不同材料覆盖对高寒矿区扰动界面土壤蒸发特性的影响

[目的]探讨不同无机材料的透水性和地表覆盖对土壤蒸发的影响,以期为解决冻土区因矿产资源开采所造成的水分下渗困难、蒸散量增加等问题提供一定理论依据。[方法]以8种无机材料为研究对象,分析了其微观结构及反射特性等基本物理性质;设置了3种降雨强度条件,研究材料在不同使用厚度下的透水性能;开展蒸发试验,探究了不同材料覆盖对土壤水分蒸发特性的影响。[结果](1)材料间的干湿容重、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度及反射率差异极显著(p<0.01),其中玻璃轻石J1、玻璃轻石J2及陶粒3种材料通气性和持水性较适中;(2)在透水性能方面,火山石、麦饭石、陶粒、玻璃轻石J1及玻璃轻石J2性能较优,且材料透水性与雨强、使用厚度分别呈极显著正相关和负相关关系(p<0.01);(3)在蒸发抑制性能方面,玻璃轻石J1、玻璃轻石J2、陶粒、火山石及膨胀珍珠岩可显著降低土壤累积蒸发量(p<0.05)。[结论]不同材料之间物理特性(微观结构、反射率等)差异明显,玻璃轻石J1、玻璃轻石J2及陶粒3种覆盖材料较其他材料能更好地抑制土壤蒸发的发生,可为高寒矿区冻土层近自然重构提供物质基础。

高吸水树脂改良煤矸石基质水分特性

【目的】探究不同质量分数的高吸水树脂(SAP)对矿区煤矸石基质容重、孔隙度、毛管水运移规律和保水性等方面的改善状况,阐明SAP最佳使用量下煤矸石基质的水分运移规律,为无土矿区煤矸石基质水分条件改善提供依据,实现矿区煤矸石固废资源化利用,为植被生长提供适宜条件。【方法】通过室内土柱试验模拟质量分数0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的SAP对煤矸石基质水分运移规律的影响。【结果】(1)SAP可以改善煤矸石基质物理性质,随SAP使用量的增加,煤矸石基质容重呈下降趋势,总孔隙度与毛管孔隙度呈上升趋势;(2)SAP会极显著抑制煤矸石毛管水上升高度,且质量分数在0%~0.4%范围内,随SAP使用量的增加抑制效果逐渐增强,但当SAP质量分数为0.4%时,对煤矸石毛管水抑制程度较0.3%差异不显著;(3)最小显著差异法拟合分析得到:煤矸石毛管水上升高度随时间变化呈幂函数增加趋势(P<0.01),上升速率与时间变化呈对数函数下降趋势;(4)在室内通风条件下,72 h内不同SAP质量分数的煤矸石基质含水率持续降低,纯煤矸石(SAP质量分数0%)基质含水率下降趋势最大,水分损失率为15.96%,SAP质量分数为0.3%与0.4%下降趋势较小,水分损失率分别为3.90%和3.52%,差异不显著,且作用时间越长,SAP的保水性能表现越突出。【结论】SAP可以改善煤矸石基质水分条件,且在一定范围内,含量越高改善效果越显著。因此从经济和效果两方面考虑,首选质量分数为0.3%的SAP应用于无土矿区煤矸石基质中,为植被生长提供适宜的水气条件。

SOCO-SAP对高寒矿区不同级配煤矸石水分与披碱草生长的影响

煤矸石保水性差是影响植物生长的主要障碍因子,为提高煤矸石基质的保水性,以SOCO–SAP(高分子聚合物常用作保水材料,以下简称SAP)质量分数、容重、煤矸石粒径级配3个方面研究重构煤矸石基质水分及披碱草生长特性,筛选出适宜于高寒矿区保水层重构的材料参数规格。结果表明:SAP的使用极显著地提高了煤矸石的饱和含水量、毛管含水量、田间持水量,在容重和级配相同的条件下,其含量与SAP的使用量呈正相关;SAP可降低煤矸石的入渗速率,使用量越高,抑制水分入渗能力越强,在同一质量分数下,不同级配煤矸石的湿润锋到达土柱底部所用时间从短到长依次为偏砂<偏壤<偏黏;SAP质量分数为0.1%与0.2%时,不同级配煤矸石各深度体积含水率提升较小,但使用量为0.3%和0.4%作用效果明显,且2者无明显差异,表明SAP适量使用时,对煤矸石的水分运移效果最佳;随SAP使用量的提高,不同级配煤矸石基质所表现出的披碱草生物量为(偏壤>偏砂>偏黏),且在偏壤级配下,SAP使用量为0.3%时,生物量最大。因此,建议首选容重为1.3 g/cm^(3)、偏壤级配(2∶2∶2∶2∶2)、SAP质量分数为0.3%,来作为高寒矿区保水层构建的主要基质配比,其次是容重为1.3 g/cm^(3)、偏壤或偏砂级配、SAP使用量为0.3%或0.4%,这些配比基质保水性能较好,但植生性较前者较弱。该结果可为高寒无土矿区生态修复提供理论依据和技术支撑,同时为类似典型矿区土地复垦和固废资源化利用提供参考。