煤炭全生命周期环境行为及其对土地资源的影响

摘要

煤炭资源是国民经济发展的重要物质基础，其开发利用过程具有明显的生命周期性。不同生命周期阶段，煤炭资源的生产方式与利用行为不同，对生态环境的污染形式和程度不同，产生的环境影响行为特点也各不相同。本论文在界定煤炭全生命周期内涵的基础上，划分了煤炭全生命周期阶段，研究了煤炭不同生命周期阶段污染物贡献及其分布特征，重点估算了煤炭开采阶段瓦斯碳源与土壤-植被碳汇量，分析了煤炭利用阶段土壤重金属的分布特征，并评价了煤炭不同生命周期阶段环境行为及其对土壤环境影响的累积效应和对土地损毁占用的累积特征，得到如下主要结论：
　　（1）划分了煤炭开采、煤炭加工、煤炭运输、煤炭利用和废弃物处理5个阶段的煤炭全生命周期，较好体现了煤炭全生命周期的完整性和不同阶段的差异性，有利于煤炭生态风险评估的系统研究，指出煤炭开采和利用阶段是煤炭环境风险潜能释放的两个重要阶段。
　　（2）建立了煤炭开采阶段瓦斯碳源温室效应潜能及区域生态系统碳汇的计算模型，对徐州贾汪矿区煤炭开采阶段瓦斯碳源和土地利用变化引起的碳汇效应进行了研究，结果表明：①我国开采1t煤瓦斯碳源温室效应潜能值为108.11 kg CO2当量，研究期贾汪区瓦斯碳源温室效应潜能总值为1267.90万t CO2当量，是其同期植被-土壤碳汇总量187.49万t CO2当量的6.76倍。②煤炭开采活动削弱了区域生态系统的碳汇能力，贾汪区2010年植被-土壤碳汇能力比1990年下降了10.23%，而同期徐州植被-土壤碳汇能力整体相对稳定。③煤炭开采活动影响区域生态类型，水域负碳汇影响大幅度增强，贾汪区水域负碳汇量以3.51%的速度逐年递增，累计增幅达73.79%，而同期徐州水域负碳汇则整体减少。④水域面积和建设用地面积在开采期单调增加，在多个煤矿闭矿后碳汇衰减趋势并未减弱，水域负碳汇量依然呈上升趋势。在1990-2000年的贾汪区煤矿扩产阶段及随后10年的煤矿陆续闭矿阶段，贾汪区年植被-土壤碳汇量分别减少4.10%和6.39%，水域负碳汇量分别增加55.33%和11.89%。
　　（3）分析了煤炭利用阶段徐州地区七种土壤重金属的分布特征：①Cd、As和Zn含量均值低于国家土壤质量二级标准和徐州土壤背景值；Cr、Cu、Hg和Pb含量均值未超过土壤环境质量标准，但超过徐州土壤背景值，形成相对污染；样点中7种元素含量最大值均超过徐州土壤背景值，存在相对污染。②Cr为相对严重污染，Cd为相对轻度污染，其主要影响因素包括煤炭开采、砖窑燃煤及风向等。③定量分析了小尺度范围内污染相对严重的Cr含量分布与pH值、有机质、有机碳、到矿区距离、到城市距离以及到河流距离等影响因子之间的关系，并建立了Cr相对重度、中度及轻度污染区域的影响因素回归模型。其中，相对重度污染区pH值、有机质、有机碳相关系数分别为0.7262、0.6914、0.6891；相对中度污染区矿区距离、城市距离、河流距离相关系数分别为-0.6775、-0.7216、-0.6263；相对轻度污染区pH值、有机质、有机碳相关系数分别为0.9745、0.476、0.471。相对重度和轻度污染区土壤理化性质对Cr分布影响较大，相对中度污染区的矿区、城市、河流均为影响Cr分布的重要因素。
　　（4）采用地累积指数和潜在风险指数研究了徐州煤炭环境行为的累积效应，结果表明：①煤炭燃烧排放的净烟气中Cd、Hg和原烟气中Cd存在较强生态风险，净烟气中Cr、Pb和原烟气中的Hg、Pb存在中等生态风险，净烟气中As和原烟气中Cr、As基本未呈现生态风险表征。②煤炭燃烧产生的煤、渣、灰中，渣和灰中重金属对土壤潜在危害程度较高，煤中重金属元素属中等危害程度。重金属元素对土壤环境的危害程度中，Hg元素最高，Cd元素相对较高，元素Pb、As、Cr较低。
　　（5）分析徐州煤炭全生命周期各阶段的环境影响，提出徐州煤炭环境行为的具体改善措施；分析我国煤炭环境行为的区域特征及内在和外在影响因素，提出树立煤炭全生命周期绿色协同开发理念、加强煤矿区自然条件调查及发展新能源等减轻煤炭环境行为负面影响的具体响应策略。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 研究背景与选题依据（Research Background and Topic Basis）

1.2 煤炭与煤矿全生命周期研究进展 (Progress of Whole Life Cycle on Coal and Mine)

1.3 煤炭环境行为研究综述 (Research on Coal Environmental Behaviors)

1.4 研究内容、方法及技术路线（Research Contents, Approach and Technical Course）

2 煤炭全生命周期阶段划分及其清单

2.1 划分依据（Division Basis）

2.2 阶段划分（Phases Division）

2.3 煤炭全生命周期五阶段主要特征（Characteristics on Five Phases of Coal Whole Life Cycle）

2.4 煤炭全生命周期特征清单（Characteristics Inventory of Coal Life Cycle）

2.5 煤炭赋存主要环境影响元素及潜在环境风险清单（Inventory of Major Environmental Elements and Emission Potential of Pollutants from Coal）

2.6 本章小结（Summary）

3 煤炭开采阶段瓦斯碳源与土壤碳汇估算研究：以贾汪矿区为例

3.1 贾汪矿区概况 (Background of Jiawang Mining Area）

3.2 土地利用结构（Land Use Structure）

3.3 煤矿区开采形成的碳源/碳汇变化机制 (The Change of Carbon Source and Carbon Sink in Coal Mining Area)

3.4 瓦斯碳源排放测算 (Estimation of Gas Carbon Source)

3.5 土壤-植被碳汇估算(Estimation of Soil-Vegetation Carbon Sink)

3.6 贾汪矿区碳收支分析(Analysis of Carbon Budget in Mining Area, Jiawang)

3.7 本章小结（Summary）

4 煤炭利用阶段土壤重金属空间分布研究：以徐州地区为例

4.1 研究区概况(Situation on Study Area)

4.2 数据来源与研究方法 (Data Collection and Research Methods)

4.3 七种土壤重金属空间插值分析(Spatial Interpolation Analysis of Heavy Metals in Soil)

4.4 污染相对严重的Cr元素分布特征 (Distribution Characteristic of Relativistic Serious Pollution Cr)

4.5 基于最小二乘法Cr回归模拟 (Regression Simulation Based on Partial Least Squares of Cr)

4.6 本章小结（Summary）

5 煤炭环境行为的累积效应及其对土地的影响研究：以徐州地区为例

5.1 煤炭环境行为的累积效应(Cumulative Effects of Coal Environmental Behaviors )

5.2 徐州燃煤环境行为的累积效应 (Cumulative Effects of Environmental Behaviors on Coal Combustion in Xuzhou)

5.3 燃煤对土壤重金属的潜在生态风险 (Potential Ecological Risk of Soil Heavy Metals in Coal Burning)

5.4 煤炭环境行为对土地的损毁占用评估 (Evaluation of Land Damage Caused by Coal Environmental Behaviors)

5.5 本章小结（Summary）

6 煤炭环境行为的影响分析与响应策略

6.1 徐州煤炭全生命周期环境行为影响分析 (Environmental Behavior Characteristics of the Whole Life Cycle of Xuzhou Coal)

6.2 我国煤炭环境影响的区域特征 (Characteristics of Coal Environmental Behaviors in Different Regions)

6.3 煤炭环境行为影响因素 （Consequences of Coal Environmental Behaviors and their Influencing Factors）

6.4 煤炭环境行为的响应策略 (Response Strategies of Coal Environmental Behaviors)

6.5 本章小结（Summary）

7 结论和研究展望

7.1 结论（Conclusions）

7.2 创新点（Innovations）

7.3 研究展望（Suggestions）

参考文献

作者简历

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