湖下煤炭開采對濕地生態(tài)系統(tǒng)影響的遙感調(diào)查
——以南四湖為例*

吳 敏，陳贊旭，張紹良

(1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007；2.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

煤炭開采對陸地生態(tài)系統(tǒng)、陸地自然保護區(qū)的影響很直觀，如沉陷積水、地表裂縫、滑坡、植被群落消失、地表景觀破碎等[1-2]。然而，當在湖下采煤時，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)及其機理很復雜，目前研究還不充分[3]。

南四湖是我國第六大淡水湖，山東省內(nèi)最大淡水湖泊，是南水北調(diào)工程的重要節(jié)點，成為我國科學研究的重點與熱點區(qū)域。南四湖賦存豐富的煤炭資源，湖下采煤歷史長達30余年，是湖下開采對濕地生態(tài)系統(tǒng)影響研究的理想案例。現(xiàn)有南四湖的學術(shù)文獻多達1 100余篇，主要集中在水文特征[4-5]、土地利用格局[6-7]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[8-9]、生物多樣性[10-11]等方面，而對煤炭開采的生態(tài)效應(yīng)的關(guān)注度很低。已有研究表明，近些年南四湖的水質(zhì)逐步改善，但浮游藻類數(shù)量、水文動力、氣候因子等影響湖泊水質(zhì)水平[5,12]；農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)藥污染和工業(yè)污染物排放，圍湖養(yǎng)殖、造紙、人工水產(chǎn)養(yǎng)殖等不合理的資源開發(fā)造成水質(zhì)惡化[13]；鳥類種群增加，越來越多的候鳥及旅鳥在此棲息、覓食及居留，表明該水域棲息條件有所改善[11]。這些結(jié)論似乎間接證明了南四湖的湖下采煤對生態(tài)系統(tǒng)影響較小，甚至有促進作用。但是，由于缺少煤炭湖下開采對其生態(tài)系統(tǒng)影響的長期監(jiān)測，湖下采煤對其濕地生態(tài)系統(tǒng)影響的科學技術(shù)鑒定存在一定的難度。

為此，本文以南四湖自然保護區(qū)為例，利用過去30 a長時間序列遙感影像，通過解譯和動態(tài)比較湖內(nèi)開采區(qū)域的景觀格局、水域面積、水體深度、葉綠素、植被覆蓋等的時空變化特征，分析和評價湖下采煤對南四湖生態(tài)環(huán)境的影響特征、影響程度和影響強度，以此揭示湖下采煤對濕地生態(tài)系統(tǒng)的作用規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

南四湖位于山東省濟寧市微山縣境內(nèi)(34°27′～35°20′N，116°34′～117°24′E)，如圖1所示，是華北地區(qū)最大的淡水湖泊，是南水北調(diào)工程中重要的地表水調(diào)蓄區(qū)。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷呐瘻貛?、半濕潤季風氣候，年均氣溫13.7 ℃，年均降水量約750 mm。南四湖為內(nèi)陸湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)，具有豐厚的自然資源與生物多樣性資源。研究區(qū)是眾多珍稀瀕危物種的棲息地，也是候鳥遷徙的重要停歇地。由于受人類活動和氣候變化的影響，其生態(tài)環(huán)境遭受破壞，2003年山東省政府批準建立省級南四湖自然保護區(qū)，面積1 275 km2，占微山縣面積的71.7%。

以研究區(qū)內(nèi)的棗礦集團6處礦井和微礦集團1處礦井作為研究對象，分別是高莊煤業(yè)公司、付村煤業(yè)公司、新安煤業(yè)公司、濱湖煤礦、三河口礦業(yè)、湖西煤礦和崔莊煤礦。棗莊集團建于1982年，湖下采煤始于1992年，此前以湖邊的陸地煤層作為主采區(qū)。進入21世紀，湖下的煤炭開采活動逐漸變得活躍，湖下煤產(chǎn)量最高達到700萬t/a，湖區(qū)開采面積達163.16 km2，壓覆煤炭可采儲量2.16億t。

圖1 南四湖省級自然保護區(qū)位置圖

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)準備與預(yù)處理

考慮到遙感影像的質(zhì)量和易獲取性，同時為了全面解譯研究區(qū)景觀變化，選擇6～9月植被生長最旺盛的季節(jié)并確保云量低于10%，選取1985年6月25日、1992年5月27日、2005年6月16日和2011年6月1日的Landsat5 TM影像以及2017年7月24日Sentinel-2影像，數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn)。利用ENVI軟件進行同期影像幾何校正、鑲嵌裁剪等預(yù)處理，投影參考坐標統(tǒng)一為WGS_1984_UTM_Zone_50N。

2.2 土地利用分類方法

土地利用結(jié)構(gòu)是揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的最直觀指標，表明人類活動的強度和土地開發(fā)利用程度[6,8]。根據(jù)相關(guān)文獻[6-8]并結(jié)合實地調(diào)查，將南四湖自然保護區(qū)分為灌溉水田、林地、湖泊、河流、臺田魚塘、沼澤濕地及建筑用地等7種類型。土地利用分類通過遙感影像監(jiān)督分類完成，興趣區(qū)類別判讀特征如表1所示。

表1 遙感分類目視解譯判讀樣本特征

2.3 生態(tài)參量反演方法

遙感技術(shù)可為湖泊的水環(huán)境監(jiān)測與植被監(jiān)測提供重要手段[14]，選取水體、水深、葉綠素a濃度、植被覆蓋度等生態(tài)參量的反演。濕地水文過程主導著濕地生態(tài)系統(tǒng)的基本生態(tài)格局和生態(tài)過程[4,15]，是濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的決定性因素。其中，水體代表著濕地規(guī)模，而濕地規(guī)模是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，水體變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的維持起到關(guān)鍵作用[8]；水深影響著沉水植物群落、水生動物的生長環(huán)境[10]，間接地改變濕地生態(tài)系統(tǒng)[16]；葉綠素是湖泊水體的重要水質(zhì)參數(shù)，其含量變化反映初級生產(chǎn)力的分布，更能有效反映水質(zhì)的富營養(yǎng)化程度[17]。濕地植被是生態(tài)系統(tǒng)能量來源，其變化對生態(tài)系統(tǒng)功能的維持影響顯著[18]。

歸一化差異水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index，NDWI)可以最大程度地抑制植被信息，突出水體信息，有效地將水體與植被及山體陰影等信息區(qū)分開[19]。公式見式(1)：

NDWI=(RGreen-RNIR)/(RGreen+RNIR)

(1)

在開采沉陷區(qū)、非開采沉陷區(qū)、魚類養(yǎng)殖場、航道、港口、湖邊等共設(shè)置監(jiān)測點120個，利用GPS進行定位。在船上布設(shè)垂線(最小刻度1 cm)測量監(jiān)測點的水體深度，每個采樣點測量3次，取平均值作為水深數(shù)據(jù)。有效數(shù)據(jù)98個，隨機抽取58個作為訓練集，40個用作模型驗證。利用實地水深測量數(shù)據(jù)與對應(yīng)遙感影像光譜值，建立多波段組合線性回歸模型[19-20]，判定系數(shù)R2為0.907，擬合效果較好，精度較高，可用于模擬預(yù)測各個區(qū)域的水深。公式見式(2)：

Depth=[32.804+3.625×ALOG(RBlue)-10.074×ALOG(RRed)+16.638×ALOG(RNIR)]

(2)

在上述監(jiān)測點采集水體表面以下5～10 cm處表層水，放置于盛冰塊的保溫箱，參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)標準測定葉綠素a(Chlorophyll-a, Chl-a)。有效數(shù)據(jù)102個，隨機抽取60個作為訓練集，42個用作模型驗證。利用實地葉綠素a濃度測定數(shù)據(jù)與對應(yīng)遙感影像光譜值，建立多波段組合線性回歸模型[21-22]，判定系數(shù)R2為0.903，擬合效果較好，精度較高。公式見式(3)：

Chl-a=6.277+59.704×(RNIR/RBlue)

(3)

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)是基于植被葉綠素在0.69 μm處的強吸收，通過紅光和近紅外波段的組合實現(xiàn)對植被信息狀態(tài)的表達，能夠較為準確地反映植被的覆蓋程度、生長狀況、生物量以及光合作用強度[18]，因此，常被直接或間接地用于研究植被活動。公式見式(4):

NDVI=(RNIR-RRed)/(RNIR+RRed)

(4)

以上公式中，RBlue為藍光反射值；RGreen為綠光反射值；RNIR為近紅外光譜反射值；RRed為紅光反射值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型變化

將湖泊、河流、沼澤歸并為自然濕地，灌溉水田和臺田魚塘歸并為人工濕地，建筑用地和林地及其他用地歸并為非濕地用地。1985～2017年研究區(qū)的土地利用類型變化如圖2所示，湖泊減少了164.88 km2，河流增加了1.07 km2，沼澤減少了335.46 km2，灌溉水田增加了77.63 km2，臺田魚塘增加了531.16 km2，建筑用地建少了27.94 km2，林地及其他減少了81.59 km2。總體來說，南四湖自然保護區(qū)主要以天然濕地和人工濕地為主，非濕地面積占比很小。最顯著的土地利用變化是天然濕地轉(zhuǎn)化為人工濕地，天然濕地被大規(guī)模開發(fā)，面積大幅銳減，占比由1985年的80%減至2017年的41%；相應(yīng)的，人工濕地面積在1985年僅占總面積的7%左右，而在2017年擴張至54%，成為區(qū)域內(nèi)最主要的景觀類型。

圖2 1985～2017年南四湖自然保護區(qū)土地利用類型

分析7處生產(chǎn)礦井與南四湖保護區(qū)重疊區(qū)的景觀格局變化，與南四湖的整體變化趨勢相近，天然濕地減少，人工濕地增加，如圖3、圖4所示。天然濕地的縮減主要是沼澤地的減少，其次為湖泊和河流。而人工濕地的擴張主要是臺田魚塘的急劇增加，當?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為以水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)為主，臺田魚塘逐漸成為景觀優(yōu)勢類型。同時，灌溉水田在總體上有一定的增長。特別是在1992年期間，湖泊、沼澤、臺田魚塘、建筑用地和林地變化最大。2017年與1985年相比，自然濕地減少了4.13%，人工濕地增加了22.58%，非濕地面積減少了18.45%。

圖3 1985～2017年濱湖、新安和湖西礦區(qū)與保護區(qū)的重疊區(qū)景觀類型變化

圖4 1985～2017年高莊、付村、三河口和崔莊礦區(qū)與保護區(qū)的重疊區(qū)景觀類型變化

3.2 水域面積變化

煤炭開采導致地表沉陷，部分區(qū)域發(fā)生積水，形成新增水體[2,23]；南水北調(diào)過程中水資源的調(diào)入調(diào)出影響水體[14]；年際降雨的不均也使得水體不斷變化[4]。對于非沉陷區(qū)樣地，隨著水位波動，水域面積及其所占比例會逐年變化。對于沉陷區(qū)樣地，除正常水位變化引起的水域變化外，開采沉陷也會改變水域面積。為此，通過比較沉陷區(qū)和非沉陷區(qū)的水體時序變化，以分析采煤沉陷對水體的影響。

依照遙感影像、井上下對照圖、沉陷預(yù)計等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，判定南四湖內(nèi)的沉陷區(qū)和非沉陷區(qū)。在沉陷、非沉陷區(qū)分別選取一定面積的樣地，盡量確保兩類型樣地在水文、地形、土地利用、環(huán)境管理條件等相似。依次統(tǒng)計1985～2017年沉陷區(qū)樣地和非沉陷區(qū)樣地內(nèi)水域面積及其占樣地總面積的比例。將兩類型水域變化面積的差值作為采煤沉陷對水體的影響面積。如表2所示，各煤礦1985～2017年的湖區(qū)井田內(nèi)水域面積分別增加了3.16 km2、2.27 km2、2.76 km2、2.51 km2、0.00 km2、2.95 km2、2.58 km2，而因采煤沉陷導致水域增加的比例分別為76.67%、87.16%、75.58%、28.51%、0.00%、53.29%、48.71%，由此獲得因采煤沉陷增加的水域面積,分別為:2.42 km2、1.98 km2、2.09 km2、0.72 km2、0.00 km2、1.57 km2、1.26 km2，總計10.04 km2。

表2 7處生產(chǎn)礦井采煤沉陷對南四湖內(nèi)水域面積的影響

3.3 水體深度變化

采煤工作面的掘進過程改變地下巖層應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖層破斷下沉，傳遞至地表造成地表沉陷。湖下采煤活動造成沉陷，改變水下地形，進而對區(qū)域的水深造成影響。通過研究沉陷對水域的影響，可以確定因采煤導致的積水區(qū)域。考慮到在正常情況下水深隨湖區(qū)水位波動發(fā)生變化，對比分析沉陷區(qū)、非沉陷區(qū)的水位變化，并利用二者平均加深量的差值以獲取采煤沉陷導致的水深增量。

由圖5、圖6可知，從1985年到2017年，開采區(qū)域的平均水深從1.93 m上升到3.25 m。1985～1992年水深均在4 m以下，2005年出現(xiàn)大于4 m的水域，2011年和2017年大于4 m的水域面積分別達到10.69 km2和36.93 km2。其中，大于6 m的水域分別達到3.11 km2和17.90 km2，同時，小于2 m的水體面積明顯增加。2017年各深度的水域占比分布更加均勻。這表明湖下采煤對水體深度起到了直接作用。水深的增加有利于航運和南水北調(diào)，也為生物多樣性提供了物理基礎(chǔ)。

圖5 1985～2017年濱湖、新安和湖西礦區(qū)與保護區(qū)的重疊區(qū)水深時序變化

圖6 1985～2017年高莊、付村、三河口和崔莊礦區(qū)與保護區(qū)的重疊區(qū)水深時序變化

3.4 水質(zhì)變化

葉綠素a是南四湖調(diào)蓄湖富營養(yǎng)化水平的限制性因子[15]，也是水體中具有光學活性的重要物質(zhì)[14]。利用遙感手段選取葉綠素含量反映水質(zhì)變化，從而實現(xiàn)研究區(qū)全空間、長時間序列的覆蓋，反演結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 1985～2017年濱湖、新安和湖西礦區(qū)與保護區(qū)的重疊區(qū)葉綠素時序變化

圖8 1985～2017年高莊、付村、三河口和崔莊礦區(qū)與保護區(qū)的重疊區(qū)葉綠素時序變化

在時間分布上，葉綠素含量未呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，葉綠素平均濃度為19.38～45.85 mg/m3。1985～2005年呈上升趨勢，在2005年達最大值，2005～2017年呈下降再上升的趨勢。在空間分布上，葉綠素含量高的區(qū)域面積持續(xù)擴大，主要為水深植被密集區(qū)，這與沉水植物的大量分布有關(guān)，如荷花、蘆葦、睡蓮等，也與水體富營養(yǎng)化有關(guān)。為此，水質(zhì)變化可能受季節(jié)變化及其他地表活動的影響，與礦區(qū)的位置分布未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。

3.5 植被覆蓋度變化

植被是表征生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的基礎(chǔ)，選取NDVI作為評價指標，將植被覆蓋度劃分為五個等級：低植被覆蓋度(0～15%)、中低覆蓋度(15%～30%)、中等覆蓋度(30%～60%)、中高覆蓋度(60%～80%)、高覆蓋度(80%～100%)。

由圖9、圖10可知，1985～2017年植被覆蓋度的平均密度從0.24降低到0.18。其中，無植被覆蓋區(qū)域面積經(jīng)過波動后，出現(xiàn)小幅下降，主要來源于水域面積的增大，部分陸地轉(zhuǎn)變?yōu)樗?。同時，中等、中高、高覆蓋度區(qū)域也出現(xiàn)不同程度的減少，分別下降了8.61%、2.53%、1.74%，而低等、中低等植被覆蓋度區(qū)域出現(xiàn)上升，分別增加了9.45%、5.54%。結(jié)合實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)在1985～2017年經(jīng)歷過多次農(nóng)田整治，原有的植被結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生了較大變化，同時，年度間季節(jié)變化的差異也是造成植被覆蓋度變化的原因?？傮w來看，1985～2017年，開采區(qū)域的水體面積不斷增大，深水體加大，湖區(qū)周邊陸地逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樗颉?/p>

圖9 1985～2017年濱湖、新安和湖西礦區(qū)與保護區(qū)的重疊區(qū)植被覆蓋度變化

圖10 1985～2017年高莊、付村、三河口和崔莊礦區(qū)與保護區(qū)的重疊區(qū)植被覆蓋度變化

4 討 論

濕地生態(tài)系統(tǒng)的變化，既是氣候等自然因素作用的結(jié)果，也是人類活動作用的結(jié)果[24]。遙感監(jiān)測表明，在1985～2017年間，南四湖濕地水域面積增大，平均水深增加，平均植被覆蓋度降低，低等、中低等植被覆蓋度的面積出現(xiàn)上升；河流、沼澤、建筑用地和林地面積減少，灌溉水田和臺田魚塘面積增大。在景觀格局方面，南四湖自然濕地萎縮，人工濕地擴張[6,7,25]?？梢?，南四湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化主要是人類活動的結(jié)果，包括圍墾養(yǎng)殖、南水北調(diào)工程、煤炭開采等[3,4,24]。

煤炭開采對南四湖生態(tài)系統(tǒng)有影響，但以正向影響為主。南四湖自然保護區(qū)主要是沼澤濕地或者淺水湖泊，在開采沉陷后，增加了中等水深的面積，演變?yōu)榫哂幸欢ㄆ露茸兓臐撍疂竦鼗蛴谰眯院碵23]。在原陸地區(qū)域，沉陷新增了濕地面積，使得多年退化和開發(fā)的湖區(qū)重新退還為濕地或者水域，累計新增水域和濕地31.46 km2。在沉陷區(qū)的淺水地帶，沉陷會導致水深加深，原有水生植物、底棲動物演替轉(zhuǎn)移，占濕地面積的21%。水深影響沉水植物群落物種多樣性，根據(jù)生態(tài)位空間理論及中度干擾假說可知，中等水深的物種多樣性最高[10]。此外，湖泊水位下降，可能因營養(yǎng)豐富的湖泊底泥促進植被瘋長[18]，也可能因生長環(huán)境的改變使植被發(fā)生退化，對湖區(qū)大型動物的棲息和繁殖也造成了不利影響[6]。為此，新增濕地為沼澤環(huán)境活動的動植物創(chuàng)造了大量的生境資源。在深水地帶，如航道區(qū)域、永久性湖泊水域，沉陷擴大了庫容，對生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)維持有積極作用[8,26]。水域葉綠素含量高的空間分布也覆蓋著采煤沉陷區(qū)，表明該區(qū)域水質(zhì)也有變差趨勢，不過這是否由采煤活動引起的，還有待進一步研究。

南四湖遙感監(jiān)測表明，南四湖保護區(qū)內(nèi)顯著的土地利用變化為沼澤地轉(zhuǎn)化為臺田魚塘，由此也推動了該區(qū)域由天然濕地景觀向人工和天然混合型濕地景觀的轉(zhuǎn)變。陸地區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋度呈現(xiàn)增加趨勢，沼澤區(qū)域蘆葦、荷花、蓮藕等水生經(jīng)濟植物面積增加[24]，也提高了植被覆蓋度，這和煤炭開采關(guān)聯(lián)度不大。葉綠素監(jiān)測結(jié)果表明，南四湖水體葉綠素含量自1985～2005年不斷提高，此后波動變化，但是高含量區(qū)域面積持續(xù)擴大，表明湖區(qū)開發(fā)強度在加強[14]。

利用長時間遙感影像序列監(jiān)測湖下采煤對濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響是有效的，可大大提高效率，降低成本，動態(tài)對比分析，形成真實客觀的數(shù)據(jù)鏈，為采煤活動對濕地生態(tài)系統(tǒng)影響提供可靠的信息。但是遙感監(jiān)測水質(zhì)、水深的模型還有待改進，結(jié)合實地調(diào)查數(shù)據(jù)，修正模型，可提高其精度。

5 結(jié) 論

由于全球氣候變化和人類活動的不斷加劇，濕地生態(tài)系統(tǒng)的變化是多種因素綜合作用的結(jié)果。其中，湖下采煤會引起湖底沉陷，影響著水域面積、水體深度，為水生動植物提供了新的生境，改變了南四湖濕地生態(tài)系統(tǒng)。通過1985～2017年長時間遙感影像序列反演土地利用類型、水體、植被等，結(jié)果表明，南四湖生態(tài)系統(tǒng)要素持續(xù)演替，自然濕地面積減少，人工濕地面積增加，具體為河流、沼澤、建筑用地和林地面積減少，灌溉水田和臺田魚塘面積增大。采煤區(qū)域水體面積增大，平均水深增加，平均植被覆蓋度降低，葉綠素含量高的區(qū)域增加。