采煤沉陷區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任公司，陜西 榆林 719300；2.中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，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“西多東少，南貧北富”的特點，西北地區一直以來都是煤炭資源開發的主要區域[1].受地理等自然因素的影響，西北地區水資源非常稀缺，是典型的干旱半干旱荒漠化地區和國家級水土流失重點監督區域[2-3].因此，西北地區高強度的煤炭資源開發活動與先天脆弱的生態本底環境之間的內在矛盾，使生態環境破壞成為當地突出問題[4-5]，其中一個重要表現就是煤炭開采對土壤含水率的影響[6].

大規模、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生冒落、垮塌、裂隙和移動，導致煤礦區地表出現許多塌陷下沉區和一些大型的永久地表裂縫[7].沉陷區內大量垂向生成的地裂縫會破壞土壤包氣帶原有的物理結構，造成土壤包氣帶水分的流失[8]；部分冒落帶與導水裂隙帶會導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系，導致采煤區內土壤水分大量流失[9-11].張發旺等[12]研究發現，煤炭開采產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]研究裂縫發育特征對0～1.0 m 深度土壤含水率的影響，發現土壤含水率由大到小排序為裂縫區<沉陷無裂縫區<未開采區，且裂縫密度與土壤含水率呈顯著負相關；郭巧玲等[14]研究了焦作市小馬煤礦區采煤沉陷地裂縫對0～0.5 m 深度土壤含水率的影響，發現地裂縫會降低土壤含水率.

礦區地裂縫對深層土壤含水率時空變化影響的研究，是進一步認識和了解水資源存儲情況的前提與保障[15]，對西北地區采煤沉陷區的水資源管理和植被恢復等具有重要意義.盡管相關學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為研究對象，分析不同類型采煤地裂縫（邊緣地裂縫和動態地裂縫）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律，為科學合理開采煤炭資源、減輕對地表環境的破壞提供理論依據.

1 研究區概況

1.1 自然地理概況

研究區位于陜北某煤炭基地煤礦區（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，風大沙多，干燥少雨，晝夜溫差懸殊.冬季寒冷且持續時間長，夏季炎熱短暫，春季升溫較快，秋季降溫顯著[17].研究區內無明顯地表水系，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.全區地表覆蓋第四系風積沙層，多呈現新月形或波狀沙丘.地形總體表現為南北高，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%；農業植被及非植被區域面積占比為20.87%.研究區內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脆弱區環境，風積沙地區地下煤炭開采對地表環境的影響主要是沉陷地裂縫.根據與工作面的相對位置關系，可將地裂縫分為工作面正上方的動態地裂縫和工作面邊界的邊緣地裂縫.邊緣地裂縫經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；動態地裂縫具有臨時性、動態性、自愈性等特征，一般位于開采沉陷盆地的底部，隨著開采活動結束，裂縫最終將愈合.研究區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

本研究采樣時間為2019 年8 月，工作面為31102和31103.根據開采時間，本研究將工作面劃分為未擾動區、1 年采動區和2 年采動區.采樣時，采煤掘進線位于31103 工作面.由于動態地裂縫持續時效性較短且超前于采掘面一部分，因此將動態裂縫運動區進行適當前擴，據此將動態裂縫區分為動態影響區和動態閉合區；邊緣地裂縫分布于工作面周圍，根據開采時間，將邊緣裂縫區分為1 年邊緣裂縫區和2 年邊緣裂縫區.采樣區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，設定洛陽鏟的打鉆深度為6.0 m，每隔0.5 m 用環刀取3 份平行土樣.采集后的土樣置于鋁盒內并帶回實驗室.

根據《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，為使土壤水分蒸發完全，烘干時揭開鋁盒蓋并置于烘箱內；最后將裝有土樣的鋁盒和鋁盒蓋移入干燥器內冷卻，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 結果與分析

3.1 淺層土壤含水率變化

分別對未擾動區、動態裂縫區、邊緣裂縫區淺層土壤含水率點位數據進行匯總計算，結果如圖3 所示.

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

由圖3 可知，與未擾動區相比，動態影響區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%，動態閉合區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%；動態影響區0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤的含水率分別比動態閉合區相應的值低0.43%、0.12%和-0.02%.與未擾動區相比，1年邊緣裂縫區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 年邊緣裂縫區相應的值高0.62%、0.18%和0.02%.

由以上分析可以看出，各區域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；動態閉合區各深度土壤的含水率整體高于動態影響區相應的值，表明動態地裂縫對動態影響區土壤含水率的影響更大；所有地裂縫區域淺層土壤的含水率均低于未擾動區的相應值，表明煤炭開采沉陷產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，未擾動區各深度土壤含水率均高于1 年和2 年采動區相應的值，表明邊緣地裂縫和動態地裂縫對土壤水分空間分布影響均較大；1 年采動區0.1 m 和0.2 m 深度土壤的含水率略高于2 年采動區的值，而0.3 m 深度土壤的含水率差異不大；未擾動區與1 年采動區土壤含水率空間分布存在明顯界線，采動區土壤含水量與未擾動區相比，呈現斷崖式下降，這可能與采煤擾動有直接關系，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、動態裂縫區、邊緣裂縫區0.5～6.0 m 深度土壤含水率的點位數據進行匯總計算，結果如圖5 所示.

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

由圖5 可知，各區域土壤含水率在0.5～2.0 m 深度范圍內均隨深度增加而降低，規律較明顯.0.5～2.0 m深度，未擾動區土壤含水率明顯大于地裂縫區的值；1.0 m 和1.5 m 深度，1 年邊緣裂縫區的土壤含水率高于2 年邊緣裂縫區的值；0.5 m 和2.0 m 深度，1 年邊緣裂縫區的土壤含水率低于2 年邊緣裂縫區的值；0.5 m 和1.0 m 深度，動態影響區的土壤含水率高于動態閉合區的值；1.5 m 和2.0 m 深度，動態影響區的土壤含水率低于動態閉合區的值.整體來看，0.5～2.0 m深度，2 種地裂縫區的土壤含水率均低于未擾動區的值，說明地裂縫會導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，各區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，各區域含水率基本隨深度增加而下降.各區域2.0～6.0 m 深度范圍內，除了未擾動區3.0 m 深度處出現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，水分不會產生較大的變化，含水率相對穩定[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時，一方面會改變煤炭開采地區土壤的環境和包氣帶巖土的結構狀態，增加入滲通道和巖土水分蒸發面積，以致塌陷區包氣帶巖土水分劇烈蒸發，水分流失嚴重[22-23]；另一方面，裂縫壁周圍土壤的水分蒸發導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.

動態影響區整體含水率低于動態閉合區，這主要是由于動態地裂縫的出現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，但該過程并不穩定.因此，動態影響區土壤含水率低于閉合區.邊緣裂縫與動態裂縫最大的區別在于其自修復性不如動態裂縫，動態裂縫經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，經過較長時間依然會有裂縫殘留.因此邊緣裂縫產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 年邊緣裂縫區含水率低于1 年邊緣裂縫區.

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.研究區豬毛菜、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生較大影響.

此外，各區域0.5 m 深度處土壤含水率明顯高于0.3 m 處土壤含水率，主要是由于研究區在采樣前幾天有降雨情況，雨水匯聚于地裂縫形成優先流.結合土質可知，0.3 m 深度處土質為砂土，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；0.5 m 深度處土質為黏土，保水性較強，加之該深度所受的蒸發作用較弱，因此含水率明顯高于0.3 m 處.

5 結論

本研究以我國陜北某煤炭基地煤礦區淺層（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律，得到如下結論：

（1）2.0 m 深度以上，邊緣地裂縫和動態地裂縫區的土壤含水率均低于未擾動區的相應值，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，各區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）動態裂縫影響區的土壤含水率整體低于動態裂縫閉合區，1 年邊緣裂縫區的土壤含水率整體高于2 年邊緣裂縫區，這主要與動態裂縫經過一定時間后可以完全閉合，而邊緣裂縫經過較長時間依然會有裂縫殘留有關.