神府-东胜采煤塌陷区裂缝对土壤含水量的影响

2019-03-14郭巧玲马志华杨云松韩振英

中国水土保持科学 2019年1期

郭巧玲，马志华，苏宁，杨云松，韩振英

(1.河南理工大学资源环境学院,454003,河南焦作；2.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心, 454003,河南焦作；3.河南理工大学工商管理学院, 454003, 河南焦作)

煤炭是当今世界社会运行的3大支柱能源之一，在我国一次性能源的生产和消耗中，煤炭占70%以上[1]，且煤炭的能源支柱作用短期内不会改变[2]。大规模的煤炭开采改变了矿区水文地质条件，造成大面积塌陷，出现地裂缝、塌陷坑、塌陷洞等，严重破坏土体结构，影响土壤水分布特征[3]，水土保持功能降低，改变原有地形地貌，加剧降雨形成的水流对土壤的侵蚀[4]，人为造成水土流失。神府-东胜煤田是我国重要的煤炭基地，近年来煤炭资源的过度开采，给当地生态环境造成了严重影响，其中采煤塌陷造成的水土流失尤为严重[5-6]。部分学者[7-10]通过对比采煤塌陷区和非塌陷区的土壤含水量，分析了塌陷区土壤含水量分布特征，但少见针对塌陷区内裂缝对土壤含水量影响的研究。笔者以神府-东胜煤田石圪台采煤塌陷区为研究对象，分析不同裂缝宽度下的土壤水特征，并对采煤塌陷裂缝区与非裂缝区的土壤含水量空间变异特征进行分析，以期了解采煤塌陷区裂缝对土壤水的影响，为矿区土地复垦及生态环境治理提供基础理论依据。

1 研究区概况

研究区位于神府-东胜煤田石圪台矿区[11]。石圪台煤矿东西长10 km，南北宽8.5 km，矿区面积65.25 km2，地质储量8.35亿t，其中可开采量6.62亿t。矿区处于陕北黄土高原北部和毛乌素沙漠东南缘，植被覆盖度低，土壤以风沙土为主。地貌单元主要分为2大类：北部风积沙区，沙丘连绵，地形相对平缓；南部丘陵沟壑区，梁峁相间分布，地形东高西低[12]。矿区内主要水系为乌兰木伦河，年径流量0.38亿～5.25亿m3。气候属北温带干旱半干旱大陆性气候，四季冷热多变，日夜温差悬殊，多年平均降雨量约为400 mm，蒸发量约为2 000 mm[13]。

2 研究方法

2.1 野外布点与取样

2016年11月在石圪台煤矿塌陷区选取100 m×100 m区域作为试验区，区内包括裂缝区、有植被覆盖的非裂缝区和无植被覆盖的非裂缝区。在实验区内每隔20 m作为1个步长均匀布点，布点36个(见图1)。非裂缝区布点26个，其中有植被区7个，无植被区19个，裂缝区布点10个。根据塌陷裂缝边界及植被区与无植被区分界情况，补充10个测点(B1～B10)。在塌陷区不同宽度裂缝处(8、4、3、2和1 cm)和非裂缝区各取样1个，共6个进行土壤机械组成及含水量分析。在每个实验点0～60 cm深度内的0、10、20、30、40、50和60 cm等7个土层分别用环刀取样，每层重复取样3个，最后实验室测定结果取平均值。共采取土壤样品1 092个置于铝盒中，现场用精度为0.01 g的电子秤称量密封并记录数据。

图1 实验区采样布点图Fig.1 Sampling layout map in the experimental area

2.2 样品测试与分析方法

土壤含水量测定采用烘干法[12]；采用传统统计学分析土壤含水量的垂向变化特征[14]；利用P-P检验图法[15]，通过SPSS 20对数据进行正态性检验。在此基础上，利用地统计学中的Kriging插值法，通过Surfer11.0软件进行土壤含水量的平面变化特征分析。

3 采煤塌陷区裂缝宽度对土壤含水量的影响

不同宽度裂缝下不同深度土层土壤含水量测定结果见表1。对照点与各裂缝点土壤含水量在土层深度上变化的变异系数值范围为0.33～0.46，均呈中等变异程度[16](0.1

从垂向分布看，对照点及裂缝宽为1 cm、2 cm和3 cm的测点，土壤含水量随土层深度增加而不断增大。而当裂缝宽为4 cm和8 cm时，地面以下30 cm内，土壤含水量较小，30～60 cm范围，各土层间土壤含水量变幅较小，且明显小于裂缝宽度为1 cm、2 cm和3 cm的相应深度的土壤含水量。说明当裂缝宽度较大时，30 cm以下土壤含水量受裂缝影响较大。

表1 不同宽度裂缝条件下土壤含水量统计值

4 采煤塌陷区土壤含水量空间分布特征

4.1 垂向变化特征

由于土壤结构的非均质性以及含水量受土壤结构、质地、降雨等因素的影响，土壤含水量在垂向上存在变化特征。采煤塌陷区土壤塌陷和大量裂缝的出现，破坏土体结构，进而影响土壤的孔隙度，对土壤含水量的分布产生较大影响[17]。从表2和表3裂缝区和非裂缝区0～60 cm不同深度下的土壤含水量特征值可以看出，裂缝区土壤含水量在0～30 cm范围随着深度增加增幅显著，30 cm以下，增幅较小。最大值均处于60 cm处，最小值处于土壤表层(0 cm)。裂缝区和非裂缝区土壤含水量的均值和中位值变化趋势基本一致，随着土层深度的增加而变大。地表(0 cm)土壤含水量明显低于地下各层(10～60 cm)，主要因为地表土壤，在冬季(11月)降雨补给少，同时实验区地处干旱半干旱地区蒸发作用强烈所致；而地表以下(10～60 cm)的土壤层，历经雨季后水分下渗到土壤深层，地表以下土壤中蒸发作用减弱，水分蒸发量降低。同一土层深度，裂缝区土壤含水量小于非裂缝区，是由于裂缝的存在破坏土壤原生结构，出现了水分优先路径，使得水分更快向土壤深处运动，降低了土壤持水能力，并且裂缝增加土壤与外界的接触面积，使得蒸发量增加，导致裂缝区土壤含水量偏低。

表2 裂缝区土壤含水量特征值统计

表3 非裂缝区土壤含水量特征值统计

离散系数是指标准差与平均数的比例[18]，它反映单位均值上的离散程度，离散系数越大，说明其离散程度越大。对于土壤含水量垂向分布的离散程度，采用离散系数来度量。裂缝区土壤含水量不同深度的离散系数在0.18～0.54之间，非裂缝区处于0.16～0.44之间。裂缝区与非裂缝区土壤含水量垂向不同深度的离散程度均为中等变异性。受自然因素与人为因素的影响，裂缝区与非裂缝区在土壤表层(0 cm)离散系数均为最大。

4.2 平面变化特征

地统计学是以半方差函数为工具，研究在空间分布上既有随机性又有相关性的自然现象的科学。P-P图是正态分布检验的一种方法，本研究利用SPSS20对土壤含水量进行P-P图检验分析。从图2可以看出，各个深度土壤含水量P-P检验图近似为直线型，可以看作正态分布。对数据进行半方差函数拟合，分析模型误差[19-20]。从表5拟合模型的参数误差可知满足分析要求。利用拟合模型通过Surfer 11.0中的Kriging插值对土壤含水量空间分布进行分析。实验区0～60 cm不同深度土层含水量空间分布见图3～9。

从表层(0 cm)土壤含水量等值线图(图3)可以看出，该层土壤含水量总体较低。裂缝区土壤含水量范围在0.43%～1.05%之间，平均0.57%，离散系数0.54，属于中等变异强度。非裂缝区土壤含水量范围在1.12%～4.39%之间，平均1.92%，离散系数0.44，属于中等变异,变异性小于裂缝区(表2和表3)。在实验区分别存在2个土壤含水量高值区和低值区，高值区1个位于实验区西北角，1个位于东部偏南，低值区1个位于试验区中部，1个位于东北角。结合实验区布点情况，可以看出，土壤含水量高值区均位于非裂缝区，同时位于西北角的高值区土壤含水量相对较高且等值线较密，低值区1个位于裂缝宽度较大的区域，另1个位于无植被区但靠近宽度较大的裂缝处。说明采煤塌陷裂缝使得土壤表层含水量减少，且宽度越大处，含水量越低，植被根系对土壤水具有一定的固结作用。

图2 不同深度土壤含水量P-P正态检验图Fig.2 P-P normal distribution test diagram of soil moisture content at different depths

表4 不同深度土壤含水量半方差函数拟合模型的参数误差

从10 cm深度土壤含水量分布等值线图(图4)可以看出，该层土壤含水量总体上比地表(0 cm)处高。裂缝区与非裂缝区土壤含水量均属于中等变异,非裂缝区变异性大于裂缝区。分布有3个土壤含水量高值区，全部位于非裂缝区，且等值线分布较密，说明在高值区含水量平面变幅较大；而土壤含水量低值区位于裂缝区及无植被区接近裂缝区，其中最低值位于裂缝宽度较大处。

图3 0 cm土壤含水量等值线图Fig.3 Contour map of soil moisture content at the depth of 0 cm

图4 10 cm土壤含水量等值线图Fig.4 Contour map of soil moisture content at the depth of 10 cm

20 cm土层含水量分布等值线如图5所示。该层土壤含水量总体上比10 cm土层高。塌陷区土壤含水量变异性属于中等变异，但裂缝区土壤含水量变异性小于非裂缝区。位于植被覆盖区的土壤含水量高值区，等值线较为密集，说明含水量平面变幅较大，而位于塌陷区的低值区等值线较为稀疏，说明含水量平面变幅较小。同时，可以看到土壤含水量高值区相对于10 cm分布图向北移动，但最高区依然位于非裂缝区的植被覆盖区，说明植物对增加土壤含水量具有较大作用。

30 cm土层含水量分布等值线见图6。非裂缝区土壤含水量与20 cm土层基本一致，裂缝区土壤含水量有较小幅度的增大。裂缝区与非裂缝区的土壤含水量变异性均属于中等变异。

图5 20 cm土壤含水量等值线图Fig.5 Contour map of soil moisture content at the depth of 20 cm

图6 30 cm土壤含水量等值线图Fig.6 Contour map of soil moisture content at the depth of 30 cm

土壤含水量高值区依然位于非裂缝区，且最高区位于植被覆盖区，最低区位于裂缝区与无植被区的结合处，且靠近宽度较大的裂缝。

40 cm土层含水量分布等值线见图7。非裂缝区土壤含水量与30 cm土层基本一致，裂缝区土壤含水量有较小的增幅。裂缝区与非裂缝区土壤含水量均属于中等变异。该层土壤含水量最小区位于采煤塌陷裂缝区中裂缝宽度较大处，裂缝宽度达4 cm。说明裂缝宽度对土壤含水量的影响较为强烈，且裂缝宽度越大，垂直影响深度越深。

图7 40 cm土壤含水量等值线图Fig.7 Contour map of soil moisture content at the depth of 40 cm

图8 50 cm土壤含水量等值线图Fig.8 Contour map of soil moisture content at the depth of 50 cm

50 cm土层含水量分布等值线如图8所示。与上层相比，该层土壤含水量均值依然增加。裂缝区与非裂缝区土壤含水量均属于中等变异。3个高值区均位于非裂缝区，低值区位于宽裂缝区或靠近宽裂缝的无植被区。

60 cm土层含水量分布等值线见图9。裂缝区与非裂缝区土壤含水量均属于中等变异。土壤含水量最大值为11.41%，极差为10.38%，土壤含水量平均值为4.55%。与0～50 cm土层对比，土壤含水量最大值、极差和平均值均达到了最大，主要因为该层土壤深度较深，受蒸发蒸腾作用和人为影响较小，土壤含水量损失较少。土壤含水量高值区在植被覆盖区。2处含水量低值区均位于裂缝区中裂缝宽度较大或裂缝较发育的位置，土壤含水量损失严重。