露天矿区植被受损和土壤重金属污染监测与评估
露天煤矿开采引发的一系列生态环境问题，严重影响区域经济的可持续发展。通过研究露天煤矿开采区内植被受损状况和受损原因、分析区域内土壤重金属污染程度和污染来源，对区域内土壤重金属污染生态风险进行评估和分析，可以为露天煤矿开采区环境监测与评估，以及矿区环境恢复和治理提供信息支撑，对于促进矿区经济和环境协调发展具有重要意义。论文选择新疆准东煤田五彩湾露天矿区作为研究区，利用遥感数据反演的植被覆盖度和不同采样点的土壤重金属含量，基于3S技术，对研究区内植被受损和土壤重金属污染进行评估和分析。论文主要研究内容和结论包括： （1）干旱区植被覆盖度提取方法研究 西北内陆干旱区，植被生长稀疏，植被类群结构比较简单，在光谱曲线上没有明显的强吸收谷和反射峰，获取的光谱信息极其微弱，甚至很难检测到，常用的植被覆盖度提取算法无法精确提取植被覆盖度。论文提出改进的光谱梯度差法用于提取干旱区的植被覆盖度，并对提取精度进行验证。从植被覆盖度的提取和验证结果来看，区域植被覆盖度的实测值与估算值绝对误差的平均值为1.65％，相对误差的平均值为16.55%，总的验证精度为83.45%，均方根误差为0.023，表明利用改进的光谱梯度差法获取的区域植被覆盖度值精度较高；利用该方法估算得到的植被覆盖度估算值与野外实测真之间的线性关系显著，相关系数达到0.979，拟合精度高，表明采用改进的光谱梯度差法模型反演遥感影像的植被覆盖度，完全可以用于实际植被覆盖度的估算，尤其适合植被稀疏的干旱荒漠区。 （2）区域重金属污染评价和生态风险评估方法研究 传统的区域重金属污染评价方法仅仅考虑单一因子，论文提出地质累积指数法进行土壤重金属污染评价，该方法不仅考虑了背景值的影响，同时充分注意了人类活动对重金属污染的影响；研究利用重金属元素含量、土壤背景值和重金属毒性响应系数计算潜在生态风险指数，评价区域重金属污染生态风险，对区域重金属污染生态风险等级进行划分。 （3）露天矿区植被受损评估和分析 利用2006~2011年的TM遥感影像，基于改进的光谱梯度差法提取研究区内的植被覆盖度。根据植被覆盖度提取结果，统计2006~2011年不同等级植被覆盖面积，据此分析区域内植被覆盖度时空变化特征、不同等级植被覆盖度面积变化特征、不同等级植被覆盖随时间变化趋势，以及对不同等级植被受损面积、受损程度和受损速度进行评估和分析，最后分析区域植被受损原因。从植被受损情况分析来看：2006~2011年，研究区域内平均植被覆盖度呈逐渐降低趋势，年均减少率约为1.02％；从2007年露天煤矿开始开采以来，植被覆盖状况不断恶化，植被等级越高，其植被覆盖面积波动的程度也越大，受损也越严重；露天煤矿建设期对植被的影响比开采期的影响大；离煤矿开采区越近，其波动程度越大，植被受损的程度也越高。从植被受损原因来看：开采中对土地的挖损、压占和占用是植被受损的直接引发因子，对植被破坏严重，但对植被的影响面积相对较小；粉尘也是植被受损的直接影响因子，对植被的影响程度相对较小，但持续时间长，影响范围广；气象因子中空气湿度、风速和风向以及区域的地形地貌是植被受损的间接影响因子，对植被影响较小。 （4）土壤重金属污染评估和分析 在不同位置和不同深度进行土壤取样，测量土壤中重金属元素Zn、Cu、Ni和Cr的含量，计算4种重金属元素的地质累积指数，分析区域内4种重金属元素的污染程度，以及不同重金属含量的空间特征，并进行重金属污染因子分析。利用生态危险指数模型，基于不同重金属元素含量数据、土壤背景值和重金属毒性响应系数，分别计算不同重金属元素的单项潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数，分析区域内各种重金属元素的污染生态风险和总的污染生态风险。研究结果表明，区域内土壤中Cr元素污染最为严重，其次为Zn、Ni和Cu；区域中Ni元素的污染生态风险最高，其次分别为Cu、Cr，生态风险最小的为Zn；Zn、Cu、Ni和Cr元素的潜在生态风险指数最大的只有8.05，风险等级为轻微；区域多种重金属潜在生态风险指数为18.15，风险等级为轻微，总之，区域中Zn、Cu、Ni和Cr元素的污染风险等级为轻微。 （5）基于高光谱的土壤重金属含量预测 通过实测不同重金属元素含量的光谱特征，研究土壤光谱变量与重金属含量相关性，利用逐步回归法和最佳适应值函数F为指标选取最佳波段，运用偏最小二乘回归方法构建不同变换形式的光谱反射率与重金属含量反演模型，并对不同反演模型的精度进行验证。研究结果表明，光谱对数一阶微分与土壤重金属含量之间具有较高的拟合度，并且不同重金属元素的模型均具有较高的预测决定系数R2和相对较低的RMSECV，说明对数一阶微分模型具有较高的稳定性和预测精度。
露天煤矿开采区;植被受损;重金属污染;改进光谱梯度差法;地质累积指数法;生态风险指数
河南理工大学
博士
大地测量学与测量工程
邹友峰;李长春
2014
中文
TD82
2023-07-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）