陳小洋，李 力

(1.重慶市地勘局川東南地質大隊，重慶 400030； 2.成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059)

地下煤炭的開采易誘發(fā)各種次生地質災害[1-2]。采煤塌陷區(qū)中心位置由于開采裂縫較少，沉降較均勻，是有利于塌陷區(qū)復墾的區(qū)域。采煤塌陷區(qū)地表土壤水分空間分布往往表現(xiàn)出較大的異質性[3-5]。地下煤層開采會引起地表不均勻沉降及地表裂縫[6]，引起土體結構發(fā)生變化，對地表土壤水分變化產(chǎn)生一定的影響，進而對區(qū)域性的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生大的影響[7-9]。張萌等對李家塔采礦塌陷區(qū)地表土壤水分變化分析顯示，采煤活動增加了地面與空氣的接觸面積，導致其表層土壤蒸發(fā)面積較大，水分喪失嚴重[10]；李超等研究成果顯示，采煤裂隙的出現(xiàn)會使裂隙處及下部坡面水分狀況變差,進而會對植被生長產(chǎn)生抑制作用[11]；郭巧玲等對采煤塌陷區(qū)同一深度的土壤水分分析顯示，裂縫區(qū)土壤含水量明顯小于非裂縫區(qū)，且隨著裂縫寬度的增大，土壤含水量減小幅度不斷增大[12]；王琦等研究成果顯示，塌陷裂縫和風蝕、水蝕作用加劇了采煤塌陷區(qū)土壤水分流失[13]。在西部采煤塌陷區(qū)，由于氣候干燥，降雨稀少、水分蒸發(fā)強烈，地表土壤水分蒸發(fā)量遠大于補給量，因此土壤水分是控制采煤塌陷區(qū)復墾的主要因子；水分狀況及其平衡也是評定采煤塌陷區(qū)開發(fā)利用水平的最重要的依據(jù)之一[14-17]。綜上可知，分析煤礦開采前后采煤塌陷區(qū)中心位置土壤水分的變化規(guī)律及其主導因素是礦區(qū)環(huán)境恢復的前提。

地表土壤水分與土壤理化性質、地形因子及植被覆蓋情況的關系較為密切[18]。為了找出煤層開采后采煤塌陷區(qū)中心位置地表土壤水分含量變化及其分布主導因素，本次研究利用經(jīng)典統(tǒng)計學方法分析土壤理化性質(容重、土壤密度、總孔隙率、土壤有機碳質量分數(shù)、土壤黏粒質量分數(shù))、地形因子(坡度、坡向)及植被密度與地表土壤水分的影響關系。本次研究的目的是找出煤層開采后地表水分的變化規(guī)律及其主控因素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內蒙古與陜西交界處，地處毛烏素沙漠邊緣，氣候干旱，屬于風沙堆積地貌[19]。砂層深度為0～30 m，平均厚度約為8 m。區(qū)內地勢高低起伏，高程最大變化值約為35 m。

1.2 儀器及探測方法

本次研究在垂直煤層開采方向每隔100 m布置1條測線，共布置5條測線(L1、L2、L3、L4、L5)。在平行煤層開采方向每隔25 m布置一個鉆孔，用于采集表層(0～25 cm)土壤。同時在開采區(qū)中心位置較平坦處布置50 m×50 m的正方形區(qū)域，以分析小范圍內地表土壤水分的變化情況及其影響因素，測線及鉆孔布置如圖1所示。

圖1 測線及鉆孔布置示意圖

研究區(qū)工作面的開采時間為2015年5—9月，樣品采集分為煤層開采前后2次，分別為2015年4月和2016年4月，采樣間隔1 a，采集時間均為春季。土壤體積含水量在實驗室內采用烘干法獲得，運用環(huán)刀法、比重瓶法計算土壤容重和密度。采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質質量分數(shù)，采用篩分法結合比重計法計算土壤黏粒質量分數(shù)。利用RTK、GPS、卷尺等對研究區(qū)高程、植被覆蓋情況及坡度、坡向進行測量，如圖2所示。利用SPSS軟件對與土壤水分密切相關的各種土壤理化性質、地形因子及植被密度進行分析。

圖2 環(huán)刀取樣及植被密度測試現(xiàn)場圖

2 結果與分析

2.1 開采前后地表土壤水分變化規(guī)律

利用反距離差值方法獲得的研究區(qū)開采前后地表土壤體積含水量的空間分布圖如圖3所示。

圖3 開采前后2次探測研究區(qū)地表土壤體積含水量分布圖

由圖3(a)可知，開采前研究區(qū)地表土壤體積含水量為0.054～0.089 cm3/cm3，平均值為0.075 cm3/cm3，變異系數(shù)為0.09，屬于弱變異。插值結果顯示，地表土壤體積含水量的空間分布主要受高程變化的控制，含水量較低區(qū)域基本位于海拔較高地區(qū)(圖1中虛線范圍內)，含水量較高區(qū)域位于海拔較低地區(qū)(圖1中實線范圍內)。開采后地表土壤體積含水量為0.035～0.120 cm3/cm3，平均值為0.070 cm3/cm3，變異系數(shù)為0.25，屬于中等變異。

從圖3(b)可知，土壤體積含水量低值區(qū)主要分布在開采區(qū)兩邊位置，含水量較大值分布在開采區(qū)中間位置。開采后地表土壤體積含水量與海拔變化相關性不強，這表明采煤塌陷完全破壞了地表土壤水分的分布規(guī)律。

正方形區(qū)域(50 m×50 m)內2次實測地表土壤體積含水量變化情況如圖4所示。

(a)開采前

從圖4中可以看出，相比開采前地表土壤平均體積含水量(0.096 cm3/cm3)，開采后地表土壤平均體積含水量(0.115 cm3/cm3)增大0.019 cm3/cm3，這與整個采煤塌陷區(qū)中心區(qū)域土壤水分在開采后減小的規(guī)律不同。開采前后地表土壤水分的變異系數(shù)分別為0.128和0.160，開采前后小范圍內(50 m×50 m)地表土壤水分變異系數(shù)相差不大。

2.2 開采前后地表土壤水分變化主導因素

為了進一步分析開采區(qū)中心位置地表土壤體積含水量在開采后增大的原因，在排除天氣因素的影響外，分析了L3測線、50 m×50 m正方形區(qū)域內土壤體積含水量與總孔隙率、有機質質量分數(shù)、容重、密度及黏粒質量分數(shù)、坡度、坡向、植被密度的關系。

2.2.1 L3測線土壤體積含水量與其他土壤理化性質關系分析

開采前后L3測線高程對比如圖5所示，可以看出開采區(qū)中心位置開采后沉降較為均勻，地表高程在開采后平均下降約1.95 m。

圖5 開采前后L3測線高程對比

分別提取統(tǒng)計L3測線36個鉆孔處的土壤體積含水量、總孔隙率、有機質質量分數(shù)、容重、密度及黏粒質量分數(shù)數(shù)據(jù)，并分析各土壤物理參數(shù)的基本情況，統(tǒng)計分析結果如表1所示。

表1 開采前后L3測線地表土壤體積含水量與其他土壤理化性質的描述性統(tǒng)計分析

由表1可知，L3測線開采前地表土壤平均體積含水量為0.083 cm3/cm3，變異系數(shù)為0.14，屬于中等程度變異；開采后土壤體積含水量為0.117 cm3/cm3，變異系數(shù)為0.22，屬于中等程度變異，開采后探測土壤體積含水量與變異系數(shù)都顯著增大。開采后土壤密度均值為1.44 g/cm3，與開采前1.68 g/cm3相比減小0.24 g/cm3，開采前后土壤密度變異系數(shù)分別為0.07和0.08，均屬于弱程度變異。開采后土壤容重均值為2.52 g/cm3，與開采前2.60 g/cm3相比減小0.08 g/cm3；開采前后土壤容重變異系數(shù)分別為0.088和0.12，前者屬于弱變異程度，后者屬于中等變異程度。開采前后總孔隙率均值分別為35.4%和42.9%，開采后地表土壤總孔隙率增大7.5%，變異系數(shù)分別為0.11和0.14，均屬于中等程度變異。土壤有機質質量分數(shù)2次探測均值分別為1.97%和1.92%，開采前變異系數(shù)為0.17， 開采后變異系數(shù)為0.28，變異系數(shù)增大0.11。開采后探測土壤黏粒質量分數(shù)均值為4.81%，比開采前探測土壤黏粒質量分數(shù)均值4.67%略大，開采前后土壤黏粒變異系數(shù)分別為0.17和0.20，均屬于中等程度變異。整體上看，開采后表層土壤體積含水量、總孔隙率顯著增大，土壤黏粒質量分數(shù)略有增大，土壤有機質質量分數(shù)、容重和密度均呈現(xiàn)一定程度的降低。各土壤理化性質的變異系數(shù)均顯著增大。開采前后L3測線土壤體積含水量與其他土壤性質及地形因子的Pearson相關分析結果見表2。

表2 開采前后L3測線土壤體積含水量與其他土壤性質及地形因子的Pearson相關分析

從表2可以看出開采前后土壤體積含水量與土壤總孔隙率和坡向呈極顯著正相關關系(P<0.01)，開采前后土壤總孔隙率與土壤體積含水量的Pearson 相關系數(shù)分別為0.587、0.751。開采后地表土壤體積含水量與土壤總孔隙率的顯著相關性增強，開采前后土壤總孔隙率與坡度的Pearson 相關系數(shù)分別為-0.632、-0.540。2次探測過程中地表土壤體積含水量與土壤容重及密度呈顯著性負相關(P<0.05)，土壤有機質質量分數(shù)及土壤黏粒質量分數(shù)對土壤體積含水量沒有顯著影響。因此認為在900 m測線范圍內，開采后地表土壤體積含水量及其分布主要受容重、密度、總孔隙率及坡度共同影響。但與開采前相比，開采后土壤總孔隙率、容重與土壤體積含水量的相關性顯著增大，而坡度、土壤容重及坡向對土壤體積含水量的顯著性影響減小。

2.2.2 正方形區(qū)域土壤體積含水量與其他土壤理化性質關系分析

正方形區(qū)域開采前后土壤體積含水量如表3所示。從表3中可以看出，開采前后的地表土壤體積含水量均值分別為0.082、0.096 cm3/cm3，開采后探測所得土壤體積含水量比開采前大0.014 cm3/cm3，土壤水分變異系數(shù)均為0.12，屬于中等程度變異。各土壤理化性質指標中土壤有機質質量分數(shù)的變異最大，開采前后的變異系數(shù)分別為0.32和0.35，屬于中等程度變異。開采前后土壤總孔隙率平均值分別為39.6%和42.5%，開采后地表土壤總孔隙率顯著增大，但土壤總孔隙率變異程度相同，2次探測都為0.12，屬于中等程度變異。開采后土壤黏粒質量分數(shù)比開采前略小，2次探測均值分別為4.20%、4.02%，變異系數(shù)分別為0.23和0.25，屬于中等程度變異。土壤容重2次探測均值分別為2.63 g/cm3和2.40 g/cm3，開采后探測所得土壤容重較開采前明顯減小，變異系數(shù)分別為0.095和0.108，變異程度較弱。植被密度是每平方米上植物的數(shù)量，與開采前每平方米上植被的數(shù)量最大值5相比，開采后每平方米上植被的數(shù)量為3，顯著降低，每平方米上植被數(shù)量的平均值也由0.9降低至0.6。這表明煤礦開采對地表植被分布產(chǎn)生了嚴重的影響。

表3 正方形區(qū)域地表土壤體積含水量與其他土壤理化性質及植被密度描述性統(tǒng)計分析

開采前后正方形區(qū)域內各土壤性質及植被密度與土壤體積含水量的Pearson相關性分析結果見表4。從表4中可以看出，2次探測植被密度及土壤總孔隙率對地表土壤體積含水量均有極顯著影響(P<0.01)。開采前后植被密度與土壤體積含水量的Pearson 相關系數(shù)分別為0.76、0.70，開采后土壤總孔隙率與土壤體積含水量的Pearson 相關系數(shù)分別為0.46、0.58，植被密度對土壤體積含水量的影響顯著水平要大于土壤總孔隙率。土壤容重、土壤密度與土壤體積含水量呈顯著正相關關系(P<0.05)。土壤有機質及土壤黏粒質量分數(shù)對土壤體積含水量沒有顯著影響，這與沙壤土中有機質及黏粒質量分數(shù)較小有較大關系。另外，與開采前相比，開采后土壤總孔隙率對土壤體積含水量的顯著性影響增強，而植被密度及土壤容重對土壤體積含水量顯著性影響有所減弱。

表4 正方形區(qū)域內開采前后土壤體積含水量與其他土壤性質及植被密度的Pearson相關分析

3 討論

本次研究結果表明，在采煤塌陷區(qū)中心位置，總孔隙率和植被密度是影響土壤地表水分分布的主要因素。

王健研究顯示，開采后采煤塌陷區(qū)土壤容重小于未開采區(qū)的，開采區(qū)土壤總孔隙率比未開采區(qū)土壤總孔隙率有所增大[20]，這與本次研究結果相同。由于研究區(qū)常年干旱少雨，張紅軍研究發(fā)現(xiàn)當降雨量小于10 mm時，研究區(qū)降水主要被表層土壤吸收，10～20 mm的降水對土壤水分的補給深度不超過30 cm[21]。而宋亞新研究表明，裂縫閉合后地下還存在大量隱伏裂縫，在非飽和入滲條件下這些隱伏裂縫具有水流屏蔽作用，能起到一定的蓄水作用[3]。綜合以上分析，開采穩(wěn)定后塌陷區(qū)土壤總孔隙率顯著增大，研究區(qū)降雨主要被地表土壤吸收，而地下隱伏裂縫又能起到蓄水作用，這導致塌陷區(qū)中心位置地表土壤有更強的接納降水的能力，因此開采區(qū)中心位置土壤體積含水量相比開采前顯著增大。楊峰研究發(fā)現(xiàn)，裸沙地表土壤體積含水量與氣象要素關系密切，而非裸砂地表土壤體積含水量主要受氣象要素和植被密度2個因素制約[22]。本文中顯著性分析結果顯示，在小尺度范圍內，植被密度是決定地表土壤體積含水量的最主要因素。植被密度越大，地表土壤體積含水量越高，與楊峰等的研究結果相同。

4 結論

本次研究對中國西部典型采煤塌陷區(qū)及其中心位置土壤水分空間異質性及其影響因素進行了分析，得出以下結論：

1)開采前后整個研究區(qū)地表土壤體積含水量相差不大，分別為0.075、0.070 cm3/cm3。開采前地表土壤水分分布主要受地形及地表高程控制。開采后地表土壤水分的分布規(guī)律遭受破壞，呈現(xiàn)“兩邊低、中間高”的特征。

2)在大范圍內(L3測線，900 m)，開采前后地表土壤體積含水量分別為0.083、0.117 cm3/cm3。開采后采煤塌陷區(qū)中心位置地表土壤體積含水量顯著增大，這可能與開采后地表土壤總孔隙率增大，增強了土壤的蓄水能力有關。

3)采煤塌陷區(qū)中心位置小范圍內(50 m×50 m)地表土壤體積含水量在開采后明顯大于開采前，2次探測分別為0.082、0.096 cm3/cm3。地表土壤體積含水量與植被密度、土壤總孔隙率呈顯著性相關，而植被密度是決定土壤體積含水量分布的主要因素。