露天煤矿开采区生态环境要素响应分析.pdf

引 用 格 式 S u nD e q u a n ．R e s p o n s eA n a l y s i so fE c o l o g i c a lE n v i r o n m e n tF a c t o r s i nO p e nP i tM i n i n gA r e a[J]．J o u r Ｇ n a l o fG a n s uS c i e n c e s,２ ０ ２ ０,３ ２３ １ ２ ５ Ｇ １ ２ ９． [ 孙德全．露天煤矿开采区生态环境要素响应分析[J]． 甘肃科学学报, ２ ０ ２ ０,３ ２３ １ ２ ５ Ｇ １ ２ ９． ] d o i１ ０．１ ６ ４ ６ ８/ j ． c n k i ．i s s n １ ０ ０ ４ Ｇ ０ ３ ６ ６．２ ０ ２ ０．０ ３．０ ２ ３． 露天煤矿开采区生态环境要素响应分析 孙德全 山东省煤田地质规划勘察研究院, 山东 济南 ２ ５ ０ １ ０ ０ 摘要 为探究露天煤矿开采区地下水和土壤环境２个生态环境要素的关系, 对伊敏露天煤矿区的地 下水和土壤指标进行了现场勘测, 重点分析了地下水水位、 酸碱度 p H 以及溶解性固体总量T D S 与土壤环境的变化响应特征.结果表明 １ 煤矿开采使得地下水水位不断降低, 以采坑为中心向四 周辐射的影响程度在逐渐减弱; ２ 随着地下水位的增加, 土壤含水率、 含盐量以及有机质均增大, 反 之则反; ３ 地下水 p H 值越高, 土壤含水率越低, 含盐量和有机质含量越高; ４ 地下水T D S值越高 的区域, 土壤含水率和含盐量越低, 有机质的含量越高.研究成果对于矿区生态环境的保护与恢复 具有一定的指导意义. 关键词 露天煤矿; 生态环境要素; 地下水; 土壤环境; 响应 中图分类号T D １ ６ ４ 文献标志码 A 文章编号１ ０ ０ ４ Ｇ ０ ３ ６ ６２ ０ ２ ００ ３ Ｇ ０ １ ２ ５ Ｇ ０ ５ 煤炭是当前国内的主要能源之一, 在促进经济 发展的同时, 长期的煤炭开采也给当地的生态环境 带来重大影响, 露天煤矿开采首先影响的是地下水, 从而改变区域土壤的含水率、 矿物质等情况, 最终导 致矿区植被和动物群落的多样性改变, 找到地下水 与土壤环境之间的内在联系, 对于矿区生态环境保 护与恢复具有重要意义[ １ Ｇ ２]. 吕文星等[ ３]从调水效益、 保土效益和植被恢复 ３个指标出发, 对陕西省神榆矿区西湾露天煤矿的 水土保持效果进行了定量和定性分析, 认为设计方 案和工程措施具有良好的治理效果和生态效应; 田 会等[ ４]建立起综合扰动程度评价指标体系, 对露天 煤矿的环境影响进行定量评价; 宋子岭等[ ５]建立起 露天矿绿色开采理论体系和开采目标函数, 提出了 露天开采与生态环境一体化技术; 孟庆俊等[ ６]对灵 泉露天煤矿的人工生态恢复进行了生物多样性评 估, 认为人工恢复措施可以对煤矿周边生态环境起 到快速修复的作用; 王杨扬等[ ７]基于生物多样性对 露天煤矿开采区的土地复垦工作进行了研究, 从土 壤种子库、 复垦年限及施肥等方面分析了复垦措施 对生物多样性的影响. 当前, 露天煤矿主要分布于生态脆弱的半干旱 草原地区, 煤矿开采加剧了当地的生态环境恶化, 带 来土地荒漠化等一系列问题, 对当地的畜牧业造成 了一定影响[ ８ Ｇ １ ０].研究在总结前人经验和理论的基 础上, 开展地下水与土壤环境响应的分析, 揭示了露 天煤矿开采影响下地下水与土壤质量之间的相互关 系, 为矿区生态环境保护和修复提供借鉴. １ 研究区概况 伊敏煤田位于内蒙古鄂温克族境内, 平均可开 采厚度为８ ５． ２ ９m, 煤炭资源总量约为１ ７．７G T, 其 中半数以上均可露采, 煤田地区富水性强, 地表水、 大气水补给和地下承压水均较丰富, 地下水运移与 含水层之间, 含水层与隔水层之间具有一定的特点, 水文地质较为复杂.煤矿区地层较为复杂, 可分为 泥盆系、 寒武系、 石炭Ｇ二叠系、 第四系以及白垩系; 煤矿区气候属于温带大陆性季风气候, 多年平均气 温－１． ９℃, 多年平均降水量３ ７ ５mm, 且降水主要 集中在６９月, 多年平均水蒸发量为１１ ７ ０mm, 最 第３ ２卷 第３期 ２ ０ ２ ０年６月 甘 肃 科 学 学 报 J o u r n a l o fG a n s uS c i e n c e s V o l ． ３ ２ N o ．３ J u n ．２ ０ ２ ０ 收稿日期２ ０ １ ９ Ｇ ０ ９ Ｇ １ ０; 修回日期 ２ ０ １ ９ Ｇ １ ０ Ｇ ３ １ 作者简介 孙德全１ ９ ８ ２ Ｇ , 男, 辽宁海城人, 硕士, 高级工程师, 研究方向为煤炭水文地质、 工程地质、 环境地质. E Ｇ m a i ls u n b a i l n ５ ９ １ ７ ２＠１ ６ ３．c o m 大积雪深度２ ０c m以上, 最大冻土深度２m以上. 伊敏煤田地理位置示意见图１. 图１ 伊敏煤田地理位置示意 F i g ．１ G e o g r a p h i c a l p o s i t i o no fY i m i nm i n e f i e l d ２ 取样点布置 以煤矿区采坑为中心, 由内向外布设６条不同 的取样线, 每条取样线从采坑中心开始每隔一定距 离取一个点进行测试, 每个测试点均采集地下水埋 深、 土壤含水率、 土壤含盐量、 土壤有机质、 p H值、 溶解性固体总量T D S, t o t a ld i s s o l v e ds o l i d s 等参 数, 然后对数据进行分类统计, 分别研究地下水水 位、 p H 值以及T D S与各土壤环境因子的关系, 找 出二者的响应关系.取样点位置如图２所示. 图２ 取样点位置示意图 F i g ．２ L o c a t i o no f s a m p l i n gp o i n t s ３ 地下水与土壤环境响应分析 ３．１ 地下水位埋深与土壤环境的关系 采用等间距差值法对勘测数据进行整理, 得到 了地下水位与土壤环境各要素之间的空间分布对应 关系 见图３ . 从图３a 中可以看到, 煤矿开采中心 图３ 地下水位与土壤环境分布关系 F i g ．３ R e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r o u n d w a t e r l e v e l a n d s o i l e n v i r o n m e n td i s t r i b u t i o n 附近的地下水位明显小于矿区周边的地下水位, 在 长时间的没盐开采及疏排地下水过程中, 逐渐形成 了以采坑为中心的地下水降落漏斗, 与原有的地下 水位相比, 采坑中心的地下水位下降达１ ０ ０ m以 上, 地下水流动方向也由四周向采坑中心聚集.从 ６２１ 甘 肃 科 学 学 报 ２ ０ ２ ０年 第３期 图３b 可看到, 在靠近采坑周边区域, 土壤含水率基 本为２ ％４ ％, 而在远离采坑区域, 土壤含水率为 ６ ％ ８ ％, 可见在一定程度上地下水位与土壤含水率 之间呈正相关, 地下水位越深, 土壤含水率越高, 这是 因为在半干旱的草原地区, 土壤水的主要来源之一 为地下水, 地下水下降越大的地方, 对土壤水的补给 能力越弱, 因此, 土壤含水率越低.从图３c 可以 看 到,采 坑 中 心 区 域 的 土 壤 含 盐 量 在２ ０ ０ ４ ０ ０μs/c m之间, 西部、 东北部以及局部地区的含盐 量最大达到６ ０ ０１０ ０ ０μs/c m, 可见地下水位与土 壤含盐量之间呈正相关关系, 即水位越深, 含盐量越 高, 这是因为在半干旱草原地区, 降水量少而蒸发量 大, 地下水在蒸发作用后会出现盐分的相对富集, 同 时部分地下水流向采坑中心, 部分盐分富集于渗流 通道内, 造成该区域的土壤含盐量较高.从图３d 可以看到, 土壤有机质在空间分布上较含水率和含 盐量的分布复杂, 并没有较为明显的相关关系, 在采 坑周边区域, 土壤的有机质含量介于３ ０４ ０g/ k g , 而在地下水位较高的区域则有机质含量相对较低, 但沿着采坑中心向周边辐射时并没有呈逐渐降低趋 势, 二是呈忽高忽低的变化关系, 这是因为内蒙草原 地区的畜牧业十分发达, 而养殖废水和粪便等没有 经过合理的排放, 因此造成了有机质含量忽高忽低 的现象. ３．２ 地下水 p H 值与土壤环境的关系 同理, 利用等间距差值法得到地下水 p H 值与土 壤环境的分布关系 见图４ .从图４ a 可以看到, 开 采区及周边区域的地下水均呈弱碱性, p H 值介于 ７ ．４ ７ ．８之间, p H 值较高区域主要集中于西部和东 北部, 这与含盐量的分布情况较为类似, 即地下水 p H 值越大的地方, 土壤含盐量越高, 这是因为在干旱Ｇ半 干旱的草原地区, 降水量较小而蒸发量较大, 地下水 由于蒸发作用而使得盐分聚集在地表附近, 形成典 型的盐碱土, 因此含盐量越大、 p H 值越大.从图４ b 可知, 在 p H 值越高的区域, 含水率越低, 这正好 跟含盐量不同, 因为 p H 值越高的地方, 土壤中的碳 酸盐岩和硫酸盐岩等矿物质就会越多 即含盐量越 高 , 土壤出现固化板结的现象越明显, 使得土壤含 水率越低; 从图４c 、 d 可知, 西部和东部地区的 有机质含量较低, 这与 p H值的分布比较相似, p H 值 图４ 地下水 p H 值与土壤环境分布关系 F i g ．４ R e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n d e r g r o u n dp Ha n ds o i l e n v i r o n m e n td i s t r i b u t i o n 较高的地方有机质含量也较高, 但也有局部地方出 现反差, 如西部盆地地区, 因此, 相较于含盐量而言, 有机质与 p H 值之间的正相关关系不是很明显. ３．３ 地下水T D S与土壤环境的关系 同理, 采用等间距差值法得到的地下水T D S与 土 壤环境的分布关系见图５. 从图５a 中可以分析 ７２１ 第３ ２卷 孙德全 露天煤矿开采区生态环境要素响应分析 图５ 地下水T D S与土壤环境分布关系 F i g ．５ R e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r o u n d w a t e rT D Sa n ds o i l e n v i r o n m e n td i s t r i b u t i o n 得到 煤矿开采区周边区域的地下水T D S呈东北Ｇ 西南片区低, 东南和西北片区高的整体分布格局, 这 与土壤含水率和含盐量的分布相反, 因此,T D S与 土壤含水率和含盐量之间呈负相关关系, 究其原因 主要是由于地下水经历“ 水走盐留” 的过程后, 使得 T D S不断升高的同时, 含水量逐渐流失, 但与含盐量 为何呈负相关, 这可能与人类干扰活动有关, 如温度 会引起T D S含量的极大变化, 土壤有机质含量则与 地下水T D S之间呈良好的对应关系,T D S越高, 有机 质含量越大, 反之则反, 这主要是因为强烈的蒸发作 用使得盐分富集, 同时加上畜牧业的发展和影响, 使 得地下水T D S与土壤有机质之间呈正相关关系. ３．４ 地下水与土壤环境相关性分析 研究对地下水与土壤含水率等间距差值的相关 性进行统计分析, 得到了地下水位、 地下水 p H 值以 及地下水T D S与土壤环境各指标之间的相关关系 见图６ .从图６可知, 地下水位与土壤含水率、 土壤 含盐量以及土壤有机质之间均呈显著正相关关系, 相 关系数分别为０ ． ２ ３、０ ．３ ２和０ ．２ ６; 地下水 p H 值与土 壤含水率之间呈显著负相关关系, 而与土壤含盐量和 有机质之间呈显著正相关关系, 相关系数分别为０ ． ４ ３ 和０ ． １ ４, 与上述分析情况相符; 地下水T D S与土壤含 水率和土壤含盐量呈显著负相关关系, 相关系数分别 为－ ０ ． ５ ７和－ ０ ．１ ８.因此, 地下水T D S越高, 则土壤 含盐量和含水率越低, 反之则反, 地下水T D S与有机 质之间呈显著正相关关系, 相关系数达到０ ． ９ ２, 可见 地下水T D S与土壤有机质之间的变化响应最符合 相关关系最好 , T D S越高, 有机质越高, 反之则反. 图６ 地下水与土壤环境相关关系分析结果 均为０． ０ １ 水平上显著相关 F i g ．６ A n a l y s i s r e s u l t so f t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n g r o u n d w a t e ra n ds o i l e n v i r o n m e n t ４ 结论 １地下水水位与土壤含水率、 土壤含盐量以 ８２１ 甘 肃 科 学 学 报 ２ ０ ２ ０年 第３期 及土壤有机质之间均呈良好的显著正相关关系, 土 壤环境指标随水位呈正方向响应, 并与煤矿开采、 当 地气候及畜牧业生产有关. ２地下水 p H 值与土壤含水率呈显著负相关关 系, 与土壤含盐量以及土壤有机质呈显著正相关关系, p H 值与有机质之间的相关性相对较弱, 仅为０ ． １ ４. ３地下水T D S与土壤含水率和土壤含盐量 呈显著负相关关系, 与土壤有机质呈显著正相关关 系, 相关系数达到０． ９ ２, 这与地下水蒸发作用和畜牧 业发展有关. ４煤炭开采会给当地生态环境带来深远的影 响, 地下水与土壤环境是生态环境的受体以及信息载 体, 在一定程度上具有响应的相关关系, 但受限于空 间异质性, 要想找出二者的耦合关系很难, 研究仅以 伊敏露天煤矿为例, 分析了露天煤矿开采区生态环境 要素响应关系, 为当地的生态环境保护和修复提供依 据, 也为类似开采区的环境治理工作提供了借鉴. 参考文献 [１] 蒋世杰, 翟远征, 王金生, 等．国内外基于保护地下水的土壤环 境基准的推导与比较[J]．水文地质工程地质,２ ０ １ ６,４ ３ ４ ５ ２ Ｇ ５ ９． [２] 秦晓鹏, 上官宇先, 赵龙, 等．利用C X T F I T Ｇ V Z C OMML模型 推导基于保护地下水的S b的土壤环境基准[J]．环境科学研 究,２ ０ １ ６, ２ ９３ ３ ７ ６ Ｇ ３ ８ １． [３] 吕文星, 高亚军, 徐十锋, 等．多沙粗沙区露天煤矿水土保持生 态效应的监测评价[J]．水土保持通报, ２ ０ １ ９,３ ９３ １ ０ １ Ｇ １ ０ ７, １ １ ８． [４] 田会, 王忠鑫．露天开采对环境的扰动行为及其控制技术[J]． 煤炭学报,２ ０ １ ８,４ ３９ ２ ４ １ ６ Ｇ ２ ４ ２ １． [５] 宋子岭, 范军富, 王来贵, 等．露天煤矿开采现状及生态环境影 响分析[J]．露天采矿技术, ２ ０ １ ６,３ １９ １ Ｇ ４,９． [６] 孟庆俊, 冯启言, 张淇翔, 等．高寒地区露天煤矿生态修复区生 物多样性评估[J]．能源环境保护, ２ ０ １ ８,３ ２３ ４ ４ Ｇ ４ ９． [７] 王杨扬, 赵中秋, 原野．露天煤矿复垦中生物多样性响应研究 进展[J]．中国矿业, ２ ０ １ ７,２ ６ 增刊１ １ ４ ８ Ｇ １ ５ ３． [８] 冯海波, 董少刚, 张涛, 等．典型草原露天煤矿区地下水环境演 化机理研究[J]．水文地质工程地质, ２ ０ １ ９,４ ６１ １ ６ ３ Ｇ １ ７ ２． [９] 郭二果, 蔡煜, 马静, 等．草原区露天煤矿开发地下水水质影响 评价[J]．中国煤炭, ２ ０ １ ５,４ １１ １ ２ ３ Ｇ １ ３ ０． [１ ０] 王卫卫．呼伦贝尔草原典型露天煤矿生态环境影响分析[J]． 露天采矿技术,２ ０ １ ８,３ ３６ １ ０ １ Ｇ １ ０ ４． R e s p o n s eA n a l y s i so fE c o l o g i c a lE n v i r o n m e n tF a c t o r s i nO p e nP i tM i n i n gA r e a S u nD e q u a n S h a n d o n gP r o v i n c eR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC o a lG e o l o g yP l a n n i n ga n dE x p l o r a t i o n,J i ＇ n a n２ ５ ０ １ ０ ０,C h i n a A b s t r a c t I no r d e r t oe x p l o r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg r o u n d w a t e ra n ds o i l e n v i r o n m e n t i nt h eo p e n p i tm i n i n ga r e a,t h eg r o u n d w a t e ra n ds o i l i n d e x e s i nt h eY i m i no p e np i tm i n ew e r e i n v e s t i g a t e do ns i t e, a n dt h ec h a n g er e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so f g r o u n d w a t e r l e v e l,p Ha n d t h e t o t a l a m o u n t o f d i s s o l v e ds o l i d s, a sw e l l a s t h e s o i l e n v i r o n m e n tw e r e a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s s h o wt h a t １g r o u n d w a t e r l e v e l d e c r e a s e s c o n Ｇ t i n u o u s l yd u e t oc o a lm i n i n g,a n di t s i n f l u e n c ef r o mp i ta sc e n t e rt ot h es u r r o u n d i n gg r a d u a l l yw e a k e n s ; ２w i t ht h e i n c r e a s eo fu n d e r g r o u n dw a t e r l e v e l,t h em o i s t u r e c o n t e n t,s a l t c o n t e n t a n do r g a n i cm a t t e r i n s o i l a l l i n c r e a s e;o t h e r w i s e,t h eo p p o s i t e i s t r u e ．３t h eh i g h e r t h ep Ho f g r o u n d w a t e r,t h e l o w e r t h e s o i l m o i s t u r ec o n t e n t,a n d t h eh i g h e r t h e s a l t c o n t e n t a n do r g a n i cm a t t e r;４i n t h e a r e aw i t hh i g h e rT D Sv a l Ｇ u eo f g r o u n d w a t e r,t h em o i s t u r e c o n t e n t a n ds a l t c o n t e n t i ns o i l a r e l o w e r a n d t h eo r g a n i cm a t t e r c o n t e n t i s h i g h e rT h e r e s e a r c hr e s u l t sh a v e c e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c e f o r t h ep r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o no f e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t i nm i n i n ga r e a s ． K e yw o r d s O p e np i tm i n e;E c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t e l e m e n t s;G r o u n d w a t e r;S o i l e n v i r o n m e n t;R e s p o n s e ９２１ 第３ ２卷 孙德全 露天煤矿开采区生态环境要素响应分析