有裂缝的采煤沉陷区的土壤蒸发量监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种有裂缝的采煤沉陷区的土壤蒸发量监测方法，包括如下步骤：(1)按裂缝的宽度分段，分为窄裂缝段，宽裂缝段和中裂缝段；(2)沿着裂缝的长度方向选择监测点：在窄裂缝段、宽裂缝段分别选择一个监测点，在中裂缝段按照2-5m的长度或者5-10m的长度范围内选择一个监测点；(3)在监测点并处在所述裂缝的两侧分别对称布置多个监测点，在每个监测点设置微型蒸发器；(4)计算蒸发量：每隔预定时间，测量蒸发量值，动态反映裂缝发育对土壤蒸发量的影响。本发明的监测点的布置方式，适合于西部干旱半干旱的沉陷区沙土的土壤蒸发量的监测，可针对性监测长短、宽窄，形态不一的裂缝对土壤蒸发量的影响。
【专利说明】有裂缝的采煤沉陷区的土壤蒸发量监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及环境监测【技术领域】，具体涉及一种有裂缝的采煤沉陷区的土壤蒸发量监测方法。
【背景技术】
[0002]煤炭是世界上储量最多，分布最广的常规能源，也是最廉价的能源。作为世界第一大产煤国，我国煤炭的产量占世界煤炭总产量的37%。随着煤炭的大规模开采，煤炭开采所导致的生态环境破坏也越发凸显。其中，采煤沉陷作为其中之一越来越受到关注。矿物经开采后，开采区域周围的岩体的原始应力重新分布，原有的平衡状态被破坏，形成新的平衡状态。在此过程中，使岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏(开裂、冒落等)，这种现象称为“开采沉陷”(Mining subsidence) 0在开采沉陷区，由于下覆岩层的沉降作用，导致地表土层失稳，在地表引起大量的裂缝。地表植被、地下水系与当地的生态系统具有密切的关系。土地和水资源是地表植被正常生长的必要条件，因而预计因采煤沉陷导致的地表裂缝，防止水土沿沉陷裂缝流失是沉陷损害综合治理的根本。据不完全统计，截至目前，我国采煤沉陷造成土地破坏总量已超过400万公顷，并且仍以每年3.3-4.7万公顷的速度增加。
[0003]煤炭开采不可避免造成地表沉陷，形成了程度不同的裂缝发育，影响了地表植物的生长。对于地表水分的保蓄和蒸发产生很大的影响。在西部干旱半干旱煤矿区，更是加重了水分的短缺。我国的煤炭资源大部分分布在陕西、内蒙与山西三地，地处西部干旱地区，蒸发量很大，在土壤、植被、土地利用、气象、地下水位等因素的影响下，地区水资源短缺，利用效率不足，其中土壤蒸发导致的水分消耗占到相当的比例。矿区大规模的开采活动及其引起的塌陷，导致地下水位的下降，促使土壤中裂缝发育和孔隙增多。已有研究表明，采矿沉陷产生的裂缝，由于裂缝的长短、宽窄，形态不一，对于本地区水分的蒸发量研究有着显著的影响，增大了蒸发面积，降低了土壤蓄水能力，加速了土壤水分散失，直接影响到矿区植物生长和水资源利用。研究表明，塌陷区的土壤含水量一般要小于非塌陷区，主要是受塌陷裂缝的影响。可见土壤蒸发已经成为影响矿区水资源持续利用的重要影响因素。因此，有必要研究西部干旱半干旱煤矿沉陷区沙土环境下的土壤蒸发量动态变化规律，需要对沉陷区沙土的土壤蒸发量进行持续监测，为研究和改善其生态提供依据。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，提供一种在干旱半干旱煤矿沉陷区沙土环境下的土壤蒸发量监测方法，准确地测量由干旱和沉陷叠加的裂缝区沙土的蒸发量动态变化规律。
[0005]为解决上述问题，本发明提供了一种有裂缝的采煤沉陷区土壤蒸发量监测方法，包括如下步骤:
[0006](I)按所述裂缝的宽度将所述裂缝分段，裂缝宽度小于或等于2.5cm的部分为窄裂缝段，裂缝宽度大于或等于4.5cm的部分为宽裂缝段，裂缝宽度大于2.5cm，小于4.5cm的部分为中裂缝段，一条裂缝包括窄裂缝段、宽裂缝段和中裂缝段的一种或者他们的任意组合；
[0007](2)沿着所述裂缝的长度方向设置监测点:在上述窄裂缝段、宽裂缝段分别选择一个监测点，上述中裂缝段的监测点的设置方法如下:(a)如果中裂缝段的长度不超过10m，在每2-5m的长度范围内选择一个监测点，如果地形有起伏，则在起伏处增加监测点，(b)如果中裂缝段的长度大于10m，在每5-10m的长度范围内选择一个监测点，如果地形有起伏，则在起伏处增加监测点；
[0008](3)沿着通过所述监测点并垂直于所述裂缝的方向，在所述裂缝的两侧分别对称布置多个监测点，形成一列，在每个监测点设置微型蒸发器，其中距离裂缝最近的第一个监测点与裂缝的距离在2-5cm之间，之后的相邻的监测点之间间隔为l-2m布设；
[0009](4)计算蒸发量:每隔预定时间，使用质量天平称取每个微型蒸发器内的土壤重量，与前一时段该蒸发器内土壤重量差即为该时段的该监测点的蒸发量值，可以动态反映裂缝发育对土壤蒸发量的影响，对所有监测点同一时段蒸发量值进行平均，即为整个地块该时段的蒸发量值。
[0010]本发明是针对西部干旱半干旱的沉陷区沙土的土壤蒸发量的监测方法，与常规的农地和林地更具有特殊性。受到地下煤炭开采的影响，产生长短、宽窄，形态不一的裂缝，对于本地区水分的蒸发量研究有着显著的影响，因此沉陷区土壤蒸发量的监测点布局方式明确有别于农地和林地。本发明的监测点的布置方式，可针对性监测长短、宽窄，形态不一的裂缝对土壤蒸发量的影响。
[0011]此外，沙地土壤不同于农地和林地土壤，沙粒的含量较高，沙土保水持水的能力弱，沙土的热传导能力强，且沙土易受外力如风力、水力和重力等影响产生位移，因而对沙土上蒸发量的监测更需要进行动态持续性的监测，因此使用带有可拆卸连接的金属材质的密封盖的微型蒸发器，具有便于重复操作的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的实施例一的监测点布置情况的示意图。
[0013]图2为本发明的实施例二的监测点布置情况的示意简图。
[0014]图3为本发明的实施例三的监测点布置情况的示意图(裂缝经过植物的投影区)。
[0015]图4为本发明的实施例四的监测点布置情况的示意图(裂缝临近植物的投影区)。
[0016]图5是本发明所使用的微型蒸发器的内筒结构示意图。
[0017]图6为本发明所使用的微型蒸发器的密封盖结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
[0019]需要说明的是，本发明的有裂缝的采煤沉陷区的的土壤蒸发量监测方法，特别适合于中国西部干旱半干旱地区出现裂缝的沙土地的土壤蒸发量的监测，这种裂缝是在采煤沉陷作用下产生的，裂缝的存在影响土壤的蒸发量。
[0020]实施例一
[0021]实施例一针对的是地面没有植物的裸地，裂缝100为单条裂缝。在图1中，用虚线代表对裂缝100进行分段，为图面简洁考虑，图中仅选窄裂缝段11、宽裂缝段12和中裂缝段13各选一段，各标出一段。图1中垂直于裂缝方向的直线是用于设置监测点的直线，其中的小圆圈代表监测点，在此位置处设置微型蒸发器。需要说明的是，由于裂缝一般是不规则的，此处垂直是指的大致垂直于选择的监测点处的裂缝的方向。
[0022]如图1所示，本发明的实施例一有裂缝的采煤沉陷区土壤蒸发量监测方法，包括如下步骤:
[0023](I)在裂缝宽度无突变的地段按所述裂缝的宽度将所述裂缝分段，裂缝宽度小于或等于2.5cm的部分为窄裂缝段11，裂缝宽度大于或等于4.5cm的部分为宽裂缝段12，裂缝宽度大于2.5cm，小于4.5cm的部分为中裂缝段13，图1中的一条裂缝包括窄裂缝段11、宽裂缝段12和中裂缝段13的组合，当然根据实际情况，也可能一条裂缝仅包括窄裂缝段
11、宽裂缝段12和中裂缝段13中的任意一种或两种。所谓“裂缝宽度无突变的地段”指的是裂缝宽度均匀或者裂缝宽度变化均匀的地段，由于干旱地区的沙土的性质，在无外界干扰时，一般不会突然变大或变小。
[0024](2)沿着所述裂缝的长度方向设置监测点:在上述窄裂缝段、宽裂缝段分别选择一个监测点，其理由是，在裂缝宽度大致一致的区域，其蒸发量大致相同，故在裂缝宽度相差不大的区域只需要选择一处取样即可。也就说，在窄裂缝段，由于裂缝宽度小于或等于
2.5cm，在此范围内，由于裂缝较窄，裂缝宽度的变化对周围土壤蒸发量的影响可认为是一致的；在宽裂缝段，由于裂缝宽度大于或等于4.5cm，在此范围内，也可以认为裂缝宽度对周围土壤的蒸发量的影响也可认为是一致的。对于宽度在大于2.5cm，小于4.5cm的中裂缝段，其监测点的设置方法如下:(a)如果中裂缝段的长度不超过10m，在每2-5m的长度范围内选择一个监测点，如果地形有起伏，则在起伏处增加监测点，2-5m的长度范围内选择一个监测点的含义是，在2-5m的长度范围内，例如选择2.5m，3m、4m、4.5m等为一小段(具体的选择根据中裂缝段的总长度而确定，尽量使监测点在中裂缝段分布均匀)，在此小段设置一个监测点，例如，如果中裂缝段的长度为8米，中间无起伏，则共设置两个监测点，按照4米为一小段，将其分成两小段，每一小段上设置一个监测点。如果中间有起伏，则在起伏处增设监测点。(b)如果中裂缝段的长度大于10m，在每5-10m的长度范围内选择一个监测点，如果地形有起伏，则在起伏处增加监测点。每5-10m的长度范围内选择一个监测点的含义是根据中裂缝段的长度不同选择5-10m中的一个长度作为将其分段的标准，将中裂缝段分成多个小段，每一小段设置一个监测点。例如，如果中裂缝段的长度为12米，则按照6米为一小段，将其分成两小段，每一小段上设置一个监测点。如果中间有起伏，则在起伏处增设监测点。之所以在中裂缝段要在长度方向上每隔一定距离就选择一个监测点，是因为在宽度在大于2.5cm,小于4.5cm的范围内，裂缝宽度的不同对土壤蒸发量的影响是不同的，裂缝宽度对土壤蒸发量的差异是显著的，故需要在中裂缝段上尽量均匀布置监测点，全面反映裂缝宽度对土壤蒸发量的影响。
[0025](3)沿着通过所述监测点并垂直于所述裂缝的方向，在所述裂缝的两侧分别对称布置多个监测点，形成一列，在每个监测点设置微型蒸发器，其中距离裂缝最近的第一个监测点与裂缝的距离在2-5cm之间。在设置微型蒸发器时候，要尽量内部土壤结构，在设置第一个监测点处的微型蒸发器进行取土时，尽量不要扰动裂缝，以免影响测量的准确性。在裂缝两侧进行选择，充分考虑到裂缝对地表蒸发量的影响，准确客观地测量蒸发量。
[0026](4)计算蒸发量:每隔预定时间，使用质量天平称取每个微型蒸发器内的土壤重量，即为该时段的该监测点的蒸发量值，再对所有监测点同一时段蒸发量值进行平均，即为整个地块该时段的蒸发量值。
[0027]其中，第(4)步骤的计算蒸发量时，可以选择进行日蒸发量的监测，进行比较，实现动态监测，或不同季节的同样时间进行比较。
[0028]例如每日早上8:00开始，每隔两个小时测量一次，即8:00-10:00, 10:00-12:00, I2:00-14:00，14:00-16:00，16:00-18:00和18:00-20:00六个时间段整个地块每两个小时间蒸发量值，同样，所有监测点20:00时刻平均重量减去8:00时刻平均重量即为整个地块的日平均蒸发量值。或者选择一年中春、夏、秋三个季节的晴天，从早晨8:00-20:00，每隔2小时，使用质量天平称取每个微型蒸发器内土壤重量，测量精确至0.lg，将每两个小时的重量值相减，即为这时段的土壤蒸发量值，再对所有监测点同一时段蒸发量值进行平均，即为整个地块该时段的蒸发量值，然后将不同季节的测量值进行比较。为了保证蒸发量的测量准确性，使用微型蒸发器的整个取土所用时间控制在5分钟内。其中微型蒸发器可选用现有技术的任意一种微型蒸发器，具体可参考已公开文件，如高晓飞等著《使用微型蒸发器测定土壤蒸发的研究进展》(载《水利水电科技进展》，2010年第30卷第I期第85-90页)。
[0029]以上只是考虑到裂缝发育均匀的情况，在有些地方，受到地下拉力及土壤不均质性的影响，裂缝宽度可能发生突变，如图1所示的标号15的箭头所指之处，由于裂缝宽度是影响土壤蒸发的关键因素，因此需要在裂缝宽度出现突变的地段增加设置监测点，沿垂直于裂缝长度的方向设置一列监测点。
[0030]需要指出的是，一般情况下，裂缝宽度发育比较均匀，裂缝的宽度是逐渐变化的。如上所述，由于在宽度小于2.5cm范围内的窄裂缝段和宽度大于4.5cm的宽裂缝段，裂缝宽度对其蒸发量的影响较小，故不必考虑裂缝宽度突变的问题。但是由于在裂缝宽度在
2.5-4.5cm范围的中裂缝段需要考虑裂缝宽度对蒸发量的影响。关于裂缝宽度突变的问题，如果在裂缝长度的Im的范围内，裂缝宽度的变化达到或超过2cm，就认为发生了突变。如果在裂缝长度的Im的范围内，裂缝宽度的变化小于2cm，就认为裂缝宽度未发生突变，就不考虑裂缝宽度突变的影响。
[0031]请继续结合图1说明本实施例中的监测点的设置方式，作为优选方案，在裂缝的每一侧，距离裂缝越远，相邻两个监测点之间的间隔就越大。这么设置是考虑到距离裂缝越远，裂缝对土壤的蒸发量的影响就越少，可在保证测量精度的情况下，减少监测点的设置，也就减少了工作量，提高效率。显然，如果相邻两个监测点之间的间隔均相等也是可以的，只是设置的监测点的数量就比图1中设置的更多。
[0032]在采煤区，地面的塌陷是持续动态变化的，因此还需要考虑地面沉降对蒸发量的影响，作为优选方案，本实施例在设置微型蒸发器时，对该微型蒸发器用全站仪进行坐标与高程定位。也就是在通过微型蒸发器测量监测点的土壤蒸发量的同时，还通过采集监测点的三维坐标，监测其塌陷、位移情况，反映该监测区地表沉陷动态发育过程，间接反映裂缝发育、开采沉陷与土壤蒸发之间的关系。
[0033]结上文所述，为了研究塌陷区的土壤蒸发量的规律，需要对其蒸发量进行持续测量，在一天内可能测量六次，如此反复测量，需要使用微型蒸发器反复地取土和测量质量。现有技术中的微型蒸发器在取土之后都是采用报纸、尼龙布等物品进行封底，使用不便而且还影响其内部的土样与周围土壤之间的热量交换影响测量的准确性。为此，本实施例中所采用的微型蒸发器为适用于沙地土壤的微型蒸发器，其内筒和密封盖的结构如图5和图6所示。本实施例所使用的微型蒸发器包括下端插入土层采集土壤的内筒I和套设在所述内筒I外将内筒I与周围土壤隔开的套筒(套筒为两头开口的筒状，图中未示出)，内筒为不锈钢材料，其硬度和强度较大，便于插入土内取土，套筒为PVC材料，内筒11下端设有与其可拆卸连接的金属材质的密封盖2。在取土前，将密封盖2卸下，在将内筒11插入土中取土完毕后，将密封盖2旋紧，将内筒11密封。采用此结构的微型蒸发器的好处在于，每次取土前后，只需要简单地将密封盖2松开、旋紧即可，不必像现有技术中还需要繁琐的密封动作，简单易行，加快了取土速度，尤其适合这种连续的多点的监测。
[0034]本发明的土壤蒸发量的监测方法针对西部干旱半干旱的沉陷区的沙土环境使用的。与常规的农地和林地相比，干旱半干旱的沉陷区的沙土，受到地下煤炭开采的影响，产生长短、宽窄，形态不一的裂缝，对于本地区水分的蒸发量研究有着显著的影响，其土壤蒸发量的监测点的布局方式明确有别于农地和林地。此外，沙地土壤不同于农地和林地土壤，沙粒的含量较高，沙土保水持水的能力弱，沙土的热传导能力强，且沙土易受外力如风力、水力和重力等影响产生位移，因而对沙土上蒸发量的监测更需要进行动态持续性的监测，因此使用带有可拆卸连接的金属材质的密封盖的微型蒸发器，具有便于重复操作的优点，尤其适合用于多点连续监测时使用。
[0035]实施例二
[0036]图2为本发明的实施例二的监测点布置情况的示意简图，图2中省略了监测点。如图2所示，实施例二与实施例一的区别在于，裂缝200出现了分叉，分成第一裂缝201和第二裂缝202，在裂缝200处与实施例一的监测点的设置方式相同，在第一裂缝201和第二裂缝202上与实施例一的监测点的设置方式也相同。只是，由于第一裂缝201和第二裂缝202是相对的，在其二者之间的监测点相向设置，最终相会于二者的中心线，即图2中的虚线附近。
[0037]此外，由于分叉的存在，因此如图2所示，还在裂缝出现分叉处设置监测点。也即是裂缝200与第一裂缝201，第二裂缝202的交叉点设置。监测点所形成的参考线分别垂直于第一裂缝201和第二裂缝202。
[0038]实施例三
[0039]图3为本发明的实施例三的监测点布置情况的示意图(裂缝经过的投影区时)。如图3所示，在实施例三中裂缝300经过植物的投影区，在图3中，为图面简洁考虑，未示出植物，只示出了树干的阴影91和树冠的阴影92，其中的裂缝300经过树冠的阴影92。考虑到植物对蒸发量的影响，在选择监测点时，在裂缝300通过投影区的一段增设监测点。植物的投影区指的是植物在一天内的阴影区的并集，监测点的布点之间距离和数量与无树荫处相同，只是在投影区增加设置一列监测点，以反映植物裂缝交互对蒸发量的动态影响。
[0040]实施例三
[0041]图4为本发明的实施例四的监测点布置情况的示意图(裂缝临近植物的投影区时)。如图4所示，此时裂缝400未经过植物的投影区，但临近植物的投影区，距离植物的投影区的边缘小于20cm，需要考虑植物的投影对裂缝400的蒸发量的影响。故选择监测点时，在所述裂缝距离投影区最近的点增设监测点。
[0042]综合实施例三和实施例四，考虑到沉陷区的裂缝上有树木时，树荫会影响蒸发，因而在树荫能影响裂缝旁增设监测点。如果裂缝与投影区的边缘的距离在20cm之内，在垂直裂缝发育方向上布设监测点，监测点应该布满树荫(如果植物为树的话)能够覆盖的范围内。布点的距离和数量与无树荫处相同，以反映植物与裂缝交互对蒸发量的动态影响。当然，当裂缝经过投影区时，当然更需要设置监测点。在图3和图4中，只是静态地表示某一时刻的树木的阴影，其在一天的阴影区应该是从日出到日落时刻的所有时间的阴影的并集，凡是当裂缝经过其阴影区时，以及当裂缝距离阴影区边缘的距离小于20cm时，都应当增设一列或多列监测点，以反映植物对裂缝的蒸发量的影响。如果植物为小型的灌木，投影区的面积较小，裂缝与其一天的投影区的边缘的最近距离超过20cm时，可不考虑植物对裂缝蒸发的影响。
[0043]当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种有裂缝的采煤沉陷区的土壤蒸发量监测方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)按所述裂缝的宽度将所述裂缝分段，裂缝宽度小于或等于2.5cm的部分为窄裂缝段，裂缝宽度大于或等于4.5cm的部分为宽裂缝段，裂缝宽度大于2.5cm，小于4.5cm的部分为中裂缝段，一条裂缝包括窄裂缝段、宽裂缝段和中裂缝段的一种或者他们的任意组合； (2)沿着所述裂缝的长度方向设置监测点:在上述窄裂缝段、宽裂缝段分别选择一个监测点，上述中裂缝段的监测点的设置方法如下:(a)如果中裂缝段的长度不超过10m，在每2-5m的长度范围内选择一个监测点，如果地形有起伏，则在起伏处增加监测点，(b)如果中裂缝段的长度大于10m，在每5-10m的长度范围内选择一个监测点，如果地形有起伏，则在起伏处增加监测点； (3)沿着通过所述监测点并垂直于所述裂缝的方向，在所述裂缝的两侧分别对称布置多个监测点，形成一列，在每个监测点设置微型蒸发器，其中距离裂缝最近的第一个监测点与裂缝的距离在2-5cm之间，之后的相邻的监测点之间间隔为l-2m布设； (4)计算蒸发量:每隔预定时间，使用质量天平称取每个微型蒸发器内的土壤重量，与前一时段该蒸发器内土壤重量差即为该时段的该监测点的蒸发量值，可以动态反映裂缝发育对土壤蒸发量的影响，对所有监测点同一时段蒸发量值进行平均，即为整个地块该时段的蒸发量值。
2.根据权利要求1所述的有裂缝的采煤沉陷区的土壤蒸发量监测方法，其特征在于，其中步骤(2)中在对中裂缝段设置监测点时，还在裂缝宽度出现突变的地段设置监测点。
3.根据权利要求1所述的有裂缝的采煤沉陷区的的土壤蒸发量监测方法，其中步骤(2)，还在裂缝出现分叉处设置监测点。
4.根据权利要求1所述的有裂缝的采煤沉陷区的土壤蒸发量监测方法，其特征在于，步骤(3)中，在裂缝的每一侧，距离裂缝越远，相邻两个监测点之间的间隔就越大。
5.根据权利要求1所述的有裂缝的采煤沉陷区的土壤蒸发量监测方法，其特征在于，步骤(3)中，在设置微型蒸发器时，对该微型蒸发器用全站仪进行坐标与高程定位。
6.根据权利要求1所述的有裂缝的采煤沉陷区的的土壤蒸发量监测方法，其特征在于，所述微型蒸发器为适用于沙地土壤的微型蒸发器，包括下端插入土层采集土壤的内筒和套设在所述内筒外将所述内筒与周围土壤隔开的套筒，所述内筒为不锈钢材料，所述套筒为PVC材料，所述内筒下端设有与其可拆卸连接的金属材质的密封盖。
7.根据权利要求1所述的有裂缝的采煤沉陷区的的土壤蒸发量监测方法，其特征在于，当所述裂缝经过植物的投影区时，所述步骤(2)中在选择监测点时，在所述裂缝通过所述投影区的一段增设监测点。
8.根据权利要求1所述的有裂缝的采煤沉陷区的的土壤蒸发量监测方法，其特征在于，当所述裂缝未经过植物的投影区但距离植物的投影区的边缘小于20cm时，所述步骤(2)中在选择监测点时，在所述裂缝距离投影区最近的点增设监测点。
【文档编号】G01N33/24GK104237485SQ201410515383
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】毕银丽, 邹慧, 李少朋 申请人:中国矿业大学