降雨条件下风沙区高强度开采对剖面土壤水分的影响∗

陈 超 林 杉 胡振琪 台晓丽 杨 坤

（中国矿业大学（北京）土地复垦与生态重建研究所，北京市海淀区，100083）

★节能与环保★

降雨条件下风沙区高强度开采对剖面土壤水分的影响∗

陈 超 林 杉 胡振琪 台晓丽 杨 坤

（中国矿业大学（北京）土地复垦与生态重建研究所，北京市海淀区，100083）

为研究降雨条件下风沙区高强度开采对剖面土壤水分的影响，通过采用中子仪对高强度开采过程中表层土壤水分进行动态监测，分析降雨前后开采对风沙区垂直土壤水分变化的影响。研究表明：开采活动对不同区域土壤含水量的影响不同，正在开采的研究区受影响程度要大于采后的开切眼区，且边缘区大于盆底区；开采活动对不同深度土壤含水量影响程度也不同，对表层土壤的影响大于深层土壤；开采结束后，土壤水分有一定的恢复，且表层土壤恢复较快，深层土壤受影响时间较长。

风沙区 土壤体积含水量 超大工作面 高强度开采

随着我国煤炭战略西移，超大工作面等高强度开采技术逐渐在神东矿区得到大规模推广和应用，这可能严重威胁风沙区脆弱的生态环境。处于风沙区的神东矿区主要植被为耐旱、根系相对较浅的沙篙、沙柳等，植物根系所需水分大都来自浅层土壤水分，由于降水较少、蒸发强烈，浅层土壤水分是该区植被生长与恢复的主要限制因子，而已有研究较少涉及煤炭资源高强度开采条件下植被、土壤与水分间的相互关系，这关系到能否准确判断采煤塌陷对生态环境的影响程度。选取神东矿区大柳塔矿某超大工作面，对不同沉陷区、不同深度土层的土壤水分在降雨前后的变化情况进行对比分析，试图了解不同采煤沉陷区域表层土壤水分的响应特征，同时揭示采煤过程与表层土壤水分动态变化关系，以期为土地复垦与生态重建工作提供理论参考。

1　研究区概况

大柳塔矿地处毛乌素沙地南缘，海拔1120～1280 m，地貌主要为风积沙，少量为黄土梁峁区。矿区干旱少雨多风，属典型高原大陆性气候。地表水体主要为井田西界的乌兰木伦河和东界的勃牛川。该区土壤以风沙土为主，结构疏松。研究区某超大工作面长度为280.5 m，推进长度为2881.3 m。开采5-2煤层，煤层埋深为190～220 m，煤层厚度为7.07～7.7 m，平均厚度为7.25 m。煤层倾角较小，层状构造，属近水平煤层。工作面平均进尺量约为11 m/d，采用长壁开采、全部垮落法管理顶板，目前已完成全部回采工作。

2　实验设计与方法

2.1布点方法

根据开采沉陷学理论，利用MSPS软件预计出均匀沉降区与非均匀沉降区，为排除地形差异影响，选取地势平坦、植物种类和盖度相当的区域布设监测点，均匀沉降区为沉陷盆地中间研究区（以下简称中间区，以ZJ代表）、非均匀沉降区为沉陷盆地边缘研究区（以下简称边缘区，以BY代表）、开切眼研究区（以下简称开切眼区，以KQ代表）和对照区（以CK代表），利用GPS准确布设12个点，在监测点埋设直径为4.5 cm、长度为230 cm的铝管，实验区分区及监测点分布如图1所示。

图1　实验区分区及监测点分布示意图

2.2实验方法

研究重点探讨采煤对剖面土壤水分的影响，同时结合工作面开采进度进行监测。水分监测主要选取CNC503B智能中子土壤水分仪（下称中子仪）作为监测仪器，监测土壤体积含水量（土壤水分体积与土壤体积之比），用烘干法对其进行标定。计算公式为:

式中:θv——土壤体积含水量，%；

Ws——湿土重量，g；

Wg——烘干土重量，g；

ρb——土壤容重，g/cm3。

由于中子仪在地表0～10 cm有中子外溢现象，产生一定实验误差，故监测地表下10 m～200 cm的土壤体积含水量。具体方法是:每10 cm为一层，分层监测，原则上每2 d监测一次。为减小误差，应确保观测时段相同，并按同一顺序观测，尽量保证实验条件的一致性。

2.3数据校正

利用中子仪测定土壤体积含水量有一定的空间差异，故用烘干法对数据进行标定。一般通过计数比率Rv（测量计数/标准计数）与土壤体积含水量θv建立线性关系，用以消除或减弱系统误差，从而准确求出土壤水分含量。采取野外标定，在实验区内选择未扰动过的典型监测点，在距离监测点2 m处，开挖2 m深的剖面，每10 cm用环刀取土样1组，每组3个平行样，测定土壤重量、含水量和土壤容重，换算成土壤体积含水量并取均值；利用中子仪在相同深度测定土壤含水量，每层测定3个数据并取平均值。将每组不同的Rv和θv直接作为独立的样本进行线性回归分析（相关系数r为0.91），所得回归方程为:

式中:Rv——计数比率。

3　结果与分析

3.1土壤水分变化分层情况

通过分析对照区土壤剖面水分变化情况，土壤水分在垂直方向随深度增加，呈现出先增大后达到基本稳定的趋势，体积含水量在2%～10%范围内变化，其分布受降水、蒸发和植被等因素的影响较大，监测时段对照区土壤剖面水分变化如图2所示。

图2　监测时段对照区土壤剖面水分变化

根据体积含水量均值及变异系数，将0～200 cm土壤分为土壤水分速变层和稳定层，土壤体积含水量垂直分层结果如图3所示。

图3　土壤体积含水量垂直分层结果

（1）土壤水分速变层（10～40 cm）。随深度增加土壤水分显著增加（P＜0.05），且变异系数普遍较大，对雨水等因素响应较为明显。在监测期导致土壤水分变化的主要因素有降雨、蒸发和植物蒸腾作用等。由变异系数可知，该区表层40 cm内土壤受雨水影响明显，20 cm变异系数最大，同时该层土壤水分随深度显著递增。

（2）土壤水分稳定层（40 cm以下）。存在少许灌木和乔木根系，土壤水分受气候和植被影响相对较小，对上、下层土壤均能起到补给及储存作用。该层虽受降雨影响较小，但也随降雨等因素发生变化。如在降雨初期，该层土壤有贮水作用，随时间延长，除补给地下水外，植物蒸腾及地表蒸发等使得该层土壤又可向上层供水，水分入渗和向上迁移同时发生于此层。这与该区土壤属沙土、物理

性黏粒含量较低、结构松散、保水能力差有关，在降雨强度大时，仅小部分雨水在短期内形成地表径流，故而入渗量大以致入渗深度较大。

3.2降雨前后10～20 cm土壤对降雨的响应情况

4个分区10～20 cm土壤体积含水量变化情况如图4所示，降雨后1 d的四个分区10～20 cm土壤体积含水量较降雨前均有一定提升，降雨5 d后与1 d后相比均有所降低，但升高与降低量并不一致。

图4　降雨前后10～20 cm土壤体积含水量的变化情况

图4（a）表明地域差异导致降雨前中间区、边缘区与对照区土壤体积含水量均显著低于开切眼区。降雨补给使得降雨后1 d的对照区含水量比降雨前显著提高，开切眼区、中间区亦显著升高，而边缘区变化并不显著。降雨后1 d的土壤体积含水量升高量如图4（b）所示，虽然开切眼区与中间区土壤体积含水量均显著升高，但对降雨的响应程度不同。中间区与边缘区升高量显著低于对照区，而开切眼区升高量却显著高于对照区。边缘区在降雨后1 d含水量升高值显著低于中间区，说明开采对不同区域土壤含水量影响程度有所不同:边缘区＞中间区。这说明在开采过程中开采活动导致土壤结构变化直接影响到土壤含水量对降雨的响应程度。就中间区与边缘区相比而言，虽然中间区下沉值较大，且高强度开采导致岩土层垮落现象明显，但是边缘区土壤结构受扰动程度较中间区大。同时，降雨后雨水汇集于中间区，导致边缘区升高量显著低于中间区。开切眼区升高量较对照区高则是因降雨前含水量本底值高，这也说明开切眼区虽处工作面边缘，但在采后长时间内自然营力作用下土壤结构趋于稳定，土壤含水量因降水等得到一定的恢复。

图4（a）表明降雨后5 d的对照区和边缘区土壤体积含水量与降雨后1 d无显著性差异，而降雨后1 d含水量显著升高的开切眼区和中间区却显著下降，如图4（b）所示，开切眼区下降量最大，其次是中间区，均显著高于对照区和边缘区，这主要由于开切眼区和中间区地表存在大量裂缝导致土壤蒸发面积增大、部分水分下渗至下层土壤所致。开切眼区、中间区裂缝分属边缘裂缝、动态裂缝，两者的性状特征及留存时间均有显著差异，边缘裂缝性状特征尺度较大且留存时间长，导致开切眼区降雨后5 d水分下降量较多。

3.3降雨前后20～40 cm土壤对降雨的响应情况

四个分区20～40 cm土壤体积含水量变化情况如图5所示。

图5　降雨前后20～40 cm土壤体积含水量的变化情况

图5（a）表明降雨后1 d四个分区土壤体积含水量较降雨前均显著提高，但图5（b）表明四个分区对降雨的响应程度显著不同，开采区内3个分区土壤含水量升高值均显著低于对照区，就各区受开采影响程度而言，边缘区受开采影响程度最大，其次为中间区和开切眼区。这说明20～40 cm土壤受开采活动影响情况与10～20 cm土壤有相似之处，即正受开采影响的边缘区与中间区对雨水响应程度显著弱于对照区，这与开采扰动引起的表土层持水能力减弱有关。

降雨后5 d的土壤水分变化情况与10～20 cm土壤不同，对照区土壤水分显著升高，并未与10～20 cm土壤变化一致，这表明10～20 cm土壤部分水分下渗至下层土壤。开切眼区与对照区亦存在类似响应，即5 d后土壤水分有所升高，但图5（b）表明升高量较对照区高，在10～20 cm土壤水分下降较多的同时，20～40 cm土壤水分有所升高，即表层水分下渗至此所致。而正受开采影响的中间区与边缘区则与对照区较为不同，5 d后土壤水分均显著下降，与10～20 cm土壤的情况类似，中间区降低量大于边缘区。

3.4降雨前后40～60 cm土壤对降雨的响应情况

四个分区的40～60 cm土壤体积含水量变化情况如图6所示。

图6　降雨前后40～60 cm土壤体积含水量的变化情况

图6（a）、（b）表明该层土壤仍对降雨作出一定响应，降雨后5 d该层土壤体积含水量仍显著升高，表明上层土壤水分继续下渗，并留存在该层土壤。除边缘区外，开切眼区与中间区均未对降雨1 d后作出及时响应，边缘区土壤体积含水量虽较降雨前有显著升高，但图6（b）表明升高量显著低于对照区，这表明开采活动导致该层土壤对降雨的响应能力降低。除对照区外，降雨后5 d三个区土壤体积含水量较降雨后1 d也显著升高，但差异不显著，且升高量显著低于对照区。这表明采煤对40～60 cm土壤对雨水响应能力的影响小于表层土壤，但对土壤保水力的影响要大于表层土壤。

3.5降雨前后60～200 cm土壤对降雨的响应情况

四个分区60～200 cm土壤体积含水量变化情况如图7所示。

图7　降雨前后60～200 cm土壤体积含水量的变化情况

图7（a）、（b）表明对照区60～200 cm土壤含水量在降雨后存在小幅波动。中间区三个时间段土壤体积含水量依次显著降低，而边缘区变化不显著。这表明中间区土壤结构由于台阶、裂缝等变得疏松，各层连通性增强致使雨水下渗深度增大。而开切眼区不同于其他区，降雨后1 d土壤体积含水量便显著升高，5 d后显著降低，但仍显著高于降雨前。这主要因该区60～200 cm土壤受到开采扰动影响，土壤入渗能力增强，导致开采期间降雨快速下渗至该层，同时表层裂缝及土壤空隙度增大也增加了蒸发的深度。从降雨下渗深度而言，开切眼区得到一定程度的恢复，但从保水时长而言，开切眼区并未完全恢复。

4　结论

（1）煤炭开采对不同区域土壤含水量的影响程度不同，正受开采影响的区域受影响程度要大于采后的开切眼区；在对雨水响应方面，边缘区受采煤影响程度大于中间区；在降雨后土壤持水能力方面，各区域存在差异，有待进一步研究。

（2）煤炭开采对不同深度土壤水分影响程度不同，且对表层土壤的影响大于深层土壤，但影响强度均不大。随开采结束，土壤水分在一定程度上有所恢复，且表层土壤恢复速度显著高于深层土壤，深层土壤受采煤影响时间较长。

（3）根据不同区域受影响程度及恢复速度，应实施分区分时的差异化修复措施，首先进行自修复，然后于不同时间采取相应的措施进行人工修复，可降低修复成本，提高修复效率。

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［4］ 台晓丽，胡振琪，陈超.西部风沙区不同采煤沉陷区位土壤水分中子仪监测 ［J］.农业工程学报，2016（15）

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（责任编辑 孙英浩）

Impacts of high-intensive coal mining on vertical soil moisture on the condition of precipitation in windy and sandy region

Chen Chao，Lin Shan，Hu Zhenqi，Tai Xiaoli，Yang Kun
（Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming to study impacts of high-intensive coal mining on vertical soil moisture on the condition of precipitation in windy and sandy region，the paper analyses the impacts of mining on vertical soil moisture distribution in windy and sandy region pre and post precipitation.The results exhibit that the magnitude of impacts of mining activities on soil volumetric moisture content varies in different areas，the impacts of the mining area is greater than that of the post-mining area（open-off cut area），while impacts of marginal area is greater than that of the basin floor area.Mining activities have various impacts on different soil depths，and the impacts on surface soil is larger than that of the deep soil.With the completion of mining，there is some recovery of soil moisture，with a rapid recovery rate of the surface soil，and the impact time lasts longer for the deep soil.

windy and sandy region，soil volumetric moisture content，super-large working face，high-intensive coal mining

TD997

A

∗国家自然科学基金委员会—神华集团有限责任公司煤炭联合基金重点支持项目（U1361203）

陈超（1989-），男，河南开封人，中国矿业大学（北京），博士研究生，现从事土地复垦与生态重建方面研究。