自然和人为干扰因素对黄土高原生态环境质量变化的影响

为了识别自然和人为干扰因素对黄土高原生态环境质量变化的影响,以黄土高原为研究区,基于GEE平台和MODIS数据获取区域内2003-2022年的遥感生态指数(RSEI),利用随机森林识别自然因素和人为干扰因素对RSEI变化的驱动作用。结果表明:近20年内,(1)黄土高原的生态环境质量轻微改善,以0.002/a的速率增加,且生态环境质量空间分布总体呈由东南向西北递减的趋势,空间分布异质性较大,整体表现为良;蒙陕矿区和山西矿区大部分区域,以及黄陇矿区和宁东矿区的生态环境质量改善较为明显,占比分别为40.5%、25.7%、14.6%和19.9%,山西矿区和豫西矿区部分区域退化较为明显,占比分别为5.4%和34.3%。(2)黄土高原气温降低和升高区域分别占比46.3%和13.3%,而92.7%区域的降水不变;63.1%的土壤水、58.4%的地表径流和96.6%区域的地下水储量增加;98.5%区域的GDP增加,62.7%和20.9%区域的人口增加和降低,近70%的土地利用类型基本不变,其余区域的地物类型相互转换。(3)黄土高原RSEI改善区域主要受地表径流(占比39.8%)、地下水储量(15.7%)、GDP(13.4%)和气温(12.4%)的影响,退化区域主要受GDP(22.2%)、地表径流(21.3%)、地下水储量(16.4%)、气温(12.5%)和夜间灯光(10.5%)的影响;其次,RSEI改善的煤炭基地主要受地表径流和GDP的影响,退化的煤炭基地受GDP、夜间灯光、地下水储量和气温因素主导。综上所述,近20年内黄土高原生态环境得到改善,生态环境质量变化主要受地下水储量、地表径流、气温、夜间灯光、人口和GDP的影响。

基于GRACE数据评估黄土高原煤炭开采对地下水储量的影响

黄土高原是我国最大的煤炭能源基地,研究煤炭开采与地下水资源消耗之间的关系具有重要意义。首先,基于GRACE/GRACE-FO数据和GLDAS水文模型,反演2006—2020年黄土高原地下水储量变化;其次,结合采煤数据校正GRACE反演结果中因煤炭开采引起的信号干扰;最后,利用ANN模型模拟黄土高原正常水消耗时空变化趋势,并在此基础上分析煤炭开采对地下水储量变化的影响。研究发现:1)扣除煤炭开采干扰后,2006—2020年黄土高原陆地水储量和地下水储量变化趋势分别为-0.53±0.16 cm/year,-0.66±0.08 cm/year;2)估算黄土高原地区,山西省的矿洞排水分别为-0.17±0.03 cm/year,-0.46±0.05 cm/year,表明黄土高原东部的煤炭开采量造成严重地下水流失;3)在空间上,GRACE反演的地下水扣除拟合的正常水消耗后,地下水消耗值严重的区域与采煤区分布一致,表明煤炭开采是黄土高原东部区域地下水储量消耗的主要驱动因素。揭示了煤炭开采对黄土高原水资源的重要影响,可为黄土高原区域的煤炭资源和水资源管理提供指导。

西部黄土高原矿区采煤沉陷多源遥感监测技术进展与展望

西部黄土覆盖区是我国重要的煤炭生产基地,地貌及地质采矿条件复杂,黄土层厚度巨大,开采沉陷具有不同于其它矿区的特殊性,地表下沉速度大,起动距偏小,采动裂缝等非连续破坏更为严重,地表沉陷盆地形状和沉陷变形分布特征更为复杂多变。在当前技术条件下开展地表沉陷的高效监测和定量评价仍面临一定困难。近年来,合成孔径雷达干涉测量(InSAR)、无人机摄影测量(UAV photogrammetry)、激光雷达(LiDAR)等多源遥感技术迅速发展,其具备的非接触式观测、大范围覆盖、高时空分辨率等特点,能够实现地表沉陷连续性、动态性和全面性监测,通过多源观测数据的融合处理,可为西部矿区开采沉陷高效监测提供新的技术途径。综述了多源遥感技术在矿区沉陷监测中的应用进展;通过现场试验探索了InSAR、UAV photogrammetry、LiDAR用于黄土高原矿区沉陷监测的实际效果,发现在地貌复杂、地形起伏和植被覆盖及地表大梯度形变条件下,InSAR干涉失相关和大气延迟等各种误差过大;无人机航测影像构建的三维模型受植被和地形影响导致地面模型的高程精度不足;无人机激光扫描受地形坡度、点云密度和地表点水平移动的综合影响导致显著的DEM模型误差,因而当前条件下多源遥感技术均存在各自的优势、局限性和技术瓶颈。在此基础上,提出了黄土沟壑区地面点云提取及地表三维变形信息获取的算法流程;指出了基于多源遥感数据融合实现矿区沉陷三维位移精准、高效监测的技术路径;展望了构建矿区沉陷多源遥感监测智能化体系的应用前景。

青藏高原多年冻土区露天煤矿边坡地温预测模型研究

为预测青藏高原多年冻土区露天煤矿边坡地温变化,揭示多年冻土分布规律,指导寒区露天矿安全生产,以木里煤田聚乎更矿区露天矿边坡2011—2014年地温监测数据为基础,通过数据的统计与拟合,依据传热学理论建立研究区多年冻土地温预测模型,并利用邻区露天矿冻土地温监测结果与数值模拟对预测模型精度进行验证。研究结果表明:木里煤田聚乎更矿区露天矿边坡季节活动层厚度普遍在5.75~6.59 m,多年冻土下限在63.85~64.35 m,地温年变化深度在11.65~12.25 m;采矿揭露后,边坡表层原生多年冻土演化为3.85~5.65 m季节活动层;坡面季节活动层厚度较原生季节活动层厚度略薄,随着冻融循环周期的递增,其厚度逐渐接近原生厚度;冻土地温变化曲线与简谐波波形线接近。本文所提出的冻土地温预测模型可用于预测青藏高原多年冻土区边坡地温变化,研究结果可为寒区露天矿边坡稳定性研究提供技术支撑。

青藏高原北部成煤地质背景及煤系矿产资源特征

为摸清青藏高原北部煤系矿产资源的种类和分布状况,开展了青藏高原北部成煤地质背景和煤系矿产资源特征研究。通过实地调查、典型样品测试及资料综合分析,总结出青藏高原北部主要成煤时代为早石炭世、晚石炭世、晚二叠世、晚三叠世及早中侏罗世,煤系可划分为昆仑山、积石山、唐古拉山、土门—巴青、昌都—芒康等5个赋煤带;主要的煤系矿产有煤炭、煤系气、天然气水合物、煤中锗镓以及煤系石膏、高岭土、优质灰岩等。在成煤环境、煤化作用、构造演化等的共同作用下,尕马羊曲地区形成煤-煤中锗共生矿床;开心岭—乌丽地区形成煤-煤系气-天然气水合物共生能源矿床;唐古拉山地区的巴贡组(T3bg)、那益雄组(P3n)、杂多群(C1zd)、加卖弄群(C2j)均具有形成煤-煤层气-煤系页岩气共生能源矿床的资源潜力。

高原煤矿井下环境目标海拔高度的确定

通过分析高原煤矿所处环境大气压力、氧分压及氧含量随海拔高度的变化规律,得到高原矿井作业人员的血氧饱和度及最大做功量与海拔高度的关系,确定出不同海拔高度下煤矿工人每天所允许的最大能耗值。对比不同海拔高度下高原养路工的最大做功量,得出高原煤矿工人不超过自身最大能耗值的临界海拔高度,即目标海拔高度。通过理论计算,得出目标海拔高度下的环境参数;从人员的适应性入手,确定目标海拔高度的合理性。研究结果表明:大气压力、氧分压、氧含量、人体血氧饱和度及最大做功量随着海拔高度的增加而降低;高原煤矿工人生产的适宜环境的目标海拔高度为+2 700 m。

黄土高原煤炭开采区水土流失特征的研究

采取野外调查和模拟径流冲刷实验方式 ,探讨了黄土高原煤炭开采区水土流失的特征和规律。黄土高原煤炭开采区水土流失形式复杂多样 ,既与原地貌条件下的水土流失有着天然的联系 ,又有采煤区独特的侵蚀形式。在模拟径流冲刷实验中 ,分析了煤矸石、自燃煤矸石。

黄土高原煤矿区煤矸石中重金属对土壤污染的研究

以黄土高原兰州红古矿区为例,研究煤矸石长期堆积对当地土壤产生的重金属污染.根据红古矿区的地质地形特点,选择合理的采样路线,系统采集矿区内不同开采历史时期的土壤样品,用HCl-HNO3-HF-HClO4消解样品和原子吸收分光光度仪分析矿区土壤中有害重金属元素(Cd,Co,Cr,Cu,Mn,Pb,Zn)的含量,数据处理采用SPSS软件完成.研究表明,红古矿区煤矸石长期堆积、风化淋溶已导致了其周围土壤中重金属的污染和富集,表现为随着煤矸石堆放、风化淋溶时间的延长,矿区土壤中重金属含量基本呈上升趋势,其中Cd,Pb,Zn表现出较强的迁移性.由此可见,矿业开采活动对当地土壤重金属含量有一定的贡献,但不同的重金属元素在矿区土壤中的积累表现出差异性.

接菌对花生耐旱及表型结构的影响——以陕北煤矿区为例

黄土高原煤矿区气候干旱,土质贫瘠,农田产出较低,利用微生物改良土壤与植物生长成为研究的热点。为了探究干旱胁迫下接种丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhiza Fungi,AMF)后土壤水分变化及其对植物表型结构的影响,以花生为研究对象,布设野外盆栽试验,设置干旱和接菌2种试验处理,利用EM50土壤温湿盐监测系统实时监测土壤水分变化情况,并在生长中期利用三维激光扫描技术和CI-690ROOTSNAP根系分析软件系统分别测量冠层和根系表型结构特征。结果表明:(1)干旱胁迫使根系菌根侵染率较正常条件下降62.8%;(2)接菌增强土壤保水作用,不同处理土壤含水率呈AMF>干旱+AMF>CK>干旱的趋势;(3)接菌改变植株冠层结构,AMF处理花生的投影面积、叶片数、叶片总面积、上层平均叶面积和开花数较正常对照处理分别提高6.0%,13.0%,7.5%,13.9%和22.7%,干旱+AMF处理较对照组分别提高37.0%,13.2%,38.0%,26.0%和57.0%;(4)接菌改变根系性状,增加花生较粗根和较细根所占比例,AMF处理的植物根系中根系直径大于0.1和0.08~0.10 mm的根分别占9.38%和18.27%,而对照处理分别占2.7%和13.6%;干旱+AMF处理的植物根系中根系直径大于0.08 mm和小于0.06 mm的根分别占26.7%和25.2%,而干旱对照处理分别占8.1%和15.7%;(5)地下根系表型与地上冠层表型显著相关,总根体积、平均根直径与叶片数呈显著正相关,相关系数分别为0.60和0.66(P<0.01)。干旱降低菌根侵染率,且抑制植物生长;接菌可以缓解干旱的影响,对土壤具有保水作用,并能改善植物冠层和根系结构,促进植物生长。

高原地区煤矿应急救援人员体能训练分析

高原地区煤矿事故应急救援受自然环境影响较大,救援人员需要适应高原反应。本文介绍了高原地区煤矿事故特点及人体在高海拔环境下的生理反应,通过对应急救援人员从海拔400m到3450m体能测试结果分析,找出了适合高原地区煤矿应急救援人员增加体能的训练方法,使应急救援人员耐力及抗缺氧能力得到提高。

基于Meta分析的神府榆采煤塌陷区植被变化研究

采煤塌陷是发生在井采矿区的一种严重的地质灾害。为了定量评估采煤塌陷对植被的影响,在收集有关神府榆采煤塌陷区植被研究文献的基础上,采用Meta方法对现有的20多份研究结果进行了整合分析。结果表明:植被盖度在塌陷发生初期有所下降,塌陷两年后又呈上升的趋势,并超过塌陷前水平。经塌陷干扰后,矿区主要优势种有一些变化,一般而言,地表植物种数在塌陷发生1~2a后有一定程度的增加,且塌陷区新增的植物种多是以沙米(Agriophyllum squarrosum(Linn.)Moq.)、角蒿(Incarvillea sinensis Lam.)等为主的短命或类短命荒漠植物。塌陷区植被变化特征展示了自然恢复在植被建设中的重要作用。神府榆矿区,以至黄土高原的生态建设需要采取自然修复为主与人工修复相辅的方式整体推进。

黄土高原丘陵沟壑区露天煤矿复垦地生态修复的水土保持效应研究

采用美国通用水土流失方程(USLE)对研究区各个生态修复模式的土壤水力侵蚀情况进行分析,即应用USLE方程对不同土地利用类型的现实侵蚀量和潜在侵蚀量分别进行估算。研究表明,研究区不同生态修复模式下土壤保持功能为乔灌混交林(11731.364t/km2.a)>人工牧草(11641.637t/km2.a)>灌木(11331.044t/km2.a)>林地(11296.534t/km2.a)>荒草地(9709.049t/km2.a);进一步运用SPSS对研究区土壤侵蚀模数与植被覆盖度非线性模型进行预测,研究区土壤侵蚀模数与植被覆盖度之间的方程式为:Y=5773.04-1262.4Lnx。

高原沟壑地区煤层开采地表变形监测与数据处理

文章以唐家会煤矿61101首采工作面地表移动变形监测系统为例,介绍了高原沟壑地区特厚煤层开采时常规地表移动观测站和实时监测站的测点埋设方法、外业观测和数据处理方法及数据的质量评价,利用实测数据获得了地表移动变形的基本参数及概率积分法的5个预计参数;利用1d的实测数据对实时监测站的内符合精度进行了分析。结果表明:该地表移动变形监测系统所测定变形量的平面精度在±4.0～±5.0mm之间,平均为±4.3mm;高程精度在±5.0～±7.0mm之间,平均为±6.0mm,完全满足开采沉陷监测的精度要求。以最大下沉速度为例的分析结果表明,当实时监测站作为常规观测站的补充时,可以获取更准确的地表移动变形基本参数。

正定矩阵因子模型解析鄂尔多斯高原煤矿土壤重金属来源

为实现高原采煤矿区土壤重金属的源贡献程度的定量化,以研究区表层土壤为研究对象,利用正定矩阵因子模型(positive definite matrix factor,PMF)解析土壤重金属的来源。结果表明:各元素平均质量浓度均低于农用地土壤污染风险管控标准,其中Hg、V、Cr、Cu、Zn、Cd、Pb是内蒙古土壤背景值的33.20、1.41、1.42、2.83、3.57、2.96和1.48倍。土壤重金属累积主要受煤炭开采、化石燃料燃烧、大气交通的影响,相对贡献率分别为23.3%、42.4%、34.3%。另外,将PMF模型与地统计空间分析结合,可以进一步明确贡献源的分布情况,对于采煤矿区土壤重金属污染治理具有实际意义。

渭北矿区土壤侵蚀评估及驱动因素分析

陕西省渭北矿区地处黄土高原,受到自然环境和煤炭开采等人类活动的双重影响,该地区土壤侵蚀更为严重,生态环境更加脆弱。以渭北矿区为研究对象,基于RUSLE模型对渭北矿区土壤侵蚀进行了评估,并综合植被覆盖度、多年平均降水量、坡度、土地利用类型和煤炭年产量等影响因子,应用地理探测器方法对渭北矿区土壤侵蚀进行定量归因。研究结果对矿区水土流失防治具有一定参考价值。结果表明:(1)渭北矿区土壤侵蚀以微度和轻度侵蚀为主,土壤侵蚀严重的区域主要位于研究区西南部、中部和东南部。(2)植被覆盖度和多年平均降水量是造成研究区土壤侵蚀的主导因子,坡度介于20°~25°的地区、植被覆盖度小于0.3的区域和裸地是发生土壤侵蚀的高风险区。(3)渭北矿区各因子协同作用对土壤侵蚀的解释力均大于单因子解释力,因此多个因子共同作用会对土壤侵蚀造成显著影响。

基于InSAR识别的黄土高原活动性地质灾害发育规律分析

地震、降雨、人类工程活动诱发的活动性地质灾害在黄土高原频现,但由于其地域广阔、构造活跃、地貌类型多样、各地黄土特性差异较大,一直以来缺乏活动性地质灾害发育分布的系统认识。InSAR技术具有大范围观测地表变形的能力,文章利用2019年1月1日至2020年3月31日期间40期Sentinal-1 SAR数据,计算了整个黄土高原62.46×10^(4) km^(2)的地表变形,辅助地貌和光学影像特征,解译了4类活动性地质灾害,共解译出活动性地质灾害3286处,其中滑坡1135处、采矿塌陷1691处、沉降368处、堆填变形体92处,同时对其活动发育规律进行了分析。黄土高原活动性地质灾害主要分布在八大区域,包括四大滑坡发育区、三大采矿塌陷分布区和一个沉降灾害分布区。活动性滑坡在空间分布上具有显著的区域性和丛集性,主要分布在中西部,滑坡体的发育密度与地形地貌有一定联系;采矿塌陷和地面沉降分布在中东部,密集且成群发育。地质灾害发育具有明显的时空发生规律,区域尺度上,地质灾害的发育密集程度受地形地貌和矿产资源的控制;灾害规模上,InSAR识别的灾害规模都为中型以上,与传统统计手段有一定差别。InSAR的识别结果客观反映了黄土高原地质灾害的分布规律。同时,InSAR技术能够有效监测到地下采煤诱发的地表破坏的分布、范围和强度以及露天采煤矿坑深度和范围的扩展,进而推断煤业生产活动强度。

黄土高原采煤塌陷区村落搬迁选址的地理适宜度评价

村庄下压煤多采取房屋搬迁方式来实现安全开采。煤矿村落选址区的地理适宜度受诸多自然和人文社会因素的影响,目前缺乏普遍适用的评价方法。文中针对黄土矿区复杂的地理环境和采煤沉陷特征,选取黄土沟壑区地面坡度、坡向、地表水和地下水源等自然地理指标以及交通便捷性、耕作半径等社会经济指标作为主要影响因子,将各指标划分为3个等级,确定相应的评价标准,采用专家打分及层次分析法计算各指标相应权重,构建黄土高原矿区村落迁址的地理适宜性评价模型。为验证模型的适用性,以陕西某矿塌陷区的村落迁址为例,基于ArcGIS的叠加分析功能,提取各指标等级对应区域,并按评价模型的对应指标权重进行叠加,得到矿区地理适宜度的综合评价分布图;对采煤塌陷区内的建筑面积进行统计,结合评价图分析并确定村落搬迁的最佳选址位置。结果表明,该模型在黄土高原煤矿塌陷区村落迁址中具有较好的适用性,可为煤矿塌陷区村落迁址规划提供技术支持。

高原型煤矿班组安全建设关键措施研究

班组安全建设是"双基"建设的主要对象,是保证矿井安全生产的基础建设。不同类型的煤矿班组安全建设需要考虑的因素和技术方法差异较大,高原型煤矿具有特殊的人文、地理、工作环境等,其班组安全建设需结合这些因素从保障安全角度开展。本文以高原型煤矿--大煤沟煤矿为研究对象,从工人身体(生理)、心理、工作(行为)3个方面对班组安全建设提出关键措施:身体建设方面提出高原体检重点项目;心理建设方面设计了针对大煤沟煤矿特点的心理测试问卷;工作建设方面采用层次分析法对影响班组事故发生的因素进行权重分析,分析结果可为班组事故预防提供重点,同时采用层次分析法和灰色关联度分析法相结合的方法对班组长候选人的能力进行量化考核,为选拔班组长提供科学依据。

黄土高原村庄下条带开采技术研究

介绍了村庄下压煤开采技术和技术途径,以辛置矿为例,分析了村庄下条带开采技术及其经济效益和社会效益。

高原高寒露天煤矿区土壤重金属污染及潜在生态风险评价

高原高寒露天煤矿区周边土壤重金属的含量及污染状况,与生态环境修复治理方案的制定密切相关。以青海省木里露天煤矿区周边土壤为研究对象,采集矿坑周边土壤和矿坑外围未受人为扰动和污染的草甸土壤样品共计54个,分析各土壤中重金属的含量及分布特征,运用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地质累积指数法及潜在生态风险指数法对矿坑周边土壤重金属的污染程度和潜在生态风险进行综合评价。研究结果表明,各矿坑周边土壤重金属含量与背景值差异并不明显,仅Zn、Cd、Pb、Cr和Hg的平均含量高于背景值。矿区土壤重金属单因子污染指数总体表现为P_(Pb)>P_(Hg)=P_(Cr)>P_(Cd)>P_(Zn)>P_(Cu)>P_(Ni)>P_(As),在清洁安全范围内。内梅罗综合污染指数在0.55-2.52,平均值为1.39,属于轻度污染,局部处于清洁、警戒线和中度状态。所有重金属地质累积指数平均值均为负值,污染级别为0级。重金属单项潜在生态风险程度从高到低依次表现为Hg>Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn,综合潜在风险生态指数平均值为110.38,以轻微风险为主。矿区周边土壤中Cu与Cr、Pb、Cd、Zn,Cr与Zn、Cd、Pb、Ni,Zn与Cd之间相关性显著,在空间分布上相互依存,具有相对专一的来源。总体来看,除了局部有轻度污染的迹象,矿区周边土壤并未受到重金属污染,但是Hg和As对露天开采、矸石堆积等人类活动表现敏感,在后期生态环境监测与修复治理过程中应予以重点关注。