煤礦復墾區土壤水動力學特性對下滲過程的影響

楊永剛,蘇 帥,焦文濤

1 山西大學黃土高原研究所, 太原 030006 2 山西大學環境與資源學院, 太原 030006 3 中國科學院生態環境研究中心, 北京 100085

土壤水對植物生長、溶質運移以及土壤環境的變化起著至關重要的作用[1- 3]。目前國內外學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、土壤水熱動態、土壤水蝕、土壤水資源評價、土壤水鹽分及其運移規律、土壤水量計算及水平衡研究、土壤水動力學及數值模擬研究等方面[4- 5]。方法涉及土壤水量平衡法、零通量面法、時域反射儀、示蹤法、遙感法與數值模擬等方法[6]。土壤水研究逐步從室內試驗拓展到野外試驗,由點到面,進而拓展到區域尺度,已經從靜止、定性、經驗走向動態、定量、機理[7]。

土壤水在下滲過程中大多數情況下是在非飽和狀態下進行的,非飽和導水率與土壤質地、土壤孔隙度和土壤緊實度關系密切[8- 9]。由于復墾區土壤結構復雜[10],土壤水在下滲時并不是均勻下滲,水流在下滲土壤后會表現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]。目前對礦區非飽和帶土壤水在垂直與水平方向上下滲過程認識還比較模糊。本研究以煤礦復墾區非飽和帶土壤水為核心,基于不同深度土壤水動力學特性監測與染色試驗,揭示土壤水下滲過程,闡明土壤水動力學特性對下滲過程的影響,為解決類似地區土壤水管理與遏制生態環境惡化等提供科學依據。

圖1 研究區地理位置與樣點分布圖

1 研究區概況

研究區位于山西省古交市(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,多年平均蒸發量2093.8 mm,干旱指數為2.2,地形以山地為主,山地丘陵面積占全區面積的95.8%。研究區最大的河流為汾河,支流有天池河、獅子河、屯蘭河、原平河和大川河等,均為季節性河流。各類地下水發育齊全,基巖裂隙水分布于西部以及北部地區,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。研究區煤炭資源豐富且分布廣泛,占研究區面積的47.6%,以能源、化工為主。采礦活動形成的酸性礦井廢水、廢氣、粉塵等對礦區生態環境造成嚴重破壞,水土流失、植被破壞和土壤水污染等生態問題十分嚴重。

2 研究方法

在古交礦區東、西、南、北4個方向選擇4個代表性樣地,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指針式土壤緊實度儀測定土壤緊實度,Mastersizer 2000 型激光粒度儀測定土壤粒徑,采用Ku-pf非飽和導水率測量系統分別測定4個樣地0—10、30—40、60—80、100—120 cm土層深度土樣的非飽和導水率。

在樣地1做面積為100 cm×100 cm、實驗下滲水量分別為30 L(試驗1)、60 L(試驗2)和90 L(試驗3)染色示蹤試驗,此時染色試驗區域內的初始入滲水頭分別為30、60、90 mm,嚴格控制各個試驗距離在5 m以上。本試驗采用亮藍染色劑[15],配制濃度為4.0 kg/m3。3組試驗矩形框平行放置,規定矩形框水平方向為X軸,與之垂直的方向為Y軸,染色劑下滲方向即為Z軸。試驗開始前,將矩形框嵌入土壤20 cm,露出地表20 cm。在矩形框內注入分別為30、60 L和90 L的亮藍染色劑。染色試驗區域地表每5 cm等分,每個染色試驗區域等分為20個觀察剖面,每開挖一個剖面用數碼像機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行散射[16]。

圖2 不同實驗下滲水量條件下土壤水染色剖面圖

3 結果與討論

3.1 土壤水下滲過程

染色圖像按照臨界值方法轉化為黑白二元信息圖片[17],計算染色面積隨水流下滲深度分布特征。圖2為3種實驗下滲水量條件下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遞減。當實驗下滲水量為30 L時,土壤染色面積僅在表層較大；當實驗下滲水量增加至60 L時,染色面積和最大下滲深度均有明顯增加；當下滲水量增加至90 L時,染色面積和最大染色深度均有所增加,但增加幅度較小,這是因為煤礦復墾區0—30 cm處土壤容重較小,緊實度為70 psi,而土層深度在30—60 cm處土壤容重比較大,土壤緊實度為110 psi。

煤礦復墾區土壤水下滲過程中表現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在礦區復墾土壤染色試驗也發現同樣現象[18]：

式中,hAct為x位置的實際下滲深度,k為x位置最大下滲深度上對應的像素數目。如果水流經過(x,z)位置,那么β為1,反之為0；由此計算出實際下滲深度。把每個染色剖面的實際下滲深度按照每50 dpi為一個區間,因此每個染色剖面可以劃分為20個條帶狀矩形,計算并記錄每個矩形的實際下滲深度。因此,每個染色試驗區域被離散成400個底面積為5 cm×5 cm的棱柱體,近似認為每個條帶上的深度就是此棱柱中心染色深度。

互相關函數從相關度為1,間距為0,經過一段距離后相關度變為0或到達一個平臺值后發生逆轉,此時這一距離代表水流側向擴散的最大距離。計算每一染色試驗區域400個棱柱體的實際下滲深度沿X方向和Y方向的相關度。下滲水量為30、60 L和90 L,水流沿X和Y方向側向擴散的最大距離見圖3。結果顯示：當下滲水量為30 L時,水流沿X和Y方向側向擴散不明顯,此時以垂向下滲為主。當下滲水量60 L時,水流側向擴散有明顯增加,這是由于水流在下滲過程中,淺層土壤中孔隙已經被充滿水,但是復墾區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傳導,進而向水平方向區域擴散。當實驗下滲水量增加至90 L時,水流側向擴散作用有所增加,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一步增加,水流下滲均勻程度提高,進而側向擴散作用減弱,這一點與盛豐等人的研究結果一致[19]。下滲水量分別為30、60、90 L這3種條件下,水流沿X方向側向擴散的最大距離分別為10、30 cm和35 cm,沿Y方向側向擴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函數分析

3.2 土壤水動力學特性對下滲過程的影響

煤礦復墾區土壤類型為粉質壤土,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先上升然后下降的趨勢,土壤總孔隙度垂直變化規律與土壤容重變化規律相反,煤礦復墾區土壤性質見表1。

采用Ku-pf非飽和導水率測量系統分別測定煤礦復墾區4個樣地0—10、30—40、60—80、100—120 cm土層的非飽和導水率,各樣地不同土層深度非飽和導水率見圖4。

指數函數Κ(ψ)=a×exp(b×ψ)對吸力和非飽和導水率進行擬合,其中a、b為擬參數(表2)。當ψ=0時,a為飽和導水率。對4個樣地土壤容重(x)和指數函數中的擬合參數a、b進行回歸分析,得到多項式關系式：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時做非飽和導水率值和土壤容重、總孔隙度、0.01—0.05 mm粒徑含量相關性分析。由圖5可知,吸力值為25、70、150、300 hpa時的非飽和導水率值和容重呈現極顯著負相關關系,吸力值為500、750 hpa和1000 hpa時的非飽和導水率值和容重呈現顯著負相關關系。吸力值為25、70、150 hpa時的非飽和導水率值和總孔隙度呈現極顯著性正相關關系,吸力值為300 hpa時的非飽和導水率值和總孔隙度呈現顯著性正相關關系。當吸力大于300 hpa時二者未能通過顯著性檢驗,且隨著吸力的增大土壤容重、總孔隙度和非飽和導水率值的相關性都在降低。0.01—0.05 mm粒徑含量和300、500、750 hpa和1000 hpa時的非飽和導水率呈顯著性負相關關系。

表1 煤礦復墾區土壤性質

圖4 煤礦復墾區不同土層深度非飽和導水率

結合圖4和圖5可看出,相同吸力下,煤礦復墾區土壤容重大的土壤非飽和導水率較小,土壤非飽和導水率和土壤吸力之間呈現非線性指數關系,并且隨著吸力增大呈現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,當吸力為300 hpa時為非飽和導水率變化的轉折點,即吸力小于該值時非飽和導水率變化劇烈下降速度較快。隨著土壤吸力繼續增大,土壤含水量已經較少,水分主要存在于中小孔隙中,土壤連通性降低,實際過水面積減小,非飽和導水率變化范圍也減小。

表2 煤礦復墾區土壤非飽和導水率參數擬合結果

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

圖5 土壤特性對下滲過程影響

Rezanezhad對泥炭土的研究發現由于土壤孔隙被氣體填充及自身的不規則性,導致土壤連通性降低進而導致非飽和導水率減小[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水率時影響較為明顯,這是因為0.01—0.05 mm粒級是構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,水流在孔隙中流動阻力變大水分不容易通過。當吸力繼續增加時,此時水分主要存于土壤中不連通的孔隙中,此時土壤中水分緊緊吸附在土壤顆粒表面,單位吸力梯度下導水率變化范圍更小。

4 結論

煤礦復墾區土壤水下滲后表現出明顯的非均勻性和空間變異性,實驗下滲水量增大會增加土壤水下滲深度,隨著實驗下滲水量增多,水流擴散作用也在加強,但過多水量并沒有明顯增加下滲深度和擴散距離。非飽和導水率隨吸力增大呈非線性減小；同一吸力下,復墾區土壤容重大的土層非飽和導水率較小。復墾區土壤非飽和導水率和土壤容重呈現負相關關系,和總孔隙度呈現正相關關系,且二者的相關性隨吸力的增加降低。