CN115482119A - 一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，包括以下步骤：根据植被生态需水量、地表水域水面蒸发量和地下潜水蒸发量确定煤层采动前后生态需水总量；根据煤层采动前后生态需水总量获取煤层采动前后生态需水变化量，确定矿区生态缺水状态并进行分区；获取矿区采动前后景观格局指数；根据矿区采动前后景观格局指数的变化，确定矿区生态风险状态并分区；根据缺水状态的分区和生态风险状态的分区确定生态脆弱矿区生态地质环境修复等级并区划，采用本发明的方法能够有效提高矿区生态地质环境修复等级的圈定范围精度，为生态脆弱矿区生态地质环境保护与修复决策提供理论参考。

Description

一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法
技术领域
本发明涉及矿山生态地质环境保护与修复技术领域，具体涉及一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
随着大规模煤炭资源开发且规模不断扩大，因煤层埋藏浅、厚度大，西部矿区丰富的煤炭资源与脆弱的生态地质环境之间的矛盾日益凸显、严重，造成地表沉陷、地表景观破坏、生物多样性减小、地下潜水位下降、河谷断流、植被枯萎死亡、荒漠化加剧等生态地质环境破坏问题，其中矿区生态缺水、景观格局破碎最为凸显，已对区域经济和社会发展产生重要影响。因此，提出生态脆弱矿区生态地质环境修复等级，并对其进行区划，对生态脆弱矿区环境问题修复和经济可持续发展具有重要的意义。
目前，针对矿区生态地质环境修复等级确定及区划方法研究，往往采用数学理论评价方法，如：模糊德尔菲层次分析法、加权模糊C均值聚类法等例如专利CN201910187343.6、CN201810089353.1，然而，从矿区生态缺水和景观格局角度提出生态脆弱矿区生态地质环境修复方法，当前未有报道。如果忽略矿区生态缺水和景观格局等凸显问题，会造成区划生态地质环境修复等级区划不明确、受客观因素影响、不同等级范围的圈定精度不高等相关问题，难以对矿区的生态地质环境修复方法提供坚实科学依据，甚至大幅度增加生态地质环境修复费用。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，解决生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划不明确、受客观因素影响、不同等级范围的圈定精度不高等相关问题，为修复生态脆弱矿区生态地质环境提供理论参考依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
本发明的实施例提供了一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，包括以下步骤：
根据植被生态需水量、地表水域水面蒸发量和地下潜水蒸发量确定煤层采动前后生态需水总量；
根据煤层采动前后生态需水总量获取煤层采动前后生态需水变化量，确定矿区生态缺水状态并进行分区；
获取矿区采动前后景观格局指数；
根据矿区采动前后景观格局指数的变化，确定矿区生态风险状态并分区；
根据缺水状态的分区和生态风险状态的分区确定生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划。
可选的，植被生态需水量的获取方法为：预先获取煤层采动前后矿区的NDVI分布，基于生态需水定额法，结合ArcGIS空间分析，获得矿区采动前后植被生态需水定额空间分布及植被生态需水量。
可选的，地表水域水面蒸发量的获取方法为：分别确定矿区采动前后地表水域的面积，结合预先获得的矿区的水面蒸发量，获取煤层采动前后矿区地表水域水面蒸发量。
可选的，地下潜水蒸发量的获取方法为：
获取采后地下潜水位；
根据地下潜水位和预先获取的水面蒸发量得到地下潜水蒸发量。
可选的，获取采后地下潜水位的具体方法位：
结合预先获取的矿区岩层含/隔水水文地质条件和地表高程，确定数值模拟边界条件、参数分区、网格剖分、赋值源汇项，建立矿区三维水文地质数值模型；
利用建立的矿区三维水文地质数值模型，设定覆岩含水层、隔水层水文地质参数来模拟再现采后地下潜水位。
可选的，利用地下水位的实测点，采用试算手段验证矿区三维水文地质数值模型的可行性，如果不可行，则对矿区三维水文地质数值模型进行调整。
可选的，煤层采动前后生态需水变化量为采后生态需水总量减去采前生态需水总量，如果差值为负值，表面处于缺水状态，否则为不缺水状态。
可选的，采动前后景观格局指数包括采动前后矿区景观形状指数、景观斑块密度、最大斑块指数、香农多样性指数、最大拼块占景观面积比例、景观分割指数。
可选的，相同景观格局指数，对比煤层采动前后其值演化及分布规律；分别对比矿区采动前后的多种景观格局指数，结合ArcGIS空间分析功能和景观格局指数生态意义，确定矿区生态风险状态并分区。
可选的，当生态风险高并且处于缺水状态时，作为亟需人工修复的区域，当生态风险高且处于不缺水状态时，作为自然恢复区域，当生态风险低且处于缺水状态时，作为自然恢复和人工修复结合的区域，当生态风险低且处于不缺水状态时，作为无影响区域。
本发明的有益效果：
本发明的方法，从植被生态需水、地表水域水面蒸发和地下潜水蒸发三个方面，计算矿区煤层采动前后生态需水总量；计算矿区煤层采动前后生态需水变化量，确定矿区生态缺水状态并分区；分别计算矿区采动前后景观格局指数；对比矿区采动前后景观格局指数变化，确定矿区生态风险状态并分区；结合矿区缺水程度和生态风险区，提出生态脆弱矿区生态地质环境修复等级并区划，考虑了矿区生态缺水和景观格局的凸显问题，该方法依据明确，实施简单易行，能够有效提高矿区生态地质环境修复等级的圈定范围精度，为生态脆弱矿区生态地质环境保护与修复决策提供理论参考。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1方法流程图；
图2为本发明实施例1的实际应用的某矿区生态地质环境修复等级区划图；
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：获取矿区地下水位实测资料、岩层含/隔水水文地质条件、矿区土地利用类型、NDVI、地表高程、地表水域面积、降雨量等数据资料。其中，岩层含水/隔水水文地质条件是指：矿区岩层结构、含水层渗透系数、给水度、边界条件、水力特征及补给排泄条件等；基于遥感数据获取矿区煤层采动前后土地利用类型、NDVI、地表高程及地表水域(主要指河流、湖泊)面积；根据矿区周边气象站数据获取多年平均降雨量。
步骤S2：建立矿区三维水文地质数值模型，模拟再现才厚地下潜水位。
步骤S2的具体包括以下步骤：
步骤S21.结合步骤S1获取的矿区岩层含/隔水水文地质条件和地表高程，确定数值模拟边界条件、参数分区、网格剖分，赋值源汇项，建立矿区三维水文地质数值模型；
步骤S22：采用试算手段，利用地下水位实测点，识别验证矿区三维水文地质数值模型的可行性，如果不可性，则对矿区三维水文地质数值模型进行调整，通过调整参数分区、网格剖分等手段，实现三维水文地质竖直模型的调整，直至满足要求。
步骤S23：利用所建矿区三维水文地质数值模型，根据开采状况，考虑降雨量等因素，设定覆岩含水层、隔水层水文地质参数来模拟再现采后地下潜水位。
步骤S3：从植被生态需水量、地表水域水面蒸发量和地下潜水蒸发量三个方面，计算矿区煤层采动前后生态需水总量，步骤如下：
步骤S31：计算植被生态需水量：在步骤S1获取的煤层采动前后矿区NDVI分布基础上，基于生态需水定额法(常用Penman-Monteith公式，式1)，结合ArcGIS空间分析功能，获得矿区采动前后植被生态需水定额空间分布及植被生态需水量；
Qe,q＝KS×Kq×Qe,0 (1)
式中，Qe,q为植被生态需水定额，mm；Kq为植被最大需水量与潜在耗水量的比例系数，即植被生态耗水系数；KS为土壤水分调节系数；Qe,0为植被潜在蒸散量，mm。
步骤S32：计算地表水域水面蒸发量：考虑到生态脆弱矿区多处于干旱半干旱区域，主要计算丰水期(6-9月份)地表水蒸发量，即：采用遥感监测技术分别确定矿区采动前后地表水域即河流、湖泊水面的面积，结合该区域预先获取的已有资料的水面蒸发量，计算煤层采动前后矿区河流和湖泊地表水域蒸发量即地表水域水面蒸发量，如式2；
W＝A×E0 (2)
式中，W为地表水域水面蒸发量，mm；A为地表水域面积，m2；E0为水面蒸发量，mm。
步骤S33：计算地下潜水蒸发量：基于阿维里扬诺夫潜水蒸发模型公式(式3)，结合步骤S2地下潜水位数值模拟值，分别计算煤层采动前后矿区地下潜水蒸发量
E＝a×(1-H/Hmax)b×E0 (3)
式中，E为潜水蒸发量，mm；H为地下潜水位，m；Hmax为停止蒸发的地下潜水位埋深，m；Hmax在1.5—4.0m之间；E0为水面蒸发量，mm；a，b为与植被有关的待定系数。
步骤S34.分别计算煤层采动前后矿区植被生态需水量、地表水域水面蒸发量、地下潜水蒸发量，基于ArcGIS分别生成煤层采动前后生态需水总量分布专题图。
步骤S4：计算矿区煤层采动前后生态需水变化量，确定矿区生态缺水状态并分区，具体过程为：分别获取上述植被生态需水量、地表水域水面蒸发量和地下潜水蒸发量专题图，通过ArcGIS空间分析功能，三个专题图叠加，即可得到煤层采动前后生态需水总量，采后生态需水总量减去采前生态需水总量，获得矿区生态缺水状态专题图；如果两者之差为负值，表明处于缺水状态；反之，为不缺水状态。两者之差为零时，矿区采动前后生态需水总量不变，可归为生态不缺水状态。
步骤S5.分别计算矿区采动前后景观格局指数，具体过程为：在获取煤层采动前后矿区土地利用类型的基础上，基于Fragstats分别计算采动前后矿区景观形状指数、景观斑块密度、最大斑块指数、香农多样性指数、最大拼块占景观面积比例、景观分割指数6种景观格局指数，并基于ArcGIS生成相应的12个专题图。
步骤S6：对比矿区采动前后景观格局指数变化，确定矿区生态风险状态并分区，具体过程为：对相同景观格局指数，对比煤层采动前后其值演化及分布规律；分别对比矿区采动前后6种景观格局指数，结合ArcGIS空间分析功能和景观格局指数生态意义，确定矿区生态风险状态并分区。
步骤S7：结合矿区缺水程度和生态风险区，提出生态脆弱矿区生态地质环境修复等级并区划，具体过程为：结合矿区缺水程度和生态风险区，提出生态脆弱矿区生态地质环境修复四个等级：亟需人工修复、自然恢复+人工修复、自然恢复、无影响区；基于ArcGIS空间分析功能，根据以下缺水和生态风险区的组合：当生态风险高并且处于缺水状态时，作为亟需人工修复的区域，当生态风险高且处于不缺水状态时，作为自然恢复区域，当生态风险低且处于缺水状态时，作为自然恢复和人工修复结合的区域，当生态风险低且处于不缺水状态时，作为无影响区域。
采用本实施例的方法区划生态脆弱矿区生态地质环境保护等级范围，在实际工程中的应用包括：(1)为矿区不同区域的生态地质环境保护与修复方法的选择提供科学依据；(2)可提前规划矿区、指导采煤生产；(3)根据不同的生态地质环境修复等级，制定修复方案。
本实施例方法的一个实际应用中：
某矿区地处干旱-半干旱区域，水资源匮乏、生态地质环境脆弱，属于生态脆弱矿区。第四系地下浅层水是维持地表生态环境的重要因子。煤层采动后，地下潜水位降低、地表水域面积变化，植被生长受到胁迫，易诱发矿区生态需水及景观格局发生变化，造成生态地质环境不同程度的破坏。
据此，根据一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法的步骤，区划该生态脆弱矿区的生态地质环境修复等级，如图2所示。此外，调研不同的地表区域，验证了该方法的准确性。
事实证明，该方法不仅具有良好的实用性，还依据明确，实施简单易行，能够有效提高圈定生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区域范围的精度，为矿区生态地质环境保护与修复提供理论参考。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据植被生态需水量、地表水域水面蒸发量和地下潜水蒸发量确定煤层采动前后生态需水总量；
根据煤层采动前后生态需水总量获取煤层采动前后生态需水变化量，确定矿区生态缺水状态并进行分区；
获取矿区采动前后景观格局指数；
根据矿区采动前后景观格局指数的变化，确定矿区生态风险状态并分区；
根据缺水状态的分区和生态风险状态的分区确定生态脆弱矿区生态地质环境修复等级并区划。
2.如权利要求1所述的一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，其特征在于，植被生态需水量的获取方法为：预先获取煤层采动前后矿区的NDVI分布，基于生态需水定额法，结合ArcGIS空间分析，获得矿区采动前后植被生态需水定额空间分布及植被生态需水量。
3.如权利要求1所述的一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，其特征在于，地表水域水面蒸发量的获取方法为：分别确定矿区采动前后地表水域的面积，结合预先获得的矿区的水面蒸发量，获取煤层采动前后矿区地表水域水面蒸发量。
4.如权利要求1所述的一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，其特征在于，地下潜水蒸发量的获取方法为：
获取采后地下潜水位；
根据地下潜水位和预先获取的水面蒸发量得到地下潜水蒸发量。
5.如权利要求4所述的一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，其特征在于，获取采后地下潜水位的具体方法位：
结合预先获取的矿区岩层含/隔水水文地质条件和地表高程，确定数值模拟边界条件、参数分区、网格剖分、赋值源汇项，建立矿区三维水文地质数值模型；
利用建立的矿区三维水文地质数值模型，设定覆岩含水层、隔水层水文地质参数来模拟再现采后地下潜水位。
6.如权利要求5所述的一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，其特征在于，利用地下水位的实测点，采用试算手段验证矿区三维水文地质数值模型的可行性，如果不可行，则对矿区三维水文地质数值模型进行调整。
7.如权利要求1所述的一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，其特征在于，煤层采动前后生态需水变化量为采后生态需水总量减去采前生态需水总量，如果差值为负值，表面处于缺水状态，否则为不缺水状态。
8.如权利要求1所述的一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，其特征在于，采动前后景观格局指数包括采动前后矿区景观形状指数、景观斑块密度、最大斑块指数、香农多样性指数、最大拼块占景观面积比例、景观分割指数。
9.如权利要求1所述的一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，其特征在于，针对相同景观格局指数，对比煤层采动前后其值演化及分布规律；分别对比矿区采动前后的多种景观格局指数，结合ArcGIS空间分析功能和景观格局指数生态意义，确定矿区生态风险状态并分区。
10.如权利要求1所述的一种生态脆弱矿区生态地质环境修复等级区划方法，其特征在于，当生态风险高并且处于缺水状态时，作为亟需人工修复的区域，当生态风险高且处于不缺水状态时，作为自然恢复区域，当生态风险低且处于缺水状态时，作为自然恢复和人工修复结合的区域，当生态风险低且处于不缺水状态时，作为无影响区域。
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