高潛水位礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變趨勢研究：以淮南潘謝礦區(qū)為例

安士凱，李召龍，胡志勝，車 申

(1.淮南礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室,安徽 淮南 232001; 2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221116;3.有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007)

綠色礦業(yè)

高潛水位礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變趨勢研究：以淮南潘謝礦區(qū)為例

安士凱1，李召龍2，胡志勝2，車 申3

(1.淮南礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室,安徽 淮南 232001; 2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221116;3.有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007)

為了有效地應(yīng)對高潛水位礦區(qū)煤炭資源開采后帶來的生態(tài)環(huán)境問題，以淮南潘謝礦區(qū)為研究區(qū)域,應(yīng)用遙感技術(shù)分析了耕地、水體分布以及景觀格局，分析了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化，得出了礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體變化規(guī)律以及不同生態(tài)系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)化規(guī)律。應(yīng)用開采沉陷預(yù)測技術(shù)，基于礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，預(yù)測了生態(tài)系統(tǒng)演化趨勢，得出的結(jié)論為：耕地面積逐年減少，礦區(qū)煤炭資源完全開采結(jié)束時，礦區(qū)的生態(tài)景觀將由水域占絕對主導(dǎo)優(yōu)勢，礦區(qū)由陸地生態(tài)系統(tǒng)向水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演變，土地利用模式將優(yōu)化。

煤礦區(qū);生態(tài)系統(tǒng);遙感;開采沉陷預(yù)測技術(shù);演變趨勢

我國以煤炭為主要能源，隨著煤炭資源的開發(fā)，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題已變得日益突出，如何準(zhǔn)確監(jiān)測礦區(qū)生態(tài)問題的變化，如何預(yù)測礦區(qū)未來生態(tài)環(huán)境的變化并采取相應(yīng)的保護措施成為當(dāng)今研究的熱點。國內(nèi)外對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的研究取得了較多的成果[1-8]，主要研究內(nèi)容包括礦區(qū)地表沉陷的監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境的修復(fù)以及環(huán)境影響的評價等。遙感技術(shù)作為一種監(jiān)測手段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的研究[9-13]。本文基于開采沉陷預(yù)測技術(shù)以及遙感技術(shù)，對淮南潘謝礦區(qū)的生態(tài)演變趨勢進行研究。

1 概述

淮南礦區(qū)位于華東經(jīng)濟發(fā)達(dá)區(qū)腹地，是以煤炭、電力為主的能源生產(chǎn)基地，為我國的13個大型煤炭基地之一。區(qū)內(nèi)的淮河將淮南礦區(qū)自然分隔成兩個區(qū)域，淮河以南礦區(qū)經(jīng)過長期的開發(fā)，煤炭資源接近枯竭，開采重心向淮河以北轉(zhuǎn)移。淮河以北的潘謝礦區(qū)為平原地區(qū)，總體地勢西北方向高，東南方向低，屬于河間淺洼平原。

由于煤炭資源的不斷開發(fā)，沉陷區(qū)不斷擴大，該區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的變化。耕地和建筑用地逐漸減少，影響了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為了有效地應(yīng)對這一系列問題，必須摸清礦區(qū)開發(fā)后生態(tài)系統(tǒng)的演變趨勢，才能夠采取相應(yīng)的措施進行治理。

2 礦區(qū)開發(fā)歷史及規(guī)劃

淮南礦區(qū)的開發(fā)歷史已有110年之久，建國以來，礦區(qū)的產(chǎn)量更是得到迅速發(fā)展，從1949年到2010年，產(chǎn)量增加了59倍(見圖1)。目前，淮南礦業(yè)集團正在生產(chǎn)的煤礦共有14個，分別分布在淮河南北。

礦區(qū)內(nèi)有6個主采煤層，屬中厚-厚煤層，礦井煤炭資源儲量十分豐富。2011年，淮南礦業(yè)集團公司完成原煤產(chǎn)量6751萬t，2012年為7100萬t。根據(jù)礦井系統(tǒng)能力，結(jié)合采場情況和集團公司規(guī)劃，2013～2020年，集團公司原煤產(chǎn)量每年在7000萬～7500萬t，按照上述規(guī)劃，淮河以北的淮南潘謝礦區(qū)2011～2020年可累計生產(chǎn)原煤約6.6億t。2021～2030年潘謝礦區(qū)原煤產(chǎn)量每年穩(wěn)定在7500萬t，累計生產(chǎn)原煤約7.5億t。

圖1 1949～2010年淮南礦區(qū)煤炭產(chǎn)量

3 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)基本格局

淮南潘謝礦區(qū)屬于北部平原生態(tài)農(nóng)業(yè)與礦業(yè)發(fā)展區(qū)中的引導(dǎo)開發(fā)區(qū)，該區(qū)域目前生態(tài)穩(wěn)定性較好，能承受一定的外部干擾，開發(fā)利用主要的方向是煤炭資源的開采。

根據(jù)遙感圖像解譯和實地調(diào)查，自淮南潘謝礦區(qū)煤炭資源大規(guī)模開發(fā)以來，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)共有5種生態(tài)系統(tǒng)類型，主要分布及生態(tài)特征見表1。目前農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)占有絕對優(yōu)勢；其次為村鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)和水域生態(tài)系統(tǒng)，呈斑塊狀分布于礦區(qū)內(nèi)。林地生態(tài)系統(tǒng)所占比例最小，主要零星的分布在道路兩側(cè)。

4 礦區(qū)開發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)的影響分析

4.1 耕地面積變化分析

地下煤炭資源開采后，對地面造成的最直接影響是地表沉陷并形成沉陷積水區(qū)，從而造成耕地資源的損失。礦區(qū)煤層厚度大，開采強度高，地表有巨厚沖積層覆蓋(一般大于300m)，潛水的埋藏深度僅1.4m左右，開采后地表容易形成大面積積水區(qū)域，難以繼續(xù)耕作。根據(jù)不同時相遙感影像的分類統(tǒng)計結(jié)果，可以得出淮南潘謝礦區(qū)耕地面積變化與累計原煤產(chǎn)量之間的關(guān)系，見圖2。

圖2 淮南潘謝礦區(qū)耕地面積變化與累計原煤產(chǎn)量之間的關(guān)系

由圖2可知，隨著原煤產(chǎn)量的不斷增加，淮南潘謝礦區(qū)的耕地面積直線下降。根據(jù)遙感圖像解譯和實地調(diào)查，在1990～2000年的10年時間里，淮河以北淮南潘謝礦區(qū)僅潘一、潘二、潘三礦投產(chǎn)，開采強度相對較低，平均每年原煤產(chǎn)量僅為1281萬t，耕地面積減少了16.6041km2；2000～2006年的6年時間里，隨著潘謝礦區(qū)張集、顧北等新礦的陸續(xù)投產(chǎn)，礦區(qū)的采能有了較大幅度的調(diào)高，平均每年原煤產(chǎn)量達(dá)到275萬t造成大面積的土地沉陷，耕地面積減少了11.6662km2；2006～2010年的5年時間里，礦區(qū)的開采強度增大，平均每年原煤產(chǎn)量為5385萬t，耕地面積減少幅度大幅增加，達(dá)到16.2063km2?？偟膩碚f，淮南潘謝礦區(qū)耕地面積與累計原煤產(chǎn)量之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)量不斷增加，耕地面積則不斷減少。

4.2 地表水分布變化分析

淮南潘謝礦區(qū)地勢較為平坦，潛水位高，煤炭資源開采后容易引起地面積水，根據(jù)礦區(qū)不同時相的TM和ETM+影像提取的地表水體信息，對淮南潘謝礦區(qū)地表水體的分布變化規(guī)律進行研究。將礦區(qū)2000年與2010年的水體分布圖做變化檢測，將獲取的2000～2010年的礦區(qū)水體變化圖與開采引起的地表下沉等值線圖進行疊加(圖3)，以便進一步研究礦區(qū)水體變化與采煤活動之間的關(guān)系。

圖3 淮南潘謝礦區(qū)水體變化與地表沉陷疊加圖

由圖3可知，2000～2010年，礦區(qū)水體的分布發(fā)生了較大的變化。分析變化出現(xiàn)的位置，可知：礦區(qū)縮減的水體多分布在原有河流、湖塘的周邊，分析其原因，除去水體提取誤差外，主要是因為河流和湖塘本身因為不同季節(jié)的降水量不同導(dǎo)致的水體面積的變化；而新增的水體大多相對封閉，與采煤活動密切相關(guān)，分布的范圍均在采煤引起的地表沉陷的范圍之內(nèi)，大都是由沉陷引起的塌陷水體。分析塌陷水體與地表下沉等值線圖的位置，可知：塌陷水體的積水范圍受到沉陷大小、地形、地下水位等的綜合影響。

由圖3可知，2000～2010年，礦區(qū)水體的分布發(fā)生了較大的變化。分析變化出現(xiàn)的位置，可知：礦區(qū)縮減的水體多分布在原有河流、湖塘的周邊，分析其原因，除去水體提取誤差外，主要是因為河流和湖塘本身因為不同季節(jié)的降水量不同導(dǎo)致的水體面積的變化；而新增的水體大多相對封閉，與采煤活動密切相關(guān)，分布的范圍均在采煤引起的地表沉陷的范圍之內(nèi)，大都是由沉陷引起的塌陷水體。分析塌陷水體與地表下沉等值線圖的位置，可知：塌陷水體的積水范圍受到沉陷大小、地形、地下水位等的綜合影響。

4.3 景觀格局變化分析

礦區(qū)的煤炭開采對地面環(huán)境的擾動往往能夠引起景觀格局的變化，根據(jù)淮南潘謝礦區(qū)的特點，在景觀級別從面積、密度、形狀、聚散性和多樣性等不同角度分別選取斑塊數(shù)量(NP)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度(CONTAG)與香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHEI)5個指數(shù)評價礦區(qū)的景觀格局在煤炭開采影響下的變化趨勢。

通過對遙感影像分類文件進行處理，得到景觀格局指數(shù)計算結(jié)果，見圖4?？芍茨吓酥x礦區(qū)在1990～2006年，景觀斑塊數(shù)量、多樣性指數(shù)基本逐年增加，蔓延度指數(shù)逐年減少，說明礦區(qū)景觀斑塊數(shù)量不斷增加，景觀的破碎程度不斷增大，異質(zhì)性增加。2006～2010年聚散性指標(biāo)有小幅增加，多樣性指標(biāo)有小幅減小，礦區(qū)的景觀團聚程度趨于穩(wěn)定。邊緣密度和形狀指數(shù)指標(biāo)在1990～2010年總體保持增加的趨勢，說明礦區(qū)景觀斑塊形狀越發(fā)復(fù)雜，斑塊與外界物質(zhì)與能量的交換程度越來越高，受到的外界干擾越來越大。由以上分析可知，1990～2006年，在淮南潘謝礦區(qū)的開發(fā)期和成長期內(nèi)，隨著煤炭資源的不斷開采，礦區(qū)景觀格局的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，景觀的多樣性和異質(zhì)性增加，礦區(qū)從相對單一的生態(tài)系統(tǒng)向復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變；隨著礦區(qū)的進一步發(fā)展，2006～2010年，礦區(qū)的團聚程度和多樣性指標(biāo)變化較小，整個生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

5 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及演化趨勢

5.1 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

5.1.1 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體變化規(guī)律

根據(jù)淮南潘謝礦區(qū)1990年、2000年、2006年和2010年遙感影像分類結(jié)果，對礦區(qū)各個地物類型面積進行統(tǒng)計(見表2)，結(jié)合礦區(qū)資料進行分析，得到礦區(qū)不同地類與累計原煤產(chǎn)量之間的關(guān)系，見圖5。

圖5 淮南潘謝礦區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化與累計原煤產(chǎn)量關(guān)系圖

由圖表可知，隨著煤炭資源的大面積開采，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有較大的改變，主要表現(xiàn)在：耕地面積逐漸減少，水體面積直線增加，而建筑用地在總量基本保持不變的前提下，呈現(xiàn)“先增加后減少”的規(guī)律。

5.1.2 礦區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)換規(guī)律

通過對1990年和2010年分類圖像作變化進行檢測，得到變化轉(zhuǎn)移矩陣見表3。

由表3可知，淮南潘謝礦區(qū)主要的生態(tài)系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)化的類型為：耕地向水體轉(zhuǎn)變、建筑用地向水體轉(zhuǎn)變以及耕地向建筑用地轉(zhuǎn)變，其中耕地和建筑用地向水體轉(zhuǎn)變與采礦活動密切相關(guān)。

由于煤炭資源的開采有“趨利避害”的特點，煤礦一般首先開采耕地下的煤炭資源，在建筑用地及重要交通用地、水體下設(shè)置保護煤柱，推遲或不再開采這部分資源。而礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的演變主要是由煤礦開采活動驅(qū)動的，因此，根據(jù)理論分析，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境演化過程的一般順序應(yīng)為：①耕地沉陷，變?yōu)榉e水區(qū)；②居民遷徙；③建筑物用地變?yōu)榉e水區(qū)；④交通用地變?yōu)榉e水區(qū)。

5.2 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演化趨勢

根據(jù)淮南潘謝礦區(qū)的開采規(guī)劃，結(jié)合煤礦開采對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的具體影響和礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，分別對淮南潘謝礦區(qū)2010年、2020年、2030年及礦區(qū)所有煤炭資源完全開采后的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展變化進行預(yù)測，得到結(jié)果見表4。

由表2和表4可知，淮南潘謝礦區(qū)1990年耕地面積占總面積的70.30%，是以耕地生態(tài)系統(tǒng)為主，單純?yōu)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)；2010年，經(jīng)過近20年的開發(fā)，礦區(qū)呈現(xiàn)出以農(nóng)業(yè)植被、水域和居民工礦區(qū)3種生態(tài)景觀為主的型態(tài)，但農(nóng)業(yè)植被仍占絕對優(yōu)勢，耕地面積占總面積的比例仍然達(dá)到63.59%，此時區(qū)域生態(tài)功能已經(jīng)由單純的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)演變?yōu)橐悦禾抠Y源開發(fā)為主導(dǎo)。隨著礦區(qū)的進一步開發(fā)，水域景觀得到逐漸強化，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的變化。按照煤礦2010～2030年的開采規(guī)劃和開采速度，預(yù)計到2027年，耕地的面積將減少到總面積的50%以下；預(yù)計到2051年，水體的面積將達(dá)到總面積的50%以上；到礦區(qū)煤炭資源完全開采結(jié)束時，礦區(qū)生態(tài)將由水域占絕對主導(dǎo)優(yōu)勢。

6 結(jié)論

由于淮南潘謝礦區(qū)煤炭資源的高強度開采，礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將會出現(xiàn)明顯的變化。耕地面積由原來的70.30%，2010年減少到63.59%，2027年減少到50%以下，水體面積2051年將達(dá)到50%以上，礦區(qū)由陸地生態(tài)系統(tǒng)向水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演變，對區(qū)域的土地利用模式和生態(tài)環(huán)境將產(chǎn)生顯著影響。下一步根據(jù)沉陷類型提出適宜的土地利用模式，變害為利，提高采煤沉陷區(qū)綜合利用率，居民區(qū)將采用搬遷建鎮(zhèn)模式等，繼續(xù)保持地區(qū)社會、經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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Study on the change trend of mine area ecosystem with high ground-water level：a case study of Huainan Panxie mine

AN Shi-kai1，LI Zhao-long2，HU Zhi-sheng2，CHE Shen3

(1.National Engineering Laboratory of Coal Mine Ecological Environment Protection，Huainan Mining Industry(Group)Co.，Ltd.，Huainan 232001,China；2.school of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China；3.East China Mineral Exploration and Development Bureau，Nanjing 210007，China)

In order to effectively addressing the problems of ecological environment caused by the exploitation of coal resources in mine area with high ground-water level，taking Huainan Panxie mine area as a case，applying remote sensing technology to analyzing plough，the distribution of water and landscape pattern，then analyzing the change of ecosystem structure，drawing the law of overall change of mining area ecosystem structure and transformation between different ecosystems.Based on the change law of mining area ecosystem structure，applying prediction of mining subsidence to calculating the change trend of ecosystem，conclusion that agricultural acreage will decrease year by year，after finishing the coal resources，water area will be the dominant advantage in mine area ecological，and mine area will be aquatic-terrestrial complex ecosystem instead of terrestrial ecosystem，the land use pattern will be optimized.

coal mining area ecological；ecological system；remote sensing；prediction of mining subsidence；change trend

2014-03-28

國家科技支撐計劃項目資助(編號：2012BAC10B02)；煤炭生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室資助項目資助(編號：HNKY-JT-JS(2012)-27)

安士凱(1986-)，男，助理工程師，碩士。

X752

A

1004-4051(2015)01-0040-05