文摘

本研究的主要目的是分析煤炭开采的影响在弹簧Yushenfu矿区。两个弹簧和水文调查的结果在1994年和2015年进行比较研究的发生和演化前后弹簧大规模开采。春天的机制进化和生态的影响域演化进行了分析,结合地下水监测和评价煤炭开采强度。结果表明,单一的最大数量春天的涌水量与砂渗透补给超过10 L / s,单一的水流入的总量与混合入渗补给是最高的,春天的春天的生态效应与黄土入渗补给是最重要的。2580年研究区,温泉(集团)总流分布的4998.9428 L / s在1994年和376年剩余弹簧(集团)出席总流的996.392 L / s在2015年。大规模开采区域地下水位下降,从而减少数量的泉水。的高强度开采减少弹簧(集团)的数量和面积的水和湿地研究中。这直接影响流域生态;生态退化是很有意义的。

1。介绍

水是非常重要的对人类生命、生产、和生态环境。弹簧是水资源的起源。弹簧的发生和演化决定了地下水和地表水的状态。因此,重要的是要研究泉水的特点。

中国正在向西煤矿;中国西部已成为主要产煤地区,占中国煤炭产量的70%。然而,中国西部普遍缺乏水资源,生态环境脆弱(1]。通过研究煤矿开采对环境的影响,科学界已经做了一个结论:煤炭开采生态环境直接影响到(2,3)和小规模采矿活动也对生态系统造成严重损害4]。因此,在煤矿在中国西部的早期阶段,一些专家意识到水资源的重要性和环境生态脆弱矿区(5,6),提出“water-preserved矿业”的概念7,8,进行了一系列的研究(9- - - - - -19]。

春天的分布特征和形成条件在美国南部边缘μ沙漠被吴和其他研究人员分析。马和其他学者的影响程度分类煤矿在弹簧和讨论了煤矿在弹簧的影响机制。此外,煤炭开采对水资源和生态环境的影响已经进行了广泛的调查(2,3,20.]。

本研究分析了春季进化的机制Yushenfu矿区通过比较弹簧的进化在中国西北Yushenfu矿区在21年前,结合研究煤炭开采造成的崩溃。

2。材料

2.1。的研究区域概况

研究区,Yushenfu矿区,位于中国陕西省。研究区是~ 7800公里210、北纬38° -39°30 和东经109°0 -110°60 (图1)。研究区域的高度~ 1200米,最高点为1448.7米,最低点是932米。存在三种类型的地貌,即风蚀地形,沙土覆盖着黄土脊和丘陵,黄土脊和丘陵。根据气象观测在郧阳地区年平均降水量为420.4毫米,最大的年降雨量565.3毫米,最小年降雨量为270.8毫米。降水主要发生在7月到9月,占年降水量的62.9%。

Yushenfu矿区在鄂尔多斯盆地北中国。地质构造简单。地层从旧到新:上三叠纪Yongpoing形成(T3y)、延安形成(J2y),Zhiluo形成(J2z),进行“与”操作形成(J2一个中侏罗世),下白垩统漯河形成(K1l德宝形成(N),新第三纪上新世系列2b),为第四纪中更新世系列形成(Q2l)、第四纪更新世Salawusu上部地层(Q3年代)、风成沉积(Q4终点)和冲积矿床(Q4艾尔第四纪全新世系列的)。主要含煤地层中侏罗世延安形成。主要可采煤层有4层,其中2−2和图4−3整个地区的开采和3−1和5−3的上部可以开采。

这一地区的地下水主要是由大气中的水。浅的方向渗流与地形起伏基本上是一致的。深层渗流量基本上是径流从西北到东南。地下水埋深在西部沙漠海滩地区通常是0 ~ 3 m,它在东部逐渐增加。地下水埋深的黄土脊和丘陵面积一般大于15米。在山谷中地下水主要是弹簧的形式发射。地下水主要是弹簧的形式排放在沟壑。

2.2。春天特征之前,大规模的开采
2.2.1。春天的水文背景的形成

研究区域的地层结构先后从新老问4终点(μ我们形成),第三季(Salawusu形成)、中新统(离石形成黄土),上新世系列(红粘土),侏罗纪Zhiluo形成和延安的形成。目前,延安形成含煤是主要开采层。春天的形成可分为三个部分(图2):(i)春季风蚀地形产生的渗透,(ii)弹簧组沙土覆盖着黄土的渗透产生的山脊和丘陵,和(3)弹簧组黄土的渗透产生的山脊和丘陵。值得注意的是,三个部分不包括分布区域,与有限的渗透基岩谷地貌,地貌学的燃烧区。因为这些地层的水容量是有限的,喷的旱季弹簧主要来自以上三个部分高的生态意义。

(1)春季风蚀地形产生的渗透。Salawusu形成是主要在研究区含水层。没有水障碍之间存在Salawusuμ我们形成,构成一个统一的疏松砂岩含水层。通常称为Salawusu形成的含水层。Salawusu形成的含水层接收大气降水,冷凝充电,快速渗透,径流在砂层中,浓缩在低洼地区的侏罗纪,并形成丰富的水域。当地地表径流侵蚀后的含水层,降春天是排泄,形成弹簧组(图2)。因为地形的沙地很小,这个地区温泉的数量是有限的,但总量是最大的。

(2)春天由沙土覆盖着黄土的渗透脊和丘陵。沙土覆盖着的黄土脊和丘陵面积属于μ美国沙漠和黄土高原的过渡区域(图2),砂层的厚度相对有限。由于相对较低的地形与风成地貌区相比,地下水的侧向补给是由于风蚀地形更好的渗透和起伏的黄土地形,大部分地下水接触,很容易接触弹簧的位置。春天的输出是最大的在这一领域,但这春天是更敏感的一部分。潜在的含水层的不稳定性使其衰减;同时,地区松层中地下水位的下降也容易使它消失。

(3)弹簧由黄土的渗透脊和丘陵。黄土层作为一个弱透水层。这一层有一定的渗透沉淀的能力,但这是与砂渗透的数量非常有限。黄土具有更好的持水特性;水资源的长期渗透地层中发生。减少黄土地形后,集中排放地下水发生在中如基岩顶面或烧毁的岩石,形成主要的排水点这种类型的地貌。

2.2.2。分布的弹簧组

μ的春天我们沙漠主要分布在东部边缘Kuye河,Tuwei河,玉溪河的上游,无定河的一条支流。春天是分布在东北区域分布的平面(图3)。泉水汇聚形成Kuye河,Tuwei河,玉溪河。玉溪河是无定河的一条支流。Kuye河、Tuwei河和无定河是黄河的支流。他们是主要的河流黄河中游的供应。

所有的水来自春天Salawusu形成,包括玉溪河支流,Sa河,秦河,Geqiu河,Yidao菏泽河,Erdao, Sandao, Sidao,刀,在Tuwei Hongliugou河的上游,Kuye河的Lucaogou Houjiamu河,Ulambra山谷。大弹簧生产Tuwei海岸河上,如清水春天,Caitugou春天,Heilonggou春天。

3显示,集中分布的弹簧成立于Kuye河盆地和Tuwei河。这个区域的分布带弹簧组分布在东北方向,集中在春天的嘴。

许多类型的方法可用于分类研究区春天的黑点。最直接的方法是对春天的喷层进行分类;它可以分为露出春天Salawusu形成(Q3年代),出露地表黄土和hipparion红土春天,露出春天燔岩石(J2y),露出春天侏罗纪(J2z或J2y),露出春天的其他层。这种类型的分类更直观,但其分布规律比较离散,没有规则。相比之下,结合图4,春天在研究区可分为三种类型,即充电弹簧的沙子渗透,充电春天的黄土渗透,充电弹簧混合渗透(图4)。重要的是,这三种类型的地貌地形渗透是不同的,但它可以在每一层集中排泄。其他地形并没有考虑。一方面,基岩裂隙介质和火岩层遭受巨大损失的渗入水在雨季;生态意义并不大。另一方面,其分布面积和渗透系数是非常有限,导致分类。

(1)充电弹簧的砂的渗透。大气降水落在相对平坦的沙地,极大地补充桑迪地下水。因为潜在的黄土地层的波动,它收敛到较低的地面。少量的水是进一步渗透到其他地层渗透后,让每个在这个地区含水层水丰度相对强劲。每个含水层的形式产生一个排水下降泉谷切割区域,如玉溪河及其支流。因为缓慢的地下水渗流的沙地,它作为时空的监管。这使得这些春天斑点继续流季节没有中断,因此扮演着重要的角色在支持这个地区的生态环境。代表这种类型的春天就像每个分支的流组在玉溪河的上游,比如昱伸矿区的三阶段。

(2)充电弹簧的黄土的渗透。起伏的黄土高原大气降水。因为在研究区降水是由暴雨、黄土产生泥皮,阻碍渗透。渗透系数是只有约四分之一的沙地或更低。洪水激流从大量的收集在雨季径流进一步削减该地区的地形。有限的渗透进黄土形成一定数量的水资源经过一段长时间的积累,丰富的平坦的地形和厚土层,和少量的进一步渗透发生在底层的蓄水层。这地形切割区域地下水喷出来,形成一个小数量的春天。然而,由于黄土具有较强的毛细现象比沙质土壤,它更适合植物开发,形成研究区最好的生态系统之一。因为有限的供应来源,作为一个春天而言,它是相对脆弱。由于黄土的渗透系数小于沙地,影响较小的半径后受到影响。 This indicates that the ability of these springs to resist regional hydrological changes is stronger than that of sandy land. The typical representative of this type of spring is the spring group in the Miaogoumen of the Shenfu mining area.

(3)充电弹簧混合渗透。之间的过渡区存在上述两种类型的地形和地貌。在该地区黄土的一部分暴露。沙子的一部分暴露,但厚度更薄,甚至交叉接触沙子。渗透和径流是复杂和多样化。不可能准确地描述一些弹簧的初始供应来源。由于地层交错,地下水径流(主要是砂径流)从沙地和暴露在大量黄色的土地。它们形成最多的弹簧(组)在研究区。因为这种弹簧的复杂性,他们也复杂多样的人类活动的影响下。春天的这种类型的典型代表是弹簧组的Zhangjiamao Shenbei矿区的煤矿。

2.2.3。春天的生态意义

在研究区,水资源是贫困和生态环境是脆弱的。这是因为收集水资源天然露头泉附近的低洼地形和河谷地带。一般来说,它有一个相对良好的生态环境和适合生存。它往往成为人类生活集聚和多个自然村庄。人类形成一个独特的沙漠文化长期融合的自然环境。同时,收集到的泉水是多年来,解剖地形,最终收敛到一条河成为黄河的一条支流,提供黄河。

研究区域的自然生态环境是完全不同的有或没有弹簧(图5)。在该地区没有弹簧,流动沙丘暴露,植被覆盖率低,生态环境脆弱。在该地区与泉,水和草开发,植被覆盖率明显提高,和山谷的两侧植被发育良好。它适合人类生活和种植土豆、玉米、大米、豆科作物等。

2.3。在研究区大型矿业现状

自1980年代以来,在陕北侏罗纪煤田的地质研究,中国从未停止和数十名地质研究报告已经提交。三个煤矿领域已逐渐形成:神木北部矿区、新民的矿区,矿区的昱伸。这也是本研究的范围内。在陕北侏罗纪煤田属于煤地层区,和含煤面积~ 27140公里2在整个地区。结构简单;煤层稳定该地区的总资源~ 2400×108t在整个地区,证明资源~ 1400×108t。

通过实地研究和数据收集,190煤矿进行了调查,其中包括23名煤矿在郧阳地区101年神木城煤矿,和66年矿山河豚县。总矿区是2881.21121公里2,包括423.473公里2在郧阳地区1735.9689公里2神木市和721.769314公里2河豚县。

统计结果表明49小矿山开采设计的能力小于0.45吨/,52个大型煤矿开采能力超过1.2吨/,和89年中型矿山。大型矿山的设计和生产能力超过10吨/包括Yujialiang中国神华煤矿Shigetai煤矿Halagou煤矿Daliuta煤矿、活鸡兔煤矿Hongliulin陕西煤炭和化工集团的煤矿和Ningtiaota煤矿。目前,研究区基本上是钻井和综合机械化开采法(表使用1)。

3所示。方法

3.1。春天改变煤矿

根据1994年的观察春天的坐标点(图3春天),相应的位置进行了研究后21年。月第二个调查是相同的;雨季期间进行了两项调查。

这项研究是通过实地考察,完成分析,拍照,记录的视频,填写水文调查问卷和现场记录。研究的内容包括春天的矿区、地形、水出露地表形成、含水层描述,深度的水位,春流,历史水位和流量的变化,使用好,春天,水温和气温。GPS用于定位的坐标井口或弹簧露头。规模或电流表是用来测量水的深度表,和一个三角形堰是用来测量泉水的流动。结果如图所示6

3.2。煤炭开采的地下水动力学

总共有10个长期监测井安排在这个研究。他们的位置分布如图7,基本信息如表所示2。砂含水层有四个井。砂岩含水层有五个井,黄土含水层有一个。

3.3。评价集约开采

煤矿是全面评估区域的强度和空间采矿强度。该地区开采强度是指煤炭资源利用的比例和总金额的范围内单位面积(表3)。空间采矿强度主要是评估使用两个指标:煤炭开采高度和规范的脸。大规模煤炭脸上的高度> 4.5米,长度> 200,挖掘的长度> 2000米被称为一个密集的矿区。该地区开采高度1.3 - -4.5米,煤炭面临100 - 200米的长度,和挖掘1000 - 2000米的长度定义为medium-intensive矿区。该地区开采高度的< 1.3无论工作面和掘进长度的长度的影响与发展相对较低程度的地质灾害表面上,称为低强度的矿区。

3表明,煤炭开采强度是由采矿的面积比例和矿业的高度,但在实际生产和力量,其他因素不应被忽视,如地面沉降、表面裂纹、地下水位埋深。

的开采强度研究区可分为极其密集的矿区,一个密集的矿区,medium-intensive矿区,矿区和低强度根据开采高度、地表采矿比例,地面沉降,表面裂纹,水文特征(图8)。

3.3.1。非常密集的矿区

Daliuta地区有丰富的煤炭资源和历史悠久的挖掘。Shigetai煤矿矿区,Halagou煤矿Daliuta煤矿、活鸡兔煤矿,煤矿Hejiata宽。矿区的比例> 60%,采矿高度> 4.5 m,煤炭的脸长。因此,该区域属于一个非常密集的矿区,占地面积576.04公里2

3.3.2。密集的矿区

加强矿区的面积是1256.48公里2;,它属于Sunjiacha Mjiata Xigou, Dianta,永兴神木镇的城市。这个地区的地形起伏是由于河流切割。煤矿在这个地区广泛分布,矿业活动频繁,地下水位明显低。

3.3.3。Medium-Intensive矿区

medium-intensive矿区的面积是391.8公里2。尽管煤矿存在于该地区,开采面积小,开采煤层单一,开采高度小,地下水位的下降很小。没有地面塌陷等地质灾害,表面裂纹。

3.3.4。低强度矿区

低强度开采区域的面积是514公里2。开发一系列Hengruiyuan和Yaoqu煤矿在神木城很小。这些矿山的矿区的比例占了6.5%和0.6%,分别和开采高度是1.2米和3.0米,分别。采掘工作面长度短。此外,没有观察到明显的变化在煤矿地下水位深度区域;因此,该区域可分为低强度矿区。

4所示。结果与讨论

4.1。量变弹簧与矿业的分析

根据背景资料和野外调查,2580弹簧在整个地区煤炭开发之前。这个研究显示376泉的水。其余的弹簧完全枯竭,衰减率是84%,如图9

关于弹簧的数量,春天量的衰减率达到90%以上。弹簧位于Shigetai的煤矿,Daliuta,和活鸡兔神木北部的城市,Sunjiacha的煤矿,海湾,Zhangjiagou,中间Ningtiaota神木城,Yanghuopan的煤矿和Shiyaodian在神木的东部城市。除了春天渗流与一个地方Shigetai煤矿地层开挖,其余的天然泉水基本上消失了。春天的衰减率量Halagou矿区内,Dahaize,月,Ningtiaota Jingjie, Zhangjiamao 70 - 80%。春天的衰减率量Yushuwan的雷区,缓,Zhujiata是40 - 50%。春天Dabaodang没有干涸;观察一定流量的下降在1994年之前相比。

根据这个分类的春天,春天的衰减率与混合渗透供应现货数量是集中在80 - 100%。春天的衰减率现货供应数量与黄土的渗透是第二;这是集中在60 - 80%。春天的衰减率与沙地渗透供应现货数量是最低;这是集中在0 - 30%。

4.2。泉水量的变化的分析与挖掘

关于春天的流,弹簧的总流量集团1994年~ 4292.2 L / s和弹簧的总流量集团急剧下降到2015年的996.392 L / s的衰减率为76%。与1994年相比,今年春天的衰减率Shigetai矿区内的流动,活鸡兔,Daliuta, Hejiata, Zhugaita, Sunjiacha,海湾,Shiyaodian, Yanghuopan, Zhangjiamao, Ningtiaota达到90%以上。春天的衰减率Qianshipan矿区内的流动,Dahaize,月,Yujialiang, Xiangshuihe Jingjie, Zhujiata 70 - 90%。春天的衰减率Yushuwan矿区内的流动,Caojiatan,缓,Hexingliang小于70%(图10)。

根据弹簧的分类部分2.2。1,春天的衰减率与混合渗透流是集中在80 - 100%。春天的衰减率现货供应数量与黄土的渗透是第二个,集中在70 - 90%。春天的衰减率与沙地渗透供应现货数量是最低,集中在10 - 50%。总体趋势是相似的下降,而是因为降落漏斗,等等,其他两种类型的弹簧位置发生结合渗透泉流量衰减效应。总体趋势是类似于定量衰减。然而,由于大萧条的锥,另两种类型的弹簧斑点是衰减的影响渗透与春天现货供应流混合。

4.3。春天的变化机理分析与挖掘
4.3.1。降低弹簧数量区域地下水位的下降

调查541年水位监测网站的比较2015年与1994年表明,研究区地下水水平都有不同程度的下降与上个世纪相比(图11)。该地区最大的下降的水位位于Shigetai申东矿区,Halagou(图12)、Daliuta活鸡兔、Dahaize Zhugaita,龙华,Shiyaodian,详细研究领域Jingjitan-Mahuangliang郧阳地区。这些区域密集的矿区。他们中的大多数人形成一个集中的采空区部分,和水位的下降> 15米。由于水位的急剧减少在这些领域,围绕这些雷区的水位在一定程度上也减少了水位下降5 - 15米。水位下降1 - 5米的区域主要位于东部的Shenfu矿区和东昱伸矿区。这个地区煤炭资源的开发程度相对较低。面积小于1米的水位下降主要是位于Salawusu形成西部的昱伸矿区。这个区域不受煤炭开采的影响;它主要受季节的影响,降水、蒸发、人类活动的上游。水位的下降是近年来小。 The overall decline of the water level in the study area decreased the outcropping quantity of spring (group).

4.3.2。强化开采地区水位下降的直接原因

研究地区煤炭资源的开发始于1980年代末。第一个现代化煤矿(Daliuta)在1996年被建造和运营。在那之后,许多煤矿被构造。原煤输出在该地区在2000年3600万吨,在2015年达到3.558吨,占9.62%的原煤生产的国家。它形成的主要煤炭基地μ我们鄂尔多斯城市沙漠。特别是在Kuye河的上游,煤矿存在一个接一个。转移形成的裂隙带矿业连接到主要的潜水含水层,导致区域含水层的疏干,降低地下水位,干涸的春天。

与水位在1980年代相比,14井的水位Hezegou和Qingcaogou Jinjie煤矿的研究区不同程度下降,下降为0.5 -12.67。的平均埋深Jinjie矿区采矿之前~ 1米。深入挖掘降低水位平均6米。区域地下水位的下降减少了春天的春天的卸料高度和数量。因此,采矿强度越高,更多的是弹簧的减少,如春天的统计所示地方矿山开采强度不同(表4)。

4.4。生态效率分析的挖掘
4.1.1。湿地面积萎缩

从1990年到2011年,这项研究的水域面积变化很大,表现出持续减少的趋势。整个地区的水域是162.63公里21990年;这减少了133.80公里22001年继续下降到85.69公里22011年,在减少~ 40公里2每10年。二十年的降低率分别为17.73%和35.96%,分别。减少地表水主要是体现在一些河流流域的湖泊和水库和缩小。这主要是体现在萎缩的湖泊和水库的水面如Hongjiannao Zhongyingpan水库,Xuji海子,Gouyancun海子。Beiniuchuan Wulanmulun河的水域,玉溪河缩小。例如,对于Hongjiannao(图13),一个沙漠淡水湖成立于1929年。从1970年代到1990年代初,湖水是平衡和水位基本稳定。从1990年代末到2002年,Hongjiannao的水位下降了10 - 15厘米。2002年之后,每年的水位下降了20 - 30厘米,最高40厘米。红碱淖地区也经历了萎缩,从70公里2到1969年的32公里2在2014年。这与密集的人类工程活动包括煤矿Hongjiannao盆地。

10/24/11。减少地表水径流

Kuye河在研究区截自2000年以来,和截止的日子不断增加从2000年到2002年,最多达到220天。截止的日子从2003年到2005年超过150天,几乎成为一个干河。Wulanmulun河的流域和Beiniuchuan Kuye河的上游是截止在大部分支流沟。例如,Shuanggou是Wulanmulun河上游的一条支流Kuye河长度为5.6公里。春天的年平均流量是7344米3/ d。春天的口干了1997年,小溪是截止断断续续,松软的土地变成了陆地。

4.4.3。耕地质量下降

东部边缘的沙漠中的泉水枯竭,切断的一些河流。土壤结构变得松散,涵水的耐腐蚀性能下降,导致谷的荒凉土地和耕地质量的下降。村民们用来依靠自给自足的作物种植两岸的河床。因为耕地质量下降,农作物无法生长,村民们不得不改变他们的生活方式。

4.4.4。植被退化

研究区域的自然属性是干草原,在中国北方草原资源不可分割的一部分。合适的植物和灌木drought-sensitive耐寒。他们有窄叶的特点,发达的根,低郁闭度和季节性变化。近年来,由于增加良好的管理如退耕还林还草森林和草种植草和树木,植被有良好的趋势转变。然而,夹沟矿采空区植被生态的改善是显著低于邻近地区,表明煤炭开采对植被生态都有不利的影响。特别是在当地的小煤矿,植被进一步退化。可怜的增长,泛黄的树叶的枯萎和死亡或枯萎的柳树观察(图14)。

5。结论

(1)春天斑点可分为三种类型根据旱季春天现货的供应来源,即(i)充电弹簧的沙子渗透,(2)充电弹簧的黄土渗透,和(3)充电弹簧混合渗透。大规模开采之前,春天的三种类型的主要特征点如下:(i)的最大单一与砂渗透补给水泉流入超过10 L / s, (ii)弹簧的总量与入渗补给是最混合,和(3)泉的生态效应与黄土入渗补给是最重要的。(2)2580弹簧(集团)分布在大规模开采前的Yushenfu矿区总流的4998.9428 L / s在1994年。376后残余弹簧(集团)在场的大规模开采总流2015年996.392 L / s。因此,强化开采区域地下水位下降,泉水的减少。(3)后地下水位下降引起的强化开采,水和湿地的面积Yushenfu矿山面积也减少了。该地区水域面积减少162.63公里2到1990年的85.36公里2在2011年。湿地面积减少55.86公里2到1990年的45.49公里2在2011年。由于地下水位下降,水和湿地面积萎缩,和减少弹簧组,耕地质量下降,植被退化,一些柳树在研究区成为死亡或略有萎缩。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

没有报告的作者潜在的利益冲突。

确认

作者感谢地质调查局成员的有价值的建议。特别感谢将鼓励院士、Minggao钱从中国矿业大学和技术;谢谢你的指导将王院士Shuangming陕西地质调查研究所。也由于同事感谢现场调查:健民宁,他呀,海南Liu Jiangli Du,然姚明,Huiying扁,李Wenli回族江,帅Cheng Ruijun霁,等。作者感谢作者的同事,正规的粉丝,从185年陕西省煤田地质有限公司;他们的富有成效的工作领导完成本文的基础。作者还要感谢Xiaotuan张主任项目管理部门,沈道,项目管理部门的副主任,张宏强,从陕西地质调查研究院高级工程师为项目的支持。没有他们的支持和参与,本文将几乎不可能完成。这项研究是由中国的主要国家基础研究发展计划(973计划),项目没有。2013 cb227901,陕西省科技推广项目,项目没有。2011 tg-01,陕西省公益性地质调查项目,项目没有。 2013020101, and open fund of Key Laboratory of Mine Geological Hazards Mechanism and Control, Project no. KF2017-12.