半干旱矿区地裂缝对土壤水分和地表剪切强度的影响

为研究矿区地裂缝对土壤水分及地表剪切强度的影响规律,针对井工煤矿采煤产生的沉陷裂缝,通过野外现场试验,对垂直裂缝方向上的土壤含水率和地表剪切强度进行测定并进行相关性分析。结果表明,在沿垂直裂缝的方向上土壤含水率与测点距裂缝的距离之间呈一定的正相关关系,相关性未达显著水平(P>0.05),初步得到土壤平均含水率随距地裂缝距离的增加而增大,地裂缝的出现一定程度上降低了裂缝及其周边土体含水率;地表剪切强度与距地裂缝距离之间呈一定的正相关关系,相关性未达显著水平(P>0.05),初步得到地裂缝对周围土体结构产生一定影响,即距地裂缝越近,剪切强度越低,地裂缝的出现降低了地裂缝及其周边土体的剪切强度。

基于时间分割算法的半干旱矿区植被动态特征分析

分析半干旱矿区植被扰动与恢复动态特征,对矿区生态环境保护具有指导意义。以大柳塔煤矿为例,利用时间轨迹分割算法提取1994—2014年植被扰动与恢复时间及幅度特征,分析大柳塔煤矿各用地类型区植被空间分异及植被对煤炭开采响应特征。结果表明:1各类型区植被扰动/恢复发生的时间集中,各区域均于1995年发生大面积扰动与恢复;露天开采区第2次大面积植被扰动与恢复时间分别为2006和2009年,而工作面、重建区和小窑为2010年。幅度方面,建成区及工业广场植被扰动与恢复平均幅度最大,小窑扰动幅度与恢复幅度间差值最高。各类型区植被最大扰动持续时长均低于最大恢复持续时长。2工作面尺度,植被对煤炭开采扰动响应具有滞后性。工作面采后2 a植被扰动发生面积最大,而植被恢复面积随采后时长逐渐扩大。植被平均扰动幅度高于平均恢复幅度。时长方面,平均扰动持续时长为1.54~2.40 a,平均恢复持续时长为4.06~7.18 a。

半干旱矿区排土场苜蓿恢复过程中土壤颗粒分形的演变特征

种植苜蓿恢复模式在半干旱矿区植被恢复中占重要地位。为掌握其恢复过程中土壤颗粒分形的演变特征,选择恢复年限分别为2 a、4 a、6 a和10 a(M2、M4、M6和M10)的苜蓿种植地为研究对象,通过野外分层采样与室内测定,依据颗粒体积分形理论,研究了排土场苜蓿恢复过程中土壤颗粒分形的演变特征及与土壤特性的关系。结果表明:研究区土壤各粒径含量以砂粒为主,粉粒次之,粘粒最少;随着苜蓿恢复过程,粘粒与粉粒含量整体表现为先增加后下降的趋势,且在M4阶段达到最佳,砂粒反之。土壤分形维数变化在2.09—2.57,在苜蓿恢复过程中先增大后减小,在M4阶段达到最大。土壤分形维数与粘粒、粉粒具有极显著正相关性(P<0.01),与砂粒具有极显著负相关性(P<0.01);土壤分形维数与电导率呈极显著负相关关系(P<0.01),与pH值和速效钾含量呈显著负相关关系(P<0.05),与碱解氮含量呈显著正相关关系(P<0.05)。在半干旱矿区排土场采用苜蓿恢复模式,可用土壤分形维数表征土壤特性,应重视恢复年限的调控,适时进行适宜的利用与改造,确保矿区生态恢复的可持续性。

半干旱矿区作物对土壤质量含水率和土壤圆锥指数的影响

为探究不同作物在不同阶段对土壤质量含水率和土壤圆锥指数的影响,对同一块耕地进行均匀施肥、统一耕作及灌溉后,划分4个区域,分别种植大豆、玉米、蚕豆、绿豆等4种作物。作物收割前22、1 d及收割后33 d,分别对4种农作物种植区土壤的土壤圆锥指数和土壤质量含水率进行测定。对试验数据进行单因素方差分析,研究同一作物在不同阶段对土壤圆锥指数和土壤质量含水率的影响规律,及不同作物在同一阶段对土壤圆锥指数和土壤质量含水率的影响差异。结果表明,种植作物可以增加土壤表层的土壤质量含水率,同时降低土壤圆锥指数;不同作物对土壤圆锥指数和土壤质量含水率的影响程度存在一定的差异;线性回归模型能够较好地表征土壤质量含水率与土壤圆锥指数之间的定量化关系。

半干旱矿区典型灌木根系固土力学及疲劳性能的差异性

[目的]研究循环荷载对3种典型灌木根系抗拉力学特性的影响,明确疲劳作用后灌木根系固土效能的变化,为半干旱矿区生态修复和侵蚀防控过程中的植物种选择提供科学依据。[方法]以北沙柳、小叶锦鸡儿和沙棘根系为研究对象,利用TY8000伺服控制材料试验机对2~4 mm根径范围内的直根及侧根分支处施加轻度和重度循环荷载,分析疲劳前后根系抗拉力和抗拉强度的变化。[结果]①3种灌木根生物量、累计根长、根体积和根表面积种间差异显著,均表现为:北沙柳>小叶锦鸡儿>沙棘,且根生物量和根体积均主要分布于0—10 cm的表层土体,所占比例平均为38.5%和35.3%,累计根长和根表面积均主要分布于10—20 cm的浅层土体,所占比例平均为30.1%和29.8%。②3种灌木直根在疲劳前后抗拉力均与根径呈幂函数正相关,抗拉强度均与根径呈幂函数负相关,且抗拉力和抗拉强度均表现为:小叶锦鸡儿>北沙柳>沙棘,根系疲劳可显著提升直根抗拉性能。③3种灌木侧根分支处在疲劳前后抗拉力与抗拉强度随根径的变化与直根相似,疲劳前小叶锦鸡儿抗拉力最大,北沙柳次之,沙棘最低,但疲劳后却表现为:沙柳>小叶锦鸡儿>沙棘,根系疲劳可显著提升北沙柳和沙棘侧根分支处的抗拉力学性能,却会降低小叶锦鸡儿抗拉能力。[结论]在风蚀环境中,北沙柳根系在侵蚀过程中能始终保持良好的抗拉性能,可发挥稳定的固土抗蚀效能,应作为半干旱矿区植被重建的优选植物种。

基于恢复力的半干旱矿区生态系统退化风险空间评估

黄河流域中段位于黄土高原地区,煤炭生产基地集聚,是黄河流域高质量发展和生态保护的重点区域,生态保护和修复问题受到广泛重视。实施空间精准的生态退化控制与保护,必须考虑生态系统的恢复力。为此,开发基于恢复力的半干旱矿区生态系统退化风险空间评估方法为黄河流域煤炭基地生态系统保护提供技术支撑。以陕西省神木市煤炭基地为研究区,通过综合考虑生态系统多变量之间的相互控制关系,选取恢复力的关键影响因素。基于GIS和突变级数方法评估研究区生态系统恢复力,并建立生态退化风险分级标准,识别生态系统退化风险区域。研究结果表明:①研究区生态系统的关键要素包括水文、地形地貌、土壤和植被群落,这些要素决定了生态系统的功能、结构与恢复力。研究区生态脆弱,大部分地区生态系统恢复力指数很低,仅沟谷地带及零星的高植被覆盖区恢复力指数较高;②生态退化风险等级由高到低排序为:风沙草滩区>黄土丘陵区>黄河沿岸土山石区,中高风险区的面积较大;③黄河流域中段的煤炭基地受到气候变化与采矿活动的双重扰动,生态环境脆弱,空间异质性大,应成为黄河流域生态保护的重点区域,需要制定空间精细化的生态保护与退化控制策略。通过生态系统恢复力的空间评估,可以发现矿区生态系统退化风险和关键因素,有助于制定差异化的生态保护与退化控制策略。

耦合多因子的地表生态状况指数在干旱半干旱区露天矿的应用效果评价

矿区生态环境遥感动态监测是指导绿色矿山建设和生态恢复的重要基础。耦合绿度、热度、干度、湿度、亮度多种生态因子的指数,如遥感生态指数(Remote Sensing Ecological Index,RSEI)、地表生态状况组成指数(Land Surface Ecological Status Composition Index,LSESCI)具有可视化、可扩展等优势,已被广泛用于矿区生态环境监测中,但地表生态状况指数在不同景观条件和露天开采模式下表征矿区生态环境的适宜性及差异性尚不明确,并且研究区多为单一矿区易忽略因生态环境背景差异导致的区域异质性。因此,以新疆位于不同生态功能分区以及地形条件下的金宝铁矿区、黑山煤矿区和乌拉根锌矿区为研究区,基于长时间序列Landsat遥感影像提取绿度、热度、干度、湿度、亮度生态因子耦合构建LSESCI、RSEI、改进遥感生态指数(Modified Remote Sensing Ecological Index,MRSEI)及标准化遥感生态指数(Standardized Remote Sensing Ecological Index,RSEIs)4个地表生态状况指数,结合土地利用数据和DEM数据,通过相关性分析、缓冲区分析、滑动滤波、Sen+MK等多种方法综合分析,揭示了基于卫星遥感数据反演获取的地表生态状况指数表征不同生态功能区露天矿地表生态状况性能的差异性。结果表明:(1)不同地表生态状况指数与绿度、热度、干度、湿度、亮度各生态因子的平均皮尔森相关系数达到0.6以上,其中RSEI指数对各生态因子拟合程度最好。(2)结合土地利用数据和DEM数据,LSESCI指数能够有效区分位于山前冲洪积扇区的金宝铁矿露天采区和原地貌裸土及山间谷地,不会过低估计生态环境质量,能够反映露天开采对生态环境的影响范围。对于原地貌有低覆盖植被且存在土地盐渍化的研究区,如黑山煤矿区和乌拉根锌矿区,相比MRSEI和RSEIs指数,RSEI指数与湿度、热度等生态因子相关性更高,不会低估研究区的生态环境质量。(3)基于Sen+MK时间序列分析算法和最优指数,对2005—2020年各矿区的生态环境时空变化特征进行了分析,露天开采对研究区内生态环境质量“良”和“优”的土地影响不大,通过露天开采占用、挖损的土地主要为生态环境质量“中”的土地。相比黑山煤矿区,金宝铁矿区和乌拉根锌矿区的生态环境质量显著下降区域面积小,通过复垦及生态恢复生态环境质量显著提高的面积比例高,其中乌拉根锌矿区复垦率为34.58%,金宝铁矿区复垦率为20.75%。

系统视角下中国西部煤炭开采生态损伤与自然修复研究综述

我国西部半干旱矿区生态受到采煤与气候的双重胁迫,区域生态环境脆弱。掌握区域生态系统自然修复规律,可为半干旱矿区生态恢复与重建提供基础理论参考。基于系统视角,分析了我国西部矿区煤炭地下开采对地貌、水文、土壤和植被等生态环境要素影响的研究进展。分析指出,已有研究尚存在以下不足:研究尺度单一、各生态子系统间互馈关系不清、采矿对生态的扰动机理不明、生态修复标准与评价体系不完善。今后应从多尺度(特别是微观尺度)定量研究西部矿区采煤对生态系统的损伤机理,构建矿区生态系统自修复评价指标体系并提出可量化的自修复标准。

西北大型煤炭基地地下水监测背景、思路及方法

我国14个大型煤炭基地中,西北地区分布有神东、陕北、黄陇、宁东、新疆等5个,2018年原煤产量占全国的46.28%。这些煤炭基地地处干旱半干旱地区,水资源贫乏,煤炭开发对含水层的扰动强度较大,甚至造成含水层结构损伤,地下水渗漏,水位下降并引发一系列环境问题。通过科学规划和采煤技术方法革新,调整煤炭开发布局和采煤技术方法,最大限度的减轻煤矿区含水层损伤,已经取得成效,但煤炭开发对地下水扰动动态影响的监控,必须通过建立矿区地下水监测网才能实现。论述了西北煤炭基地地下水监测网建设的背景和思路,介绍了陕西境内陕北、神东、黄陇三个大型煤炭基地地下水监测层位选择、建设部署及数据采集、传输与接收、管理。陕北、神东(陕西境内)和黄陇3个大型煤炭基地主要含水系统包括石炭系—侏罗系碎屑岩裂隙承压水与上覆第四系松散层孔隙潜水含水层系统、白垩系碎屑岩裂隙孔隙承压水-潜水含水系统和寒武—奥陶系碳酸盐岩岩溶水含水系统。地下水监测层位的选择以具有供水价值和生态意义,且受采动影响强烈的含水层为原则,陕北、神东煤炭(陕西境内)基地主要监测第四系萨拉乌苏组、第四系黄土、烧变岩和侏罗系风化基岩地下水,黄陇煤炭基地黄陇—永陇矿区主要监测白垩系地下水,渭北矿区主要监测奥陶系岩溶地下水。通过新建或改造原有水文长观孔,已经建成了由218口监测井构成的陕西境内大型煤炭基地监测网,监测数据采用自动化采集、无线传输与接收和统一管理,基本实现了监测数据的实时动态观测和规范化管理。