（环境工程专业论文）基于煤矸石充填复垦土地的复垦效应研究.pdf

摘要 捅要 煤矸石是我国最主要的工业固体废弃物，约占全国工业固体废弃物的2 0 以上。 我国在煤炭开采过程中，产生了大量煤矸石。据不完全统计，全国历年煤矸石累计堆 存量约3 0 亿t ，年平均排放煤矸石1 5 亿t ，煤矸石堆放占地近6 0 0 0 h m 2 。同时，伴随 着煤炭资源的开发，全国煤矿地下开采形成的塌陷区已达4 0 万h m 2 ，每年形成塌陷土 地区1 5 2 万h m 2 ，其中耕地占3 0 0 8 。利用煤矸石对塌陷区进行充填复垦，既能处理 煤矸石固体废物，减少煤矸石堆存占地，又能恢复开采沉陷地的利用价值，这是矿区 实现综合治理、恢复矿区生态环境的一条有效途径。 本文以淮南新庄孜和大通复垦区为研究对象，对复垦土壤生产力、土壤养分、土 壤环境质量以及农作物健康安全等方面进行分析评价，综合研究煤矸石复垦土地的复 垦效应。结果表明： ( 1 ) 从覆土4 0 c m 到7 5 c m ，随着覆土厚度的增加，土壤养分呈增长趋势，当覆土 厚度超过7 5 c m 以后，养分接近对照土壤的水平，覆土7 5 c m 与9 0 c m 土壤相比，养分 变化出现随机性，养分随覆土厚度无明显增长。覆土7 5 c m 、9 0 c mn n 的生产力较好， 但稍低于对照地块；覆土4 0 c m 、6 0 c m 地块的生产力都比较差，其有机质、n 、p 、k 等养分普遍偏低，土壤总体肥力太差。 ( 2 ) 采用内梅罗污染指数法对复垦土壤进行环境质量评价，结果表明：在全部3 0 土壤个样品中，2 8 个样品都处于i 类水平，土壤质量清洁：有1 个样品处于i i 类水平， 土壤质量尚清洁；还有1 个样品处于磅泳平，土壤受到轻度污染；复垦土壤中c u 、 c d 存在超标样品，超标率都为3 3 3 。参考淮南土壤背景值，对复n _ - k 壤的累积污染 指数进行分析，结果显示：复垦土壤中c ! u 、n i 有显著的累积效应，而p b 、z 1 1 、c r 的 累积效应不明显。 ( 3 ) 采用内梅罗污染指数法对复垦区小麦样品进行环境质虱开疆介，结果表明：有1 个小麦样品受到轻度污染，其他样品质量都处于清洁或尚清洁的状态，小麦样品受到 p b 的轻度污染；对复垦区小麦样品进行人体污染元素暴露健康风险评价，结果表明： 复垦土壤中c u 、c d 、p b 、z n 暴露的风险指数都小于1 ，处于安全水平，而c r 暴露的 风险指数为1 2 1 ，样品存在健康风险 图 1 8 ；表f1 8 b 参 8 0 1 关键词：土地复垦：煤矸石；生产力；土壤养分；环境质量 分类号：x 5 3 a b s t r a c t a b s t r a c t g a l l g u ei st h el a r g e s ti n d u s u i a ls o l i dw a s t e ，a c c o u n t i n gf o r2 0 i n d u s u i a ls o l i dw a s t ei n o u rc o u n l r y al a r g en u m b e ro f c o a lg a n g u ei sg e n e r a t e di nt h ec o a lm i n i n gp r o c e s s a c c o r d i n g t oi n c o m p l e t es t a t i s t i c s ，t h ei m p a c to f k e e p i n ga t o t a lg a n g u ei sa b o u t3b i l l i o nt o n so v e rt h e y e a r s ，t h ea v e r a g ea n n u a le m i s s i o n so f t h eg a n g u ei s15 0m i l l i o nt o n s , a n dt h el t r c ao f h e a p i n g c o a lr e f u s esi sn e a r6 0 0 0 h r n z a tt h es a m et i m e , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o a lr e s o u r c e s ，t h e a r e ao fu n d e r g r o u n ds u b s i d e n c ef o r m e db yc o a lm i n i n gh a sr e a c h e d4 0 0 ，0 0 0h r n 2i nt h e c o u n t r y , t h el a n da r e ac o l l a p s e dt oi sf o r m15 ，0 0 0t o2 0 ，0 0 0h m 2e a c hy e a rw h i c ha c c o u n t e d 断3 0 p e r c e n to fa r a b l el a n d t h es u b s i d e n c ea r e a sr e c l a m a t i o n 她b yc o a lg a n g u e , i tc a n h a n d l es o l i dw a s t ea n dr e d u c ec o a lw a s t es t o r a g ea r e aa sw e l la sr e s t o r ee x p l o i t a t i o no f m i n i n g s u b s i d e n c el a n d , w h i c hi st oa c h i e v ec o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n to ft h em i n i n ga r e aa n d r e s t o r et h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n to f am i n i n ga r e a i nt h i sd i s s e r t a t i o n , r e c l a m a t i o nl a n d so fx i nz h u a n g z ia n dd a t o n gi nh u a i n a na r et h e s t u d ya r e a s s t u d yo nt h er e c l a m a t i o ne f f e c to f c o a lg a n g u er e c l a m a t i o nl a n db ya n a l y z i n ga n d a s s e s s i n gt h es o i lp r o d u c t i v i t y , s o i ln u t r i e n t , s o i le n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya n df o o ds e c u r i t yo f r e c l a m a t i o nl a n d n l er e s u l t ss h o w e dt h a t ： ( 1 ) t h es o i ln u t r i e n ts h o war i s i n gt r e n dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o v e r i n gt h i c k n e s sf i o m 4 0 c mt o7 5 c m , w h e nh i g h e rt h a n7 5 c m , t h es o i ln u t r i e n ti sd o s et ot h ec o n t r a s ts o i l c o m p a r i n gt h e7 5 c mw i t h9 0 c r n , t h ee r k a n g eo f s o i ln u t r i e n tc o n t e n ta p p e a r sr a n d o m l y , w i t h n os i g n i i i e a n ti n c r e a s e t h ep r o d u c t i v i t yo f7 5 c m , 9 0 e r ap l o ti sb e t t e r , b u ts i g h ：d yl o w e rt h a n t h ec o n u o lm 吒w h i c hi sd u et ol a c ko fn u t r i e n t ss u c h 勰o r g a n i cm a t t e ra n dp ，a sw e l la s o r i g i l l a ls o i ls m l c t u r ew a sa e s t r o y e di nt h e t h er e c l a m a t i o np r o c e s so f f i l l i n gi nt h e s u b s i d e n c e a r e a , a n dr e c l a i m e ds o i lr e q u i r e sam a t u r a t i o np r o c e s s t h ep r o d u c t i v i t yo ft h e4 0 e r a , 6 0 c m p l o ti sl e s st h a nt h ec o n l r o lp l o tt h a ti sb e c a u s ei t sn u t r i e n t ss u c ha sn ，只ka n do r g a n i cm a t t e i sg e n e r a l l yl o w ，a n ds o i lf e r t i l i t yi sg e n e r a lp o o r ( 2 ) u s i n gn e m e r o wp o l l u t i o ni n d e xm e t h o df o rr e c l a m a t i o ns o i le n v i r o n m e n t a lq u a l i t y a s s e s s m e n t ，r e s u l t ss h o wt h a t ：i na l l3 0s o i ls a m p l e s ，2 8s a m p l e sa r ei nic l a s sl e v e l , a n dt h e s o i lq u a l i t yi sc l e a n ；a n dt h es o i lw a ss l i g h t l yp o l l u t e d ；1s a m p l ei si ni ic l a s sl e v e l , a n dt h e s o i lq u a l i t yi ss l i g h t l yc l e a n ，1s a m p l ei si n c l a s sl e v e l ；t h ec o n t e n t0 fc ua n dc di ns o m e s a m p l e si so u t - o f - s p e c i f i c a t i o n , a l lr a t i o sa r e3 3 3 r e f e r e n c es o i lb a c k g r o u n dv a l u e so f h u a i n a n , t h ec u m u l a t i v ep o l l u t i o ni n d e xo fs o i lr e c l a m a t i o nw e r ea n a l y z e d , s h o w st h a t ：t h e i l l c u m u l a t i v ee f f e c to fc ua n dn ia r es i g n i f i c a n t , a n dc u m u l a t i v ee f f e c to fp b ，z n , c rf i r en o t o b v i o u s ( 3 ) u s i n gn e m e r o wp o l l u t i o ni n d e xm e t h o df o rw h e a ts a m p l ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t y a s s e s s m e n t , s h o wt h a t ；1w h e a ts a m p l ei ss l i g h t l yp o l l u t e d , o t h e rs a m p l eq u a l i t yi sc l e a no ri s s l i g h t l yc l e a n , s l i g h t l yp o l l u t e db yp b ；m 抛e x p o s u r er i s ka s s e s s m e n tf o rh u m a nb o d y h e a l t he l e m e n t sp o l l u t e do f s o i lr e c l a m a t i o n , s h o wt h a t ：a l lo f t h er i s ki n d e xo f c u ，c a ，p b ， z na r el e s st h a n1 ，i nt h es a f e t yl e v e l ，b u tt h er i s ki n d e xo f c ri s1 2 1 ，s a m p l eh a v eh e a l t hr i s k f i g u r e 18 ；t a b l e 【18 ；r e f e r e n c e 8 0 k e y w o r d s 1 a n dr e c l a m a t i o n ；c o a lg a n g u e ；p r o d u c t i v i t y ；s o i ln u t r i e n t ；e n v i r o n m e n t a lq u a l i t y c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：x 5 3 i v 绪论 1 绪论 矿产资源的开发极大地促进了经济繁荣、社会进步和人类文明，而相伴而生 的大量矿山环境问题，不仅严重威胁人民的生命财产安全，而且严重影响区域乃 至全国的经济社会的全面协调、可持续发展，甚至影响社会安定。目前我国矿山 环境问题较多，突出表现在五个方面，即采矿活动破坏了大量耕地和建设用地； 采矿诱发地质灾害；采矿使矿区水均衡遭受破坏，产生各种水环境问题；矿山开 采中废气、粉尘、废渣排放，产生大气污染和酸雨；采矿破坏自然地貌景观，影 响整个地区环境的完整性。 煤矸石是我国最大的工业固体废弃物，约占全国工业固体废弃物的2 0 以上。 我国在煤炭开采过程中，产生了大量煤矸石。据不完全统计，全国历年煤矸石累 计堆存量约3 0 亿吨( t ) ，年平均排放煤矸石1 5 亿t ，煤矸石堆放占地近6 0 0 0 h m 2 。 目前，煤矸石每年利用量仅占当年排量的3 0 ，且大多数用于填充材料。筑路基 料和煤矸石山绿化。同时，伴随着煤炭资源的开发，全国煤矿地下开采形成的塌 陷区已达4 0 万h i i l 2 ，每年形成塌陷土地区1 - 5 2 万h m 2 ，其中耕地占3 0 。九十 年代以来，煤矿塌陷区复垦、矿区生态重建工作，在我国有了很大发展，尤其是 “九五 期间国家积极推广土地复垦和无矸石山生产恢复矿区生态环境计划。 淮南矿区煤层开采均采用冒落法这一非充填式开采方法，必然引起地面沉 陷。淮南矿区开采沉陷范围大、潜水高、类型复杂，利用煤矸石对塌陷区进行充 填复垦，既能处理煤矸石固体废物，减少煤矸石堆存占地，又能恢复开采沉陷地 的利用价值，这是淮南矿区实现综合治理、恢复矿区生态环境的一条有效途径。 1 1 国内外研究现状 1 1 1 国外研究进展 国外土地复垦比我国开始得早，各项政策、法规比我国完善【lj 。由于人口压 力影响较小，他们的土地复垦目标与我国不同。美国和德国是最早开始土地复垦 的国家。 美国的土地复垦主要从露天矿的土地复垦开始发展而来。主要研究露天矿的 复垦，对复垦土壤进行重构和改良、再生植被、侵蚀控制与农业、林业生产技术 等方面，同时对矿山废弃物的复垦、复垦中的有毒有害元素的污染和采煤塌陷地 的复垦等方面也较为关注。美国国会在各州颁布的土地复垦法的基础上，于1 9 7 7 安徽理工大学硕士学位论文 年8 月通过并颁布了第一部全国性土地复垦法一露天采矿管理与复垦法。 近年来美国对生物复垦以及复垦区的生态问题也高度重视，成为新的研究热点。 为了推动土地复垦的研究和技术革新，美国专门成立了“国家矿山土地复垦研究 中心( n m l r c ) ，组织多学科专家公关。此外，美国露采矿与土地复垦学会还 每季度出版一期会讯，每年组织一次全国学术会议。因此，美国的土地复垦研究 是世界上最活跃的，技术水平也比较高。 德国的露天煤矿复垦的主要目标为林业和农业用地。1 7 6 6 年在若德褐煤矿首 次进行了复垦，2 0 世纪2 0 年代开始进行绿化复垦。德国的土地复垦可分为四个 阶段：第一阶段( 2 0 世纪2 0 年代1 9 4 5 年) ，这一时期的土地复垦主要是实验性 地植树造林，当时人们意识到进行多树种混合种植，使重建的林地像原始森林一 样，不同的树种混杂，能完成多种生态功能，但这种充满希望的活动因第二次世 界大战而中断了。第二阶段开始于1 9 4 6 年，战后的德国百废待兴，对煤炭的需 求量激增，对土地的占有量也随之增加，这使得政府和企业不得不考虑环境重建 的问题。1 9 5 0 年4 月北莱茵州颁布了针对褐煤矿区的总体规划法，同时对基本 矿业法进行了修订，将“在矿山企业开采过程中和完成后，应保护和整理地表， 重建生态环境 第一次写进了法律。第三阶段始于6 0 年代，西德对林业复垦的 状况进行改进：一是把早期种植的杨树砍掉，取而代之的是橡树、山毛榉、枫树 等；二是随着煤炭开采力度的加大好矿场的迁移，土地复垦不再限于植树造林， 而是兼顾多种用途。东西德合并之后，土地复垦进入第四阶段。在北莱因地区， 由于生态意识的增强，重构生态系统的要求得到重视。复垦目标从以林、农业复 垦为主转向建立休闲用地、重构生物循环体和保护物种上来，即混合型土地复垦 模式：农林用地、水域及许多微生态循环体协调、统一地设立在一起，从而为人 和动、植物提供较大的生存空间。 英国复垦的重点是污染土地的修复和矿山废弃地的复垦，并认为复垦的目的 不仅是保护环境和恢复上地利用，更重要的是解决环境安全问题。 国外土地复垦工作开展较好的国家都有一些鲜明的特点：一是有健全的法规； 二是有专门的管理机构；三是有明确的资金渠道和建立了“( 生态) 恢复基金”； 四是将生态修复纳入许可证制度中；五是实行生态修复和保证金制度；六是建立 严格的生态修复标准；七是重视科学研究和多学科专家的参与合作；八是有专门 的学术团体和研究机构，且学术活动十分活跃。 近年来人们对复垦土壤质量的研究进一步深化，土壤质量并不单纯局限于土 壤的生产力，食物安全与质量、人类与动植物健康以及环境质量等问题都纳入了 2 绪论 土壤质量的范畴，但是，对于土壤质量的概念，仍未形成统一的看法。目前国际 上比较通用的土壤质量概念，是d o r a n 和p a r k i n 2 1 从生产力、环境质量和动物健 康三个角度对土壤质量的定义：土壤在生态系统中保持生物生产力、维持环境质 量和促进植物和动物健康的能力。d o r a n 3 】将土壤的主要功能概括为三个方面：一 是生产力，即土壤提高植物和生物生产力的能力；二是环境质量，即土壤降低环 境污染物和病菌损害的能力；三是动物健康，即土壤质量影响动植物和人类健康 的能力。因而，土壤质量评价是综合土壤各方面的功能包括保持生物生产力、维 持环境质量以及促进动植物健康的属性，并根据土壤已知的外部性质对这一内在 属性进行量度。 对于土壤质量的评价方法，目前国际上尚无统一的标准，国外提出的土壤质 量评价方法主要有以下几种： s m i t h 4 1 利用多变量指标克立格法来评价土壤质量。这种方法可以将无数量限 制的单个土壤质量指标综合成一个总体的土壤质量指数，这一过程称为多变量指 标转换( m u l t i p l ev a r i a b l ei n d i c a t o rt r a n s f o r m ) ，是根据特定的标准将测定值转换为土 未 壤质量指数。各个指标的标准代表土壤质量的最优的范围或阈值。该方法的优点 是可以把管理措施、经济和环境限制因子引人分析过程，其评价范围可从农场到 地区水平，评价的空间尺度弹性大。 l a r s o n 【5 】提出土壤质量的动力学方法从数量和动力学特征上对土壤质量进行 定量。某一土壤的质量可看作是它相对于标准( 最优) 状态的当前状态，土壤质 。 量( q ) 可由土壤性质q i 的函数来表示：q = f ( q i n ) ，描述q 的土壤性质q i ，是根 据土壤性质测定的难易程度、重视性高低及对土壤质量关键变量的反映程度来选 择的最小数据集。例如，土壤生产力指数( p i ) 是由土壤p h 、容重、有效水容量对 根系生长的满足度计算的，用来估计土壤侵蚀对土壤生产力质量及其变化的影 响。该法适用于描述土壤系统的该法适用于描述土壤系统的动态性，特别适合于 土壤可持续管理。 d o r a n 等【2 】提出土壤质量的综合评分法，将土壤质量评价细分为对6 个特定 的土壤质量元素的评价，这6 个土壤质量元素分别为作物产量、抗侵蚀能力、地 下水质量、地表水质量、大气质量和食物质量，根据不同地区的特定农田系统、 地理位置和气候条件，建立数学表达式，说明土壤功能与土壤性质的关系，通过 对土壤性质的最小数据集评价土壤质量。 关于重金属污染物的研究，国外始于2 0 世纪6 0 7 0 年代，如澳大利亚、美 国、德国等国家对土壤壤重金属研究较深入。在重金属现状评价方面，国外对定 安徽理工大学硕士学位论文 量评价方法，特别是指数方法进行了大量研究。德国学者m u l l e r 于1 9 7 0 年提出 了地质累积指数法t g c o ( i n d e xo fg e o a c c u m u l a t i o n ) 6 1 ，广泛应用于研究沉积物 中重金属污染程度的定量指标，尤其用于研究现代土壤中重金属污染的评价川。 1 1 2 国内研究进展 自1 9 8 8 年1 1 月8 日国务院颁布土地复垦规定之后，我国的土地复垦工 作走上了法制的轨道。2 0 多年来我国在采煤塌陷地的复垦方面积累了大量的经 验，许多复垦技术得到了试验和推广。但总体看来仍有许多不足，如复垦规模还 赶不上破坏的速度，复垦法规不健全，复垦理论远远落后于实践，复垦的管理机 构和人员不足，复垦技术标准缺乏，复垦技术落后且效果不尽人意，研究人员少， 缺乏专项研究和复垦基金，更谈不上复垦产品与产业化。 在复垦土壤质量方面，目前对复垦土壤的物理、化学、生物活性各方面进行 了一些研究【8 1 2 1 ，但大多集中在某个和某些特性的研究上。例如： 牟守斟1 3 】等对以煤矸石和粉煤灰为充填物的复垦场地土壤的理化性状以及 生物学特性土壤呼吸进行了实验分析，结果表明：煤矸石充填复垦土壤的生 物活性要高于粉煤灰，并且与对照土壤的土壤质量相差不明显，其生物活性接近 理想土壤。 谢英荷【1 4 】等进行了煤矸石上种植接菌牧草及加覆盖物种植牧草的盆栽和小 区试验。结果表明，接菌种植可以显著提高植物的固氮酶活性和结瘤率、改善煤 矸石的氮素贫瘠状况，促进牧草根系和地上部分的生长和煤矸石的进一步风化； 同时在煤矸石上加薄层覆盖物种植豆科植物，对其氮素的积累提高和生物性状的 改善同样具有明显的促进作用，并以黄土覆盖效果更佳。 董霁红等【1 5 】研究了粉煤灰和煤矸石两种不同物料充填复垦场地中 a s ，h g ，c u ，c d ，c r , z n 等重金属的含量，并与当地对照土壤比较。结果表明矸石中 c u , z n 含量高于比照土壤，其他元素含量均无明显差异，覆土土层4 0 c m 厚度处， 矸石充填地c u , z n 含量明显高于比照土壤；而充填复垦地作物根系中的重金属含 量与对照场地不存在明显的差异，矸石与粉煤灰中的重金属含量与作物根系的重 金属含量并不成正比。 对复垦土壤的综合质量研究不足，特别是土壤质量的动态变化1 1 1 ，目前的 研究大多集中在复垦后一个时间点上的土壤质量状况，对其动态变化基本没有研 究。个别研究对复垦后土壤质量进行了评价。胡振琪瞄2 3 】对复垦土壤耕作效果进 4 绪论 行了评价，运用模糊集理论开发了一个定量评价土壤生产力的数学模型模糊 p i 模型，采用耕作效果指数评价复垦土壤耕作效果。卞正富【2 4 】分析了影响复垦土 地生产力的要素，提出了复垦土壤生产力指数的修正模型。陈龙乾【2 5 】等采用土壤 生产力和土壤环境质量两种指标对徐州矿区复垦后土壤质量进行评价，以土壤质 量评价指数来表示复垦土壤质量的高低。胡振琪【2 6 j 在复垦土地验收方案中提出了 耕地环境质量评价采用内梅罗指数法，耕地生产力评价采用模糊p i 模型，并给出 了简单的评价指标。秦俊梅【2 7 】采用单项和综合污染指数对山西平朔露天矿复垦土 壤的环境质量进行了研究，结果表明复垦土壤虽然有一定的污染性，但土壤环境 质量可以达到环境质量标准，不会影响植物生长。 近年来，g i s 技术也逐渐被应用到土壤质量评价中来 2 5 3 1 】。应用g i s 对土壤 质量评价可以极大地提高决策的可靠性和客观性，避免通过主观判断来决定土地 的使用情况，提高土地的使用效率和合理安排资源为产业结构调整和土地管理诸 方面提供数量和质量上的依据，从而使土地发挥最大效益。例如： 胡月n t 3 2 l 等在广东省东莞赤红壤农业现代化实验区研究中，选取地面坡向、 土壤质地、土壤有机质、利用类型等为指标，应用a r c i n f o 进行空间数据的一系 列处理，在对评价标准进行模糊化处理后，建立变权评价模型进行土壤质量评价， 应用a r c v i e w g i s 绘制了评价结果图。最后将变权后的结果与常权的进行比较分 析，证明变权的处理更能体现土壤质量的实际状况。 张学雷【3 3 】等在评价海南岛土壤质量时，采用国际上最新的地体一土壤数据 库( s o t e r ) 方法，建立研究区域的地体一一土壤资源信息系统。利用区域的 s o t e r 图与气象分区图“农业生态带”a e z 叠加生成的a e u ( a g r o e c o l o g i c a l u n i t s ) 图斑作为土壤质量评价的单元。用决策树( d e c i s i o nt r e e ) 对a e u 图斑进行评 价，得到土壤质量评价等级指数。在a l e s 环境中构建模型，然后针对每一个评 价单元使模型运行。在g i s 如a r c v i e w ) 环境中，将评价结果与图斑相连，提供需 求单项指标的图件或不同目的的解译成果输出，可提供定量化的信息依据。 1 2 研究目的及意义 自1 9 8 8 年土地复垦规定实施以来，土地复垦事业已经开展了近2 0 年研 究，形成了一些比较成熟的方法和技术，但在复垦土壤质量研究方面比较缺乏， 主要针对复垦土壤的某些特性进行了对比分析。矿区农用地复垦的最终目标之一 是使复垦土壤达到当地正常农用地的土壤质量水平，但如何判断复垦土壤是否达 到当地正常农用地的土壤质量水平，这就要求对复垦土地的复垦效应进行研究。 安徽理工大学硕士学位论文 目前国内对复垦土壤质量方面已经做了不少的研究，但大多集中在某个或某些特 性的研究上，如物理、化学、生物活性各方面，对复垦土壤的综合质量研究不足。 本文通过野外调查和采样分析，从复垦土壤生产力、养分状况以及环境质量等方 面对复垦土壤的综合质量进行研究，深入分析管理措施、覆土厚度、土壤质地、 煤矸石中重金属元素迁移、煤矸石垫层结构等因素对复垦土壤综合质量的影响。 本文的研究结果对保护矿区土壤环境，维持新造土壤正常结构功能，促进经 济发展、维护人体健康有着重要的作用。它不仅为矿区环境质量及生态安全评价 提供依据，还为预测矿区土壤环境质量的演变趋势、制定矿区环境保护对策和管 理措施提供依据，对采煤塌陷区地貌重塑、土壤重构和植被重建也有重要的参考 价值。 1 3 研究方案 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 野外调查和采样分析 对研究区的自然环境状况、复垦区的复垦工艺、复垦年龄、土地利用状况进 行调查，进行采样点的布设、样品采集，完成实验室样品分析工作。 ( 2 ) 复垦土壤生产力与环境质量评价 研究煤矸石复垦区不同覆土厚度土壤生产力水平，进行复垦土壤的环境质量 和农产品的健康风险评价。 ( 3 ) 复垦效应综合分析 分析复垦区土壤生产力、环境质量和及农产品质量安全等方面的综合效应， 以及影响采煤塌陷地复垦效应的因素。 1 3 2 技术路线 根据煤矸石复垦区的实际情况和现有的实验条件，为达到课题的预期目标， 特拟定7 j z n 下技术路线( 见图1 1 ) 。 6 绪论 图1 1 技术路线 f i 9 1 1t e c h n i c a lr o u t e 7 安徽理工大学硕士学位论文 2 1 位置与交通 2 研究区概况 淮南矿区位于安徽省淮北平原南部，淮河中游两岸。东起固镇长丰断层，西 至阜阳，北抵明龙山、上窑断层，南止阜阳、舜耕山断层。东西长约l o o k m ，南 北宽约2 5 k m ，面积约2 5 0 0 k m 2 。淮河自西向东流经市田家庵区，北岸为淮河平原， 南岸为丘陵岗地。淮南矿区属低山丘陵和淮河冲积平原交接部位，南部以丘陵地 貌类型为主，北部是淮河冲积平原。淮南交通便利，铁路、公路四通八达，内河 航运纵横交错，淮河常年通航，驳船可上通河南、下达沿海( 见图2 1 ) 。 2 2 自然与社会经济 2 2 1 气候条件 图2 1 研究区位置图 f i 薛1p o s i t i o nm a p o fr e s e a r c ha r e a 本区地处亚热带和暖温带的过渡地带，属暖温带湿润性季风气候，四季分明， 8 研究区概况 季风显著光照充足，热量丰富，降雨适中，无霜期长( 约2 3 0 天) 等构成了本区 气候的主要特征。 区内多年平均气温1 5 3 ，最高1 6 4 ，最低1 4 3 ，一年中气温最高 的是7 月，平均气温2 8 4 ，最低的是1 月，平均气温1 2 。一年四季中， 气温春季上升快，秋季下降快。极端最高温度达到4 1 4 c ( 1 9 5 9 年8 月2 8 日) ，最低温度为零下2 2 2 ( 1 9 5 5 年1 月1 6 日) 。 多年平均降水量为9 2 4 6 m m ，但年度间相差很大，季节雨水也不均匀。 夏季雨水最多，占年降水量的5 0 。春秋两季次之，分别占2 4 3 和1 7 8 。 冬季最少，占7 9 。平均年降水天数为1 0 7 天，其中，冬季1 9 3 天，秋季2 3 2 天，夏季3 1 6 天，春季3 2 9 天，年蒸发量1 6 1 3 2 m m 。 春夏季风多东风及东南风，冬季多东北及西北风，风力一般2 - - 4 级， 最大风力8 - - 一9 级，平均风速1 3 2 9 m s ，最大风速8 m s 。近年来各月气象 要素月平均值如表2 1 所示。 表2 1 各月气象要素月平均值统计表 t a b l e 2 1m o n t ha v e r a g ev a l u e ss t a t i s t i ct a b l eo fm e t e o r o l o g i c a le l e m e n t s 9 安徽理工大学硕士学位论文 2 2 2 地形地貌 市境以淮河为界形成两种不同的地貌类型，淮河以南为丘陵，属于江淮丘陵 的一部分；淮河以北为地势平坦的淮北平原，市境南、东为环绕而不连续的高低 丘陵，环山均有一斜坡地带，宽约5 0 0 1 5 0 0 m ，坡度1 0 0 左右，海拔4 0 7 5m ：斜 坡地带以下交错衔接洪水冲积二级阶地，宽5 0 0 2 5 0 0m ，海拔3 0 - 4 0m ，坡度2 0 左右；二级阶地以下是淮河冲积一级阶地，宽2 5 0 0 3 0 0 0m ，海拔2 5m 以下，坡 度平缓；一级阶地以下是淮河高位漫滩，宽2 0 0 0 - 3 0 0 0r n ，海拔1 7 2 0m ，漫滩 以下是淮河滨河浅滩。淮河以北平原地区为河间浅洼平原，地势呈西北东南向倾 斜，海拔2 0 - 2 4m ，对高差4 5m 。区内次级地貌分为五类。 ( 1 ) 侵蚀溶蚀丘陵 分布于本区东、南。西边缘的上窑山、舜耕山和八公山等，较高的山峰有蚂 蚁山、鹰嘴山、五层山、丁家山等大小山头9 0 多座，在区内绵延5 0 k m 。由于受 坡面流水的侵蚀和溶蚀作用，岩溶和沟谷较为发育，局部地区可见大的地面溶洞、 石芽、石笋、石林等岩溶地貌。岩性主要为寒武系及部分奥陶系石灰岩及残积、 坡积松散物。 ( 2 ) 山前斜地 主要在舜耕北麓、八公山西北坡，沿山前呈条状分布。自山前向北倾斜，坡 度约为3 0 - 7 0 ，相对高差为1 0 3 0 m 。地面冲沟发育，切割深度l o m 以上。主要岩 性为中更新统的坡积粘土、粘土夹砾石、含钙铝质结核。 ( 3 ) 堆积剥蚀侵蚀平原 为淮河的二级阶地，沿山前斜地坡脚带发育，地面标高大致在+ 3 0 , - - + 4 5 m 。 地面坡状起伏( 习称岗地) ，冲构发育。主要岩性为上更新统洪积及坡积亚粘土 或粘土夹碎石。 ( 4 ) 冲积剥蚀平原 为淮河的一级阶地，沿淮河流向，西窄东宽，在大通区及田家庵区以东最宽 达5 k m ，地面标高约+ 2 0 2 6 m ，相对高差大于6 m 。岩性主要为亚粘土、亚砂土， 局部为粘土，河流相沉积物。 ( 5 ) 河漫滩 沿淮河岸边发育，在田家庵区以东发育宽度最大达到2 k m 。地面标高为 + 1 8 - 2 0 m ，属近代河床相和泛滥相沉积物。岩性大部分为全新统沙土和亚砂土， 有些地段为粉土或亚粘土。 l o 研究区概况 2 2 3 社会经济 淮南市是一个以煤炭工业为主体，电力、化工为重点的较大型工业城市，到 “十五”末，市辖六区一县，其城镇数由原来的1 3 个将要增加到2 1 个。全市基 本格局是，随矿建镇，多点分片，片中有重点，形成一个由中小城区组成的城镇 群，工业布局纵横错落。全市现有工业企业8 0 0 余个，主要集中在淮河以南的田 家庵区、谢家集、八公山和大通区，其中轻工业约3 7 0 家，重工业4 5 0 家左右， 大、中型近2 0 家，小型企业8 0 0 多家。2 0 0 8 年，全市工农业生产相关指标如表 2 2 。 表2 2 淮南工农业生产发展相关指标 t a b l e 2 2p r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n ti n d e xo f h u a i n a ni n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a l 2 3 矿区地质概况 淮南煤田在构造单元上属于中朝准地台淮河台坳淮南陷褶断带( 即华北地台 豫淮褶皱带) 东部的淮南复向斜。东界为郑庐断裂，西临周口坳陷，北接蚌埠隆 起，南邻合肥坳陷，南北为洞山断裂和刘府断裂夹持。区内构造以北西西向构造 占主导地位，受后期强烈改造，但总体形态变化不大，复式向斜内次一级褶皱及 断裂发育。地质演化历史可分为前震旦纪、震旦纪一三叠纪、侏罗纪一第四纪3 个阶段，前震旦纪，淮南地壳处于活动阶段；震旦纪一三叠纪属于剧烈运动时期， 先后经历了蚌埠、凤阳、皖南、加里东、华西力、印支等运动。其间地壳几度隆 起沉降，形成了海陆交互相地层。特别是晚石炭纪和二叠纪时期海陆交互相的沉 积环境，成为煤炭资源良好的生成条件，从而形成了境内大量的煤炭资源。侏罗 纪一第四纪，经过燕山运动和喜马拉雅运动，逐渐塑造出了今天的地貌特征。 淮南矿区地层属华北地层区一一淮河地层分区一淮河地层小区：地层发育 主要为上太古界、上元古界、下古生界、中生界、新生界。主要煤系地层是中石 炭统本溪组、上石炭统太原组、下二叠统山西组、下二叠统下石盒子组、上二叠 统上石盒子组和上二叠统石千峰组。 淮南矿区内主要含煤地层为二叠系石盒子组和山西组，其次为石炭系太原 安徽理工大学硕士学位论文 组。除在舜耕山、八公山边缘及上窑山北麓有零星出露外，均被新生地层所覆盖。 二叠系总厚度大于1 9 0 0 m ，其中山西组、下石盒子组和上石盒子组( 下段) 为主要 含煤岩系( 厚约8 0 0 m ) ，一般含煤4 0 层( 最多达5 6 层) ，总厚3 0 4 0 米，自下而 上分为a ，b ，c ，d ，e5 个煤组，其中a ，b ，c 组为主要开采煤组，可采1 0 1 9 层，可采总厚度2 3 3 6 m 。石炭系太原组，含煤8 1 1 层，据现有资料，仅1 2 层 局部可采，目前尚未作为主要勘探对象进一步勘探。 淮南煤田的煤炭资源丰富。在一1 2 0 0 m 以上煤炭资源量达3 0 0 亿吨，- 1 0 0 0 m 以上为2 0 0 亿吨。现今勘探深度只有8 0 0 1 0 0 0 m ，已探明煤炭储量1 5 3 亿吨，其中 精查储量1 0 8 亿吨。淮南煤田是我国东部尚存煤炭资源量最多的煤田。 淮南煤田开发历史已逾百年，累计已产煤近5 亿吨，目前，淮南市区内生产 矿井共1 3 对，到2 0 1 0 年，煤炭年产量将达到7 0 0 0 万吨。淮南煤田正在被建设 成为年产亿吨的特大型煤炭工业基地。 2 4 矿区开采历史及环境现状 2 4 1 煤矸石成分和堆积量 煤矸石是煤炭开采的废弃岩石。露天煤矿剥离和煤层顶板及上覆岩层的煤 矸石岩性特征主要是砾岩、砂岩和泥岩；回采过程中排出的煤矸石一般是含炭砂 岩、炭质泥岩，因而含有一定的热值。选煤厂排矸是混入原煤中的伪顶和夹矸， 其岩性主要是炭质泥岩、粘土岩、粉砂岩和伴生高岭石粘土等，有一定的块度、 粒度，含炭、硫、铁、铝等，具有一定的热值。而地下采煤排矸以掘进矸石为主， 主要是煤层顶、底板岩石，另外还含有一定的煤，这主要是在掘进岩层中夹有薄 煤层、煤质泥岩时排矸引起的。所以这时排出的是混合煤矸石煤矸石的组成及性 质是矸石综合利用的基础，综合利用方法因煤矸石的组成而异 3 4 1 。淮南矿区主要 煤矿煤矸石的化学分析结果如表2 3 所示。 1 2 研究区概况 表2 3 煤矸石化学成分 t a b l e 2 3c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc o a ! g a n g u e 淮南市是安徽重要的产煤大市，煤研石是煤炭开采中排放出的最大量固体废 物，其排放量约占煤炭产量的2 0 左右( 井工开采) 。据统计，淮南市煤矸石3 4 处，堆体占地面积已达6 2 1 k i n 2 ，占淮南固体废弃物总面积的4 6 7 。主要分布 在市区西部八公山至赖山集一带，沿孔集、李嘴孜、毕家岗、新庄孜、谢家集( 一 矿、二矿、三矿) 及李邱孜( 一矿、二矿) 煤矿周围分布。 2 4 2 煤矸石对矿区环境的影响 伴随煤炭的开采，将有大量的煤矸石产出。煤矸石除占用矿区大片土地外， 还对周围环境介质( 水体、大气、土壤生态等) 及自然景观等构成严重的损害及 破坏。一般而言，煤矸石对环境的威胁主要来自以下四个方面： 一是煤矸石长期堆积于地表，由于物理、化学、生物作用而风化，从而产生 大量的细微煤矸石颗粒，随着风刮等作用，进入大气环境，使得大气中颗粒物浓 度增加、空气能见度降低。 二是煤矸石发生风化作用时，原含有的矿物( 如石英、长石。云母等硅酸盐 矿物) 被破坏，产生此生矿物( 如蒙脱石、伊利石、高岭石等) 的同时，其释放 出的大量有毒重金属元素就有可能被雨水或其它水源淋滤出来进入到环境中去， 对矿区周围的生态系统产生一定的影响【3 5 3 6 】。 三是煤矸石中大量的硫化物矿区在其自然风化过程中，大气和水体中的氧的 氧化作用及嗜硫微生物的作用会导致酸性条件的形成，促使煤矸石中重金属形成 游离态或活性态而随雨水迁移【3 7 1 。 四是煤矸石中有害物质在向外界释放的同时，在已风化煤矸石存在大量有机 质和铁的胶体，这些微量重金属元素没能完全进入环境中去，而是部分被上述有 安徽理工大学硕士学位论文 机质和胶体吸附。 2 4 3 采煤塌陷区 采空沉陷区是指地下煤层采出后，上部覆岩、覆土失去支撑，力学平衡被打 破，在重力和应力的作用下重新调整，随之发生弯曲变形、断裂、位移，导致地 面塌陷下沉，并形成地表低洼的沉陷地。变形移动一般分为四个阶段：初时阶段、 活跃阶段、衰退阶段和稳定阶段【3 8 】。 淮南矿区的煤矿，经常规采煤所形成的沉陷盆地共划分为六个采煤塌陷区， 分别为九大沉陷区、谢李沉陷区、新李沉陷区、潘集沉陷区、张谢沉陷区和新集 沉陷区。共形成了采空区平面投影面积6 8 5 k i n 2 ，造成地面沉陷盆地总面积达到 13 2 8 2 k i n 2 。 1 4 土地复垦利用概况 3 1 基本概念 3 土地复垦利用概况 ( 1 ) 土地复垦 在我国，对土地复垦内涵的界定一直在争议中逐渐完善。国外的土地复垦是 一保护生态环境为主要目标，其内涵十分广泛；而在我国，限于实际情况，将土 地复垦的目标定义为“可供利用的状态 ，并将复垦耕地作为重点。为了与国际 接轨以及适应我国加入w t o 的形势，国内一些学者鉴于国内外在“r e c l a m a t i o n 方面认识的差异，建议将“复垦”研究的内涵扩大，迫切要求我国的复垦工作于 国际接轨，以前只重视