高盐矿井水资源化综合利用在高盐渍区荒漠造林中的试验研究.pdf

2023 年 10 月Oct.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.043高盐矿井水资源化综合利用在高盐渍区荒漠造林中的试验研究（徐州矿务集团有限公司哈密能源公司，新疆 哈密 869009）摘要 新疆哈密大南湖矿区西区五号矿井地层含水层富水量大，且为高含盐矿井水，水处理设施运行成本高，导致企业经营困难，亟待拓展矿井水综合利用途径，降低环保治理成本，实现由治理到适应的转变。在矿区建设3.3 hm2试验田，探索不同植物的耐盐程度、高盐水对植物生长影响以及灌溉后土壤中含盐量的变化规律等，找出最大限度综合利用矿井水绿化生态环境、降低企业对废弃物的处理成本的有效途径。试验结果对于在该矿区及类似矿区大规模推广高盐矿井水资源化综合利用高盐渍区荒漠造林修复生态的工作具有指导意义。关键词 高盐矿井水；综合利用；荒漠造林；3.3 hm2试验田；检测结果和分析中图分类号 S728.1文献标识码 B文章编号1672蛳9943（2023）05蛳0136蛳041矿井地质概况徐矿集团哈密能源有限公司大南湖矿区西区五号矿井，位于新疆哈密市南吐哈煤田大南湖矿区西区东部，矿井设计生产能力为 4.00 Mt/a，于 2020年底正式投产。矿井为相对独立的水文地质单元，含水层富水量大，地下水以静储量为主。矿井投产时，矿井涌水量约 10 500 m3/d。目前，矿井涌水量约 7 900 m3/d。矿井生产将伴随着充足的水源补给，随着矿井生产布局调整为上行开采，预计未来矿井日涌水量将长期保持在 7 000 m3/d 以上。矿井水样中 Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、SO2-、HCO-共计 6 种离子含量较高，其中Cl-含量可达 7 000 mg/L，水体总含盐量为 16 g/L，接近海水含盐量的一半。矿区地处中纬度亚欧大陆腹地，为典型的大陆温带极干旱气候区，为无地表植被的戈壁荒漠区，区域全年雨量稀少，周边 50 km 范围内无地表水系，年蒸发量超过 3 000 mm。矿区戈壁荒漠 0120 cm土层深度上土壤含盐量平均在 100 g/kg 左右，属于高含盐土壤。2问题提出矿井高盐水处理成本为 22.45 元/m3，导致企业经营困难。因此，如何在保证矿区煤矿正常生产的情况下，拓展矿井水综合利用途径，降低环保治理成本，达到绿色矿山建设的要求，成为企业和地方发展迫在眉睫的问题。在矿区内近排区建设 3.3 hm2试验田，开展高矿化度咸水绿化试验。3国内外研究进展早在 1966 年，以色列科学家 Boyko 的研究首次证实，许多植物能够利用矿化水灌溉，对于砂土地甚至可利用海水灌溉咱员暂。目前为解决水资源短缺，全球各干旱与半干旱区已逐步开发利用咸水与微咸水资源用于农业与荒漠植被建设。因此合理开发咸水资源用于生态植被灌溉，不仅可以替代淡水，而且在一定程度上可以缓解农林用水资源供需矛盾，并提高咸水资源的利用率。同时改善植被覆盖并减轻水土流失和荒漠化，有利于生态环境的保护和农林的可持续发展，为环境恢复提供了新的策略，对保障生态植被恢复及水资源可持续利用具有重要的理论意义和应用价值。4高盐环境植物生长机理及物种选择4.1咸水灌溉对植物生长的影响咸水灌溉会对土壤理化性质造成潜在恶化，改变土壤原有化学元素存在形式、土壤结构、土壤孔隙特征和土壤渗透性，进而影响土壤导水特性，使土壤水盐运移过程发生改变。同时咸水灌溉中既有植物所需的水分，又含有较多易溶性盐分离子抑制植物生长。在盐分胁迫下，植物体内离子的动态失衡影响植物对水分的利用，从而导致代谢受抑和膜受损，植物通常需要更多的能量来适应恶劣环境并降低盐害的风险。要做到趋利避害则必须在咸水利用中了解其水盐动态和植物生理生长适应环境，把握好对它的调节与管理咱圆暂。能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.51362023 年 10 月Oct.,2023专家们对咸水灌溉对植物生长的影响，做了大量的试验研究。李丙文教授等咱猿原源暂通过不同矿化度造林实验和对塔里木沙漠公路防护林工程沿线不同矿化度咸水灌溉林地进行定位调查，分析了不同矿化度咸水灌溉对乔木沙拐枣、梭梭和多枝柽柳 3种植物生长状况的影响。结果表明，随矿化度升高，整体表现为抑制作用，矿化度在 20 g/L 以上时，梭梭不能结果，但成活和生长基本未受影响；乔木沙拐枣和多枝柽柳的存活阈值为 1520 g/L，抗盐阈值分别为 15、20 g/L。4.2高盐环境植物生长机理4.2.1盐胁迫对植物的影响植物在盐胁迫的环境下，由于高盐分的土壤中离子浓度较高，土壤的水势大大降低，导致植物细胞外的水势低于胞内，细胞内部的水分向外倒流，引起细胞失水。这对植物生长发育有着多方面的影响，主要包括损伤膜系统的完整性、抑制酶的活性、增加养分需求、破坏叶绿体的功能、引起代谢紊乱等。4.2.2耐盐机理及应对策略盐生植物一般会表现出许多适应旱生和盐生环境的特点，有的是通过改变自身结构，有的则是靠改变外部形态和调节生理机制。目前，植物的耐盐机理研究己经深入到分子水平，植物的耐盐性状是一个由多基因控制的数量性状。植物的耐盐机理涉及多种基因和大分子的协调作用，与小分子物质积累、离子摄入和区域化以及基因表达等有关，如调渗蛋白、通道蛋白、质膜转运蛋白、晚期胚胎发生富集蛋白等。为保持细胞水分，维持正常生理代谢，盐生植物的细胞通过渗透调节、降低胞内水势，来完成水分的跨膜运输，朝着有利于细胞生长的方向流动，从而应对高盐环境的胁迫。4.3耐盐植物物种的选择4.3.1新疆 10 种常用耐盐植物在新疆诸多抗盐植被相关研究和案例中，耐盐植物的选择主要包括梭梭、白刺、红柳、沙拐枣、黑刺、盐穗木、盐节木、盐生草、碱蓬、芦苇等 10 种，选定适合该地区种植的物种为梭梭、白刺、红柳、沙拐枣、芦苇等 5 种。4.3.2植物物种选用依据植物的耐盐能力及其对盐分胁迫的响应因物种差异而不同。盐胁迫下，幼苗的生长情况更能体现植物对盐的耐受程度，主要通过苗期根长、苗高、鲜重等来体现。研究指出，植物的存活率与其抗盐性能存在显著的相关关系，在盐胁迫下存活率越高，其耐盐性越高。也有大量的研究表明，盐胁迫程度因植物的发育阶段以及植物暴于盐渍条件下时间的长短而异。一般在幼苗和幼树阶段，抵抗力弱，而当植物度过这个阶段后，抗性增强，稳定性大大提高。一般认为，盐分对植物的生长发育具有显著地影响，当土壤含盐量超过一定限度时，多数植物的生长就会受阻，甚至不能成活。从理论上来讲，任何植物都有一个耐抗盐的极限阈值。从实际生产应用角度来说，以死亡株数超过 50%时的土壤盐浓度为标准的存活阈值及以灌溉用水含盐量作为某一区域土壤类型条件下植物的应用阈值，更具有可操作性。53.3 hm2试验田的思路及布局5.1总体思路参考国内外关于高盐水利用途径、干旱盐碱地区耐盐植物选择，以及高盐水开展生态修复治理的影响因素和程度等的研究成果，结合新疆已经开展与高盐水利用相关案例的成果经验，针对矿区内高盐水资源化利用方式及方法进行研究探索。在试验期间定期开展生态监测及效果评估工作，为是否能大规模推广提供科学依据。5.2关键技术难点（1）水盐调控关键技术。该技术主要针对滴灌设施的实施效果，滴灌是有最大下限深度的，通过调控滴头流量和持续时间控制盐分在土壤中的分布，分析滴灌后土壤湿润锋的变化情况，研究结果可以说明是否会对地下水产生影响。（2）微生物促进生长，抑制盐害损伤。在种植的过程中，配合微生物技术包的使用，让微生物促进幼苗根系的生长，并且为其生长补充养分，同时起到防盐害的作用，为植物的成活提供保障。5.3试验内容2022 年 412 月，在矿区内的近排区周边建设 3.3 hm2试验田，开展高盐矿井水资源化综合利用高盐渍区荒漠造林绿化试验。试验共布设 9 个试验小区，其中在精准定量试验中分析不同植物类型通过不同水质的灌溉试验，选取适宜植物类型，为大规模绿化种植工程提供科学依据。在灌溉制度试验中探索不同灌溉水量和不同灌溉时间下，水盐运移变化规律以及对植物和环境的影响。5.4实施原则仝泽文高盐矿井水资源化综合利用在高盐渍区荒漠造林中的试验研究1372023 年 10 月Oct.,2023（1）坚持科学试验、合理布局的原则。结合自然现状特征和矿区企业实际发展需求，综合考虑地形、灌溉水量、植被类型等多个变量因子，设置试验和多个对照。（2）坚持采用乡土植物开展试验的原则。在结合矿区“盐漠”土壤和高盐水的实际条件下，试验区在物种选择方面，必须选取哈密地区当地已有的植被类型开展荒漠绿化工程。（3）坚持全面开展试验区生态监测任务原则。研究成果的展示需要以科学合理的监测以及试验数据的统计分析为前提。5.5试验布局为便于条块化管理，结合地形实际情况将试验田划分 9 个试验小区。梭梭、白刺、红柳、沙拐枣等4 种重点一年生灌木苗木各种植 2 个小区，高大禾草芦苇种植 1 个小区；种植密度为 1 m1 m；采用滴灌灌溉方式，按 8、12、16 g/L 3 个高盐水灌溉梯度灌溉。6监测结果与分析6.1监测工作开展情况（1）本底情况调查。分别于 2021-09-272022-03-10 进行了项目区自然环境条件、水质情况和土壤情况本底调查分析。（2）野外监测与室内指标测定。分别于 2022-06-1007-21 和 2022-08-03 进行了植物成活率和长势监测，同时打钻采集不同灌水处理 0120 cm 土层土样，进行了土壤含水量和盐分的测定。6.2本底调查结果与分析（1）试验区水质检测结果。根据试验设计，用8、12、16 g/L 3 种不同矿化度的矿井水进行顺序灌溉。不同矿化度的水为矿井原水稀释而来，为此需要对矿井水的原水进行检测。检测结果显示：含盐量约 16 g/L，属于高含盐矿井水。其他成分指标满足三级以上的标准，短期内对土壤和环境不会产生显著影响。（2）试验区土壤检测结果。土壤是植被生长的必要条件之一。通过对试验区未种植前的土壤进行采样、检测，来预测土壤成分对种植后植被的长势情况影响。土壤检测结果显示：0120 cm 土层深度上，土壤含盐量平均在 100 g/kg 左右，属于高含盐土壤。土壤中重金属等有毒有害物质不超标。平均 100 g/kg 的土壤含盐量远高于矿井水 16 g/L灌溉水的含盐量。（3）现场调查结果分析。根据现场调查结果，提出以下试验过程中应注意的关键技术，作为试验开展的依据：结合试验区干旱少雨、大蒸发量气候特点，高含盐量的土壤特点，以及用高含盐矿井水灌溉的实际情况，说明试验区条件恶劣。在种植的植被选择方面，优先选择具有抗寒抗旱、耐盐碱植物。本试验选择芦苇、柽柳、沙拐枣、梭梭和白刺。试验区平均土壤含盐量超过 100 g/kg，该盐分含量大于植物幼苗阶段的耐受程度。因此需要在种植前对土壤进行淹灌 10 d 左右，将土壤盐分压至根部以下，并且前 23 次浇灌水应用淡水或浓度较低的水进行灌溉。本试验的目的在于消耗矿井水，因此水分的供给极为充裕。芦苇是典型盐生植物，具有耐盐、耐水的特点，而项目区周边也有芦苇的分布，故在种植过程中可将芦苇作为种植品种之一。6.3试验监测结果与分析6.3.1高盐环境不同植物成活率分析本次试验栽种植物 27 000 余坑，成活坑数16 116 余坑，成活比例达到 59.7%。滴灌模式扦插种植后不同历时 5 种植物的存活率情况如下：种植 0.8 个月后，植物存活率表现为白刺 34.6%梭梭 22.4%沙拐枣 14.7%芦苇6.4%红柳 3.8%。也就是说，在幼期白刺和梭梭的抗干扰能力较强，而红柳和芦苇比较差，沙拐枣居中。种植 2.5 个月后，5 种植物存活率均有大幅度提升，表现为沙拐枣 91.7%芦苇 68.6%白刺66.7%红柳 40%梭梭 35.9%，存活率分别较初期增加了 6.24 倍（沙拐枣）、10.72 倍（芦苇）、1.93 倍（白刺）、10.53 倍（红柳）、1.6 倍（梭梭）。由此可以看出，移栽前期白刺存活能力较强，但随着时间的增加，红柳、沙拐枣及芦苇的存活率会大幅度上升。初步说明，在该高盐环境下红柳、沙拐枣及芦苇对盐害的适应能力相对较强。6.3.2高盐环境不同植物长势分析在种植初期，5 种植物基本处于发芽存活阶段，生长量很小。因此，从种植 2.5 个月开始进行植物调查。本节仅以 2022-07-21 的植物调查数据进行分析，滴灌方式下各植物生长高度表现为：梭梭46.5 cm红柳 43.6 cm沙拐枣 35.5 cm白刺26.5 cm。6.3.3滴灌前后不同深度土壤含盐量变化咸水灌入土壤后，土壤溶液内部以及土壤溶液与土壤固相物质间将发生一系列诸如溶解、沉淀、吸附、解吸、离子交换等一系列复杂的化学反应。停能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.51382023 年 10 月Oct.,2023止灌水后，土壤溶液中的盐分也会随土面蒸发水分移动至地表，并析出成为固体。另外，盐分在土壤中的运移过程是在对流、扩散、机械弥散 3 种共同作用下进行的。灌水后，土壤溶液电导率降低的原因，一方面是原来土壤中的盐分被灌水带走，另一方面是灌水增加了土壤中水分含量，稀释了原来的土壤溶液。项目区土壤滴灌前后不同土层深度盐分变化如图 1所示。从图 1 可以看出，在灌水前，土壤各层含盐量均较大，虽使用咸水灌溉，但由于土壤中盐分远高于灌溉矿井水，因此灌后各层土壤含盐量均有明显的降低，且在 080 cm 土层内土壤含盐量差异显著。040 cm 土层内滴灌对盐分的淋洗效果最明显，土壤含盐量已处于相对较低水平；4080 cm土壤内虽土壤含盐量数值依然较高，但单次灌水洗盐效果显著；80 cm 以下对盐分的淋洗不显著。这说明用高盐矿井水滴灌对 080 cm 土层内土壤盐分有明显的淋洗作用。图 1灌溉前后不同土层深度含盐量6.3.4滴灌前后不同时段土壤含盐量变化灌水前后不同时段土壤含盐量变化如图 2 所示。从相同深度的土壤含盐量来看，随着灌溉时间的增加，土壤含盐量会有不同程度的减小，3080 cm 深度土壤含盐量随着灌溉时间的增加土壤含盐量显著减小；但随着灌溉时间的增加，100120 cm 深度土壤含水率变化不明显。这说明随着灌水时间的增加次深层土壤脱盐效果较好，其它深度土壤脱盐效果较次深层土壤相对较差。经历 2022 年 58 月、灌水周期为 35 d 的滴灌后，幼龄植物根系层（040 cm）的土壤含盐量从平均 85.6 g/kg 降至 19 g/kg，土地盐渍化得到大幅削减，局部小环境明显改善。从图 2 中可以明显地看出，滴灌对盐分的淋洗深度在 1 m 左右咱5暂。图 2滴灌处理下土壤含盐量随时间变化6.3.5对局部小气候环境的影响在没有建设 3.3 hm2试验田的前期，矿区周边均为单一色调的沙土黄色，种植沙拐枣、白刺、红柳、梭梭和芦苇后，增添了沙拐枣的红、白刺的白、柽柳的粉，以及梭梭和芦苇的绿。绿地不仅为矿区工人提供了休闲场所，还引来了一些昆虫和鸟类等，为这里增添了新的生机。同时，3.3 hm2试验田完成后，改变了矿区局部小气候，地表砂砾堆积于植被根系处形成小型沙包，大大减少了沙尘飞扬的几率。试验田已呈现出了防风固沙、降低风速、改善沙尘天气等改善周边小气候的初步成效。7结论（1）本实验是针对高盐度环境下开展的高咸水综合利用，该项目围绕国家重点支持的方向开展新的研究探索工作，属于一种新的尝试和探索。基于本项目实验研究成果，建议逐年有序扩大推进生态林建设。（2）实验结果表明，高咸水进行造林绿化项目可行。沙拐枣、白刺、红柳、梭梭和芦苇成活率都相对较好，可以作为高盐环境下恢复生态的物种。本次试验区栽种苗木成活率达 59.7，是造林技术规程要求成活率的 46 倍。（3）试验区自然环境条件恶劣，且土壤含量超过 100 g/kg、灌溉水矿化度高达 16 g/L。矿井水含盐量远低于矿井所在区域土壤含盐量，种植前可利用矿井水进行降盐处理，循序渐进使用不同梯度高盐水，最后使用矿井原水灌溉，促进幼苗正常生长。（4）从项目实施后监测结果看，高咸水灌溉造林对土壤、地下水等没有造成明显（下转第 145 页）灌水前后土壤含盐量/（g/kg）灌前2022-06-102022-07-212022-08-160-20-40-60-80-100-120100150200250300350050土层深度/cm140120100806040200灌前滞后aaaaaaaaaabbbbbb能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.51392023 年 10 月Oct.,2023（上接第 139 页）的不利影响，但考虑到多年累积性影响，必须进行跟踪观测和动态监测及事后评估工作。参考文献1王艳娜，侯振安，龚江，等.咸水资源农业灌溉应用研究进展与展望 J.中国农学通报，2007，23（2）：393-397.2蔡达伟，孔淑琼，刘瑞琪.微咸水农田安全灌溉研究进展 J.节水灌溉，2020（10）：91-95.3李丙文.塔里木沙漠公路防护林咸水灌溉水盐调控机理研究 D.北京：北京林业大学，2010.4李丙文，徐新文，雷加强，等.塔里木沙漠公路防护林生态工程立地类型划分 J.科学通报，2008（增刊 2）：25-32.5刘婷姗，高艳明，李建设.不同矿化度微咸水入渗下土壤水盐运移特征研究 J.灌溉排水学报，2014，33（3）：68-72.作者简介仝泽文（1970-），男，高级工程师，毕业于中国矿业大学采矿专业，现任徐州矿务集团哈密能源公司总工程师，长期从事煤矿技术工作。收稿日期：2023-04-12E线 1210 号点AB/6=35 m，电阻率相对较小，且圈闭完整，推测为破碎带或含水较高的灰岩。F线位于溶洞 1 和溶洞 2 中间，1130 号点AB/6=30 m，电阻率小于小于 400 m，推测为破碎带或含水较高的灰岩，推测溶洞走向经过此处。另外，在溶洞口 1 北部地区，如A线 1360-1570 号点、B线 1420-1650 号点、C线 1360-1620 号点，AB/630 m，电阻率大于 1 500 m，且电阻率连续性较好，无电性异常，推测为大面积灰岩，发育大规模溶洞的可能性不大。图 2高密度反演视电阻率断面三维显示本次通过高密度电阻率法剖面测量，基本查明了溶洞口 1 和溶洞口 2 是联通的，并对溶洞的具体走向进行了推断。（1）工作区北部。从A、B、C和G线剖面来看，溶洞口 1 以北高电阻率异常较为连续，并无明显的低电阻率异常，推测是大面积灰岩的反映，发育大规模溶洞的可能性不大。（2）重点区。如图 1 所示，大致查明了已知溶洞口 1 和溶洞口 2 是相互贯通的。图上虚线为推测溶洞走向。2 个溶洞口之间。2 个溶洞口直线距离约48 m，综合电阻率异常和浅震反演解释结果推测洞口之间溶洞长度约 90 m，溶洞经过高密度F线1130 号点时埋深在 30 m 左右，推测溶洞宽度大约为 4 m、高度 3 m。溶洞口 2 到出水口。根据本次剖面解释结果，推测溶洞口 2 到出水口之间是联通的，其走向为从溶洞口 2 经E线 1210 号点，然后折向出水口。本段主要为受构造运动影响形成的岩石裂隙，长度约 200 m。4结语高密度电阻率法在歙县某地溶洞物探勘查中发挥了重大作用，通过分析，基本推断了已知的 2 口溶洞的联通性，以及溶洞的联通路径。高密度电阻率法是解决岩溶、采空区等工程地质问题的有效手段，将高密度电阻率法与钻探等手段有机结合，可以大大增强勘查工作中对当前地区的地质认识，并且可以有效地降低生产成本。参考文献1傅良魁.电法勘探教程 M.北京：地质出版社，1983.2娄利.高密度电法在地质灾害中的应用研究 J.能源技术与管理，2021，46（6）：201-203.3娄利.高密度电法在城市地基勘查中的应用 J.能源技术与管理，2021，46（5）：151-152.4武志敬，朱文科，李兆令，等.基于高密度电法的岩溶勘查以枣庄某工程为例 J.山东国土资源，2022，38（3）：45-52.作者简介郭苗苗（1988-），男，工程师，毕业于江西应用技术职业学院地球物理勘查技术专业，长期从事物探勘查技术工作。收稿日期：2023-02-15C 线B 线出水点F线E 线D 线溶洞 1溶洞 2A 线XG 线ZY能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5145