0 引 言
煤炭资源开发与利用在促进国民经济发展的同时，也对土地生态造成严重影响[1]。 随着我国能源开发战略西移，陕北矿区、神东矿区等西部生态脆弱矿区逐渐成为能源开发主战场[2]，煤炭资源高强度开采不仅造成地表大面积沉陷[3-5]，也使得地下含水层破坏[6]，地下水位大幅下降[7]，水资源严重短缺，造成土地生态环境问题日益突出[8-9]。 陕北矿区、神东矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原过渡地带，基岩上覆较厚松散层(如榆林市西北部风积沙厚度可达60 m[10])，主要为风沙土、风积沙或其与萨拉乌苏组粗砂的不同组合，降雨量少、蒸发量大，地表植被稀少是其主要地理特征，属典型生态脆弱区[8]。 西部生态脆弱煤矿区地表主要植被为耐旱、根系相对较浅的沙篙、沙柳、柠条等，由于采后地下水位下降，地表水与地下水系统相对独立，植物根系吸收的水分大部分来自浅层土壤水分，故表层土壤水分是影响该区域植被生长的关键性因素[9]。 因此，对于陕北矿区、神东矿区等严重缺水、生态环境受到人类活动重大威胁的生态脆弱煤矿区，煤炭开采过程中表层土壤水的动态变化特征研究显得十分重要，尤其是采煤沉陷区表层土壤水分变化研究已成为煤矿区土地复垦与生态修复的基础性工作[11-12]。
相关研究[13]表明，采动地裂缝的形成与地表松散层密切相关，采动地裂缝将导致土壤结构发生小尺度变化[14-15]，进而对表层土壤水分等土壤理化特性产生一定影响，损害地表植被生长[8-9]。 针对采动地裂缝对土地生态的影响研究，部分研究关注于采动地裂缝对土壤结皮[16]、土壤微生物学特性和植物群落[17-18]、植被以及农作物的影响[19-20]；在采动地裂缝对表层土壤水分影响研究方面，胡振琪等[21]较早提出采煤沉陷区地裂缝对土壤含水量影响的定量监测方法，并首先在神东风积沙矿区补连塔矿12406 工作面对采动过程中的土壤含水量动态变化进行原位动态监测，发现不同地裂缝对其周围含水量具有一定影响，同时发现土壤含水量对开采沉陷的响应具有周期性和空间差异性[12]；此后，诸多学者开展类似研究，张延旭等[22]研究了采煤裂缝区土壤水分分布特征，并对采煤裂缝宽度、裂缝密度和土壤含水量的关系进行了探讨，发现采煤沉陷裂缝造成土壤含水量下降，并指出短期内裂缝的闭合对土壤水分的恢复影响不大，沉陷后土壤水分的恢复需较长时间；杜国强等[23]发现，与采动地裂缝距离变大时，监测点土壤含水量增加，同时土壤剪切强度增加，但由于土壤空间变异性影响，两者均未达到显著水平。 上述研究表明，采动地裂缝的出现确实对其两侧土壤含水量产生一定影响，但研究观点不一：部分研究[12]表明采动地裂缝闭合后，地裂缝两侧土壤含水量在短期内可恢复至采前水平，但也有研究表明[22]地裂缝闭合对土壤水分的恢复影响不大，甚至在采后2 年仍对土壤含水量存在影响[24-25]。 笔者认为，出现上述差异的原因在于：①采动地裂缝在开采过程中存在“开裂-闭合”过程，甚至存在“M”型发育周期[26-27]，若土壤含水量的监测未与地裂缝发育过程同步监测，可能出现研究观点差异；②土壤存在空间异质性，在采动影响与自然因素耦合作用下，土壤含水量的自修复能力也存在差异，导致不同研究结果相悖；③研究方法的差异也可能对研究结果造成影响，如无人机遥感在大尺度生态环境监测方面具有显著优势，但在微观尺度土壤含水量监测方面仍存在精度不足问题[28]。 因此，基于已有研究，进一步开展采动过程中采动地裂缝对其周围土壤含水量的动态影响研究尤为必要，这不仅为矿区水资源规划与可持续利用提供科学依据，而且为科学认知生态脆弱煤矿区煤炭开采对土地生态的影响机制，丰富矿区土地复垦与生态修复研究提供参考。
1 研究区概况
研究区位于晋陕蒙接壤地区某风积沙矿区开采工作面，地处乌兰木伦河和窟野河两侧，该区地处西北干旱半干旱地区，气候条件干燥，降水量小，蒸发强烈，天然水资源不足。 根据工作面1 ∶5 000 地形图[14]，选定研究区域位于走向中心线移动观测站点Z41—Z43 之间(图 1)，距离开切眼 300 ～400 m，该区域周围植被主要为沙篙、沙柳、柠条等耐旱植物，采前无人为破坏现象，是比较理想的观测区域，裂缝监测区沙地裸露，植被稀少，以避免植被根系对地裂缝发育造成影响，相关研究表明[29]研究区表土以粒径＞0.05 mm 砂粒为主，含量达到97.6%，土壤渗水性较强，观测期间降雨条件下地表无雨水形成的径流。
图1 TDR 监测裂缝分布[14]
Fig.1 Ground cracks distribution monitoring by TDR[14]
2 土壤水分监测方法
在监测前，在走向中心线附近选取一条新出现的动态地裂缝，地裂缝宽度变化监测与裂缝周围土壤含水量监测同步持续进行，已有研究[12]发现，土壤含水量随测点与裂缝相对位置的增大而增大，并在一定范围内达到稳定，故裂缝对其周围的土壤含水量具有一定的影响范围，而且影响程度与测点距裂缝的位置密切相关，为充分探讨上述变化特征，进行如下监测点布设工作：
1)观测对象选取：根据工作面的开采进度，结合裂缝观测结果，选取工作面上方最前端的动态裂缝作为观测对象。
2)点位布设：利用GPS 标定裂缝的位置，沿垂直裂缝走向方向在裂缝一侧分别布设3 条土壤含水量监测线，在每条的监测线上分别距离裂缝10、20、30、50、70、80、100、120 cm 不同位置处布设监测点。
3)现场监测：每次监测工作应确保观测时段相同，尽量保证试验条件的一致性，为减少光照、蒸发、露水等的影响，选取每天下午15：00—16：00 作为观测时段；持续监测过程中，如遇恶劣天气(例如降雨等)应及时记录；观测周期大于裂缝生命周期，直至裂缝周围的土壤含水量一致、空间差异性不显著为止。
4)监测过程：采用TDR300 便携式土壤水分速测仪，探针长度为20 cm，观测精度为±3.0%。
TDR 监测从10 月26 日开始，在开采工作面前方3 条裂缝开展持续观测，裂缝依次记为裂缝7、10、11，其中裂缝 10 与裂缝 11 位于坡上，裂缝 7 位于坡下地势相对平缓处，在每条裂缝的走向上分别在不同位置处作3 次平行观测，分别记为裂缝7-1、7-2、7-3，以此类推至 11-1、11-2、11-3。 观测周期为每隔1 d 观测1 次，并记录观测时的天气情况及不同距离监测点处情况(如有无再出现裂缝)，其中10 月 31 日晚上至 11 月 1 日小雨，11 月 2 日观测时地表含水量较大，观测数据突增，11 月4 日天降小雨且上午雾很大，导致监测的地表含水量再次变大，影响试验数据质量，TDR 监测至11 月17 日3 条动态裂缝的宽度基本不再变化且距裂缝不同距离处TDR 含水量变化趋势一致，结束观测。 累计观测11次，历时23 d，共计得到3 条有效地表裂缝多期观测数据，分别为不同距离处相应TDR 数据，进而通过优选、统计分析获得采动地裂缝对表层土壤含水量影响规律。
3 结果与分析
3.1 地裂缝宽度变化
通过对裂缝周围土壤含水量进行多水平持续动态监测，获取裂缝相对出露侧对周围土壤含水量的影响范围、影响周期等规律，优选裂缝11、10 以及7号裂缝等3 条裂缝监测数据进行分析，3 条裂缝宽度变化如图2 所示，裂缝宽度存在波动变化，符合已有研究[13]。
图2 裂缝 11、10、7 宽度变化
Fig.2 Width changes of ground crack 11、10、7
3.2 地裂缝对土壤含水量的影响范围
根据上述观测方案，沿垂直于裂缝的走向方向布设3 条裂缝监测线，分别对距离裂缝不同位置处的表层土壤含水量进行现场检测，并通过TDR 校正方程，取每个距离上5 个监测数据的平均值作为该处土壤体积含水量。
为确定裂缝对周边土壤水分的影响范围，采用每天连续观测方法，直至不同距离处土壤含水量一致(此时裂缝对周边土壤水分基本无影响)为止，得到各裂缝相对出露侧表层土壤含水量W 的变化情况(表1)。
表1 裂缝7、10、11 不同距离处观测指标
Table 1 Monitor targets at various distances of ground Crack 11、10、7
裂缝11 裂缝10 裂缝7指标10 cm 20 cm 50 cm 70 cm 100 cm120 cm 10 cm 20 cm 50 cm 70 cm 100 cm120 cm 10 cm 20 cm 50 cm 70 cm 100 cm 120 cm Wmax 9.4 9.8 10.6 10.9 10.7 10.6 8.3 8.4 8.8 9.2 9.6 9.7 8.4 8.7 9.3 10.2 10.9 10.8 Wmin 3.4 4.3 4.8 5.3 5.3 5.3 4.2 4.3 4.6 4.9 5.0 5.2 3.5 3.6 3.8 4.3 4.5 5.4 Wm 6.32 7.08 7.83 7.91 7.95 8.00 6.45 6.62 6.94 7.24 7.41 7.66 6.00 6.10 7.83 7.01 7.50 7.81方差 2.80 3.28 4.51 4.00 3.91 3.73 2.07 2.10 4.24 2.47 2.8 2.97 2.78 2.98 6.63 4.02 4.46 3.72变异系数/% 26.46 25.56 26.04 25.27 24.88 24.15 22.33 21.89 21.56 21.69 22.58 22.80 27.79 28.28 3.47 28.61 28.17 24.66
由表 1 可知，裂缝 11、10、7 在各个观测水平的土壤含水量的最大值有一定差值，最大值对应的时段在本次试验中均对应于11 月2 日和11 月5 日雨后，而不是动态裂缝完全闭合以后，但是50 cm 之后最大值基本相同且大于位置较近的最大值；最小值对应裂缝发育的中期(接近于最大开裂裂缝处)，且与裂缝的相对位置越近，其土壤含水量越小，当相对距离达到70 cm 以上时，裂缝土壤含水量趋于稳定，初步判定70 cm 为裂缝影响范围的临界值；从均值的变化情况来看，尽管受2 次降水的影响明显，但裂缝对其周围土壤的平均含水量影响仍比较明显，70 cm 以内随着距裂缝相对距离的增大而增大，其中，裂缝11 在10 cm 处的含水量的最大损耗幅度达到64%，而120 cm 处含水量的最大损耗量为50%，说明距离裂缝越近，水分的损耗量也越大；方差分析结果显示，各组方差值随着相对位置的增大而先增大后减小，主要原因是11 月1 日与11 月4 日的降雨导致表层土壤含水量明显升高，而刚出现裂缝时各处土壤含水量都相对较低且大致相同，地表水下渗不均匀，距离越近，渗透及蒸发越大，因而距离裂缝越近，增长幅度越小，数据离散程度越小，方差就小，距离越远，方差越大。 3 条裂缝各个观测水平的变异系数均大于20%，由标准差与均值决定，主要受降水影响较大。
对比3 条裂缝的最大值、最小值、均值、方差及变异系数等统计指标，裂缝11 的最大值、最小值，稍稍大于裂缝10 与裂缝7，均值与方差相差不大，可见坡上与坡下含水量并无明显差异。
图3 裂缝11、10、7 不同距离处表层土壤含水量变化
Fig.3 Changes of soil water content at various distances from ground Crack 11、10、7
表层土壤含水量如图3 所示。 由图3 可知：3条裂缝表层含水量的最高值均出现在11 月2 日，主要原因是10 月31 日晚与11 月1 日连续降雨所致，2 日测得的地表含水量明显增加，但由于距离裂缝越近，水分下渗及蒸发越大，因此在70 cm 之内，含水量仍然随着距离裂缝位置的增加而逐渐增加，3日随着水分的渗透及蒸发，地表含水量有所下降，在70 cm 内含水量仍随着距裂缝位置的增加而增加，而且从其与2 日的减小幅度可知距离裂缝越近，含水量下降的幅度也越大，11 月17 日，地表裂缝宽度变窄趋于闭合，在地表土壤自修复作用下，地表含水量变化较小，10 cm 至70 cm 有较小幅度上升，70 cm以上基本没有变化。 在裂缝10 中添加10 月26 日观测情况，10 月26 日裂缝10 刚出现，裂缝宽度较窄，对表层土壤含水量影响不明显，因而不同距离处土壤含水量变化不大，且之前降雨量较少，气候干燥，因而地表土壤含水量较低，而且低于裂缝在17日闭合之后的表层土壤含水量。
综上所述，3 条裂缝的最大值、最小值及均值均随距裂缝位置的增大而增加，方差在100 cm 与120 cm 相比变化不大，且3 条裂缝中仅有裂缝10 含水量偏低，而裂缝11 与裂缝7 相差不大，说明该地区坡上与坡下表层土壤含水量并无明显差异。 可能原因有：①裂缝的存在增大土壤的比表面积，加速土壤水分向外界空气的水分蒸发，也增大了受风面积；②受裂缝的拉伸[14]，裂缝周边的土壤的孔隙度得到显著增加，增加了土壤毛管孔的数量和孔径，从而导致水分蒸发加剧，即使降雨水分也能快速渗入地下，综上所述相对位置距离裂缝越近地表土壤含水量越少，影响范围判定为70 cm。 对比而言，不同采矿地质条件下共性特征在于距离裂缝越近处土壤含水量相对降低[22-23]，由于采矿地质条件差异，影响范围不同；当采矿条件相似时，土壤质地对影响范围的确定具有较大影响。
3.3 裂缝周围土壤含水量随时间变化
裂缝对周围土壤水分有无影响表现在距离裂缝各个观测距离处的土壤含水量值有没有明显变化，故用TDR 对各个距离上进行观测，观测方法与研究影响范围的方法相同。 裂缝周围 10、20、50、120 cm表层土壤含水量随时间的变化如图4 所示。
根据图4 及采动地裂缝发育特征，表层土壤含水量随时间变化情况如下：
1)裂缝 11：10 月 27 日裂缝出现，10 月 30 日时裂缝已处于开裂状态，表层土壤含水量较低，且距离裂缝越近含水量越低，11 月2 日受到降雨影响地表土壤含水量明显上升，且此时裂缝处于初次闭合阶段，裂缝宽度较窄，各个距离段的地表含水量相差不大，随着裂缝的发育，3 日各处的表层土壤含水量逐渐下降且距离裂缝位置越近下降幅度越大，4 日再次受小雨影响使含水量出现小幅度上升，之后再次下降直至9 日到达一个低谷，此时裂缝再次张开到最宽随后慢慢变窄，表层土壤含水量呈逐渐上升的趋势，13 日到15 日，裂缝逐渐闭合，此时各个距离段地表水下渗及蒸发程度趋向一致，因此各个距离段的土壤含水量变换基本相同直至趋于一致，这与裂缝的发育周期内裂缝宽度的变化趋势基本一致，15 日到17 日，表层土壤含水量变化仍一致，从而可以判定裂缝对周边土壤水分的影响已经结束，从10月27 日裂缝出现到11 月15 日周期20 d 左右。
图4 至裂缝11、10、7 不同距离处表层土壤含水量随时间的变化
Fig.4 Changes of soil water content with time at various distances from ground Crack 11、10、7
2)裂缝10：10 月26 日裂缝开始出现，裂缝宽度很窄，不同距离处土壤含水量基本相同，且之前气候干燥，降水稀少，含水量较低，随着裂缝发育，表层含水量下降，且距离裂缝越近，下降幅度越大，到11 月2 日受降雨影响含水量大幅上升，裂缝较大，各个距离处地表含水量相差也较大，3 日随着水分的下渗和蒸发，含水量开始降低，裂缝宽度第1 次变窄，但对不同距离处含水量影响仍明显，4 日再次受小雨影响使含水量小幅上升，至9 日达到低谷，此时裂缝开始再次闭合，至13 日，裂缝宽度较窄，含水量开始小幅回升，裂缝发育至15 日，基本闭合，各距离处含水量基本趋于一致，之后由于之前降水影响，土壤含水量仍较降雨前高，天气干燥时各距离处同幅度蒸发、降低。 从 10 月 26 日至 11 月 15 日，裂缝 10 发育周期21 d。
3)裂缝 7：10 月 23 日裂缝出现，在 26 日测含水量时裂缝已具有较大宽度，含水量较低，仅在30 日裂缝初次闭合时有小幅回升，此后只要受降雨影响出现上升及下降，与裂缝11、裂缝10 相似，不同的是裂缝7 在11 月5 日宽度基本不变，不同距离处表层土壤含水量仍有较小差别，且均一致下降。 裂缝7 发育周期大于14 d(未闭合)。
3.4 裂缝对土壤含水量的影响周期
为进一步明确裂缝的影响周期，根据“同源可比”原则[12]，运用插值法对观测数据进一步处理。为保证数据一致性，选用120 cm 处的土壤含水量值作为基准值，与其他距离处的含水量做差，作为该位置处的相对表层土壤含水量(即裂缝周围处土壤含水量的损耗量)，对数据进行处理，结果如图5所示。
1)裂缝11：120 cm 内，前端动态裂缝相对表层土壤含水量随裂缝发育时间增加均呈现先下降后上升，之后再次下降又小幅上升，最后下降趋于平缓的趋势，而且距离裂缝位置越近，土壤含水量的损耗也就越大，距裂缝10、20 cm 的相对表层土壤含水量峰值均分别出现在裂缝发育11 月2 日和5 日。 裂缝在11 月2 日之前一直处于开裂状态，又受1 日降雨影响，造成2 日达到谷值1.2、0.8，3 日地表水快速下渗蒸发使其峰值达到2.7、1.9，4 日再次由于降雨影响，5 日谷值降到1.9、0.1，随着裂缝的二次开裂，土壤水损耗量达到峰值2.5、1.3；而后在土壤自修复作用下下降，裂缝再次闭合不再开裂，从而关闭部分土壤蒸发毛管孔通道，减小土壤比表面积，水分得以恢复。 在发育后期(15 日后)，变化不显著，故认为在边缘裂缝发育15 日后表层土壤相对含水量基本得到恢复，即裂缝对表层土壤相对含水量影响可忽略。从10 月27 日裂缝出现至11 月15 日，裂缝对水分的影响周期为20 d。
图5 裂缝11、10、7 表层土壤水损耗随时间的变化
Fig.5 Losses of soil water content with time at various distances from ground crack 11、10、7
2)裂缝10： 120 cm 内，裂缝表层土壤相对含水量损耗随裂缝的发育先逐渐上升，后小幅度下降，之后含水量损耗一直呈上升趋势，11 月3 日裂缝初次闭合，受降雨影响后水分渗透蒸发量大，损耗仍呈上升趋势，之后直至11 月9 日裂缝开始第2 次闭合状态时含水量损耗有所下降，随着裂缝闭合，损耗量慢慢减小，总体而言，距离裂缝越近，其损耗量越大。
3)裂缝7：120 cm 内，前端动态裂缝土壤含水量损耗随着裂缝发育呈现先上升，后小幅下降，后又上升然后下降至低谷，随后再次上升下降，10 月30 日伴随着裂缝的第2 次张开含水量损耗增大，至11 月2 日降雨影响，损耗达到峰值，3 日略有下降，4 日、5日尽管裂缝开始趋于闭合，然而受降雨影响，含水量损耗依旧增大，随后距离裂缝近处，随着雨后水分下渗及蒸发量大，水消耗仍旧较大，最后随裂缝闭合及水蒸发、渗透的稳定，含水量消耗逐渐减小。
综合分析认为，3 条裂缝在距离裂缝近处水分损耗要明显大于距离裂缝较远处，距离裂缝越远，在70 cm 以外水分损耗波动较小，110 cm 处含水量损耗基本无变化，即采动地裂缝对土壤含水量有一定的影响范围，这与已有研究成果相符[20，22]。
采动地裂缝对表层土壤含水量影响具有一定周期的原因有：①关键层随井下推进而断裂，具有周期性，而关键层对地表变形变形具有控制作用[30]，因而关键岩块的周期性运移导致动态地裂缝的开裂与闭合；②采煤塌陷导致采空区岩土体垂直裂隙发育[14]，土壤内部水分直接从均一、较粗直的裂隙扩散至大气中，比经过弯曲度极大的土壤孔隙较快，从而加强了风力挟走水分的能力；③采煤塌陷增大土壤大孔隙进而影响土壤水分蒸发；④采动地裂缝增大了比表面积，增大了蒸发面，增强了风蚀、日晒等自然因素作用，从而导致水分进一步快速蒸发。 在自然营力等的自修复、自然修复作用下[9，27]，一般可恢复至采前水平，这也与已有研究相符[12]，不同之处在于由于采矿地质条件以及气候的复杂性，影响周期存在一定差异。
4 结 论
1)距离地裂缝距离越近，含水量越低，随着裂缝发育水分损耗也较大，且裂缝对土壤含水量影响范围为70 cm 左右，距离较远处含水量变化趋于一致，基本不受裂缝影响。
2)裂缝对土壤含水量的影响周期与裂缝的发育周期密切相关，随着裂缝的张开闭合，含水量损耗表现出相应变化。
3)风沙区采煤沉陷区坡上与坡下含水量无较大差异。 采动地裂缝使得土壤微结构，与自然因素耦合作用下，土壤含水量在短期内降低，又可在自然营力等自修复、自然修复作用下恢复至采前水平。
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