李 果

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315)

神东矿区位于我国西部晋陕蒙交界处，煤炭储量大、年生产能力强[1]。随着现代煤矿开采方式的推进[2]，矿区开发建设了多个世界级超大型井工煤矿。但该地区土壤受沙漠的侵扰形成了独特的土壤理化性质，土壤颗粒疏松无结构、储水保肥能力差、土壤质量下降[3]，水资源短缺、地表植被稀疏退化[4]，生态环境极其脆弱。

许多学者对生态脆弱区采矿地裂缝的形成、发育规律及对土壤水分进行了大量研究，胡振琪[5]等研究发现高强度开采下动态地裂缝具有自修复功能；贾鑫[6]等通过水分仪的现场测定得出距离裂缝越近的土壤水分受影响越大；郭巧玲[7]等对比分析不同宽度裂缝和非裂缝区土壤含水率，得出裂缝的宽度和深度均对土壤水分产生较大影响；Yang等[8]通过模拟实验和HYDRUS-1D模型得出土壤实际蒸发与潜在蒸发的比率随着地下水深度的增加而降低；Liu[9]通过研究得出可以通过调整开采速度控制地裂缝灾害的技术措施；台晓丽[10]等得出在受影响较大的沉陷区可采取人工修复措施以保证生态植被的正常生长；琚成远[11]等得出随裂缝宽度增大土壤结构变松散从而储水能力被破坏；王强民[12]等提出通过调整工作面宽度和开采厚度以减小地面塌陷的发育程度；杨泽元[13]等利用数值模拟模型得出了采煤裂缝区土壤水力学参数；毕银丽[14]等通过建立模型证明HYDRUS能够较好地模拟裂缝区域内的水盐运移；王丽男[15]通过分析得到复杂地质条件下地表裂缝的成因机理；严家平[16]等通过室内物理试验得出土壤裂隙加剧了铵态氮由表层向深部的迁移流失。

目前，针对采矿地裂缝的研究主要集中在地裂缝的形成机理、裂缝特征及地裂缝的产生对周边土壤水分影响。但针对生态脆弱区采矿地裂缝影响下的土壤水分运移情况以及地表裂缝的精细回填技术研究还较少，难以满足实际工程需要，且现阶段对于地裂缝的治理大多为就地掩埋，虽成本较低，但缺少理论指导，现场操作盲目，导致治理效果较差。基于此，本文以研究区内风积沙、黄土、黏土和粉煤灰为研究对象，通过原位观测与实验室实验结合的方法，首先测定研究区原状土及各重构土的土壤水分特性曲线，并利用MATLAB软件拟合出对应水分运动参数；再利用HYDRUS-1D软件模拟不同重构土按“三步法”对地裂缝进行回填后的土壤水分运动情况，以原位观测所得非沉陷区的实际数据为参考标准，对比选择出适用于生态脆弱区采矿地裂缝精细回填的重构土比例，以期为后期的矿区土地复垦建设提供一定理论依据，为生态脆弱区采矿地裂缝治理、回填提供了理论及技术支持，为区域发展提供宝贵的土地资源，同时为其他生态脆弱区采矿地裂缝精细回填提供部分参考。

1 材料与方法

本文选取神东某井田内的原状土、风积沙、黄土、黏土以及粉煤灰作为实验材料。

1)单因素试验设计。本文分别以矿区风积沙、黄土、黏土、粉煤灰为材料开展单因素试验，分别测定现场原状土及各重构土壤的干容重、饱和体积含水率、饱和入渗系数。单因素试验设计见表1。

2)干容重及饱和体积含水率测定方法。采用环刀烘干法[17]分别测定现场原状土及各重构土的干容重及饱和体积含水率。

表1 单因素试验设计

3)饱和入渗系数测定方法。采用室内实验常水头法[18]分别对研究区内现场原状土及各重构土进行土壤饱和渗透系数测定试验，试验装置如图1所示。

图1 各土壤组分饱和入渗系数测定装置

在环境温度为T时，渗透系数可通过下式进行计算：

式中，Qi为单位时间内水渗出量，mL；S为实验土柱横截面积，cm2；ti为计数时间间隔，min；l为土柱内的物料高度，m；ΔH为常水位下积水面至出水口高度，m。

将通过上式得出的土壤渗透系数转换为温度在10℃下的土壤渗透系数，则有下式：

4)现场原位监测方法。采用多功能土壤传感器在线监测土壤温湿度及电导率。实验于采煤沉陷区工作面上设计5条土壤观测剖面，土壤传感器埋深分别为距地表10cm、60cm、110cm、160cm、210cm，每处有3个测点，共25个三合一土壤传感器；非沉陷区相同设计。装置布设如图2所示。

图2 原位监测装置安装(cm)

5)重构土壤水分特征曲线及水分运动参数测定。采用有机玻璃圆柱，分别对非沉陷区原状土及由单因素试验筛选出的重构土，在模拟降雨条件下测定含水率变化及对应的张力值。有机玻璃柱体两侧分别安装负压式土壤张力计及高周波水分测定仪共计6组。分别测定各土壤在不同含水率下的土壤水吸力，利用MATLAB软件拟合出对应土壤水分特征曲线及水分运动参数。柱体如图3所示。

图3 圆柱模型(cm)

6)重构土回填模拟。回填土水分运移模拟为模拟“三步法”回填地裂缝中的“深部回填”和“表层覆土”，即，通过室内土柱实验及MATLAB软件拟合各土壤水分特征曲线及水分运动参数，利用HYDRUS-1D软件对非沉陷区原状土进行土壤水分运移模拟，其中时间周期设置为重构土回填至地裂缝后半年内的水分运移情况，模拟时间段内的降雨及蒸发量按往年实际数据进行设置。在构建模型时设定剖面岩性为两种，其中0～20cm土层的土壤水分运动参数为实验室测得的研究区内非沉陷区土壤数据，20～110cm土层的土壤水分运动参数分别为实验室测得的各重构土数据，观测点分别设在10cm、60cm、110cm处。对重构土回填进行模拟前，首先对模拟模型进行校验，校验方法为以测得的原状土参数进行模拟将模拟结果与现场原位监测结果进行对比分析。

2 重构土特性

2.1 单因素试验结果与分析

由实验结果得出在改变粉煤灰含量时重构土壤的饱和含水率及饱和入渗系数均增大且达到最大，原因是有研究表明[19]粉煤灰在与砂壤土混合后可提升砂壤土的饱和含水量及其持水性能，这与实验结果相符。对于回填土的选择不仅要考虑回填土的持水性及保水性，针对研究区蒸发量大的特点还应考虑回填土向深处土壤补给水分的能力，因此，本文选择以粉煤灰为自变量的重构土作为后期模拟回填的回填土，并选择以粉煤灰为自变量的重构土作为实验材料分别测定原状土与重构土的土壤水分特征曲线及水分运动参数。

表2 非沉陷区土壤干容重测定结果

表3 沉陷区土壤干容重测定结果

表4 单因素试验记录表

2.2 各土壤水分特性曲线及水分运动参数测定结果

由2.1得出采用以粉煤灰为自变量的重构土作为回填材料，将质量比为1∶1∶1∶1、1∶1∶1∶2、1∶1∶1∶3的重构土分别对应装入图3所示圆柱体内，编号为1—3号，根据室内土柱实验，选择Van Genuchten模型[20]对实验数据利用MATLAB软件进行拟合。表达式为：

式中，θ为体积含水率，cm3/cm3；θr为残余含水率，cm3/cm3；θs为饱和含水率，cm3/cm3；h为土壤水吸力，cmH2O；α为进气值，cm-1；m，n为模型参数。

导入实验数据并利用MATLAB软件拟合，拟合曲线如图4(a)—(d)所示，拟合参数见表5。实测值与模拟值的ESS(残差平方和)均小于0.001，证明实测值与模拟值的误差相对较小。

表5 各土样土壤特征曲线拟合参数

图4 各土柱水分特征拟合曲线

由图4(a)—(d)可以看出，各填充土壤水分特征曲线形态变化均随含水率下降而增大；土壤水吸力在0～100cmH2O之间时，原状土、2号柱、3号柱的土壤含水率随水吸力的上升下降速度不大，1号柱的土壤含水率下降快，这是因为1号柱的重构土中大颗粒占比较高且填充物在土柱内为均匀分布外界空气进入土壤中并占据了土壤孔隙通道随吸力值稍微增加就可使水分快速流失使得土壤水分在柱体内的运移时受重力及大气压作用明显；土壤水吸力在100～400cmH2O之间时，原状土、2号柱、3号柱的土壤含水率随土壤水吸力增大快速降低这是因为土壤水吸力逐渐增加到进气值使得外部空气进入到土壤孔隙中；当土壤含水率下降到一定值时，土壤含水率下降不再明显，图4中2号土柱最先达到此状态且此时2号柱的土壤含水率最大，说明2号柱的填充重构土持水性能最好。1号柱、2号柱、3号柱填充重构土的干容重依次递减，由于1号柱内大颗粒占比高土壤细小孔隙发育不完全使得在吸力刚增大时含水率就迅速下降，对比2号与3号土柱发现容重大的2号土柱内土壤保水性能好，这是因为在一定范围内相同组分在不同比例混合下容重增大土壤的持水能力随之增强。因此，可以得出土壤颗粒占比、土壤容重的变化都明显影响了土壤基质势与土壤含水率的变化规律，但在总体上仍是土壤基质势随土壤含水率的增加而降低，反之亦然。

2.3 模拟模型校验

由现场原位监测数据发现研究区土壤在110cm以下土层土壤含水率几乎无变化，因此仅对110cm及以上土层处测点位置进行模拟，利用HYDRUS-1D软件结合2.2拟合出的原状土水分运动参数以原位检测结果为标准，对模拟模型进行校验模拟结果如图5所示(图中N1、N2和N3分别表示10cm、60cm和110cm土层处观测点，后同)，通过在工程文件夹中提取模拟输出数据，将不同土层深度的土壤含水率随时间变化数据与现场原位监测的实测值进行对比，不同观测点含水率随时间变化结果如图6(a)—(c)所示，各评价指标计算结果见表6。

图5 各土层土壤含水率随时间变化模拟值

图6 各观测点含水率实测值与模拟值对比图

由图6可知，模拟结果与实测结果非常接近，但总体模拟值相较于原位监测的实测值小，这是由于现场实际情况较为复杂利用数值模拟的方法将现场情况进行了简化从而仅考虑降雨和蒸发情况而未考虑现场植物对蒸发作用的影响，因此模拟值蒸发量大于实测值造成了在数值上小于实测值但总体变化趋势一致的结果。

由表6可以看出，RMSE值均小于0.002cm3/cm3，RE值均大于-2%，均在允许误差范围内；NSE的取值范围在负无穷到1之间，其中数值越接近于1模拟值与实测值匹配度越高模拟效果越可信，越接近于0模拟值越接近于实测值的平均值，表中10cm、60cm处观测点的NSE值均大于0.5说明模拟值可信度高，110cm处的值小于0.5这是因为110cm处的实测值起伏不大都接近于其平均值因此110cm处的NSE值只要介于0～1之间也可看作模拟是可信的；R2值越接近于1说明拟合度越高，从上表可以看出在各土层处R2值均大于0.7证明拟合度较高。因此此模型是可信的，且由室内土柱实验得出的土壤水分运动参数可用于回填土水分运移模拟。

表6 各评价指标计算结果

2.4 重构土回填模拟

各重构土回填后水分运动模拟结果如图7—图12所示。其中水分通量数值为正代表垂直地面向上，即水分蒸发；数值为负代表垂直地面向下，即水分入渗。

图7 质量比为1∶1∶1∶1时体积含水率模拟结果

图8 质量比为1∶1∶1∶1时水分通量模拟结果

由图7、图8可以看出当回填组分按质量比为1∶1∶1∶1进行回填时，重构土的土壤水分运移模拟情况为土壤含水率随土层的增加变化幅度逐渐减小且在降水条件下浅层土壤含水率增大一段时间后，深层土壤水分再随之增加，随时间的增加各土层土壤含水率总体呈现下降趋势，说明了在该比例下的回填土对土壤水分的保持性不好易受蒸发条件影响；通过各观测点的水分通量模拟结果可以看出10cm处土壤水分在降雨条件下向深层土壤供给量较大且入渗速率较大利于土壤水分向深层土壤的传输，但到了60cm较深处土层土壤受日常蒸发条件的影响仍较大，得出在此质量比混合下的重构土回填后在较深层处土壤受蒸发条件影响仍较大。

由图9、10可以看出当回填组分按质量比为1∶1∶1∶2进行回填时，重构土的土壤水分运移模拟情况为土壤含水率随土层的增加变化幅度逐渐减小，在降水条件下浅层土壤含水率增大一段时间后深层土壤水分再随之增加，在110cm处土层含水率变化幅度不大，60cm处土层含水率受蒸发条件影响不大仅在降雨条件下有所增大，60cm和110cm处土层土壤含水率有略微增大说明该土壤具有一定的保水性且略优于非沉陷区原状土，各土层土壤含水率在日常条件下能保持在一稳定范围内小幅度变化但整体均有略微下降，这与前文中的原位监测结果相符，说明在此比例下的重构土水分运移情况与非沉陷区原状土的水分运移规律相似，适宜作为回填土对地裂缝进行回填；通过各观测点的水分通量模拟结果可以看出10cm处土层水分通量变化趋势及幅度随降雨及蒸发条件的变化而变化且在降雨条件下水分可及时入渗到深部土层中，60cm处土层在降雨强度较大的情况下土壤水分向深部入渗较为明显且蒸发量已明显降低，110cm处土层土壤水分通量仅有微量的入渗水分变化幅度不大。

图9 质量比为1∶1∶1∶2时体积含水率模拟结果

由图11、12可以看出当回填组分按质量比为1∶1∶1∶3进行回填时，重构土的土壤水分运移模拟情况为，在110cm处土层含水率随时间变化幅度相较于质量比为1∶1∶1∶1时的模拟情况变化不大但仍有略微下降，60cm处土层含水率受蒸发条件影响较大但在降雨条件下入渗速率大于质量比为1∶1∶1∶2时的模拟情况，可以看出总体保水性能小于质量比为1∶1∶1∶2但高于质量比为1∶1∶1∶1时的模拟情况；通过各观测点的水分通量模拟结果可以看出10cm处土层水分通量变化趋势及幅度随降雨及蒸发条件的变化而变化且在降雨条件下水分可及时入渗到深部土层中，60cm处土层在降雨条件下土壤水分向深部入渗较为明显但在非降雨条件下受蒸发作用的影响仍较为明显，110cm处土层土壤水分通量仅有微量的入渗水分变化幅度不大。

图11 质量比为1∶1∶1∶3时体积含水率模拟结果

图12 质量比为1∶1∶1∶3时水分通量模拟结果

3 结 论

1)由单因素试验结果得出在改变粉煤灰含量时重构土壤的饱和含水率及饱和入渗系数均增大且达到最大，故选择以粉煤灰为自变量的重构土作为后期模拟回填的回填土。

2)通过将模拟值与原位监测实际值对比分析得出所选VG模型可以准确模拟出研究区的土壤水分运移特征，且由室内土柱实验得出的土壤水分运动参数是合适的，可以用于接下来的回填土水分运移模拟。

3)回填组分按质量比为1∶1∶1∶2均匀混合下的重构土为最佳回填重构土，在回填后的土壤水分运移情况与非沉陷区土壤原位监测结果最为接近且较深处土壤保水性能略优于非沉陷区原状土；回填方法为将重构土填充至地裂缝中待回填材料填充至距地表20cm处停止填充并夯实，剩余空间覆以现场非沉陷区原状土至于地表持平，后期可在表层覆土上种植适宜在当地生长的植被提高生态修复效果。

4)本文模拟部分仅考虑了研究区降雨及蒸发因素，但未考虑研究区内植被因素的影响及溶质运移问题，在之后的研究中可对其加以研究。