崔 琛

（1. 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊，河南 鄭州 450016）

當前，許多國內(nèi)外學者利用遙感影像數(shù)據(jù)，對水體信息的提取開展了相關(guān)監(jiān)測和研究，取得了大量的研究成果并提出了多種方法，例如單波段閾值法、比值法、水體指數(shù)法、譜間關(guān)系法、K-T變換法、決策樹法、面向?qū)ο蠓ǖ确椒╗1-7]?，F(xiàn)有研究主要集中在利用遙感影像分析髙潛水位采煤沉陷區(qū)積水范圍變化的方面，而結(jié)合開采工作面的地質(zhì)條件，分析影響采煤沉陷區(qū)積水范圍的動態(tài)變化規(guī)律的研究仍然較少[9-12]。

本研究以趙固礦區(qū)為研究區(qū)域，基于Landsat8-OLI遙感影像，對礦區(qū)7個工作面地表積水范圍進行長時序的動態(tài)監(jiān)測，提取采煤沉陷區(qū)積水邊界并統(tǒng)計積水區(qū)面積，并分析采煤沉陷區(qū)積水動態(tài)變化規(guī)律，以期為高潛水位采煤沉陷區(qū)土地利用規(guī)劃、土地復(fù)墾、礦糧復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供參考與借鑒。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)域

趙固二礦礦區(qū)位于河南省新鄉(xiāng)市輝縣市，地處太行山山前平原地區(qū)，地勢總體平坦呈北高南低緩慢傾斜，主要由坡積、洪積和沖積洪積扇裙組成，地面海拔標高在72～85 m 之間。氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L氣候，雨熱同期，年平均氣溫14.0℃，年平均降水量為589.1mm，降水主要集中在夏季，春冬季較少。礦井設(shè)計可采儲量為146.53 Mt，服務(wù)年限為60.3 a，煤層埋深大且結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，傾角在2～6°之間，厚度為7 m。礦區(qū)多為砂、礫石含水層，雨季時表土層潛水位埋藏深度上升。在開采沉陷發(fā)生后，降水的地面徑流與匯水條件發(fā)生改變，含水層水位與流向也會隨之變化，極易在工作面上方地表形成大范圍的積水。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究采用的趙固礦區(qū)遙感數(shù)據(jù)，是從地理空間數(shù)據(jù)云獲取的2014年4月、2017年4月及2020年5月的Landsat8 OLI 遙感影像，云含量均控制在5%以內(nèi)，產(chǎn)品類型為1T級標準地形校正型，故無需再進行地形校正和幾何校正。對3 個年份的Landsat8 OLI 遙感影像，在ENVI 5.3中進行輻射定標和大氣校正預(yù)處理后提取趙固礦區(qū)采煤沉陷區(qū)的水體范圍。

1.3 水體信息提取

目前，常用的水體指數(shù)包括歸一化差異水體指數(shù)NDWI[13]、自動水體提取指數(shù)AWEI[14]、改進后的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI[15]。其中，MNDWI 在水體信息的提取方面的研究中應(yīng)用較多。但是MNDWI 僅應(yīng)用GREEN 與NIR 兩個波段提取水體，邊界容易模糊從而將礦區(qū)其他地物錯誤分類為水體，造成提取的礦區(qū)水體面積準確度較低[16]。故本研究采用針對高潛水位采煤沉陷區(qū)水體提取的增強型改進歸一化差異水體指數(shù)E-MNDWI，從而使提取水體與其他地物的區(qū)分度增大，E-MNDWI公式為[17]：

式中，GREEN 為綠光波段；NIR 為中紅外波段；SWIR為短波紅外波段。

在提取采煤沉陷區(qū)研究時期內(nèi)積水面積的基礎(chǔ)上，計算沉陷區(qū)積水面積的增長速率，計算公式為：

式中，T為沉陷區(qū)積水面積的增長速率；Ai、Aj為年份i、j積水面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體提取分析

首先本文對2014 年5 月、2017 年4 月及2020 年5月的3 期Landsat8 OLI 遙感影像預(yù)處理后，通過E-MNDWI 指數(shù)計算得到采煤沉陷區(qū)的水體特征圖像。然后，在水體特征圖像影像選取訓(xùn)練樣本，生成選取訓(xùn)練樣本統(tǒng)計直方圖。采用直方圖雙峰法確定水體特征圖像影像的分割閾值為0.881。DN 值低于0.781 影像部分為水體，高于0.781部分影像則為水體非水體。最后對趙固礦區(qū)采煤沉陷區(qū)水體邊界范圍進行提取并統(tǒng)計積水水域范圍，結(jié)果見圖1。將提取的采煤沉陷區(qū)水體邊界與同期影像水體邊界進行對比，研究提取的水體邊界與影像水體邊界基本一致，表明E-MNDWI 提取的沉陷區(qū)水體邊界的準確性較高，滿足采煤沉陷區(qū)地表積水范圍進行長時序的動態(tài)監(jiān)測的需求地表積水范圍進行長時序的動態(tài)監(jiān)測。

圖1 研究時期趙固礦區(qū)沉陷區(qū)積水范圍變化

在ArcGIS中計算提取得到的采煤沉陷區(qū)水體邊界面積，并計算積水面積的增長速率，結(jié)果見表1。從表1中可知，2014—2017年3 a間，趙固礦區(qū)沉陷區(qū)水域面積從0.688 km2上升至2.127 km2，面積增加1.439 km2，沉陷區(qū)積水面積占礦區(qū)面積占比由2014的0.99%上升至2017年的3.05%，占比增加2.06%，增長速率為47.97%；該時期內(nèi)，趙固礦區(qū)煤炭開采量逐年增加，地下采空區(qū)范圍隨之擴大引起地表發(fā)生變形和塌陷，積水面積和增長速率在該時間段均上升幅度較高。而2017—2020年3 a間，趙固礦區(qū)沉陷區(qū)水域面積從2.127 km2上升至2.183 km2，面積增加0.056 km2，沉陷區(qū)積水面積占礦區(qū)總面積比例從2017年的3.05%上升至2020 年的3.13%，占比增加0.08%，增長速率為1.87%。該時期內(nèi)，礦區(qū)周邊居民對沉陷區(qū)排水渠進行了河道清理、沉陷河床抬高以及河堤加固的工作，保證了礦區(qū)內(nèi)的積水能夠較快的排出，對地表沉陷積水起到了一定減緩作用，因此積水面積增加較少。

表1 研究時期采煤沉陷區(qū)積水面積統(tǒng)計

2.2 趙固礦區(qū)積水變化空間分布分析

對提取采煤沉陷區(qū)水體范圍進行空間疊加，得到2014—2017 年和2017—2020 年的采煤沉陷區(qū)水體空間變化情況（圖2）。

圖2 年際間沉陷區(qū)水體空間變化

從圖2 中可以明顯看出，在2014—2017 年3 a間，趙固礦區(qū)沉陷積水范圍在2014年與2017年相比，表現(xiàn)出沿工作面開采方向左右兩側(cè)明顯擴大的趨勢。在該時期內(nèi)礦區(qū)采煤深度由50 m 加深到500 m，導(dǎo)致沉陷區(qū)范圍進一步擴大，積水面積因此也隨之增加。同時在非沉陷區(qū)域也出現(xiàn)了一定的積水區(qū)，通過實地調(diào)查得知，礦區(qū)對原有的耕地進行了退耕還湖還林工作的措施保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，因此部分非沉陷區(qū)出現(xiàn)了一部分積水。

2017—2020年3 a間，積水擴大的范圍與前3 a相比變化較小，但積水范圍仍表現(xiàn)出沿工作面開采方向左右兩側(cè)擴散的趨勢，積水分布逐漸由零星散亂向聚集狀態(tài)變化初步呈現(xiàn)出連散成片的效應(yīng)，沉陷區(qū)積水面積增加明顯較大，對礦區(qū)地質(zhì)條件、生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重要影響。

2.3 趙固礦區(qū)積水動態(tài)演化因素分析

井工開采的煤炭從地下開采到地上后，工作面周圍巖體的原始應(yīng)力平衡發(fā)生改變并產(chǎn)生新的應(yīng)力，在應(yīng)力恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)之前，工作面上覆巖層會發(fā)生持續(xù)的移動、變形等非連續(xù)性變化，隨之在開采工作面上方地表產(chǎn)生移動盆地[18]。當移動盆地下沉到一定深度與地下水產(chǎn)生聯(lián)系，在工作面上方地表會出現(xiàn)積水區(qū)域。隨著地下工作面持續(xù)采動，積水區(qū)域隨之進一步擴大。采煤沉陷區(qū)地表積水的范圍會沿著工作面采動方向發(fā)生變化，工作面推進距離與積水范圍具有一定相關(guān)性。研究時期內(nèi)趙固礦區(qū)采煤沉陷區(qū)工作面推進距離與積水面積變化關(guān)系見圖3。

圖3 趙固礦區(qū)工作面推進距離與積水面積變化關(guān)系

從圖3中可以看出，2014—2017年3 a時間內(nèi)，隨著工作面采動推進距離增加，由275 m推進至716 m，地表下沉量增大，工作面上方地表開始出現(xiàn)移動盆地并形成積水；2018—2020 年3 a 間，開采深度接近礦井設(shè)計深度，部分工作面停采，地下采動引起的巖移接近穩(wěn)定，該時期內(nèi)地表積水面積仍有小范圍增加，由2.127 km2上升至2.183 km2。由上述分析可知，隨著趙固二礦采煤沉陷區(qū)地表下沉量不斷增大，地表積水范圍也隨之擴大，工作面推動距離與采煤沉陷區(qū)積水面積呈正相關(guān)。

當采煤沉陷區(qū)形成地表積水后，淺層地下水與地表水體會產(chǎn)生水力聯(lián)系，淺層地下水會補充地表水是采煤沉陷區(qū)積水主要來源之一[19]。研究時期內(nèi)趙固礦區(qū)采煤沉陷區(qū)地下水位埋深與積水面積變化關(guān)系見圖4。

圖4 趙固礦區(qū)地下水埋深與積水面積變化關(guān)系

在圖4 中，研究時期內(nèi)趙固二礦采煤沉陷區(qū)地下水位埋深下降，積水區(qū)面積增加，由此可知采煤沉陷區(qū)地下水位埋深與積水面積增加量為負相關(guān)關(guān)系。2014—2017年，地下水位埋深由8.66 m減小到3.62 m，年平均降低量為1.68 m，隨著地下工作面開采量增大，沉陷區(qū)地表下沉量隨之增加，積水區(qū)面積明顯增加。2018—2020年，開采深度接近礦井設(shè)計深度，部分工作面停采，地下采動引起的巖層移動接近穩(wěn)定，地下水位埋深由3.62 m 減小到2.45 m，年平均降低量為0.39 m。在該時期內(nèi)，沉陷區(qū)地表進行相對穩(wěn)定期，地下水與沉陷區(qū)積水已構(gòu)成穩(wěn)定的水力聯(lián)系，淺層地下水為沉陷區(qū)積水區(qū)域提供了一定的涵養(yǎng)條件，區(qū)域內(nèi)部分河流出現(xiàn)斷流，導(dǎo)致原有河道干枯，維持了地表水的相對穩(wěn)定，該時期內(nèi)地下水位埋深與積水區(qū)范圍變化相關(guān)性較為不明顯。

3 結(jié) 論

本文通過ENVI 軟件對趙固礦區(qū)2014 年、2017 年和2020年三期Landsat8遙感影像，運用改進后的歸一化水體指數(shù)提取趙固礦區(qū)水域面積，最后結(jié)合工作面推進距離與地下水埋深分析了研究區(qū)域內(nèi)煤炭開采對沉陷水域面積變化的影響，得出以下結(jié)論：

從時間變化上看，2014—2020年，采煤沉陷區(qū)地表發(fā)生了較大面積的沉陷，積水面積增加了1.495 km2，需要開展大范圍的土地復(fù)墾工作。從空間分布上看，采煤沉陷區(qū)積水范圍表現(xiàn)出沿工作面開采方向左右兩側(cè)擴散的趨勢，積水分布逐漸由零星散亂向聚集狀態(tài)變化，并初步呈現(xiàn)出連散成片的效應(yīng)。

地下水埋深和工作面推進距離均對趙固礦區(qū)采煤沉陷區(qū)地表積水范圍變化產(chǎn)生一定程度影響。采煤工作面推進距離不斷增加在地表形成盆地，當?shù)叵滤裆钤綔\時，地下水向地表滲水相對較多，伴隨著地表滲水量增大導(dǎo)致地表形成盆地范圍不斷擴大，造成礦區(qū)采煤沉陷區(qū)出現(xiàn)大范圍積水。