補(bǔ)連塔礦塌陷區(qū)風(fēng)沙蝕積量的研究

神東礦區(qū)互連塔礦砂沙區(qū)的線性沙丘約占該礦區(qū)的50%。采井坍塌后，線性砂的表面形狀發(fā)生了很大變化，線性輸送沙的斷面被切斷，砂屑的積累也發(fā)生了相應(yīng)的變化。但這并不是不變的。初步觀測(cè)發(fā)現(xiàn),隨著塌陷時(shí)間的推進(jìn),風(fēng)沙流填埋塌陷裂縫會(huì)使沙丘表面流線型輸沙斷面逐步恢復(fù),風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)也逐漸恢復(fù)到塌陷前的狀況,目前關(guān)于線形沙丘表面蝕積狀態(tài)與風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究已有大量成果,但是采煤塌陷后塌陷形式與沙丘表面蝕積強(qiáng)度的關(guān)系、塌陷年限與蝕積強(qiáng)度的關(guān)系、塌陷強(qiáng)度與蝕積量的關(guān)系等系統(tǒng)研究尚未見(jiàn)報(bào)道,本文通過(guò)對(duì)補(bǔ)連塔礦塌陷區(qū)線性沙丘蝕積量的觀測(cè),重點(diǎn)分析采煤塌陷后沙丘形態(tài)恢復(fù)過(guò)程中不同時(shí)段蝕積強(qiáng)度與地表結(jié)構(gòu)的關(guān)系,為塌陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。1沙漠化分布及氣象條件神東礦區(qū)位于我國(guó)北方干旱半干旱區(qū),地理坐標(biāo)位于E109°45′-110°40′,N38°50′-39°50′,占據(jù)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)、上彎鎮(zhèn)和陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)、店塔鎮(zhèn)的大部分地區(qū)。由于長(zhǎng)期不合理的土地利用再加上自然環(huán)境條件的影響,引起強(qiáng)烈的現(xiàn)代荒漠化過(guò)程,導(dǎo)致固定沙丘活化、流沙蔓延。20世紀(jì)80年代以來(lái),國(guó)家重要的煤炭基地-神東煤礦建成,但是,補(bǔ)連塔礦以西是強(qiáng)度荒漠化土地分布區(qū)(圖1)。其中流動(dòng)沙丘區(qū)占總土地面積的16%,流沙覆蓋率75%以上,地表形態(tài)以高大新月形沙丘鏈、格狀沙丘鏈和沙壟為主,高度16～28m,天然植物覆蓋度0.5%～1%,光禿裸露的沙丘,在風(fēng)力作用下向前移動(dòng),使沙漠化土地不斷擴(kuò)張,同時(shí)也影響了煤業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。大地構(gòu)造屬于華北地臺(tái)的鄂爾多斯臺(tái)向斜,主要地層有含煤層系侏羅系、白堊系泥巖、沉積砂巖以及第四紀(jì)風(fēng)積沙層和黃土層,除局部低洼盆地外,大部分地區(qū)缺失第三紀(jì)地層,說(shuō)明自第三紀(jì)以后當(dāng)?shù)鼐鸵呀?jīng)開(kāi)始隆升了,現(xiàn)代高原臺(tái)地和黃土丘陵地貌就是繼承古代剝蝕高地的基礎(chǔ)上發(fā)育起來(lái)的,水土流失和沙漠化發(fā)展有著悠久的歷史。但是,隨著采礦面積的不斷擴(kuò)大,塌陷面積的不斷增加,最近幾十年來(lái),風(fēng)力侵蝕逐步增強(qiáng)并已經(jīng)成為主要的侵蝕方式。就氣候條件來(lái)說(shuō),主要特征是降水稀少、光照充足、蒸發(fā)強(qiáng)勁、地表干燥,大風(fēng)頻繁,容易發(fā)生風(fēng)蝕和沙塵暴,造成土地沙化;年平均溫度7.3℃,年均降水量368.2mm蒸發(fā)量1319mm,降水變率大,春季80%保證率的降水量?jī)H12mm,干燥度1.3以上;年均風(fēng)速3.6m/s,最大風(fēng)速25m/s,起沙風(fēng)向以西北風(fēng)和偏北風(fēng)為主(圖1-2),年均大風(fēng)日42.2d,沙暴日10.7d;尤其是在春季,不僅干旱少雨、地表干燥,而且大風(fēng)最為頻繁,月均風(fēng)速4～5m/s,最高風(fēng)速可高達(dá)20～25m/s以上。2內(nèi)容和方法的研究2.1樣地設(shè)置與腐蝕的關(guān)系野外觀測(cè)時(shí),在三大樣地內(nèi)(WT非塌陷區(qū)、T2005年塌陷區(qū)、T2004年塌陷區(qū))選擇植被覆蓋率約為10%左右的3個(gè)簡(jiǎn)單線性單體沙丘,然后在不同塌陷年限的試驗(yàn)樣地內(nèi)選擇8～10個(gè)不同位置的典型位置,如①迎風(fēng)坡坡角;②坡中;③迎風(fēng)坡坡上2/3處;④丘頂;⑤背風(fēng)坡坡上2/3;⑥背風(fēng)坡坡中;⑦背風(fēng)坡坡角等,采用標(biāo)桿定點(diǎn)觀測(cè)法測(cè)定樣地內(nèi)蝕積量變化。具體方法如下:首先測(cè)出原地貌的相對(duì)高程,標(biāo)桿(鋼條)上刻上刻度(cm),前一次測(cè)值減去后一次余量,如果差為負(fù)數(shù),表示風(fēng)蝕,正數(shù)表示堆積。2.2體沙區(qū)沙區(qū)的沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙礦鹽礦沙礦鹽礦沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙區(qū)沙、沙依靠野外定點(diǎn)觀測(cè),選擇植被覆蓋率為10%左右的不同地貌類(lèi)型的塌陷強(qiáng)度,首先排除植被蓋度對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)影響因子,然后在塌陷區(qū)內(nèi)選擇塌陷強(qiáng)度為50%,35%,20%,10%,0%(非塌陷地)地貌類(lèi)型大致相似的5大樣地作為試驗(yàn)點(diǎn),用標(biāo)桿法測(cè)定其區(qū)域風(fēng)沙蝕積量,每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)標(biāo)桿18～22個(gè),設(shè)置標(biāo)桿時(shí)主要觀測(cè)塌陷斷面前沿、塌陷梯形平面、塌陷后沿等風(fēng)蝕沙埋量,測(cè)定其單體沙丘區(qū)域風(fēng)沙蝕積量,布設(shè)點(diǎn)如圖2所示。2.3區(qū)域沙化面及其蝕積平衡值根據(jù)補(bǔ)連塔礦采煤工作面推進(jìn)的特點(diǎn),每個(gè)工作面長(zhǎng)3km,寬0.3km,由西南向東北推進(jìn),結(jié)合地表塌陷后再塑地貌的特征,塌陷區(qū)地表結(jié)構(gòu)破壞程度用塌陷強(qiáng)度(SSI)表示。SSI=AD/A0(1)SSΙ=AD/A0(1)式中:AD——塌陷裂縫條數(shù);A0——塌陷區(qū)樣點(diǎn)每隔100m長(zhǎng)度。蝕積強(qiáng)度ECI用塌陷蝕平衡值ω表示,測(cè)定標(biāo)桿風(fēng)蝕沙埋量后,通過(guò)SPSS13.0和EXECL2003軟件處理,用下式計(jì)算區(qū)域風(fēng)沙蝕積平衡值ω分量(ω1,ω2,…,ω5)和區(qū)域風(fēng)沙蝕積平衡值總量ω總量:ω蝕積平衡值分量=∑i=110Ei(2)ω蝕積平衡值總量=∑n=15ω分量(3)ω蝕積平衡值分量=∑i=110Ei(2)ω蝕積平衡值總量=∑n=15ω分量(3)式中:ω分量——區(qū)域風(fēng)沙蝕積平衡值分量;Ei——不同位置風(fēng)蝕沙埋量觀測(cè)值(測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示);ω總量——區(qū)域風(fēng)沙蝕積平衡值總量。根據(jù)計(jì)算出的地表破壞率和蝕積平衡值劃分出塌陷區(qū)地表破壞強(qiáng)度級(jí)和蝕積強(qiáng)度如下表1,2所示。3結(jié)果與分析3.1不同位移分級(jí)的區(qū)域沙化強(qiáng)度及與起沙風(fēng)速頻率的關(guān)系根據(jù)表2蝕積強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和表3-5所示,T2004年塌陷區(qū)不同觀測(cè)時(shí)間(冬、春、夏、季)區(qū)域蝕積強(qiáng)度分別為輕度1(CI)、高強(qiáng)度4(EI)、低強(qiáng)度2(EI)和輕度1(EI)強(qiáng)度級(jí),其總區(qū)域風(fēng)沙蝕積強(qiáng)度為高強(qiáng)度4(EI);同樣條件下T2005年塌陷區(qū)區(qū)域蝕積強(qiáng)度分別為輕度1(CI)、高強(qiáng)度4(EI)、中強(qiáng)度3(EI)和低強(qiáng)度2(EI)強(qiáng)度級(jí),其總區(qū)域風(fēng)沙蝕積強(qiáng)度為極高強(qiáng)度5(EI),可見(jiàn)塌陷1年比塌陷兩年塌陷區(qū)有更強(qiáng)的蝕積強(qiáng)度,其總分級(jí)強(qiáng)度高出1個(gè)強(qiáng)度級(jí);而WT非塌陷區(qū)區(qū)域蝕積強(qiáng)度除了春季(2006年4月)蝕積強(qiáng)度為中強(qiáng)度3(EI)外,其余的都為輕度1(EI)。據(jù)以上分析可知,不同塌陷年限塌陷區(qū)區(qū)域風(fēng)沙蝕積量的蝕積強(qiáng)度有所不同,經(jīng)進(jìn)一步分析,不同塌陷年限區(qū)域蝕積量與起沙風(fēng)速頻率有很大關(guān)系,而區(qū)域風(fēng)沙蝕積量與蝕積強(qiáng)度又息息相關(guān),經(jīng)計(jì)算得出:神東礦區(qū)春、夏、秋、冬四季起沙風(fēng)速(≥5m/s)頻率分別為37.0%,22.90%,19.10%,20.30%,與四季的變化呈多項(xiàng)式函數(shù)變化,而區(qū)域風(fēng)沙蝕積強(qiáng)度與四季變化也呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性,T2004年塌陷區(qū)為多項(xiàng)式函數(shù)、T2005年為線性函數(shù)、WT為多項(xiàng)式函數(shù),這說(shuō)明隨著起沙風(fēng)頻率的不斷變化,區(qū)域風(fēng)沙蝕積強(qiáng)度與起沙風(fēng)速頻率呈正相關(guān)負(fù)增長(zhǎng),也就是說(shuō),隨著春夏秋冬的變化區(qū)域風(fēng)沙蝕積強(qiáng)度隨著起沙風(fēng)速頻率的減小而減小(圖4-6)。據(jù)分析,不同塌陷年限塌陷區(qū)隨著塌陷時(shí)間尺度的拉長(zhǎng),與區(qū)域蝕積強(qiáng)度呈線性關(guān)系,如圖7所示,隨著塌陷時(shí)間的延長(zhǎng)其區(qū)域蝕積強(qiáng)度從極高強(qiáng)度變?yōu)楦邚?qiáng)度,慢慢趨向于蝕積平衡點(diǎn)。3.2調(diào)整四氟臨界值據(jù)以上分析可知,不同塌陷強(qiáng)度區(qū)域風(fēng)沙蝕積量和蝕積強(qiáng)度由于受塌陷斷裂面的影響,其區(qū)域蝕積平衡值ω和蝕積強(qiáng)度程度不同,如表6所示。隨著塌陷強(qiáng)度的減小其蝕積平衡值ω逐漸從堆積態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)蝕態(tài),蝕積狀態(tài)的變化勢(shì)必直接或間接影響區(qū)域風(fēng)沙蝕積量的多少,根據(jù)表2分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)塌陷強(qiáng)度為50%和35%時(shí),蝕積強(qiáng)度都為堆積態(tài)高強(qiáng)度4(CI),20%時(shí)蝕積強(qiáng)度雖然也為高強(qiáng)度4,但其蝕積狀態(tài)為風(fēng)蝕態(tài)(EI),這說(shuō)明當(dāng)塌陷強(qiáng)度減小為某一定值時(shí),其蝕積狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變。10%時(shí)為輕度2(EI),0%時(shí)為1(EI),后3種塌陷強(qiáng)度都為風(fēng)蝕態(tài)。經(jīng)進(jìn)一步分析,擬合出塌陷強(qiáng)度與蝕積強(qiáng)度回歸關(guān)系為多項(xiàng)式函數(shù),相關(guān)系數(shù)為0.8167,相關(guān)性極好,并作出函數(shù)關(guān)系圖發(fā)現(xiàn),當(dāng)塌陷強(qiáng)度為[20%,40%]區(qū)間內(nèi)某一點(diǎn)值,蝕積強(qiáng)度將達(dá)到平衡值0。為了確定臨界值,假設(shè)蝕積強(qiáng)度ECI等于0,并計(jì)算出塌陷強(qiáng)度SSI值,SSI1=0.306916,SSI2=-0.1622,塌陷強(qiáng)度SSI值為負(fù)不可能,故塌陷強(qiáng)度SSI為30.6916%確定為蝕積臨界值。也就是說(shuō)[0,30.6916%]區(qū)間內(nèi),其區(qū)域蝕積過(guò)程為風(fēng)蝕態(tài),當(dāng)塌陷強(qiáng)度在[30.6916%,100%]區(qū)間內(nèi),其區(qū)域風(fēng)沙蝕積過(guò)程為堆積態(tài)(圖8)。4位移區(qū)域與沙速的關(guān)系通過(guò)對(duì)不同塌陷年限和不同塌陷強(qiáng)度單體沙丘風(fēng)沙蝕積量和蝕積強(qiáng)度的計(jì)算和分析,得出以下結(jié)論:①隨著起沙風(fēng)頻率的不斷變化,區(qū)域風(fēng)沙蝕積強(qiáng)度與起沙風(fēng)速頻率呈正相關(guān)負(fù)增長(zhǎng),T2004年塌陷區(qū)為多項(xiàng)式函數(shù)、T2005年為線性函數(shù)、WT為多項(xiàng)式函數(shù),這說(shuō)明區(qū)域風(fēng)沙蝕積強(qiáng)度與四季變化也呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性,表現(xiàn)為區(qū)域風(fēng)沙蝕積強(qiáng)度隨著起