露天煤礦開采區(qū)生態(tài)環(huán)境要素響應(yīng)分析

孫德全

(山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院,山東 濟(jì)南 250100)

煤炭是當(dāng)前國內(nèi)的主要能源之一,在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),長(zhǎng)期的煤炭開采也給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境帶來重大影響,露天煤礦開采首先影響的是地下水,從而改變區(qū)域土壤的含水率、礦物質(zhì)等情況,最終導(dǎo)致礦區(qū)植被和動(dòng)物群落的多樣性改變,找到地下水與土壤環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)系,對(duì)于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)具有重要意義[1-2]。

呂文星等[3]從調(diào)水效益、保土效益和植被恢復(fù)3個(gè)指標(biāo)出發(fā),對(duì)陜西省神榆礦區(qū)西灣露天煤礦的水土保持效果進(jìn)行了定量和定性分析,認(rèn)為設(shè)計(jì)方案和工程措施具有良好的治理效果和生態(tài)效應(yīng);田會(huì)等[4]建立起綜合擾動(dòng)程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)露天煤礦的環(huán)境影響進(jìn)行定量評(píng)價(jià);宋子嶺等[5]建立起露天礦綠色開采理論體系和開采目標(biāo)函數(shù),提出了露天開采與生態(tài)環(huán)境一體化技術(shù);孟慶俊等[6]對(duì)靈泉露天煤礦的人工生態(tài)恢復(fù)進(jìn)行了生物多樣性評(píng)估,認(rèn)為人工恢復(fù)措施可以對(duì)煤礦周邊生態(tài)環(huán)境起到快速修復(fù)的作用;王楊揚(yáng)等[7]基于生物多樣性對(duì)露天煤礦開采區(qū)的土地復(fù)墾工作進(jìn)行了研究,從土壤種子庫、復(fù)墾年限及施肥等方面分析了復(fù)墾措施對(duì)生物多樣性的影響。

當(dāng)前,露天煤礦主要分布于生態(tài)脆弱的半干旱草原地區(qū),煤礦開采加劇了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境惡化,帶來土地荒漠化等一系列問題,對(duì)當(dāng)?shù)氐男竽翗I(yè)造成了一定影響[8-10]。研究在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)和理論的基礎(chǔ)上,開展地下水與土壤環(huán)境響應(yīng)的分析,揭示了露天煤礦開采影響下地下水與土壤質(zhì)量之間的相互關(guān)系,為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

伊敏煤田位于內(nèi)蒙古鄂溫克族境內(nèi),平均可開采厚度為85.29 m,煤炭資源總量約為17.7 GT,其中半數(shù)以上均可露采,煤田地區(qū)富水性強(qiáng),地表水、大氣水補(bǔ)給和地下承壓水均較豐富,地下水運(yùn)移與含水層之間,含水層與隔水層之間具有一定的特點(diǎn),水文地質(zhì)較為復(fù)雜。煤礦區(qū)地層較為復(fù)雜,可分為泥盆系、寒武系、石炭-二疊系、第四系以及白堊系;煤礦區(qū)氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,多年平均氣溫-1.9 ℃,多年平均降水量375 mm,且降水主要集中在6—9月,多年平均水蒸發(fā)量為1 170 mm,最大積雪深度20 cm以上,最大凍土深度2 m以上。伊敏煤田地理位置示意見圖1。

圖1 伊敏煤田地理位置示意

2 取樣點(diǎn)布置

以煤礦區(qū)采坑為中心,由內(nèi)向外布設(shè)6條不同的取樣線,每條取樣線從采坑中心開始每隔一定距離取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,每個(gè)測(cè)試點(diǎn)均采集地下水埋深、土壤含水率、土壤含鹽量、土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、溶解性固體總量(TDS,total dissolved solids)等參數(shù),然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),分別研究地下水水位、pH值以及TDS與各土壤環(huán)境因子的關(guān)系,找出二者的響應(yīng)關(guān)系。取樣點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 取樣點(diǎn)位置示意圖

3 地下水與土壤環(huán)境響應(yīng)分析

3.1 地下水位埋深與土壤環(huán)境的關(guān)系

采用等間距差值法對(duì)勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,得到了地下水位與土壤環(huán)境各要素之間的空間分布對(duì)應(yīng)關(guān)系(見圖3)。從圖3(a)中可以看到,煤礦開采中心附近的地下水位明顯小于礦區(qū)周邊的地下水位,在長(zhǎng)時(shí)間的沒鹽開采及疏排地下水過程中,逐漸形成了以采坑為中心的地下水降落漏斗,與原有的地下水位相比,采坑中心的地下水位下降達(dá)100 m以上,地下水流動(dòng)方向也由四周向采坑中心聚集。從圖3(b)可看到,在靠近采坑周邊區(qū)域,土壤含水率基本為2%～4%,而在遠(yuǎn)離采坑區(qū)域,土壤含水率為6%～8%,可見在一定程度上地下水位與土壤含水率之間呈正相關(guān),地下水位越深,土壤含水率越高,這是因?yàn)樵诎敫珊档牟菰貐^(qū),土壤水的主要來源之一為地下水,地下水下降越大的地方,對(duì)土壤水的補(bǔ)給能力越弱,因此,土壤含水率越低。從圖3(c)可以看到,采坑中心區(qū)域的土壤含鹽量在200～400 μs/cm之間,西部、東北部以及局部地區(qū)的含鹽量最大達(dá)到600～1 000 μs/cm,可見地下水位與土壤含鹽量之間呈正相關(guān)關(guān)系,即水位越深,含鹽量越高,這是因?yàn)樵诎敫珊挡菰貐^(qū),降水量少而蒸發(fā)量大,地下水在蒸發(fā)作用后會(huì)出現(xiàn)鹽分的相對(duì)富集,同時(shí)部分地下水流向采坑中心,部分鹽分富集于滲流通道內(nèi),造成該區(qū)域的土壤含鹽量較高。從圖3(d)可以看到,土壤有機(jī)質(zhì)在空間分布上較含水率和含鹽量的分布復(fù)雜,并沒有較為明顯的相關(guān)關(guān)系,在采坑周邊區(qū)域,土壤的有機(jī)質(zhì)含量介于30～40 g/kg,而在地下水位較高的區(qū)域則有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低,但沿著采坑中心向周邊輻射時(shí)并沒有呈逐漸降低趨勢(shì),二是呈忽高忽低的變化關(guān)系,這是因?yàn)閮?nèi)蒙草原地區(qū)的畜牧業(yè)十分發(fā)達(dá),而養(yǎng)殖廢水和糞便等沒有經(jīng)過合理的排放,因此造成了有機(jī)質(zhì)含量忽高忽低的現(xiàn)象。

圖3 地下水位與土壤環(huán)境分布關(guān)系

3.2 地下水pH值與土壤環(huán)境的關(guān)系

同理,利用等間距差值法得到地下水pH值與土壤環(huán)境的分布關(guān)系(見圖4)。從圖4(a)可以看到,開采區(qū)及周邊區(qū)域的地下水均呈弱堿性,pH值介于7.4～7.8之間,pH值較高區(qū)域主要集中于西部和東北部,這與含鹽量的分布情況較為類似,即地下水pH值越大的地方,土壤含鹽量越高,這是因?yàn)樵诟珊?半干旱的草原地區(qū),降水量較小而蒸發(fā)量較大,地下水由于蒸發(fā)作用而使得鹽分聚集在地表附近,形成典型的鹽堿土,因此含鹽量越大、pH值越大。從圖4(b)可知,在pH值越高的區(qū)域,含水率越低,這正好跟含鹽量不同,因?yàn)閜H值越高的地方,土壤中的碳酸鹽巖和硫酸鹽巖等礦物質(zhì)就會(huì)越多(即含鹽量越高),土壤出現(xiàn)固化板結(jié)的現(xiàn)象越明顯,使得土壤含水率越低;從圖4(c)、(d)可知,西部和東部地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量較低,這與pH值的分布比較相似,pH值較高的地方有機(jī)質(zhì)含量也較高,但也有局部地方出現(xiàn)反差,如西部盆地地區(qū),因此,相較于含鹽量而言,有機(jī)質(zhì)與pH值之間的正相關(guān)關(guān)系不是很明顯。

圖4 地下水pH值與土壤環(huán)境分布關(guān)系

3.3 地下水TDS與土壤環(huán)境的關(guān)系

同理,采用等間距差值法得到的地下水TDS與土壤環(huán)境的分布關(guān)系見圖5。從圖5(a)中可以分析得到:煤礦開采區(qū)周邊區(qū)域的地下水TDS呈東北-西南片區(qū)低,東南和西北片區(qū)高的整體分布格局,這與土壤含水率和含鹽量的分布相反,因此,TDS與土壤含水率和含鹽量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,究其原因主要是由于地下水經(jīng)歷“水走鹽留”的過程后,使得TDS不斷升高的同時(shí),含水量逐漸流失,但與含鹽量為何呈負(fù)相關(guān),這可能與人類干擾活動(dòng)有關(guān),如溫度會(huì)引起TDS含量的極大變化,土壤有機(jī)質(zhì)含量則與地下水TDS之間呈良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,TDS越高,有機(jī)質(zhì)含量越大,反之則反,這主要是因?yàn)閺?qiáng)烈的蒸發(fā)作用使得鹽分富集,同時(shí)加上畜牧業(yè)的發(fā)展和影響,使得地下水TDS與土壤有機(jī)質(zhì)之間呈正相關(guān)關(guān)系。

圖5 地下水TDS與土壤環(huán)境分布關(guān)系

3.4 地下水與土壤環(huán)境相關(guān)性分析

研究對(duì)地下水與土壤含水率等間距差值的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到了地下水位、地下水pH值以及地下水TDS與土壤環(huán)境各指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系(見圖6)。從圖6可知,地下水位與土壤含水率、土壤含鹽量以及土壤有機(jī)質(zhì)之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.23、0.32和0.26;地下水pH值與土壤含水率之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與土壤含鹽量和有機(jī)質(zhì)之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.43和0.14,與上述分析情況相符;地下水TDS與土壤含水率和土壤含鹽量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為-0.57和-0.18。因此,地下水TDS越高,則土壤含鹽量和含水率越低,反之則反,地下水TDS與有機(jī)質(zhì)之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92,可見地下水TDS與土壤有機(jī)質(zhì)之間的變化響應(yīng)最符合(相關(guān)關(guān)系最好),TDS越高,有機(jī)質(zhì)越高,反之則反。

圖6 地下水與土壤環(huán)境相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果(均為0.01水平上顯著相關(guān))

4 結(jié)論

(1) 地下水水位與土壤含水率、土壤含鹽量以及土壤有機(jī)質(zhì)之間均呈良好的顯著正相關(guān)關(guān)系,土壤環(huán)境指標(biāo)隨水位呈正方向響應(yīng),并與煤礦開采、當(dāng)?shù)貧夂蚣靶竽翗I(yè)生產(chǎn)有關(guān)。

(2) 地下水pH值與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤含鹽量以及土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,pH值與有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性相對(duì)較弱,僅為0.14。

(3) 地下水TDS與土壤含水率和土壤含鹽量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92,這與地下水蒸發(fā)作用和畜牧業(yè)發(fā)展有關(guān)。

(4) 煤炭開采會(huì)給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來深遠(yuǎn)的影響,地下水與土壤環(huán)境是生態(tài)環(huán)境的受體以及信息載體,在一定程度上具有響應(yīng)的相關(guān)關(guān)系,但受限于空間異質(zhì)性,要想找出二者的耦合關(guān)系很難,研究?jī)H以伊敏露天煤礦為例,分析了露天煤礦開采區(qū)生態(tài)環(huán)境要素響應(yīng)關(guān)系,為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)提供依據(jù),也為類似開采區(qū)的環(huán)境治理工作提供了借鑒。