露天煤矿区土壤压实与降雨强度对水分运移影响的模拟实验研究

发布时间：2020-10-01 16:54

　　在露天煤矿排土场覆土过程中重型机械的使用会导致严重的土壤压实,压实会影响土壤对水文过程的协调能力,增加矿区岩土侵蚀的风险。同时,对土壤表面有密闭作用的大气降雨也是影响矿区水文过程的重要因素之一。本文通过室内土柱实验来研究压实和降雨强度对矿区土壤水分运移规律的影响。供试土壤样品来自于山西平朔安太堡矿区内排土场的表层土,设计了四个不同容重的土柱(1.4g cm~(-3)、1.5 g cm~(-3)、1.6 g cm~(-3)、1.7 g cm~(-3)),每个土柱分别以降雨强度为23.12 mm h~(-1)、28.91mm h~(-1)、38.54 mm h~(-1)、57.81 mm h~(-1)、115.62 mm h~(-1)模拟降雨五次,模拟降雨时间间隔为10天。运用HYDRUS-1D软件模拟了一维垂直非饱和水分运移过程。研究结果表明:(1)在土柱饱和过程中,吸水速率大小顺序为:1.4 g cm~(-3)1.5 g cm~(-3)1.6 g cm~(-3)1.7 g cm~(-3),饱和用时长短为:1.7 g cm~(-3)1.6 g cm~(-3)1.5 g cm~(-3)1.4 g cm~(-3)。较高容重土壤由于其低的毛管孔隙,导致饱和用时较长,毛管上升速率较慢。(2)同一压实处理下,各降雨强度在所有埋深体积含水量的变化大小为:23.12 mm h~(-1)28.91mm h~(-1)38.54 mm h~(-1)57.81 mm h~(-1)115.62 mm h~(-1),低降雨强度使得土壤底层的体积含水量也有一定的增加,而高降雨强度只对较浅层的土壤含水量有影响,水分难以下渗到深层土壤。高降雨强度导致水分入渗减少,径流增加,产流时间缩短。(3)同一降雨强度下,四个不同压实处理土柱在所有埋深体积含水量变化大小为:1.4 g cm~(-3)1.5 g cm~(-3)1.6 g cm~(-3)1.7 g cm~(-3)。1.6 g cm~(-3)和1.7 g cm~(-3)容重土柱表现出低渗透性。容重越高,其入渗量越少,径流量越多,产流时间越短。(4)HYDRUS-1D的模型效率系数NSE均接近于1,均方根RSME接近于0,故HYDRUS-1D可以较好地用于模拟不同降雨强度和不同压实强度下一维垂直非饱和水分运动。但当容重达到1.6 g cm~(-3)时,误差测算建议使用模型效率系数NSE。(5)工程和植被措施是改良矿区露天煤矿内排土场土壤质量的关键。本研究可为露天煤矿压实土壤的复垦和生态重建提供理论依据。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD824.8;TD88
【部分图文】：

土柱试验

本研究采用室内土柱试验模拟的方法，研究矿区压实土壤在降雨后的径流和不同埋深的体积含水量变化特征，测定相应的水分运动参数，使用 HYDRUS-1D软件模拟每次室内模拟降雨后体积含水量的变化。2.1 试验处理用干容重来表征土壤的压实程度，容重越高表示压实越严重。本试验共设计了四个处理（如图 2.1），处理 1、2、3、4 的干容重分别为 1.4 g cm-3、1.5 g cm-3、1.6 g cm-3、1.7 g cm-3，土柱为高 100 cm，宽 18.6 cm 的树脂玻璃柱，土柱底部15 cm 处固定一块带有小孔（直径小于 1 cm）的树脂玻璃板，下部有 15 cm 的水，用以模拟地下水供给，为了防止土壤渗漏，在树脂玻璃板上放置一致密的纱布，并在纱布上均匀填充 80 cm 高的土壤。距土壤表面 1 cm 处设置一直径为 1 cm 的小孔，即土壤表面积水 1 cm 时开始径流。

速测仪,土壤水分

2.2 供试材料试验所需供试的材料包括研究区表层土壤，Uni1000 高精度土壤水分速测仪、蠕动泵、马氏瓶、有机玻璃仪器、橡胶管、量筒、烧杯、秒表和皮尺等。（1）供试土壤来自于山西省平朔安太堡矿区内排土场的 0-30 cm 表层土，将土样运回实验室，风干，碾碎，过 2 mm 筛。（2）试验采用的土壤水分速测仪型号为 Uni1000 (图 2.2)，主要由 FDS100土壤水分传感器和 SMC3200 仪表两部分组成。不仅携带方便、操作简明、储存容量大（28000 组数据），而且可进行多种土壤类型选择及自定义土壤类型。其测定的含水量为体积含水量，测量范围在 0~100%，测量精度±2%。（3）试验供水仪器选用的是 Kamoer 微型 24 V 蠕动泵（图 2.3），其可满足多种流速、可计量、体积小，控制方便。

蠕动泵

【参考文献】