平原地区采煤沉陷区非饱和带水分特征及影响因素研究

2018-06-20，，，，，，，

地下水 2018年3期

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(1.安徽理工大学，安徽淮南 232001；2. 煤炭开采国家工程技术研究院煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽淮南 232001)

井工开采为我国平原地区煤矿开采的主要方式，近些年来，随着生活、生产水平的提高，燃料需求量增多，造成开采量也需不断增大，随之而来的塌陷区面积也相继增多，土地破坏问题也越来越严重[1]。煤炭开采产生的塌陷破坏了土壤的结构，使其内部产生裂缝，土壤持水能力降低，含水率减小，地下水位因此发生改变[2,3]。平原地区凭借着其优越的地理优势，河流冲积带来的肥沃土壤，成为我国农作物、煤炭等资源的综合产区，非饱和带是农作物生长的关键带，因此研究非饱和带中的水分含量显得至关重要，这对矿区开采沉陷区居民的生活稳定以及矿区的环境发展具有深远影响[4-7]。

在上个世纪末期，我国就开采煤矿资源对土地资源造成的影响，开展一系列关于采煤区包气带水分如何运移以及影响因素的分析工作，以及后期研究如何在已经破坏的矿区建立土地复垦模式[8,9]。随后，一些学者就地面塌陷使得土地无法正常使用问题做了相关研究[10-12]。近年来，张发旺、宋亚新等学者对我国西北地区的内蒙神府-东胜矿区开采沉陷问题做了相关研究，为我国学者研究土地复垦提供了有效的借鉴意义[13]。本文以我国淮北平原某矿区为例，基于试验对非饱和带水分特征及影响因素进行研究，在沉陷区建立室外试验场，采集土样实验室内分析，得出矿区土壤水分变化的相关影响因素主次，为该区的生态修复及土地复垦提供一定理论依据。

1 矿区概况

试验区选址于安徽省偏北部平原区，主要有黄河、淮河两大河，土壤肥沃，地势十分平坦，海拔标高约为+31.00～+36.00 m。矿区四季分明，处于我国南北交界处，水季多集中在夏季，夏季温度一般较高，6到8月份为普遍多水季，平均降水达800多毫米，水资源充沛。冬季气温相对偏低且多风，最低温度达到0℃以下，地下水位的埋藏深度较浅，矿区地面以下约2.5 m见到潜水面。

2 野外试验建立

2.1 试验场概况

通过实地对采煤区具体位置以及当地现已开采情况与预计开采量的调查，试验区选择在杜集区石台镇黄庄村的一处麦田内，位于该矿区采煤工作面3315上方，位置如图1所示。采样时，依据标准用体积为 100 cm3的环刀分层取样，将采集的样品密封保存，利用粒度分析仪分析试验场地带回的若干土样颗粒组成情况，并对结果进行列表分析。通过对土样的测试分析，得出表1 土壤类型随深度变化规律。

表1 土壤类型随深度变化规律

图1 试验场地位置

2.2 试验场施工及布置

由于降水以及蒸发对试验场的数据采集会产生相当大的影响，为了避免不必要的雨天降水和烈日暴晒，尽量减少影响，本次试验在现场的监测区上部搭建了简易板房，其规格为长6 m、宽2.5 m、高2.5 m，在室内布置两条非饱和带监测剖面，从地表向下分别安装15支陶土管，从最深处到地表，深度数值为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，一排深度从大到小，一排深度从小到大。如图2所示，左图为实际场地布置图，右为试验设计图。

在简易板房的两壁上挂上负压计刻度版，为后期读数准备，并在刻度板下方大的小玻璃瓶中注入5 ml水银，便于观察读数。用透明软管将刻度板上的毛细玻璃管与对应陶土管连接，然后往软管内注满水(本实验采用烧开后的凉水)，在负压计的所有连接处用704硅胶封住避免漏气影响实验结果。观测室实验装置安装工作结束后，等24 h之后进行读数，如果在软管中出现大量气泡，此时需要向软管中注水，对于数据采集依据实际要求每月读取3～4次数据。

在此基础上，为了更加便利的观测试验场地下水的动态变化，充分利用试验场地，在试验场的两侧布置了浅层地下水位观测孔。

图2 观测室构造设计图

2.3 测定方法

依据以下公式可换算实测水银面高度以及土壤水势，其中实测水银面高度读数如图3所示。

S=h1×13.6-h2

式中： S为所测土壤的水势；h1为水银柱高；h2为陶土头9中心位置与水银面最高处之间的垂直距离(cm水柱)。

h2=h1+h3+h4

式中：h3为水平地面至水银面垂直距离(cm 水柱)；h4为陶土头中心到地面的实际距离(cm 水柱)。

图3 负压计结构示意图

图4 降水与地下水位关系图

3 结果与分析

3.1 降水及地下水位变动的影响

据相关数据显示，2016年4月至2016年11月，降水最大值达到199 mm，最小值为25 mm左右，6、7月为集中降水月份，与常规年份降水规律一致。大气降水通过地表入渗到地下，经过包气带，失去部分水量，最终补给潜水，研究区大气降水成为潜水补给源，从图4中可以看出，在6、7月降水量较大，但地下水位却没有明显增大，分析其原因是试验场地下水的动态变化与大气降水之间存在一定的滞后现象。

按照实验计划，间隔一定时期在试验场周围采集土样，对样品进行水分测定实验，得出随着取样深度的变化，如图5所示，分别为10 cm、20 cm、30 cm深处的土样。通过三组土样的对比发现，10 cm的土样基质势与体积含水量之间的关系在10月到11月之间差距最大，30 cm的土样基质势与体积含水量之间的关系在10月在11月之间差距最小。随着深度的增加，地表降水对其影响减小，滞后现象更加明显。

图5 沉陷区土样水分特征曲线随时间变化规律

3.2 降水、蒸发与土壤含水率的关系

由试验场所采土样的粒度分析结果得出，随着土样颗粒的减小，土样颗粒与颗粒之间的孔隙也随之减小，此时大气降水等补给水源不容易向下发生渗透，致使土样的持水能力相对孔隙大的土样要大很多，含水率也就随之较高，试验场土样含水率平均含水率数值在38%左右。

降水条件不同，地下水补给来源存在不同，如垂直方向的补给、河流等的侧向补给等，如图6所示为试验场不同深度土样在不同时间段的体积含水率变化。总体上研究区土壤含水率随着深度变化而变化，呈正相关，分析其原因：研究区土壤水分运动类型偏蒸发型，因为在地表下40 cm上，土层受蒸发影响十分明显，在40 cm更深处，随着深度的加大，体积含水量变化规律较40 cm上不十分明显。从图6(a)中可以看出7月时土壤含水率明显增大，分析其原因为6月份降水量达到199 mm左右。但在5月20日与6月2日之间的十几天中，试验场共有四次降水，总降水量达到61.5 mm，图中显示含水率却未有明显变化。分析其原因，可能是试验场所建板房对土壤的保护作用，降水无法直接入渗到板房垂直的下方，仅能依靠侧向补给，所以存在一定时间的滞后。

利用记录的数据绘制图6中a、 b两图，发现在11月份，测得土壤含水率较10月大，分析其原因可能是由10月大规模降水，时间上滞后影响，这与6月份降水量大而7月含水率较大现象一致。

图6 降水条件与土壤水分分布关系

3.3 地下水位与土壤含水率的关系

由当地气象站收集到的降水资料与地下水位数据可知，降水条件是影响地下水位变化的主要因素。如图7所示，其中在图7(a)中反映的是地下水位因降水的影响而逐渐升高。由图7(b)可知，地下水位降低时，各层土壤含水率开始下降，且深部土壤含水率降幅较浅部更大，这是因为沉陷过程中地下水位的下降引起包气带中毛细水下降，导致深度土壤水势增大。

图7 地下水位与土壤水分分布关系

图8 相同降水条件下土壤剖面水分分布

3.4 开采沉陷与土壤含水率的关系

利用控制变量法，选取相同降水条件(5 d内研究区降水量未超过2 mm)下的土壤，分析其水分分布特征，如图8所示。如图9为在不同地区所取土样分析结果。

从图8中可以看出，由于降水条件相同，降水对土壤水分的影响相同，此时处于地表的浅层土壤含水率相同，但在30 cm以下的非饱和带中整体规律出现了较大差异。在春季三月到四月时期非饱和带中的土壤含水率逐渐减小，五月份之后，随着时间呈现相反的趋势，如图8(c)所示。对照同一时段沉陷区与非沉陷区(如图9)的土壤水分情况发现，总体上沉陷区 30 cm以下的土壤含水率均大于非沉陷区对应深度的土壤含水率。采煤后地面沉陷对

原状土壤产生一定的扰动，竖直方向上裂隙增加，使得土壤持水率下降，当采煤工作面经过，地面发生整体沉降，使得研究区地势降低，最终显示在非饱和带中现象为含水率上升。在沉陷稳定后，研究区的土壤含水率恢复平稳状态。