煤矸石基質土壤的水分入滲試驗研究

馬保國,王 健,劉婧然,武燕蕾,郝九芝

(1.河北工程大學水電學院,河北邯鄲 056021;2.河北工程大學城建學院,河北邯鄲 056021;3.河北邢臺縣水利局,河北邢臺 054001)

煤矸石基質土壤的水分入滲試驗研究

馬保國1,王 健1,劉婧然1,武燕蕾2,郝九芝3

(1.河北工程大學水電學院,河北邯鄲 056021;2.河北工程大學城建學院,河北邯鄲 056021;3.河北邢臺縣水利局,河北邢臺 054001)

為了解煤矸石基質土壤的水分特性,利用室內一維垂直入滲模擬試驗,研究煤矸石山山頂、山腰、山腳處及3種矸土質量比(7∶3,5∶5,3∶7)的土壤水入滲規律。試驗結果表明,煤矸石的初始入滲率、穩滲率由山腳到山頂逐漸減小,減小關系符合冪函數遞減關系。山腳矸石的初始入滲率和穩滲率分別為山腰的1.111和1.078倍;山腰矸石的初始入滲率和穩滲率分別為山頂的1.096和1.102倍;矸土質量比為7∶3的初始入滲率和穩滲率分別為5∶5的1.152和1.149倍;矸土質量比為5∶5的初始入滲率和穩滲率分別為矸土質量比3∶7的1.179和1.057倍。矸土混合土壤的初始入滲率、穩滲率均隨矸土質量比7∶3,5∶5,3∶7的減小而迅速減小,入滲達到穩定狀態的時間隨矸土比的減小而增加。考斯加可夫入滲模型更適合作為風化煤矸石的入滲模型;通用經驗公式更適合作為摻土較多的矸土混合土壤的入滲模型。最終煤矸石基質土壤的累積入滲量為矸土質量比3∶7＞5∶5＞7∶3＞山頂＞山腰＞山腳。矸石摻土可以顯著降低入滲率,提高累積入滲量,有益于煤矸石山水土保持和植物生長。

煤矸石;矸土比;入滲率;濕潤鋒;累積入滲量

隨著國民經濟的發展,煤炭作為我國目前的主要能源之一,煤炭開采在帶來經濟效益的同時也會給當地生態環境帶來負面影響。采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢棄物煤矸石是在成煤過程中與煤層伴生的黑灰色巖石,其含碳量較低,比煤堅硬,目前我國煤炭開采量的20%左右以煤矸石廢棄物排放掉,全國每年約新增煤矸石4億t,綜合利用約6 000萬t,其余部分就近混雜堆積形成煤矸石山[1-2]。煤矸石最突出的水文特點是:結構性差,大孔隙多,土壤保水、保肥能力極差,滲透率較高,容易產生垂直侵蝕(即養分的淋溶損失和水分的滲漏損失)[2-3]。煤矸石摻土可以改善土壤質地和結構性,煤矸石基質土壤的初始滲透速率、穩滲速率均隨摻土比例的增大而迅速的減小,提高基質土壤的保水和保肥能力,有益于植被生長[4-5]。國內外對風化煤矸石土壤水分特性方面研究,已有一些報道[4-8]。

土壤中殘留大粒徑的礫石母質成分時,土壤的水分特性就隨著其孔隙結構和殘留大粒徑母質礫石性質的變化而較難解釋。對植物生長來說,有研究認為大粒徑的煤矸石在土壤中能提高大孔隙數量、優化土壤結構和水分入滲[9-10];也有研究報道土壤中摻有大粒徑的煤矸石會堵塞土壤大孔隙,切斷原有水分通道聯系,會影響水分下滲和傳導[11-12]。煤矸石基質土壤的水分特性決定于其風化程度、組成礦物及其化學成分。

采用室內模擬試驗的方法,以峰峰集團新三礦煤矸石山山頂、山腰和山腳不同地形處的煤矸石基質及其與附近黃土混合物為研究土樣。通過室內土柱模擬試驗,研究矸石山上不同地形處(山頂、山腰、山腳)的矸石以及黃土和煤矸石混合物定水頭一維垂直入滲特征。探討煤矸石基質土壤的水分入滲特性,為生態修復及復墾綠化煤矸石山提出理論和方法。

1 實 驗

1.1 實驗材料

試驗材料為冀中能源峰峰集團新三礦風化20 a的煤矸石山陽坡上(山頂、山腰和山腳)風化矸石及矸石(3種矸石按1∶1∶1混合樣)與附近黃土的混合物,矸土混合樣品按照矸/土質量比7∶3,5∶5和3∶7混勻作為試驗材料。試驗在河北工程大學土壤物理實驗室內進行。

取試驗用煤矸石和矸土混合土樣1 kg,用0.25, 0.5,1,2,5,10,20 mm篩子篩分和比重計法測土樣機械組成,測得試驗土樣粒徑組成比例見表1。

表1 不同土壤樣品的機械組成Table 1 Mechanical composition of soil weathering coal gangue

1.2 實驗方法

入滲試驗土柱由直徑15 cm、高60 cm的有機玻璃管制成,底部用有機玻璃板密封,并留有排水孔;用馬氏瓶為入滲試驗供水,保持供水水頭為5 cm。土柱底部鋪上濾紙和紗布,管壁涂凡士林,根據試驗高度計算有機玻璃管的容積,按密度1.25 g/cm3計算出管中填加基質質量,然后稱相應質量混勻基質土壤,分層填入管中,邊填邊夯實,直至達到設計高度45 cm。試驗開始后,記錄馬氏瓶的水量變化和土柱濕潤鋒的遷移情況,在入滲開始階段每分鐘記錄一次,濕潤鋒變化小的時候適當延長每次記錄時間,入滲水量和濕潤鋒變化一直記錄到試驗結束。入滲試驗的室內溫度約為25℃。

運用回歸分析法建立試驗入滲率I與時間t的最優回歸函數,入滲率與時間的關系及試驗數據用SPSS統計軟件進行擬合和分析。

2 結果與分析

2.1 不同地形和矸土比例對土壤入滲率的影響

由表2可知,山腳、山腰和山頂矸石初始入滲率、穩滲率均隨地形的增高而減小;入滲率由大到小的順序為:山腳＞山腰＞山頂。其中山腳矸石的初始入滲率和穩滲率分別為山腰的1.111和1.078倍;山腰矸石的初始入滲率和穩滲率分別為山頂的1.096和1.102倍,不同處理間有顯著性差異。由此可見,矸石傾倒時,粒徑大的滾落到山腰、山腳處;矸石粒徑為山腳＞山腰＞山頂,山頂矸石經過長時間風化,風化嚴重,粒徑細小,因此山頂矸石基質土壤的水分入滲率比山腰、山腳低,保水性能比山腰、山腳處好。

表2 風化煤矸石土壤的入滲特征參數Table 2 Infiltration parameters of soil weathering coal gangue

對于矸土混合土壤來說,其黃土比例越高初始入滲率和穩滲率越低,當土壤密度為1.25 g/cm3時,摻土矸石入滲率由大到小的順序為矸土質量比7∶3＞5∶5＞3∶7,矸土質量比7∶3的初始入滲率和穩滲率分別為5∶5的1.152和1.149倍;矸土質量比5∶5的初始入滲率和穩滲率分別為矸土質量比3∶7的1.179和1.057倍。矸土混合土壤入滲率均顯著低于風化矸石,隨著矸石摻土比例的提高,初始入滲率顯著降低,矸土質量比5∶5與3∶7的混合土樣穩滲率之間差異不顯著。入滲率達到穩定狀態的時間隨矸土比的減小而增加,矸土質量比3∶7的入滲率到達穩定狀態的時間分別為5∶5和7∶3的1.28和1.92倍。粉質的黃土顆粒填充到大粒徑矸石的縫隙中,矸土混合土樣的結構發生了變化,從而改變了土壤水分的入滲特性。

2.2 Kostiakov模型和通用經驗公式對風化煤矸石土壤入滲特征的分析

已有較多的數學模型描述入滲率和入滲時間的關系,如考斯加可夫的入滲模型(Kostiakov)[4-8]、菲利普入滲模型(Philip)[9-14]和通用經驗公式等[1,15-18]。用SPSS(16.0)統計軟件對試驗入滲速率和入滲時間的關系進行了擬合,由擬合結果可知(表3),實測數據用考斯加可夫模型和通用經驗公式擬合,有較高的相關系數。

從表3得出,數據用考氏入滲模型和通用經驗公式擬合程度較高,其相關系數(R2)值都超過0.92。在Kostiakov入滲模型中,式中n值大小反映入滲率隨時間t的遞減變化,其中,n越大,遞減就越迅速,n變小,入滲率就降低;所以,從表3的Kostiakov入滲模型中,n值大小能得出沿著由山頂到山腳的地形變化,入滲時間越長,煤矸石入滲率遞減速度也越快;矸土質量比由7∶3,5∶5到3∶7,隨著矸石入滲時間延長,入滲率的迅速遞減。

表3 Kostiakov入滲模型回歸結果和通用經驗公式擬合結果Table 3 Regression results of Kostiakov infiltration model and simulation results of universal empirical formula

圖1,2是不同地形處矸石和矸土混合土樣兩種入滲模擬曲線和實測曲線,結果表明,煤矸石基質土壤水分入滲可劃分為3個時期:第1為入滲初期,這個時期土壤的含水量很低,濕潤表層與干燥下層土壤產生很大的水勢差,水快速下滲,入滲率變化明顯,基質的水勢梯度控制該階段的水分入滲過程;第2為緩變期,該時期基質的土壤含水量漸增,土壤的水勢梯度慢慢變小,再加上較小的土壤水重力勢的作用,入滲率就隨著水勢梯度降低而慢慢降低,該時期減弱的土壤水基質勢和重力勢梯度控制著入滲過程;第3為穩定入滲期,該時期土壤已經是飽和含水率狀態,土壤基質勢梯度已變的很小,土壤水重力勢梯度控制入滲過程,土柱上面水頭維持一定值,土壤水分的入滲率就不變,入滲率為穩定狀態。

圖1 不同地形風化矸石入滲率隨時間的變化Fig.1 Infiltration rate changes of different coal gangue weathering with time

此外,從圖1可以明顯看出,2個模型曲線與實測曲線在初始入滲階段的擬合程度均很高,但隨入滲時間的增加,通用公式模擬曲線從漸變階段開始逐漸與實測曲線相偏離,而且,偏離逐漸變遠。可認為當煤矸石由山腳到山頂時,考斯加可夫入滲模型更適合作為風化矸石的入滲模擬。由圖2能夠得出,在入滲的初始期和緩變期,模擬結果與試驗結果有著很高的擬合度,繼續延長入滲時間,考氏模型的入滲模擬曲線從穩定階段開始逐漸與試驗曲線偏離,而且,偏離漸漸變遠。表明當摻土比例增大時,通用經驗方程較適合用于矸土混合土壤的入滲模擬。

圖2 不同矸土混合土壤入滲率隨時間的變化Fig.2 Infiltration rate changes of mixed soils with time

2.3 不同煤矸石基質土壤的濕潤鋒運移特征

不同煤矸石基質土壤在不同時間達到相同的濕潤深度、累積入滲量均隨時間延長呈增大趨勢。圖3(a),(c)和表4中給出了不同矸石基質土壤的累積入滲量隨時間變化的關系,在較高水勢梯度下,入滲初期對累積入滲量影響的主要因素是基質勢,所以,山腳、山腰和山頂矸石和摻土矸石分別在剛開始的10和30 min試驗中,基質土壤的累積入滲量沒有顯著差異;隨著試驗時間的延長,基質土壤慢慢浸潤,不同基質土壤對累積入滲量的影響開始出現變化,當矸石和矸土混合基質的試驗分別進行20和180 min以后,處理間的累積入滲量差異顯著性開始顯現。試驗結束時,摻土矸石累積入滲量顯著高于矸石,其中以矸土質量比3∶7的累積入滲量最高,山腳矸石最低。說明矸石摻土可以顯著提高矸石基質土壤的保水性能。

濕潤峰變化速率可以反映土壤的輸水能力[19],土壤中小粒徑的碎石具有改善土壤結構的作用[20],但是,在矸石山上大粒徑的矸石能夠增加土壤通透性,有利于土壤的輸水,保水性能就較差,這種影響隨矸石大粒徑含量的增大更加明顯。圖3(b),(d)和表4表明,矸石基質土壤水分入滲濕潤鋒隨著試驗時間的增加繼續下移,在試驗最初的10 min內,不同地形矸石間及矸土混合物間入滲濕潤鋒向下運移深度幾乎沒差別,20 min后,不同基質土壤的濕潤鋒下移深度漸漸產生差異。當入滲濕潤鋒下移較快時,土壤顆粒大小對入滲濕潤鋒的運移距離沒有影響;隨著入滲時間的延長,大粒徑矸石及矸石比例高的矸土混合土壤入滲濕潤鋒的下移速度顯著加快。相同入滲時間,山腳矸石濕潤鋒下移深度比山腰、山頂處大,均高于摻土矸石。矸石的濕潤鋒平均運移速率均顯著高于摻土矸石,矸土質量比5∶5與3∶7之間平均遷移速率差異不顯著。

圖3 矸石基質土壤的累積入滲量和濕潤鋒運移特征Fig.3 Cumulative infiltration and wetting front migration characteristics of the soil weathering coal gangue

表4 累積入滲量與濕潤鋒運移速率的多重比較Table 4 Comparison of cumulative infiltration and weting front

3 結 論

(1)煤矸石的初始入滲率、穩滲率由山腳到山頂而逐漸減小,減小關系符合冪函數遞減關系。矸土混合土壤的初始入滲率、穩滲率均隨矸土質量比的減小(7∶3,5∶5,3∶7)而迅速減小。入滲達到穩定狀態的時間隨矸土比的減小(7∶3,5∶5,3∶7)而增長。矸石摻土能顯著降低土壤水入滲速率。

(2)試驗實測數據用Kostiakov入滲模型和通用經驗公式擬合程度較好。當煤矸石由山腳到山頂地形變化時,Kostiakov入滲模型更適合作為風化矸石的入滲模型。當矸石摻土比較大時,通用經驗模型更適合作為矸土混合土樣的入滲模型。(3)試驗初期,不同基質土壤的累積入滲量無差異,最終矸石基質土壤的累積入滲量為山腳＜山腰＜

山頂＜7∶3＜5∶5＜3∶7;基質土壤中小顆粒越多其濕潤鋒到達終點的時間越長,基質土壤的濕潤鋒運移速率為山腳＞山腰＞山頂＞7∶3＞5∶5＞3∶7。矸石摻土顯著增加累積入滲量,降低濕潤鋒運移速率,提高土壤保水性。

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Experimental study on water infiltration of soil weathering coal gangue

MA Bao-guo1,WANG Jian1,LIU Jing-ran1,WU Yan-lei2,HAO Jiu-zhi3

(1.College of Hydroelectricity,Hebei University of Engineering,Handan 056021,China;2.College of City Construction,Hebei University of Engineering,Handan 056021,China;3.Xingtai County Water Conservancy Bureau of Hebei,Xingtai 054001,China)

In order to understand the moisture characteristics of soil weathering coal gangue,the vertical one-dimensional infiltration test was conducted to investigate the infiltration law of coal gangue at pile-top,mid-slope,pile-foot and the mixed soil of gangue and loess with the weight ratio 7∶3,5∶5 and 3∶7 respectively.The results show that the initial and steady infiltration rates of gangue decrease gradually from pile-foot to hilltop,those value at pile-foot are 1.111 and 1.078 times respectively of those at pile-top;those at mid-slope are 1.096 and 1.102 times respectively of those at pile-top and their relationship can be described with power function.The initial and steady infiltration rates of mixed soil of gangue and loess decrease quickly with the decrease of weight ratio(gangue/loess 7∶3,5∶5,3∶7 respectively).The time of infiltration to reach steady state increases with the decrease of gangue proportion.The initial and steady infiltration rates of gangue and loess with ratio of 7∶3 are 1.152 and 1.149 times respectively of those of 5∶5,and those of 5∶5 are 1.179 and 1.057 times respectively of those of 3∶7.The Kostiakov model is more suitable for the infiltration model of gangue from pile-foot to pile-top,and the general empirical model is more suitable forthe infiltration model of the mixed soils of gangue and loess.The cumulative infiltration is gangue and loess ratio 7∶3＞5∶5＞3∶7＞pile-top gangue＞mid-slope gangue＞pile-foot gangue at the end of the experiment.The mixed soil of gangue and loess can significantly reduce the infiltration rate,increase the cumulative infiltration and be beneficial to soil and water conservation and plant growth at coal gangue pile.

coal gangue;the ratio of gangue and loess;infiltration rate;wetting front;cumulative infiltration

X752

A

0253-9993(2014)12-2501-06

2013-12-19 責任編輯:王婉潔

河北省科技支撐計劃資助項目(12220802D)

馬保國(1967—),男,河北邯鄲人,教授,博士。E-mail:mabghd@aliyun.com

馬保國,王 健,劉婧然,等.煤矸石基質土壤的水分入滲試驗研究[J].煤炭學報,2014,39(12):2501-2506.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1874

Ma Baoguo,Wang Jian,Liu Jingran,et al.Experimental study on water infiltration of soil weathering coal gangue[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2501-2506.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1874