大柳塔矿区地处毛乌素沙地的边缘，气候干旱，降水量小，蒸发量大，水资源短缺是制约矿区生产的主要因素，土壤水和地表水的蒸发损耗是水资源消耗的主要途径，如果能显著降低土壤水消耗，将可以大大增加水资源可利用量。我们通过前期调查发现，虽然矿区在生态环境保护中研发和实施了一系列节水和合理用水技术，但仍有需要加强的地方。
地面塌陷及地裂缝是大柳塔矿区煤炭开发过程中最主要的地质环境问题。地面塌陷对土壤结构的破坏所造成的包气带水分运移机理的变化直接影响了土壤水与地表水的损耗、地表植被的生长以及矿区生态环境重建。针对这一现状，我们在对矿区的自然地理条件和生态环境保护措施进行深入调查后，采用室内物理模拟与野外试验相结合的方法，对前期工作薄弱的煤炭开采引起土壤水分运移变化及其对植被的影响展开深入研究，了解采煤塌陷区的土壤水分运移规律，为塌陷区实施整地工程和植被恢复提供理论依据，并在此基础上提出了充分利用土壤水资源、保护大柳塔矿区生态地质环境的关键技术方案。
一、室内水分运移物理模拟实验
一次降雨入渗过程，将增加包气带土壤含水量，打破包气带水分原有的动态平衡，使土壤水分运移状态发生改变。野外试验由于条件复杂、跟踪记录困难，难以准确地了解降雨入渗过程中水分运移状态变化特征。为深入了解大柳塔矿区采煤塌陷区塌陷后包气带中土壤水分的运移情况，研究采矿塌陷区的降雨入渗补给特征，我们开展了室内大型物理模拟实验，对大柳塔矿区长时间干旱后的大雨入渗过程进行了模拟，并取得如下研究成果:
1)长时间干旱后的一次大雨入渗过程，包气带水分运移状态通常要发生3次改变:在降雨前，受强烈蒸发影响，包气带水分运移呈蒸发-入渗型;降雨开始至湿润锋抵达DZFP(零通量面)期间，包气带水分运移呈入渗-上渗-入渗型;湿润锋抵达DZFP并使其消失后，包气带水分运移状态转为入渗型;在降雨停止后，包气带水分运移则又回到雨前的蒸发-入渗型(图4-13、4-14)。
2)定雨强(以100mm降雨为例)降雨入渗过程中，细砂、粗砂以及细砂、粗砂二元结构体中，湿润锋移动都分为两个阶段:降雨期间湿润锋移动阶段和雨后湿润锋移动阶段(图4-15、4-16)。对于前一阶段，湿润锋前移距离与深度呈线性关系，z=at+b;第二阶段，湿润锋前移距离与深度呈幂函数关系，即z=ctd。
图4-13 100mm降雨期间水势变化图
图4-14 100mm降雨结束后水势变化图
图4-15 细砂、粗砂以及上细下粗结构降雨期间湿润锋前移曲线
图4-16 细砂、粗砂以及上细下粗结构降雨结束后湿润锋变化
3)降雨入渗过程中，湿润锋运动速度受降雨量、包气带的岩性结构等的影响。同一岩性条件下，降雨量越大，其初始入渗速度越大，但随着入渗时间的增加，不同降雨量的入渗速度都将趋于零;同一降雨量条件下，包气带介质颗粒越粗，入渗水分的初始运移速度越大，但随运移距离的增加，在迁移到一定深度时，3种岩性结构中水分的迁移速度趋于相同。
然而，不论是大雨(40mm)还是暴雨(100mm)，不论是风积沙、粗砂，还是风积沙与粗砂组合体，降雨(灌溉)进入到包气带中的水分迁移速度与深度具有明显的指数关系，可用关系式:v=aebz来描述，式中，v为入渗速度，单位为cm/min;z为深度，单位为cm;a、b为经验常数，且b<0。这种关系随着降雨量的不同、包气带的岩性不同以及包气带岩性结构的不同而不同，但随着迁移距离的增大，迁移速度都有逐渐衰减的趋势(图4-17～4-19)。
图4-17 细砂(风积沙)条件下降雨入渗速度与深度关系图
图4-18 粗砂条件下降雨入渗速度与深度关系图
图4-19 上细下粗岩性条件下降雨入渗速度与深度关系图
二、野外水分运移试验成果
1.采矿塌陷区土壤含水量特征
在塌陷稳定试验区内测试了雨季前(6月)、雨季中(9月)及上冻前(11月初)区内包气带土壤水分。分析发现:雨季前，区内包气带土壤水随深度呈增加趋势，在0～10cm深度内增加很快，10～60cm深度内增加趋势变缓。在量上，非塌陷区>过渡带>塌陷区(图4-20)。雨季中，包气带土壤水随深度总体上呈递减趋势(图4-21)。数据取自雨后2天，因此，此图也是降雨入渗过程中土壤剖面水分变化的一个截图，代表着雨季典型的土壤剖面水分变化的一个阶段。在量上，不同代表区之间的土壤水分变化较雨季前小，但整体上依然是非塌陷区>过渡带>塌陷区。结合雨季前的现象，可得到初步结论:采矿塌陷可导致地表土壤水分的散失。
图4-20 雨季前(6月)不同塌陷区土壤水分对比图
图4-21 雨季中(9月)不同塌陷区土壤水分对比图
上冻前，塌陷区土壤水分总体的变化是:在0～20cm深度内包气带土壤水随深度呈递增趋势，20～60cm深度内土壤水呈递减趋势。
对3次(6，9，11月)都进行过测试的点进行统计分析，得到了季节对区内土壤水影响图(图4-22)，从图中可以看到在50cm深度以上，雨季包气带土壤含水量要大于雨季前及上冻前的土壤含水量，而雨季前含水量是3个时段内最小的，这反映了降水对上层包气带土壤水的影响作用;在约50cm深度以下，土壤含水量表现为雨季前(6月)>雨季中(9月)>上冻前(11月初)，之所以出现这种现象，是因为植被耗水作用的结果。雨季中及上冻前大部分时间都为植被生长期，需要消耗大量的水分。而雨季前的土壤则是积累了冬季降水及冻结滞水，并在植被耗水不大的共同作用下，表现出下部土壤含水量高于雨季中及上冻前的土壤含水量。
图4-22 季节变化对区内土壤水的影响图
2.采矿塌陷区包气带土壤含水量空间变异规律
对塌陷稳定研究区内包气带0～60cm深度土壤体积含水量进行空间变异性分析，采用Kriging插值法对试验区0cm，20cm，40cm，60cm深度层的土壤体积含水量作等值线图。对比试验区域塌陷地貌示意图(图4-23)进行分析，可以发现塌陷对各深度层土壤含水量空间变异性的影响。
对塌陷区表层0cm，20cm，40cm，60cm4个深度层土壤含水量空间变异性进行分析的结果表明(图4-24～4-27):塌陷区0cm，20cm，40cm深度层土壤含水量总体不高，且低值区均位于塌陷区内的塌陷坑部位，证明地表塌陷对土壤含水量影响较大。另外，耕作区域土壤含水量在各深度层都相对较高，这与土壤质地的不同有很大关系。60cm深度层塌陷区土壤含水量的表现比较特殊，高值区与低值区的分布恰与其他3层相反，且该层3个土壤含水量高值区等值线的密集程度要远高于0cm深度层，证明其变化梯度很大，另外一个不同于其他3个深度层的显著特点是，该层土壤含水量低值区并非像其他3层那样分布于左上部的塌陷区，而是普遍均匀地分布在整个试验区内。根据分析认为，这与取样前不久的一次低强度降水有直接关系。取样时土壤水分下渗的前锋有可能正好位于60cm深度左右，由于塌陷坑部位土壤质地疏松，持水性能差，利于水分下渗，使得该深度塌陷坑部位土壤含水量反而较其他区域高。
图4-23 大柳塔试验区塌陷地貌示意图
图4-24 大柳塔试验区0cm土壤含水量(%)等值线图
图4-25 大柳塔试验区20cm土壤含水量(%)等值线图
图4-26 大柳塔试验区40cm土壤含水量(%)等值线图
图4-27 大柳塔试验区60cm土壤含水量(%)等值线图
对大柳塔试验区0～60cm深度土壤含水量空间变异性的分析表明，土壤含水量低值区均位于塌陷区内的塌陷坑部位，证明地表塌陷坑、塌陷洞等对土壤含水量影响较大。这是造成塌陷区土壤含水量空间变异的一个重要因素。
3.采矿塌陷区与非塌陷区包气带储水量动态变化及其生态意义
塌陷稳定区与非塌陷区土壤储水量的动态变化及差异对于区域植被生长具有重要影响。包气带表层通常是低矮草本植被根系发育的主要区域，土壤储水量的多少对该类型植被影响较为明显。从图4-28可以看出，在干旱季节(图中显示为4～5月上旬)，在0～33cm深度内塌陷区土壤储水量小于非塌陷区，但在几次降雨后直至雨季，包气带表层土壤储水量明显高于非塌陷区。由此可以得出，在春天干旱季节，塌陷区表层土壤储水量小于正常区域，对于春季根系发育较浅的植被萌芽有不利影响。
图4-28 33cm土层储水量差(塌陷区-非塌陷区)(2006-4-5～2006-10-23)
对于属于半灌木类的沙蒿等植被，其根系通常可发育到1m左右。对103cm土层的储水量分析(图4-29)表明，无论是干旱季节还是雨季，塌陷稳定区土壤储水量均高于非塌陷区，说明，塌陷作用在塌陷稳定阶段对沙蒿等半灌木植被的负面影响已经消失，甚至能增加其可吸收的水分，利于该类植被生长。
对于灌木，其根系通常发育更深，在干旱半干旱地区尤为如此，其吸收水分的深度范围相应的也更大。研究中对183cm和373cm深度土层储水量进行了分析，如图4-30和图4-31，从中可以看到，无论是183cm还是373cm土层、无论是干旱季节还是雨季，塌陷稳定区土壤储水量都明显高于非塌陷区，塌陷作用在该阶段对灌木生长具有正效应。
图4-29 103cm土层储水量差(塌陷区-非塌陷区)(2006-4-5～2006-10-23)
图4-30 183cm土层储水量差(塌陷区-非塌陷区)(2006-4-5～2006-10-23)
图4-31 373cm土层储水量差(塌陷区-非塌陷区)(2006-4-5～2006-10-23)
综上分析，得出如下结论:塌陷稳定区比非塌陷区有更强的接纳降水入渗的能力。在春季塌陷稳定区30cm土层储水量略低于非塌陷区，对浅根系植被略有影响，其他季节塌陷稳定区明显高于非塌陷区，有利于植被(作物)生长。塌陷稳定区50cm土层及其更厚土层的储水量始终高于非塌陷区，并且两者的储水量的差值随土层厚度增加而明显增加。就水分条件而言，塌陷稳定区比非塌陷区更有利于灌木和乔木生长。这一新认识突破了传统定性分析的局限性，可以更加准确和全面地认识采矿塌陷的生态环境效应，对生态环境再建具有重要意义。
三、理论研究成果
在大柳塔矿区，由于特殊的地质条件和采煤工艺使得采煤塌陷有别于其他地区，塌陷坑、塌陷洞等塌陷特征虽然存在，但更主要的特征是塌陷裂隙的普遍存在:塌陷区发育着宽窄不同、长度不同、位置不同、分布密度不同的许多裂缝或裂缝带，特别是在塌陷区与非塌陷区交界处更为突出，这是由“全厚切落”式整体下塌方式所决定的。塌陷裂缝对土壤水资源及生态环境的影响极大，是塌陷非稳定阶段影响土壤水分运移的主要因素。基于此，我们深入探讨了塌陷裂隙对包气带水分运移的影响。
1.塌陷裂隙在地面积水条件下的导水作用
尽管神东矿区包气带土壤多为具有良好渗水性能的砂，但在大(暴)雨条件下仍可能出现细小孔隙来不及吸收全部降水而在地表形成积水的时候。如果地表没有大孔隙，地表积水无论是在原位还是产生径流迁移到地势低洼处，都将呈“活塞式下渗”，湿润锋在包气带剖面上呈近似平行下移［图4-32(a)］。
图4-32 活塞式与捷径式下渗(据王大纯等，1995，稍作修改)
但采煤塌陷发生后，在地表形成了大量塌陷裂缝。此时若降雨产生地面积水，水分将以“捷径式”和“活塞式”混合的方式下渗［图4-32(b)］。在无裂缝处，积水呈“活塞式下渗”;在塌陷裂缝处，由于裂隙的阻力相对较小，地表积水将沿大孔隙通道优先快速下渗并形成相对超前的湿润锋。
地面积水条件下，地表坡度对塌陷裂隙导水作用具有较明显的影响。地表坡度较大，积水产生的地表径流通常会快速向地势低洼处汇集，若径流路径经过塌陷裂缝，则会被中途截流，沿裂缝渗入包气带。在塌陷区，采煤塌陷生成塌陷坑、塌陷台地、塌陷盆地等都会造成地表局部或大面积区域坡度加大，使大降雨条件下径流更易形成，并最终沿塌陷坑、塌陷台地、塌陷盆地等地边缘处密集的裂缝渗入包气带。
2.塌陷裂隙在地面无积水但包气带饱水条件下的导水作用
如果降雨仅使包气带上部土壤处于饱和状态但未生成径流，塌陷裂隙也会起导水作用。此时进入到包气带裂缝中的水主要由两部分组成:降雨直接进入地表裂隙中的水和降雨进入介质后再进入到裂隙中的水。
通过介质进入到裂隙中的水可通过能量差原理来解释。在大降雨入渗使包气带上部饱和(图4-33)时，对于处在饱和带中深度为H的A点处的水分(图4-33)，所受到的压力主要有两个:一是来自塌陷裂隙的压力p1，另一个是处于相反作用方向的来自土壤中的压力p2。由于裂缝与大气连通，所以有p1等于大气压力p0;而来自土壤中的压力主要由两部分组成:大气压p0以及压力水头H(以单位水计)，即p2=p0+H。由于p1和p2同时作用于A点，但作用方向相反，因此，两个力在A点处的合力方向取决于较大的压力，由于p2=p0+H>p1=p0，因此，A点处土壤水分向裂隙流动，即包气带饱和条件下裂缝起导水作用。
图4-33 裂缝导水作用示意图
3.塌陷裂隙导水作用的消失
由于在含水量大体相同的情况下，土壤对水分作用的毛细负压绝对值大于裂隙对水分作用的毛细负压绝对值。因此，水流沿裂隙下渗的同时不断向周围的土体细小孔隙侧渗。当地表的补给水源消失后，裂隙中的水分可以完全被土体细小孔隙夺走而形成充气通道。裂隙充气后，其导水作用也就消失了，从而形成孔隙通道为主的包气带水下渗过程(许兆义等，1993)。
裂隙导水作用的深度与饱水入渗时间的长短及裂隙的张开程度有关。饱水入渗的时间愈长，裂隙的张开程度愈好，则裂隙导水作用的时间也长，影响的深度愈大;反之，只能影响到地表以下很浅的部分(许兆义等，1993)。在神东采煤塌陷区，虽然暴雨较多，但由于风积沙等土体入渗性能好，产生地表积水(或包气带饱水)的情况并不多见(即使存在，持续时间也不会太久)，而且塌陷使包气带具有深厚性特点，裂隙导水作用的影响深度再大也难以超越包气带厚度，在更多的时候塌陷裂隙导水作用仅发生于包气带浅部。
综上，采煤塌陷裂缝的导水作用主要发生在大降雨期间，使塌陷裂缝产生导水作用的最低条件是包气带饱水(通常是包气带部分饱水)，在神东基岩上覆厚松散沉积层塌陷地区，塌陷裂缝的导水作用主要在包气带浅部。
4.塌陷裂隙的水流屏蔽作用
塌陷裂隙大雨期间在包气带上部有时能起导水作用，但在更多时间却起着水流屏蔽作用。在小强度降雨条件下或一般状态下，土壤中水分运动为非饱和土壤水运动，控制水分运动的是土水势。一般情况下，将土水势看做是重力势与基质势之和。但当土壤中水分较少时，重力势远小于基质势。因此，基质势是土壤水分运动的主控力。非饱和土壤水在流动过程中会优先选择小孔隙作为水流通道，绕过大孔隙。其原因可用“瓶颈理论”解释。
假定包气带岩性由半径为r1的塌陷裂隙和半径为r2的较大介质孔隙构成的瓶腔1和2，与相对狭窄的通道构成以r3为半径组成(图4-34)，且r1r2>r3。则其附加压强分别为
能源开发与地质环境互馈效应研究
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且有pr3>pr2pr1。其中σ为表面张力。
图4-34 裂隙在非饱和条件下的导水作用概化图
在降雨入渗时，土壤处于吸湿过程。吸湿过程意味着包气带中的负压绝对值逐渐减小，水分逐渐增多。在吸湿过程中瓶腔充水不受瓶颈的限制，这是因为附加压强降至pr3时瓶颈先充水，当附加压强继续降至pr2时瓶腔2继续充水。由于pr2pr1，因此只有当土壤足够湿润时，附加压强才可能降至pr1，才会使瓶腔1充水。但由于与腔体2尚有半径小于r1的瓶颈存在，因此，瓶腔1在土壤水处于非饱和状态下很难充水。即在非饱和水条件下，塌陷裂隙对于水体运移基本不起作用。许兆义等在“包气带水流中黄土裂隙作用机制研究”中将裂隙和大孔隙的不导水作用，称之为水流屏蔽效应(许兆义等，1993)。
四、土壤水资源综合利用关键技术方案
通过本项研究，提出大柳塔矿区综合利用土壤水资源的关键技术方案:
1.利用采煤塌陷区深厚包气带作为接纳储蓄大气降水的土壤水库
首先，大柳塔矿区采煤塌陷的发生，对包气带结构影响明显。在塌陷发生前，包气带厚度一般较小，组成介质层序较清晰。介质颗粒排列有序、结构均一。采煤塌陷以后，塌陷裂隙贯通含水层，使地下水大量渗漏，引起塌陷区包气带变厚。到塌陷稳定阶段，包气带结构变化趋于稳定，表现在土壤容重变化基本稳定，地表塌陷裂隙被全部或部分填充。但在地表以下仍存在一些断断续续的裂缝(隙)，使塌陷区包气带形成以孔隙为主，间夹断断续续裂隙的特殊包气带结构。再加上地下水位的持续下降，因而形成了大柳塔采煤塌陷区特有的深厚包气带。
其次，采煤塌陷的发生对包气带结构扰动较大，产生大量贯穿地表的裂隙，非常有利于降水的入渗。但在大降雨条件下，虽然包气带上部裂缝参与导水作用，但下部裂缝常起水流屏蔽作用(参见上节)，成为深厚包气带土壤水的一个相对隔水边界。地下水位的持续降低，也削弱了包气带水分与地下水之间的转化关系。综上原因，使塌陷区形成的深厚包气带更易于蓄水。
最后，根据野外调查研究结果，春季塌陷稳定区30cm土层储水量略低于非塌陷区，对浅根系植被略有影响，其他季节塌陷稳定区明显高于非塌陷区，有利于植被(作物)生长。塌陷稳定区50cm土层及其更厚土层的储水量始终高于非塌陷区，并且两者的储水量的差值随土层厚度增加而明显增加。就水分条件而言，塌陷稳定区比非塌陷区更有利于灌木和乔木生长。所以在对塌陷稳定区进行植被恢复时，可以根据我们实验中所获得的数据种植较高密度的沙蒿、沙打旺、紫穗槐、沙柳、樟子松等防风固沙树种来形成条带状的保护带。
综上所述，对采煤塌陷区形成的深厚包气带进行适当的整治，封闭污染源，堵塞漏水通道，可以建成能够有效利用的土壤水库，并为解决矿区生态用水提供新的途径。另外，在采煤塌陷区建设土壤水库时，可以与地表植被的恢复相结合。因为地表植被的存在有利于水源的涵养;塌陷区相对高的土壤水资源量也有利于地表植被的生长。二者相辅相成，将会形成一个良性循环。
2.对于塌陷裂缝区要及时平整，弥补裂缝，保住水分，保护土壤
我们发现，大柳塔采煤塌陷区在塌陷非稳定阶段主要是塌陷裂缝问题。塌陷裂缝发育带对土壤水分的蒸发作用影响比较明显，观测研究表明，在较干旱季节，与塌陷非裂缝发育带相比，塌陷裂缝发育带土壤水分损失接近50%，使土壤含水量接近或低于凋萎系数(凋萎含水量2.7%)，作物(植被)面临着永久凋萎的危险。其存在已对植被正常生长构成威胁，与塌陷非裂隙发育带相比，塌陷裂隙发育带水分损失近50%，已接近甚至低于枯萎系数。因此，在塌陷非稳定区，特别是针对塌陷裂缝带，要及时平整土地，弥补裂缝，保住水分。同时，对植被已经受到破坏的塌陷区，要尽快播种抗旱先锋物种，如沙打旺、沙生冰草、甘草等，以达到防风固沙的目的。
3采用微地貌与覆盖措施相结合的土壤水利用技术，促进农作物生长
在填充塌陷地裂缝、平整土地，建立土壤水库的基础上，采用盖膜穴播、缩行密植、秸秆覆盖、沟播等土壤水利用技术(参见前述相关部分)，有效利用土壤水资源，改善作物生长条件，促进农作物生长，增加作物产量。
4.大柳塔采煤塌陷区综合利用土壤水资源、保护治理生态环境要做好长期工作的准备
由于大柳塔矿区所处的特殊地理位置，使地区具有生态脆弱性特点。在塌陷治理几年后或在丰水年份，地表植被可能长势非常好，容易让人认为塌陷治理成功，产生大意思想，但这种繁荣却具有不稳定性。在遇到连续干旱年份时，如任其发展而不进行人为干预，可能导致生态全面退化，使前期治理成果一朝尽失。