基于RSEI的采煤塌陷積水對生態(tài)環(huán)境的影響研究

畢衛(wèi)華，錢倬珺，王 輝，姜念念，黃文亭，花逢春

(1.皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司通防地測部，安徽 宿州 234000；2.中國礦業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

由于煤炭開采造成的生態(tài)環(huán)境問題長期以來受到廣泛關(guān)注，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測、評價、恢復(fù)治理等也是研究的熱點(diǎn)問題[1]。我國東部煤田分布在高潛水位地區(qū)，井下開采造成地表塌陷和積水，尤其是近年來疊加深部開采，造成地面大范圍沉陷，逐漸形成塌陷湖泊濕地[2-3]。盡管地表沉陷積水損失了大量耕地，但是濕地具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能，合理開發(fā)利用能產(chǎn)生顯著生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)社會效益[4-6]，是東部礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的有利條件。皖北地區(qū)很多濕地資源沒有得到相應(yīng)的保護(hù)，大多數(shù)煤礦企業(yè)對于濕地資源開發(fā)和保護(hù)重視程度不夠[7]，因此研究塌陷水域的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題研究的進(jìn)一步深化。

衛(wèi)星遙感具有長時序、多信息的優(yōu)點(diǎn)，是地表過程研究的重要手段[8]。近年來，遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)被應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化研究中，成功地反映了礦區(qū)和局部尺度生態(tài)環(huán)境和優(yōu)劣等級的多年變化[9]。但是時序RSEI只能反映礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的時空變化，無法進(jìn)行生態(tài)環(huán)境變化歸因。本文嘗試將遙感提取數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)相結(jié)合，在研究煤礦塌陷積水區(qū)域一定范圍生態(tài)環(huán)境變化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究塌陷積水區(qū)的形成對周邊生態(tài)環(huán)境的影響規(guī)律，可以為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理及濕地資源保護(hù)利用提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)以皖北煤電集團(tuán)任樓煤礦塌陷積水區(qū)為中心，東西長6.5 km，南北長10 km。任樓煤礦位于安徽省北部，隸屬于濉溪縣南坪鎮(zhèn)和蒙城縣許疃鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°42′19″～116°48′13″，北緯33°25′36″～33°32′46″。井田東西寬4～7 km，南北長8～11 km，面積42.07 km2，研究區(qū)土地覆被情況如圖1所示。任樓煤礦自1997年12月31日建成投產(chǎn)以來，已經(jīng)形成了塌陷積水區(qū)面積約340 hm2，水深0～9.0 m。

圖1 研究區(qū)土地利用覆被情況Fig.1 Land use cover of the research area

研究區(qū)地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季晴熱濕潤，冬季寒冷干燥，常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋NE，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋，夏季主要為ESE，溫度和降雨由東南向西北遞減。研究區(qū)內(nèi)多年平均氣溫14.5 ℃，多年平均降水量847.2 mm。研究區(qū)內(nèi)地勢平坦，地表水體主要為采空塌陷積水，形狀不規(guī)則，積水主要來源為大氣降水和地表潛水，兩者為互補(bǔ)關(guān)系，以水面蒸發(fā)為主要排泄途徑。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)，時點(diǎn)分別為2000年6月、2005年8月、2010年9月、2015年7月、2018年6月，其中2000年、2005年、2010年的遙感影像為Landsat5 TM數(shù)據(jù)，2015年和2018年遙感影像為Landsat8 OLI數(shù)據(jù)。 空間分辨率為30 m，云層覆蓋面積小于10%。

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)

RSEI模型見式(1)[10]。

RSEI=(NDVI，WET，NDSI，LST)

(1)

式中：NDVI為綠度指數(shù)；WET為濕度指數(shù)；NDSI為干度指數(shù)；LST為熱度指數(shù)。 其中，NDVI采用歸一化植被指數(shù)表示；WET采用纓帽變化中的濕度分量表示；NDSI由裸土指數(shù)和建筑指數(shù)構(gòu)成；LST根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況采用地表溫度反演算法[11-14]。

遙感影像應(yīng)用ENVI 5.3 Band Math工具去除背景值干擾，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理和Layer Stacking工具波段合成，通過主成分分析法和指標(biāo)耦合方法，獲取各分指數(shù)的權(quán)重[15]。 遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算公式見式(2)。

RSEI=0.504×NDVI+0.102×WET-

0.307×NDSI-0.090×LST

(2)

2.3 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

以塌陷積水區(qū)最大范圍邊界為起點(diǎn)，在北、東、南、西4個方向上按像元提取RSEI值，其中，北方向73個像元，距離2 190 m，南方向49個像元，距離1 470 m，東西方向各115個像元，距離各3 450 m。以2000年數(shù)據(jù)為基期，假定之后生態(tài)環(huán)境的變化僅由塌陷積水引起，采用Wilcoxon檢驗(yàn)比較遙感生態(tài)指數(shù)在方向上、年度間的差異，采用二次函數(shù)擬合水域影響與距離的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)全域RSEI時空變化分析

3.1.1 RSEI及分指數(shù)的時間變化

經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)各期遙感生態(tài)指數(shù)、綠度指數(shù)、濕度指數(shù)、干度指數(shù)和熱度指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后的年度變化見圖2?？傮w上，研究區(qū)4個分指數(shù)表現(xiàn)為2個上升、2個下降；2個波動大、2個波動小；2個均值大，在0.5以上，2個均值小，在0.5以下。綠度指數(shù)呈上升趨勢，波動較小，2000年最低，均值為0.732，2018年最大，均值為0.844。濕度指數(shù)呈總體上升趨勢，但波動較大，均值最低為0.46，也出現(xiàn)在2000年，最高均值為2015年的0.907，2018年略有下降。干度指數(shù)最低均值和最高均值分別為0.117和0.436，雖然2000—2015年、2015—2018年均表現(xiàn)為上升趨勢，但由于2010—2015年劇烈下降，總體上呈現(xiàn)下降趨勢，多項(xiàng)式擬合的二次項(xiàng)系數(shù)為-0.038。熱度指數(shù)呈總體下降趨勢，但波動不大，最小均值為2018年的0.288，最大均值出現(xiàn)在2010年，為0.358。遙感生態(tài)指數(shù)與綠度指數(shù)的變化相似，2000年來一直呈增長趨勢，平均年度增長0.007，2010—2015年增長較快，年平均增加0.013，其他年度均在均值以下。

由結(jié)果可知，2000—2018年，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體上逐漸向好，積水區(qū)周邊綠度情況整體良好并逐年改善，濕度有較大幅度提升，干度和熱度總體下降。濕度與干度受年度降水量變化影響有較大幅度的波動，塌陷積水對改善區(qū)域濕度有較大貢獻(xiàn)。監(jiān)測資料顯示，研究區(qū)2000年以來，年平均氣溫逐漸上升，熱度變化平穩(wěn)下降應(yīng)與塌陷積水有關(guān)。研究區(qū)除水域外，土地利用變化不大，建設(shè)用地、裸地占比較低，耕地面積大，對于穩(wěn)定和提升區(qū)域生態(tài)環(huán)境均發(fā)揮了重要作用。

圖2 RSEI及分指數(shù)的年度變化趨勢Fig.2 Variation of RSEI and sub index

3.1.2 RSEI與土地利用的空間變化

研究區(qū)遙感生態(tài)質(zhì)量空間分布如圖3所示。由圖3可知，2000—2005年研究區(qū)處于塌陷積水初期，總體而言，生態(tài)質(zhì)量變化不大，略微有上升。其北部建設(shè)用地面減少以及未利用地面積減少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)，中部塌陷積水區(qū)面積增加，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著下降。到2010年，煤礦塌陷積水區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，積水區(qū)周邊零星建設(shè)用地減少，耕地結(jié)構(gòu)有所改善，東北部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所提高，塌陷積水區(qū)局部下降，周邊區(qū)域生態(tài)環(huán)境有所上升。到2015年，塌陷積水區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，建設(shè)用地逐漸集中并略有增加，建設(shè)用地、耕地、未利用地減少，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境仍不斷改善，積水區(qū)周圍耕地生態(tài)質(zhì)量提升，中心積水區(qū)生態(tài)質(zhì)量惡化。到2018年，塌陷積水區(qū)面積略有增加，建設(shè)用地、耕地面積基本無變化，積水區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化，但西北區(qū)域以及南部區(qū)域耕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升，研究區(qū)整體生態(tài)質(zhì)量改善。

圖3 任樓煤礦域遙感生態(tài)指數(shù)空間變化Fig.3 Spatial variation of remote sensing ecological index in Renlou mining area

3.2 研究區(qū)方向RSEI變化分析

3.2.1 距離積水區(qū)遠(yuǎn)近變化特征

以塌陷積水區(qū)最大范圍邊界為起點(diǎn)，取遠(yuǎn)離水域方向RSEI指數(shù)的北、東、南、西4個方向的均值，其隨距離變化如圖5所示。由圖5可知，遙感生態(tài)指數(shù)呈波動變化，年度間的變化呈現(xiàn)逐年向好趨勢。一次擬合遙感生態(tài)指數(shù)隨距離增加而升高，截距為0.766 8，斜率為1.955e-5，塌陷積水區(qū)外圍3 200 m范圍內(nèi)遠(yuǎn)離水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量更好。在距離積水區(qū)距離分別為700 m、1 700 m、3 200 m出現(xiàn)3組低值區(qū)，應(yīng)與某些方向上該位置出現(xiàn)建設(shè)用地有關(guān)。

3.2.2 方向上的變化特征

以南向距離長度為標(biāo)準(zhǔn)，各方向取塌陷水域外緣1 470 m(49像元)距離數(shù)據(jù)，將各年度RSEI值平均后數(shù)據(jù)特征統(tǒng)計(jì)見表1，數(shù)據(jù)分布密度如圖5所示。由表1和圖5可知，遙感生態(tài)質(zhì)量在方向上差異大，南北比較相似。從中值和平均值、極值來看，其優(yōu)劣順序?yàn)槟?西>北>東，從數(shù)據(jù)的分布來看，南、西、北向數(shù)據(jù)集中在高值區(qū)，東方向數(shù)據(jù)分布跨度大，高值區(qū)數(shù)據(jù)相對較少。 遙感生態(tài)指數(shù)這種分布特征與研究區(qū)土地利用特征相符，該塌陷積水區(qū)南北方向?yàn)檗r(nóng)田，東部為煤礦建成區(qū)，西部為村莊。

圖4 RSEI隨積水區(qū)距離年度變化圖Fig.4 Variation of RSEI with distance from ponding area

表1 水域外圍RSEI方向數(shù)值特征Table 1 Characteristics of RSEI direction around water area

圖5 水域外圍RSEI方向數(shù)值分布密度Fig.5 Distribution density of RSEI directionaround the water area

3.2.3 時間上的變化特征

取各年度北、東、南、西4個方向數(shù)據(jù)的均值，其數(shù)據(jù)分布特征和變化見表2和圖6。數(shù)據(jù)的中值和平均值優(yōu)劣順序一致，均為2018年>2015年>2005年>2010年>2000年，整體上隨著時間推移逐漸提高。2010年前后是煤炭產(chǎn)能快速提升的階段，加劇了生態(tài)環(huán)境損害，2000年后礦區(qū)大力推進(jìn)土地復(fù)墾工作，也使2005年遙感生態(tài)指數(shù)高于2010年。從數(shù)據(jù)分布看，2005年與2015年、2018年多位于高值區(qū)，2000年相對最差。遙感生態(tài)環(huán)境質(zhì)量取決于煤炭開采強(qiáng)度和土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)力度之間的動態(tài)平衡。

表2 RSEI數(shù)據(jù)均值年度特征Table 2 Characteristics of mean value of RSEI

圖6 RSEI數(shù)據(jù)均值的年度分布密度Fig.6 Distribution density of the mean value of RSEI

3.3 塌陷積水形成后對生態(tài)環(huán)境的影響

3.3.1 距離對塌陷積水影響的差異分析

以2000年數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，其他年度數(shù)據(jù)與之做差，距離散點(diǎn)圖見圖7。 由圖7可以看出，塌陷積水對RSEI指數(shù)總體上產(chǎn)生正面影響，且隨距離由近及遠(yuǎn)影響增強(qiáng)；4個方向上的影響距離和特點(diǎn)不同，具有明顯的差異性，即南北向影響隨距離變化大、東西向影響隨距離變化小。 由于南向距離較短，與北向在1 500 m范圍內(nèi)同樣為增加的趨勢，因此選用北向影響距離作為南北向變化趨勢，二次擬合結(jié)果顯示，其影響距離3 568 m，在1 784 m即一半距離處的影響達(dá)到最大。東西向影響比較平穩(wěn)，二次擬合的影響距離為3 480 m，在1 740 m距離處影響最大，西向影響距離7 844 m，在3 922 m處影響最大。取四個方向的平均值，塌陷積水對周邊遙感生態(tài)指數(shù)影響范圍為3 720 m，在1 860 m處產(chǎn)生的影響最大。

由于西向1 500～1 700 m處于2005年之后沿路建設(shè)了村莊，因此扣除2000年RSEI中沒有包含該變化，造成了數(shù)據(jù)在此處大幅度下降，其均值擬合曲線呈凹型，與其他方向上的趨勢相反。東向在500～1 400 m范圍經(jīng)過煤礦廠區(qū)，也造成之后的生態(tài)指數(shù)較2000年下降，整體趨勢受到一定影響，造成影響范圍擬合結(jié)果偏大。而南向由于距離短數(shù)據(jù)少，上升趨勢受一定影響，但從數(shù)據(jù)分布看，其數(shù)據(jù)應(yīng)與北向相似。由此推斷塌陷積水的影響范圍在南北向上約為3 568 m，在東西向上不超過7 844 m。

圖7 遙感生態(tài)指數(shù)均值分布與二次擬合Fig.7 RSEI mean distribution and quadratic fitting

3.3.2 方向上差異檢驗(yàn)

由于各方向數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，采用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)，比較各年度4個方向數(shù)據(jù)的差異性，結(jié)果見表3。 由表3可知，塌陷積水對各方向生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響不一致，尤其是北向和西向與其他方向均存在極顯著或顯著差異，對南向和東向的影響不存在統(tǒng)計(jì)上的顯著差異。這種影響的方向差異性隨時間延續(xù)，尤其是北向自塌陷積水以來一直與其他方向保持極顯著的差異。

3.3.3 時間上的差異檢驗(yàn)

采用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)，比較年度之間同一方向數(shù)據(jù)的差異性，結(jié)果見表4。由表4可知，塌陷積水在同一方向不同年度之間對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響也不一致，其中2015年與其他年份之間差異小，2010年與其他年度之間具有極顯著差異。

表3 四方向差異顯著性比較Table 3 Differences comparison of four directions

表4 年度間差異顯著性比較Table 4 Differences comparison between years

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文采用遙感和GIS技術(shù)，獲取礦區(qū)塌陷地自采煤以來近20年的RSEI作為評估生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的指標(biāo)，對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行了總體時空變化分析，對提取的4個方向上RSEI數(shù)據(jù)進(jìn)行了其距離、方向、時間上變化分析，經(jīng)扣除基期干擾后分析了塌陷積水對周邊生態(tài)環(huán)境的影響特征。得出主要結(jié)論如下所述。

1) 皖北煤電任樓礦域近20年來，生態(tài)環(huán)境逐漸改善，土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)工作成效顯著，生態(tài)環(huán)境的變化決定于煤炭開采活動強(qiáng)度和土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)力度的平衡。

2) 采煤塌陷積水總體上對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生正面影響，影響強(qiáng)度隨距離增加呈“凸型”拋物線變化，平均影響范圍約3.7 km，南北向和東西向影響范圍不同，南北向影響范圍約3.5 km，東西向影響范圍不超過7.8 km。

3) 采煤塌陷積水對周邊生態(tài)環(huán)境的影響具有顯著的方向性差異和年度變化特征。

4.2 討論

水是生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的重要環(huán)境要素，水分充足的地方往往容易形成良好的生態(tài)環(huán)境。我國東部高潛水位礦區(qū)，井下采煤形成大面積地表塌陷積水區(qū)，在損毀耕地的同時也為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供了潛在的水資源條件。但是地表塌陷形成的積水湖與天然湖泊或人工湖有顯著不同，積水區(qū)周邊拉坡地土壤漬水嚴(yán)重，造成農(nóng)作物減產(chǎn)或無法耕種。從影響強(qiáng)度隨距離的“凸型”曲線也可以看出，在靠近塌陷積水區(qū)生態(tài)環(huán)境受到的正面影響較小，甚至出現(xiàn)下降的情況，最主要的原因可能是拉坡地土壤漬水。因此，塌陷積水區(qū)形成后，必須通過土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)工程措施，抬高積水區(qū)周邊一定范圍的地面標(biāo)高，才能更好地改善周邊生態(tài)環(huán)境，發(fā)揮地表水資源的巨大作用。

積水區(qū)東西兩邊由于村莊和煤礦工業(yè)區(qū)的存在和建設(shè)，造成水域?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境影響趨于平緩。這種變化可能是建設(shè)區(qū)位于塌陷盆地短軸，拉坡地不明顯，同時建設(shè)區(qū)保持了地勢較高、地形平整的原因。積水區(qū)西向?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的影響大于東向，應(yīng)與該地夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)和東南風(fēng)有很大關(guān)系，這種影響在南北向也有體現(xiàn)。這與林浩等[16]、王詠薇等[17]研究結(jié)果一致。因此可以推斷，塌陷積水對周邊生態(tài)環(huán)境的影響主要是通過改變地形提高土壤水分含量和主導(dǎo)風(fēng)向輸送水汽產(chǎn)生影響；地形改變產(chǎn)生的影響變化大，風(fēng)向的影響變化平穩(wěn)，塌陷積水區(qū)下風(fēng)向更有利于生態(tài)環(huán)境改善。