基于Hydrus-1D的神府矿区土壤水入渗规律研究

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包气带内土壤水的运移关乎到地表水、地下水以及大气水之间的相互转换,是地表水文循环过程中的重要纽带,也是为土壤内生物传递所需物质的重要载体。神木位于陕北北部黄土高原中部,是中国重要的能源产业基地。开采煤矿造成的地层塌陷以及地裂缝的出现都严重影响到矿区的水文循环过程。因此,研究在煤矿开采裂隙区对包气带水分运移的影响对绿色矿山建设以及水循环的认识具有重要的现实和科学意义。本文选择了地质结构简单且煤层赋存稳定的红柳林矿区、杨伙盘矿区裂隙带进行原位入渗试验和土壤入渗公式拟合以及野外采样取得实际土壤特征参数,基于Hydrus-1D软件建立两个矿区的土壤数值模型并模拟积水条件入渗分析水分运动规律;并利用已经建立的模型对矿区降雨入渗进行分析,探究降雨量对包气带水分的补充作用。得到的主要结论如下:(1)分析入渗试验结果得出红柳林矿区裂隙区的初始入渗速率:裂隙区>生态修复区>未开采区。达到稳渗时入渗率分别是:裂隙区0.53 cm·min-1、生态修复区0.43 cm·min-1、未开采区0.48 cm·min-1。杨伙盘矿区裂隙区土壤的入渗速率始终高于对照组的入渗速率,在20min达到稳渗(裂隙区为0.33 cm·min-1、未开采区为0.23cm·min-1)。通过Kostiakov和方正三两个入渗公式对试验结果进行拟合,效果较好决定系数在0.817-0.987之间,表明了入渗试验的结果合理性。在五个不同区域试验点通过试验的方法定量的揭示了优先流在整个入渗过程中的占比,在入渗初期优先流的占比0.25-0.41,而在入渗中期占比0.16-0.44。在稳渗阶段,优先流仅占0.08-0.17。在研究的五个区域生态修复区和裂隙区优先流的入渗率远高于自然状态下未扰动的区域。(2)建立两个矿区的水分运移数值模型,进行试验条件下的模拟,从入渗速率、累积入渗量以及湿润锋运移距离三个方面验证模型精度,并通过纳什效率系数、均方根误差、相对误差等评价指标验证模型结果的合理性。得出模型模拟效果在五个区域整体精度较高。其中:红柳林裂隙区入渗率与未开采区的入渗率相比增大了50%,杨伙盘裂隙区入渗量与未开采区的入渗率相比增大了29.5%;红柳林采煤裂隙区比未开采区的总入渗量超过一倍,杨伙盘裂隙区的累积入渗量比未开采区大48.2%;对于湿润锋的迁移,红柳林矿区裂隙区比未开采区水分向下的运动距离增加了80.4%;而杨伙盘矿区的水分运移深度对比未开采区增加了25.6%。(3)利用Hydrus-1D模型对神木地区2020年8月9日-11日发生的连续两场降雨进行不同矿区土壤条件下降雨入渗模拟得出:煤炭的开采造成土壤入渗加速、蒸发加剧以及持水能力变弱。在降雨前,裂隙区的含水量低于未开采区,最大土壤含水量只达到10%。8月9日降雨后,采煤裂隙区就直接入渗到包气带深层150cm处。而修复区和未开采区在历经两次降雨后水分才能入渗至150cm处,并且土壤最大含水量可以达到50%。裂隙区历经两场连续的降雨,虽然对深层包气带土壤含水量有所补给,但是总的土壤含水量依旧较小。最后根据模型建立单次降雨预测方案得出干旱条件下单次降水入渗情况,可以分析出:在矿区内干旱条件下,连续的降雨更有助于对深层包气带以及地下含水层的补给。对于单场次的降雨,不足50-60mm的降雨强度属于无效降雨,不能有效地补给矿区深层包气带水分。最后,结合所有模拟结果对矿区的生态修复提出建议措施。
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