煤炭資源開發(fā)過程中礦區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)模擬研究.pdf

1、水土流失是目前全球矚目的環(huán)境問題之一。大規(guī)模資源集中開采和相應(yīng)工程建設(shè)引起的人為加速水土流失問題是當(dāng)前水土流失研究中的關(guān)鍵內(nèi)容，已經(jīng)引起各國(guó)政府部門和專家學(xué)者的廣泛重視。本論文所選研究區(qū)——神府東勝礦區(qū)位于黃土高原風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)帶是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，是全國(guó)重要的能源基地。隨著煤炭資源開采，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境發(fā)生重大的改變，特別是擾動(dòng)地表物質(zhì)的堆積棄土與裸露基巖在當(dāng)?shù)靥厥獾臍庀笏臈l件下極易發(fā)生加速侵蝕，產(chǎn)生了一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題。原本脆弱

2、的生態(tài)環(huán)境變得更加脆弱，嚴(yán)重制約了礦區(qū)安全生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展。 本研究在對(duì)礦區(qū)1990年以來的整體環(huán)境進(jìn)行廣泛調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，基本了解了煤炭資源開采對(duì)于礦區(qū)帶來的環(huán)境改變狀況，并針對(duì)礦區(qū)物質(zhì)組成與基巖分布的實(shí)際情況，利用模擬降雨技術(shù)、模擬風(fēng)化試驗(yàn)技術(shù)，結(jié)合GIS技術(shù)，分別有選擇性地對(duì)礦區(qū)原狀未擾動(dòng)坡地、不同堆積年限礦區(qū)棄土堆積物進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，選擇裸露基巖(砒砂巖)進(jìn)行室內(nèi)模擬風(fēng)化試驗(yàn)，并在礦區(qū)范圍內(nèi)選擇包括了棄土堆積物、原狀

3、土、砒砂巖等礦區(qū)典型的地表物質(zhì)組成的六道溝小流域進(jìn)行礦區(qū)水土流失預(yù)測(cè)模型研究。通過本項(xiàng)目的研究，掌握棄土堆積物土壤自然恢復(fù)的規(guī)律可以為礦區(qū)水土流失治理和復(fù)墾研究提供新的方法和措施。一方面為神府東勝礦區(qū)水土流失治理提供技術(shù)支持，可以有效提高水土流失治理效率，另一方面為我國(guó)礦區(qū)水土流失治理研究提供理論依據(jù)，對(duì)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有實(shí)際指導(dǎo)意義。 本文的工作成果和主要結(jié)論如下： 1)礦區(qū)開發(fā)導(dǎo)致地表劇烈擾動(dòng)，地表物質(zhì)經(jīng)搬離而重新

4、堆積，新堆積棄土石碴結(jié)構(gòu)疏松，入滲率要明顯高于原狀土，達(dá)到穩(wěn)定入滲時(shí)間要比原狀土長(zhǎng)，但一旦產(chǎn)流，則侵蝕非常嚴(yán)重。在高強(qiáng)度降雨時(shí)，土壤侵蝕加劇，較原狀土有近10倍的增加，如果不采取必要措施，將會(huì)嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。 2)不同年限棄土具有明顯不同的抗侵蝕能力；隨著堆積年限的增加，棄土的植被覆蓋和抗侵蝕能力都有較明顯的提高；棄土年限超過7年的土壤植被和抗侵蝕能力有較好恢復(fù)，超過10年的堆積棄土基本達(dá)到原狀土土壤環(huán)境水平。對(duì)于有效控

5、制礦區(qū)擾動(dòng)棄土的土壤侵蝕，主要在于提高其壓實(shí)性，恢復(fù)其原來的結(jié)構(gòu)特征，另外，增加植被覆蓋度及加快其恢復(fù)速度也可以有效減少土壤侵蝕。 3)存在生物結(jié)皮區(qū)徑流量要大于同等降雨條件下的無生物結(jié)皮區(qū)，并且生物結(jié)皮覆蓋度越大其徑流產(chǎn)生量越大。存在生物結(jié)皮區(qū)的同期徑流含沙量累計(jì)產(chǎn)沙量要比無生物結(jié)皮區(qū)要小。說明生物結(jié)皮具有很好的抗侵蝕作用。 4)砒砂巖區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙過程與巖石風(fēng)化過程密切相關(guān)。在不考慮風(fēng)蝕影響的情況下，影響砒砂巖風(fēng)化速率

6、的主要因素有巖性(礦物組成、孔隙特征、膠結(jié)物等)、處理?xiàng)l件、凍融周期等因素。不同巖性的砂巖在同樣處理?xiàng)l件下具有不同風(fēng)化速率。溶液浸泡可以減緩砒砂巖風(fēng)化，在不同的凍融環(huán)境里其影響程度不盡相同。 5)巖石的室內(nèi)溫控凍融風(fēng)化模擬試驗(yàn)，風(fēng)化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)地的風(fēng)化速率，這也間接證實(shí)在巖石的風(fēng)化過程中，風(fēng)或者其它因素的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于凍融作用；室內(nèi)浸泡與無浸泡兩種巖石風(fēng)化試驗(yàn)結(jié)果也表明，在神府東勝煤礦區(qū)巖石的風(fēng)化過程中風(fēng)或其它因素的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

7、水的作用。 6)通過野外降雨試驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)礦區(qū)堆積棄土堆積物中新近棄土侵蝕劇烈，單場(chǎng)降雨侵蝕模數(shù)比類似原狀土坡地的侵蝕模數(shù)增加10倍多，侵蝕產(chǎn)沙最大。在相同條件下，降雨強(qiáng)度越大，侵蝕模數(shù)越大。在風(fēng)沙土坡地，一旦產(chǎn)生徑流，則含沙量很大，且溝谷的形成過程為垂直滲流—坡地潛流—崩塌。模擬結(jié)果表明水土流失具有明顯空間差異性，發(fā)現(xiàn)侵蝕最嚴(yán)重的地方主要是坡度為25度的沙黃土坡地。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為： 1)通過對(duì)礦區(qū)開發(fā)以來歷

8、年棄土堆積物進(jìn)行設(shè)定雨強(qiáng)下的模擬降雨試驗(yàn)，獲得了礦區(qū)土壤自破壞后堆積狀態(tài)下進(jìn)行自然恢復(fù)下的侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，為深入研究礦區(qū)開發(fā)以來擾動(dòng)土壤水土流失動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)提供新的思路。 2)在巖石風(fēng)化試驗(yàn)研究中，分析研究手段方面，在總結(jié)當(dāng)前研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，有了較大的突破和創(chuàng)新，一改過去采用單一的凍融分析、溫度變化分析、化學(xué)過程分析的方法。首次提出了結(jié)合X衍射分析技術(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的特征，采用凍融、溫控和不同水化學(xué)環(huán)境相結(jié)合的風(fēng)化模擬方法。

9、通過不同的試驗(yàn)環(huán)境下巖石風(fēng)化過程的比較分析，對(duì)定性、定量研究影響砒砂巖風(fēng)化因素具有重要的科學(xué)意義。 3)利用ArcGIS8.3、Mapinfo7.0等軟件，結(jié)合生態(tài)學(xué)原理，將土壤侵蝕預(yù)測(cè)落實(shí)到生態(tài)地形單元上，經(jīng)過對(duì)各種生態(tài)地形單元進(jìn)行野外降雨試驗(yàn)，獲得相應(yīng)的侵蝕模數(shù)。經(jīng)過對(duì)各生態(tài)單元內(nèi)影響土壤侵蝕的各環(huán)境要素進(jìn)行權(quán)重分析，應(yīng)用組合數(shù)學(xué)原理進(jìn)行整個(gè)小流域的水土流失預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。并通過在六道溝流域進(jìn)行人工降雨模擬試驗(yàn)，模型得到證明。水土