土體凍結(jié)對(duì)采煤塌陷區(qū)風(fēng)黏土含水量的影響

神福東勝礦區(qū)位于黃河中游，位于山西省，陜西省和蒙古交界處。礦區(qū)煤炭資源豐富，煤炭質(zhì)量好，開(kāi)采條件好。這是國(guó)家決定的在整個(gè)夏古伊代時(shí)期開(kāi)發(fā)的特別煤炭項(xiàng)目。礦區(qū)位于毛烏素沙地與黃土高原兩大結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的生態(tài)環(huán)境脆弱帶,降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈,風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈,植被覆蓋度低,環(huán)境總體處于水分虧缺狀態(tài)。煤炭開(kāi)采加劇了環(huán)境要素的進(jìn)一步惡化,其中大規(guī)模的地下采煤活動(dòng)破壞了采空區(qū)上覆巖層的原始應(yīng)力平衡,使其產(chǎn)生了錯(cuò)落、斷裂、彎曲等移動(dòng)變形情況,使地面塌陷成為最突出的環(huán)境問(wèn)題之一。本文通過(guò)在毛烏素沙地南緣補(bǔ)連塔礦區(qū)的對(duì)比性試驗(yàn),研究了該地區(qū)春季土壤水分的分布和空間變異特征,闡述了采煤塌陷與土體凍結(jié)對(duì)土壤含水量的作用,可以為礦區(qū)實(shí)施荒漠化防治、生態(tài)建設(shè)工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考結(jié)論,進(jìn)而為采礦塌陷區(qū)的土地復(fù)墾技術(shù)的創(chuàng)立、為礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。1神東礦區(qū)地質(zhì)條件研究區(qū)位于黃土高原與毛烏素沙地過(guò)渡帶,是晉陜蒙接壤區(qū),距伊金霍洛旗上灣鎮(zhèn)約28km,屬大陸性半干旱氣候,年均氣溫8℃,≥10℃活動(dòng)積溫約3000℃,無(wú)霜期約為156d。風(fēng)沙頻繁,主風(fēng)為西北風(fēng),最大風(fēng)速可達(dá)20m/s以上。冬季干旱,夏季多暴雨,多年平均降水量368mm,降水多集中在7～9月。蒸發(fā)強(qiáng)烈,年蒸發(fā)量2000mm。礦區(qū)及其西部大面積分布有含水層,地下水資源比較豐富。目前煤田開(kāi)采造成的塌陷引起了局部地段含水層水位下降、泉流量減小。在神東煤田的范圍內(nèi)主要存在棕鈣土和風(fēng)沙土2種土類(lèi),主要地貌類(lèi)型為波狀沙地。該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜,在基巖上覆有古風(fēng)沙、粘土互層、風(fēng)積沙等,形成夾層現(xiàn)象。地面組成物質(zhì)為風(fēng)成沙。土壤貧瘠,有機(jī)質(zhì)含量低,土壤機(jī)械組成粗,物理性粘粒少,易漏水漏肥。土壤疏松,抗蝕力差,易遭受流水侵蝕和風(fēng)蝕。研究區(qū)屬灌叢化草原區(qū),本區(qū)人工植被占比重較大,沙生植物占優(yōu)勢(shì),主要植物種有沙柳(SalixpsammophilaC.)、小葉楊(PopulussimoniiCarr.)、油蒿(ArtemisiaordosicaK.)、沙竹(Psammochloavillosa(Trin)Bor.)和沙米(Agriophyllumpungens(L.)Moq)等。2土壤含水量的測(cè)定采用對(duì)比法研究塌陷與凍結(jié)對(duì)土壤含水量的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇下墊面狀況比較相近的3個(gè)沙丘作為實(shí)驗(yàn)樣地,其中第1個(gè)沙丘完全沒(méi)有塌陷,設(shè)為“對(duì)照區(qū)”,第2個(gè)沙丘2005年發(fā)生塌陷,第3個(gè)沙丘2004年發(fā)生塌陷,把第2、3個(gè)沙丘設(shè)為“塌陷區(qū)”。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)3個(gè)沙丘的坡頂、坡中、坡底、丘間低地的土壤含水量進(jìn)行測(cè)定。挖1m深的土壤剖面,從10cm到90cm每隔20cm處各取3個(gè)土樣,以10cm深處土壤含水量代表0～20cm深度內(nèi)土壤含水量,以此類(lèi)推。用烘干法測(cè)土壤含水量。先稱(chēng)出鋁盒重G1,將取回的土樣放入鋁盒中稱(chēng)得鋁盒與土重G2,將其烘干至恒重后稱(chēng)得鋁盒與土重G3。土壤含水量A=土壤水上重/烘干土重=(G2-G3)/(G3-G1)在1m深的土壤剖面,每隔10cm處用TSC-V型土壤水分測(cè)試儀各測(cè)5個(gè)重復(fù),測(cè)得取土樣地1m深度內(nèi)土壤含水量情況。3結(jié)果與分析3.1通過(guò)分析土壤含水量不同階段的對(duì)照區(qū)和坍塌區(qū)的質(zhì)量含水量差異3.1.1質(zhì)量含水量比較將土壤表層有積雪凍結(jié)時(shí)所取的土樣烘干測(cè)得的土壤質(zhì)量含水量進(jìn)行平均,得到對(duì)照區(qū)與塌陷區(qū)土壤凍結(jié)時(shí)的平均土壤質(zhì)量含水量。由表1可以看出:對(duì)照區(qū)的質(zhì)量含水量略高于2005、2004年塌陷區(qū)的質(zhì)量含水量。與對(duì)照區(qū)相比,2005、2004年塌陷區(qū)3月上旬質(zhì)量含水量分別降低了4.3%和3.5%,3個(gè)區(qū)域的含水量差異較小。地下采煤活動(dòng)會(huì)使地表產(chǎn)生裂縫和不均勻沉降,沙丘產(chǎn)生土體崩塌,引起土體結(jié)構(gòu)變化,從而會(huì)對(duì)這一地區(qū)的土壤水分變化產(chǎn)生一定的影響。3.1.2土壤水分隨埋深的變化對(duì)圖1中對(duì)照區(qū)和塌陷區(qū)含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行塌陷情況與土層深度兩因素方差分析,結(jié)果表明:由于降雪原因,3個(gè)區(qū)不同土層:0～20cm、20～40cm與40～100cm土層含水量差異顯著(P=0.0002);但對(duì)照區(qū)土壤含水量與2個(gè)塌陷區(qū)差異不顯著。取土樣是在3月上旬,由于當(dāng)時(shí)土壤尚未解凍,土壤凍結(jié)可以增加土壤蓄水量,抑制土壤蒸發(fā)和形成凍層上水及凍層上壤中流,改變了土壤水分的運(yùn)行規(guī)律。并且在取土?xí)r,土壤的表層覆蓋著大約3cm左右的積雪,可能也是造成3個(gè)區(qū)域含水量沒(méi)有太大差異的又一原因。說(shuō)明土壤凍結(jié)造成的阻、蓄水作用與降水補(bǔ)給有利于緩解塌陷區(qū)的土壤水分虧缺。0～60cm土層對(duì)照區(qū)含水量高于2005、2004年塌陷區(qū)含水量。這說(shuō)明地下采煤活動(dòng)擾動(dòng)土壤,破壞了土壤原有的結(jié)構(gòu),并且降水(雪)對(duì)沙丘土壤水分的影響主要是在80cm以上,其中0～40cm上層土壤水分的變化最明顯,80cm層受降水影響較小。綜上表明:降雪與土壤凍結(jié)有利于緩解采煤塌陷區(qū)的水分虧缺。3.2通過(guò)分析土壤解凍后對(duì)照區(qū)和坍塌區(qū)的體積含水量差異，進(jìn)行了土壤含水量分析3.2.1不同部位土壤積分的容積含水量將3月下旬到4月中旬測(cè)得的土壤容積含水量進(jìn)行平均,得到對(duì)照區(qū)與塌陷區(qū)3月下旬到4月中旬平均土壤容積含水量。由表2可以看出:土壤解凍后,對(duì)照區(qū)容積含水量依然高于塌陷區(qū)容積含水量。與對(duì)照區(qū)相比,2005、2004年塌陷區(qū)含水量分別降低了5.2%和6.2%,明顯比土壤凍結(jié)時(shí)降低的幅度大。2個(gè)塌陷區(qū)含水量相比,2004年塌陷區(qū)含水量略低于2005年塌陷區(qū)。3.2.2采煤對(duì)地下水土體含水量的影響對(duì)圖2中對(duì)照區(qū)和塌陷區(qū)不同深度土壤容積含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行塌陷情況與土層深度2因素方差分析,結(jié)果表明:3個(gè)區(qū)的0～50cm土層含水量差異顯著(P=0.0001),對(duì)照區(qū)的土壤含水量顯著高于2個(gè)塌陷區(qū)。這主要是由采煤塌陷造成采空區(qū)上方風(fēng)沙土孔隙度增大和垂向裂隙(縫)發(fā)育引起的。而在50～100cm土層含水量對(duì)照區(qū)和塌陷區(qū)差異不明顯。因?yàn)榈叵虏擅夯顒?dòng)擾動(dòng)土體,破壞了土體原有的結(jié)構(gòu),并且受降雪原因影響,使得靠近表層土體的土層含水量高,而下層土體含水量稍低。因?yàn)樯城?～80cm層為土壤水分受降水影響的活躍層,其中0～40cm上層變化最為明顯。4土壤凍結(jié)對(duì)沉降的影響(1)在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi),未塌陷區(qū)和塌陷區(qū)土壤含水量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致,并且對(duì)照區(qū)含水量均始終高于2個(gè)塌陷區(qū)。(2)3月上旬土壤凍結(jié)時(shí),與對(duì)照區(qū)相比,2005、2004年塌陷區(qū)3月上旬質(zhì)量含水量分別降低了4.3%和3.5%,此時(shí)3個(gè)區(qū)域的含水量差異不顯著。說(shuō)明土壤凍結(jié)與降雪可以增加土壤蓄水量,抑制土壤蒸發(fā)和形成