煤礦復(fù)墾區(qū)土壤水動(dòng)力學(xué)特性對下滲過程的影響

楊永剛,蘇 帥,焦文濤

1 山西大學(xué)黃土高原研究所, 太原 030006 2 山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 太原 030006 3 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085

土壤水對植物生長、溶質(zhì)運(yùn)移以及土壤環(huán)境的變化起著至關(guān)重要的作用[1- 3]。目前國內(nèi)外學(xué)者從不同角度開展了土壤水方面的研究,主要集中在土壤水含量、水分利用效率、土壤水熱動(dòng)態(tài)、土壤水蝕、土壤水資源評價(jià)、土壤水鹽分及其運(yùn)移規(guī)律、土壤水量計(jì)算及水平衡研究、土壤水動(dòng)力學(xué)及數(shù)值模擬研究等方面[4- 5]。方法涉及土壤水量平衡法、零通量面法、時(shí)域反射儀、示蹤法、遙感法與數(shù)值模擬等方法[6]。土壤水研究逐步從室內(nèi)試驗(yàn)拓展到野外試驗(yàn),由點(diǎn)到面,進(jìn)而拓展到區(qū)域尺度,已經(jīng)從靜止、定性、經(jīng)驗(yàn)走向動(dòng)態(tài)、定量、機(jī)理[7]。

土壤水在下滲過程中大多數(shù)情況下是在非飽和狀態(tài)下進(jìn)行的,非飽和導(dǎo)水率與土壤質(zhì)地、土壤孔隙度和土壤緊實(shí)度關(guān)系密切[8- 9]。由于復(fù)墾區(qū)土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜[10],土壤水在下滲時(shí)并不是均勻下滲,水流在下滲土壤后會表現(xiàn)出明顯的非均勻性和差異性,染色示蹤可以清晰地反映水流在土壤中的空間分布特征和非均勻程度[11- 14]。目前對礦區(qū)非飽和帶土壤水在垂直與水平方向上下滲過程認(rèn)識還比較模糊。本研究以煤礦復(fù)墾區(qū)非飽和帶土壤水為核心,基于不同深度土壤水動(dòng)力學(xué)特性監(jiān)測與染色試驗(yàn),揭示土壤水下滲過程,闡明土壤水動(dòng)力學(xué)特性對下滲過程的影響,為解決類似地區(qū)土壤水管理與遏制生態(tài)環(huán)境惡化等提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 研究區(qū)地理位置與樣點(diǎn)分布圖

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省古交市(圖1),地處112°03′30.3″—112°06′12.3″E,37°56′35.00″—37°59′3.3″N,屬于溫帶大陸性氣候,多年平均氣溫為9.6℃,多年平均降雨量為426.1 mm,多年平均蒸發(fā)量2093.8 mm,干旱指數(shù)為2.2,地形以山地為主,山地丘陵面積占全區(qū)面積的95.8%。研究區(qū)最大的河流為汾河,支流有天池河、獅子河、屯蘭河、原平河和大川河等,均為季節(jié)性河流。各類地下水發(fā)育齊全,基巖裂隙水分布于西部以及北部地區(qū),碳酸鹽巖類巖溶裂隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水廣泛富集于西山中部地區(qū)。研究區(qū)煤炭資源豐富且分布廣泛,占研究區(qū)面積的47.6%,以能源、化工為主。采礦活動(dòng)形成的酸性礦井廢水、廢氣、粉塵等對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞,水土流失、植被破壞和土壤水污染等生態(tài)問題十分嚴(yán)重。

2 研究方法

在古交礦區(qū)東、西、南、北4個(gè)方向選擇4個(gè)代表性樣地,土壤樣品深度分別為0—10、30—40、60—80、100—120 cm。采用環(huán)刀法測定土壤容重,比重瓶法測定土壤總孔隙度,采用6120指針式土壤緊實(shí)度儀測定土壤緊實(shí)度,Mastersizer 2000 型激光粒度儀測定土壤粒徑,采用Ku-pf非飽和導(dǎo)水率測量系統(tǒng)分別測定4個(gè)樣地0—10、30—40、60—80、100—120 cm土層深度土樣的非飽和導(dǎo)水率。

在樣地1做面積為100 cm×100 cm、實(shí)驗(yàn)下滲水量分別為30 L(試驗(yàn)1)、60 L(試驗(yàn)2)和90 L(試驗(yàn)3)染色示蹤試驗(yàn),此時(shí)染色試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的初始入滲水頭分別為30、60、90 mm,嚴(yán)格控制各個(gè)試驗(yàn)距離在5 m以上。本試驗(yàn)采用亮藍(lán)染色劑[15],配制濃度為4.0 kg/m3。3組試驗(yàn)矩形框平行放置,規(guī)定矩形框水平方向?yàn)閄軸,與之垂直的方向?yàn)閅軸,染色劑下滲方向即為Z軸。試驗(yàn)開始前,將矩形框嵌入土壤20 cm,露出地表20 cm。在矩形框內(nèi)注入分別為30、60 L和90 L的亮藍(lán)染色劑。染色試驗(yàn)區(qū)域地表每5 cm等分,每個(gè)染色試驗(yàn)區(qū)域等分為20個(gè)觀察剖面,每開挖一個(gè)剖面用數(shù)碼像機(jī)照相記錄土壤水流染色模式,圖像解析度為1000×1000 dpi,采用白色半透明樹脂板對自然光進(jìn)行散射[16]。

圖2 不同實(shí)驗(yàn)下滲水量條件下土壤水染色剖面圖

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤水下滲過程

染色圖像按照臨界值方法轉(zhuǎn)化為黑白二元信息圖片[17],計(jì)算染色面積隨水流下滲深度分布特征。圖2為3種實(shí)驗(yàn)下滲水量條件下Y=10 cm剖面土壤染色面積隨水流下滲深度的分布圖,從圖2可看出,隨著矩形框內(nèi)水量深度增加,土壤剖面最大染色深度和染色面積均有不同程度增加。土壤染色面積比例隨土壤深度增加而減小,但染色面積比例并不是隨土層深度增加而單調(diào)遞減。當(dāng)實(shí)驗(yàn)下滲水量為30 L時(shí),土壤染色面積僅在表層較大；當(dāng)實(shí)驗(yàn)下滲水量增加至60 L時(shí),染色面積和最大下滲深度均有明顯增加；當(dāng)下滲水量增加至90 L時(shí),染色面積和最大染色深度均有所增加,但增加幅度較小,這是因?yàn)槊旱V復(fù)墾區(qū)0—30 cm處土壤容重較小,緊實(shí)度為70 psi,而土層深度在30—60 cm處土壤容重比較大,土壤緊實(shí)度為110 psi。

煤礦復(fù)墾區(qū)土壤水下滲過程中表現(xiàn)出明顯的空間變異性和非均勻性,即最大染色深度上并沒有完全染色,Hangen在礦區(qū)復(fù)墾土壤染色試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)同樣現(xiàn)象[18]：

式中,hAct為x位置的實(shí)際下滲深度,k為x位置最大下滲深度上對應(yīng)的像素?cái)?shù)目。如果水流經(jīng)過(x,z)位置,那么β為1,反之為0；由此計(jì)算出實(shí)際下滲深度。把每個(gè)染色剖面的實(shí)際下滲深度按照每50 dpi為一個(gè)區(qū)間,因此每個(gè)染色剖面可以劃分為20個(gè)條帶狀矩形,計(jì)算并記錄每個(gè)矩形的實(shí)際下滲深度。因此,每個(gè)染色試驗(yàn)區(qū)域被離散成400個(gè)底面積為5 cm×5 cm的棱柱體,近似認(rèn)為每個(gè)條帶上的深度就是此棱柱中心染色深度。

互相關(guān)函數(shù)從相關(guān)度為1,間距為0,經(jīng)過一段距離后相關(guān)度變?yōu)?或到達(dá)一個(gè)平臺值后發(fā)生逆轉(zhuǎn),此時(shí)這一距離代表水流側(cè)向擴(kuò)散的最大距離。計(jì)算每一染色試驗(yàn)區(qū)域400個(gè)棱柱體的實(shí)際下滲深度沿X方向和Y方向的相關(guān)度。下滲水量為30、60 L和90 L,水流沿X和Y方向側(cè)向擴(kuò)散的最大距離見圖3。結(jié)果顯示：當(dāng)下滲水量為30 L時(shí),水流沿X和Y方向側(cè)向擴(kuò)散不明顯,此時(shí)以垂向下滲為主。當(dāng)下滲水量60 L時(shí),水流側(cè)向擴(kuò)散有明顯增加,這是由于水流在下滲過程中,淺層土壤中孔隙已經(jīng)被充滿水,但是復(fù)墾區(qū)30—60 cm土層深度的土壤容重較大,土壤中允許水流下滲的孔隙減少,水流在下滲過程中未能向土壤深處繼續(xù)傳導(dǎo),進(jìn)而向水平方向區(qū)域擴(kuò)散。當(dāng)實(shí)驗(yàn)下滲水量增加至90 L時(shí),水流側(cè)向擴(kuò)散作用有所增加,但增加幅度并不明顯,這是由于水流下滲過程中使表層土壤飽和度進(jìn)一步增加,水流下滲均勻程度提高,進(jìn)而側(cè)向擴(kuò)散作用減弱,這一點(diǎn)與盛豐等人的研究結(jié)果一致[19]。下滲水量分別為30、60、90 L這3種條件下,水流沿X方向側(cè)向擴(kuò)散的最大距離分別為10、30 cm和35 cm,沿Y方向側(cè)向擴(kuò)散的最大距離分別為10、25 cm和30 cm。

圖3 不同下滲水量條件下互相關(guān)函數(shù)分析

3.2 土壤水動(dòng)力學(xué)特性對下滲過程的影響

煤礦復(fù)墾區(qū)土壤類型為粉質(zhì)壤土,土壤容重均介于1.32—1.62 g/cm3。土壤容重隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先上升然后下降的趨勢,土壤總孔隙度垂直變化規(guī)律與土壤容重變化規(guī)律相反,煤礦復(fù)墾區(qū)土壤性質(zhì)見表1。

采用Ku-pf非飽和導(dǎo)水率測量系統(tǒng)分別測定煤礦復(fù)墾區(qū)4個(gè)樣地0—10、30—40、60—80、100—120 cm土層的非飽和導(dǎo)水率,各樣地不同土層深度非飽和導(dǎo)水率見圖4。

指數(shù)函數(shù)Κ(ψ)=a×exp(b×ψ)對吸力和非飽和導(dǎo)水率進(jìn)行擬合,其中a、b為擬參數(shù)(表2)。當(dāng)ψ=0時(shí),a為飽和導(dǎo)水率。對4個(gè)樣地土壤容重(x)和指數(shù)函數(shù)中的擬合參數(shù)a、b進(jìn)行回歸分析,得到多項(xiàng)式關(guān)系式：a=0.0015x2-0.00499x+0.0004,b=0.0583x2+0.1234x-0.0726。

分別對吸力值為25、70、150、300、500、750、1000 hpa時(shí)做非飽和導(dǎo)水率值和土壤容重、總孔隙度、0.01—0.05 mm粒徑含量相關(guān)性分析。由圖5可知,吸力值為25、70、150、300 hpa時(shí)的非飽和導(dǎo)水率值和容重呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,吸力值為500、750 hpa和1000 hpa時(shí)的非飽和導(dǎo)水率值和容重呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。吸力值為25、70、150 hpa時(shí)的非飽和導(dǎo)水率值和總孔隙度呈現(xiàn)極顯著性正相關(guān)關(guān)系,吸力值為300 hpa時(shí)的非飽和導(dǎo)水率值和總孔隙度呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)吸力大于300 hpa時(shí)二者未能通過顯著性檢驗(yàn),且隨著吸力的增大土壤容重、總孔隙度和非飽和導(dǎo)水率值的相關(guān)性都在降低。0.01—0.05 mm粒徑含量和300、500、750 hpa和1000 hpa時(shí)的非飽和導(dǎo)水率呈顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 煤礦復(fù)墾區(qū)土壤性質(zhì)

圖4 煤礦復(fù)墾區(qū)不同土層深度非飽和導(dǎo)水率

結(jié)合圖4和圖5可看出,相同吸力下,煤礦復(fù)墾區(qū)土壤容重大的土壤非飽和導(dǎo)水率較小,土壤非飽和導(dǎo)水率和土壤吸力之間呈現(xiàn)非線性指數(shù)關(guān)系,并且隨著吸力增大呈現(xiàn)快速下降和緩慢下降的過程。隨著吸力增加,土壤中大孔隙和中等孔隙首先開始排水含水率迅速降低,當(dāng)吸力為300 hpa時(shí)為非飽和導(dǎo)水率變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn),即吸力小于該值時(shí)非飽和導(dǎo)水率變化劇烈下降速度較快。隨著土壤吸力繼續(xù)增大,土壤含水量已經(jīng)較少,水分主要存在于中小孔隙中,土壤連通性降低,實(shí)際過水面積減小,非飽和導(dǎo)水率變化范圍也減小。

表2 煤礦復(fù)墾區(qū)土壤非飽和導(dǎo)水率參數(shù)擬合結(jié)果

樣地1和樣地2植被恢復(fù)類型為“林地+草地”,樣地3植被恢復(fù)類型為“灌叢+草地”,樣地4植被恢復(fù)類型為“草地”

圖5 土壤特性對下滲過程影響

Rezanezhad對泥炭土的研究發(fā)現(xiàn)由于土壤孔隙被氣體填充及自身的不規(guī)則性,導(dǎo)致土壤連通性降低進(jìn)而導(dǎo)致非飽和導(dǎo)水率減小[20]。隨著土壤吸力增大,0.01—0.05 mm粗粉粒級含量對吸非飽和導(dǎo)水率時(shí)影響較為明顯,這是因?yàn)?.01—0.05 mm粒級是構(gòu)成土壤中小孔隙的主要部分,土壤中微小孔隙及顆粒對水分吸附力和摩擦力起主要作用,水流在孔隙中流動(dòng)阻力變大水分不容易通過。當(dāng)吸力繼續(xù)增加時(shí),此時(shí)水分主要存于土壤中不連通的孔隙中,此時(shí)土壤中水分緊緊吸附在土壤顆粒表面,單位吸力梯度下導(dǎo)水率變化范圍更小。

4 結(jié)論

煤礦復(fù)墾區(qū)土壤水下滲后表現(xiàn)出明顯的非均勻性和空間變異性,實(shí)驗(yàn)下滲水量增大會增加土壤水下滲深度,隨著實(shí)驗(yàn)下滲水量增多,水流擴(kuò)散作用也在加強(qiáng),但過多水量并沒有明顯增加下滲深度和擴(kuò)散距離。非飽和導(dǎo)水率隨吸力增大呈非線性減小；同一吸力下,復(fù)墾區(qū)土壤容重大的土層非飽和導(dǎo)水率較小。復(fù)墾區(qū)土壤非飽和導(dǎo)水率和土壤容重呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,和總孔隙度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,且二者的相關(guān)性隨吸力的增加降低。