采煤沉陷区地裂缝对土壤含水率的影响

高云飞，张 凯，杜 坤，赵 乐，吴凤箫

（1.国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 榆林 719300；2.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083）

煤炭是我国最重要的能源之一，地理分布上，煤炭资源呈现“西多东少，南贫北富”的特点，西北地区一直以来都是煤炭资源开发的主要区域[1].受地理等自然因素的影响，西北地区水资源非常稀缺，是典型的干旱半干旱荒漠化地区和国家级水土流失重点监督区域[2-3].因此，西北地区高强度的煤炭资源开发活动与先天脆弱的生态本底环境之间的内在矛盾，使生态环境破坏成为当地突出问题[4-5]，其中一个重要表现就是煤炭开采对土壤含水率的影响[6].

大规模、高强度的煤炭开采使煤层的上覆岩层因失去支撑作用而自下而上发生冒落、垮塌、裂隙和移动，导致煤矿区地表出现许多塌陷下沉区和一些大型的永久地表裂缝[7].沉陷区内大量垂向生成的地裂缝会破坏土壤包气带原有的物理结构，造成土壤包气带水分的流失[8]；部分冒落带与导水裂隙带会导通潜水层与包气带部位的土壤，使地下水沿着裂缝与覆岩开裂处错落渗漏，改变地下水的径流和排泄条件，降低潜水层与包气带表层土壤的联系，导致采煤区内土壤水分大量流失[9-11].张发旺等[12]研究发现，煤炭开采产生的塌陷裂缝会增加包气带水分的散失，造成地表泉水、河流沟渠等的干涸；张延旭等[13]研究裂缝发育特征对0～1.0 m 深度土壤含水率的影响，发现土壤含水率由大到小排序为裂缝区<沉陷无裂缝区<未开采区，且裂缝密度与土壤含水率呈显著负相关；郭巧玲等[14]研究了焦作市小马煤矿区采煤沉陷地裂缝对0～0.5 m 深度土壤含水率的影响，发现地裂缝会降低土壤含水率.

矿区地裂缝对深层土壤含水率时空变化影响的研究，是进一步认识和了解水资源存储情况的前提与保障[15]，对西北地区采煤沉陷区的水资源管理和植被恢复等具有重要意义.尽管相关学者针对采煤沉陷地裂缝对土壤含水率的影响做了大量研究[16]，但范围主要集中在浅层土壤（≤1.0 m），忽视了地裂缝对更深层土壤含水率的影响.因此，本研究以陕北某煤炭基地煤矿区为研究对象，分析不同类型采煤地裂缝（边缘地裂缝和动态地裂缝）对浅层和深层土壤含水率的影响，解析土壤含水率的时空变化规律，为科学合理开采煤炭资源、减轻对地表环境的破坏提供理论依据.

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

研究区位于陕北某煤炭基地煤矿区（37°58′00″N～38°05′30″N，108°51′30″E～109°00′00″E），属北温带半干旱大陆性气候，日光辐射强度大，日照时间丰富，风大沙多，干燥少雨，昼夜温差悬殊.冬季寒冷且持续时间长，夏季炎热短暂，春季升温较快，秋季降温显著[17].研究区内无明显地表水系，地下水主要为第四系萨拉乌苏组孔隙潜水含水层，潜水位平均埋深为30 m 左右.全区地表覆盖第四系风积沙层，多呈现新月形或波状沙丘.地形总体表现为南北高，中部低.井田长约为17.8 km，倾斜宽约为13.5 km，面积为176.34 km2.

研究区植被类型主要包括落叶阔叶林、沙生灌丛、草丛等.高覆盖度植被以乔木、灌木为主，面积占比8.45%；中覆盖度植被主要为油蒿、沙柳等灌丛，面积占比36.60%；低覆盖度植被主要为沙米、虫实、猪毛菜等灌草丛，面积占比34.08%；农业植被及非植被区域面积占比为20.87%.研究区内草本和灌木的根系集中分布在0～2.0 m 深度处，而小叶杨等优势乔木植物的根系主要分布在0～6.0 m 深度处[18-19].

1.2 地裂缝概况

煤炭开采会破坏生态脆弱区环境，风积沙地区地下煤炭开采对地表环境的影响主要是沉陷地裂缝.根据与工作面的相对位置关系，可将地裂缝分为工作面正上方的动态地裂缝和工作面边界的边缘地裂缝.边缘地裂缝经过较长时间依然会有裂缝残留，一般以“带状”形式平行分布于开采边界，开采完成后以“O”型圈分布于地表；动态地裂缝具有临时性、动态性、自愈性等特征，一般位于开采沉陷盆地的底部，随着开采活动结束，裂缝最终将愈合.研究区域地裂缝深度主要集中在0.5～2.0 m，宽度范围为0.1～0.4 m，裂缝密度为67 条/hm2，地裂缝分布情况及剖面图如图1 所示.

图1 地裂缝分布及剖面图Fig.1 Distribution and profile map of ground fissures

2 材料与方法

2.1 布点与分区

本研究采样时间为2019 年8 月，工作面为31102和31103.根据开采时间，本研究将工作面划分为未扰动区、1 年采动区和2 年采动区.采样时，采煤掘进线位于31103 工作面.由于动态地裂缝持续时效性较短且超前于采掘面一部分，因此将动态裂缝运动区进行适当前扩，据此将动态裂缝区分为动态影响区和动态闭合区；边缘地裂缝分布于工作面周围，根据开采时间，将边缘裂缝区分为1 年边缘裂缝区和2 年边缘裂缝区.采样区0～0.3 m 深度为浅层土壤，0.5～6.0 m深度为深层土壤.各区采样点分布如图2 所示.

图2 工作面及采样点示意图Fig.2 Schematic diagram of working face and sampling points

2.2 土壤含水率测定

用不同方法对浅层土壤和深层土壤取样：①直接用环刀取出浅层土壤样本，采样深度分别为0.1、0.2和0.3 m；②使用洛阳铲对深层土壤进行打钻取样，取样时，设定洛阳铲的打钻深度为6.0 m，每隔0.5 m 用环刀取3 份平行土样.采集后的土样置于铝盒内并带回实验室.

根据《NYT 52—1987 土壤水分测定法》[20]，采用烘干法测定土样的含水率.具体操作为：首先称取空铝盒（加盖）的重量m1；其次将土壤样品置于铝盒内进行称重（带盖），重量为m2；然后将装有土样的铝盒放入105 ℃的烘箱中烘干8 h，为使土壤水分蒸发完全，烘干时揭开铝盒盖并置于烘箱内；最后将装有土样的铝盒和铝盒盖移入干燥器内冷却，待温度降至室温时称重，重量为m3.土壤含水率w 计算公式为

3 结果与分析

3.1 浅层土壤含水率变化

分别对未扰动区、动态裂缝区、边缘裂缝区浅层土壤含水率点位数据进行汇总计算，结果如图3 所示.

图3 未扰动区和地裂缝区浅层土壤的含水率Fig.3 Moisture content of shallow soil in undisturbed and ground fissure areas

由图3 可知，与未扰动区相比，动态影响区0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤的含水率分别低1.58%、0.66%和0.72%，动态闭合区0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤的含水率分别低1.16%、0.54%和0.74%；动态影响区0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤的含水率分别比动态闭合区相应的值低0.43%、0.12%和-0.02%.与未扰动区相比，1年边缘裂缝区0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤的含水率分别低1.11%、0.52%和0.71%，2 年边缘裂缝区0.1、0.2和0.3 m 深度土壤的含水率分别低1.72%、0.70%和0.73%；1 年边缘裂缝区0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤的含水率分别比2 年边缘裂缝区相应的值高0.62%、0.18%和0.02%.

由以上分析可以看出，各区域0.1 m 深度土壤的含水率明显高于0.2 m 和0.3 m 深度的值，表明浅层土壤的含水率会随着深度的增加而降低；动态闭合区各深度土壤的含水率整体高于动态影响区相应的值，表明动态地裂缝对动态影响区土壤含水率的影响更大；所有地裂缝区域浅层土壤的含水率均低于未扰动区的相应值，表明煤炭开采沉陷产生的地裂缝对浅层土壤含水率的影响较大.

为探究地裂缝对浅层土壤含水率空间分布的影响，利用克里金插值法绘制0.1、0.2 和0.3 m 深度土壤含水率的空间分布图，如图4 所示.

图4 浅层土壤含水率空间分布Fig.4 Spatial distribution of moisture content in shallow soil

由图4 可以看出，未扰动区各深度土壤含水率均高于1 年和2 年采动区相应的值，表明边缘地裂缝和动态地裂缝对土壤水分空间分布影响均较大；1 年采动区0.1 m 和0.2 m 深度土壤的含水率略高于2 年采动区的值，而0.3 m 深度土壤的含水率差异不大；未扰动区与1 年采动区土壤含水率空间分布存在明显界线，采动区土壤含水量与未扰动区相比，呈现断崖式下降，这可能与采煤扰动有直接关系，正在进行的煤炭开采活动形成的地裂缝对土壤含水率的影响较大.

3.2 深层土壤含水率变化

分别对未扰动区、动态裂缝区、边缘裂缝区0.5～6.0 m 深度土壤含水率的点位数据进行汇总计算，结果如图5 所示.

图5 未扰动区和地裂缝区深层土壤的含水率Fig.5 Moisture content of deep soil in undisturbed and ground fissure areas

由图5 可知，各区域土壤含水率在0.5～2.0 m 深度范围内均随深度增加而降低，规律较明显.0.5～2.0 m深度，未扰动区土壤含水率明显大于地裂缝区的值；1.0 m 和1.5 m 深度，1 年边缘裂缝区的土壤含水率高于2 年边缘裂缝区的值；0.5 m 和2.0 m 深度，1 年边缘裂缝区的土壤含水率低于2 年边缘裂缝区的值；0.5 m 和1.0 m 深度，动态影响区的土壤含水率高于动态闭合区的值；1.5 m 和2.0 m 深度，动态影响区的土壤含水率低于动态闭合区的值.整体来看，0.5～2.0 m深度，2 种地裂缝区的土壤含水率均低于未扰动区的值，说明地裂缝会导致近地表土壤含水率降低，即地裂缝对土壤含水率的影响深度可能达到2.0 m 左右；2.0～6.0 m 深度范围内，各区土壤含水率差异较小，表明地裂缝对更深层的土壤含水率影响较小.

为探究地裂缝对深层土壤含水率空间分布的影响，利用克里金插值法绘制0.5～6.0 m 深度土壤含水率的空间分布图，如图6 所示.

图6 深层土壤含水率空间分布Fig.6 Spatial distribution of moisture content in deep soil

由图6 可知，0.5～2.0 m 深度范围内，各区域含水率基本随深度增加而下降.各区域2.0～6.0 m 深度范围内，除了未扰动区3.0 m 深度处出现了一个由于采样或计算误差造成的高值以外，整体含水率并无明显差异，这主要是由于2.0～6.0 m 为过渡地带，土壤中的水分主要以包气带水的形式存在，若不存在足以直接影响到此处的因素，水分不会产生较大的变化，含水率相对稳定[21].

4 讨论

近地表土壤中的水分主要为包气带水，地表微塌陷或者局部小地裂缝出现时，一方面会改变煤炭开采地区土壤的环境和包气带岩土的结构状态，增加入渗通道和岩土水分蒸发面积，以致塌陷区包气带岩土水分剧烈蒸发，水分流失严重[22-23]；另一方面，裂缝壁周围土壤的水分蒸发导致土壤含水量降低时，会与其他临近土壤形成一定水势差，加速周围土壤水分向该区域运动，进而增加水分差异影响范围.因此，地裂缝会造成近地表土壤含水率降低，本研究结果表明，地裂缝对土壤含水率的影响深度达到2.0 m 左右.

动态影响区整体含水率低于动态闭合区，这主要是由于动态地裂缝的出现打乱了原有的水分流动及含水带分布，增加了水分散失的途径[10].虽然降水时可以通过地裂缝补给土壤水分，但该过程并不稳定.因此，动态影响区土壤含水率低于闭合区.边缘裂缝与动态裂缝最大的区别在于其自修复性不如动态裂缝，动态裂缝经过一定时间后可以完全闭合，但边缘裂缝由于其所处位置的特殊性，经过较长时间依然会有裂缝残留.因此边缘裂缝产生过程中可能会获得一定程度的地表径流补给，但一方面地表径流补给不能持续获得，另一方面裂缝会加快深层土壤水分的散失，因此2 年边缘裂缝区含水率低于1 年边缘裂缝区.

植物生长的水分来源于降水、地表水和地下水，而上述水源只有转化为土壤水才能被植物根系吸收利用，因此，土壤含水率与植被生长密切相关.研究区猪毛菜、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，对水分的吸收也集中在2.0 m深度以上[18]，而裂缝土壤含水率的影响深度同样达到2.0 m 左右.由此可预见，草本、灌木植被的根系吸收水分受地裂缝影响较大.虽然小叶杨等优势乔木的根系分布主要集中在0～6.0 m 深度[19]，且地裂缝对2.0～6.0 m 深度土壤含水率的影响较小，但是一方面，地裂缝会对植物根系造成损伤[24]，根系较长的乔木更易因拉伸应力的作用而被拉断，影响其对水分的吸收；另一方面，乔木植物对水分的需求量远大于灌木和草本植物.因此，地裂缝同样会对乔木生长产生较大影响.

此外，各区域0.5 m 深度处土壤含水率明显高于0.3 m 处土壤含水率，主要是由于研究区在采样前几天有降雨情况，雨水汇聚于地裂缝形成优先流.结合土质可知，0.3 m 深度处土质为砂土，透气性强而保水性较差，强烈的地面辐射加剧了该深度土壤水分的蒸发；0.5 m 深度处土质为黏土，保水性较强，加之该深度所受的蒸发作用较弱，因此含水率明显高于0.3 m 处.

5 结论

本研究以我国陕北某煤炭基地煤矿区浅层（0.1～0.3 m）和深层（0.5～6.0 m）土壤为研究对象，探究动态地裂缝和边缘地裂缝对土壤含水率的影响，解析土壤含水率的时空变化规律，得到如下结论：

（1）2.0 m 深度以上，边缘地裂缝和动态地裂缝区的土壤含水率均低于未扰动区的相应值，表明地裂缝会降低近地表土壤的含水率，即地裂缝对土壤含水率的影响深度可能达到2.0 m 左右；在2.0～6.0 m 深度范围内，各区土壤含水率差异不明显，表明地裂缝对更深层土壤含水率的影响较小.

（2）动态裂缝影响区的土壤含水率整体低于动态裂缝闭合区，1 年边缘裂缝区的土壤含水率整体高于2 年边缘裂缝区，这主要与动态裂缝经过一定时间后可以完全闭合，而边缘裂缝经过较长时间依然会有裂缝残留有关.