有裂縫的采煤沉陷區的土壤蒸發量監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種有裂縫的采煤沉陷區的土壤蒸發量監測方法，包括如下步驟：(1)按裂縫的寬度分段，分為窄裂縫段，寬裂縫段和中裂縫段；(2)沿著裂縫的長度方向選擇監測點：在窄裂縫段、寬裂縫段分別選擇一個監測點，在中裂縫段按照2-5m的長度或者5-10m的長度范圍內選擇一個監測點；(3)在監測點并處在所述裂縫的兩側分別對稱布置多個監測點，在每個監測點設置微型蒸發器；(4)計算蒸發量：每隔預定時間，測量蒸發量值，動態反映裂縫發育對土壤蒸發量的影響。本發明的監測點的布置方式，適合于西部干旱半干旱的沉陷區沙土的土壤蒸發量的監測，可針對性監測長短、寬窄，形態不一的裂縫對土壤蒸發量的影響。
【專利說明】有裂縫的采煤沉陷區的土壤蒸發量監測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及環境監測【技術領域】，具體涉及一種有裂縫的采煤沉陷區的土壤蒸發量監測方法。
【背景技術】
[0002]煤炭是世界上儲量最多，分布最廣的常規能源，也是最廉價的能源。作為世界第一大產煤國，我國煤炭的產量占世界煤炭總產量的37%。隨著煤炭的大規模開采，煤炭開采所導致的生態環境破壞也越發凸顯。其中，采煤沉陷作為其中之一越來越受到關注。礦物經開采后，開采區域周圍的巖體的原始應力重新分布，原有的平衡狀態被破壞，形成新的平衡狀態。在此過程中，使巖層和地表產生連續的移動、變形和非連續的破壞(開裂、冒落等)，這種現象稱為“開采沉陷”(Mining subsidence) 0在開采沉陷區，由于下覆巖層的沉降作用，導致地表土層失穩，在地表引起大量的裂縫。地表植被、地下水系與當地的生態系統具有密切的關系。土地和水資源是地表植被正常生長的必要條件，因而預計因采煤沉陷導致的地表裂縫，防止水土沿沉陷裂縫流失是沉陷損害綜合治理的根本。據不完全統計，截至目前，我國采煤沉陷造成土地破壞總量已超過400萬公頃，并且仍以每年3.3-4.7萬公頃的速度增加。
[0003]煤炭開采不可避免造成地表沉陷，形成了程度不同的裂縫發育，影響了地表植物的生長。對于地表水分的保蓄和蒸發產生很大的影響。在西部干旱半干旱煤礦區，更是加重了水分的短缺。我國的煤炭資源大部分分布在陜西、內蒙與山西三地，地處西部干旱地區，蒸發量很大，在土壤、植被、土地利用、氣象、地下水位等因素的影響下，地區水資源短缺，利用效率不足，其中土壤蒸發導致的水分消耗占到相當的比例。礦區大規模的開采活動及其引起的塌陷，導致地下水位的下降，促使土壤中裂縫發育和孔隙增多。已有研究表明，采礦沉陷產生的裂縫，由于裂縫的長短、寬窄，形態不一，對于本地區水分的蒸發量研究有著顯著的影響，增大了蒸發面積，降低了土壤蓄水能力，加速了土壤水分散失，直接影響到礦區植物生長和水資源利用。研究表明，塌陷區的土壤含水量一般要小于非塌陷區，主要是受塌陷裂縫的影響。可見土壤蒸發已經成為影響礦區水資源持續利用的重要影響因素。因此，有必要研究西部干旱半干旱煤礦沉陷區沙土環境下的土壤蒸發量動態變化規律，需要對沉陷區沙土的土壤蒸發量進行持續監測，為研究和改善其生態提供依據。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是，提供一種在干旱半干旱煤礦沉陷區沙土環境下的土壤蒸發量監測方法，準確地測量由干旱和沉陷疊加的裂縫區沙土的蒸發量動態變化規律。
[0005]為解決上述問題，本發明提供了一種有裂縫的采煤沉陷區土壤蒸發量監測方法，包括如下步驟:
[0006](I)按所述裂縫的寬度將所述裂縫分段，裂縫寬度小于或等于2.5cm的部分為窄裂縫段，裂縫寬度大于或等于4.5cm的部分為寬裂縫段，裂縫寬度大于2.5cm，小于4.5cm的部分為中裂縫段，一條裂縫包括窄裂縫段、寬裂縫段和中裂縫段的一種或者他們的任意組合；
[0007](2)沿著所述裂縫的長度方向設置監測點:在上述窄裂縫段、寬裂縫段分別選擇一個監測點，上述中裂縫段的監測點的設置方法如下:(a)如果中裂縫段的長度不超過10m，在每2-5m的長度范圍內選擇一個監測點，如果地形有起伏，則在起伏處增加監測點，(b)如果中裂縫段的長度大于10m，在每5-10m的長度范圍內選擇一個監測點，如果地形有起伏，則在起伏處增加監測點；
[0008](3)沿著通過所述監測點并垂直于所述裂縫的方向，在所述裂縫的兩側分別對稱布置多個監測點，形成一列，在每個監測點設置微型蒸發器，其中距離裂縫最近的第一個監測點與裂縫的距離在2-5cm之間，之后的相鄰的監測點之間間隔為l-2m布設；
[0009](4)計算蒸發量:每隔預定時間，使用質量天平稱取每個微型蒸發器內的土壤重量，與前一時段該蒸發器內土壤重量差即為該時段的該監測點的蒸發量值，可以動態反映裂縫發育對土壤蒸發量的影響，對所有監測點同一時段蒸發量值進行平均，即為整個地塊該時段的蒸發量值。
[0010]本發明是針對西部干旱半干旱的沉陷區沙土的土壤蒸發量的監測方法，與常規的農地和林地更具有特殊性。受到地下煤炭開采的影響，產生長短、寬窄，形態不一的裂縫，對于本地區水分的蒸發量研究有著顯著的影響，因此沉陷區土壤蒸發量的監測點布局方式明確有別于農地和林地。本發明的監測點的布置方式，可針對性監測長短、寬窄，形態不一的裂縫對土壤蒸發量的影響。
[0011]此外，沙地土壤不同于農地和林地土壤，沙粒的含量較高，沙土保水持水的能力弱，沙土的熱傳導能力強，且沙土易受外力如風力、水力和重力等影響產生位移，因而對沙土上蒸發量的監測更需要進行動態持續性的監測，因此使用帶有可拆卸連接的金屬材質的密封蓋的微型蒸發器，具有便于重復操作的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的實施例一的監測點布置情況的示意圖。
[0013]圖2為本發明的實施例二的監測點布置情況的示意簡圖。
[0014]圖3為本發明的實施例三的監測點布置情況的示意圖(裂縫經過植物的投影區)。
[0015]圖4為本發明的實施例四的監測點布置情況的示意圖(裂縫臨近植物的投影區)。
[0016]圖5是本發明所使用的微型蒸發器的內筒結構示意圖。
[0017]圖6為本發明所使用的微型蒸發器的密封蓋結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細描述，但不作為對本發明的限定。
[0019]需要說明的是，本發明的有裂縫的采煤沉陷區的的土壤蒸發量監測方法，特別適合于中國西部干旱半干旱地區出現裂縫的沙土地的土壤蒸發量的監測，這種裂縫是在采煤沉陷作用下產生的，裂縫的存在影響土壤的蒸發量。
[0020]實施例一
[0021]實施例一針對的是地面沒有植物的裸地，裂縫100為單條裂縫。在圖1中，用虛線代表對裂縫100進行分段，為圖面簡潔考慮，圖中僅選窄裂縫段11、寬裂縫段12和中裂縫段13各選一段，各標出一段。圖1中垂直于裂縫方向的直線是用于設置監測點的直線，其中的小圓圈代表監測點，在此位置處設置微型蒸發器。需要說明的是，由于裂縫一般是不規則的，此處垂直是指的大致垂直于選擇的監測點處的裂縫的方向。
[0022]如圖1所示，本發明的實施例一有裂縫的采煤沉陷區土壤蒸發量監測方法，包括如下步驟:
[0023](I)在裂縫寬度無突變的地段按所述裂縫的寬度將所述裂縫分段，裂縫寬度小于或等于2.5cm的部分為窄裂縫段11，裂縫寬度大于或等于4.5cm的部分為寬裂縫段12，裂縫寬度大于2.5cm，小于4.5cm的部分為中裂縫段13，圖1中的一條裂縫包括窄裂縫段11、寬裂縫段12和中裂縫段13的組合，當然根據實際情況，也可能一條裂縫僅包括窄裂縫段
11、寬裂縫段12和中裂縫段13中的任意一種或兩種。所謂“裂縫寬度無突變的地段”指的是裂縫寬度均勻或者裂縫寬度變化均勻的地段，由于干旱地區的沙土的性質，在無外界干擾時，一般不會突然變大或變小。
[0024](2)沿著所述裂縫的長度方向設置監測點:在上述窄裂縫段、寬裂縫段分別選擇一個監測點，其理由是，在裂縫寬度大致一致的區域，其蒸發量大致相同，故在裂縫寬度相差不大的區域只需要選擇一處取樣即可。也就說，在窄裂縫段，由于裂縫寬度小于或等于
2.5cm，在此范圍內，由于裂縫較窄，裂縫寬度的變化對周圍土壤蒸發量的影響可認為是一致的；在寬裂縫段，由于裂縫寬度大于或等于4.5cm，在此范圍內，也可以認為裂縫寬度對周圍土壤的蒸發量的影響也可認為是一致的。對于寬度在大于2.5cm，小于4.5cm的中裂縫段，其監測點的設置方法如下:(a)如果中裂縫段的長度不超過10m，在每2-5m的長度范圍內選擇一個監測點，如果地形有起伏，則在起伏處增加監測點，2-5m的長度范圍內選擇一個監測點的含義是，在2-5m的長度范圍內，例如選擇2.5m，3m、4m、4.5m等為一小段(具體的選擇根據中裂縫段的總長度而確定，盡量使監測點在中裂縫段分布均勻)，在此小段設置一個監測點，例如，如果中裂縫段的長度為8米，中間無起伏，則共設置兩個監測點，按照4米為一小段，將其分成兩小段，每一小段上設置一個監測點。如果中間有起伏，則在起伏處增設監測點。(b)如果中裂縫段的長度大于10m，在每5-10m的長度范圍內選擇一個監測點，如果地形有起伏，則在起伏處增加監測點。每5-10m的長度范圍內選擇一個監測點的含義是根據中裂縫段的長度不同選擇5-10m中的一個長度作為將其分段的標準，將中裂縫段分成多個小段，每一小段設置一個監測點。例如，如果中裂縫段的長度為12米，則按照6米為一小段，將其分成兩小段，每一小段上設置一個監測點。如果中間有起伏，則在起伏處增設監測點。之所以在中裂縫段要在長度方向上每隔一定距離就選擇一個監測點，是因為在寬度在大于2.5cm,小于4.5cm的范圍內，裂縫寬度的不同對土壤蒸發量的影響是不同的，裂縫寬度對土壤蒸發量的差異是顯著的，故需要在中裂縫段上盡量均勻布置監測點，全面反映裂縫寬度對土壤蒸發量的影響。
[0025](3)沿著通過所述監測點并垂直于所述裂縫的方向，在所述裂縫的兩側分別對稱布置多個監測點，形成一列，在每個監測點設置微型蒸發器，其中距離裂縫最近的第一個監測點與裂縫的距離在2-5cm之間。在設置微型蒸發器時候，要盡量內部土壤結構，在設置第一個監測點處的微型蒸發器進行取土時，盡量不要擾動裂縫，以免影響測量的準確性。在裂縫兩側進行選擇，充分考慮到裂縫對地表蒸發量的影響，準確客觀地測量蒸發量。
[0026](4)計算蒸發量:每隔預定時間，使用質量天平稱取每個微型蒸發器內的土壤重量，即為該時段的該監測點的蒸發量值，再對所有監測點同一時段蒸發量值進行平均，即為整個地塊該時段的蒸發量值。
[0027]其中，第(4)步驟的計算蒸發量時，可以選擇進行日蒸發量的監測，進行比較，實現動態監測，或不同季節的同樣時間進行比較。
[0028]例如每日早上8:00開始，每隔兩個小時測量一次，即8:00-10:00, 10:00-12:00, I2:00-14:00，14:00-16:00，16:00-18:00和18:00-20:00六個時間段整個地塊每兩個小時間蒸發量值，同樣，所有監測點20:00時刻平均重量減去8:00時刻平均重量即為整個地塊的日平均蒸發量值。或者選擇一年中春、夏、秋三個季節的晴天，從早晨8:00-20:00，每隔2小時，使用質量天平稱取每個微型蒸發器內土壤重量，測量精確至0.lg，將每兩個小時的重量值相減，即為這時段的土壤蒸發量值，再對所有監測點同一時段蒸發量值進行平均，即為整個地塊該時段的蒸發量值，然后將不同季節的測量值進行比較。為了保證蒸發量的測量準確性，使用微型蒸發器的整個取土所用時間控制在5分鐘內。其中微型蒸發器可選用現有技術的任意一種微型蒸發器，具體可參考已公開文件，如高曉飛等著《使用微型蒸發器測定土壤蒸發的研究進展》(載《水利水電科技進展》，2010年第30卷第I期第85-90頁)。
[0029]以上只是考慮到裂縫發育均勻的情況，在有些地方，受到地下拉力及土壤不均質性的影響，裂縫寬度可能發生突變，如圖1所示的標號15的箭頭所指之處，由于裂縫寬度是影響土壤蒸發的關鍵因素，因此需要在裂縫寬度出現突變的地段增加設置監測點，沿垂直于裂縫長度的方向設置一列監測點。
[0030]需要指出的是，一般情況下，裂縫寬度發育比較均勻，裂縫的寬度是逐漸變化的。如上所述，由于在寬度小于2.5cm范圍內的窄裂縫段和寬度大于4.5cm的寬裂縫段，裂縫寬度對其蒸發量的影響較小，故不必考慮裂縫寬度突變的問題。但是由于在裂縫寬度在
2.5-4.5cm范圍的中裂縫段需要考慮裂縫寬度對蒸發量的影響。關于裂縫寬度突變的問題，如果在裂縫長度的Im的范圍內，裂縫寬度的變化達到或超過2cm，就認為發生了突變。如果在裂縫長度的Im的范圍內，裂縫寬度的變化小于2cm，就認為裂縫寬度未發生突變，就不考慮裂縫寬度突變的影響。
[0031]請繼續結合圖1說明本實施例中的監測點的設置方式，作為優選方案，在裂縫的每一側，距離裂縫越遠，相鄰兩個監測點之間的間隔就越大。這么設置是考慮到距離裂縫越遠，裂縫對土壤的蒸發量的影響就越少，可在保證測量精度的情況下，減少監測點的設置，也就減少了工作量，提高效率。顯然，如果相鄰兩個監測點之間的間隔均相等也是可以的，只是設置的監測點的數量就比圖1中設置的更多。
[0032]在采煤區，地面的塌陷是持續動態變化的，因此還需要考慮地面沉降對蒸發量的影響，作為優選方案，本實施例在設置微型蒸發器時，對該微型蒸發器用全站儀進行坐標與高程定位。也就是在通過微型蒸發器測量監測點的土壤蒸發量的同時，還通過采集監測點的三維坐標，監測其塌陷、位移情況，反映該監測區地表沉陷動態發育過程，間接反映裂縫發育、開采沉陷與土壤蒸發之間的關系。
[0033]結上文所述，為了研究塌陷區的土壤蒸發量的規律，需要對其蒸發量進行持續測量，在一天內可能測量六次，如此反復測量，需要使用微型蒸發器反復地取土和測量質量。現有技術中的微型蒸發器在取土之后都是采用報紙、尼龍布等物品進行封底，使用不便而且還影響其內部的土樣與周圍土壤之間的熱量交換影響測量的準確性。為此，本實施例中所采用的微型蒸發器為適用于沙地土壤的微型蒸發器，其內筒和密封蓋的結構如圖5和圖6所示。本實施例所使用的微型蒸發器包括下端插入土層采集土壤的內筒I和套設在所述內筒I外將內筒I與周圍土壤隔開的套筒(套筒為兩頭開口的筒狀，圖中未示出)，內筒為不銹鋼材料，其硬度和強度較大，便于插入土內取土，套筒為PVC材料，內筒11下端設有與其可拆卸連接的金屬材質的密封蓋2。在取土前，將密封蓋2卸下，在將內筒11插入土中取土完畢后，將密封蓋2旋緊，將內筒11密封。采用此結構的微型蒸發器的好處在于，每次取土前后，只需要簡單地將密封蓋2松開、旋緊即可，不必像現有技術中還需要繁瑣的密封動作，簡單易行，加快了取土速度，尤其適合這種連續的多點的監測。
[0034]本發明的土壤蒸發量的監測方法針對西部干旱半干旱的沉陷區的沙土環境使用的。與常規的農地和林地相比，干旱半干旱的沉陷區的沙土，受到地下煤炭開采的影響，產生長短、寬窄，形態不一的裂縫，對于本地區水分的蒸發量研究有著顯著的影響，其土壤蒸發量的監測點的布局方式明確有別于農地和林地。此外，沙地土壤不同于農地和林地土壤，沙粒的含量較高，沙土保水持水的能力弱，沙土的熱傳導能力強，且沙土易受外力如風力、水力和重力等影響產生位移，因而對沙土上蒸發量的監測更需要進行動態持續性的監測，因此使用帶有可拆卸連接的金屬材質的密封蓋的微型蒸發器，具有便于重復操作的優點，尤其適合用于多點連續監測時使用。
[0035]實施例二
[0036]圖2為本發明的實施例二的監測點布置情況的示意簡圖，圖2中省略了監測點。如圖2所示，實施例二與實施例一的區別在于，裂縫200出現了分叉，分成第一裂縫201和第二裂縫202，在裂縫200處與實施例一的監測點的設置方式相同，在第一裂縫201和第二裂縫202上與實施例一的監測點的設置方式也相同。只是，由于第一裂縫201和第二裂縫202是相對的，在其二者之間的監測點相向設置，最終相會于二者的中心線，即圖2中的虛線附近。
[0037]此外，由于分叉的存在，因此如圖2所示，還在裂縫出現分叉處設置監測點。也即是裂縫200與第一裂縫201，第二裂縫202的交叉點設置。監測點所形成的參考線分別垂直于第一裂縫201和第二裂縫202。
[0038]實施例三
[0039]圖3為本發明的實施例三的監測點布置情況的示意圖(裂縫經過的投影區時)。如圖3所示，在實施例三中裂縫300經過植物的投影區，在圖3中，為圖面簡潔考慮，未示出植物，只示出了樹干的陰影91和樹冠的陰影92，其中的裂縫300經過樹冠的陰影92。考慮到植物對蒸發量的影響，在選擇監測點時，在裂縫300通過投影區的一段增設監測點。植物的投影區指的是植物在一天內的陰影區的并集，監測點的布點之間距離和數量與無樹蔭處相同，只是在投影區增加設置一列監測點，以反映植物裂縫交互對蒸發量的動態影響。
[0040]實施例三
[0041]圖4為本發明的實施例四的監測點布置情況的示意圖(裂縫臨近植物的投影區時)。如圖4所示，此時裂縫400未經過植物的投影區，但臨近植物的投影區，距離植物的投影區的邊緣小于20cm，需要考慮植物的投影對裂縫400的蒸發量的影響。故選擇監測點時，在所述裂縫距離投影區最近的點增設監測點。
[0042]綜合實施例三和實施例四，考慮到沉陷區的裂縫上有樹木時，樹蔭會影響蒸發，因而在樹蔭能影響裂縫旁增設監測點。如果裂縫與投影區的邊緣的距離在20cm之內，在垂直裂縫發育方向上布設監測點，監測點應該布滿樹蔭(如果植物為樹的話)能夠覆蓋的范圍內。布點的距離和數量與無樹蔭處相同，以反映植物與裂縫交互對蒸發量的動態影響。當然，當裂縫經過投影區時，當然更需要設置監測點。在圖3和圖4中，只是靜態地表示某一時刻的樹木的陰影，其在一天的陰影區應該是從日出到日落時刻的所有時間的陰影的并集，凡是當裂縫經過其陰影區時，以及當裂縫距離陰影區邊緣的距離小于20cm時，都應當增設一列或多列監測點，以反映植物對裂縫的蒸發量的影響。如果植物為小型的灌木，投影區的面積較小，裂縫與其一天的投影區的邊緣的最近距離超過20cm時，可不考慮植物對裂縫蒸發的影響。
[0043]當然，以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種有裂縫的采煤沉陷區的土壤蒸發量監測方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)按所述裂縫的寬度將所述裂縫分段，裂縫寬度小于或等于2.5cm的部分為窄裂縫段，裂縫寬度大于或等于4.5cm的部分為寬裂縫段，裂縫寬度大于2.5cm，小于4.5cm的部分為中裂縫段，一條裂縫包括窄裂縫段、寬裂縫段和中裂縫段的一種或者他們的任意組合； (2)沿著所述裂縫的長度方向設置監測點:在上述窄裂縫段、寬裂縫段分別選擇一個監測點，上述中裂縫段的監測點的設置方法如下:(a)如果中裂縫段的長度不超過10m，在每2-5m的長度范圍內選擇一個監測點，如果地形有起伏，則在起伏處增加監測點，(b)如果中裂縫段的長度大于10m，在每5-10m的長度范圍內選擇一個監測點，如果地形有起伏，則在起伏處增加監測點； (3)沿著通過所述監測點并垂直于所述裂縫的方向，在所述裂縫的兩側分別對稱布置多個監測點，形成一列，在每個監測點設置微型蒸發器，其中距離裂縫最近的第一個監測點與裂縫的距離在2-5cm之間，之后的相鄰的監測點之間間隔為l-2m布設； (4)計算蒸發量:每隔預定時間，使用質量天平稱取每個微型蒸發器內的土壤重量，與前一時段該蒸發器內土壤重量差即為該時段的該監測點的蒸發量值，可以動態反映裂縫發育對土壤蒸發量的影響，對所有監測點同一時段蒸發量值進行平均，即為整個地塊該時段的蒸發量值。
2.根據權利要求1所述的有裂縫的采煤沉陷區的土壤蒸發量監測方法，其特征在于，其中步驟(2)中在對中裂縫段設置監測點時，還在裂縫寬度出現突變的地段設置監測點。
3.根據權利要求1所述的有裂縫的采煤沉陷區的的土壤蒸發量監測方法，其中步驟(2)，還在裂縫出現分叉處設置監測點。
4.根據權利要求1所述的有裂縫的采煤沉陷區的土壤蒸發量監測方法，其特征在于，步驟(3)中，在裂縫的每一側，距離裂縫越遠，相鄰兩個監測點之間的間隔就越大。
5.根據權利要求1所述的有裂縫的采煤沉陷區的土壤蒸發量監測方法，其特征在于，步驟(3)中，在設置微型蒸發器時，對該微型蒸發器用全站儀進行坐標與高程定位。
6.根據權利要求1所述的有裂縫的采煤沉陷區的的土壤蒸發量監測方法，其特征在于，所述微型蒸發器為適用于沙地土壤的微型蒸發器，包括下端插入土層采集土壤的內筒和套設在所述內筒外將所述內筒與周圍土壤隔開的套筒，所述內筒為不銹鋼材料，所述套筒為PVC材料，所述內筒下端設有與其可拆卸連接的金屬材質的密封蓋。
7.根據權利要求1所述的有裂縫的采煤沉陷區的的土壤蒸發量監測方法，其特征在于，當所述裂縫經過植物的投影區時，所述步驟(2)中在選擇監測點時，在所述裂縫通過所述投影區的一段增設監測點。
8.根據權利要求1所述的有裂縫的采煤沉陷區的的土壤蒸發量監測方法，其特征在于，當所述裂縫未經過植物的投影區但距離植物的投影區的邊緣小于20cm時，所述步驟(2)中在選擇監測點時，在所述裂縫距離投影區最近的點增設監測點。
【文檔編號】G01N33/24GK104237485SQ201410515383
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月29日 優先權日:2014年9月29日
【發明者】畢銀麗, 鄒慧, 李少朋 申請人:中國礦業大學