采煤塌陷区多层复垦土壤剖面水分特征的试验研究.docx

1、http/rnizj.pearlwater.肾<loi：10.3969/j.issn.1(X)1-9235.2016.04.003李曦，张俊宏,赵雨晴，等.采煤塌陷区多层复垦土壤剖面水分特征的试验研究早.人民珠江，2016,37（4）:13-16采煤塌陷区多层复垦土壤剖面水分特征的试验研究李曦I,张俊宏I,赵雨晴2,陈璐，（I.中南民族大学资源与环境学院，湖北武汉430074；2.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210046；3.华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北武汉430074）摘要:利用矿区的煤砰石、粉煤灰等固废资源进行塌陷区土壤回填，查明以土壤、粉煤灰、煤砰石充填顺序的多层

2、复垦土壤中水分运移特征,对复垦区农业生产和生态环境的改善有一定的现实意义在分析4种充填物的物理化学性质的基础上，利用吸力平板仪标定其基质势与水分含量之间关系，并模拟了一维积水入渗和自然蒸发条件下的复垦土壤水分变化。结果表明：充填物在时间尺度上，水分含量衰减顺序为煤砰石土壤层粉煤灰；在垂向深度上，其相对含水量顺序:粉煤灰土壤煤奸石。关键词：包气带土壤模型；多层充填结构;基质势与水分含量；水分运移中图分类号:P426.68文献标识码:A文章编1001-92352016）00-0013-04ExperimentalStudyonCharacteristicsofReclaimedSoilMoistu

3、reinMulti一layerStructureofCoalmineCubsidenceAreaUXi1,ZHANGJunhvng1,ZHAOYuqing2,CHENLu3(1.Collegeofresourcesandenvironmentalscience,South-CentralUniversityforNati(xialities,Wuhan430074,Chitia:2.SchoolofEarthSciencesandEngineeringNanjingUniversity,Nanjing210046,China；3.CollegeHydropower&Informatio

4、nEngineering,Wuhan430074,China)Abstract：Inordertoimprovetheecologicalenvironmentoftheminesubsidenceareaandmakefulluseoftheexistinggangueandcoalashsoilnesources,itisneedtofindoutthemoisturetransfercharacteristicsthereclaimedsoil.Accordingtothesoilstructureofrec;-lamationtestfieldsunsaturatedzone,thre

5、e-layerstructure*recdaniationsoilnKwIel,consistedofnaturesoil,flyashandcoalgangueis<lesig»e(l.Basedonanalyzingthree一layersphysicalandchemicalpropertiesoffillingmaterial,therelationshipl)etweenmatrixpotentialandmoisturecfsoilliasbeen<libraie<lbyasuctionplaneinstrument.Theresultsshowthat

6、withthechangingoftime,threemoisturecurveshavethesametrend,butcoalganguemoisturedecreasesfasterthannormalsoil,andflyashistheslowest.Andinthe(li-nection<rfdepth,relativemoisturecontentofflyashismorethannormalsoilsandnormalsoilismorethancoalgangues.Keywords：irclaniati(xisoilniotlelofunsaturatedzone;

7、multi-layerfilledstructure;relationshipbetweenniairicpotentialandmoisturecoiitent;moisturemigration基金项目：湖北省自然科学基金项目（BZY15026）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（CZQ15007）收稿日期：2016043作者简介:李曦，女，安徽淮南人，主要从事水文与水资源工程方面的研究工作本文通讯作者为张俊宏采矿曾一度引起大面积地面沉陷，为了改善矿山生态环境，利用矿区范围内的煤砰石、火力电厂的粉煤灰，充填到采矿沉陷地作为垫层，在其上回填土壤并种植不同的农作物，这不仅使矿区沉陷土地得到恢

8、复治理，也改变了矿区的生态环境但由于复垦土壤的结构质地理化性质等较原O、状土壤有较大的变化，不但影响土壤水分在充填土壤中的运移状况，还直接影响农作物的生长GJ因此，研究充填复Q垦土壤中水分的运移特征，对于复垦区农业生产和生态环境具有一定的实际意义O目前研究充填重构土壤水分运移规律，最常用的方法为室内土柱试验模拟法一般运用不同的物质进行土柱充填,O监测不同埋深含水率变化状况,并选用土壤水分运动方程计算土壤水分运动规律H王辉等目（2007）用直立柱状模型模拟研究了煤砰石和粉煤灰充填模式下覆土层土壤水分的运动特点,得出与全充填土壤情况下相比土壤水分运动的差异性关天宇等。（2（X）8）通过土柱充填模拟

9、试验研究充填层表土替代物的孔隙大小对覆土层含水率的影响，认为在充填复垦土壤重构过程中，应根据覆土层孔隙大小设计充填层物质的孔隙以保证复垦后土壤具有较强的保水性。Carrera-Hernandez等日（2012）选取三大复垦区域进行了壤水动力学与流量过程模拟，研究指出在选用山杨进行复垦的区域，当覆土厚度在o.51m时可向植被有效供水，这表明在充填复垦过程中，覆土层的厚度对矿区植被重建起关键作用，国家计委、国家土地局及中国土地学会土地分会编写了土地复垦，书中对煤矿砰石充填复垦覆土厚度的推荐值为50em以上;李新举&也指出复垦土地用于农用地时，覆土厚度应在50左右;李树志U、郭友红*等在研究

10、覆土厚度对农作物生长的影响结论表明：覆土30（冲明显影响作物生长，50cm能够基本维持作物的生长，覆土70ein与对照田块之间无差异，可作为土壤重构中较为经济合理的覆土厚度因此本文的复垦结构中土壤充填设置为50侦】，其中煤砰石粉煤灰厚度人为调整、O虽然国内外学者对水分运移规律进行了深入研究，但针对土壤多层充填结构方面的系统研究成果还较少，因此本文以淮南潘集矿区复星试验场为研究对象，设计了以土壤、粉煤灰、煤砰石作为充填介质的3层复垦结构土壤进行水分运移试验，模拟一维积水和蒸发条件下，不同充填结构层中水分的运移变化规律。1试验材料与方法采用室内土柱物理试验方法，以取自淮南煤矿塌陷区潘集矿复垦试验场

11、的土壤、粉煤灰、煤砰石为充填介质首先,样品经自然风干后，经过孔径为4.5mm的筛网进行筛分，选用粒径小于4.5nun的土壤、煤砰石备用；粉煤灰粒径小于1mm，不需筛选由于取土场地土壤是钙质土，有机质含量低，去除草叶、树根、石子等杂物，并经过破碎、研磨、筛分后备用具体的充填方法是向有机玻璃柱内自下而上依次充填厚度为50cm的煤砰石、45川的粉煤灰和50cm的土壤（图1）,具体充填物质的物理参数见表1。采用筛分法确定实验样品粒度分布，结果见表2。表1充填层的物理参数注:测定方法分别为,环刀取样烘干法，总孔隙度=（-土壤容重/土壤比重）xlOO%，取土壤比重为265。渗透系数测定采用定水头达西实验方

12、法;饱和含水量测定采甬烘宇法测定项目充琪层土壤粉煤灰爆肝石平均容重/（如3）1.410.981.64总孔隙俊/%42.8967.6645.38渗透系数/（cm.d-00.0230.3468.12饱和含水量/%（重量含水量）29.0929.5824.97表2充填层粒度分布充填物质林4.5-22-1I-0.50.5-0.250.25-0.1490.149074<0.07428.1324.9820.1014.269.043.460.03煤砰石14.1741.7925.6512275.130.970.02粉煤灰008.343&6537.1411062.81基于以上模型模拟煤矿塌陷区农田多

13、层复垦土壤在一维积水入渗和自然蒸发情况下土壤含水率，渗透系数，孔隙度等参数变化情况，研究复垦土壤水分空间运移变化规律O试验处理充填结构试验模型见图1,模型的材料为有机玻璃，柱高1600mm，内径是600口皿，上端敞口，下端封闭并设有直径为20mm的出水孔一为防止充填物质堵塞出水孔，在土柱底部铺一层纱网并充填50mm厚的碎石。碎石层上部为充填物质，由下向上依次煤肝石、粉煤灰和土壤，压实至野外复垦地的实际容重状态。模型上共打3组孔，每组8个孔，孔间距为200mm，分别用于安装水势传感器（中国科学院南京土壤所，SM_水势传感器）'传感器分别放置深度为io（）、300、500>700.9

14、00>1100。300、1500mm以测定充填介质的水分含量变化过程水势传感器与土壤水盐运动信息采集系统O（15-3型土壤水盐运动信息参数自动采集系统）相连，对3层充填结构的水分变化进行实时监测模型上方与一个高O位水箱相连接，水流通过马氏瓶以模拟一维积水入渗试验,水箱底部安装一出水阀门，出水由量水容器测出，试验用水为清水*试验土杠图1充填结构模型1.2试验内容和方法首先,利用吸力平板仪测定3种充填介质的含水量与基质势的关系，即土壤水分特征曲线，利用吸力平板仪标定充填层的基质势，并通过重量法测定相应充填层的含水量，利用最小二乘法拟合得到基质势与含水量的特性曲线方程，以此可利用复垦结构3种充

15、填介质的基质势计算出对应的含水量，然后，基于这3种物质以前面叙述的顺序进行充填土柱，压实后进行试验试验第一阶段，通过马氏瓶向土柱表O层提供水层深度为5（m的积水，进行一维入渗试验并达到稳定，并定时测定充填结构中水分的变化情况达到稳定入O渗后使深度5cm的积水逐渐全部入渗，此为试验第二阶段_在自然蒸发条件下，继续定时测定该充填层中水分含量，以研究降雨后，自然蒸发条件下复垦结构的水分运移特征此外，充填物质的干容重由环刀法测定，渗透系数是通过达西实验测得,并采用烘干法测得充填物质的饱和含水量上°2包气带土壤水分运移特性分析2.1不同充填层水分含量与基质势的关系为了准确地反映复星土壤的基质势

16、与水分含量的关系,利用吸力平板仪分别对采样点的土壤、粉煤灰、煤奸石进行测定，得到充填土壤层水分特性曲线测定关系式，结果见表3。表3充填层的基质势与水分含量的关系基质势（J与水分充填层名称含量G）关系相关系数项）土壤y=-0.4476hix+28.550.96粉煤灰y=-0.994ltix+53.20.95煤肝石y=15.442X-0250.972.2不同充填层的水分含量随时间变化特征土壤作为农作物生长的主要载体，水分通过根系被植物吸收，农作物根系通常为40（m左右，故本次试验的土壤层厚度为50cm。试验时间从2015年8月20日至10月30日。在自然蒸发条件下，其水分含量随时间的变化见图2：达

17、到稳定入渗后使5项】厚的积水瞬时全部入渗，不同深度的土壤中的水分含量变化趋势是一致的，且随着深度的增加，含水量增大，说明充填结构经过入渗作用，湿润峰经过，水分含量由于重力下渗和蒸发作用逐渐减小传感器测得的土壤的水分含量总体呈现出减小的趋势，1号传感器（图1）测得土壤层的水分含量从28.45%减小至27.1%，2号传感器测得土壤水分含量减少至26.9%，表明表层土壤受自然蒸发和重力下渗作用显著O煤肝石层位于复垦结构的中间层，蒸发对该层的作用比较小，因此可忽略蒸发对水分含量的影响：水分含量比较小且随着时间增加，其衰减速率很快,传感器3由开始约12%至第70天约7.5%，传感器4由开始约12%至第7

18、0天约9%，并随深度的增加，水分含量变化趋势出现异常，传感器4明显比传感器3大，原因是传感器4可能受到下部粉煤灰的弱透水作用，水量下渗慢，水量主要积滞在粉煤灰上边界,导致传感器4水分含量大，见图3“另外，其水分含量总体比上部的覆盖土壤层低，说明煤肝石的孔隙度大，渗透性很好,持水性差，其持水性比土壤差，与实际监测结果相符，时间Zd图3煤砰石水分含量变化曲线粉煤灰处于复星土壤结构最底层，受蒸发作用最小，水分含量衰减曲线比较平稳。但粉煤灰水分含量高于土壤和煤砰石，大于50%,且呈现水分含量随时间衰减的速率较小,随深度的增加而增大，且该层的水分含量明显高于土壤层,见图4。这表明粉煤灰粒径小，粘粒含量高

19、，持水性高于土壤，水文性质与粘土介质类似。另外，传感器5的水分含量与6、7变化趋势不同，其原因可能是传感器5的位置比较靠近上部的煤砰石填层，水分含量受煤肝石的大孔隙度影响较大，释水效应比较明显G52.3 q52252.1-52.0-51.9-51.8-51.7-51.6-51.5-51.4-51.351.2-51.1-510-50.9一-传感器5仲传感器7一-传感器5仲传感器7肘间/d图4粉煤灰水分含量变化曲线综合以上观测及分析得出，充填结构的各层的水分含量随时间变化曲线图显示粉煤灰层水分含量远高于土壤层和煤肝石层，表明湿润峰过后，在水分逐渐降低的过程中，粉煤灰具有较强的持水能力，水分含量保持

20、在50%以上，土壤持水能力次之，水分含量为27.6%，而煤肝石的持水能力最低，水分含量在10%左右。2.3充填层水分空间变化特征在充填结构进行一维积水入渗及自然蒸发的情况下，通过定时采集其水分变化资料，利用第io、4O、7O（I的动态数据，对试验结果分析表明在同一垂直方向上，水分含量变化是不一样的（图5），在垂向上，各充填层水分含量分布受充填层的物理性质影响较大，O含水量/%在充填层的土壤层中，其水分含量随时间逐渐减小，但减小幅度不大，其空间垂向分布则是由大变小，但减小幅度不大粉煤灰的水分含量随时间逐渐较小，其水分含量随深度的增加而增加；而煤奸石充填层的水分含量随时间变化具有与二者类似规律，但

21、垂向上的水分含量由大变小，减小幅度很小此外，同一时间粉煤灰层的水分含量远高于土壤和O砰石,在不同充填物的分界线处含水量变化明显，这主要与充填物的粒径大小差异密切相关O3结语本文在室内土柱试验模拟的基础上，根据现场复垦土壤结构,采用室内土柱模型进行土壤水分特征分析，主要得出以下结论Oa）不同充填层的水分运移规律，除与外界因素，如蒸发、降水影响外，还与复垦土壤的结构、成分密切相关，如孔隙度颗粒大小及其均匀性等、Ob）根据充填结构的水分运移特征，本文可为采煤塌陷区可选择根系覆土厚度不大于50nn的农作物回复农业生产，为改善生态环境提供理论支撑和试验依据参考文献：GaoI*WangY*GeF.Envi

22、ronmentalrmniiigementarxlpollutioncontrolinmineW,InProceedingsRestoratioduimIMaiiagt*rnenlofMinedLanlsPrinciplesandPractice*1996.y张国良.矿区环境与土地复垦即.徐州：中国矿业大学出版社，1997.BurkinianLStudiesonlhemovement（/soilwaterW.WashingtonD.C.，1907.VT.N.arasimliaiLHydraulic（haracterizalionofaquiiersrreservoirnx:ks*andsoils*Ahistoryofideas早.WaterKesour<-esresearch，199834（1）：33-46.曰王辉，韩宝平，卞正富充填复垦土壤水分竖直运动模拟研究早中国矿业大学学报，2007,36（5）：690-695.y关天宇，朱真，尚韬，等.充填