基于GIS的污染因子在潘谢塌陷水体与底泥中的分析

第一章绪论

1.1背景
据了解，和国外先进国家相比，我国分别在机电一体化、智能化、自动化的控制技术，产品可靠性检验技术，数字集成技术与计算机辅助设计等先进技术方面存在较大差距[2]。所以资源利用率低是我国煤炭行业存在的普遍现象，有关人员估算我国煤炭资源的综合利用率仅仅只有30%左右[3]。由于碳资源的大量开采和消耗，似的我国矿区的生态环境受到了严重破坏，生活在矿区上的人民健康也受到严重危害。首先煤炭的开采会造成大量的煤奸石堆积，据了解，每生产1吨的原煤就会产生130kg煤矸石，而每吨矸石就会占地5平方米。同时经过长期的风化、淋溶和扬尘，对周围环境造成严重危害，除此之外，奸石还会释放大量的CO和H2S气体，对生活在周边的人们健康造成威胁。煤矿开采还会产生矿井废水和洗煤废水，它们中都含有可溶性无机物小颗粒悬浮物和少量有毒无机物，我国每年要排碳废水约3亿吨。其次采煤重要的危害之一就是引起地质塌陷，一旦地表塌陷，不仅地表上的建筑物、水利工程、铁路等社会环境受到破坏意外，地表水体、土地和河流水系形态都会发生变化。
据统计我国由于煤矿开采而引起的的地质塌陷有10多亿m2而全国有400多座采煤城市，其中90%的地面发生不同程度的下沉[4]。淮南市位于安徽省中北部、淮河中游地区，矿产资源非常的丰富，主要有煤炭、石灰岩、白云岩、高岭岩等多种能源矿产和非金属矿产，其中以煤炭资源为最。淮南市煤炭资源远景储量达444X108吨，已探明储量为153.6X108吨，占安徽省的63%，华东地区的32%。根据国家和淮南市的发展规划，在今后很长的一段时期内，淮南市的煤炭幵采和利用将有很大的发展，预计到2020年全市煤炭产量将达到1.5X108吨，所以淮南市被称为苏、浙、沪的“工业粮仓”。
淮南市全市总面积为25%.4km2依据区域功能特和自然特点，全市可划分为西北部农业区、中部煤矿区和东南部城镇区。在中部的煤矿区是地跨淮河两岸，煤田地质构造复杂地区。主要是淮河以南为急倾斜立槽煤，采煤塌陷深度大，地质塌陷率较低，开采万吨煤塌陷率O.llhm2;淮河以北为平原地貌，地下煤层为缓倾斜平槽煤，采煤塌陷浅，塌陷率较高，开采万吨煤塌陷率大约为0.27hm2。淮南市煤炭开采历史悠久，新中国成立前就存在开采活动，目前，淮南矿区共有19个煤矿，地处淮河两岸。淮河南岸包括城市东部报废的九龙岗和大通矿井，以及城市西部的李一、李二、谢一、谢二、谢三、毕家岗、新庄孜、李阻孜、孔集等11对矿井；淮河北岸包括潘集一矿、潘集二矿、潘集三矿、新集矿、花家湖矿、八里塘矿、谢桥矿、张集矿8对矿井。由于长年的开采，引起了开采区地面变形，进而造成开采塌陷地和岩溶塌陷地。
直至现在，矿区已形成采空区平面投影面积68.5 km2，依据塌陷计算结果,全矿共因采煤而塌陷的面积达到132.82 km2，可分为6大采煤塌陷区，分别称为九大塌陷区、新李塌陷区、谢李塌陷区、潘集塌陷区、新集塌陷区和张谢塌陷区。淮南矿区是安徽省最大的煤矿地区，在全国煤炭开采中占有重要的地位，所以研究淮南市煤炭塌陷区的监测，治理和防御，对当地的经济建设发展，以及全国其他矿区的塌陷区的生态综合治理都具有重要的意义[5]。

1.2国内外的研究动态及水平
本次课题研究主要包括三方面：第一，塌陷区影像图和地形图的数据收集及处理；第二，塌陷区水体及底泥采集并对其污染要素进行检测；第三，对潘谢塌陷区水环境污染分析与评价。

    1.3 研究目的和意义 ................24-25
    1.4 研究的主要内容及技术路线 ................25-27
        1.4.1 主要内容 ................25-26
        1.4.2 研究技术路线 ................26-27
第二章研究区概况 ................27-30
    2.1 潘集塌陷区概况 ................27-28
    2.2 谢桥塌陷区概况 ................28-29
    2.3 张集塌陷区概况 ................29-30
第三章实验方案 ................30-39
    3.1 采样点的布设 ................30-34
    3.2 实验材料与设备 ................34-35
        3.2.1 药品与试剂 ................34
        3.2.2 仪器设备 ................34-35
    3.3 样品的测定 ................35-39
        3.3.1 水体中各因子的测定 ................35-36
        3.3.2 底泥中各因子的测定 ................36-39
第四章基于GIS的潘谢塌陷水域水环境污染分析 ................39-94
    4.1 数据图层的建立 ................39-44
        4.1.1 地质图的图层矢量化 ................39-42
        4.1.2 采样点的导入 ................42-44
    4.2 插值方法验证 ................44-67
        4.2.1 潘谢塌陷水域因子正态分布验证 ................45-58
        4.2.2 最佳插值方法的选择 ................58-67
    4.3 潘谢塌陷水域各污染因子的分布及分析 ................67-92 
    4.4 本章小结 ................92-94
第五章污染因子在塌陷水体与底泥中的线性相关性分析 ................94-108
    5.1 潘集塌陷水体与底泥的相关性................ 95-99
    5.2 谢桥塌陷水体与底泥的相关性 ................99-103
    5.3 张集塌陷水体与底泥的相关性 ................103-107
    5.4 本章小结 ................107-108
第六章潘谢塌陷水域水环境综合评价 ................108-121
    6.1 模糊综合评价 ................108-114
        6.1.1 潘集塌陷水域水质综合评价 ................110-112
        6.1.2 谢桥塌陷水域水质综合评价 ................112-113
        6.1.3 张集塌陷水域水质综合评价 ................113-114
    6.2 基于GIS的多因子综合评价模型建立 ................114-120
    6.3 本章小结 ................120-121

结论

随着采煤塌陷区越来越大，其带来的环境问题也越来越严重，本文通过对淮南潘谢塌陷水域进行研究得出以下结论：
通过插值验证可以得到个塌陷区的最佳插值方法。潘集塌陷水域COD、高锰酸盐、Fe采用0阶简单克里格法；Pb采用1阶简单克里格法；而非正态分布中的氨氮、Cd、Zn釆用P (P值为影响权重大小的参数）为1的反距离加权插值法；总氮采用P为2的反距离加权插值法；总磷采用径向基函数插值法中的张力样条函数；Cu则釆用径向基函数插值法中的完全规则样条函数。谢桥塌陷水域高锰酸盐、COD、Cd、Cu、Cr采用P (P值为影响权重大小的参数）为1的反距离加权插值法；总氮采用1阶普通克里格法；总磷、氨氮釆用0阶简单克里格法；Pb采用P为3的反距离加权插值法；Zn、Ni则采用径向基函数插值法中的完全规则样条函数。张集塌陷水域COD、总磷、总氮、高锰酸盐、Cd、Ni、Cr采用P (P值为影响权重大小的参数）为1的反距离加权插值法；Zn采用P为2的反距离加权插值法；Cu采用径向基函数插值法中的张力样条函数；氨氮采用常量泛克里格法；Pb采用0阶简单克里格法。
通过插值分布图可以得到各矿区塌陷水域污染因子的污染程度，浓度分布规律及污染可能来源。例如潘集塌陷水域总氮含量最高的地方在泥河入口处，最高浓度为8.221 mg/L超过国家五类标准，可见泥河中的总氮是塌陷水体总氮的主要来源，并且随着水流方向总氮的浓度逐渐减小，在塌陷水域最下游浓度达到最低，最低浓度为1.379 mg/L小于国家五类标准。