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课题设置情况

课题二:煤炭高强度开采驱动下水资源变化规律及其生态影响

来源:      发布时间: 2016-09-29      作者:

东部草原区地处干旱半干旱酷寒地区,蕴藏着丰富的煤炭资源,是我国煤电一体化开发的重要基地。煤炭开采给矿区带来巨大经济效益的同时,也给矿区生态环境带来了严重影响。据统计,呼伦贝尔草原因煤炭开采导致草原每年以2%的速度退化;21 世纪初呼伦贝尔草原退化、沙化和盐渍化面积为398.22 万公顷,比80 年代209.71 万公顷增加了188.51 万公顷,占整个草原面积的40%;与上个世纪70-80 年代相比,近年来呼伦贝尔草原区大部分河流出现水位下降,流量减少,甚至断流;草原矿区牧民饮用水井,以前井深10—20m 就会出水;而现在井深40m,抽水5—6 分钟就会出现流量减少,甚至断流。煤炭高强度开采导致草场潜水位下降、地表径流方向改变、土壤水分损失、水土流失与土地沙漠化、草场退化和生物多样性受损等一系列生态环境问题,成为制约矿

区可持续发展乃至区域生态安全的重大隐患。与西部生态脆弱区煤炭开发相比,有关东部草原区露天矿煤炭高强度开采对水资源变化规律及其对生态的影响研究相对薄弱,对露天矿煤炭高强度开采对地下水扰动机理、水资源变化特征和地下水作用边界等问题掌握不清。露天矿煤炭开采过程中,因地下水疏排引发的露天矿坑及其周围地下水位变化,不仅影响着草原地表植被生长,而且

影响着地下含水层再造工程和矿井水的循环利用。因此,通过对地下水位进行本底调查和动态监测,对比分析煤炭高强度开采前、开采中和开采后水资源变化规律及其对生态的影响,对于恢复草原草丰水美、羊肥马壮的秀美景象,实现东部草原区煤炭绿色开采具有重要意义。

2.1 研究目标

针对东部草原区煤炭高强度开采对水资源及生态的影响问题,以典型煤电基地为研究对象,开展矿区地质及水文地质工程地质条件、水资源、矿产开发状况等本底调查,基于地下水流场数值模拟,对煤炭开采前、开采中和开采后地下水资源变化规律进行模拟研究,系统评价水资源时空分布特征及煤炭开采条件下的时空响应特征,研究地下水水循环特征与转化机制,研发水文动态智能监测系统,对煤炭开采前、开采过程和开采后水资源进行动态监测,揭示开采对地下水的扰动机理,分析煤炭高强度开采对草原生态的影响规律、程度及边界;开展地下水位变化对各对象要素(植被、土壤、包气带等)的影响机理和规律研究,并分析地下水位变化引发的各要素变化与生态的关系与机理,建立地下水对生态影响评价指标体系和综合评价模型,应用评价模型对研究区生态因子现状和生态系统结构与功能等进行评价,构建煤炭高强度开采驱动下地下水变化对生态影响综合评价方法,为东部草原区煤炭绿色开采和生态修复提供技术支撑。

2.2 主要研究内容

以水资源研究为核心,以水文地质学理论为基础,通过现场钻孔监测和实验室数值模拟相结合,揭示煤炭高强度开采条件下地下水扰动机理,阐明水资源变化特征和地下水作用边界,建立煤炭开采条件下地下水长期疏排与生态影响的关系模型,形成地下水生态影响评价指标、标准和方法,定量分析、评价和预测生态环境变化。具体研究内容如下:

(1)草原区露天矿水文地质条件研究

在充分收集区域地质、水文地质及煤炭资源开发资料的基础上,开展水文地质调查、工程地质测试与水文地质试验,系统研究地下水资源赋存特征与动态变化规律,查明矿区地下水边界条件、富水性规律以及水资源分布特征,研究矿区地下水补径排特征与大气降水-地表水-土壤水-地下水转化机制,对矿区地下水资源时空分布特征(水量、水质)进行评价。

(2)研发水文动态智能监测系统

基于智能传感器技术、现代无线通信技术和数据库技术,研发适合高寒矿区的水文动态智能监测系统,实时监控矿井疏排水水量、水文、水位、温度和水压等信息,建立矿区水文动态信息系统,为研究煤炭高强度开采下地下水动态变化规律提供基础数据及依据。

(3)煤炭开采条件下地下水流场数值模拟研究

依据资料分析及调查试验结果,建立矿区水文地质概念模型及数学模型,应用抽水试验和参数反演手段,校正数学模型,对煤炭开采前、开采中和开采后地下水资源进行动态模拟预测,系统评价水资源时空分布特征及煤炭开采条件下的时空响应特征,研究地下水水循环特征与转化机制,分析煤炭高强度开采对草原生态的影响规律、影响程度及作用边界,为煤矿高强度开采对草原生态扰动机制提供理论依据。

(4)煤炭高强度开采驱动下水资源监测及其工程应用

以露天矿采坑为中心,以放射状布设若干个水文长观钻孔,建立水文观测网,进行地下水动态监测。选取其中的部分钻孔,开展不同含水层的抽水试验。综合抽水试验、土力学及岩石物理力学样采样化验和长期水文观测结果,获取研究区水文参数、水位和水温等数据,进一步研究总结煤炭开采前、开采中和开采后地下水资源变化规律,揭示地下水扰动机理和作用边界及范围。

(5)煤炭开采地下水生态影响综合评价方法

以研究区抽(疏)水目的含水层、松散层和地表植被为研究对象,开展地下水位变化对各对象要素影响机理和规律研究,并分析地下水位变化引发的各要素的变化与表生生态的关系与机理,构建煤矿开采条件下地下水对生态影响评价指标和标准,建立多因素多指标综合评价模型,提出技术可行、科学合理、结果可信的评价方法,应用评价模型对研究区生态因子现状和生态系统结构与功能等进行评价,并预测评价项目执行期末的水生态环境影响结果,为调整煤矿开采及疏排水方案改善矿区生态环境提供依据。

2.3 拟解决的重大科学问题或关键技术

(1)开采条件下地下水位变化规律及其生态环境效应、机理及作用边界;

(2)开采条件下地下水生态影响评价指标体系、生态影响评价模型及评价方法;

(3)研发水文动态智能监测系统。

2.4 考核指标及评测手段/方法

(1)煤炭开采水资源变化影响规律研究报告;

(2)研发水文动态智能监测系统1 套、获得软件著作权2 项;

(3)申报发明专利5 项;在核心期刊以上刊物发表学术论文20 篇;出版专著1 部;培养博士及硕士研究生20 人。

评测手段/方法:考核指标(1)专家论证会的方式进行评测;考核指标(2)以申报软件著作权的方式进行评测;考核指标(3)以专利证书、学术论文、专著、研究生学位论文数量进行评测。

2.5 参加单位任务分工

课题牵头单位:中国矿业大学(北京)

课题参加单位:中煤科工集团西安研究院有限公司、神华地质勘查有限责任公司

课题负责人:杜文凤,中国矿业大学(北京)

课题任务分工:

子课题1:草原区露天矿水文地质条件研究,由中煤科工集团西安研究院有限公司承担;

子课题2:地下水动态智能监测系统研发,由中国矿业大学(北京)承担;

子课题3:煤炭开采地下水流场数值模拟研究,由中国矿业大学(北京)承担;

子课题4:煤炭高强度开采条件下水资源监测技术及其工程应用,由神华地质勘查有限责任公司承担;

子课题5:煤炭开采地下水生态影响综合评价方法研究,由中国矿业大学(北京)承担。