畢衛(wèi)華，錢倬珺，王 輝，姜念念，黃文亭，花逢春

(1.皖北煤電集團有限責任公司通防地測部，安徽 宿州 234000；2.中國礦業(yè)大學公共管理學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，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、恢復治理等也是研究的熱點問題[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)濟社會效益[4-6]，是東部礦區(qū)生態(tài)恢復的有利條件。皖北地區(qū)很多濕地資源沒有得到相應的保護，大多數(shù)煤礦企業(yè)對于濕地資源開發(fā)和保護重視程度不夠[7]，因此研究塌陷水域的生態(tài)環(huán)境效應是對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題研究的進一步深化。

衛(wèi)星遙感具有長時序、多信息的優(yōu)點，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)計檢驗相結(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)境恢復治理及濕地資源保護利用提供指導。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)以皖北煤電集團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)地處溫帶季風氣候區(qū)，夏季晴熱濕潤，冬季寒冷干燥，常年主導風向為ENE，次主導風向為E，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)實際情況采用地表溫度反演算法[11-14]。

遙感影像應用ENVI 5.3 Band Math工具去除背景值干擾，經(jīng)標準化處理和Layer Stacking工具波段合成，通過主成分分析法和指標耦合方法，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)計檢驗

以塌陷積水區(qū)最大范圍邊界為起點，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)標準化后的年度變化見圖2。總體上，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??；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，多項式擬合的二次項系數(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。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)域進一步擴大，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)進一步擴大，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)遠近變化特征

以塌陷積水區(qū)最大范圍邊界為起點，取遠離水域方向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準，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)劣順序為南>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)南北方向為農(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)大力推進土地復墾工作，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度和土地復墾與生態(tài)恢復力度之間的動態(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，其他年度數(shù)據(jù)與之做差，距離散點圖見圖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，且隨距離由近及遠影響增強；4個方向上的影響距離和特點不同，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

由于各方向數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，采用Wilcoxon秩和檢驗，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

采用Wilcoxon秩和檢驗，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，對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境變化進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，土地復墾與生態(tài)恢復工作成效顯著，生態(tài)環(huán)境的變化決定于煤炭開采活動強度和土地復墾與生態(tài)恢復力度的平衡。

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重，造成農(nóng)作物減產(chǎn)或無法耕種。從影響強度隨距離的“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，必須通過土地復墾與生態(tài)恢復工程措施，抬高積水區(qū)周邊一定范圍的地面標高，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，應與該地夏季主導風向為東風和東南風有很大關(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風向輸送水汽產(chǎn)生影響；地形改變產(chǎn)生的影響變化大，風向的影響變化平穩(wěn)，塌陷積水區(qū)下風向更有利于生態(tài)環(huán)境改善。