馬雄德，祁 浩，郭亮亮，遲寶鎖，王宏科，朱占榮，曹虎生

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710016; 4.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000; 5.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)

分布在黃河流域中上游的晉、陜、蒙、寧、甘等5省區(qū)的煤炭基地2019年產(chǎn)量27.49億t，占全國(guó)原煤產(chǎn)量的73.4%(2020年中國(guó)原煤行業(yè)分析報(bào)告)，有力支撐了區(qū)域經(jīng)濟(jì)和國(guó)家能源需求。但該區(qū)地處我國(guó)西部干旱-半干旱區(qū)，降水稀少、水資源匱乏，主采煤層上覆隔水層厚度偏薄，煤層開(kāi)采極易破壞上覆含水層和生態(tài)環(huán)境。據(jù)測(cè)算，在晉陜蒙地區(qū)，平均每生產(chǎn)1 t原煤直接損失2 t地下水資源[1]，已直接或間接對(duì)黃土高原丘陵溝壑水土保持生態(tài)功能區(qū)的水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙等功能產(chǎn)生了重要脅迫[2]。由于干旱少雨，補(bǔ)給量有限，水資源先天不足已經(jīng)成為制約黃河中上游地區(qū)煤炭工業(yè)發(fā)展的資源瓶頸[3]。因此，提高對(duì)西部礦區(qū)高強(qiáng)度煤炭開(kāi)采過(guò)程中水資源及生態(tài)破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)，事關(guān)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之大計(jì)。

煤層采出以后，采空區(qū)地表會(huì)產(chǎn)生一定程度的下沉[4]，從而形成采礦沉陷盆地。依據(jù)隔水巖組厚度與導(dǎo)水裂隙帶高度的關(guān)系，采煤對(duì)地下水位的擾動(dòng)主要有2種表現(xiàn)形式。一種是煤層開(kāi)采后地下水位埋深相對(duì)變淺，有時(shí)伴隨著一定范圍的地表積水。當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶高度小于隔水巖組厚度，且地下潛水位較高時(shí)，地下水很容易在沉陷盆地中出露，形成人工地表水體[5]。這在我國(guó)東部地區(qū)比較常見(jiàn)，如安徽省兩淮、山東省兗滕、江蘇省徐州等礦區(qū)，地下水水位埋深較淺，而地表下沉系數(shù)大，每生產(chǎn)10 000 t煤，就會(huì)產(chǎn)生133～200 m2沉陷區(qū)[6]，近一半的沉陷區(qū)都會(huì)出現(xiàn)地表積水，從而會(huì)形成濕地、永久或季節(jié)性池塘、湖泊等人工地表水體[7]。由于沉陷區(qū)人工地表水體破壞了優(yōu)質(zhì)耕地[8]，改變了生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成[9]，高潛水沉陷區(qū)大量研究主要圍繞土地復(fù)墾[10]和生態(tài)恢復(fù)而展開(kāi)[11]。

另一種形式是煤層開(kāi)采后地下水位埋深增加。當(dāng)煤層上覆隔水巖組厚度較小，大采高形成的導(dǎo)水裂隙帶破壞潛水含水層隔水底板時(shí)，導(dǎo)致隔水巖組滲透率急劇增大，最多可達(dá)初始值的數(shù)十倍乃至百倍[12]，地下水迅速沿導(dǎo)水裂隙瀉入礦井，使采空區(qū)周邊一定范圍地下水位降低[13]。這類問(wèn)題在我國(guó)西部陜西、山西、內(nèi)蒙古、寧夏等地區(qū)大型礦井開(kāi)采過(guò)程中較為突出。范立民等[14]對(duì)比了1994年和2015年榆神府礦區(qū)地下水流場(chǎng)，指出該區(qū)內(nèi)煤層開(kāi)采已經(jīng)造成地下水位大范圍下降，水位降深大于8 m的區(qū)域面積達(dá)到758.9 km2。這進(jìn)一步說(shuō)明淺埋煤層開(kāi)采引起的地下水位下降現(xiàn)象普遍存在，而且這種變化逐漸從孤立的煤礦區(qū)向整個(gè)水文單元甚至流域擴(kuò)展[15]，正在劇烈改變著區(qū)域水循環(huán)模式。由于地處西部干旱-半干旱區(qū)，地下水埋深較淺時(shí)(小于4 m)，一些植被依賴地下水而生存[16]，地下水位下降后植被失去了穩(wěn)定的供水水源，由于缺水而呈現(xiàn)生理性退化，因而地下水位下降問(wèn)題被廣泛關(guān)注。錢鳴高[17]、范立民[18]等呼吁在西部地區(qū)煤炭開(kāi)采過(guò)程中要保護(hù)地下水，20 a以來(lái)，“保水采煤”已成了西部礦區(qū)最重要的命題之一。

最近，在榆神礦區(qū)西部地下水監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn):由于煤層開(kāi)采地面沉降導(dǎo)致第四系地下水在地面成片出露，并能長(zhǎng)期存在。類似地，楊志[19]發(fā)現(xiàn)金雞灘煤礦6個(gè)監(jiān)測(cè)孔水位在工作面經(jīng)過(guò)以后都呈現(xiàn)不同幅度的上升(即水位埋深變淺)，最大上升了0.57 m。馬立強(qiáng)等[20]也指出，補(bǔ)連塔煤礦開(kāi)采后2個(gè)監(jiān)測(cè)孔水位分別上升0.66 m和0.87 m。地下水位埋深變淺帶來(lái)一個(gè)重要的問(wèn)題，即地下水蒸發(fā)速率增加。地下水埋深越小蒸發(fā)速率越大[21]，地下水的無(wú)效蒸發(fā)量就越大。李瑩[22]在計(jì)算榆神礦區(qū)地下水資源量時(shí)，為不同潛水埋深給定不同的蒸發(fā)系數(shù)，即潛水埋深<1 m，1～2 m和2～3 m，潛水蒸發(fā)系數(shù)分別為0.17，0.12和0.06。由此估算，如地下水位埋深從2～3 m上升到0～1 m，單位面積上蒸發(fā)量將增加183.3%，這非常不利于干旱地區(qū)淺層地下水資源管理。因此，控制合理的水位埋深上限已成為榆神礦區(qū)西部煤層開(kāi)采中面臨的新的科學(xué)問(wèn)題。

為了減少蒸發(fā)，防治土壤鹽漬化，我國(guó)許多地區(qū)開(kāi)展了地下水位埋深上限研究。如，WANG等[23]認(rèn)為有植物存在時(shí)三江平原地下水埋深上限為0.5～2.8 m。李明等[24]認(rèn)為新疆南部阿克蘭干地區(qū)土壤為粉砂夾黏土?xí)r地下水上限埋深為1.93 m，而土壤為粉砂時(shí)地下水埋深上限2.4 m。程雙虎等[25]認(rèn)為河北省平原區(qū)水位上限埋深為2 m。鑒于以往臨界水位埋深的確定都是通過(guò)實(shí)測(cè)毛細(xì)上升高度或野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)后獲取的，結(jié)論往往難以統(tǒng)一。筆者通過(guò)潛水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo):① 揭示風(fēng)積沙區(qū)潛水蒸發(fā)過(guò)程;② 提出地下水埋深上限閾值計(jì)算公式;③ 確定榆神礦區(qū)地下水位上限閾值。

1 榆神礦區(qū)水位變化分區(qū)

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》，隔水層厚度與導(dǎo)水裂隙帶高度之差是否滿足安全防水煤巖柱厚度，是判斷含水層結(jié)構(gòu)是否被破壞的標(biāo)準(zhǔn)，即

hsh≥hli+hb

(1)

式中,hsh為隔水巖組厚度;hli為導(dǎo)水裂隙帶高度;hb為防水安全煤巖柱高度；隔水層為黏土?xí)r可取3倍采高，無(wú)黏土層時(shí)取5倍采高[26]。

式(1)兩邊同除以M，依此來(lái)表征采后隔水巖組隔水性穩(wěn)定程度k，則有

(2)

式中，c為常數(shù)，取3或5。

范立民等[27]分析了40多個(gè)鉆孔實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度，指出榆神府礦區(qū)采高3～6 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度一般為采厚的22～28倍，則有:

(1)k≥33時(shí)(隔水層為黏土層時(shí)為31)，煤層開(kāi)采后隔水巖組隔水穩(wěn)定性保持不變，含水層結(jié)構(gòu)完整。但由于采后上覆巖層發(fā)生沉陷，地表高程降低，使?jié)撍裆钕鄬?duì)變淺。在地勢(shì)低洼處，地下水將會(huì)出露地表后形成地表水體。如小保當(dāng)一號(hào)井開(kāi)采后，地下水埋深變淺，甚至出露[28]。

(2)k≤22時(shí)，導(dǎo)水裂隙將完全貫通隔水巖組，含水層結(jié)構(gòu)完全破壞，地下水位下降。如錦界煤礦SMJ107 號(hào)監(jiān)測(cè)井水位最大降幅達(dá)12.67 m[14]。

(3)當(dāng)22

據(jù)此，以采高5.0 m為例，隔水巖組厚度以22倍采高(110 m)和33倍采高(165 m)(有黏土層時(shí)為155 m)為標(biāo)準(zhǔn)，可將榆神礦區(qū)煤層開(kāi)采后地下水位變化分為3個(gè)區(qū)，即水位埋深變淺區(qū)、過(guò)渡區(qū)和水位埋深增加區(qū)，如圖1所示。

圖1 榆神礦區(qū)水位變化預(yù)測(cè)分區(qū)Fig.1 Prediction zone of water level change in Yushen mining area

由圖1可知，水位埋深變淺主要分區(qū)在榆神三期和四期規(guī)劃區(qū)。該區(qū)首采煤層埋深300 m以上，上覆基巖隔水層厚度大，開(kāi)采后導(dǎo)水裂隙帶高度小于隔水巖組厚度，煤層開(kāi)采后對(duì)潛水含水層結(jié)構(gòu)影響小，因而開(kāi)采沉陷區(qū)地下水位埋深一般會(huì)相對(duì)變淺。

圖2為2019年6月統(tǒng)測(cè)的榆神礦區(qū)地下水位埋深圖。由圖2可知，榆神礦區(qū)西部風(fēng)沙灘地區(qū)地下水位埋深普遍較小，其中水位埋深<4 m的面積為3 109.1 km2，占礦區(qū)面積的59.1%。據(jù)宋世杰等[29]的估算，榆神礦區(qū)埋深300 m，采厚5 m條件下，地表下沉系數(shù)平均為0.69，最大可達(dá)0.783，地表最大下沉值近3.9 m。因此，榆神三、四期地下水位小于4 m的區(qū)域都存在大范圍地下水出露或淺埋的可能。

圖2 榆神礦區(qū)地下水位埋深分區(qū)Fig.2 Zoning for depth to groundwater table

結(jié)合野外調(diào)查成果，水位埋深變淺區(qū)地表一般為厚度在10～146 m的風(fēng)積沙，其粒徑主要分布在0.074～0.250 mm。以下針對(duì)風(fēng)積沙開(kāi)展?jié)撍舭l(fā)試驗(yàn)，以獲取風(fēng)積沙區(qū)的地下水埋深上限閾值。

2 潛水蒸發(fā)規(guī)律

2.1 潛水蒸發(fā)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。蒸滲柱采用直徑為11 cm的有機(jī)玻璃制成。蒸滲柱與馬氏瓶連接，用來(lái)記錄蒸滲柱內(nèi)的蒸發(fā)量。蒸滲柱頂部40 cm處放置紅外燈以增加蒸發(fā)量，在等溫條件下，用蒸餾水開(kāi)展了一組初始飽和裸土蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)(不定水位)和7組定水位蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)(1組水面蒸發(fā)，6組潛水蒸發(fā)，水位埋深分別為0.1,0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 m)。該實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)小的、隔熱良好的房間進(jìn)行的，溫度大致恒定(28± 2.7 ℃)，由濕度計(jì)測(cè)量的相對(duì)濕度在0.15～0.30。

圖3 蒸滲儀組成Fig.3 Composition of lysimeter

實(shí)驗(yàn)用沙采自榆林市小壕兔鄉(xiāng)(39.00°N，108.75°E)。參照國(guó)內(nèi)外常用做法[30]，在研究區(qū)開(kāi)挖1 m深的剖面，采集沙樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。沙樣裝填完成以后，為蒸滲柱連續(xù)充水和排水2～3次，以保證風(fēng)積沙自然密實(shí)，使干容重與野外條件的實(shí)測(cè)值相差小于5%。

2.2 潛水蒸發(fā)過(guò)程

初始飽和風(fēng)積沙的蒸發(fā)過(guò)程如圖4所示。由圖4可知，初始飽和裸土的蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)速率存在明顯的轉(zhuǎn)折，大致可以分為2個(gè)階段[31]。第1階段(穩(wěn)定蒸發(fā)階段)蒸發(fā)速率較高，而第2階段(水汽擴(kuò)散階段)蒸發(fā)速率十分緩慢，2者之間存在一個(gè)轉(zhuǎn)化階段。第1階段的蒸發(fā)速率較高，SHOKRI[32]認(rèn)為這是由于表土層中細(xì)小孔隙中的液體彎月面與大氣保持聯(lián)系，這些具有水力聯(lián)系的小孔隙產(chǎn)生的毛細(xì)水力梯度將土壤內(nèi)部的水分輸送到地表以滿足蒸發(fā)需求。LEHMANN等[33]認(rèn)為當(dāng)?shù)叵滤档偷揭欢ㄉ疃葧r(shí)，向下的重力和黏滯力將克服向上的毛細(xì)作用力，進(jìn)而阻斷了地下水與土表面之間的水力聯(lián)系。這時(shí)，表層土的水分供應(yīng)受限，因而蒸發(fā)面將由地表進(jìn)入土壤內(nèi)部，并在土壤表層形成一定厚度的干層[34]。此時(shí)土壤剖面上，水分以液態(tài)形式到達(dá)干層底部，以氣態(tài)形式穿過(guò)干層進(jìn)入大氣，蒸發(fā)進(jìn)入第2階段，蒸發(fā)速率變得十分緩慢(圖4)。

圖4 毛烏素沙的蒸發(fā)過(guò)程Fig.4 Evaporation process of the Mu Us sand

2.3 不同埋深條件下潛水蒸發(fā)

從馬氏瓶獲得的讀數(shù)換算到蒸滲儀的蒸發(fā)強(qiáng)度，圖5為不同地下水位埋深條件下潛水蒸發(fā)損失情況。為了直觀對(duì)比，將每個(gè)埋深的潛水累計(jì)蒸發(fā)量(∑m)用水面累計(jì)蒸發(fā)量(∑m0)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。由圖5可知，地下水位埋深從10 cm降低到30 cm時(shí)，總蒸發(fā)水損失減少了近20%，對(duì)總蒸發(fā)水損失的影響較小。然而，將地下水位埋深從30 cm降低到50 cm，總蒸發(fā)水損失減少了近90%，導(dǎo)致總蒸發(fā)水損失顯著減少。這說(shuō)明對(duì)于試驗(yàn)沙而言，地下水位埋深0.5 m左右時(shí)，蒸發(fā)過(guò)程中的水分傳輸機(jī)制發(fā)生了轉(zhuǎn)變，地表開(kāi)始形成干層，蒸發(fā)進(jìn)入第2階段。

圖5 地下水位與潛水蒸發(fā)關(guān)系Fig.5 Relationship between groundwater level and evaporation rate

3 礦區(qū)地下水埋深上限閾值的確定方法

3.1 礦區(qū)地下水埋深上限閾值的概念

在常溫常壓下，毛細(xì)上升高度與毛細(xì)管直徑關(guān)系[35]為

(3)

式中,hc為毛細(xì)上升高度;d為毛細(xì)管直徑。

可以看出，毛細(xì)管直徑是決定毛細(xì)上升高度的主要因素，毛細(xì)管直徑越小，毛細(xì)上升高度越大。從土壤孔隙失水的角度來(lái)看[36]，蒸發(fā)過(guò)程中毛細(xì)上升高度范圍內(nèi)的大孔隙先于小孔隙失水，因此在蒸發(fā)第1階段，一定深度范圍的土壤剖面上大孔隙內(nèi)的水分完全耗散后，在毛細(xì)力的作用下小孔隙之間仍然存在持續(xù)的水力聯(lián)系，只要地下水位保持不變，地下水與地表之間的毛管通量就不受限，因而蒸發(fā)速率較高(圖6(a))。隨著地下水位埋深下降，小孔隙中的水分也完全散失，此時(shí)毛管水力聯(lián)系斷裂，毛管流停止，蒸發(fā)進(jìn)入第2階段，潛水的蒸發(fā)速率急劇減小。因此，可以認(rèn)為在土壤蒸發(fā)過(guò)程中存在一個(gè)臨界值Dcrit(圖6(b))，當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥贒crit時(shí)，表層土與地下水之間的毛細(xì)水力聯(lián)系斷裂，蒸發(fā)進(jìn)入第2階段，蒸發(fā)速率十分緩慢。

圖6 不同蒸發(fā)階段土壤剖面上水分分布示意Fig.6 Water distribution in the soil profile at different evaporation stages

干旱礦區(qū)煤層開(kāi)采導(dǎo)致地下水位埋深d相對(duì)變淺時(shí)，如果d

3.2 地下水埋深上限閾值的確定

當(dāng)均質(zhì)土處于穩(wěn)定蒸發(fā)時(shí)，以潛水面為原點(diǎn)，向上為正，其水分運(yùn)移方程可表示為

(4)

式中，E為蒸發(fā)強(qiáng)度;K(h)為非飽和導(dǎo)水率;h為基質(zhì)勢(shì);z為位置變量。

對(duì)方程(4)兩邊積分，得

(5)

要求得式(5)的解，就必須給定非飽和滲透系數(shù)的表達(dá)式。由于地下水面以上毛管邊緣帶土壤接近飽和狀態(tài)，因此將土壤剖面以進(jìn)氣壓力值劃分為非飽和帶和飽和帶[37-38]。當(dāng)0≤h≤hb，用Ks(飽和含水量對(duì)應(yīng)的導(dǎo)水率)代替非飽和導(dǎo)水率K(h)。于是有

(6)

式中，h0為毛細(xì)管上升的最終濕潤(rùn)鋒位置處的土壤吸力水頭。

假定當(dāng)?shù)叵滤宦裆顬镈crit時(shí)表層土與地下水之間最小孔隙毛管水力聯(lián)系中斷，此時(shí)表層土的基質(zhì)勢(shì)為hmax，由圖7可知，hmax=hb+hc,則有

(7)

Gardner指數(shù)水力傳導(dǎo)模型[39]因其指數(shù)性質(zhì)而在文獻(xiàn)中被廣泛使用，是因?yàn)檫@便于求得解析解。Gardner指數(shù)水力傳導(dǎo)模型為

K(h)=Ksexp[-αG(h-hb)]

(8)

式中，αG為擬合參數(shù)，代表介質(zhì)的孔徑分布。

將式(8)代入式(7)，整理得

(9)

據(jù)前文，蒸發(fā)第2階段，土壤剖面上最小孔隙中的毛管水?dāng)嗔押螅瑵撍舭l(fā)強(qiáng)度E非常小,遠(yuǎn)低于飽和滲透系數(shù)Ks，即E/Ks≈0，代入式(9)有

Dcrit≈hb+hc

(10)

式(10)即為毛細(xì)水力聯(lián)系斷裂時(shí)臨界地下水位埋深，即地下水埋深上限閾值的計(jì)算公式。可以看出，地下水埋深上限閾值與進(jìn)氣壓力值和毛細(xì)上升高度有關(guān)。在蒸發(fā)第2階段，土壤水分運(yùn)動(dòng)速率十分緩慢，因而可以忽略黏滯力[32]，毛細(xì)水力聯(lián)系斷裂時(shí)臨界地下水位埋深在數(shù)值上等于表層土與地下水之間毛管水力聯(lián)系中斷時(shí)表層土的基質(zhì)勢(shì)為hmax(以長(zhǎng)度單位表示)，如圖7所示。

圖7 典型的水分特征曲線概念模型Fig.7 Conceptual model of water characteristic curve

根據(jù)MCQUEEN和MILLER[40]提出的土壤水分特征曲線形狀的概念模型，土壤基質(zhì)吸力與含水率在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中由3段直線構(gòu)成，其中進(jìn)氣壓力值與殘余含水率對(duì)應(yīng)基質(zhì)吸力之間的線段為毛細(xì)作用區(qū)，因而可以通過(guò)水分特征曲線來(lái)確定毛細(xì)水力聯(lián)系斷裂時(shí)臨界基質(zhì)吸力hmax，而量化進(jìn)氣值和殘余含水率可以通過(guò)在水分特征曲線的拐點(diǎn)上構(gòu)建雙切線來(lái)完成[41]。

定義一個(gè)無(wú)量綱的含水率變量Θ，由飽和含水率和殘余含水率定義成標(biāo)準(zhǔn)化體積含水率的形式為

(11)

式中，θ為體積含水率;θr和θs分別為殘余含水率和飽和含水率。

可知，隨著體積含水率逐漸趨近于殘余含水率θr，標(biāo)準(zhǔn)化含水率Θ趨于0;若體積含水率趨于θs，則標(biāo)準(zhǔn)化含水率Θ趨近1。通過(guò)土壤水分特征曲線在θr處的轉(zhuǎn)折點(diǎn)做切線，切線與飽和度Θ=0(對(duì)應(yīng)殘余含水率)的交點(diǎn)等于hmax[33]，如圖7所示。

以van Genuchten方程[42]來(lái)描述土壤水分特征曲線，其表達(dá)式為

(12)

式中，α，n為擬合參數(shù)。

為了求得土壤水分特征曲線的拐點(diǎn)及切線的斜率，需要對(duì)式(12)求導(dǎo)，即求一階導(dǎo)數(shù)得到切線的斜率，求二階導(dǎo)數(shù)得到拐點(diǎn)坐標(biāo)。由此可以寫出過(guò)拐點(diǎn)的切線表達(dá)式:

(13)

于是，求式(13)與Θ=1的交點(diǎn)，得

(14)

式(14)給出了以van Genuchten方程為基礎(chǔ)的礦區(qū)地下水埋深上限閾值通用計(jì)算方法，對(duì)干旱半干旱地區(qū)需要減少地下水蒸發(fā)，降低土壤鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域都適用。其中，參數(shù)α,n為van Genuchten方程中的擬合參數(shù)，α與土的進(jìn)氣值有關(guān)，n與土的孔徑分布有關(guān)，不能直接測(cè)得，一般通過(guò)實(shí)測(cè)土壤一系列含水率θ及其對(duì)應(yīng)的基質(zhì)勢(shì)h后，利用方程(12)擬合得到。

4 榆神礦區(qū)地下水埋深上限閾值

在榆神煤礦三期規(guī)劃區(qū)隨機(jī)選擇5個(gè)采樣點(diǎn)，地表下0～80 cm采集土壤樣品10 cm3;將每個(gè)點(diǎn)采集的土壤樣品攪拌均勻，采用砂性漏斗法測(cè)量各樣品在脫濕過(guò)程中的水頭差和排水體積，見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后采用烘干法測(cè)定土壤含水率，再根據(jù)表1中排水量計(jì)算出每次降低出口時(shí)(對(duì)應(yīng)土壤吸力)的含水率。

表1 出水口位置下降高度與排水量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of outlet falling height and discharge

采用最小二乘法將換算的土壤吸力與含水率數(shù)據(jù)與van Genuchten方程進(jìn)行擬合，得到擬合參數(shù)α=0.028 5，n=5.93。代入式(14)，得hmax=49.3 cm。

不同地下水位埋深條件下潛水蒸發(fā)速率如圖8所示。圖8中的陰影部分是利用式(14)計(jì)算的地下水埋深上限，即49.3 cm。在該深度范圍內(nèi)，地下水與表土之間有水力聯(lián)系。當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥谠撋疃纫院?，地下水與表土之間的水力聯(lián)系斷裂，蒸發(fā)速率明顯減弱。

蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖8)，蒸發(fā)速率隨地下水位埋深增加呈遞減規(guī)律，地下水位埋深0.1 m時(shí)地下水蒸發(fā)速率約為2.35 mm/h，而當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥?.5 m時(shí)，蒸發(fā)速率接近0.01 mm/h。說(shuō)明對(duì)于毛烏素風(fēng)積沙而言，地下水位埋深0.5 m時(shí)，地下水與表土之間的水力聯(lián)系斷裂，蒸發(fā)進(jìn)入第2階段。

圖8 地下水位與蒸發(fā)速率關(guān)系Fig.8 Relationship between groundwater level and evaporation rate

楊澤元等[43]認(rèn)為毛烏素風(fēng)積沙干表層形成的臨界地下水位埋深為50 cm。何淵[44]在烏審旗河南鄉(xiāng)氣象站開(kāi)展了潛水蒸發(fā)原位實(shí)驗(yàn)，并指出，對(duì)于風(fēng)積沙而言，潛水埋深40 cm是蒸發(fā)速率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，潛水埋深50 cm被當(dāng)作地下水極限蒸發(fā)深度。上述研究成果與本文的結(jié)論基本一致。據(jù)此，筆者建議將地下水位埋深50 cm作為榆神礦區(qū)煤層開(kāi)采過(guò)程中地下水埋深上限閾值。

5 結(jié) 論

(1)以隔水巖組厚度22倍采高(110 m)和33倍采高(165 m)(有黏土層時(shí)為155 m)為標(biāo)準(zhǔn)，可將榆神礦區(qū)煤層開(kāi)采后地下水位變化分為3個(gè)區(qū)，即水位埋深變淺區(qū)、過(guò)渡區(qū)和水位埋深增加區(qū)。

(2)榆神礦區(qū)潛水位埋深變淺區(qū)主要分布在榆神三、四期規(guī)劃區(qū)，地表組成物質(zhì)為風(fēng)積沙。風(fēng)積沙的蒸發(fā)過(guò)程分為2個(gè)階段，即“穩(wěn)定蒸發(fā)”階段和“水汽擴(kuò)散”階段。水位埋深50 cm左右時(shí)，蒸發(fā)進(jìn)入“水汽擴(kuò)散”階段，蒸發(fā)速率趨近于0。

(3)通過(guò)在水分特征曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處構(gòu)建雙切線，推導(dǎo)了求取地下水埋深上限閾值的解析公式。地下水埋深上限閾值與進(jìn)氣壓力值和毛細(xì)上升高度有關(guān)。

(4)利用毛烏素風(fēng)積沙進(jìn)行了脫水試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)測(cè)含水率-負(fù)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求取了相關(guān)參數(shù)，確定了榆神礦區(qū)煤層開(kāi)采過(guò)程中地下埋深上限閾值為50 cm。