锡林郭勒盟大型露天煤矿区地质环境时空演化评价

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.6.28

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (3): 443-457.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.6.28

锡林郭勒盟大型露天煤矿区地质环境时空演化评价

何辉¹(), 穆文平²^,^*(), 张晓¹, 宋煜冰¹, 吕远洋¹, 武雄¹, 叶宝莹³, 白中科³

1.中国地质大学(北京) 水资源与环境学院, 北京 100083
2.中国地质大学(北京) 工程技术学院, 北京 100083
3.中国地质大学(北京) 土地科学与技术学院, 北京 100083

收稿日期:2022-10-13 修回日期:2023-08-08 出版日期:2024-05-25 发布日期:2024-05-25
通信作者: *穆文平(1988—),男,副教授,博士生导师,主要从事矿山水文地质与工程地质方面的教学与科研工作。E-mail: muwp@cugb.edu.cn
作者简介:何辉(1997—),男,硕士,地质工程专业。E-mail: 2005200020@cugb.edu.cn
基金资助:
内蒙古科技重大专项(2020ZD0020);国家自然科学基金项目(42102295);中央高校基本科研业务费项目(2-9-2020-019)

Spatio-temporal evolution evaluation of geological environment of large open-pit coal mine areas in Xilin Gol league

HE Hui¹(), MU Wenping²^,^*(), ZHANG Xiao¹, SONG Yubing¹, LÜ Yuanyang¹, WU Xiong¹, YE Baoying³, BAI Zhongke³

1. School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
2. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
3. School of Land Science and Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China

Received:2022-10-13 Revised:2023-08-08 Online:2024-05-25 Published:2024-05-25

摘要/Abstract

摘要：

内蒙古锡林郭勒盟大型露天煤矿区经过20多年的开发,产生了一系列矿山地质环境问题,矿区地质环境在一定程度上遭到破坏,因此,开展大型露天煤矿区地质环境时空演化评价可为矿区生态地质环境修复提供参考。本文对锡林郭勒盟3个大型矿区进行地质环境时空演化评价。首先通过现场调查,明确了研究区主要的矿山地质环境问题,包括植被覆盖度下降、土地压占(排土场和工业场地)、地形地貌景观破坏(露天采坑)和含水层破坏等4类;其次利用遥感影像定量获取了2000—2020年之间的矿山地质环境问题信息,并建立了矿山地质环境评价指标体系;然后应用层次分析法确定了矿山地质环境评价指标的权重,并通过基于GIS的影响指数模型对矿山地质环境影响进行了评价和区划,探讨了矿山地质环境时空演化规律。研究结果表明:(1)3个大型矿区植被覆盖度下降区域的面积、排土场压占土地面积和露天采坑破坏地形地貌景观面积随时间不断增加;(2)大型矿区采矿对地质环境的影响划分为无影响区、轻微影响区、一般影响区、较强影响区和强烈影响区5个等级分区;(3)3个大型矿区地质环境时空演化规律基本相同,不同影响区的空间分布特征和面积随时间变化的规律不同。

关键词: 露天煤矿区, 地质环境, 植被覆盖度, 层次分析法, 影响指数模型, 时空演化评价

Abstract:

After more than 20 years of development in the large open-pit coal mine areas in Xilin Gol league, Inner Mongolia, a series of mining geological environmental problems have been generated and the geological environment of the mine area has been damaged to some extent, therefore, the evaluation of the spatial and temporal evolution of the geological environment of the large open-pit coal mine areas can provide a reference for the ecological and geological environment restoration of the mine areas. This study evaluates the spatial and temporal evolution of the geological environment in three large mining areas in Xilin Gol league. Firstly, through site investigation, it was clarified that the main mining geological environment problems in the study area mainly include four categories, such as vegetation coverage decline, land occupation (drainage field and industrial sites), topography landscape destruction (open-pit mining) and aquifer destruction. Then remote sensing images were used to quantitatively obtain information on mine geological environment problems between 2000 and 2020, and a mining geological environment evaluation index system was established. After that, the hierarchical analysis was applied to determine the weights of various geological environmental problems, and the impact index model based on GIS was used to evaluate and zone the impact of mine geological environment and explore the law of spatial and temporal evolution of mine geological environment. The results of the study show that: (1) The decreasing vegetation coverage, the area of the land occupied by the soil discharge site and the area of the open pit destroying the landscape of topography and geomorphology are increasing with time in the three large mining areas. (2) The impact of mining on the geological environment in the large mining area is divided into five class sub-areas: no impact area, slight impact area, general impact area, stronger impact area and strong impact area. (3) The spatial and temporal evolution pattern of the geological environment in the three large mining areas is basically the same, and the spatial distribution characteristics and the area change pattern of different impact areas with time are different.

Key words: open-pit coal mine areas, geological environment, vegetation coverage, hierarchical analysis, impact index model, spatial and temporal evolution evaluation

中图分类号:

何辉, 穆文平, 张晓, 宋煜冰, 吕远洋, 武雄, 叶宝莹, 白中科. 锡林郭勒盟大型露天煤矿区地质环境时空演化评价[J]. 地学前缘, 2024, 31(3): 443-457.

HE Hui, MU Wenping, ZHANG Xiao, SONG Yubing, LÜ Yuanyang, WU Xiong, YE Baoying, BAI Zhongke. Spatio-temporal evolution evaluation of geological environment of large open-pit coal mine areas in Xilin Gol league[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(3): 443-457.

图/表 20

图1 锡林郭勒盟大型露天煤矿区的地理位置

Fig.1 Location of large open-pit coal mine area in Xilin Gol league

表1 遥感数据列表

Table 1 A list of remote sensing data

矿区名称	时相	传感器
胜利矿区	20000920	landsat5 TM
	20050724	landsat7 ETM+
	20080902	landsat7 ETM+
	20110810	landsat7 ETM+
	20140530	landsat7 ETM+
	20170717	landsat8 OLI
	20200607	landsat8 OLI
白音华矿区	20000913	landsat5 TM
	20050818	landsat7 ETM+
	20080927	landsat7 ETM+
	20110920	landsat7 ETM+
	20140819	landsat8 OLI
	20170920	landsat7 ETM+
	20201006	landsat8 OLI
贺斯格乌拉矿区	20000821	landsat5 TM
	20050903	landsat7 ETM+
	20080927	landsat7 ETM+
	20110920	landsat7 ETM+
	20140819	landsat8 OLI
	20170624	landsat8 OLI
	20200609	landsat8 OLI

图2 评价指标体系

Fig.2 Evaluation index system

图3 胜利矿区植被覆盖度与植被覆盖度梯度 a—2000年植被覆盖度;b—2005年植被覆盖度;c—2008年植被覆盖度;d—2011年植被覆盖度;e—2014年植被覆盖度;f—2017年植被覆盖度;g—2020年植被覆盖度;h—2020年植被覆盖度梯度。

Fig.3 Vegetation coverage and gradient of vegetation coverage in the Shengli mine area

图4 白音华矿区植被覆盖度与植被覆盖度梯度 a—2000年植被覆盖度;b—2005年植被覆盖度;c—2008年植被覆盖度;d—2011年植被覆盖度;e—2014年植被覆盖度;f—2017年植被覆盖度;g—2020年植被覆盖度;h—2020年植被覆盖度梯度。

Fig.4 Vegetation coverage and gradient of vegetation coverage in the Baiyinhua mine area

图5 贺斯格乌拉矿区植被覆盖度与植被覆盖度梯度 a—2000年植被覆盖度;b—2005年植被覆盖度;c—2008年植被覆盖度;d—2011年植被覆盖度;e—2014年植被覆盖度;f—2017年植被覆盖度;g—2020年植被覆盖度;h—2020年植被覆盖度梯度。

Fig.5 Vegetation coverage and gradient of vegetation coverage in the Hesigewula mine area

图6 胜利矿区排土场、采坑及工业场地解译结果 a—2000年解译结果;b—2005年解译结果;c—2008年解译结果;d—2011年解译结果;e—2014年解译结果;f—2017年解译结果;g—2020年解译结果;h—排土场、采坑和工业场地面积。

Fig.6 Interpretation results of the discharge site, open pit and industrial site in the Shengli mine area

图7 白音华矿区排土场、采坑及工业场地解译 a—2000年解译结果;b—2005年解译结果;c—2008年解译结果;d—2011年解译结果;e—2014年解译结果;f—2017年解译结果;g—2020年解译结果;h—排土场、采坑和工业场地面积。

Fig.7 Interpretation results of discharge site, open pit and industrial site in the Baiyinhua mine area

图8 贺斯格乌拉矿区排土场、采坑及工业场地解译 a—2000年解译结果;b—2005年解译结果;c—2008年解译结果;d—2011年解译结果;e—2014年解译结果;f—2017年解译结果;g—2020年解译结果;h—排土场、采坑和工业场地面积。

Fig.8 Interpretation results of the discharge site, open pit and industrial site in the Hesigewula mine area

表2 矿区含水层结构破坏面积

Table 2 Area of structural damage to the aquifer in the mine area

年份	矿区含水层结构破坏面积/km²
	胜利		白音华		贺斯格乌拉
	潜水层	承压水层	潜水层	承压水层	潜水层	承压水层
2000	1.40	1.14	0.10	0.08	0.00	0.00
2005	1.30	0.98	0.10	0.08	0.00	0.00
2008	6.10	4.51	5.30	3.98	0.80	0.47
2011	13.40	9.69	9.70	6.91	2.70	1.27
2014	19.90	12.30	17.10	13.55	5.40	4.21
2017	21.60	13.60	21.90	16.90	5.70	3.39
2020	27.30	16.40	28.90	18.57	7.80	5.05

表3 露天采矿对潜水水位的影响半径

Table 3 Influence radius of groundwater level in the phreatic aquifer due to open-pit mining

矿区名称	水位降深设计值 S/m	含水层厚度 H/m	渗透系数 K/(m·d^-1)	潜水水位影响半径 R₁/m
胜利矿区	12.49	12.49	0.59	67.8
白音华矿区	2.69	2.69	0.92	8.5
贺斯格乌拉矿区	7.59	7.59	8.48	121.8

表4 露天采矿对承压水水位的影响半径

Table 4 Influence radius of groundwater level in the confined aquifer due to open-pit mining

矿区名称	水位降深设计值 S/m	渗透系数 K/(m·d^-1)	承压水位影响半径R₂/m
胜利矿区	78.98	1.13	839.6
白音华矿区	146.49	3.75	2 836.8
贺斯格乌拉矿区	126.02	1.01	1 266.5

表5 地质环境问题一级指标判断矩阵

Table 5 Judgment matrix of key indicators in the geoenvironmental problems

指标	各指标间的权重
指标	植被覆盖度下降	含水层破坏	土地压占	地形地貌景观破坏
植被覆盖度下降	1	1/3	1/3	1/3
含水层破坏	3	1	1/2	1/2
土地压占	3	2	1	1/2
地形地貌景观破坏	3	2	2	1

表6 土地压占判断矩阵

Table 6 Judgment matrix of land occupation

指标	各指标间的权重
指标	工业场地	排土场
工业场地	1	1/3
排土场	3	1

表7 含水层破坏判断矩阵

Table 7 Judgment matrix of aquifer destruction

指标	各指标间的权重
指标	潜水含水层水位下降	承压含水层水位下降	潜水含水层结构破坏	承压含水层结构破坏
潜水含水层水位下降	1	1	1/2	1/2
承压含水层水位下降	1	1	1/2	1/2
潜水含水层结构破坏	2	2	1	1
承压含水层结构破坏	2	2	1	1

表8 地质环境问题指标权重

Table 8 Indicator weights of geoenvironmental issues

地质环境问题一级指标	地质环境问题二级指标	一级指标权重	二级指标权重
植被覆盖度下降	植被覆盖度下降	0.10	0.10
土地压占	工业场地	0.29	0.07
土地压占	排土场	0.29	0.22
地形地貌景观破坏	地形地貌景观破坏	0.41	0.41
含水层破坏	潜水含水层地下水水位下降	0.20	0.03
	承压含水层地下水水位下降		0.03
	潜水含水层结构破坏		0.07
	承压含水层结构破坏		0.07

图9 2000—2020年胜利矿区地质环境影响评价结果 a—2000年影响评价;b—2005年影响评价;c—2008年影响评价;d—2011年影响评价;e—2014年影响评价;f—2017年影响评价;g—2020年影响评价;h—影响区面积随时间变化图。

Fig.9 Geo-environmental impact evaluation results of the Shengli mine area from 2000 to 2020

图10 2000—2020年白音华矿区地质环境影响评价结果 a—2000年影响评价;b—2005年影响评价;c—2008年影响评价;d—2011年影响评价;e—2014年影响评价;f—2017年影响评价;g—2020年影响评价;h—影响区面积随时间变化图。

Fig.10 Geo-environmental impact evaluation results of the Baiyinhua mine area from 2000 to 2020

图11 2000—2020年贺斯格乌拉矿区地质环境影响评价结果 a—2000年影响评价;b—2005年影响评价;c—2008年影响评价;d—2011年影响评价;e—2014年影响评价;f—2017年影响评价;g—2020年影响评价;h—影响区面积随时间变化图。

Fig.11 Geo-environment impact evaluation results results of the Hesigewula mine area from 2000 to 2020

表9 不同影响区分布、成因和面积变化特征

Table 9 Distribution, cause and area change characteristics of different impact areas

类别	分布	成因	面积变化特征
无影响区	矿区外部	不受地质环境问题影响	随时间不断减小
轻微影响区	含水层水位的下降的范围	植被覆盖度下降、含水层水位下降和工业场地压占	随时间先增加后平稳
一般影响区	工业场地和排土场	植被覆盖度下降、含水层水位下降、工业场地压占或排土场压占	随时间不断增加或先增加后平稳
较强影响区	排土场	植被覆盖度下降、含水层水位下降和排土场压占	随时间不断增加
强烈影响区	采坑	植被覆盖度下降、含水层结构破坏和水位下降、地形地貌景观破坏	随时间不断增加

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