风沙区煤矿剖面土壤水分变化特征研究

南卡俄吾

陕西省土地工程建设集团陕西西安710075

摘要：风沙区煤矿高强度开采对于矿区复垦及生态恢复具有明显抑制作用。文章以某煤矿区为例，通过监测点布设，系统对某一开采面进行了观测取样，针对表层、20～40cm、40～60cm、60～200cm四个土壤层位在降雨1小时和5小时条件下不同区域土壤水分变化特征进行了研究。结果表明，风沙区煤矿复垦及生态恢复过程中应根据条件综合考虑，采取针对性修复措施，便于有效控制成本同时达到良好的修复效果。

关键词：降雨条件；风沙区；高强度开采；剖面土壤水分

0引言

风沙区生态系统脆弱，植被主要以具有较强耐旱性、较浅根系特征的植物为主，比如沙篙、沙柳等，这种类型植物的水分往往都是来自于浅层土壤中，因而浅层土壤水分含量特征则是该类植物生长的关键[1-2]。风沙区水源补充多以地表径流及降雨为主，特别是降雨作用直接影响不同沉陷区以及各个深度土层的土壤水分含量[3-5]。深刻认识风沙区域表层土壤水分动态变化特征具有重要理论研究意义。文章以某煤矿为例，通过研究矿区不同降雨条件下土壤水分变化特征，为矿区土地复垦与生态重建提供一定依据。

1.研究案例

某煤矿地处沙地的南缘，海拔介于1115～1300m之间。矿区的气候特征为干旱少雨多风，属典型高原大陆性气候，地表的水体主要以为河川为主。选取矿区某一长度为280.5m的超大工作面进行研究，该工作面推进总长度为2881m，开采的煤层数为5～2层之间，煤层所埋深度位于190～220m之间，煤层的厚度为7.07～7.7m，平均层厚度为7.25m。

2.实验设计

2.1分区及监测点分布

结合开采沉陷软件MSPS对均匀沉降区、非均匀沉降区进行相应的预计。同时，为了能够有效的将地形差异性产生的影响进行消除，尽量将区域布设监测点设置在地势平坦、植物种类与植物覆盖度等方面相当的区域，要将均匀沉降区作为沉陷盆地的中间研究区域，而非均匀沉降区作为研究沉陷盆地的边缘研究区域，本次研究共布设监测点12个，并预埋管径4.5cm、长230cm辅助铝管。

2.2实验研究方法

本次实验研究重点为采煤的过程中对风沙区剖面土壤水分产生的影响。选取为CNC503B智能中子土壤水分监测仪对土壤水分进行监测，采用烘干法对该监测土壤进行相应的标定工作。其中运用的计算公式为：

由于智能中子土壤水分仪在地表中运用会出现一定的外溢现象，外溢区间为地表0～10cm范围，这种现象会使实验产生一定误差[6]，因此，应对地表下10cm～200cm之间的土壤体积进行含水量的监测。这时具体采用的方法为每个监测层为10cm，进行分层监测，依据原则监测频率为每2小时监测一次。

2.3研究数据校正

通过建立计数比率与土壤含水量之间特征变化关系来消除或减弱智能中子土壤水分仪的系统误差，从而保证土壤水分含量计算的准确性[7]。在实际标定时应采取野外标定的方式，监测点需要选择实验区内没有扰动过的区域，取样的时一般会在距离监测点2m的位置布设剖面，剖面深度为2m，以10cm为间隔进行环刀取样，每一组取3个平行样，分别进行土壤重量、含水量以及容重的测定，并进行土壤体积含水量的计算，同时进行相应的均值选取；利用智能中子土壤水分仪针对同一深度的土壤含水量进行测量，对于每一层土壤分别取3个数据，并选取这3个数的平均值。换算公式为：

θv＝79.277×Rv+1.5761

3.结果及情况分析

3.1土壤的水分变化与分层情况分析

通过对研究区域的土壤剖面水分实际变化情况的分析，发现该区域的土壤水分与纵向深度先呈现出水分增大然后再到基本趋于稳定的趋势，含水量分布情况会受到降水、蒸发以及植被等外界因素的影响。（1）针对土壤水分速变层的变化与分层情况，该土壤层为10～40cm的范围，随着土壤深度的不断增加其所含水量也显著增加，明显受雨水因素变化因素控制。（2）针对土壤水分稳定层的变化与分层的情况，该土壤层位于40cm以下位置，区域土壤中所含的根系为少许灌木与乔木植物根系，不易受气候与植被影响，是上、下层土壤中水分补给与储存的关键。

3.2降雨前后土壤对比分析

（1）表层土壤：

该案例选取了4个区域的10～20cm土壤土样进行了分时段监测，在降雨1小时后这4个区域的土壤体积含水量有所提升，降雨5到小时后，含水量相比于降雨1小时有所降低，但每个区域的升降量并不是一致的。监测结果表明：（1）地域性差异能够对土壤体积含水量的变化产生重要影响，而根据数据结果发现降雨的过程中，位于中间区、边缘区以及对照区中的土壤体积中的含水量，相比于开切眼区都明显偏低。（2）虽然位于开切眼区、中间区域的土壤体积含水量都受到了非常明显提升，但位于中间区域与边缘区域的含水量升高情况相比于对照区都明显偏低，而位于开切眼区含水量的升高情况却明显比对照区高。

（2）20～40cm：

针对4个区域在20～40cm深土壤体积含水量的变化情况分析发现。4个区域土壤体积在降雨1小时候，其含水量相比于降雨之前都有着明显的提高，但4个区域在降雨响应程度方面都存在着明显的差异性，在开采区域内3个区域的土壤含水量变化相比于对照区都偏低，而对于开采影响程度最大的区域为边缘区，次之为中间区与开切眼区。

（3）40～60cm：

位于该层土壤含水量的降雨响应。降雨5小时后水量依然呈现上升趋势，表明上层土壤中的水分向下渗透作用明显，并在该层土壤中进行了储存。在这个过程中开切眼与中间区域都没有降雨1小时之后进行及时响应。

（4）60～200cm：

对照区内的土壤含水量产生的降雨后波动幅度较小。中间区域逐渐降低，而边缘区的含水量变化不明显。这些情况表明，位于中间区域的土壤结构由于各种外界因素而出现疏松现象，比如台阶、裂缝等，在各个土层之间的连通性获得增强，促使在降雨过程中雨水下渗的深度增大。

4.结论

高强度开采对于风沙区的土壤含水量产生的影响存显著差异，在降雨条件下开采所受的影响程度要大于降雨前；各个区域对雨水因素的响应同样有着较大不同。风沙区煤矿生态恢复过程中应根据区域、条件综合考虑，采取针对性修复措施。

参考文献：

[1]郭晋丽，刘爽.晋西北风沙区长期不同植被恢复类型下土壤物理特征分析[J].山西农业科学，2017，45（11）：62-68.

[2]郭挺，徐先英，柴成武，唐卫东，赵鹏，乔宇，付贵全.民勤绿洲-荒漠过渡带微区土壤水分及粒度特征研究[J].中国农学通报，2015，31（05）：157-163.

[3]袁玉敏，陈超，台晓丽，杨坤，赵鹏.超大工作面采煤对风沙区表层土壤理化性质的影响[J].内蒙古煤炭经济，2016（Z1）：94-95.

[4]魏婷婷，胡振琪，曹远博，李星宇，陈超.风沙区煤炭开采对土壤物理性质和结皮的影响[J].水土保持通报，2015，35（02）：106-110.

[5]魏婷婷，胡振琪，曹远博，李星宇，袁玉敏，林杉.风沙区超大工作面开采对土壤及植物特性的影响[J].四川农业大学学报，2014，32（04）：376-381.

[6]李刚，马水山，徐卫军.智能中子土壤水分仪在长江堤防安全监测中的应用[J].长江科学院院报，2000（S1）：56-58.

[7]侯琼，张银锁，邓晓东.中子仪测定耕层土壤水分偏差问题的探讨[J].中国农业气象，1999（04）：43-47.