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摘要:针对德州市面临的水土流失、矿山生态破坏和黄河沿岸生态系统脆弱等主要生态问题,本文分析了利用黄河泥沙进行矿区生态修复的可行性和技术路径。研究了黄河泥沙与矿区生态环境协同治理的关键技术。结果表明,应用该技术进行采煤沉陷地复垦可显著改善土壤结构,提高土地复垦率和农作物产量。案例研究显示,复垦后的土地土壤含水量提高39%,养分含量增加43%,坡面侵蚀系数降低55%,小麦和玉米产量分别提升21.9%和17.54%。这一创新技术为黄河流域生态保护和矿区修复的协同推进提供了新的思路和技术支持。
生态环境保护是实现可持续发展的重要基础。随着经济社会的快速发展,我国许多地区面临着严峻的生态环境问题,特别是在资源开发密集区,生态系统退化、环境污染等问题日益突出。德州市作为山东省重要的农业和能源基地,长期的人类活动对其生态环境造成了显著影响。因此,如何协调发展与保护的关系,实现生态环境的有效修复,是当前急需解决的问题。本研究立足于德州市的生态环境现状,旨在探索一种新型的生态修复模式,为类似地区的生态环境治理提供借鉴和参考。
1、研究区域生态环境概况
1.1生态环境特征
德州市位于山东省西北部黄河下游冲积平原,属暖温带半湿润大陆性季风气候。年均气温12.9℃,降水547.5 mm,夏季降水占67.7%。地貌以平原为主,土壤多为潮土和盐碱土。植被以人工为主,天然植被稀少。水资源匮乏,主要依赖黄河引水和地下水。生态系统包括农田、城镇、湿地和水域类型。生物多样性较低,但农业生产基地发达,粮食、棉花、蔬菜种植广泛。
1.2德州市主要生态问题识别与评价
德州市面临严重的生态环境挑战,主要表现在水土流失、矿山生态问题和黄河沿岸生态系统脆弱三个方面。水土流失集中在黄河沿岸和丘陵地区,占总面积15%,年均侵蚀模数高达2 500 t/km2,原因包括自然因素和人为破坏。矿山开采导致植被破坏、地形改变和环境污染,历史遗留矿山约60%未得到有效治理,存在安全隐患。黄河沿岸生态系统脆弱性突出,湿地面积十年减少约15%,河岸植被覆盖率下降10%,生态系统服务功能明显退化。这些问题导致土地退化、农业生产力下降、河道淤积、生物多样性降低和生态安全威胁。因此,解决这些生态环境挑战对德州市的可持续发展至关重要,需要采取综合措施进行生态修复和环境保护。
2、生态保护修复工程的技术创新
2.1生态修复的需求及思路
经上述分析,针对德州市矿区生态环境问题和黄河下游泥沙淤积问题,本文提出了一种创新的协同治理方案:利用黄河泥沙进行矿区生态修复。该方案将黄河泥沙转化为矿区生态修复的资源,通过科学的取沙、输沙和用沙技术,实现黄河治理与矿区修复的双重利益(如图1所示)[1]。
图1 黄河泥沙与矿区生态环境协同治理技术方法
2.2生态保护修复技术
2.2.1取-输-用耦合分析技术
黄河泥沙与矿区生态环境的协同治理是一项系统工程,必须对取沙、输沙、用沙三个环节进行耦合分析,以确保整个过程的经济性和可行性,可采用以下步骤:首先确定单向约束因素,如输沙过程的占地许可;其次分析双向约束因素,如泥沙材质与用途的匹配;最后进行整体经济性和技术可行性分析。在此基础上,可以建立取-输-用耦合关系模型[2]:
其中,Q为协同治理效果,X,Y,Y分别为取沙、输沙、用沙的关键参数集。通过优化求解,可得到最佳的技术参数组合。例如,对于输沙距离L和管道直径D,可建立如下关系:
式中:k和n为待定系数。通过实验数据拟合,可确定最优的输沙管道尺寸。这种耦合分析方法可以有效提高协同治理的整体效率,避免局部优化导致的系统性问题。
2.2.2取沙技术方法
取沙是黄河泥沙与矿区生态环境协同治理的首要环节,关键在于选取沙位置和控制取沙浓度。取沙位置的选择需综合考虑泥沙材质的空间差异性、季节约束、构筑物约束、取沙方式约束、取水许可等因素。可建立多目标决策模型[3]:
其中,f(x)为各项约束条件的目标函数。通过求解最优解,可得到最佳取沙位置。取沙浓度控制则需根据泥沙用途、泥沙材质、输沙方式等确定。例如,对于充填材料,可采用“冲吸式潜沙泵+浓密器+采沙船”的采沙作业平台,使取沙含沙量由200 kg/m3增加至400~620kg/m3。
2.2.3输沙技术方法
输沙的技术方法主要包括选择合适的输送方式和优化关键技术参数。由于管道输送方式具有灵活性和环保性,黄河泥沙常常采用管道水力输送的方式,即水沙两相流的浆体输送。我国在长距离高浓度管道输送技术方面已有一定的应用经验,例如陕西神渭输煤管道、太钢尖山铁精矿矿浆管道等项目的实施。
针对黄河泥沙的输送,需重点解决以下技术问题:
(1)水沙两相流传输:需要建立水沙两相流的动力学模型,如下所示[4]:
其中,ρm为混合密度,vm为混合速度,p为压力,τ为应力张量。
(2)不淤流速的优化:采用Durand公式计算临界不淤流速:
其中,FL为系数,D为管径,ρs和ρf分别为固相和液相的密度。
(3)不同粒级泥沙传输调控:分级输送或添加调节剂优化效果。
(4)管道直径材料优选:考虑输送能力、能耗和造价选择。
(5)泵选择与控制:采用变频调速等智能技术精确控制。
通过上述优化,可实现黄河泥沙高效安全长距离输送。
2.2.4用沙技术方法
2.2.4.1用作充填材料的技术方法
黄河泥沙作为采煤沉陷地充填材料的关键技术包括固结排水技术、土壤剖面构建技术以及施工工艺的优化。固结排水技术采用强化排水方法,在充填条带的末端设置土工布全断面排水沟。排水沟的断面尺寸为60 cm×80 cm,使用250~300 g的双层针刺无纺土工布。排水沟的长度可以通过以下公式计算:
其中,H为充填高度,i为水力坡度,α为土工布与水平面的夹角。
土壤剖面构建采用“夹层式”多层结构[5]。其剖面结构可以通过以下公式表示:
其中,Z为剖面的性能指标,h1,h2,...,hn为每层的厚度,m1,m2,...mn为每层的材料属性。通过优化这些参数,可以改善水分和养分的运移特征。
2.2.4.2用作表土替代材料的技术方法
黄河泥沙作为表土替代材料的技术方法主要包括泥沙的筛分、配比和改良三个环节。泥沙筛分采用振动筛法,其筛网孔径d可以根据目标土壤质地进行确定:
配比过程需要将筛分后的不同粒级泥沙按一定比例混合,可以采用三角坐标法来确定最佳配比点,如图2所示。通过将砂粒、粉粒和粘粒的含量作为三个顶点,绘制等质地线,并根据目标土壤质地确定最佳配比点[5]。
图2 黄河泥沙用作表土替代材料技术方法
改良措施主要包括添加有机质以提高保水保肥能力、调节p H值以改善土壤酸碱度、施用微量元素以改善养分状况等。改良后的泥沙性质可以用以下综合指标来评价:
其中,I为综合指标,ω为权重,I物理、I化学、I生物分别为物理、化学和生物性质指标。
通过这些技术方法,可以将黄河泥沙改造成适合植物生长的表土替代材料,为矿区的生态修复提供土壤资源保障。
2.2.4.3用作土壤改良材料的技术方法
黄河泥沙作为土壤改良材料的主要方法有漫灌改良和混配改良两种。漫灌改良的关键是确定取沙时机和灌溉参数。取沙时机可以根据黄河水中泥沙粒径的季节分布规律来确定,混合土壤的黏粒总含量应达到或超过25%。灌溉的参数包括灌水定额M和灌水周期T:
其中,H为湿润层厚度,θfc为田间持水量,θi为灌前土壤含水量,ETc为作物需水量,Pe为有效降雨量。
混配改良则需通过优化配比来达到最佳改良效果。可以使用正交试验法设计不同的配比方案,并以土壤改良效果为指标进行方差分析,以确定最佳配比。土壤改良效果可用以下模型进行评价:
其中,E为改良效果指数,P为土壤养分含量,BD为土壤容重,EC为土壤电导率,k为权重系数。
通过这些技术方法,可以充分发挥黄河泥沙在改良土壤方面的作用,提高矿区土壤的质量和生产力。
3、生态保护修复技术的应用效果分析
本研究的案例位于山东省德州市齐河县邱集煤矿西侧,距离潘庄引黄总干渠约5.5 km,针对采煤沉陷地的生态保护修复技术展开应用分析。该区域在复垦前为荒草地,存在季节性积水,无法耕种。通过科学的协同分析,从潘庄总干渠取沙,采用管道运输方式,进行泥沙输送。在技术参数优化过程中,选择了管径为200 mm的橡胶软管,水沙流速为1.162 m/s,进口泥沙浓度为200kg/m3。土壤剖面采用夹层式结构,复垦条带划分尺寸为240 m长、8 m宽。在应用交替式多层多次充填复垦工艺后,共复垦280亩土地,取得了100%的土地恢复率和95%以上的复耕率(如图3所示)。
图3 黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地示意
生态保护修复技术主要体现在土壤剖面改良上。“夹层式”多层土壤剖面构型改善了黄河泥沙的水分和养分运移特征,增强保肥性和抗冲刷能力。泥沙充填复垦解决了沉陷地积水问题,改善土地可耕性。技术细化提高了复垦质量和效率。小麦和玉米种植实验显示,改良的夹层式土壤剖面在千粒重和产量上优于传统方法,该地2016至2023年的多次采收数据证实了这一点。如表1所示。
表1 研究结果
对于生态保护修复技术的社会经济效益分析,研究表明该技术显著改善了沉陷地的生态环境,提高了土地复耕率,增加了可耕作土地,改善了农民生产条件和生活质量。同时,黄河泥沙的引入也减少了泥沙对河道的淤积压力,增强了河道的行洪能力,降低了洪涝灾害风险。复垦过程中引入的新技术应用也促进了科技服务业的发展,创造了就业机会,提高了居民收入水平。
4、结束语
综上所述,黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的生态保护修复技术,通过科学的耦合分析和技术手段,实现了沉陷地的有效复垦和土壤质量提升。夹层式土壤剖面结构在提高土壤蓄水保肥能力和改善土壤养分运移特征方面表现显著,种植实验验证愈加证明其在提升农作物产量和质量的效果。通过该技术应用,不仅实现了生态环境的修复,还带来了显著的社会和经济效益,为未来生态修复工程提供了宝贵经验和示范。
参考文献:
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文章来源:隋丹丹,索晓,丁晓.生态保护修复工程的技术创新研究[J].科学技术创新,2025,(03):15-18.
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2025-01-19我要评论
期刊名称:环境科学与技术
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主管单位:湖北省生态环境厅
主办单位:湖北省环境科学研究院
出版地方:湖北
专业分类:工业
国际刊号:1003-6504
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