基于水分特性的采煤沉陷地充填复垦黄河泥沙容重优选

为探究黄河泥沙容重与水分运动特征参数的关系,优选黄河泥沙充填复垦的最佳容重设计,运用土壤的概念和性质进行类比研究。根据不同容重条件下饱和含水率与饱和导水率的实测值、van Genuchten模型中进气吸力相关参数?和经验参数m的模拟值,分别建立经验模型,相关系数0.992~0.995(P0.01),决定系数0.938~0.990,理论值与实测值相对误差均控制在10.77%以内。研究结果:1)饱和含水率与饱和导水率均随黄河泥沙容重的增大而减小;2)黄河泥沙中非毛管孔隙度占比高,渗透初期非饱和导水率大,在低吸力段迅速失水;3)黄河泥沙容重为1.5 g/cm3毛管孔隙度最大,更有利于土壤有效水分的保持。在黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的实践过程中对黄河泥沙充填层进行合理的机械压实,使容重控制为1.5 g/cm3,能够在一定程度上提高黄河泥沙的持水性,实现黄河泥沙充填复垦耕地生产力水平的提高。     

引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地技术的试验研究

为探寻适合中国东部高潜水位平原矿区的土地复垦新技术,该文选取济宁市北部试验场为研究对象,介绍了引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的新技术,包括技术工艺流程、复垦后地貌景观、复垦土壤剖面状况、复垦土壤理化性状以及复垦农田生产力。结果表明:1)短距离引黄河泥沙充填复垦技术在济宁市北部试验场得到了成功应用,土地复垦率为100%,耕地面积恢复率达95%,证明了引黄河泥沙充填复垦技术的可行性;2)黄河泥沙充填复垦土壤剖面的保水保肥性能存在一定的不足,复垦农田的表层(0~20 cm)、中层(20~50 cm)和底层(50~80 cm)土壤的含水量、全氮、速效钾、有机质含量以及表层(0~20 cm)土壤的有效磷含量均小于对照农田相应层的含量,且复垦农田土壤全氮和有机质较为缺乏,限制了农作物的生长;3)实地测产发现充填复垦农田的产量只有对照农田的一半左右,说明需要对充填复垦工艺进行革新和复垦土壤进行改良。论文在分析引黄充填技术可行性的基础上,提出了未来需要革新的4个方面:复垦土壤剖面重构的革新、水沙快速分离的充填排水工艺革新、动水条件下高效取沙设备的优选与革新以及远距离管道输沙技术参数优选。引黄河泥沙充填复垦技术对滨黄河流域的河南、山东等省很多矿区的采煤沉陷地都具有推广应用价值。     

采煤沉陷地粉煤灰充填复垦土壤元素淋溶特性实验研究

以采煤沉陷地粉煤灰充填复垦土壤的污染问题为研究背景，从措施的实地可操作性出发进行实验设计，采取了灰土，灰矸不同比例混合和隔层排列处理措施，对淋溶液中各检测元素的含量进行了分析和比较。结果表明，粉煤灰中大部分元素在淋溶液中含量高，淋溶作用强烈，在各种元素中，大多数污染重金属元素在淋溶液中的含量极低，只有铬的含量略高。不同处理设施对粉煤灰的淋溶特性有显著影响。     

黄河泥沙充填复垦耕地表层土壤垂直入渗特性研究

采用单圈入渗法,以当地原有长期耕种的耕地为对照,对引黄河泥沙充填复垦第2年的耕地表层土壤水分垂直入渗过程进行了现场测定,探讨复垦耕地耕种第2年的入渗特性,分析比较不同复垦时间的土壤入渗结果,并选用5种入渗模型对入渗特征曲线进行了拟合。结果表明:充填复垦第2年对照耕地的初始入渗率、稳定入渗率平均值分别是充填耕地的1.12倍和2.19倍,充填耕地呈上层表土入渗能力差、下层泥沙保水性能差的特性,有待改良;充填耕地各试验点间入渗率差别较小,入渗能力稳定;充填复垦第2年充填耕地初始入渗率、稳定入渗率平均值分别是第1年的1.51倍和1.43倍,充填耕地入渗率显著提高(P0.05),耕种措施有改善充填耕地入渗能力的作用。Mezencev模型对充填耕地土壤入渗特征拟合效果最佳,Kostiakov模型对对照耕地土壤入渗特征拟合效果最佳;综合充填耕地和对照耕地而言,Mezencev模型具有最佳的拟合效果,其次为Kostiakov模型、NRCS模型、Horton模型和Philip模型;各模型的RMSE、R2、SSE和Ajust-R2指标显示,模型评价具有较好的一致性。     

王庄煤矿采煤沉陷区充填复垦现状及改进措施

山西省王庄煤矿主要位于农耕区,采煤导致土地大面积沉陷,耕地数量减少,且质量下降,单产锐减,致使矿群关系恶化。在煤炭开采和洗选加工过程中产生的煤矸石以及电厂发电排放的废渣粉煤灰是王庄煤矿的主要固体废弃物,煤矸石和粉煤灰平地起堆不仅压占了大面积土地,还污染了生态环境。以潞安集团王庄煤矿为例,分析了王庄煤矿采煤沉陷区充填复垦工作现状及不足,并提出了具体改进措施:一是运用化学方法改变土壤的酸碱性,以适于植物生长;二是优化施工工艺,降低对土壤的破坏;三是优化充填工艺,防止煤矸石、粉煤灰中有害物质的迁移及对周围环境造成污染;四是优化充填方法,对作为建设用地的充填地基实施加固处理。     

黄河泥沙充填复垦中土工布排水拦沙效果的模拟试验

为验证土工布用于加速引黄河泥沙充填采煤沉陷地的后期侧向排水及降低排水中泥沙含量的效果,在室内进行了基于土工布的泥沙充填排水模拟试验。该试验在玻璃槽内完成,设计3个试验处理,分别为ZT-250(整个断面开口+铁丝网+ZW-250土工布)、ZT-300(整个断面开口+铁丝网+ZW-300土工布)以及CK(断面中间部分开口+可调节高度的塑料板)。测定了3个处理的排水含沙量及泥沙粒径、玻璃槽内表层泥沙粒径以及充填表层和底层泥沙含水率随时间的变化。结果表明:1)3种处理排水含沙量整体差异较小,但使用土工布处理的排水含沙量随时间的延长逐渐降低,而对照处理排水含沙量随时间的延长逐渐增大;2)排水初期和中期,对照CK的排水中泥沙的黏粒含量均高于使用土工布的2个处理。排水后期CK的黏粒含量介于处理ZT-250和ZT-300之间。随着试验的进行,使用土工布的2个处理排水中泥沙的黏粒含量逐渐升高,粉粒含量逐渐降低,而对照处理呈现相反的变化趋势。使用土工布的2个处理拦沙效果较为稳定。3)3种处理充填表层泥沙粒径级配无明显差异,但使用土工布处理充填的表层泥沙的极细砂粒含量较高。4)3种处理充填泥沙表层和底层含水率变化存在差异,使用土工布可以加速泥沙中过饱和水的排除,其中处理ZT-250排水效果最好。该研究可为中国东部高潜水位平原矿区采煤沉陷地引黄河泥沙充填复垦的快速排水工艺革新提供依据。     

采煤沉陷地新型修复材料研究

采煤引起的土地不均匀沉陷是造成水土流失、环境污染和土地荒芜的主要原因，但在目前的复垦工作中，矿区覆土来源的缺乏严重影响着复垦的进度。本研究利用有机、无机废渣混配的一种新型复垦材料(基质)进行了试验分析。研究结果表明：粉煤灰和糠醛渣以4：1～9：1的质量比混配的新型基质适合苜蓿、黑麦草和其它类似植物正常生长的肥力标准，为沉陷地的修复提供了新的理论与途径，而且以废治废，大大降低了复垦成本。同时，对有效控制水土流失，扩大耕地面积，促进经济、社会及生态环境的持续健康发展具有重要作用。     

中国东北多煤层老矿区采煤沉陷地损毁特征与复垦规划

多煤层老矿区开采时间长,土地损毁程度严重,沉陷地再利用情况复杂。该文通过实地调查和搜集各煤矿地质地形图、采掘图、储量图和采矿历史等资料,借助矿区沉陷预计软件(MSPS),运用概率积分法对鹤岗矿区沉陷地近期(2014-2020年)和远景(2021年-闭矿)2个阶段进行沉陷预测,并采用ArcGIS软件对数据进行统计分析。根据有关规程中各地类沉陷地损毁程度判定标准对鹤岗采煤沉陷地损毁程度进行划分。基于鹤岗采煤沉陷地损毁特征,提出鹤岗矿区沉陷地时空复垦的规划模式。结果表明:随着煤炭不断开采,多煤层老矿区沉陷范围不断扩大,土地损毁程度加重,地表最大下沉深度达39.4 m;沉陷地在进行再利用过程中存在阶段性变化特征,可根据特定阶段沉陷地损毁特征制定土地用途。沉陷地区域稳定性特征和损毁程度是进行沉陷地时空复垦规划的重要依据。从时间安排看,应以闭矿沉陷地损毁程度为着眼点,全面考虑,确定各区域稳沉时序,鹤岗采煤沉陷划分为优先永久治理区、优先临时治理区、动态治理区和未来治理区;从空间布局看,前3个治理区功能定位依次为接续替代产业用地、短期工业用地和农业用地。     

黏土夹层位置对黄河泥沙充填复垦土壤水分入渗的影响

在中国东部地区,土地复垦的一项重要任务是将采煤沉陷地复垦为耕地,复垦后的耕地生产力水平应接近损毁前的水平。然而,采用传统的黄河泥沙一次性充填后覆盖一定厚度土壤层的复垦方式,复垦后土壤持水性差,生产力水平低。夹层式充填复垦能够有效改善传统充填复垦土壤的水分特性,该文研究夹层位置对黄河泥沙填复垦土壤水分入渗过程的影响,共设计当地普通农田土壤剖面(CK1),传统"上土下沙"土壤剖面构型(CK2)及5个夹层式土壤剖面构型处理T1～T5:在60 cm厚的黄河泥沙充填层中的不同位置夹20 cm厚心土层(黏土层),夹层距离表土距离分别为50 cm(T1),55 cm(T2),60 cm(T3),65 cm(T4)及70 cm(T5)。通过室内入渗试验,分析不同位置设置夹层后土壤水分入渗特性及含水率分布情况,优选适应于该地区的夹层式土壤剖面构型。结果表明:入渗率随着夹层深度的增加呈先增加后减小的趋势,即夹层位置距离土表55cm为一临界深度,此时重构土壤的入渗率最低、湿润锋的运移速度最慢、阻水效果最强,但考虑到研究区强降雨天气,易形成地表径流。当心土夹层位置距离土表60cm时,更接近普通农田土壤水分入渗特性,是黄河泥沙夹层式充填复垦的理想选择。该研究对深入探讨黄河泥沙夹层式充填复垦内部作用机理和指导滨黄河地区采煤沉陷地的土地复垦具有重要意义。     

采煤沉陷地一种复垦基质植物生长试验研究

将粉煤灰分别与污泥、酒糟按4∶1的质量比混合组成新型复垦基质,利用盆栽试验研究了该基质上苜蓿、棉花、高羊茅、早熟禾的生长情况以及基质主要化学性质变化。结果表明：4种植物均可在基质中生长,而且基质中生长的植物叶绿素含量均超过对照;种植前后基质中的有机质含量变化不大,而速效养分含量由于灌溉和雨水的淋洗有所降低,但仍维持较高水平,盐分含量明显降低;从测定的As、Cr、Pb、Cd、Cu、Zn的含量来看,除Cd外均低于土壤环境质量二级标准值。总之,该基质能够基本满足植物生长的需要,但最好种植非食用植物。这不仅开辟了粉煤灰、酒糟、污泥农业利用的新途径,而且为采煤沉陷地的修复提供了以废治废、节土造田的新理论与模式。     

黄河流域矿区充填复垦泥沙供需状况及输沙路径分析

引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地是减轻黄河淤积和提升矿区复垦率的有效途径,有助于改善区域生态环境。该文以黄河主要淤积河段及沿岸150km范围内的23个国家规划矿区为研究区,分别采用沙量平衡法和开采沉陷预计法估算了黄河流域矿区充填复垦泥沙的供给量和需求量,初步分析了适宜引黄充填复垦矿区并设计了概略输沙路径。研究结果表明:1950—2013年,黄河主要淤积河段的总泥沙淤积量约为144.31亿t;截至2013年,各规划矿区充填复垦总需沙量约为225.12亿t;综合考虑泥沙供需状况和输沙距离2个因素,包头、义马、焦作、郑州、肥城、黄河北、淄博7个近距离矿区和乌海、平顶山、晋城、鹤壁、新汶5个中距离矿区适宜黄河泥沙充填复垦,需沙量和需调用水量分别为90.19和148.81亿t;各适宜充填复垦矿区的概略输沙路径长度处于21.98～109.02km,总长度约为643km。研究成果可为黄河泥沙充填复垦技术推广提供前期专题性基础数据,为后续可行性研究、规划设计及充填复垦等相关政策制定提供参考。     

水土保持对黄河输沙量的影响

采用回归分析方法,研究水土保持对1954—2005年黄河年输沙量的影响。结果表明：1）从24个备选自变量因子中筛选出的由＂河口镇到吴堡区间7—8月降雨量＂＂水土流失治理度＂和＂ln‘河口镇到龙门区间年降雨量’＂3个自变量组成的多元非线性回归方程,相关系数达到0.883,在α=0.001的水平上高度显著,该回归方程＂解释＂了1954—2005年黄河年输沙量76.5%的变化;2）水土流失治理度能够很好地＂解释＂20世纪80年代以来黄河年输沙量减少的趋势;3）当河口镇到吴堡区间7—8月降雨量处于最大观测值时,水土流失治理度由0增加到50%,计算年输沙量减少幅度超过20亿t/a;4）治理程度相同时,水土保持对黄河年输沙量的影响是降雨量大的大于降雨量较小的。     

高潜水位平原区采煤塌陷地复垦土壤形态发育评价

土壤的形态特征含有丰富的环境信息,是环境变化与生态重建的重要依据,可以推断土壤发育的强弱。矿山复垦土壤为人造新土壤,可能构造出不同的土壤形态,复垦土壤形态特征的研究对复垦土壤生产力的提高和复垦技术的革新具有重要意义。该文以高潜水位平原区采煤塌陷地复垦土壤为研究对象,探讨定量评价复垦土壤形态发育状况。研究采用实地调查和室内分析相结合的方法,依据中国土壤系统分类用土壤剖面描述标准,构建了复垦土壤形态发育评价体系,进行土壤形态定量评价。结果表明,形态发育指数HI(土层发育指数)和WPDI(土壤权重剖面发育指数)能够较好的反映复垦土壤与当地原状土壤的发育程度差异:复垦土壤土层发育指数HI和土壤权重剖面发育指数WPDI平均值分别为0.57、0.56,而当地原状土壤HI和WPDI的平均值为0.68、0.69,表明复垦土壤形态发育程度相对较弱;HI曲线形状异于原状土壤,表层HI高于其他土层,不同复垦方式的WPDI显示的发育程度序列为:充填复垦(外源土)>挖深垫浅>挖深垫浅(泥浆泵)>充填复垦(粉煤灰、煤矸石等);随复垦时间的延长,复垦土壤发育程度呈现增长趋势。     

肥-沙混施对盐碱地冬小麦群体库源关系的影响

为明确掺黄河泥沙同时配施生物有机肥(肥-沙混施)条件下盐碱地冬小麦群体库、源的特征及变化规律,探讨肥-沙混施条件下作物库源动态变化特征,探求盐碱地冬小麦产量的限制因子,为盐碱地改良和开发利用提供理论依据,采用大田定位跟踪调查方法,于2015—2018年连续3个冬小麦生长季在河北省南皮县开展试验。设置掺黄河泥沙(SS)、配施生物有机肥(FF)、肥-沙混施(SF)和空白对照(CK)4个处理。结果表明,所有处理小麦旗叶花后净光合速率呈逐渐下降趋势,开花—花后20 d的平均值表现为SFFFSSCK, SF、FF和SS分别比CK高12%、10%和4%以上,尤其在花后20 d, SF、FF和SS仍能维持较高的光合性能,分别比CK高55.08%、27.32%和1.88%。随生育进程光合势呈单峰曲线变化,孕穗—开花期达到最大,开花30d后群体光合势快速下降,表现为SFFFSSCK,SF、FF和SS在孕穗—开花期的3年平均光合势依次分别比CK提高29.02%、18.79%和10.62%;其花后总光合势分别比CK高41.66%、24.72%和13.94%。在表征源库关系的指标上, SF的全生育期、开花前和开花后源生产能力均为最高,分别比CK高34.06%、40.52%和28.15%;SF的穗数、总粒数、最大潜在库容和有效库容量均为最高, 3年平均分别比CK高25.69%、30.00%、42.06%和38.84%。SF的产量、开花后源生产能力的转化率、粒叶比和经济系数均为最高,3年平均比CK提高41.08%、9.53%、8.50%和4.01%。本研究条件下,小麦的有效库容量与总穗数和穗粒数呈极显著正相关。总穗数和总粒数是影响盐碱地冬小麦产量的关键因子。掺黄河泥沙或配施生物有机肥均能够提高小麦光合性能,提高源生产能力,促进源库转化。掺黄河泥沙同时配施生物有机肥处理综合了掺黄河泥沙和配施生物有机肥的优点,效果最佳,更有利于滨海盐碱土壤的改良和可持续开发利用。     

黄河流域泥沙配置状况及其资源化

 通过分析黄河流域水沙运动过程和水沙分布特点,给出了流域泥沙配置单元,指出流域泥沙配置单元的配置量随着流域治理工程实施、径流条件等不断变化;1950—1999年,流域水土保持滞沙、水库拦沙、河道滞沙、两岸引沙用沙、河口淤积与入海泥沙等配置单元年均配置沙量占流域产沙量(17.63亿t)的14.24%、14.05%、12.19%、10.56%和50.77%;阐述了水库拦沙多、河道淤积严重是黄河流域泥沙配置现状不合理的主要原因,指出流域水沙资源优化配置和泥沙资源化是维护黄河健康的重要途径;结合黄河下游长期泥沙处理与利用的经验和教训,总结了黄河下游泥沙资源化的主要途径,包括淤临淤背、河道治理与河槽维护、引洪淤灌与土壤改良、灌区堆沙高地农田化、建筑材料转化、河口泥沙造地和疏浚泥沙利用、湿地塑造等。