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《浙江大学》 2009年
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煤炭资源开发过程中矿区水土流失动态模拟研究

倪含斌  
【摘要】: 水土流失是目前全球瞩目的环境问题之一。大规模资源集中开采和相应工程建设引起的人为加速水土流失问题是当前水土流失研究中的关键内容,已经引起各国政府部门和专家学者的广泛重视。本论文所选研究区——神府东胜矿区位于黄土高原风蚀水蚀交错带是典型的生态环境脆弱区,是全国重要的能源基地。随着煤炭资源开采,矿区的生态环境发生重大的改变,特别是扰动地表物质的堆积弃土与裸露基岩在当地特殊的气象水文条件下极易发生加速侵蚀,产生了一系列严重的环境问题。原本脆弱的生态环境变得更加脆弱,严重制约了矿区安全生产与可持续发展。 本研究在对矿区1990年以来的整体环境进行广泛调查研究的基础上,基本了解了煤炭资源开采对于矿区带来的环境改变状况,并针对矿区物质组成与基岩分布的实际情况,利用模拟降雨技术、模拟风化试验技术,结合GIS技术,分别有选择性地对矿区原状未扰动坡地、不同堆积年限矿区弃土堆积物进行模拟降雨试验,选择裸露基岩(砒砂岩)进行室内模拟风化试验,并在矿区范围内选择包括了弃土堆积物、原状土、砒砂岩等矿区典型的地表物质组成的六道沟小流域进行矿区水土流失预测模型研究。通过本项目的研究,掌握弃土堆积物土壤自然恢复的规律可以为矿区水土流失治理和复垦研究提供新的方法和措施。一方面为神府东胜矿区水土流失治理提供技术支持,可以有效提高水土流失治理效率,另一方面为我国矿区水土流失治理研究提供理论依据,对矿区的可持续发展具有实际指导意义。 本文的工作成果和主要结论如下: 1)矿区开发导致地表剧烈扰动,地表物质经搬离而重新堆积,新堆积弃土石碴结构疏松,入渗率要明显高于原状土,达到稳定入渗时间要比原状土长,但一旦产流,则侵蚀非常严重。在高强度降雨时,土壤侵蚀加剧,较原状土有近10倍的增加,如果不采取必要措施,将会严重影响当地的生态环境。 2)不同年限弃土具有明显不同的抗侵蚀能力;随着堆积年限的增加,弃土的植被覆盖和抗侵蚀能力都有较明显的提高;弃土年限超过7年的土壤植被和抗侵蚀能力有较好恢复,超过10年的堆积弃土基本达到原状土土壤环境水平。对于有效控制矿区扰动弃土的土壤侵蚀,主要在于提高其压实性,恢复其原来的结构特征,另外,增加植被覆盖度及加快其恢复速度也可以有效减少土壤侵蚀。 3)存在生物结皮区径流量要大于同等降雨条件下的无生物结皮区,并且生物结皮覆盖度越大其径流产生量越大。存在生物结皮区的同期径流含沙量累计产沙量要比无生物结皮区要小。说明生物结皮具有很好的抗侵蚀作用。 4)砒砂岩区的侵蚀产沙过程与岩石风化过程密切相关。在不考虑风蚀影响的情况下,影响砒砂岩风化速率的主要因素有岩性(矿物组成、孔隙特征、胶结物等)、处理条件、冻融周期等因素。不同岩性的砂岩在同样处理条件下具有不同风化速率。溶液浸泡可以减缓砒砂岩风化,在不同的冻融环境里其影响程度不尽相同。 5)岩石的室内温控冻融风化模拟试验,风化速率远远小于实地的风化速率,这也间接证实在岩石的风化过程中,风或者其它因素的作用远远大于冻融作用;室内浸泡与无浸泡两种岩石风化试验结果也表明,在神府东胜煤矿区岩石的风化过程中风或其它因素的作用远远大于水的作用。 6)通过野外降雨试验模拟发现矿区堆积弃土堆积物中新近弃土侵蚀剧烈,单场降雨侵蚀模数比类似原状土坡地的侵蚀模数增加10倍多,侵蚀产沙最大。在相同条件下,降雨强度越大,侵蚀模数越大。在风沙土坡地,一旦产生径流,则含沙量很大,且沟谷的形成过程为垂直渗流—坡地潜流—崩塌。模拟结果表明水土流失具有明显空间差异性,发现侵蚀最严重的地方主要是坡度为25度的沙黄土坡地。 本文的主要创新点为: 1)通过对矿区开发以来历年弃土堆积物进行设定雨强下的模拟降雨试验,获得了矿区土壤自破坏后堆积状态下进行自然恢复下的侵蚀产流产沙规律,为深入研究矿区开发以来扰动土壤水土流失动态发展趋势提供新的思路。 2)在岩石风化试验研究中,分析研究手段方面,在总结当前研究现状的基础上,有了较大的突破和创新,一改过去采用单一的冻融分析、温度变化分析、化学过程分析的方法。首次提出了结合X衍射分析技术,根据当地环境的特征,采用冻融、温控和不同水化学环境相结合的风化模拟方法。通过不同的试验环境下岩石风化过程的比较分析,对定性、定量研究影响砒砂岩风化因素具有重要的科学意义。 3)利用ArcGIS 8.3、Mapinfo 7.0等软件,结合生态学原理,将土壤侵蚀预测落实到生态地形单元上,经过对各种生态地形单元进行野外降雨试验,获得相应的侵蚀模数。经过对各生态单元内影响土壤侵蚀的各环境要素进行权重分析,应用组合数学原理进行整个小流域的水土流失预测预报。并通过在六道沟流域进行人工降雨模拟试验,模型得到证明。水土流失生态预报模型能够准确反映土壤水蚀的空间差异性。在坡度较陡,地形破碎,暴雨频发的黄土高原,此模型可以得到较好的应用。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:S157

【引证文献】
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【同被引文献】
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5 李瑞俊;山东沂沐泗流域土壤侵蚀经济损失评估及对策研究[D];山东师范大学;2005年
6 杜丽平;基于GIS的淮河流域伏牛山区土壤侵蚀研究[D];郑州大学;2010年
7 李巍岳;基于RS与GIS的区域景观格局与土壤侵蚀的关系研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
8 张伟;基于分布式存储的移动GIS技术与应用研究[D];解放军信息工程大学;2010年
9 黄仪;基于GIS的宝安区收地拆迁管理信息系统研发[D];江西理工大学;2010年
10 詹伟;基于GIS技术的县级国土资源管理系统的开发与设计[D];电子科技大学;2010年
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