呼伦贝尔草原露天煤矿区地下水环境演化及生态响应研究

Coal mining activities are the process of artificially alter natural systems. The negative effects of ecological and geological environment showed by the coal mine are the integrative responses which the nature geological system transforms to the nature-manpower compound system. Prairie opencast has become the world’s most degraded ecosystems.Change of mining groundwater flow system (groundwater table, water quality) which caused by drainage of groundwater in the mine, is one of the major driving forces leading to the evolution of mining ecosystems. This study intends to combine historical data with field investigation through remote sensing images, analyze the changing process of biodiversity, coverage, productivity and the vegetation types at different times before and after the mining. Based on the investigation of the characteristics of the new ecological and geological environment system,which is formed as the center of prairie opencast coal mine mining pits.The study of the changes of groundwater level, water quality (such as TDS, pH, hardness, etc.) impact on soil properties, soil moisture, salinity, and then effects on vegetation types, biodiversity, coverage and productivity. Construction of prairie opencast groundwater-soil-vegetation interaction mechanism relationship model to provide theoretical guidance for the open pit mine grassland ecological protection. This study has important theoretical value in ecological hydrogeology, soil ecology, plant ecology.

采矿活动是人为改变自然系统的过程，矿山显现的生态地质环境负效应是自然地质环境系统向自然-人工复合系统转化过程中各种响应的综合。草原露天矿区已成为当今世界退化最为严重的生态系统。矿山开采疏排地下水引起的地下水流动系统改变（水位，水质）是导致矿区生态系统发生演化的主要驱动力之一。本课题拟通过遥感影像结合历史资料及野外调查，分析矿区开采前后不同时段植被类型、生物多样性、盖度和生产力的变化过程；在调查以草原露天煤矿采坑为中心形成的新的生态地质环境系统特征基础上，研究地下水位、水质（如TDS、pH、硬度等）变化对土壤性质、土壤含水率、含盐量，继而对植被类型、生物多样性、盖度和生产力的影响；构建草原露天煤矿区地下水-土壤-植被相互作用机理关系模式，为草原露天矿山的生态环境保护提供理论依据。本研究在生态水文地质学、土壤生态学、植物生态学中具有重要理论价值。

呼伦贝尔草原是我国重要的畜牧业生产基地，近年来该区矿业迅速发展，使草原生态环境遭到严重破坏。特别是露天煤矿开采活动，严重改变了地下水流场，打破了地下水系统的天然平衡，由此引发一系列生态环境问题。该课题研究中：.1）构建了伊敏露天煤矿地下水流动数值模型，分析了矿区开采35年来区域地下水系统演化特征。研究发现，以矿坑为中心的120km2范围内，地下水平均流速提高到采矿前的8倍左右；伊敏河向区内地下水补给的河段长度由煤矿开采前的1.7km增加到9.8km，补给量增加了约2200×104m3/a。.2）采煤活动导致含硫物质的氧化产酸及后续一系列的水-岩相互作用过程使区域水化学特征发生明显变化。采煤抽排地下水导致区域地下水向淡化方向发展，以采坑为中心的地区TDS、COD、Na++K+、HCO3- 等指标均呈降低趋势；由于氧化产酸使地下水pH值明显降低，TH、SO42-、Fe2+和Fe3+质量浓度升高；地下水化学类型由采煤前的以HCO3-Na•Ca•Mg型为主变为以HCO3•SO4-Na•Ca•Mg型为主。.3）构建了地下水位-湖泊（圆台型）面积耦合解释模型。该模型能够在已知某时刻湖泊面积、湖水深度、地下水位高程等初始条件下，基于气象、水文和人工补排等资料计算任一时刻的湖泊面积。利用该模型预测显示，以目前的开发状态至伊敏煤矿闭矿时（2045年），矿区周围湖泊面积将由现在的1.12 km2，萎缩至0.56 km2。.4）厘定了采矿活动对矿区及其附近土壤理化性质的影响，特别是对土壤含水率、含盐量及总氮的变化原因进行了分析。.5）建立了伊敏露天矿区地下水-生态演化模式。柴达敏诺尔湖至采矿5km的距离上，随着地下水位埋深从0增至60m，植被群落演替为盐化草地→典型草原→退化典型草原→退化草甸草原→盐化草甸草原。综合植被样方调查和遥感技术两种方法得出区域地下水位-植被响应关系，研究区最适宜原生植被生长的地下水位埋深为1-2m，植被的极限地下水位埋深为6m。.总的来看，该研究揭示了露天煤矿区地下水环境、地下水-地表水及生态植被演化的机制，对草原露天煤矿区生态环境保护具有重要指导意义。