基于煤矸石充填的重构土壤水分运移特征及环境效应

【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**,RNSE=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+0.1e-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。
【作者】王曦；
【导师】严家平；
【作者基本信息】安徽理工大学，环境工程，2014，博士
【副题名】以淮北矿区为例
【关键词】重构土壤；水分运动；养分迁移；煤矸石；土柱实验；

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