39569字硕士毕业论文高地下水位煤矿区水土资源协调探讨
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：39569字
论点：水土,矿区,开采
论文概述：
本文是硕士毕业论文，本文通过分析评价煤矿区水土资源利用现状，从定性、定量两个方面研究了煤矿开采对水土资源的破坏及影响造成的水土资源利用的矛盾。
论文正文：
介绍
1.1研究背景和意义
1.1.1研究背景
煤炭资源是我国国民经济发展的重要支柱之一，属于国家重要的战略储备能源，占一次性能源生产和消费的70%。煤炭资源与石油能源一起成为全球一次性能源消耗的主要力量。然而，在煤炭资源开采过程中，作为埋藏在地下的自然资源，必然会对周围环境产生一定的影响。特别是在我国东部高潜水位的平原煤矿区，地质条件复杂。长壁工作面和全垮落法主要用于资源开采中的顶底板管理。此外，开采强度和规模日益增大，导致煤矿区地面沉降严重，塌陷盆地积水面积和深度扩大。
水资源和土地资源是人类赖以生存的基本资源。在人类长期的生产实践中，人类生产生活活动所造成的水土资源利用矛盾不断加剧，难以调和。水土资源利用的矛盾反映在煤矿区，即煤炭资源的开发间接破坏了矿区各种资源的时间空匹配，扰乱了水土资源的平衡。在我国西北、东北、西南丘陵和山地采煤区，采煤水土资源破坏的特点是，虽然地表没有明显的盆地，但地表仍存在沉陷、倾斜、水平运动和曲率变形。此外，由于山区的起伏和自然坡度大于开采影响造成的最大沉降和变形，地表出现破碎裂缝、滑坡和地表槽形沉降。虽然这些地区一般不会产生积水，但它们容易遭受滑坡和泥石流等自然灾害。另一方面，我国黄河以北的平原煤矿区属于中低潜水位矿区。水土资源的破坏特征如下:地表出现地裂缝，部分地区积水，但常年积水范围小，存在潜在的水土流失。华东平原高潜水位煤矿区水土资源利用矛盾最为突出。地下资源开采引起的地面沉降造成大面积季节性或常年积水，导致农田减产甚至灭绝。同时，由于水资源缺乏合理的规划和利用，不可能实现区域内部利用或水资源的有效利用，这不仅造成水资源的浪费，而且也加剧了土地资源的有效利用。水土资源利用结构的不平衡将影响区域水循环系统，制约水土资源的进一步利用。
据了解，我国煤矿区水、地、煤资源的相互消耗问题十分严重，煤矿开采带来的水土资源协调利用问题给我国大部分矿区带来了极大的困扰。水、土、矿资源配置是否合理已成为制约煤矿区生态社会经济长期可持续发展的重要环节。特别是如何利用丰富的地表水资源，充分发挥区域优势，同时保证当地对土地资源的需求，将成为华东高潜水煤矿区本研究课题的主要内容之一。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
煤矿开采对1.2.1.1水土资源的影响研究
1)煤炭开采对土地资源的影响研究
中国在煤炭开采对土地资源(包括土壤)的破坏和影响方面取得了丰硕的研究成果。赵彭明等人(2003)结合大量实测数据，基于土地复垦的理论和方法，详细阐述了采煤引起的水土流失、土壤盐渍化等地面沉降影响的几个方面，并就如何控制这些影响提出了相应的意见。白忠科、段永红等(2006)利用遥感和地理信息系统技术提取信息数据并叠加图形，采用专家咨询和类比的方法研究山西大同塔山煤矿采煤沉陷引起的水土流失和土地利用变化。何金军等(2007)以神府-东胜煤田大柳塔煤矿为例，运用土壤学的基本原理和方法，研究黄土丘陵区塌陷地的土壤特征，揭示采煤塌陷对土壤物理性质影响的变化规律。周瑞平(2008)以神东矿区采煤沉陷后沙尘暴土壤的理化性质为研究对象。通过野外调查、野外实验观测等方法，系统研究了不同坡位、土层、沉陷年限和程度下沙尘暴土壤理化性质的变化，并运用主成分分析法综合评价了采煤沉陷对沙尘暴土壤性质的影响。李纯一、崔希敏等人(2009)通过研究地表沉陷盆地的形成过程，提出了开采沉陷对地表的影响模式，并分析了采煤引起的地表沉陷对地形地貌的破坏特征。李伟、陈甘龙等(2011)分析了采煤沉陷对土地的危害。通过对采煤沉陷土壤质量变化研究成果的梳理，探讨了采煤沉陷土壤质量研究中的不足。冀伟贞(2011)以渭北矿区开采沉陷土地为研究对象，将开采沉陷对土地资源的损害分为显性损害和隐性损害两种形式，并将开采沉陷对土地资源的损害分为四个层次，并提出了相应的控制措施[8】；简星等人(2011)研究了淮北采煤塌陷区湿地、园林绿地和耕地三种土地利用类型的土壤养分含量。
煤矿开采对土地的破坏也表现在对耕地的破坏上。许多专家学者也对采煤引起的耕地土壤性质的变化进行了进一步的研究。顾和合、胡齐针等人(1998)通过对开采沉陷盆地土壤特性的动态监测发现，开采沉陷有明显的规律可循，也成为导致耕地生产力下降的主要因素。其中，沉降对土壤物理特性影响显著，而化学特性除电导率外不明显。陈甘龙等(1999)以山东兖州矿区为例，对塌陷地不同塌陷位置不同土层的土壤进行了测量分析，揭示了开采沉陷对农田土壤理化特性影响的空变化规律，得出开采沉陷对农田土壤理化特性影响显著的结论。卞付正(2004)提出利用土地环境条件、土壤物理性质和土壤养分因子来反映矿区的土地质量。通过徐州矿区的实验研究，分析了开采沉陷引起的上述土地质量因子的变化规律，最终得出了各因子的具体变化情况以及耕地生产力下降的主要原因。赵同谦等(2007)研究了焦作矿区汉旺矿区不同塌陷区和不同耕地深度的土壤肥力特征。结果表明，采煤引起的地表沉陷会在水平和垂直方向上改变耕地的土壤肥力。
基础理论
2.1基本概念研究
2.1.1基本概念
1)水资源
广义而言，水资源是指地球上的所有水体，包括海洋、河流、湖泊、冰川、地下水和大气中的水，人类可以直接或间接利用这些水体。
狭义的水资源仅指人们在一定时期内可以直接开发利用的水体的某一部分，包括储存在地下的河流、湖泊和淡水资源，可以直接用于陆上生产和生活。此外，该配水资源还应符合相关水质标准。
2)土地资源
土地资源也是自然资源。土地是由地球表面陆地部分上下一定范围内的岩石、土壤、水和植被组成的自然复合体。要理解土地的概念，我们应该把它与土壤和土地这两个概念区分开来。土壤是指地球表面肥沃的疏松土层，是土地的要素之一。该领土是一个国家的人民赖以生存和发展的/[/k0/。它指国家主权管辖下的领土，包括领土、领海和领海空。土地含义的广度和深度远远大于土地的概念。
2.1.2水土资源的关系
水土资源作为一种基本的自然资源，支撑着人类的生活和生产活动，是人类生存和发展的必要物质材料。在煤炭资源开采过程中，水土资源作为基础、载体、原料或来源发挥着不可替代的基础性作用。水资源和土地资源也是相互关联和相互制约的。
水资源是自然地质循环的重要驱动力，水资源的利用直接影响土地资源的生产效率。土壤的形成过程与水密切相关，水资源是土壤置换的重要能量传递之一。水资源短缺直接影响土地生产能力、土壤有机质的形成和土地生产效率，是影响土地质量的重要因素。
2.2基础理论研究
2.2.1系统论
系统论的核心思想是系统的整体概念参考文献(省略)。强调将研究对象作为一个整体来分析系统的结构和功能，其研究是通过研究系统、要素和环境之间的变化规律和相关关系，从系统优化的角度来分析和解决问题，试图全面、准确地揭示研究对象的本质，从而达到寻找解决问题的最佳对策的目的。
矿区水土资源协调是指实现矿区水土资源的规划和管理，重建由多个相互关联、相互制约、相互作用的水土资源利用工程单位和管理技术单位组成的复杂系统。它具有多目标、功能多样性、结构选择性、动态行为可控性、开放性和不确定性的特点。因此，在矿区水土资源协调利用的研究中，应坚持系统观，将矿区视为一个有机整体，充分利用系统分析理论和方法，考虑矿区生态系统的社会、经济和生态效益，掌握系统中各要素的影响因素及其相互关系，实现矿区水土资源系统内外联系的良性互动。
系统分析方法包括数学规划方法(线性规划、非线性规划、动态规划)、仿真技术(静态模型和动态模型、确定性模型和随机模型、短期模型和长期模型)和决策分析技术。在研究过程中，应根据矿区的需要和特点选择合适的方法，构建水土资源协调利用模型。
2.2.2可持续利用理论
顾名思义，简单地从字面上解释“可持续发展”是指在保持发展可持续性的同时促进发展，这包括可持续性和发展的两个定义。可持续性的内涵是:从时间和空两个维度来看，从有利于自身活动的角度来看，人类在人类生存限度内控制物理、生物和化学规律的能力空以及环境资源承载人类利益需求的能力；所谓发展，是指人民物质生活水平的不断提高，社会物质和精神财富的不断增长。它的本质是新事物的出现和旧事物的灭绝。根据\"人类的共同未来\"，可持续发展的定义是:\"在不损害后代满足其需求的能力的情况下，满足当代人民需求的发展\"。
在国家倡导全面、协调、可持续的科学发展观的背景下，在土地和淡水资源有限和稀缺的现实条件下，矿区水土资源利用也应贯彻可持续利用的理念。通过矿区水土资源的协调利用规划和实践，水资源和土地资源可以为人类生产生活等社会活动提供长期支持，因此矿区水土资源的利用也可以产生良好的经济、社会和生态效益。从宏观和微观两个层面协调土地和水资源利用的矛盾是非常必要和有益的。
3煤矿区水土协调利用的理论研究...................14
3.1协调使用概念进行定义……14
3.2实施过程的协调使用..............................15
3.3实施方法的协调使用……16
四高地下水位煤矿区开采扰动水土资源分析...................19
4.1采煤前水土资源利用分析……19
4.2采煤后土地资源破坏分析……23
4.3采煤后水资源变化分析............................27
5收获后水土资源利用评价体系……30
5.1研究区收获后水土资源利用概况……30
5.2研究领域评价指标体系的初步建立...................30
5.3熵权法确定指标权重……32
煤矿区水土资源协调利用的实证研究
6.1矿区水土资源协调技术方案研究——以三河尖煤矿为例
针对煤矿区土地利用结构单一，主要为耕地、城市用地和水域用地，通过实施复垦技术方案，改善矿区水土利用条件，实现水土资源的协调利用。此外，采用一定的方法计算和评价其经济效益。
6.1.1煤矿区水土资源破坏现状
1)矿区土地资源的破坏
三河尖井田所在区域属于黄淮平原，主要用于农业生产。这个地区的自然植被很少，只有一些零星的灌木。人工植被是研究区的主要植被，其中大部分是作物植被和森林植被。经过20多年的采煤，在地形地貌方面，地面沉降对土地破坏的影响主要表现在形成无积水沉降缓坡区、季节性积水区、常年积水区等地表形态，破坏了地表的连续性和完整性，导致与周围原生自然景观不协调。随着矿山开采的逐渐扩大，地下采矿空区的面积继续扩大，岩层移动扩展到地表，并继续造成地形破坏。根据该区地表移动变形预测，未来5年三河尖煤矿开采后的最大下沉深度为3650毫米，塌陷深度较浅的地表呈起伏状，塌陷深度大于1.5m的所有断面均充水形成池塘。土地的性质完全改变了。受影响村庄搬迁后留下的废弃宅基地都会产生一些劣质景观，对当地地形地貌造成破坏，原有的地形地貌将受到极大破坏。
就土地本身而言，被采矿破坏的土地是旱地、部分灌溉地、河流、公路用地、沟渠等。在目前条件下，塌陷成库面积为3247800m2，影响较大。随着矿井逐渐延伸至井田深部，地下开采面积空区域不断扩大，岩层移动影响地表，并继续对地表土地资源造成广泛破坏。
结论与展望
7.1主要研究结果
在分析和评价煤矿区水土资源利用现状的基础上，从定性和定量两个方面研究了煤矿开采对水土资源的破坏和影响造成的水土资源利用矛盾。通过实例分析，指出矿区利用土地复垦方案进行生态恢复，有利于矿区产出和经济效益的提高。采用土地利用结构优化配置不仅可以作为土地复垦的先进方案，也可以作为矿区水土资源直接优化配置的方案。有利于矿区各类土地面积的合理配置，为后续土地利用总体规划提供参考。
(1)在可持续利用理论、系统论和协调耦合理论等基础理论的支持下，通过描述开采前后水土资源的利用状况，利用ArcGIS等软件分析了煤炭开采对水土资源的破坏作用和影响，详细分析了能够反映煤炭开采破坏状况的影响因素，为定量评价指标的选择提供了参考。
(2)运用PSR框架模型、TOPSIS模型、成本效益法、线性规划法等具体理论模型，以“压力-状态-响应”(PSR)模型为手段，构建矿区环境中水资源与土地资源利用关系的评价体系，得出结论:①状态层和相应层变化方向相同，而压力层和两者变化方向相反；(2)运用TOPSIS法对煤矿区水土资源协调利用程度进行评价，并对裴蓓8个矿区的评价得分进行排序。结果表明，姚桥、裴城、孔庄、古龙和三河尖矿区水土资源协调状况为三级。徐壮、张双楼和陇东获得第四名。(3)各矿区受采矿破坏严重，水土资源利用矛盾突出，需要采取相应措施予以纠正。
(3)在定性和定量分析评价的基础上，对裴蓓八矿水土资源协调利用进行了分类，并对影响矿区水土资源协调利用的指标进行了分析。选择三河尖煤矿为典型代表矿区，对矿区水土资源进行复垦处理，用成本效益法测算其经济协调性。通过成本效益比和投资回收期的计算，得出该研究方案具有较高的经济效益和一定的生态效益，是可行的。
(4)以姚桥煤矿为例，运用线性规划理论和耦合协调理论的基本模型和方法，以煤矿区土地利用结构优化为目标，用线性规划方法构建煤矿区水土资源协调利用优化模型，用单纯形法求解。 得出了研究区水土资源协调利用模型的最优解，实现了煤矿区水土资源的合理配置，证明了该方案在某些特定矿区是可行的。
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