矿山环境生态修复_关于风积沙区土地生态损伤自修复能力评价方法的研究

  本文关键词：生态环境的自修复，由笔耕文化传播整理发布。

关于风积沙区土地生态损伤自修复能力评价方法的研究

2015-12-24 09:42:21 中国安装信息网

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作者：曹健国

    矿区生态环境的自修复是揩采矿驱动力在对地表生态环境造成损伤的过程中，自动修复部分生态损伤的现象和过程。煤炭资源的开发不可避免地对土地生态环境造成损伤，随着能源战略西移，煤炭开采对西部脆弱的土地生态环境的损伤日趋严重。在以往实践中，常常采取工程技术措施对采煤沉陷损伤区域加以修复并取得了一定效果，然而在生态脆弱的风积沙矿区，人工修复对生态环境可能造成二次破坏的不确定性以及修复措施的投入与产出等问题促使人们考虑通过自然营力、采煤驱动力等使采煤沉陷损伤区域实现自修复。本文基于野外观测结果，对研究区土地生态损伤自修复能力进行评价，为减少人工修复对矿区的扰动及降低生态修复成本提供理论参考。

1  研究区概况

    研究区位于山西、陕西、内蒙古交界的风积沙煤矿区，矿区地表以盖沙黄土为主，因遭到沙漠多次侵扰，地表覆盖较厚风积沙层，生态环境较为脆弱。矿区工作面开采尺寸较大（长度约为300 m，推进距离大于2000 m），属于超大工作面，推进速度较快，开采强度大、效率高。选择该矿区某超大工作面进行研究，该工作面开采1-2煤，全长约为3500 m，工作面宽度为300.5 m，平均煤层厚度为4. 81 m，倾角为1。～3。，属层状构造，条带结构，

煤层稳定。煤层埋深约为200 m，采用一次性采全高、综采放顶煤开采，全部跨落法管理顶板，日进尺量约为10 m，具有典型的高强度开采特征。

2评价模型

    风积沙区煤炭开采造成的土地生态损伤主要为无积水塌陷盆地以及地裂缝和附加坡度等微地形变化，针对此特点按照附加坡度将采空区某段分为上坡、中坡和下坡进行研究。因此，可选取某段工作面将其按上坡、中坡和下坡划分为3个评价单元，以地形及土壤特性作为土地生态损伤自修复能力评价指标，通过对不同开采时序评价指标演变特征的研究，，对各评价单元进行自修复能力评价，得出不同时序各单元土地生态环境与原始背景值的变异程

度，确定各单元是否具备自修复能力。利用各单元评价结果推算区域整体自修复能力，得出具有自修复能力的分布范围。根据评价目的采用综合指数法数学模型进行评价，该模型可体现各评价指标之间的相互作用及其对受损土地生态环境质量的综合影响，计算结果能较为直观地反映评价指标总体特征。

2 1  指标体系构建

    评价指标应能表征煤炭开采活动引起的受损土地质量变化。选择评价指标时主要考虑反映煤炭开采活动的地貌地形变化和土壤特性的因素。具体指标体系见表1。

2.2  评价体系构建

    由于反映土壤特性指标的绝对值相对较低，属贫瘠土壤，《农用地质量分等规程》和《土地复垦方案编制规程》中等级划分的部分准则较难区分该区域土地生态环境的演变程度，而评价的重点是探讨受损土地是否具备自修复能力，并确定土地受损后状态与原始状态的相似程度，并依次确定具备自修复能力的土地范围。依据土地受损后各评价指标与原始值之间的相对值占原始值的比例，基于层次分析法和德尔菲法进行分级赋值。

2. 2.1  评价体系的等级分级原则

    (l)附加坡度等级划分。依据《土地复垦方案编制规程》中采煤塌陷土地旱地损毁程度分级参考标准，附加坡度分为3个等级：1级附加坡度O～0.6；2级附加坡度0.6～1.2；3级附加坡度≥1.2。

    (2)地裂缝等级划分。风积沙区动态裂缝留存时间较短，边缘裂缝则长期存在，为体现地裂缝对土地的损伤程度，以土地原始状态作为参考值，无地裂缝时参考值为o，作为最高等级的指标值，以裂缝宽度总和的最大值作为最低等级的指标值，实测最大值为191. 25 mm，划分为5个等级，梯度值定为48 mm，其中5级时裂缝宽度≥192 mm。

    (3)土壤特性指标等级划分。同样以土地原始状态作为参考值，以每个指标最大变化幅度f作为最低等级指标值，划分为5个等级，等级梯度值为f/4，其中大部分指标为效益型指标，即开采对其产生负面影响，而土壤孔隙度、PH等指标为非效益型指标。

2.2.2  评价指标赋值的原则与方法

    评价指标赋值应遵循如下原则：基于指标与受损土地生态环境相关研究确定分值；分值与土地生态环境的优劣呈正相关；分值体系采用0～100分的封闭区间体系。

    (l)附加坡度分级赋值。1级影响不明显，分值为100～90分（无附加坡度取值为100分）；2级影响较明显，分值为75分；3级影响明显，分值为50分。

    (2)裂缝宽度分级赋值。1级宽度为0～48mm，破坏不明显，分值为90分；2级宽度为48～96 mm，破坏较明显，分值为80分；3级宽度为96～144 mm，破坏明显，分值为70分；4级宽度为144—192 mm，破坏显著，分值为50分；5级宽度≥192 mm，破坏极显著，分值为30分。

    (3)土壤特性分级赋值。1级基本无影响且与原始背景值基本无差异，分值90分；2级影响比较小且与原始背景值有差异，但差异比较小，分值80分；3级影响较明显且与原始背景值差异较为明显，分值70分；4级影响明显且与原始背景差异显著，分值60分；5级影响极明显且与原始背景差异显著，分值50分。根据对土壤理化指标的测定，各指标最大变化幅值为：速效磷36.42%，速效钾18%，有机质32%，PH6. 21%，全氮10. 83%，容重9%，孔隙度12. 84%，含水量19%。等级划分与赋值情况见表2。

2.2.3  评价模型计算

    运用综合指数法模型进行评价单元土地生态环境自修复能力的综合判读，并以此评价结果对评价对象的土地生态环境自修复能力进行分析研究。其计算公式如下：

式中：Q-受损土地生态环境自修复能力综合分值；

    根据所得分值，按照等间距法将各评价单元的土地生态环境自修复能力进行分级。分级情况为：自修复能力分值≥90分，具有明显的自修复能力；自修复能力分值80～90分，具有自修复能力；自修复能力分值<80分，不具有自修复能力。

2.3指标权重及研究范围的确定

    综合运用层次分析法和德尔菲法确定指标权重，赋值情况见表3。评价单元分布如图1所示。

    采样条带在距离开切眼350～390 m的范围内，而下坡、中坡和上坡采样点距离工作面走向中心线40 m、80 m和120 m。

    注：裂缝宽度为评价单元内表征较明显的地裂缝的最大宽度总和，评价指标权重矩阵的一致性检验：CI<O.1，判断矩阵可以接受

2.4评价单元的赋值与计算

    利用评价区域实测数据，根据上述分级标准及赋值原则，对塌陷初期、3个月、5个月和7个月评价单元的各指标进行赋值计算，可得各评价单元自修复能力分值，结果如图2所示。

    由图2可知，工作面塌陷5个月之后，受损的中坡和下坡区域表现出较好的自修复能力，且处于均匀沉降区的下坡具有明显的自修复能力。根据开采沉陷学原理，研究区超大工作面走向与倾向方向均达到充分采动，且下沉盆地内部出现大范围的均匀沉降区，利用ArcGIS软件可得采动后附加坡度，如图3所示。

    工作面停采后，根据图3确定下沉盆地盆底的实际范围．具备明显自修复能力的土地区域占下沉盆地的比例约为40%，而中坡和上坡区域则需辅以人工修复，是矿区土地治理的重点区域。

3评价结果分析

    (l)下坡自修复能力随塌陷时序的延长而递增，从侧面反映出采动主要影响时段在塌陷初期，且随着地表由松动转为沉实，地裂缝以及附加坡度的负面影响大幅弱化，土地生态环境明显好转。塌陷7个月时，土地生态环境逐渐趋向于原始背景值，说明工作面下坡区域土地具备明显的自修复能力。

    (2)中坡与下坡类似，塌陷初期较下坡的分值偏大，主要是因为地裂缝表征较弱。与塌陷初期相比，自修复能力分值有小幅增长，且在塌陷7个月时自修复能力的分值接近90分，具备较强的自修复能力，分值变化主要缘于地形地貌变化，研究区下沉量不断增大，接近最大下沉值的范围不断扩大，与地表原始形态基本一致。

    (3)上坡自修复能力综合得分普遍较低，除塌陷初期外均低于70分，主要因拉伸应力作用于上坡，地表附加坡度较大，且分布相对稳定的边缘裂缝，随着塌陷时序的延长，后期分值的增长主要是因地表塌陷范围增大、附加坡度减小和部分土壤特性指标略有恢复所致。

    上述分析表明，土地生态环境自修复能力主要取决于研究区地形地貌与原始状态的差异。根据开采沉陷学原理，超大工作面区域内达到充分采动，下沉盆地盆底范围的土地在工作面趋于稳定后达到该地质采矿条件下的最大下沉值，盆底范围处于均匀沉降区，即在采矿驱动力作用下达到充分采动，地表基本无裂缝和附加坡度的存在，与原始地形地貌基本一致，实现自修复。

4  结论

    (1)评价结果表明具备自修复能力的区域占下沉盆地的比例约为40%，实际施工过程中可尽量减少人工和工程机械对地表生态环境的影响，节省复垦成本。

    (2)超大工作面开采使得工作面走向与倾向方向达到充分采动，扩大了均匀沉降区的范围，盆底区域可基本恢复到采前原有地形即实现自修复，采矿驱动力是获得较强自修复能力的重要因素。

(3)风积沙区高强度开采可使采动影响的范围减小，且采后7个月下沉盆地盆底范围即有明显的自修复能力，说明高强度开采可缓解风积沙区煤矿开采与生态环境保护相矛盾的格局，可加强高强度开采技术在风积沙矿区的应用。

5摘  要 

 为了对风积沙区土地生态损伤自修复能力进行评价，选取典型风积沙煤矿土地生态损伤区，依据附加坡度进行评价单元划分，在不同开采时序对不同评价单元地裂缝进行统计，同时对土壤理化特性指标进行采样分析，综合运用层次分析法和德尔菲法确定指标权重，采用综合指数法数学模型对研究区土地生态损伤自修复能力进行评价，结果表明高强度开采条件下40%的受损区具有明显自修复能力，可明显减少土地修复成本。

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