煤矿开采沉陷对地表土壤水分的影响研究

杨志文，刘文锴，胡青峰, 闫安

(1.阳泉市大阳泉煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000；2.华北水利水电大学 测绘与地理信息学院，河南 郑州 450046)

煤炭资源是我国重要的能源之一[1]，但是随着大规模、长时间地被开采，地表塌陷、水土流失、植被破坏、地下水系紊乱等一系列生态环境问题接踵而来[2-6]。目前，我国90%以上的煤炭开采采用的是井工开采的方式[7]，但是这种开采方式会破坏煤层覆岩的应力平衡，导致地表沉陷，并对土壤水的分布和储量带来很大的影响。

土壤水是指由地面向下至潜水面以上土壤层中的水分，也称为非饱和带土壤水分，其作为“四水” (地表水—地下水—大气水—土壤水)转换的枢纽，不仅是陆地植被和农业生产赖以生存的源泉，也是水资源在形成、转化和消耗过程中不可缺失的部分[8-9]。土壤水资源储量巨大，可被植物根系吸收，是地表植被生存和发育不可或缺的因素，土壤水方面的研究也是土壤物理学的一个重要研究分支，特别是对矿区土壤水变化的研究受到诸多学者的广泛关注[10-12]。

由煤炭开采引起的地表大规模塌陷、形状规模不等的裂缝等，直接影响到了土壤的各种理化性质[13]，从而造成土壤质量的恶化[14]，对地下水循环产生了严重的影响[15]。另外，煤矿开采还破坏了包气带的原有结构，使得整个包气带土壤水的流动路径发生变化，对地表植被水分的吸收和降水的入渗产生了负面影响[16]。

此外，在煤炭的开采过程中，一般需要疏干地下水，在地下水含水层与上层松散岩石之间存在不透水层，而矿井的挖掘则打通了隔水层，导致岩层中产生大量的垂向裂缝，从而形成导水通道，使得地下水泄漏，并向土壤水转换。同时地表也会形成地裂、地陷，破坏了土壤结构，形成采空区，对土壤水循环过程造成一定的影响[17]。煤矿开采沉陷对土壤水最直接的影响是使得地下水转换成矿井水，从而导致地下水位下降，减少地下水对土壤水的补给且加剧土壤水的蒸发，最后导致地表植被退化、土地沙化、水土流失加剧等[16,18]。

山西省阳泉市是我国重要的煤炭生产基地，煤炭开采是当地的支柱产业之一。但该区域属暖温带半湿润大陆性季风气候区，降水集中，水土资源易被污染，同时地表植被较为单一，生态环境脆弱。由煤炭开采引发的生态环境问题十分严重，因此，在阳泉市矿区内进行土壤水分特性研究势在必行。本文通过野外实测，采集研究区的地形特征、土壤类型、坡度坡向等资料，测定土样的水分含量，分析煤矿开采沉陷对土壤水的影响。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

阳泉市位于太行山中段西麓，地处山西连接河北的要冲，是山西的东部门户。阳泉市矿区位于阳泉市西南部(北纬37°51′～37°55′，东经113°29′～113°33′),是阳泉市的5个建制县(区)之一，如图1所示。矿区主要含煤地层为太原组和山西组，含煤地层总厚为176 m ，含煤17层，其中主要采煤区位于第3、12、15层。阳泉市矿区属于娘子关泉水文地质单元，碳酸盐岩裸露面积为1 802.5 km2，占矿区总面积的25%左右。矿区含水层按水理性质可分为砂砾石孔隙含水层、砂岩裂隙含水层和灰岩溶隙含水层，其中以砂砾石孔隙含水层的单位涌水量和渗透系数最大，分别为3～5 L/(s·m)和20～50 m/d[19]。矿区地下水主要为基岩裂隙水和碳酸盐岩类岩溶水。研究区冬夏长、春秋短，四季分明，日照比较充足，昼夜温差较大。年均气温一般8～12 ℃，无霜期平均为130～180 d，年降水量450～550 mm。地势为西高东低，地形最高点位于井田南部，平均海拔1 136.3 m，最低点位于东北部，海拔710 m，地形最大相对高差为426.3 m。

研究区煤矿开采造成的岩层位移对土壤水的分布产生严重影响，并反作用于矿区煤层。因此，研究煤矿开采沉陷对土壤水的影响对矿区安全运行具有重要的意义。

1.2 研究方法

采用野外调查测量法对研究区的地形特征、土壤类型、海拔高度、坡度坡向以及不同位置植被的胸径、树高等资料进行采集。

测定土壤水分所需设备为土钻、土壤筛(孔径1 mm)、铝盒、分析天平(0.01 g)、中型电热恒温烘箱。首先，在测试地点使用土钻钻取有代表性的新鲜土壤，刮去土钻中的上部浮土，装入已知准确质量的铝盒内，盖紧，装入木箱，带回室内。将铝盒外表擦拭干净，立即称重。然后，将土壤样品装入25 mm×25 mm的样品盒中，放入烘箱,设定在105 ℃烘至恒重(12 h)，取出后，等待土壤恢复至室温，再次称重。两次称重的差值即为各个土壤样品所含水分的质量。最后，利用经典统计学软件SPSS 25.0和Excel 2019对土壤含水量进行经典统计学分析。

本研究共设置了12个采样点，其中5个点位于沉陷区(分别为位于开采沉陷区坡顶处的b42和b39、位于开采沉陷区上坡处的b35、位于开采沉陷区坡中位置的b31和b29)，7个对照点(位于未开采区上坡位区的c42、位于山坡坡中位置的c35、位于乔木林地的c33和c31、位于上山道路口人工林的a25、a22和a19)，具体位置如图1(b)所示，采样时间为2019年4—9月。

2 结果分析

2.1 沉陷对土壤水分垂直方向上的影响

2.1.1 沉陷对表层土壤水分的影响

沉陷区和对照区土壤水分剖面分布情况见表1。由表1可知：在2019年4月，沉陷区(0,40] cm深度的土壤含水量与对照区土壤含水量相差不大；由于采煤沉陷的缘故，沉陷区(0,10] cm深度的土壤含水量却比对照区的略低；随着地面产生沉降，沉陷区地势略微降低，土壤水分出现汇聚升高；沉陷区(20,40] cm深度的土壤含水量高于对照区的，土壤含水量有明显差异，受土体结构变化的影响，沉陷区土壤渗透性增大；2019年7月，沉陷区(0,40] cm深度各土层的土壤含水量均高于且远高于对照区的，这是因为在7月7日、7月10日、7月13日出现了小雨和中雨且降雨量较大。

受降雨和季节的影响，在2019年7月出现7 d以上的降雨天气，8月出现4 d降雨，所以在2019年7—9月，沉陷区土壤水分蒸发量比对照区的大。但在总体上，沉陷区土壤水分的散失未影响到植被的正常生长，沉陷区植被生长情况与对照区植被生长情况大致相同，这跟沉陷区煤矿开采时间较短有关系。

对表层土不同深度的含水量进行方差分析，结果如图2所示。由图2可知，沉陷区和对照区土壤含水量存在较大差异：在(10,40] cm深度范围内，沉陷区土壤含水量普遍高于对照区的，且两者间的差异随土层深度的增大而不断增大；(0,10] cm深度范围内的土壤含水量差异较小，沉陷区和对照区之间的土壤含水量差异只有0.08%，并未达到5%的显著性水平；而在(10,20] cm、(20,30] cm和(30,40] cm深度范围的土层，沉陷区土壤含水量明显高于对照区的，其中(30,40] cm深度的土层，这二者之间含水量的差异最大(2.96%)。方差分析也显示差异性在这3个深度范围的土层中都达到了显著性水平(p<0.05)。造成这种土壤水分差异的原因是：煤矿开采导致地面出现沉降，沉陷区的地势开始降低，土壤出现汇水情况，水分恢复速度加快。

图2 表层不同土层深度的土壤含水量变化

对沉陷区各深度土壤含水量进行对比分析，发现(10,40] cm和(0,10] cm深度之间的土壤含水量差异达到了显著性水平(p<0.05)，而对照区的并未达到5%的显著性水平。这说明随着开采时间的增加，采煤沉陷已经开始影响到了土壤水分的正常分布特征，破坏了土体的天然结构，增大了土壤水的渗透率，增强了土壤水分的变异性。

2.1.2 沉陷对中深层土壤水分的影响

在土层深度为(40,160] cm的范围内，沉陷区土壤含水量相对较高，对照区的偏低，详细情况见表2。

由表2可知,2019年4、7、9月份的取样调查结果显示，对照区和沉陷区的土壤含水量在4月和7月差异相对较大，9月差异不明显。2019年4月和7月，沉陷区在(40,60] cm、(60,80]cm、(80,100] cm、(100,120] cm、(120,140] cm和(140,160] cm 6个深度范围土层的土壤含水量都高于对照区的；9月,沉陷区在(40,60] cm、(60,80] cm和(80,100] cm 3个深度范围土层的土壤含水量高于对照区的，在(100,120] cm、(120,140] cm和(140,160] cm 3个深度范围土层的土壤含水量低于对照区的。相较于其它深度土层，(80,100] cm深度范围的土壤含水量差异(沉陷区-对照区)最大，4月、7月和9月的土壤含水量差异分别为8.41%、11.56%和4.34%。这是因为受到煤炭开采影响，沉陷区土体结构遭到破坏，水分渗透率变大，上层水分向下迁移，含水量在(80,100] cm深度的土层中达到最大，分别为12.99%、17.76%和9.86%。在4月和7月，沉陷区和对照区土壤含水量差异在(140,160] cm深度的土层中出现峰值，分别为4.65%和7.79%，这说明土壤水分在深层也出现了一定程度的下渗；7月份对照区的土壤含水量由8.30%突降至2.26%，这可能是由于该区域土壤质地发生变化，对水分的贮存率较高。因此，土壤含水量差异不仅是由于煤炭开采引起的土壤沉陷，还受到了各土层土壤质地的影响。在9月，相较于对照区，沉陷区的土壤水分差在深度为(100,120] cm、(120,140] cm和(140,160] cm土层中出现负值，这是由于开采区土壤出现沉陷，水分下渗引起该土层土壤含水量下降；同时也与当地9月的降雨量有一定关系，降雨量的减少导致深层土壤水分补充不足。

表2 沉陷区和对照区中深层不同土层深度的土壤水分含量

对中深层不同深度的土壤含水量进行方差分析，结果如图3所示。由图3可知：在(40,100] cm深度范围内，沉陷区和对照区的土壤含水量存在较大差异，而在(100,160] cm深度的沉陷区与对照区各土壤含水量基本持平；在(40,100] cm深度范围内，沉陷区土壤含水量普遍高于对照区的，且两者间差异随土层深度的增加而不断增大，其中(80,100] cm土壤含水量的差异最大(7.97%)；沉陷区和对照区土壤含水量的差异在(100,120] cm、(120,140] cm、(140,160] cm 3个深度范围的土层均达到了显著性水平(p<0.05)。造成这种土壤水分差异的原因是：煤矿开采导致地面出现沉降，沉陷区的地势开始降低，土壤出现汇水情况，水分恢复速度加快。

图3 中深层不同土层深度的土壤含水量变化

对比沉陷区各深度土层的含水量，结果显示(40,100] cm和(100,160] cm深度范围土层之间的土壤含水量差异达到了p<0.05显著性水平，而对照区的并未达到显著性水平(p>0.05)。这说明随着开采时间的增加，采煤沉陷已经开始影响到了中深层土壤水分的正常分布。沉陷区(40,100] cm的中深层土壤属于水分活跃层，土壤含水量的标准差在1.49%～1.59%范围内变化，该层仅存在部分灌木根系，土壤水分受气候和植被影响较小，春季植被蒸腾强烈，为表层土壤提供水分，夏季起到贮水作用，水分变化比较活跃。100 cm以下的深层土壤属于水分稳定层，标准差在0.4%～1.0%范围内变化，沉陷区和对照区之间的土壤含水量差异未达到显著性水平(p>0.05)。这是因为该层位于水分活跃层的下部，土壤水分变化幅度明显减小，在任何时期土壤水均未得到补充，再加上基本没有植物根系的分布，水分损失小，因此相对稳定。

通过分析不同深度土壤的含水量可以得出，沉陷区的土壤水分具有明显的垂直分带性：在(0,40] cm深度范围内水分变化剧烈，分层显著且快速；在(40,100] cm深度范围内水分变化较剧烈，不同深度土层的水分相对活跃；随着土层深度的增加，土壤水分逐渐趋于稳定，在(100,160] cm深度范围内的土壤水分变化幅度较小，土壤含水量趋于稳定。

2.2 沉陷对土壤水分影响的时间变化特征

2.2.1 矿区表层土壤水的时间变化特征

对不同季节和不同土层深度的表层土壤水分含量进行测定，结果如图4所示。

由图4 (a)可知：在春季，沉陷区与对照区在土壤浅层的含水量略有不同，但都集中在5%～9%；沉陷区内，(0,10] cm、(10,20] cm、(20,30] cm、(30,40] cm土层深度的土壤含水量均高于对照区的，二者差异在40 cm土层深度达到最大值；沉陷区在40 cm土层深度处的土壤含水量达到最大值，而对照区在30 cm土层深度处的土壤含水量达到最大值；沉陷区与对照区均是在土壤表层((0,10] cm)的土壤含水量为最低，且沉陷区的略高于对照区的。从图4 (a)中还可以看出，虽然沉陷区的土壤含水量高于对照区的，但沉陷区土壤含水量的垂直分布差异更大。沉陷区的土壤容重、孔隙比及机械组成等物理特性相较于对照区的会发生不同程度的变化，这些也会导致地下水位的降低、地表蒸发量的增加，从而影响土壤浅层的含水量，造成其更大的垂直分布差异。

图4 春季、夏季和秋季表层土壤含水量随土层深度的变化

由图4(b)可知：在夏季，沉陷区与对照区浅层土壤含水量为4%～10%；沉陷区的土壤含水量在土壤浅层的各个深度均高于其对照区的；沉陷区土壤含水量在40 cm土层深度达到最大值，在20 cm土层深度的含水量最小，而对照区土壤含水量在40 cm土层深度达到最小值，20 cm土层深度的含水量最大，所以在40 cm土层深度处达到二者差异的最大值；在夏季，沉陷区与对照区的土壤含水量随土层深度变化的趋势完全不同，沉陷区土壤含水量随土层深度的增加先减少后增加，而对照区的土壤含水量则先增加后减少，但沉陷区与对照区的拐点都是在20 cm土层深度处。虽然地表沉陷提高了不同深度土层的土壤含水量，但是其随土层深度的变化趋势却与对照区的截然相反。

由图4(c)可知：在秋季，沉陷区与对照区的土壤含水量均高于4%，且低于9%；沉陷区在(0,10] cm土层的含水量低于对照区的，而在(10,20] cm、(20,30] cm、(30,40] cm土层深度中，沉陷区的土壤含水量均高于对照区的；沉陷区土壤含水量随土层深度的增加呈增加趋势，所以沉陷区土壤含水量在土壤表层最小，在40 cm土层深度处达到最大值；而对照区土壤含水量在0～40 cm土层深度中变化较小，但其土壤含水量也是在土壤表层达到最小，在40 cm土层深度处达到最大值。同样说明，沉陷区改变了土壤含水量原本的垂直分布情况，地下水垂直渗透速度加快，地下水水位下降，使得表层土壤水分降低，而较深层土壤水分增加。

2.2.2 矿区中深层土壤水的时间变化特征

对不同季节和不同土层深度的中深层土壤水分含量进行分析，结果如图5所示。

由图5(a)发现：在春季，对照区和沉陷区中深层土壤水在春季的变化趋势相似，但含水量变化幅度差异明显。对照区和沉陷区土壤含水量在100 cm深度土层出现最大值，这说明受到土壤类型、质地差异的影响，在土层深度为100 cm以上的土壤水分的渗透率要高于100 cm以下的；同时沉陷区和对照区土层分别在140 cm和120 cm以下深度出现含水量回升现象，这与深层土壤水分渗透率的变化有密切关系，水分下渗量减少，含水量上升；春季深沉陷区层土壤水含量普遍高于对照区的，差异最大的是在100 cm处土层，最小的是在140 cm处土层。这是因为受到煤炭开采的影响，开采区土壤出现沉陷，土体结构发生变化，土壤水分渗透率高于对照区的。在(40,100] cm范围内，水分下渗趋势明显，沉陷区在100 cm处土壤含水量达到最大值；(100,160] cm范围内土壤水分下渗量较少，尤其是在(100,120] cm深度，土壤水分出现突减，这是由于春季植被蒸腾作用强烈，中层土壤水补充表层土壤水导致的。

由图5(b)可知：在夏季，对照区和沉陷区的土壤含水量变化趋势差异明显，且沉陷区的土壤含水量普遍高于对照区的。对照区在(40,80] cm范围内的土壤含水量变化幅度较小，说明土壤质地和结构未发生变化，土壤水分渗透率一致；100 cm土层水分出现最小值(5.92%)，这是由于土壤类型发生变化，水分渗透率增大，水分大量下渗，这样在140 cm深度土壤含水量出现最大值(8.00%)。沉陷区在(40,100] cm深度范围内水分渗透率较对照区的明显增大，土壤含水量表现出递增趋势，并在100 cm土层出现最大值(17.76%)；(100,120] cm深度范围的土壤含水量下降趋势明显，(120,160] cm深度范围的土壤含水量逐渐上升；沉陷区土壤含水量最小值出现在120 cm处土层，但仍高于对照区的，且含水量增大了0.84%，这表明沉陷区土壤结构遭到了破坏，各土壤含水量发生一定程度的变化，但由于开采时间较短，差异值并未达到显著性水平。

图5 春季、夏季和秋季中深层土壤含水量随土层深度的变化

由图5(c)可知：在秋季，土壤含水量在对照区和沉陷区的变化趋势差异明显，且沉陷区含水量普遍高于对照区的；对照区土层在(40,80] cm深度范围内土壤含水量变化幅度较小，说明土壤质地和结构未发生变化，土壤水分渗透率一致；100 cm土壤含水量出现最小值(5.92%)，这是由于土壤类型发生变化，水分渗透率增大，水分大量下渗，在120 cm深度处含水量出现最大值(8.00%)。与对照区相比，沉陷区在(40,100] cm深度范围内水分渗透率明显增大，土壤含水量表现出递增趋势，并在100 cm土层出现最大值(12.99%)；(100,120] cm深度的土壤含水量下降趋势明显，(120,160] cm深度的土壤含水量逐渐上升；沉陷区土壤含水量最小值出现在120 cm处土层，比对照区相同深度的土壤含水量高出0.84%，这表明沉陷区土壤结构遭到了破坏，含水量发生一定程度的变化。

3 结论

通过对山西省阳泉市大阳泉煤矿矿区的不同沉陷位置以及对照采样点的土壤水分实测数据的分析研究发现，煤矿开采导致的矿区沉陷对土壤水具有显著的影响，得到如下结论：

1)该煤矿在(0，160] cm深度范围内土层的土壤含水量具有显著的季节变化特征，土壤含水量大小具体表现为：春季<秋季<夏季。

2)基于标准差和方差这两个指标的分析发现，土壤水分具有明显的垂直分带性，可以将沉陷区土壤剖面水分变化类型划分为：水分快速变化层((0,40] cm)、水分相对活跃层((40,100] cm)、水分趋于稳定层((100,160] cm)。

3)从表层土壤水分变化情况来看，沉陷区与对照区的土壤含水量差异在深度为(0,10] cm的土层中较小，未达到5%的显著性水平；而在(10,20] cm、(20,30] cm和(30,40] cm土层，沉陷区土壤含水量高于对照区的，其中(30,40] cm深度范围内二者的土壤含水量差异最大(2.96%)，但方差分析显示差异性在3个土层中均未达到5%的显著性水平。沉陷区改变了土壤含水量原本的垂直分布情况，地下水垂直渗透速度加快，地下水水位下降，使得表层土壤水分降低，而较深层土壤水分增加。沉陷区的土壤含水量在表层土壤的各个深度均高于其对照区的。

4)从中深层土壤水分变化情况来看，沉陷区土壤含水量相对较高，对照区的偏低。在(40,100] cm范围内，沉陷区土壤含水量普遍高于对照区的，且两者间差异随土层深度的增加而不断增大。而这种差异在(100,120] cm、(120,140] cm、(140,160] cm 3个深度范围的土层均达到了5%的显著性水平。土壤水分具有季节变化特征，对照区和沉陷区的变化趋势相似，但含水量变化幅度差异明显，沉陷区的土壤含水量普遍高于对照区的。

5)沉陷区的土壤水分具有明显的垂直分带性，在(0,40] cm深度范围内，水分变化剧烈，分层显著且快速；在(40,100] cm深度范围内，水分变化较剧烈，不同深度土层的水分变化相对活跃；随着土层深度的加深，土壤水分逐渐趋于稳定，在(100,160] cm深度范围内的土壤水分变化幅度较小，土壤含水量趋于稳定。