張鵬飛, 包安明, 古麗·加帕爾, 陰俊齊, 姚 峰, 劉金平

(1.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所, 新疆 烏魯木齊 830011;

2.中國科學院大學, 北京 100039; 3.新疆環(huán)境保護科學研究院, 新疆 烏魯木齊 830011)

試驗研究

新疆準東露天煤礦開采區(qū)降塵量時空特征及影響因素

張鵬飛1,2, 包安明2, 古麗·加帕爾2, 陰俊齊3, 姚 峰1, 劉金平1,2

(1.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所, 新疆 烏魯木齊 830011;

2.中國科學院大學, 北京 100039; 3.新疆環(huán)境保護科學研究院, 新疆 烏魯木齊 830011)

摘要：[目的] 針對新疆準東五彩灣露天煤礦開采區(qū)浮塵擴散的問題，選定多種氣象因子分析其對浮塵擴散和自然沉降的影響，為監(jiān)測自然降塵污染提供時間和空間依據(jù)。[方法] 通過統(tǒng)計分析不同的氣象因子同自然降塵量的相關(guān)性，確定主導影響因子；通過對自然降塵量時間序列和空間序列的分析，研究準東露天煤礦開采期引起的自然降塵污染的時間和空間變化規(guī)律。[結(jié)果] (1) 隨著時間的推移自然降塵量總體呈三峰趨勢； (2) 氣象因子對于自然降塵量的影響強弱表現(xiàn)為：平均風速>平均土壤濕度>平均環(huán)境溫度； (3) 該地區(qū)開挖期間自然降塵分布受人為擾動和風的疊加影響。[結(jié)論] 4，6和9月份由于開采強度較大，自然降塵量相對較大；平均環(huán)境濕度對自然降塵量影響不大。風為該地區(qū)影響自然降塵的主要氣象因子。自然降塵主要分布在主導風上下風向距煤礦開采區(qū)、堆渣區(qū)和工業(yè)區(qū)約8～10 km范圍區(qū)域。

關(guān)鍵詞：氣象因子; 自然降塵量; 空間差值

干旱區(qū)露天煤礦在我國煤炭生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位，而在露天采煤作業(yè)過程中產(chǎn)生了大量的浮塵[1]。這些浮塵由于風等外力和自身重力作用下，在煤礦周邊地區(qū)形成自然降塵并覆蓋在植物葉片表面，影響植物的正常生長，對煤礦周邊地區(qū)的植被造成嚴重的影響，進一步使原本就脆弱的干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化[2-3]。因此，對干旱區(qū)露天煤礦開采中產(chǎn)生的自然降塵分布情況進行實時的監(jiān)測非常重要，而確定干旱露天煤礦區(qū)自然降塵分布的時間和空間特征對實時監(jiān)測煤礦周邊降塵情況也有著重要的意義[4]。影響煤礦區(qū)自然降塵分布的諸多因素中氣象因素占有很大的比重，但由于學者們使用氣象資料、分析地點和分析時長的不同，所得出的氣象因素同降塵的關(guān)系存在一定的差異[5-13]。而國內(nèi)對于干旱露天煤礦區(qū)氣象因子對自然降塵的影響研究很少。本研究以我國新疆準東干旱露天煤礦地區(qū)為對象，通過統(tǒng)計干旱露天煤礦區(qū)實測降塵量數(shù)據(jù)和同期逐日氣象數(shù)據(jù)，分析出不同氣象因子與自然降塵的相關(guān)性，探討準東干旱露天煤礦區(qū)自然降塵分布的關(guān)鍵影響因子，以及五彩灣干旱露天煤礦區(qū)自然降塵分布的特點，為干旱露天煤礦區(qū)自然降塵的監(jiān)測地點和時間的選擇提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于準噶爾盆地東部東西長約220 km，南北寬近100 km。研究區(qū)海拔300～600 m，地形較為平坦開闊；年平均氣溫3 ℃，平均降雨量為160～200 mm，屬于典型的大陸溫帶干旱氣候。建群植物主要是由超旱生、旱生的半喬木、灌木、小半灌木以及旱生的一年生草本、多年生草本和中生的短命植物等荒漠植物組成，主要依靠地下水補給維持生命，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱[14]。

2數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1　降塵量數(shù)據(jù)的獲取

采用上風向—下風向法，以所研究干旱露天煤礦區(qū)內(nèi)具有代表性的礦坑為中心，常年盛興風為主方向，在距礦坑不同距離的上下風向設(shè)置24個自然降塵監(jiān)測點。每個監(jiān)測點安置一個濕法收集裝置即內(nèi)有50%乙二醇和50%水的混合物的積塵缸，按月對積塵缸進行更換和處理，并使用重量法測定降塵量。

2.2　氣象數(shù)據(jù)的獲取

在研究區(qū)內(nèi)架設(shè)自動氣象采集站，獲取準東露天煤礦區(qū)2011年同期(2—11月)氣象日數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計得到月平均風速、各風向風頻、平均環(huán)境濕度、平均環(huán)境溫度和土壤濕度等氣象數(shù)據(jù)。分別分析2011年自然降塵量以及各氣象因子的月變化趨勢，并結(jié)合同期的降塵量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，得出影響準東干旱露天煤礦區(qū)自然降塵的主要氣象因子；結(jié)合風向玫瑰圖和自然降塵量的差值分布圖，分析不同月份氣象因素以及人為活動對于自然降塵量在該地區(qū)分布的影響，進而確定自然降塵量監(jiān)測高值區(qū)分布規(guī)律，并對不同現(xiàn)象進行物理解釋。

3結(jié)果分析

3.1　自然降塵及氣象因子月變化趨勢分析

通過對年度2—11月的降塵量進行異常值剔除，使用空間差值方法補全空值，最終計算出各月降塵總量；并利用研究區(qū)2011年2—11月份的溫度、濕度和風速等氣象數(shù)據(jù)，對區(qū)域氣象變化進行統(tǒng)計分析，得出降塵量及各個氣象因子的年際變化(圖1)。分析獲得的降塵量數(shù)據(jù)可以得出，隨著時間的推移自然降塵量總體上下波動，呈三峰趨勢，4，6和9月份自然降塵量較大且總和約占2011年降塵總量的42%。同時，從圖1中可以看出，平均環(huán)境溫度、平均環(huán)境濕度和平均土壤濕度隨季節(jié)有明顯的變化趨勢。平均環(huán)境溫度隨時間推移，顯示由升到降的趨勢，7月份達到最大值27.6 ℃；平均環(huán)境濕度小范圍波動，整體呈現(xiàn)下降趨勢，2月份環(huán)境濕度最大為79.7%，是由于積雪融化造成；平均土壤濕度總體呈現(xiàn)由降到升的趨勢，6月份土壤濕度最小為20.37%。平均風速在4，6和9月平均風速較大，同降塵量有很強的對應(yīng)性，在6月份達到最大為3.14 m/s，但風速變化幅度較小，在1.5~3 m/s之間。

圖1　研究區(qū)逐月降塵量及氣象因子變化

3.2　氣象因子對自然降塵量的相關(guān)性分析

將結(jié)合統(tǒng)計得到的自然降塵量和氣象因子進行相關(guān)性分析，并對計算結(jié)果進行假設(shè)檢驗，得到逐月自然降塵量同氣象因子的相關(guān)性(表1)。由表1可以看出： (1) 平均環(huán)境溫度、平均風速同自然降塵量呈正相關(guān)，平均環(huán)境濕度和平均土壤濕度同自然降塵量呈負相關(guān)；(2) 在各類氣象因子中平均風速同自然降塵量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.897且通過0.01水平的顯著性檢驗；平均環(huán)境溫度同自然降塵量相關(guān)性相對較小，相關(guān)系數(shù)為0.745，通過0.05水平的顯著性檢驗；平均土壤濕度同自然降塵量呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.772且通過0.01水平的顯著性檢驗；平均環(huán)境濕度同自然降塵量相關(guān)性最小，相關(guān)系數(shù)為-0.369，且未通過顯著性檢驗。

通過以上相關(guān)性分析可知，在新疆準東干旱露天煤礦區(qū)，自然降塵量的多少主要取決于風的作用，直觀地表現(xiàn)在風速的大小上，平均風速對自然降塵量的影響較大，說明風作為起塵的主要動力，是該地區(qū)影響自然降塵的主導氣象因素。而土壤濕度與自然降塵量呈負相關(guān)的影響表現(xiàn)為：土壤濕度較大時，會抑制二次起塵，進而影響自然降塵的強度?；诟珊档貐^(qū)的特殊情況，平均環(huán)境濕度除2，3月份較高外，其他月份平均環(huán)境濕度均較小且相差不大，趨勢較為平緩，故同自然降塵量的相關(guān)性很小。

表1　研究區(qū)不同氣象因子同降塵量相關(guān)性

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān)，*表示.在0.05水平上顯著相關(guān)。下同。

3.3　不同風速對自然降塵量的影響

為進一步確定風和自然降塵量之間的關(guān)系，將0～13 m/s的風速頻率分段統(tǒng)計并計算同自然降塵量的相關(guān)性(表2)，發(fā)現(xiàn)自然降塵量與不同風速區(qū)間的頻率相關(guān)性，在0～1 m/s，1～2 m/s為負相關(guān)，且分別在0.01和0.05水平上顯著相關(guān)；在4～5 m/s至10～11 m/s均為正相關(guān)，且在0.01水平上顯著相關(guān)，而在8～9 m/s時風速同自然降塵量的相關(guān)性最強為0.909；在2～4 m/s時風速同自然降塵量相關(guān)性最小。說明不同大小的風速對自然降塵量的影響是不同的，并非風速越大自然降塵量就越多，風速大小不同，作用是截然相反的[15]。在風力的作用下，當實際風速到達振動，而并不離開地面；當風速大于該臨界值時，粉塵的振動某一臨界值時，某一粒徑范圍以內(nèi)的粉塵顆粒受到風產(chǎn)生的作用力的影響開始開始加劇，并隨著風產(chǎn)生的作用力的增大到足以克服重力時，某一粒徑范圍內(nèi)的粉塵顆粒就在大氣中懸浮，并隨著水平作用力運移，當擴散到一定距離時隨著風速的減小，風的作用力小于重力時，自然降塵下來[16]。而在0～2 m/s風速的作用下，在一定程度上抑制了二次起塵，造成該區(qū)間風速同自然降塵量呈反比[17]。

表2　研究區(qū)風速同降塵量的相關(guān)性

3.4　風向?qū)ψ匀唤祲m量的影響

通過對逐月自然降塵量的統(tǒng)計分析和空間差值，以及對逐月各個風向(16個方向)出現(xiàn)頻率的統(tǒng)計，獲得準東干旱露天煤礦區(qū)2—11月的風向玫瑰圖和對應(yīng)月份的粉塵分布圖，由于篇幅有限，此處只列出4，5，9月份，其他月份略(圖2)，以及2011年粉塵總量分布圖和年度風向玫瑰圖分析風向同自然降塵量空間分布特征的關(guān)系(圖3)。自然降塵分布圖中分別將對應(yīng)時段降塵量由高到低分為20個等級進行插值，表現(xiàn)為顏色由淺到深，每月(30 d)自然降塵量由1 t/km2到61 t/km2依次加深；風玫瑰圖中風頻每圈間隔為5%。通過統(tǒng)計分析風頻同自然降塵量的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)各個月偏南風頻率出現(xiàn)的多少同各個月份自然降塵量的變化呈相反趨勢，且在0.05水平上顯著相關(guān)。從某種程度上說明了風向在降塵量變化中的作用。

通過對研究區(qū)逐月及年降塵分布圖和風玫瑰圖的對比分析得出，2，3和11月主風向為東南偏東；4和8月主風向為西北；5月主風向為北；6，7和10月主風向為西北偏西；9月主風向為東，而2011年主風向為西北偏西。從所有的降塵量差值圖和風向玫瑰圖來看，兩者形狀相似且在時空分布上具有很強的關(guān)聯(lián)。同時，根據(jù)各降塵分布得出圖中煤礦開采區(qū)附近區(qū)域始終為高值區(qū)，而各個月主風向?qū)ψ匀唤祲m量的分布變化有一定的影響。

(1) 2，3和11月主風向為東南偏東，即這3個月東南偏東方向風能最大，自然降塵量的高值區(qū)位于煤礦西北方向約1 km。2月由于平均風能較小，且屬于煤礦休工期，幾乎沒有人為活動對粉塵擴散造成影響，且粉塵擴散沉降并不十分明顯，自然降塵量高值點處于主導風下風向，距較近煤礦開采區(qū)或堆渣區(qū)中心約為1～2 km；3月份該地區(qū)屬于煤礦開工初期，人為活動影響相對較小，而自然降塵量分布受風的影響較為明顯，粉塵自然降塵量高值區(qū)基本都聚集在主導風下風向即西北部地區(qū)，且高值區(qū)范圍延伸到距煤礦開采區(qū)或堆渣區(qū)中心4 km左右；11月由于平均風速較大，對自然降塵量的分布造成一定的影響，導致自然降塵量高值區(qū)聚集在主導風下風向偏北，且高值區(qū)分布在距煤礦開采區(qū)或堆渣區(qū)中心8～10 km左右，而在東南部公路區(qū)域附近也存在較高值地區(qū)，主要是受到煤炭運輸過程中造成的二次起塵的影響，但分布趨勢同主風向的影響基本一致。

圖2　研究區(qū)逐月降塵分布和風向玫瑰圖

圖3　研究區(qū)2011年降塵分布和風向玫瑰圖

(2) 4和8月份的主風向均為西北方向，4月自然降塵主要分布在盛興風上風向附近即北部以及東北部地區(qū)，一定程度上受到氣象因素的影響，但是受到人為活動影響更強，在煤礦開采區(qū)的降塵采集點有較高的自然降塵量，是由于露天煤礦開采過程中穿爆、采裝和排土等操作對自然降塵影響較大，且高值區(qū)外延至上風向距煤礦開采區(qū)或堆渣區(qū)中心8～10 km左右；而8月份自然降塵主要分布在煤礦開采區(qū)、堆渣區(qū)和工業(yè)區(qū)下風向即南部地區(qū)約7～9 km左右，同時在東南部公路附近出現(xiàn)局部高值，是由于在運輸過程中造成了二次起塵。

(3) 5月份主風向為正北方向，自然降塵高值點分布在煤礦開采區(qū)、堆渣區(qū)和工業(yè)區(qū)下風向，而較高值區(qū)域則主要分布在研究區(qū)西北部地區(qū)，外延至8～10 km范圍區(qū)域；6，7和10月主風向為西北偏西，6和10月份自然降塵分布較高區(qū)域均在研究區(qū)北部地區(qū)且延伸至8～10 km左右，而7月份自然降塵分布較高區(qū)域在研究區(qū)西北地區(qū)8～10 km左右，3個月高值點分布均在上風向；9月份主風向為東，自然降塵高值點分布在煤礦開采區(qū)、堆渣區(qū)和工業(yè)區(qū)下風向，而較高值區(qū)域則主要分布在北部地區(qū)8～10 km。這5個月的自然降塵均在煤礦開采區(qū)、堆渣區(qū)和工業(yè)區(qū)分布較多，且神華煤礦工業(yè)區(qū)附近自然降塵量較高，東南部地區(qū)自然降塵量較少，是由于這幾個月采挖量、運輸量、排土量和加工量等均有很大的強度，造成人為活動的影響對自然降塵量較大，而風等氣象因子的影響就相對較弱。

(4) 2011年主風向為西北偏西，自然降塵高值區(qū)主要分布于研究區(qū)的東部及北部地區(qū)距煤礦開采區(qū)、堆渣區(qū)和工業(yè)區(qū)約8～10 km，而自然降塵高值點分布在煤礦開采區(qū)、堆渣區(qū)和工業(yè)區(qū)上風向附近，在一定程度上可以表現(xiàn)出自然降塵受到風的影響呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律，但是由于人為活動對自然降塵量的影響相對較大，從某種程度上影響了自然降塵的受到風影響的分布趨勢。

4結(jié) 論

(1) 隨著時間的推移準東地區(qū)自然降塵量總體呈現(xiàn)三峰趨勢，4，6和9月自然降塵量相對較大，約占全年自然降塵量的42%。該地區(qū)監(jiān)測部門可以通過監(jiān)測該時間段內(nèi)的自然降塵量來確定煤礦開采造成的自然降塵污染嚴重程度；

(2) 該地區(qū)氣象因子對自然降塵量的影響程度強弱表現(xiàn)為：平均風速>平均土壤濕度>平均環(huán)境溫度，風是最主要的氣象影響因子，影響十分突出。自然降塵量同小風速呈負相關(guān)，8～9 m/s時風速同自然降塵量的相關(guān)性最強。可以通過采集該地區(qū)的風的相關(guān)信息來為監(jiān)測地點提供部分依據(jù)；

(3) 該地區(qū)自然降塵量受風和人為活動疊加影響，全年降塵高值基本聚集在研究區(qū)北部，距采礦區(qū)、堆渣區(qū)和工業(yè)區(qū)約8～10 km范圍區(qū)域，可以通過在該距離上的上下風向設(shè)置粉塵收集器，對相對高值地區(qū)進行監(jiān)測，以確定自然降塵的污染程度。

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Temporal and Spatial Characteristics of Dust Flux and Influence Factors in Open-pit Coalmine in East Junggar Basin in Xinjiang Area

ZHANG Pengfei1,2, BAO Anming2, Guli·Jiapaer2, YIN Junqi3, YAO Feng1, LIU Jinping1,2

(1.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urmqi,Xinjiang830011,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China; 3.XinjiangAcademyofEnvironmentalProtectionScience,Urmqi,Xinjiang830011,China)

Abstract：[Objective] To examine the temporal and spatial characteristics of dust flux and to determine the influencing factors in Wucaiwan open-pit coalmine in the East Junggar Basin in Xinjiang area, of which, the effects of meteorological factors on dust flux and deposition were underlined. Through the analysis of temporal and spatial pattern of dust flux in mining time, theoretical basis with regard to the monitoring methods were expected to be provided. [Methods] The key impacting factors were determined by the correlations of four meteorological factors with the dust flux. [Results] (1) The results indicated that the trend of dust flux had three types; (2) The influences of meteorological factors on dust flux ranked as: wind velocity>average soil humidity>average environment temperature; (3) Deposited distribution of dusts were both affected by winds and human interferences in this region. [Conclusion] Because of the higher mining rate, the dust fluxs in April, June and September were greater than thats on other months. Ambient humidity influenced lightly on dust flux, wind was the main meteorological factors. Dust fall was mainly distributed in area about 8～10 km apart from working section, storage area and industrial estate in the predominant wind direction.

Keywords:meteorological factors; dust flux; spatial interpolation

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0001-05

中圖分類號：X502

通信作者：包安明(1967—),男(漢族),甘肅省平?jīng)隹h人,研究員,主要從事干旱區(qū)資源與環(huán)境遙感方面的研究。E-mail:baoam@ms.xjb.ac.cn。

收稿日期：2013-10-31修回日期：2014-04-01
資助項目：環(huán)境保護公益性專項“荒漠區(qū)露天煤礦開采區(qū)域受損評估及方法體系構(gòu)建”(2011467027-03); 國家自然科學基金項目(41171295)
第一作者：張鵬飛(1987—),男(漢族),河南省寶豐縣人,博士研究生,研究方向為遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。E-mail:1987zpf@sina.cn。