采煤沉陷区深层土壤物理性质时空变化研究

2023-02-13高云飞王顺洁吴凤箫

煤炭工程 2023年1期

高云飞，张凯，邓旭，王顺洁，吴凤箫

(1.国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西榆林 719300；2.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

煤炭作为我国重要的能源之一，占国内能源消费构成的70%以上，且在地域分布上呈现“西多东少、南贫北富”的状态[1]。西北地区作为我国煤炭资源开发的主要区域，其高强度的煤炭资源开发与先天脆弱的生态本底环境所具有的内在矛盾，造成了一系列的生态环境问题[2-5]。例如井工开采所形成的沉陷区、裂缝，会破坏包气带土壤原有的物理结构，造成包气带土壤水分的流失。因此，探究西北采煤沉陷区土壤物理性质的时空变化是改善矿区生态环境重要且基础性的工作。

土壤容重和孔隙度作为土壤最重要的两个物理性质指标，会对土壤的透气性、入渗性、持水能力、溶质迁移特征产生巨大影响，进而影响土壤含水率。例如吴志远等在神东矿区的研究结果表明，采煤沉陷提高了土壤水分和土壤孔隙度的正相关关系[6]；韩煜等对比分析了大柳塔矿区不同年份的土壤理化性质，结果表明，采煤沉陷后土壤容重明显减小，孔隙度明显增大，含水率明显降低[7]。尽管国内外学者就采煤沉陷对土壤容重、孔隙度和含水率的影响做了大量研究[8-12]，但由于目前相关工作主要考虑采煤沉陷对地表生态环境的影响，其研究范围也主要集中在土壤表层(≤1m)，缺少深层土壤容重、孔隙度以及含水率时空变化的相关研究。而研究矿区深层土壤容重、孔隙度以及含水率时空变化，是进一步认识和了解水资源存储情况的前提与保障[13]，对采煤沉陷区水资源管理、植被恢复等具有重要意义。

本文以榆神府矿区纳林河二号矿为研究区，研究该区采煤沉陷区0～10m深度的土壤含水率及土壤容重、孔隙度的时空变化规律，以期明确采煤沉陷对该区域深层土壤含水率的影响程度，从而为矿区土壤环境质量改良与生态环境恢复提供科学依据。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域概况

纳林河二号矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗境内的鄂尔多斯纳林河矿区最南端，其地理位置为东经：108°51′30″—109°00′00″，北纬：37°58′00″—38°05′30″。井田长约17.8km，倾斜宽约13.5km，面积为176.34km2。

研究区内无明显地表水系，地下水主要为第四系萨拉乌苏组孔隙潜水含水层，潜水位埋深平均为30m左右。潜水层的主要补给来源为大气降水，其次为研究区外潜水的侧向径流补给，包括深层承压水的越流补给。该区年均降水量虽少但主要集中在夏季，因此到雨季时，潜水补给量明显增加。

1.2 数据及处理

1.2.1 布点与采样

为了探究采煤沉陷区对土壤含水率的影响，测线以煤矿开采工作面为参照进行布置，如图1所示。其中31102工作面已开采完成2年，31103工作面部分已采完，部分正在开采，31104工作面为待(未)开采区。根据调研资料，采样时采煤掘进面位于31103工作面，据此划分出未采区、1年采空区和2年采空区。同时根据矿山开采沉陷学理论，将两个采空区又细分为盆底区和拉伸区。采样时共布设9条测线，每条测线的末端均落在对应采煤工作面的开切眼上，每条测线每隔150m进行一次打标取样。未采区、1年采空区和2年采空区采样点个数分别为12个、27个和21个。

图1 采煤沉陷区分区

实地取样方面，选择“洛阳铲”进行打钻取样。取样时，设定“洛阳铲”的打钻深度为10m，每隔0.5m用环刀取一份土样，采集土样后存于铝盒内带回实验室进行进一步分析研究。

1.2.2 土壤含水率计算

本研究中实地取回的土样按照《土壤水分测定法》(GB 7172—1987)中的“烘干法”测定含水率[14]，土壤容重的计算方法依据《土壤检测》(NYT1121.4—2006)标准中第四部分[15]进行计算，土壤孔隙度依据《森林土壤水分-物理性质的测定》(LYT1215—1999)标准[16]进行计算。详细计算过程可参考上述材料。

2 土壤物理性质时空演变

2.1 陷区土壤容重与孔隙度时空演变分析

通过对所采样品进行处理计算，得到了拉伸区与盆底区所有点位不同深度、不同时间的土壤容重和土壤孔隙度测定结果，见表1。

对比未采区与拉伸区、盆底区测定结果可以看出，随着时间推移，土壤容重逐渐减小，而土壤孔隙度则逐渐增加。相关研究表明，土壤孔隙度降低会导致土壤容重增加，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[17，18]。采煤沉陷破坏研究区土壤原有的风沙土结构，导致土体紧实度变小、孔隙增多，且这种变化在一段时间内很难恢复，因此造成了土壤容重与孔隙度随时间推移持续发生变化。但是受采样次数限制，土壤容重与孔隙度在经过更长时间后是否会恢复或者产生其他的变化，尚需进一步研究。

表1 土壤容重与孔隙度均测定结果

对比相同时间下不同采煤沉陷区测定结果可以看出，整体上，拉伸区的土壤容重低于盆底区，而拉伸区的土壤孔隙度高于盆底区。容重降低、孔隙度升高，表明土壤受到了外部因素的扰动，影响了土壤结构，使土质变疏松。通过分析裂缝类型可知，该区域拉伸区和盆底区产生的地裂缝分别为边缘地裂缝和动态地裂缝。动态地裂缝具有自修复性，经过一定时间可以自行闭合，而边缘地裂缝自修复性较差，只能闭合一部分，因此拉伸区土壤容重与孔隙度变化程度高于盆底区。

与未采区对比可以看出，在1年时间内，拉伸区和盆底区土壤容重与孔隙度均与未采区相差不大，但是2年后，拉伸区与盆底区的容重均小于未采区，孔隙度均大于未采区，表明采煤沉陷对地表的影响是一个动态的过程，且需要较长时间恢复。

2.2 沉陷区土壤含水率时间演变分析

对不同区域(未采区、拉伸区、盆底区)按照时间进程汇总分析土壤含水率测定结果，如图2所示。

图2 0～10m土壤含水率

由图2(a)可知，除了深部土壤外，1年和2年拉伸区土壤含水量与未采区相比，均相差不大。这主要是由于拉伸区产生的地裂缝，虽然会造成深层土壤水分加速蒸发和向更深层入渗，但采样季节为雨季，有利于大气降水对土壤水分的补充。而2年拉伸区土壤含水量低于1年拉伸区，表明水分流失是一个持续的过程。

由图2(b)可知，对于盆底区而言，5m以上浅层土壤含水率均低于未采区，这主要是由于浅层地下水经过一定时间的渗流，还未得到大气降水的补充；而在5m以下，1年盆底区明显低于未采区，2年盆底区整体高于未采区，表明较深部土壤水分的流失在经过一定时间后可以得到地下水的补充。

2.3 沉陷区土壤含水率空间演变分析

将相同时间不同区域土壤含水率测定结果进行对比，结果如图3所示。由图3(a)可得，在1年时间内，拉伸区与盆底区土壤含水率差异较大；而在2年时间内，拉伸区与盆底区在5m以上土壤中含水率变化相差不大，但在5m以下仍有较大差异。按照补、径、排的过程来说，盆底区水分流失的程度大于其通过补给所得，而拉伸区的这两个过程基本持平。这主要是由于拉伸区可以通过地裂缝得到大气降水补充，而盆底区只能依靠地下水的补给，其补给速度慢于地裂缝的渗流速度。在2年时间内，拉伸区与未采区基本持平，但盆底区的水分明显增加，尤其在较深层土壤区域，说明此时盆底区补给速度已经快于渗流排泄速度。

图3 不同区域土壤含水率

1年盆底区含水率明显低于未采区，这主要是由于采煤沉陷引起的地表振动，会生成细小裂缝，使得土壤结构疏松，孔隙度增加，表层土壤持水能力减弱，部分水分渗入深层。而在开采初期，拉伸区的土壤变化程度小于盆底区，所以拉伸区土壤水分含量与未采区相差不大。

利用Surfer软件以0.5m间隔作为一个平面，分别将每个平面插值成等值线图，并将其按照深度排列，以分析研究区土壤含水率在纵深方面的整体变化，如图4所示。由图4可得，各区域土壤含水率以2m和6m为界，呈现不同的变化趋势：

1)0.5～2m深度范围内，各区域含水率基本呈下降趋势。研究表明，干旱地区地下水若对土壤水产生影响，即两者具有水力联系时，其潜水位埋深应至少小于8m[19]。本研究中研究区的潜水位埋深约在30m左右，这种情况下地下水变化对表层土壤水基本没有影响。而通过分析地裂缝对土壤含水率的影响可知，动态地裂缝和边缘地裂缝区土壤含水率在2m以上均呈下降趋势，在2m以下均呈上升趋势。因此0～2m左右土壤含水率变化主要是由采煤沉陷引起的土壤结构变化，即地裂缝造成的。

2)6～10m深度范围内，土壤整体含水率随深度增加而大幅升高。这主要是由于该区域采煤沉陷区地裂缝影响深度均不超过6m，深层土壤水主要受地下水的影响。

3)2～6m深度范围内，除3m层面的未采区出现了一个可能由采样或计算误差造成高值外，整体含水率并无明显变化。这主要是由于2～6m为变化的过渡地带，土壤中的水分主要以包气带水的形式存在，若不存在足以直接影响到这个位置的因素，不会产生较大的变化，其含水率也相对稳定。

土壤水分作为土壤特性的重要参数，学者对其时空分布进行了大量研究。吴丽等分析了裂缝与含水率的关系，结果表明，随着与裂缝距离的增加，土壤含水率升高，至2 m后影响不明显[20]；马坤等研究了陕北麻黄梁采动地裂缝发育区土壤含水率，结果表明台阶式地裂缝近距(20cm处)土壤在各个深度的含水率均高于无裂缝区土壤[21]；胡小东等基于克里金插值方法分层研究了西部干旱区土壤水分空间分布特征，结果表明土壤各深度土层(0～10cm、10～30cm、30～50cm)土壤水分变化具有较强的空间相关性，自上而下呈现变异性增大的趋势[22]；赵国平等采用地统计学方法分层研究了毛乌素沙地采煤塌陷区0～100cm土壤水分空间变异性，结果表明，表层(0～20cm)土壤水分变化不大，中层(30～70cm)土壤水分变化最为明显，下层(80～100cm)土壤水分有所下降[23]。综上可知，目前土壤水分时空分布研究范围主要集中在土壤表层，忽视了深层土壤含水率时空变化。本研究利用二维Kriging插值，分层研究了深层土壤水分空间分布，对采煤沉陷区水资源管理、植被恢复等具有重要意义。

二维克里金插值能较好地反映土壤水分的二维空间变异性。然而，土壤作为连续的三维实体，其特性在三维空间上均具有相关性。基于二维平面的土壤水分空间变异性研究忽视了土壤水分垂直方向的连续性，无法模拟现实土壤水分的三维空间分布状况。因此，下一步将考虑采用三维Kriging插值，进一步分析深层土壤水分时空变化。