采煤沉陷區(qū)地裂縫對土壤含水率的影響

高云飛，張 凱，杜 坤，趙 樂，吳鳳簫

（1.國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719300；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

煤炭是我國最重要的能源之一，地理分布上，煤炭資源呈現(xiàn)“西多東少，南貧北富”的特點，西北地區(qū)一直以來都是煤炭資源開發(fā)的主要區(qū)域[1].受地理等自然因素的影響，西北地區(qū)水資源非常稀缺，是典型的干旱半干旱荒漠化地區(qū)和國家級水土流失重點監(jiān)督區(qū)域[2-3].因此，西北地區(qū)高強度的煤炭資源開發(fā)活動與先天脆弱的生態(tài)本底環(huán)境之間的內(nèi)在矛盾，使生態(tài)環(huán)境破壞成為當(dāng)?shù)赝怀鰡栴}[4-5]，其中一個重要表現(xiàn)就是煤炭開采對土壤含水率的影響[6].

大規(guī)模、高強度的煤炭開采使煤層的上覆巖層因失去支撐作用而自下而上發(fā)生冒落、垮塌、裂隙和移動，導(dǎo)致煤礦區(qū)地表出現(xiàn)許多塌陷下沉區(qū)和一些大型的永久地表裂縫[7].沉陷區(qū)內(nèi)大量垂向生成的地裂縫會破壞土壤包氣帶原有的物理結(jié)構(gòu)，造成土壤包氣帶水分的流失[8]；部分冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶會導(dǎo)通潛水層與包氣帶部位的土壤，使地下水沿著裂縫與覆巖開裂處錯落滲漏，改變地下水的徑流和排泄條件，降低潛水層與包氣帶表層土壤的聯(lián)系，導(dǎo)致采煤區(qū)內(nèi)土壤水分大量流失[9-11].張發(fā)旺等[12]研究發(fā)現(xiàn)，煤炭開采產(chǎn)生的塌陷裂縫會增加包氣帶水分的散失，造成地表泉水、河流溝渠等的干涸；張延旭等[13]研究裂縫發(fā)育特征對0～1.0 m 深度土壤含水率的影響，發(fā)現(xiàn)土壤含水率由大到小排序為裂縫區(qū)<沉陷無裂縫區(qū)<未開采區(qū)，且裂縫密度與土壤含水率呈顯著負相關(guān)；郭巧玲等[14]研究了焦作市小馬煤礦區(qū)采煤沉陷地裂縫對0～0.5 m 深度土壤含水率的影響，發(fā)現(xiàn)地裂縫會降低土壤含水率.

礦區(qū)地裂縫對深層土壤含水率時空變化影響的研究，是進一步認(rèn)識和了解水資源存儲情況的前提與保障[15]，對西北地區(qū)采煤沉陷區(qū)的水資源管理和植被恢復(fù)等具有重要意義.盡管相關(guān)學(xué)者針對采煤沉陷地裂縫對土壤含水率的影響做了大量研究[16]，但范圍主要集中在淺層土壤（≤1.0 m），忽視了地裂縫對更深層土壤含水率的影響.因此，本研究以陜北某煤炭基地煤礦區(qū)為研究對象，分析不同類型采煤地裂縫（邊緣地裂縫和動態(tài)地裂縫）對淺層和深層土壤含水率的影響，解析土壤含水率的時空變化規(guī)律，為科學(xué)合理開采煤炭資源、減輕對地表環(huán)境的破壞提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

研究區(qū)位于陜北某煤炭基地煤礦區(qū)（37°58′00″N～38°05′30″N，108°51′30″E～109°00′00″E），屬北溫帶半干旱大陸性氣候，日光輻射強度大，日照時間豐富，風(fēng)大沙多，干燥少雨，晝夜溫差懸殊.冬季寒冷且持續(xù)時間長，夏季炎熱短暫，春季升溫較快，秋季降溫顯著[17].研究區(qū)內(nèi)無明顯地表水系，地下水主要為第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層，潛水位平均埋深為30 m 左右.全區(qū)地表覆蓋第四系風(fēng)積沙層，多呈現(xiàn)新月形或波狀沙丘.地形總體表現(xiàn)為南北高，中部低.井田長約為17.8 km，傾斜寬約為13.5 km，面積為176.34 km2.

研究區(qū)植被類型主要包括落葉闊葉林、沙生灌叢、草叢等.高覆蓋度植被以喬木、灌木為主，面積占比8.45%；中覆蓋度植被主要為油蒿、沙柳等灌叢，面積占比36.60%；低覆蓋度植被主要為沙米、蟲實、豬毛菜等灌草叢，面積占比34.08%；農(nóng)業(yè)植被及非植被區(qū)域面積占比為20.87%.研究區(qū)內(nèi)草本和灌木的根系集中分布在0～2.0 m 深度處，而小葉楊等優(yōu)勢喬木植物的根系主要分布在0～6.0 m 深度處[18-19].

1.2 地裂縫概況

煤炭開采會破壞生態(tài)脆弱區(qū)環(huán)境，風(fēng)積沙地區(qū)地下煤炭開采對地表環(huán)境的影響主要是沉陷地裂縫.根據(jù)與工作面的相對位置關(guān)系，可將地裂縫分為工作面正上方的動態(tài)地裂縫和工作面邊界的邊緣地裂縫.邊緣地裂縫經(jīng)過較長時間依然會有裂縫殘留，一般以“帶狀”形式平行分布于開采邊界，開采完成后以“O”型圈分布于地表；動態(tài)地裂縫具有臨時性、動態(tài)性、自愈性等特征，一般位于開采沉陷盆地的底部，隨著開采活動結(jié)束，裂縫最終將愈合.研究區(qū)域地裂縫深度主要集中在0.5～2.0 m，寬度范圍為0.1～0.4 m，裂縫密度為67 條/hm2，地裂縫分布情況及剖面圖如圖1 所示.

圖1 地裂縫分布及剖面圖Fig.1 Distribution and profile map of ground fissures

2 材料與方法

2.1 布點與分區(qū)

本研究采樣時間為2019 年8 月，工作面為31102和31103.根據(jù)開采時間，本研究將工作面劃分為未擾動區(qū)、1 年采動區(qū)和2 年采動區(qū).采樣時，采煤掘進線位于31103 工作面.由于動態(tài)地裂縫持續(xù)時效性較短且超前于采掘面一部分，因此將動態(tài)裂縫運動區(qū)進行適當(dāng)前擴，據(jù)此將動態(tài)裂縫區(qū)分為動態(tài)影響區(qū)和動態(tài)閉合區(qū)；邊緣地裂縫分布于工作面周圍，根據(jù)開采時間，將邊緣裂縫區(qū)分為1 年邊緣裂縫區(qū)和2 年邊緣裂縫區(qū).采樣區(qū)0～0.3 m 深度為淺層土壤，0.5～6.0 m深度為深層土壤.各區(qū)采樣點分布如圖2 所示.

圖2 工作面及采樣點示意圖Fig.2 Schematic diagram of working face and sampling points

2.2 土壤含水率測定

用不同方法對淺層土壤和深層土壤取樣：①直接用環(huán)刀取出淺層土壤樣本，采樣深度分別為0.1、0.2和0.3 m；②使用洛陽鏟對深層土壤進行打鉆取樣，取樣時，設(shè)定洛陽鏟的打鉆深度為6.0 m，每隔0.5 m 用環(huán)刀取3 份平行土樣.采集后的土樣置于鋁盒內(nèi)并帶回實驗室.

根據(jù)《NYT 52—1987 土壤水分測定法》[20]，采用烘干法測定土樣的含水率.具體操作為：首先稱取空鋁盒（加蓋）的重量m1；其次將土壤樣品置于鋁盒內(nèi)進行稱重（帶蓋），重量為m2；然后將裝有土樣的鋁盒放入105 ℃的烘箱中烘干8 h，為使土壤水分蒸發(fā)完全，烘干時揭開鋁盒蓋并置于烘箱內(nèi)；最后將裝有土樣的鋁盒和鋁盒蓋移入干燥器內(nèi)冷卻，待溫度降至室溫時稱重，重量為m3.土壤含水率w 計算公式為

3 結(jié)果與分析

3.1 淺層土壤含水率變化

分別對未擾動區(qū)、動態(tài)裂縫區(qū)、邊緣裂縫區(qū)淺層土壤含水率點位數(shù)據(jù)進行匯總計算，結(jié)果如圖3 所示.

圖3 未擾動區(qū)和地裂縫區(qū)淺層土壤的含水率Fig.3 Moisture content of shallow soil in undisturbed and ground fissure areas

由圖3 可知，與未擾動區(qū)相比，動態(tài)影響區(qū)0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤的含水率分別低1.58%、0.66%和0.72%，動態(tài)閉合區(qū)0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤的含水率分別低1.16%、0.54%和0.74%；動態(tài)影響區(qū)0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤的含水率分別比動態(tài)閉合區(qū)相應(yīng)的值低0.43%、0.12%和-0.02%.與未擾動區(qū)相比，1年邊緣裂縫區(qū)0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤的含水率分別低1.11%、0.52%和0.71%，2 年邊緣裂縫區(qū)0.1、0.2和0.3 m 深度土壤的含水率分別低1.72%、0.70%和0.73%；1 年邊緣裂縫區(qū)0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤的含水率分別比2 年邊緣裂縫區(qū)相應(yīng)的值高0.62%、0.18%和0.02%.

由以上分析可以看出，各區(qū)域0.1 m 深度土壤的含水率明顯高于0.2 m 和0.3 m 深度的值，表明淺層土壤的含水率會隨著深度的增加而降低；動態(tài)閉合區(qū)各深度土壤的含水率整體高于動態(tài)影響區(qū)相應(yīng)的值，表明動態(tài)地裂縫對動態(tài)影響區(qū)土壤含水率的影響更大；所有地裂縫區(qū)域淺層土壤的含水率均低于未擾動區(qū)的相應(yīng)值，表明煤炭開采沉陷產(chǎn)生的地裂縫對淺層土壤含水率的影響較大.

為探究地裂縫對淺層土壤含水率空間分布的影響，利用克里金插值法繪制0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤含水率的空間分布圖，如圖4 所示.

圖4 淺層土壤含水率空間分布Fig.4 Spatial distribution of moisture content in shallow soil

由圖4 可以看出，未擾動區(qū)各深度土壤含水率均高于1 年和2 年采動區(qū)相應(yīng)的值，表明邊緣地裂縫和動態(tài)地裂縫對土壤水分空間分布影響均較大；1 年采動區(qū)0.1 m 和0.2 m 深度土壤的含水率略高于2 年采動區(qū)的值，而0.3 m 深度土壤的含水率差異不大；未擾動區(qū)與1 年采動區(qū)土壤含水率空間分布存在明顯界線，采動區(qū)土壤含水量與未擾動區(qū)相比，呈現(xiàn)斷崖式下降，這可能與采煤擾動有直接關(guān)系，正在進行的煤炭開采活動形成的地裂縫對土壤含水率的影響較大.

3.2 深層土壤含水率變化

分別對未擾動區(qū)、動態(tài)裂縫區(qū)、邊緣裂縫區(qū)0.5～6.0 m 深度土壤含水率的點位數(shù)據(jù)進行匯總計算，結(jié)果如圖5 所示.

圖5 未擾動區(qū)和地裂縫區(qū)深層土壤的含水率Fig.5 Moisture content of deep soil in undisturbed and ground fissure areas

由圖5 可知，各區(qū)域土壤含水率在0.5～2.0 m 深度范圍內(nèi)均隨深度增加而降低，規(guī)律較明顯.0.5～2.0 m深度，未擾動區(qū)土壤含水率明顯大于地裂縫區(qū)的值；1.0 m 和1.5 m 深度，1 年邊緣裂縫區(qū)的土壤含水率高于2 年邊緣裂縫區(qū)的值；0.5 m 和2.0 m 深度，1 年邊緣裂縫區(qū)的土壤含水率低于2 年邊緣裂縫區(qū)的值；0.5 m 和1.0 m 深度，動態(tài)影響區(qū)的土壤含水率高于動態(tài)閉合區(qū)的值；1.5 m 和2.0 m 深度，動態(tài)影響區(qū)的土壤含水率低于動態(tài)閉合區(qū)的值.整體來看，0.5～2.0 m深度，2 種地裂縫區(qū)的土壤含水率均低于未擾動區(qū)的值，說明地裂縫會導(dǎo)致近地表土壤含水率降低，即地裂縫對土壤含水率的影響深度可能達到2.0 m 左右；2.0～6.0 m 深度范圍內(nèi)，各區(qū)土壤含水率差異較小，表明地裂縫對更深層的土壤含水率影響較小.

為探究地裂縫對深層土壤含水率空間分布的影響，利用克里金插值法繪制0.5～6.0 m 深度土壤含水率的空間分布圖，如圖6 所示.

圖6 深層土壤含水率空間分布Fig.6 Spatial distribution of moisture content in deep soil

由圖6 可知，0.5～2.0 m 深度范圍內(nèi)，各區(qū)域含水率基本隨深度增加而下降.各區(qū)域2.0～6.0 m 深度范圍內(nèi)，除了未擾動區(qū)3.0 m 深度處出現(xiàn)了一個由于采樣或計算誤差造成的高值以外，整體含水率并無明顯差異，這主要是由于2.0～6.0 m 為過渡地帶，土壤中的水分主要以包氣帶水的形式存在，若不存在足以直接影響到此處的因素，水分不會產(chǎn)生較大的變化，含水率相對穩(wěn)定[21].

4 討論

近地表土壤中的水分主要為包氣帶水，地表微塌陷或者局部小地裂縫出現(xiàn)時，一方面會改變煤炭開采地區(qū)土壤的環(huán)境和包氣帶巖土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，增加入滲通道和巖土水分蒸發(fā)面積，以致塌陷區(qū)包氣帶巖土水分劇烈蒸發(fā)，水分流失嚴(yán)重[22-23]；另一方面，裂縫壁周圍土壤的水分蒸發(fā)導(dǎo)致土壤含水量降低時，會與其他臨近土壤形成一定水勢差，加速周圍土壤水分向該區(qū)域運動，進而增加水分差異影響范圍.因此，地裂縫會造成近地表土壤含水率降低，本研究結(jié)果表明，地裂縫對土壤含水率的影響深度達到2.0 m 左右.

動態(tài)影響區(qū)整體含水率低于動態(tài)閉合區(qū)，這主要是由于動態(tài)地裂縫的出現(xiàn)打亂了原有的水分流動及含水帶分布，增加了水分散失的途徑[10].雖然降水時可以通過地裂縫補給土壤水分，但該過程并不穩(wěn)定.因此，動態(tài)影響區(qū)土壤含水率低于閉合區(qū).邊緣裂縫與動態(tài)裂縫最大的區(qū)別在于其自修復(fù)性不如動態(tài)裂縫，動態(tài)裂縫經(jīng)過一定時間后可以完全閉合，但邊緣裂縫由于其所處位置的特殊性，經(jīng)過較長時間依然會有裂縫殘留.因此邊緣裂縫產(chǎn)生過程中可能會獲得一定程度的地表徑流補給，但一方面地表徑流補給不能持續(xù)獲得，另一方面裂縫會加快深層土壤水分的散失，因此2 年邊緣裂縫區(qū)含水率低于1 年邊緣裂縫區(qū).

植物生長的水分來源于降水、地表水和地下水，而上述水源只有轉(zhuǎn)化為土壤水才能被植物根系吸收利用，因此，土壤含水率與植被生長密切相關(guān).研究區(qū)豬毛菜、沙蒿、沙柳等灌木以及草本植物的根系集中分布在0～2.0 m 深度，對水分的吸收也集中在2.0 m深度以上[18]，而裂縫土壤含水率的影響深度同樣達到2.0 m 左右.由此可預(yù)見，草本、灌木植被的根系吸收水分受地裂縫影響較大.雖然小葉楊等優(yōu)勢喬木的根系分布主要集中在0～6.0 m 深度[19]，且地裂縫對2.0～6.0 m 深度土壤含水率的影響較小，但是一方面，地裂縫會對植物根系造成損傷[24]，根系較長的喬木更易因拉伸應(yīng)力的作用而被拉斷，影響其對水分的吸收；另一方面，喬木植物對水分的需求量遠大于灌木和草本植物.因此，地裂縫同樣會對喬木生長產(chǎn)生較大影響.

此外，各區(qū)域0.5 m 深度處土壤含水率明顯高于0.3 m 處土壤含水率，主要是由于研究區(qū)在采樣前幾天有降雨情況，雨水匯聚于地裂縫形成優(yōu)先流.結(jié)合土質(zhì)可知，0.3 m 深度處土質(zhì)為砂土，透氣性強而保水性較差，強烈的地面輻射加劇了該深度土壤水分的蒸發(fā)；0.5 m 深度處土質(zhì)為黏土，保水性較強，加之該深度所受的蒸發(fā)作用較弱，因此含水率明顯高于0.3 m 處.

5 結(jié)論

本研究以我國陜北某煤炭基地煤礦區(qū)淺層（0.1～0.3 m）和深層（0.5～6.0 m）土壤為研究對象，探究動態(tài)地裂縫和邊緣地裂縫對土壤含水率的影響，解析土壤含水率的時空變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）2.0 m 深度以上，邊緣地裂縫和動態(tài)地裂縫區(qū)的土壤含水率均低于未擾動區(qū)的相應(yīng)值，表明地裂縫會降低近地表土壤的含水率，即地裂縫對土壤含水率的影響深度可能達到2.0 m 左右；在2.0～6.0 m 深度范圍內(nèi)，各區(qū)土壤含水率差異不明顯，表明地裂縫對更深層土壤含水率的影響較小.

（2）動態(tài)裂縫影響區(qū)的土壤含水率整體低于動態(tài)裂縫閉合區(qū)，1 年邊緣裂縫區(qū)的土壤含水率整體高于2 年邊緣裂縫區(qū)，這主要與動態(tài)裂縫經(jīng)過一定時間后可以完全閉合，而邊緣裂縫經(jīng)過較長時間依然會有裂縫殘留有關(guān).