采煤驱动下高潜水位矿区地表水时空特征变化研究：以大屯矿区为例

贾斐斐，丁忠义，毛梦祺，王　慧

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116 )



采煤驱动下高潜水位矿区地表水时空特征变化研究：以大屯矿区为例

贾斐斐，丁忠义，毛梦祺，王慧

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116 )

选用1984～2014年六期大屯矿区时间序列的TM/ETM+影像，基于遥感和地理信息系统技术，运用模型(TM3-TM5)/(TM3+TM5)对大屯矿区地表水信息提取，从面积变化进行了宏观分析。并在Fragstats4.0软件平台支持下，借助景观生态学的理论和方法，选取斑块类型面积(CA)、斑块个数(NP)、斑块平均面积(MPS)、景观形状指数(LSI)、面积加权的平均斑块分维数(AWMPFD)、斑块凝聚度(COHESION)、景观破碎度(CI)等指标详细地刻画了地表水资源时空变化特征。研究结果表明，采矿活动将导致地表水面积增长，但增长的表现形式不一。采矿前期主要是表现为面积较小的水域斑块数量的快速增加；采矿中后期则同时表现为水域斑块的融合与单个斑块面积的扩大。此外近年来矿区地表水域破碎化程度在降低，同时其斑块边界愈加复杂、不规则。

地表水；景观格局；时空特征；大屯矿区

我国东部地区煤炭资源开采最早、历史最长，如淮南、徐州等地采矿历史已超过半个世纪。在采矿过程中，由于采空区应力变化波及地表，地表沉降形成塌陷坑、下沉盆地等。而东部大部分地区为冲积平原且地下水位较高，加之降水以及采矿生产过程排水等因素驱动下易形成塌陷坑季节积水区以及常年积水区。从而淹没矿区耕地，使农田生态转为水域生态。根据近年来我国中东部的开滦、淮北、平顶山、徐州、兖州等地区的矿区土地塌陷统计调查显示，我国各矿区每采1万t煤，矿区土地的塌陷影响面积约为0.2hm2；每采煤1万t，因塌陷坑积水造成矿区耕地绝产需征地面积约为0.067hm2[1]。为了科学进行矿区土地复垦与生态重建工作，需进一步加强煤矿区塌陷积水面积的测算与塌陷积水区的实时动态监测[2]。而遥感技术也因为其获取数据范围大，周期短，更新快等特点而越来越多地应用于矿区环境监测中[3-6]。目前，对于矿区地表水变化方面的研究多倾向于利用遥感解译较为宏观的研究矿区塌陷积水区历年的面积变化[7]，而本文将从景观生态学角度，将矿区地表水作为一个景观整体，引入景观指标分析其整个矿区地表水域斑块的时空特征变化，以期能对矿区地表水的时空变化特征进行探索。

1　研究区概况

大屯矿区位于苏、鲁两省交界的微山湖畔，地处34°52′～34°59′N，116°44′～116°50′E。属于暖温带湿润半湿润季风气候，冬季寒冷干燥、春季干旱少雨、夏季高温多雨、秋季天高气爽，四季分明。多年平均气温13.9℃，平均降雨812.7mm，年均蒸发量1672.8mm。矿区地处黄滩高潜水位平原地区，一般地表下沉1m左右就会出现季节性积水。因此，受开采影响，土地沉陷经常伴随着塌陷积水区的出现。

大屯矿区有姚桥、徐庄、孔庄、龙东四对矿井，分布在江苏沛县及山东微山县境内(图1)。其中前三座矿井主要开采微山湖底压煤。其研究期内年产量见表1。

图1　大屯矿区四矿分布

矿区1984年1990年1996年2002年2008年2014年姚桥煤矿135.6113.1141.5341.0380.1434.2徐庄煤矿62.579.4103.0126.0140.5220.0孔庄煤矿33.844.874.2117.896.6138.0龙东煤矿———85.198.2116.693.6132.1

2　数据来源及研究方法

2.1数据来源

本研究所采用的数据是轨道行列号为P122R36，时间为1984年4月20日、1990年5月9日、1996年2月19日、2002年9月12日、2008年4月8日的LandsatTM遥感影像以及2014年6月1日的LandsatETM+遥感影像资料，分辨率为30m。所有数据都进行了日照差异纠正，并结合沛县1∶5万地形图及其矢量化数据进行图像几何校正。降水量、年平均气温、蒸发量等气象数据来源于中国气象数据网(http：//data.cma.gov.cn)。此外，收集了矿区矿界及复垦整治方案相关资料。

2.2研究方法

2.2.1遥感解译水信息提取

目前基于遥感影像的水体信息提取方法可以归纳为监督分类、非监督分类、谱间关系法、阈值法以及归一化水体指数，或者是融合谱间关系法、阈值法以及指数法几种方式的综合法[8-12]。针对不同用途，水体信息有不同的最优提取方案。经过比对分析，本文选择改进的归一化水体指数(MNDWI)提取矿区地表水，其公式如下。

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

式中：Green代表绿光波段；MIR为中红外波段，在LandsatTM/ETM+中分别为2波段、5波段。

结合目视解译对提取结果进行修改。应用GoogleEarth软件平台，随机选取30个分类样本点比较分类结果，发现解译精度比较理想，满足矿区地表水研究要求。

利用ENVI5.0遥感软件的波段运算，结合相应时相的真彩色合成影像图，选取相应的阈值(0.158112～0.189873)提取水体信息，将提取出的各期矿区地表水体信息导出为矢量数据。基于ArcGIS中ArcTools模块生成不同时期矿区地表水分布栅格图，并分别建立徐庄、姚桥、孔庄、龙东矿区地表水信息数据库。

2.2.2景观格局指数选择及计算方法

ENVI波段运算提取的水域信息虽然可以反映矿区地表水面积变化状况，但这一单一指标较为宏观与笼统。地表水的时空变化特征还需要地表水域斑块数量变化、新增水域斑块联通性的好坏，破碎程度及聚集程度等更为详细的刻画。本次研究结合景观生态学的相关研究成果，选取斑块类型面积(CA)、斑块个数(NP)、斑块平均面积(MPS)、景观形状指数(LSI)、面积加权的平均斑块分维数(AWMPFD)、斑块凝聚度(COHESION)、景观破碎度(CI)等指标，以便综合全面地分析矿区地表水在采矿影响下的时空特征变化，见表2。

表2　景观指数及其计算方法

说明：表格中表示第i类景观j斑块的面积，n表示第i类景观的斑块数，Ai表示第i类景观的总面积，A表示所有景观总面积；pij表示第i类景观j斑块的周长。

3　结果与分析

3.1矿区地表水域面积变化分析

经ENVI提取遥感影像，获取大屯矿区地表水面积如图2所示。从图2可以看出1984～2014年研究区地表水面积总体呈上升的趋势。矿区地表水总面积从2573.48hm2增加到6992.97hm2，增长了近2倍。

此外，2002年大屯矿区水域面积骤然减小，其变化表现出很大的典型性，这主要是由2002年矿区所在地爆发的特大旱情导致。受旱情影响，周围农业灌溉需大量从南四湖水域引渠用水，致使南四湖水量骤减，而姚桥、徐庄、孔庄矿井除位于陆地下部分，还有部分矿井位于南四湖水域之下，因此姚桥、徐庄、孔庄矿井地表水面积在2002年都呈现下降趋

图2　1984～2014年各矿区地表水面积

图3　1984～2014年各矿区地表水域景观指数变化趋势

势。而龙东矿井位于陆地下，其水域面积只受到气候影响，增速明显变缓，并未出现下降趋势。

3.2矿区地表水域斑块类型指数变化特征

随着采煤活动的进行，地表受采动影响，发生沉陷，在雨水富集、地下水渗出等作用下，形成众多的水域斑块，地表水斑块数量总体呈现增多趋势，见图3(a)。1984～1996年斑块数量增长较快，1996～2014年斑块数表量增速放缓。这主要是由于1984～1996属于采矿前中期，采矿扰动还未或刚波及地表，形成一个个沉陷坑。而随着采矿时间的推移(1996～2014年)，煤炭开采活动转化为下覆煤层的重复采动，因而地表扰动形式主要表现为已有沉陷坑的范围扩张，这一过程中也导致部分相邻沉陷坑出现了相互融合的现象，所以在这一阶段新增沉陷坑数量相对放缓。

水域斑块形状指数反映水域斑块的复杂程度，形状指数越大，斑块形状就越不规则，曲折程度就越高，表示受到人类活动干扰越大，反之则斑块越规则越平滑，表示受人类活动影响较小。图3(b)表明研究区水域形状指数整体呈现增长趋势即水域斑块形状日趋不规则，受到了采矿活动较大的干扰。面积加权的平均斑块分维指数(AWMPFD)取值范围1～2，越接近于1，表示斑块形状越接近于圆形或正方形，越接近于2则表示斑块形状越复杂，所受干扰越强烈，理论上限一般趋近于1.5。如图3(c)所示，1984～2014年，姚桥、徐庄、孔庄、龙东矿AWMPFD值总体呈逐年上升趋势，最高值已达1.23，说明矿区水域斑块形状越来越复杂，受采矿干扰日益严重，这与水域形状指数所反映的结果相印证。

平均斑块面积(MPS)、斑块凝聚度(COHESION)、景观破碎度(CI)在一定程度上都可表示斑块类型破碎化程度。一般认为具有较小MPS值的斑块比具有较大MPS值的斑块，破碎度更大，从图3(d)可看出水域斑块平均面积前期变化虽然极不稳定，但2008～2014年开始，姚桥、徐庄、孔庄、龙东路矿水域斑块面积都出现了明显的增加趋势，这也表明研究区水域斑块破碎度程度降低，这一结果与图3(e)所显示的破碎度变化状况相印证。景观破碎度(CI)也在后期呈现出降低的趋势，表明研究区水域斑块分布状态在逐渐趋于稳定。此外斑块凝聚度(COHESION)值都在95%～100%之间图3(f)，表明研究区水域斑块连通性较好。

4　结　论

大屯矿区水域面积总体呈现增长趋势。采矿中前期，地表水域总面积的增大主要是采矿初期采动影响刚波及地表，地表新增较多小型沉陷积水坑导致。而采矿后期，由于随着采矿活动的进行，地表沉陷范围扩大，部分零散分布的相邻沉陷坑相互融合，虽然矿区水域斑块数量新增速度变缓，但平均水域斑块面积增大，矿区地表水面积依然表现出强力的增长态势。并且随着零散沉陷坑的扩张及临近沉陷坑的相互融合，大屯矿区斑块凝聚度逐年增加、水域斑块的破碎度逐渐降低。此外景观形态指数、面积加权的平均斑块分维数增加，表明采矿活动对地表水干扰日益严重，致使水域边界愈加复杂、不规则。

本次研究结果表明，矿区地表水时空特征变化具有复杂性。斑块指标的引入有助于分析矿区水域不同时期变化的内表现形式，以及水域空间特征演化的规律。这在一定程度上弥补了水域面积变化这一宏观指标的模糊性与片面性。因而，矿区水域微观变化特征的细致指标有待进一步的探索与研究，从而为矿区水域实时动态变化模型的建立与模拟预测奠定基础。

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Study on spatial-temporal characteristics of surface water change in high underground water mining area that driven by coal mining：a case study of Datun mine area

JIAFei-fei，DINGZhong-yi，MAOMeng-qi，WANGHui

(SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China)

usingDatunminearea’sthesixthphasetime-sequencedTM/ETM+imagethatthetimeis1984～2014，andbasedonremotesensing(RS)andgeographicalinformationsystem(GIS).Toapplymodel(TM3-TM5)/(TM3+TM5)toextractinformationofDatunminearea’ssurfacewater.Andanalysesareachangefrommacroscopic.WiththesupportofsoftwareplatformFragstats4.0，alsowiththehelpofthemethodsfromlandscapeecology，choosingClassArea(CA)，PatchNumber(NP)，MeanPatchSize(MPS)，LandShapeIndex(LSI)，AreaWeightedMeanPatchFractalDimension(AWMPFD)，COHESION，LandscapeFragmentationIndex(CI)thoseindexesandithavedetailedcarvingsofsurfacewaterresourcesspatial-temporalcharacteristics.Theresultsprovethatminingactivitywillenlargesurfacewater’sarea.Buttheformofexpressionisquitedifferent.Attheearlystageformining，itshowsthequantityofthesmallpatchesriserapidly.Atthemiddle-latestageformining，itshowsthefusionofthepatchandsinglepatch’sexpansion.Furthermore，recently，thesurfacewaterinminingareaandithasalowerdegreeoflandscapefragmentation，meanwhile，theborderareincreasinglycomplexandirregular.

Landscapepattern；surfacewater；spatial-temporalcharacteristics；Datunminearea

2016-01-15

国家“十二五”科技支撑计划项目(编号：2012BAB11B06)

贾斐斐(1992-)，女，汉族，陕西延安人，硕士研究生，研究方向为土地资源利用与监测。E-mail：yiyiyeying@163.com。

丁忠义(1975-)，男，汉族，山西宁武人，博士研究生，硕士生导师，主要从事区域农业发展、土地资源利用方面的研究。E-mail:dzy2002@126.com。

P641

A

1004-4051(2016)08-0147-05