煤矿塌陷区中心位置地表土壤水分空间异质性及其影响因素分析

陈小洋，李 力

(1.重庆市地勘局川东南地质大队，重庆 400030； 2.成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

地下煤炭的开采易诱发各种次生地质灾害[1-2]。采煤塌陷区中心位置由于开采裂缝较少，沉降较均匀，是有利于塌陷区复垦的区域。采煤塌陷区地表土壤水分空间分布往往表现出较大的异质性[3-5]。地下煤层开采会引起地表不均匀沉降及地表裂缝[6]，引起土体结构发生变化，对地表土壤水分变化产生一定的影响，进而对区域性的生态环境产生大的影响[7-9]。张萌等对李家塔采矿塌陷区地表土壤水分变化分析显示，采煤活动增加了地面与空气的接触面积，导致其表层土壤蒸发面积较大，水分丧失严重[10]；李超等研究成果显示，采煤裂隙的出现会使裂隙处及下部坡面水分状况变差,进而会对植被生长产生抑制作用[11]；郭巧玲等对采煤塌陷区同一深度的土壤水分分析显示，裂缝区土壤含水量明显小于非裂缝区，且随着裂缝宽度的增大，土壤含水量减小幅度不断增大[12]；王琦等研究成果显示，塌陷裂缝和风蚀、水蚀作用加剧了采煤塌陷区土壤水分流失[13]。在西部采煤塌陷区，由于气候干燥，降雨稀少、水分蒸发强烈，地表土壤水分蒸发量远大于补给量，因此土壤水分是控制采煤塌陷区复垦的主要因子；水分状况及其平衡也是评定采煤塌陷区开发利用水平的最重要的依据之一[14-17]。综上可知，分析煤矿开采前后采煤塌陷区中心位置土壤水分的变化规律及其主导因素是矿区环境恢复的前提。

地表土壤水分与土壤理化性质、地形因子及植被覆盖情况的关系较为密切[18]。为了找出煤层开采后采煤塌陷区中心位置地表土壤水分含量变化及其分布主导因素，本次研究利用经典统计学方法分析土壤理化性质(容重、土壤密度、总孔隙率、土壤有机碳质量分数、土壤黏粒质量分数)、地形因子(坡度、坡向)及植被密度与地表土壤水分的影响关系。本次研究的目的是找出煤层开采后地表水分的变化规律及其主控因素。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古与陕西交界处，地处毛乌素沙漠边缘，气候干旱，属于风沙堆积地貌[19]。砂层深度为0～30 m，平均厚度约为8 m。区内地势高低起伏，高程最大变化值约为35 m。

1.2 仪器及探测方法

本次研究在垂直煤层开采方向每隔100 m布置1条测线，共布置5条测线(L1、L2、L3、L4、L5)。在平行煤层开采方向每隔25 m布置一个钻孔，用于采集表层(0～25 cm)土壤。同时在开采区中心位置较平坦处布置50 m×50 m的正方形区域，以分析小范围内地表土壤水分的变化情况及其影响因素，测线及钻孔布置如图1所示。

图1 测线及钻孔布置示意图

研究区工作面的开采时间为2015年5—9月，样品采集分为煤层开采前后2次，分别为2015年4月和2016年4月，采样间隔1 a，采集时间均为春季。土壤体积含水量在实验室内采用烘干法获得，运用环刀法、比重瓶法计算土壤容重和密度。采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质质量分数，采用筛分法结合比重计法计算土壤黏粒质量分数。利用RTK、GPS、卷尺等对研究区高程、植被覆盖情况及坡度、坡向进行测量，如图2所示。利用SPSS软件对与土壤水分密切相关的各种土壤理化性质、地形因子及植被密度进行分析。

图2 环刀取样及植被密度测试现场图

2 结果与分析

2.1 开采前后地表土壤水分变化规律

利用反距离差值方法获得的研究区开采前后地表土壤体积含水量的空间分布图如图3所示。

图3 开采前后2次探测研究区地表土壤体积含水量分布图

由图3(a)可知，开采前研究区地表土壤体积含水量为0.054～0.089 cm3/cm3，平均值为0.075 cm3/cm3，变异系数为0.09，属于弱变异。插值结果显示，地表土壤体积含水量的空间分布主要受高程变化的控制，含水量较低区域基本位于海拔较高地区(图1中虚线范围内)，含水量较高区域位于海拔较低地区(图1中实线范围内)。开采后地表土壤体积含水量为0.035～0.120 cm3/cm3，平均值为0.070 cm3/cm3，变异系数为0.25，属于中等变异。

从图3(b)可知，土壤体积含水量低值区主要分布在开采区两边位置，含水量较大值分布在开采区中间位置。开采后地表土壤体积含水量与海拔变化相关性不强，这表明采煤塌陷完全破坏了地表土壤水分的分布规律。

正方形区域(50 m×50 m)内2次实测地表土壤体积含水量变化情况如图4所示。

(a)开采前

从图4中可以看出，相比开采前地表土壤平均体积含水量(0.096 cm3/cm3)，开采后地表土壤平均体积含水量(0.115 cm3/cm3)增大0.019 cm3/cm3，这与整个采煤塌陷区中心区域土壤水分在开采后减小的规律不同。开采前后地表土壤水分的变异系数分别为0.128和0.160，开采前后小范围内(50 m×50 m)地表土壤水分变异系数相差不大。

2.2 开采前后地表土壤水分变化主导因素

为了进一步分析开采区中心位置地表土壤体积含水量在开采后增大的原因，在排除天气因素的影响外，分析了L3测线、50 m×50 m正方形区域内土壤体积含水量与总孔隙率、有机质质量分数、容重、密度及黏粒质量分数、坡度、坡向、植被密度的关系。

2.2.1 L3测线土壤体积含水量与其他土壤理化性质关系分析

开采前后L3测线高程对比如图5所示，可以看出开采区中心位置开采后沉降较为均匀，地表高程在开采后平均下降约1.95 m。

图5 开采前后L3测线高程对比

分别提取统计L3测线36个钻孔处的土壤体积含水量、总孔隙率、有机质质量分数、容重、密度及黏粒质量分数数据，并分析各土壤物理参数的基本情况，统计分析结果如表1所示。

表1 开采前后L3测线地表土壤体积含水量与其他土壤理化性质的描述性统计分析

由表1可知，L3测线开采前地表土壤平均体积含水量为0.083 cm3/cm3，变异系数为0.14，属于中等程度变异；开采后土壤体积含水量为0.117 cm3/cm3，变异系数为0.22，属于中等程度变异，开采后探测土壤体积含水量与变异系数都显著增大。开采后土壤密度均值为1.44 g/cm3，与开采前1.68 g/cm3相比减小0.24 g/cm3，开采前后土壤密度变异系数分别为0.07和0.08，均属于弱程度变异。开采后土壤容重均值为2.52 g/cm3，与开采前2.60 g/cm3相比减小0.08 g/cm3；开采前后土壤容重变异系数分别为0.088和0.12，前者属于弱变异程度，后者属于中等变异程度。开采前后总孔隙率均值分别为35.4%和42.9%，开采后地表土壤总孔隙率增大7.5%，变异系数分别为0.11和0.14，均属于中等程度变异。土壤有机质质量分数2次探测均值分别为1.97%和1.92%，开采前变异系数为0.17， 开采后变异系数为0.28，变异系数增大0.11。开采后探测土壤黏粒质量分数均值为4.81%，比开采前探测土壤黏粒质量分数均值4.67%略大，开采前后土壤黏粒变异系数分别为0.17和0.20，均属于中等程度变异。整体上看，开采后表层土壤体积含水量、总孔隙率显著增大，土壤黏粒质量分数略有增大，土壤有机质质量分数、容重和密度均呈现一定程度的降低。各土壤理化性质的变异系数均显著增大。开采前后L3测线土壤体积含水量与其他土壤性质及地形因子的Pearson相关分析结果见表2。

表2 开采前后L3测线土壤体积含水量与其他土壤性质及地形因子的Pearson相关分析

从表2可以看出开采前后土壤体积含水量与土壤总孔隙率和坡向呈极显著正相关关系(P<0.01)，开采前后土壤总孔隙率与土壤体积含水量的Pearson 相关系数分别为0.587、0.751。开采后地表土壤体积含水量与土壤总孔隙率的显著相关性增强，开采前后土壤总孔隙率与坡度的Pearson 相关系数分别为-0.632、-0.540。2次探测过程中地表土壤体积含水量与土壤容重及密度呈显著性负相关(P<0.05)，土壤有机质质量分数及土壤黏粒质量分数对土壤体积含水量没有显著影响。因此认为在900 m测线范围内，开采后地表土壤体积含水量及其分布主要受容重、密度、总孔隙率及坡度共同影响。但与开采前相比，开采后土壤总孔隙率、容重与土壤体积含水量的相关性显著增大，而坡度、土壤容重及坡向对土壤体积含水量的显著性影响减小。

2.2.2 正方形区域土壤体积含水量与其他土壤理化性质关系分析

正方形区域开采前后土壤体积含水量如表3所示。从表3中可以看出，开采前后的地表土壤体积含水量均值分别为0.082、0.096 cm3/cm3，开采后探测所得土壤体积含水量比开采前大0.014 cm3/cm3，土壤水分变异系数均为0.12，属于中等程度变异。各土壤理化性质指标中土壤有机质质量分数的变异最大，开采前后的变异系数分别为0.32和0.35，属于中等程度变异。开采前后土壤总孔隙率平均值分别为39.6%和42.5%，开采后地表土壤总孔隙率显著增大，但土壤总孔隙率变异程度相同，2次探测都为0.12，属于中等程度变异。开采后土壤黏粒质量分数比开采前略小，2次探测均值分别为4.20%、4.02%，变异系数分别为0.23和0.25，属于中等程度变异。土壤容重2次探测均值分别为2.63 g/cm3和2.40 g/cm3，开采后探测所得土壤容重较开采前明显减小，变异系数分别为0.095和0.108，变异程度较弱。植被密度是每平方米上植物的数量，与开采前每平方米上植被的数量最大值5相比，开采后每平方米上植被的数量为3，显著降低，每平方米上植被数量的平均值也由0.9降低至0.6。这表明煤矿开采对地表植被分布产生了严重的影响。

表3 正方形区域地表土壤体积含水量与其他土壤理化性质及植被密度描述性统计分析

开采前后正方形区域内各土壤性质及植被密度与土壤体积含水量的Pearson相关性分析结果见表4。从表4中可以看出，2次探测植被密度及土壤总孔隙率对地表土壤体积含水量均有极显著影响(P<0.01)。开采前后植被密度与土壤体积含水量的Pearson 相关系数分别为0.76、0.70，开采后土壤总孔隙率与土壤体积含水量的Pearson 相关系数分别为0.46、0.58，植被密度对土壤体积含水量的影响显著水平要大于土壤总孔隙率。土壤容重、土壤密度与土壤体积含水量呈显著正相关关系(P<0.05)。土壤有机质及土壤黏粒质量分数对土壤体积含水量没有显著影响，这与沙壤土中有机质及黏粒质量分数较小有较大关系。另外，与开采前相比，开采后土壤总孔隙率对土壤体积含水量的显著性影响增强，而植被密度及土壤容重对土壤体积含水量显著性影响有所减弱。

表4 正方形区域内开采前后土壤体积含水量与其他土壤性质及植被密度的Pearson相关分析

3 讨论

本次研究结果表明，在采煤塌陷区中心位置，总孔隙率和植被密度是影响土壤地表水分分布的主要因素。

王健研究显示，开采后采煤塌陷区土壤容重小于未开采区的，开采区土壤总孔隙率比未开采区土壤总孔隙率有所增大[20]，这与本次研究结果相同。由于研究区常年干旱少雨，张红军研究发现当降雨量小于10 mm时，研究区降水主要被表层土壤吸收，10～20 mm的降水对土壤水分的补给深度不超过30 cm[21]。而宋亚新研究表明，裂缝闭合后地下还存在大量隐伏裂缝，在非饱和入渗条件下这些隐伏裂缝具有水流屏蔽作用，能起到一定的蓄水作用[3]。综合以上分析，开采稳定后塌陷区土壤总孔隙率显著增大，研究区降雨主要被地表土壤吸收，而地下隐伏裂缝又能起到蓄水作用，这导致塌陷区中心位置地表土壤有更强的接纳降水的能力，因此开采区中心位置土壤体积含水量相比开采前显著增大。杨峰研究发现，裸沙地表土壤体积含水量与气象要素关系密切，而非裸砂地表土壤体积含水量主要受气象要素和植被密度2个因素制约[22]。本文中显著性分析结果显示，在小尺度范围内，植被密度是决定地表土壤体积含水量的最主要因素。植被密度越大，地表土壤体积含水量越高，与杨峰等的研究结果相同。

4 结论

本次研究对中国西部典型采煤塌陷区及其中心位置土壤水分空间异质性及其影响因素进行了分析，得出以下结论：

1)开采前后整个研究区地表土壤体积含水量相差不大，分别为0.075、0.070 cm3/cm3。开采前地表土壤水分分布主要受地形及地表高程控制。开采后地表土壤水分的分布规律遭受破坏，呈现“两边低、中间高”的特征。

2)在大范围内(L3测线，900 m)，开采前后地表土壤体积含水量分别为0.083、0.117 cm3/cm3。开采后采煤塌陷区中心位置地表土壤体积含水量显著增大，这可能与开采后地表土壤总孔隙率增大，增强了土壤的蓄水能力有关。

3)采煤塌陷区中心位置小范围内(50 m×50 m)地表土壤体积含水量在开采后明显大于开采前，2次探测分别为0.082、0.096 cm3/cm3。地表土壤体积含水量与植被密度、土壤总孔隙率呈显著性相关，而植被密度是决定土壤体积含水量分布的主要因素。