤含水量变化速率变化较小,基本平稳,主要是由于0～10 cm深处为沙土,雨水下渗速度较快所致。而其他3层在这3次降水过程中土壤含水量变化速率在减小,说明这3层土壤渗透速度降低。这主要是由于在地表下沉过程中挤压作用使得土壤团聚体间孔隙减小,土壤导水率降低,同时降水随裂缝流失,从而引起土壤含水量变化速率减小,这也说明雨水对土壤水的补给能力下降。

表53次降雨过程土壤含水量的变化速率

Table 5Change rates of soil moisture content during the course of three rainfall events

时间(月-日)不同深度(cm)土壤含水量变化速率/(m3·m-3·h-1)1020304004-102.018.211.226.004-251.88.29.013.205-091.63.96.26.6

5结论

未扰动期各层土壤含水量变化幅度不大,温度对土壤水的影响较小,地下开采对测点的影响在初期不明显,对土壤水影响存在一定滞后性,根据监测结果分析,其影响在地下开采到达测点正下方之后4～5 d趋于明显。

在开采扰动期间,在测点达到最大沉降量的过程中,压缩区各层土壤水受不同程度的影响,且表层土壤水受影响程度大于深层;由于沉陷引起的土体扰动导致土壤粒径减小,容重增加,孔隙比降低,使得土壤持水能力增强,这是导致在受开采扰动初期(04-03—04-10)土壤含水量短暂上升的重要原因,而裂缝产生以及雨水补给能力的降低是导致后期土壤含水量降低的主要原因。

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(责任编辑： 李祥敏)

Effect of Coal Mining on Soil Moisture Content in Semi-Arid Areas.

CHENGLin-sen,LEIShao-gang,BIANZheng-fu

(School of Environment Science and Spatial Informatics， China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Abstract:Soil moisture content is an important factor affecting vegetation growth in semi-arid areas. The study on effects of coal mining on soil moisture dynamics may help reestablish vegetation in the mining area.Profile soil moisture probes were used to monitor changes in soil moisture content (SMC) in the 10 to 100 cm soil layer of the compression area located at the 52303 working face of the Daliuta coal mine before and after the mining operation. Analysis of the monitoring data shows that before the mining operation, SMC remained quite stable and didn′t change much with temperature. In the initial period of the coaling operation SMC changed, but the change was not significant and lagged temporally behind the process of mining. The time lag reached 4-5 days, that is to say, the change in SMC became apparent 4 to 5 days later after the mining operation reached right beneath the monitoring site. Then subsidence began to develop till maximum. During the course it disturbed the soil mass, causing changes in SMC, which rose first and then fell. The disturbance of mining to SMC waned gradually with soil depth in the soil profile from top to bottom. The disturbance of the soil mass caused by subsidence also led to decrease in soil particle size, increase in bulk density and decline of void ratio, thus enhancing the water holding capacity of the soil mass, which explains why SMC rises temporarily in the initial period of the mining operation. Meanwhile the occurrence of ground fissures and reduced water supply from rainfall are the two major causes that lower SMC in the late period of the operation.

Key words:semi-arid area;coal mining;soil moisture;time sequential monitoring

作者简介：程林森(1990—),男,安徽桐城人,硕士生,研究方向为矿山生态修复。E-mail： chenglinsen@126.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.008

中图分类号：X825;S152.7

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)02-0219-05

通信作者①E-mail: lsgang@126.com

基金项目：国家科技基础性工作专项(2014FY110800);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0956)

收稿日期：2015-11-10