基于煤矸石充填的重构土壤水分运移特征及环境效应——以淮北矿区为例

摘要

煤炭开采与燃烧利用引发很多环境问题，主要有大面积地表塌陷造成耕地损失，破坏区域生态环境;煤矸石等煤系伴生物产生和燃煤电厂固体废弃物的排放压占土地，通过扬尘与淋滤液等污染周围大气、水体和土壤环境。为应对这些环境问题给矿区可持续发展带来的挑战，利用固体废弃物进行土壤重构和生态环境修复的工程措施在矿区被较多地实施，其中煤矸石作为充填基质是一种重要的形式。充填重构土壤与自然农业土壤在物理性质和水分、养分和溶质的条件与运移方面均存在较大的差异。
　　论文通过现场调查、盆栽试验、土柱试验和参数指标的实验室分析测试，研究了淮北的煤矸石的资源特征，煤矸石充填重构土壤水分入渗和养分迁移规律，建立了煤矸石充填重构土壤水分运移概念模型。
　　(1)通过对淮北煤矸石的资源调查，对煤矸石结构组分和矿物岩石组成进一步研究，得出所分析的临涣、许疃、朱庄、祁南、桃园等5个煤矿所排放的煤矸石，其矿物组成均以粘土矿物和石英为主，临涣洗选矸中粘土矿物相对较高。
　　(2)应用土柱试验，探讨充填重构土壤煤矸石层水分竖直上移特征，并建立二次曲面响应函数模型模拟毛管水上移高度与煤矸石层的容重、泥岩含量以及细颗粒含量之间关系规律。在给定地下潜水位条件下，若不考虑地表蒸发的影响，煤矸石层水分竖直上移的高度可用二次曲面响应模型来描述，模型计算值和实测值之间，r=0.777**，RMSE=3.5319，EF=0.5607。
　　(3)通过分析煤矸石充填重构土壤及其渗滤液的重金属含量和环境效应可知:煤矸石对充填重构土壤中重金属含量变化存在一定影响，其中As元素含量变化最大，其次为Cd元素，Cu、Zn、Cr变化程度相当，Pb与Hg在土壤中的迁移较少，变化较小。煤矸石充填重构土壤的重金属综合污染程度为“清洁”，单项污染指数中Cd出现过“轻度污染”，其余都处在“清洁”等级。渗滤液中As、Cu、Pb含量数量级相当(0.00)，Cd、Cr两种元素含量数量级相当(0.000)，Zn元素含量数量级最大(0.0)，Hg元素含量数量级最小(0.0000)，且均不会产生危害。
　　(4)入渗试验中，煤矸石充填重构土壤中表层剖面含水量随时间与深度的变化主要与煤矸石充填基质、重构土壤入渗率、重构土壤初始含水量、重构土壤相对密度的有关。细粒试验柱土壤的含水量最接近饱和含水量，与其细粒含量高，与土壤级配最接近有一定的关系。在蒸发试验中，四种不同充填方式，土壤含水量均随着蒸发天数的增加而下降，其中选矸试验柱煤矸石充填重构土壤中表层剖面含水量随时间的变化最少，粗粒试验柱煤矸石充填重构土壤中表层剖面含水量随时间变化最大;随着蒸发的进行，粗粒试验柱煤矸石充填重构土壤表层最终含水量最少，与下垫面大颗粒过多，持水能力低有关。
　　(5)分别建立了不同下垫面的入渗率与时间的模型:
　　选矸试验柱入渗模型可以表示为:i(t)=0.05+0.11e-0.0015t
　　均匀粒试验柱入渗模型可以表示为:i(t)=0.75t-0.5+0.06
　　细粒试验柱入渗模型可以表示为:i(t)=0.6t-0.5+0.02
　　粗粒试验柱入渗模型可以表示为:i(t)=0.04+0.1 e-0.0017t
　　利用淮北市2011年和2012年月降雨量和蒸发量，依据上述模型，应用Hydraus-1D软件模拟重构土壤水量平衡特征，对试验中四种煤矸石下垫基质上覆土壤含水量进行预算。煤矸石充填表层重构土壤在自然降雨蒸发情况下，初期的上覆表层重构土壤含水量变化不大。煤矸石充填重构土壤整个剖面含水量在均徘徊在凋萎系数和田间含水量之间，能够满足植物生长需求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外相关研究综述

1．2．1 土地复垦研究现状

1．2．2 土壤水分运动特征研究现状

1．2．3 土壤水分运动方程与入渗模型

1．2．4 土壤盐分运移及作物响应研究

1．2．5 重构土壤重金属污染研究

1．3 研究目标与内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 研究技术路线

第2章 煤矸石及其基本特征

2．1 煤矸石的概述

2．2 淮北煤矸石的总体特征

2．3 煤矸石的野外调查与样品采集

2．4 淮北煤矸石的岩石学特征研究

2．4．1 煤矸石的外观特征描述

2．4．2 煤矸石矿物成分特征

2．4．3 煤矸石中高岭石结晶度指数计算

2．4．4 煤矸石的主要化学成分特征

2．5 煤矸石对地下水的吸附试验研究

2．5．1 试验材料及装置

2．5．2 试验过程

2．5．3 试验结果与分析

2．6 煤矸石充填重构土壤水分有效性

2．6．1 表层土壤含水量

2．6．2 小麦出芽率

2．6．3 生物量

2．6．4 相关性分析

2．7 本章小结

第3章 煤矸石充填重构土壤水分运移试验

3．1 试验材料

3．1．1 煤矸石样品采集与处理

3．1．2 土壤样品采集与处理

3．2 土柱试验设计

3．2．1 土柱结构

3．2．2 试验过程

3．3 煤矸石充填重构土壤剖面含水量变化

3．3．1 入渗试验表层重构土壤剖面水分变化

3．3．2 蒸发试验表层重构土壤剖面水分变化

3．4 入渗率分析

3．5 入渗模型

3．6 累积入渗量模型

3．7 入渗率累计入渗量对比分析

3．8 湿润锋

3．9 本章小结

第4章 土壤含水量时空变化与模拟

4．1 土壤含水量时空演变过程

4．1．1 入渗条件下表土含水量变化

4．1．2 蒸发条件下表土含水量变化

4．2 土壤水分运动模拟计算与验证

4．2．1 数学模型

4．2．2 灌溉入渗条件下模型的验证

4．2．3 蒸发条件下模型的验证

4．3 煤矸石充填重构土壤水量平衡模拟

4．4 本章小结

第5章 重构土壤速效养分剖面分布特征研究

5．1 煤矸石充填重构土壤pH值变化

5．1．1 入渗条件下pH值变化情况

5．1．2 蒸发条件下pH值变化情况

5．2 煤矸石充填重构土壤养分含量变化

5．2．1 入渗条件下铵态氮含量变化

5．2．2 蒸发条件下铵态氮含量变化

5．2．3 入渗条件下速效磷含量变化

5．2．4 蒸发条件下速效磷含量变化

5．2．5 入渗条件下有效钾含量变化

5．2．6 蒸发条件下有效钾含量变化

5．3 煤矸石充填表层重构土壤渗滤液

5．3．1 pH值变化

5．3．2 铵态氮含量变化

5．3．3 速效磷含量变化

5．3．4 有效钾含量变化

5．4 本章小结

第6章 煤矸石充填重构土壤重金属环境效应

6．1 煤矸石样品主要重金属类型及丰度

6．1．1 样品采集与处理

6．1．2 试验方法

6．2 重构土壤及其渗滤液重金属含量特征

6．2．1 重构土壤重金属含量特征

6．2．2 渗滤液重金属含量特征

6．3 基于重构土壤及其渗滤液重金属含量的污染评价

6．3．1 重构土壤重金属污染评价

6．3．2 渗滤液重金属污染评价

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 问题与展望

参考文献

致谢

作者简介及读博期间主要科研成果