煤矿复垦区土壤水动力学特性对下渗过程的影响

杨永刚,苏 帅,焦文涛

1 山西大学黄土高原研究所, 太原 030006 2 山西大学环境与资源学院, 太原 030006 3 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085

土壤水对植物生长、溶质运移以及土壤环境的变化起着至关重要的作用[1- 3]。目前国内外学者从不同角度开展了土壤水方面的研究,主要集中在土壤水含量、水分利用效率、土壤水热动态、土壤水蚀、土壤水资源评价、土壤水盐分及其运移规律、土壤水量计算及水平衡研究、土壤水动力学及数值模拟研究等方面[4- 5]。方法涉及土壤水量平衡法、零通量面法、时域反射仪、示踪法、遥感法与数值模拟等方法[6]。土壤水研究逐步从室内试验拓展到野外试验,由点到面,进而拓展到区域尺度,已经从静止、定性、经验走向动态、定量、机理[7]。

土壤水在下渗过程中大多数情况下是在非饱和状态下进行的,非饱和导水率与土壤质地、土壤孔隙度和土壤紧实度关系密切[8- 9]。由于复垦区土壤结构复杂[10],土壤水在下渗时并不是均匀下渗,水流在下渗土壤后会表现出明显的非均匀性和差异性,染色示踪可以清晰地反映水流在土壤中的空间分布特征和非均匀程度[11- 14]。目前对矿区非饱和带土壤水在垂直与水平方向上下渗过程认识还比较模糊。本研究以煤矿复垦区非饱和带土壤水为核心,基于不同深度土壤水动力学特性监测与染色试验,揭示土壤水下渗过程,阐明土壤水动力学特性对下渗过程的影响,为解决类似地区土壤水管理与遏制生态环境恶化等提供科学依据。

图1 研究区地理位置与样点分布图

1 研究区概况

研究区位于山西省古交市(图1),地处112°03′30.3″—112°06′12.3″E,37°56′35.00″—37°59′3.3″N,属于温带大陆性气候,多年平均气温为9.6℃,多年平均降雨量为426.1 mm,多年平均蒸发量2093.8 mm,干旱指数为2.2,地形以山地为主,山地丘陵面积占全区面积的95.8%。研究区最大的河流为汾河,支流有天池河、狮子河、屯兰河、原平河和大川河等,均为季节性河流。各类地下水发育齐全,基岩裂隙水分布于西部以及北部地区,碳酸盐岩类岩溶裂隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水广泛富集于西山中部地区。研究区煤炭资源丰富且分布广泛,占研究区面积的47.6%,以能源、化工为主。采矿活动形成的酸性矿井废水、废气、粉尘等对矿区生态环境造成严重破坏,水土流失、植被破坏和土壤水污染等生态问题十分严重。

2 研究方法

在古交矿区东、西、南、北4个方向选择4个代表性样地,土壤样品深度分别为0—10、30—40、60—80、100—120 cm。采用环刀法测定土壤容重,比重瓶法测定土壤总孔隙度,采用6120指针式土壤紧实度仪测定土壤紧实度,Mastersizer 2000 型激光粒度仪测定土壤粒径,采用Ku-pf非饱和导水率测量系统分别测定4个样地0—10、30—40、60—80、100—120 cm土层深度土样的非饱和导水率。

在样地1做面积为100 cm×100 cm、实验下渗水量分别为30 L(试验1)、60 L(试验2)和90 L(试验3)染色示踪试验,此时染色试验区域内的初始入渗水头分别为30、60、90 mm,严格控制各个试验距离在5 m以上。本试验采用亮蓝染色剂[15],配制浓度为4.0 kg/m3。3组试验矩形框平行放置,规定矩形框水平方向为X轴,与之垂直的方向为Y轴,染色剂下渗方向即为Z轴。试验开始前,将矩形框嵌入土壤20 cm,露出地表20 cm。在矩形框内注入分别为30、60 L和90 L的亮蓝染色剂。染色试验区域地表每5 cm等分,每个染色试验区域等分为20个观察剖面,每开挖一个剖面用数码像机照相记录土壤水流染色模式,图像解析度为1000×1000 dpi,采用白色半透明树脂板对自然光进行散射[16]。

图2 不同实验下渗水量条件下土壤水染色剖面图

3 结果与讨论

3.1 土壤水下渗过程

染色图像按照临界值方法转化为黑白二元信息图片[17],计算染色面积随水流下渗深度分布特征。图2为3种实验下渗水量条件下Y=10 cm剖面土壤染色面积随水流下渗深度的分布图,从图2可看出,随着矩形框内水量深度增加,土壤剖面最大染色深度和染色面积均有不同程度增加。土壤染色面积比例随土壤深度增加而减小,但染色面积比例并不是随土层深度增加而单调递减。当实验下渗水量为30 L时,土壤染色面积仅在表层较大；当实验下渗水量增加至60 L时,染色面积和最大下渗深度均有明显增加；当下渗水量增加至90 L时,染色面积和最大染色深度均有所增加,但增加幅度较小,这是因为煤矿复垦区0—30 cm处土壤容重较小,紧实度为70 psi,而土层深度在30—60 cm处土壤容重比较大,土壤紧实度为110 psi。

煤矿复垦区土壤水下渗过程中表现出明显的空间变异性和非均匀性,即最大染色深度上并没有完全染色,Hangen在矿区复垦土壤染色试验也发现同样现象[18]：

式中,hAct为x位置的实际下渗深度,k为x位置最大下渗深度上对应的像素数目。如果水流经过(x,z)位置,那么β为1,反之为0；由此计算出实际下渗深度。把每个染色剖面的实际下渗深度按照每50 dpi为一个区间,因此每个染色剖面可以划分为20个条带状矩形,计算并记录每个矩形的实际下渗深度。因此,每个染色试验区域被离散成400个底面积为5 cm×5 cm的棱柱体,近似认为每个条带上的深度就是此棱柱中心染色深度。

互相关函数从相关度为1,间距为0,经过一段距离后相关度变为0或到达一个平台值后发生逆转,此时这一距离代表水流侧向扩散的最大距离。计算每一染色试验区域400个棱柱体的实际下渗深度沿X方向和Y方向的相关度。下渗水量为30、60 L和90 L,水流沿X和Y方向侧向扩散的最大距离见图3。结果显示：当下渗水量为30 L时,水流沿X和Y方向侧向扩散不明显,此时以垂向下渗为主。当下渗水量60 L时,水流侧向扩散有明显增加,这是由于水流在下渗过程中,浅层土壤中孔隙已经被充满水,但是复垦区30—60 cm土层深度的土壤容重较大,土壤中允许水流下渗的孔隙减少,水流在下渗过程中未能向土壤深处继续传导,进而向水平方向区域扩散。当实验下渗水量增加至90 L时,水流侧向扩散作用有所增加,但增加幅度并不明显,这是由于水流下渗过程中使表层土壤饱和度进一步增加,水流下渗均匀程度提高,进而侧向扩散作用减弱,这一点与盛丰等人的研究结果一致[19]。下渗水量分别为30、60、90 L这3种条件下,水流沿X方向侧向扩散的最大距离分别为10、30 cm和35 cm,沿Y方向侧向扩散的最大距离分别为10、25 cm和30 cm。

图3 不同下渗水量条件下互相关函数分析

3.2 土壤水动力学特性对下渗过程的影响

煤矿复垦区土壤类型为粉质壤土,土壤容重均介于1.32—1.62 g/cm3。土壤容重随着土层深度的增加呈现先上升然后下降的趋势,土壤总孔隙度垂直变化规律与土壤容重变化规律相反,煤矿复垦区土壤性质见表1。

采用Ku-pf非饱和导水率测量系统分别测定煤矿复垦区4个样地0—10、30—40、60—80、100—120 cm土层的非饱和导水率,各样地不同土层深度非饱和导水率见图4。

指数函数Κ(ψ)=a×exp(b×ψ)对吸力和非饱和导水率进行拟合,其中a、b为拟参数(表2)。当ψ=0时,a为饱和导水率。对4个样地土壤容重(x)和指数函数中的拟合参数a、b进行回归分析,得到多项式关系式：a=0.0015x2-0.00499x+0.0004,b=0.0583x2+0.1234x-0.0726。

分别对吸力值为25、70、150、300、500、750、1000 hpa时做非饱和导水率值和土壤容重、总孔隙度、0.01—0.05 mm粒径含量相关性分析。由图5可知,吸力值为25、70、150、300 hpa时的非饱和导水率值和容重呈现极显著负相关关系,吸力值为500、750 hpa和1000 hpa时的非饱和导水率值和容重呈现显著负相关关系。吸力值为25、70、150 hpa时的非饱和导水率值和总孔隙度呈现极显著性正相关关系,吸力值为300 hpa时的非饱和导水率值和总孔隙度呈现显著性正相关关系。当吸力大于300 hpa时二者未能通过显著性检验,且随着吸力的增大土壤容重、总孔隙度和非饱和导水率值的相关性都在降低。0.01—0.05 mm粒径含量和300、500、750 hpa和1000 hpa时的非饱和导水率呈显著性负相关关系。

表1 煤矿复垦区土壤性质

图4 煤矿复垦区不同土层深度非饱和导水率

结合图4和图5可看出,相同吸力下,煤矿复垦区土壤容重大的土壤非饱和导水率较小,土壤非饱和导水率和土壤吸力之间呈现非线性指数关系,并且随着吸力增大呈现快速下降和缓慢下降的过程。随着吸力增加,土壤中大孔隙和中等孔隙首先开始排水含水率迅速降低,当吸力为300 hpa时为非饱和导水率变化的转折点,即吸力小于该值时非饱和导水率变化剧烈下降速度较快。随着土壤吸力继续增大,土壤含水量已经较少,水分主要存在于中小孔隙中,土壤连通性降低,实际过水面积减小,非饱和导水率变化范围也减小。

表2 煤矿复垦区土壤非饱和导水率参数拟合结果

样地1和样地2植被恢复类型为“林地+草地”,样地3植被恢复类型为“灌丛+草地”,样地4植被恢复类型为“草地”

图5 土壤特性对下渗过程影响

Rezanezhad对泥炭土的研究发现由于土壤孔隙被气体填充及自身的不规则性,导致土壤连通性降低进而导致非饱和导水率减小[20]。随着土壤吸力增大,0.01—0.05 mm粗粉粒级含量对吸非饱和导水率时影响较为明显,这是因为0.01—0.05 mm粒级是构成土壤中小孔隙的主要部分,土壤中微小孔隙及颗粒对水分吸附力和摩擦力起主要作用,水流在孔隙中流动阻力变大水分不容易通过。当吸力继续增加时,此时水分主要存于土壤中不连通的孔隙中,此时土壤中水分紧紧吸附在土壤颗粒表面,单位吸力梯度下导水率变化范围更小。

4 结论

煤矿复垦区土壤水下渗后表现出明显的非均匀性和空间变异性,实验下渗水量增大会增加土壤水下渗深度,随着实验下渗水量增多,水流扩散作用也在加强,但过多水量并没有明显增加下渗深度和扩散距离。非饱和导水率随吸力增大呈非线性减小；同一吸力下,复垦区土壤容重大的土层非饱和导水率较小。复垦区土壤非饱和导水率和土壤容重呈现负相关关系,和总孔隙度呈现正相关关系,且二者的相关性随吸力的增加降低。