榆神矿区地下水和干旱指数对植被耗水的联合影响

为研究干旱矿区地下水位下降和气侯变化对典型植被耗水的联合,选择榆神矿区优势植被沙柳为研究对象,以干旱指数表征气候变化,在野外调查、室内测试及原位试验的基础上,采用有限元算法分析不同地下水位埋深和干旱指数组合条件下的植被耗水特征。研究结果表明:植被生长受干旱指数和地下水位埋深的双重影响,当地下水埋深为1.0～2.0 m处,植被耗水主要受地下水控制;地下位水埋深为2.0～2.5 m时,植被耗水受地下水和干旱指数的双重影响;地下水位埋深大于2.5 m时,植被耗水主要受干旱指数影响;单指数模型可以很好的拟合地下水埋深和植被实际蒸腾量(T_a)与潜在蒸腾量(T_p)比值(T_a/T_p)的关系曲线,其相关系数高达0.99,利用单指数模型和T_a/T_p的比值可以反求出枯水年、平水年和丰水年条件下的植被生态临界地下水位,不同水文年的植被生态临界水位有差异性,认为当地下水位埋深大于1.24 m(平均),植被生长受到水分胁迫,当地下水位埋深大于2.06 m(平均),植被出现退化现象;同时,采煤引起地下水位下降对植被生态的影响是有限的,只有当采前地下水位埋深为1.0～2.5 m时,地下水位下降才会引发植被生态退化;当采前地下水位埋深大于2.5 m时,采煤引起地下水位下降基本对沙柳的生长不产生影响,此时植被生态退化主要受气候变化影响。目前,榆神矿区采前地下水位埋深普遍大于2.5 m,影响矿区生态环境的主要控制因素是气候变化(降水量),考虑到近年来榆神矿区降水量有增大趋势,因此出现"虽然地下水位明显下降,但是生态环境局部转好"的现象。

古土壤层对煤矸石淋滤液中典型污染物的防污性能

黄土区是我国重要的煤炭生产区,古土壤层在黄土区包气带中广泛发育。煤炭开采和洗选过程中会产生大量煤矸石,其中露天堆放的煤矸石在长期降水淋滤作用下会释放出含有大量污染物的淋滤液,对矿区周围的地下水造成污染。黄土区煤矸石淋滤液在进入到地下含水层之前,必将流经过古土壤层。要准确评价煤矸石淋滤液对地下含水层的影响,必须确定古土壤层对煤矸石淋滤液中污染物的防污性能。通过开展室内渗透试验和批式吸附试验,研究了古土壤对煤矸石淋滤液中典型污染物Mn^(2+),Zn^(2+),Cu^(2+)和SO_(4)^(2-)的阻隔情况。渗透试验结果显示,煤矸石淋滤液作用下古土壤试样的渗透系数在0.852×10^(-9)~1.01×10^(-9) m/s,比使用蒸馏水渗透时得到的渗透系数降低了1.5倍以上。古土壤试样渗透系数之所以会降低,是因为煤矸石淋滤液与古土壤之间发生了化学反应,生成新的沉淀物淤堵了古土壤试样中的孔隙。批式吸附试验结果显示,古土壤能够吸附Mn^(2+),Zn^(2+),Cu^(2+),吸附过程符合非线性的Freundlich模型;古土壤层中黏土矿物与重金属之间的离子交换反应,是古土壤吸附重金属的主要途径。古土壤颗粒呈电负性,与SO_(4)^(2-)之间存在相互排斥作用,几乎不吸附SO_(4)^(2-)。使用POLLUTE V7软件模拟预测了煤矸石淋滤液中典型污染物击穿古土壤层的时间,结果显示,厚度为1.0 m的古土壤层对污染物的有效阻隔时间可以达到10 a以上。总体而言,古土壤层具有较强的防污性能,能够限制污染物向含水层迁移,因此在进行黄土区煤矸石堆场地下水环境影响评价及污染防控时,有必要考虑古土壤层产生的影响。

黄土淋滤液作用下土工合成黏土衬垫的渗透特性研究

通过开展室内渗透试验,评价两种不同类型土工合成黏土衬垫(Geosynthetic Clay Liner,GCL)用作煤矸石处置场覆盖层的可行性。试验中,使用黄土淋滤液对天然钠基膨润土GCL和人工钠化膨润土GCL进行渗透。当有效应力为15 kPa时,两种GCL的渗透系数均在2.80×10^(-9)m/s左右,此值高于1.00×10^(-9)m/s,无法满足煤矸石处置场覆盖层的防渗要求;而当有效应力增大至90 kPa时,GCL的渗透系数则降低至3.52×10^(-10)m/s,满足防渗要求。试验结果显示:黄土淋滤液渗透作用下两种GCL的渗透特性没有显著差别。增大有效应力,可降低黄土淋滤液对GCL渗透特性的影响,但为了使GCL满足煤矸石处置场覆盖层的防渗要求,其上部黄土植被层的覆盖厚度必须达到5.0 m以上,这在现场不易实现,故今后有必要对具有一定抗化学侵蚀能力的GCL展开研究。

基于多源空间信息融合的含水煤层顶板复合岩层富水性分区

侏罗系煤田煤层开采普遍受到顶板复合含水层水影响。选取陕北榆横矿区袁大滩煤矿2煤开采顶板复合砂岩地层为研究对象,基于经验公式和实测公式,计算导水裂缝带发育高度,确定2煤至直罗组顶界为富水性分区范围;选取评价层段砂岩等效厚度、砂–泥互层特征等7个岩性结构指标,重点考虑2煤含水性特征,计算了各钻孔位置富水性综合指数,借助Arcgis软件,绘制了研究区富水性分区图,揭示区内富水性从西北向东南递减,与区域富水性背景一致。研究结果对于富水性指数法在煤层含水条件下的应用有推动作用。

基于平行因子法的黄河流域中段矿井水中 DOM特征及来源

黄河流域中段是我国煤炭资源禀赋最为优异区域,也是重要的煤炭产区,煤炭高强度开采过程中产生了大量矿井水。由于井下采掘设备用油泄漏等导致矿井水普遍出现有机污染物超标,且污染物种类和特征不清楚,大大限制了矿井水的安全回用。为了查清矿井水中有机污染物特征和来源,本研究以黄河流域中段蒙陕接壤矿区15座煤矿为研究对象,在检测分析井下中央水仓矿井水常规理化指标基础上,利用TOC-VCPH分析仪、紫外分光光度计、三维荧光光谱仪等设备开展矿井水中溶解性有机质(DOM)检测,并采用平行因子法确定矿井水中DOM的组分特征,再结合主成分分析及相关性分析方法分析矿井水中DOM来源及影响因素。结果表明:悬浮物是研究区矿井水中的常规污染物,高浊度矿井水占比100%,超标倍数达到3.0~85.0倍;溶解性总固体(TDS)、氟化物和硝酸盐为研究区矿井水的特征污染物,其中水文地球化学垂向分带性导致深埋含水层中TDS浓度较高,氟化物以榆神矿区煤层埋深300 m左右的矿井最为显著,部分矿井水硝酸盐超标率达到20.0%~55.8%;平行因子分析法计算得到的15座煤矿矿井水研究区矿井水中主要出现了4类荧光组分,其中以类酪氨酸为代表的类蛋白物质是矿井水中DOM主要组分,对DOM整体贡献率达到63.0%~89.0%,其主要来源于井下乳化油泄漏产生的酚类、二氯苯、苯等芳香烃。三维荧光分析发现这15座煤矿矿井水具有相同的荧光指数特征:自生源指数(BIX)小于2.0(0.8~1.4)。腐殖化指数(HIX)小于4.0(0.6~2.5)、荧光强度(FI)大于1.0(1.5~2.2),表明研究区DOM普遍来源于类蛋白物质;通过主成分分析与相关性分析,进一步验证了井下油类污染物是该研究区矿井水DOM主要来源。基于平行因子分析法得到的矿井水中DOM标准三维荧光指纹图和荧光特征的研究,为黄河流域中段矿井水的安全可持续利用提供科学依据。

煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散性能

为验证土工合成黏土衬垫(Geosynthetic Clay Liners,GCL)作为煤矸石处置场衬垫层建设材料的可行性,采用垂直式双筒扩散装置进行室内扩散试验,研究了煤矸石淋滤液中典型污染物Zn^2+、Mn^2+和SO4^2–在人工钠化膨润土GCL中的扩散性能,使用有限层法模拟软件POLLUTE V7对污染物随时间变化的曲线进行拟合,确定3种污染物在人工钠化膨润土GCL中的扩散系数。研究结果表明,污染物在GCL中的扩散系数低于它们在传统压实黏土衬垫层中的扩散系数,从而能更有效地控制煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散迁移行为。

Leachability of heavy metals from solidified sludge

Solidified sludge undergoes progressive depletion of the alkalinity materials under natural weathering condition and releases out of heavy metals. The leaching of heavy metals from solidified sewage sludge was studied by acid neutralization capacity (ANC) test and flow-through leaching test. The results of ANC test showed that heavy metals release at high concentration when the pH of extract lowers than 6. The disintegration of solidified sludge and the transformation of heavy metals are the main reasons for the resolubilisation of contaminants. Flow-through leaching test indicated that leaching of heavy metals from solidified sludge occurs in a slow way. A mathematical model has been developed to predict the stabilization time of heavy metals in solidified sludge. The research results showed that decreasing hydraulic conductivity is more important than cement addition for controlling the release of heavy metals from solidified sludge.