荒漠矿区关键环境要素的监测与采动影响规律研究

为研究地下煤炭开采对荒漠区脆弱环境的影响规律,选择植被、水体(土壤水、包气带水、地下水)作为荒漠矿区的关键环境要素,以具有代表性的神东矿区为研究区域,集RS、GIS、GPR、现场调查等多种技术手段,多尺度监测研究关键环境要素的时空演变规律,并在监测技术与采动影响规律方面取得了以下成果:在宏观尺度上,利用MODIS-NDVI(250m/km)实现了区域植被的2000—2005期间的月际时序监测分析,以及与气温、降水等气象因素的关联分析。结果表明,研究区植被仍具有明显的物候年周期性,植被与气象因素具有明显的相关性,其中植被对降水变化的响应最为敏感。总体来讲,矿区植被呈现出区域性变化,近年来开展的生态建设影响,使得植被有明显好转,空间变异性增强。然而小尺度的植被现场调查与Landsat-NDVI监测表明,地下开采导致了部分矿井采区植被相对非采区小幅下降。为解释采矿对植被的影响规律,对矿区浅层土壤含水率进行了遥感定量反演。研究表明,相对于土壤反射率、土壤湿度、地形湿度指数,土壤含水率与表观热惯量之间具有更加显著的相关性。通过改进的土壤温度预测模型,建立了适用于TM或ETM+的土壤温差转换模型。利用该模型能更准确地提取任意深度的土壤温差信息,这比单纯利用MODIS影像能提取更高分辨率的表观热惯量。改进后的表观热惯量与10cm埋深土壤含水率的R2由0.264提高到了0.789。从而实现了基于表观热惯量法与TM/ETM+、MODIS影像相结合的土壤含水率高分辨率反演。反演结果与现场调查一致发现,受地表沉陷影响,采区土壤含水率均略偏小于非采区,该现象在风沙区更加明显。对补连塔工作面上方地下水采前、采中、采后的长期观测表明,采矿对地下水具有显著的负面影响,且采后地下水的恢复过程缓慢。但是,该工作面上方植被并没有明显衰退,其原因在于,通过探地雷达(GPR)对包气带土壤含水的垂向分布研究给出了风积沙区地下水的临界作用埋深为8m,而该工作面的初始水位(约30m)埋深远远大于临界埋深。因此,采后地下水位大幅降低并不会引起地表植被生长的明显变化。此外,结合GPR与开采沉陷预计理论对沉陷变形影响下的包气带土壤含水的横向分布规律进行了分区研究,分析了土壤压缩、拉伸变形对包气带土壤含水分布的影响规律,指出今后沉陷变形区土壤特性的实验研究应分区进行。最后,根据对矿区植被、水体的地空一体化监测结果,给出了植被与土壤水的负倒数关系模型,地下水与土壤含水、植被的指数关系模型,以及地下水深埋区植被受采动影响的判别模型,并提出了适用于荒漠矿区资源环境协调开采的建议与措施。

干旱和半干旱荒漠矿区环境问题与治理对策

介绍了我国西部干旱和半干旱荒漠地区的煤炭在长期的开发活动中引发的一系列的环境问题。通过对这些问题的分析,提出了系统性、持续性的环境保护对策,以使荒漠矿区的环境得到持续性改善,实现可持续发展。

荒漠化矿区土壤碳排放高光谱遥感反演

随着我国“碳达峰、碳中和”政策的提出,矿区碳排放成为关注焦点,然而目前缺少矿区土壤碳排放高光谱遥感探测的有效方法。基于矿区实测土壤样品,将6种光谱数学变换方法(R、■、Log(1/R)、1st、MSC、SNV)与光谱特征筛选方法(CC-SPA)相结合,探究新疆红沙泉露天煤矿不同土地利用类型土壤碳排放的高光谱响应特征;结合土壤温度(ST)、土壤湿度(SM)及6种光谱指数(NDVI、RVI、NGLI、SMMI、SI-T、ATI),利用偏最小二乘(PLSR)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、遗传优化神经网络(GA-BP)算法得到土壤碳排放最优遥感反演模型。主要结论如下:(1)自然条件下非采矿影响区土壤反射率明显高于采矿影响区,其中南线受煤炭开采影响最大,反射率最低,证明采矿活动对矿区土壤产生了影响;(2)光谱特征筛选方面,基于相关系数-连续投影算法(CC-SPA)提取的碳排放特征波段数远小于单一方法,且筛选结果呈现聚集式分布,主要集中于1600~2200 nm波长范围内,白天特征波段数远高于夜晚,相较于白天,夜晚特征波段具有明显向长波移动的特征。(3)添加基于反射率构建的光谱指数及ST、SM的反演模型估测土壤碳排放速率的精度明显提升,基于一阶微分变换(1st)的支持向量机模型(SVM)模型反演矿区综合土地利用类型土壤碳排放效果最好(验证集R2=0.813、RMSE=0.116);5种不同土地利用类型土壤碳排放最佳指数组合方式存在差异,引入不同的光谱指数对土壤碳排放速率的估测精度均有不同程度的提升(验证集R2均在0.8以上),其土壤碳排放最优反演模型均可较为准确地估算红沙泉矿区不同土地利用类型土壤的碳排放速率。本研究可为荒漠化矿区土壤碳排放遥感反演提供依据,定量识别不同土地利用类型下土壤的碳源汇效应,并实现了矿区碳排放的无损探测,为我国“30·60”双碳目标提供数据支撑。

荒漠化矿区地下采矿对地表土壤湿度的影响

为探索煤炭地下开采是否对地表土壤湿度产生影响,以典型的荒漠化矿区神东矿区为研究对象,在构建土壤湿度监测指数和尺度化土壤湿度监测指数的基础上,通过消除遥感数据时相差异的影响,基于矿区两期遥感影像数据,反演得到研究区土壤湿度分布图,从矿井尺度上分析地下煤炭开采对神东矿区9个矿井的地表土壤湿度的影响,并利用实地调查土壤湿度数据对其进行验证。结果表明:地下煤炭开采活动对大柳塔、活鸡兔、锦界、榆家梁、石圪台、补连塔等矿井浅层土壤湿度产生了负面影响,导致采区土壤湿度小于非采区,与实地调查结果相吻合;上湾-尔林兔、乌兰木伦、哈拉沟矿井浅层土壤湿度并未受到地下采煤活动的显著影响。实践表明,开展植被建设、加强矿井水的循环利用等手段可以部分消除采矿活动的负面影响。

保水剂与鼠李糖脂联合吸附荒漠矿区土壤Cd的效率研究

应用环境友好型材料吸附重金属是当前土壤污染治理研究的热点之一。采用单因素试验法和正交试验法,探究了绿色环保高分子材料-保水剂和生物表面活性剂鼠李糖脂联合吸附高盐碱性土壤中的Cd^(2+)。试验结果表明:两种材料联合作用的吸附率大于单一材料的吸附率,温度为45℃时,Cd^(2+)吸附率达到98%;吸附的最佳时间为3 h;碱性条件下,两者联合吸附Cd^(2+)的效率更高;随着鼠李糖脂浓度的增加,Cd^(2+)的吸附率先降低后增加,当在浓度达到2 g/L时,吸附率最大;水土比为5∶1时,Cd^(2+)的吸附率最高达到99%;保水剂用量的增加会使吸附率增高,当达到饱和后,吸附率在一定范围内趋于稳定。正交试验表明,对Cd^(2+)吸附率影响最大的因素为鼠李糖脂的浓度,其余依次为pH值、时间、保水剂用量。最佳的吸附组合设计为:保水剂用量0.05 g,鼠李糖脂浓度1 g/L,时间9 h,pH值10。试验的结果为干旱荒漠矿区实施土壤修复和生态修复提供了新思路。

基于Sentinel-2的荒漠化矿区生态环境监测

随着我国能源战略西移,西部荒漠化地区正成为重要的煤炭生产基地。快速准确地获取矿区生态环境信息,为绿色矿山及区域生态文明建设提供数据支撑,成为当前迫切需要解决的关键问题之一。以榆林某矿区为研究范围,基于当前空间分辨率较高的民用卫星Sentinel-2数据,通过波段运算、缨帽变换等方法,提取研究区土壤亮度指数(SBI)、植被绿度指数(GVI)、湿度指数(WET)等生态环境因子,选择综合指数法计算遥感生态指数(RSEI),监测研究区2016—2019年的生态环境质量变化。研究结果表明该矿区的RSEI值较低,总体生态环境质量较差;矿山建设与开发导致局部地区生态环境出现退化,需要在绿色矿山建设中采取有针对性的措施,减少土地损害,提升矿区植被覆盖度。所提出的信息提取方法及评价模型方便快捷,可以为大范围的矿区可持续发展提供有效的技术支撑。

干旱荒漠化矿区GPS反射信号土壤湿度反演

采用GPS信号反演土壤湿度具有重要的科学研究意义。对于干旱荒漠化矿区地表大多为裸地或低植被覆盖条件,适宜于土壤湿度的遥感。本文探讨了利用GPS信号反演土壤湿度的理论和方法,在分析荒漠化矿区地表特点的基础上,讨论了在荒漠化矿区利用GPS信号反演土壤湿度的可行性。

荒漠地区厂矿企业总图设计

结合工程实例,介绍了荒漠地区厂矿企业总图设计要点。就总平面布置、竖向设计、道路设计、防风固沙、生态保护等方面进行了分析,并提出了相应的技术措施,供荒漠地区厂矿企业总图设计参考。

沙金矿废弃矿区林业复垦树种选择

沙金矿废弃矿区．由于森林植被被破坏，水土流失严重，形成矿区荒漠化。本文提出选择沙棘树种．作为林业复垦的选择树种。通过实残，收到理想效果。

蒙脱石驱动的半干旱荒漠化矿区藻结皮快速形成及机制

半干旱区矿产资源的开发利用导致土地生态严重退化.自然状态下,退化地表能在数千年内形成生物结皮,恢复地表生态.为了短期内稳固表土,提出构建藻-黏土型人工结皮,即混合具鞘微鞘藻和蒙脱石制备匀浆,并接种至沙表而成.结果表明,最佳改良组(M500)盖度高达98.7%,厚度高达4.48 mm,叶绿素a含量提高至M0的4.8倍,叶绿素荧光参数Fv/Fm提升至0.21.因此,蒙脱石有效缩短了藻结皮的构建周期,提高了藻结皮的稳定性.该方法为退化地表修复提供了新型治理手段,对半干旱矿区荒漠化治理具有重要意义.

红沙泉露天煤矿土壤盐渍化遥感监测

地处我国西部荒漠化地区的红沙泉露天煤矿是我国重要的煤炭生产基地之一,而盐渍化问题是影响该地区生态环境的重要因素。利用Landsat(30 m)、Sentinel-2(10 m)及无人机(0.188 m)多光谱影像计算红沙泉矿区10个盐渍化指数,与实测电导率进行相关性分析,根据相关系数选出最优指数,并利用该指数、梯度结构相似度指数(Gradient-based Structural Similarity,GSSIM)及一元线性回归法监测研究区土壤盐渍化动态变化状况。结果表明:①实测土壤EC与UAV、Landsat和Sentinel-2计算出的S3指数的相关系数分别为0.703、0.665和0.723(P<0.01),其稳定性优于其他9个指数,最适于监测研究区土壤盐渍化。②从S3指数的时空分布以及转移来看,未采矿前(1988—2006年)非盐渍化区域零散分布在研究区东部和北部,重度盐渍化区域主要分布在研究区南部,2种类型相对稳定,转移量较少,而轻度盐渍化土壤转移量最大(约92.37 km^(2)),在2006年尤为明显。开采初期(2006—2010年),露天矿坑内的非盐渍化区域增加,且轻度、中度和重度盐渍土主要转移为非、轻度、中度盐渍化土壤。随开采加剧(2010—2020年),重度盐渍化区域在矿区排土场增加较为明显,非盐渍化区域随矿坑的开采与阶梯处土壤长期堆积,在矿坑内部呈现先增加后减少的趋势。整体上,盐渍化土壤向非盐渍化土壤的转移量(6.51 km^(2))小于非盐渍化土壤向盐渍化土壤的转移量(约24.70 km^(2)),土壤盐渍化呈加重状态。③GSSIM监测结果表明,1988—2006年(采矿前)突变区主要分布在研究区中、北部,且零散分布在中变区周围,而低变区大面积分布在研究区中;2006—2010年(采矿初期),突变区向北转移,且低、中和突变区的S3指数均以减少为主。矿坑开采加重的2010—2020年(采矿加剧)研究区突变区大幅度增加(增加7.10%),且集中分布在矿坑周围,表明矿坑内盐度发生了明显变化。1988—2020年,低、中和突变区分别占25.02%、38.52%和36.47%,且突变区集中在矿坑和电厂周围。分析地物与GSSIM影像可知,地表被水泥和煤矿覆盖的区域会导致盐渍化减轻,而排土场和未开采的风沙堆积地区可能会造成盐渍化加重。对比Slope影像可知,GSSIM突变区中变区在矿坑周围与Slope影像中显著不显著变化位置相对应,说明GSSIM可以定量分析盐渍化的时空变化规律。

煤矿井下风积沙箱式充填体侧向约束机理数值研究

针对新疆荒漠化矿区充填材料问题,提出了风积沙箱式网箱充填技术,并利用PFC3D-FLAC3D软件探究风积沙箱式充填体的侧向约束调控机制.主要研究结论如下:(1)对网箱施加振动荷载,3 s时正方体网箱风积沙压实量是圆柱体网箱的2.78倍;(2)随着网箱尺寸的增加,圆柱体网箱风积沙压实量不断减少,5 cm网箱中风积沙压实量是6cm的12.87倍;(3)随着网箱强度的增加,不同类型网箱中风积沙压实量都在不同程度的减小,振动荷载为3 s时,5 cm圆柱体网箱风积沙压实量减小幅度为30%.

基于梯度结构相似度的矿区土壤湿度空间分析

基于中国蒙、陕、晋三省区的神东矿区2000至2015年成像光谱仪数据,双抛物线型归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）和地表辐射温度（land surface temperature,Ts）（记为NDVITs）特征空间的温度植被干旱指数法计量地表土壤湿度,采用梯度结构相似度法定量分析研究区土壤湿度的时空分布特征。结果表明：神东矿区土壤湿度变化具有明显时空分布异质性,空间上,矿区土壤湿度表现出从西北部向东南部逐渐增加的规律,干旱区域由2000年的96.03%下降到2015年的59.59%;矿区60.05%的区域的土壤湿度发生了突变,其中49.87%区域地表植被覆盖得到明显改善,土壤湿度得到明显提高;35.18%的区域的土壤湿度发生了变化,其中28.13%区域地表植被覆盖有所改善,土壤湿度有所增加;仅有4.77%的区域的土壤湿度没有发生改变。进一步分析表明,地表土壤湿度的时空分布特征受区域地貌类型和下垫面覆盖影响较大。