皖北刘桥矿采煤塌陷区生态环境动态监测_裴文明.pdf

第43卷第2期 2015年4月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.2 Apr. 2015 COALGEOLC泊Y 2.皖北煤电集团有限责任公司，安徽宿州234000 摘要基于多时相的遥感影像数据，采用遥感技术动态监测皖北刘桥矿区近20a来土地覆盖变化、 塌陷积水区水深及分布和水环境富营养化状态。监测结果表明2012年矿区塌陷积水面积已达到 研究区总面积的23.86，最大积水水深超过4m，积水区水质已达到轻度一中度富营养化状态。 在此基础上，根据因地制宜、合理开发的原则，对塌陷水域进行划分，提出建立以生态农业为核 心，集成景观湿地、休闲娱乐和调蓄功能的采煤塌陷区生态环境综合治理模式． 关键词刘桥矿区；采煤塌陆区；遥感技术；动态监测；生态修复模式 中固分类号P641.69;Xl41 文献标识码ADOI l 0.3969/j .issn.l001-1986.2015.02.014 Dynamic monitoring of ecological environment of subsidence area of Liuqiao coal mining area in Northern Anhui PEI Wenming1, YAO Suping1, DONG Shaochun1, HU Kui2, DUAN Zhongwen2, WANG Jihua2, PENG Longchao2 I. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing Univers1纱，Nanjing210023, China; 2. Wanbei Coal and Electricity Group Company Ltd, Suzhou 234000, China Abstract In this paper, remote sensing technology has been applied in monitoring of the land cover variation, de- tection of water depth and distribution as well the eutrophication of water environments in subsided wa- ter-accumulating area in past 20 years on the basis of the multi-temporal remote sensing images. The results show that the subsided water-accumulating area has reached 22.23 of the total study area in 2012, the maximum water depth is over 4 meters, and the water is at slight to moderate eutrophication level. According to local conditions and reasonable development, we divide the subsided water area and propose an comprehensive restoration model of ecological environment, which would emphasize on the establishment of ecological agriculture, integration of landscape of wetlands, entertaining and regulation and storage functions in the coal mining.-induced subsidence area. Key words Liuqiao coal mining area; coal mining-induced subsidence area; remote sensing technology; dynamic moni- toring; ecological restoration model 长期的煤炭开采造成原有生态景观的严重破坏 和一系列的生态环境问题，在高潜水位的中国东部 平原地区，地下煤炭开采还在地表形成了大面积的 塌陷积水区，破坏了原有的地表水系和工农业生产 系统，造成水体水质的严重污染。因此，对煤矿塌 陷区特别是塌陷积水区水环境进行动态监测，可以 及时掌握区域生态环境变化，为采煤塌陷积水区生 态修复提供基础数据和技术支撑。 传统的采煤塌陷积水区水环境监测研究主要基 于地面监测站点及野外实地采样获取相关信息，实时 收稿日期2014-01-16 性不强，缺乏宏观性，不能为研究区提供全面准确的 基础数据。遥感技术具有大范围宏观、快速连续等优 点，可以在多个尺度上对矿区生态环境进行动态监 测。目前国内外学者利用遥感技术对矿区生态环境进 行监测主要包括土地复垦和生态景观修复［1-8］，而对 矿区水环境的动态监测研究较少［9］。下正富等［10-11] 利用多时相的遥感影像分析徐州东矿区的土地复垦 及其土地利用格局的变化规律。杜培军等［12］和吴春 花等［13］基于遥感影像，运用多种分类方法研究矿业 城市的景观格局变化。本文利用多源多时相卫星影 基金项目国家科技支撑计划课题（20l 2BAC 10802）；恒源煤电公司科研项目（HYMD-2012-ZHB-03007 作者简介裴文明（1988一），男，江苏南京人，博士研究生，从事环境地球化学及遥感地质学研究． E-mail 438661015 引用格式裴文明，姚素平，董少春，等皖北刘桥矿采煤塌陷区生态环境动态监测［耳煤田地质与勘探，2015,432 67-72. ChaoXing 68 煤田地质与勘探第43卷 像数据，以安徽省刘桥矿区采煤塌陷区为研究对象， 采用遥感技术动态、监测研究区土地覆盖变化、积水 区水深及分布和水环境富营养化状态，并结合周边 区位环境，根据因地制宜、合理开发的原则，对研 究区塌陷水域进行分区，提出有利于工农业可持续 协调发展的采煤塌陷区生态环境综合治理模式。 1 研究区概况 刘桥矿区位于安徽省淮北市糠摸县刘桥镇境 内，由刘桥一矿和恒源煤矿两个煤矿组成（图1）。矿区 地处淮北平原中部，地势平坦，矿区面积约33.5时 地面标高在＋28～＋33m，自西北向东南倾斜。研究 区地下水位较浅且水量丰富，主要河流王引河从西 北向东南贯穿全境。刘桥矿区自1981年建成技产以 来，历经三十多年的开采，产生的最大地质灾害是 地表采空塌陷，造成土地资源和地面建筑大量损毁， 形成大面积的采煤塌陷区，两矿总计塌陷面积已超 过2000 hm2，其中积水区面积近1000 hm2。由于 研究区水资源较为紧张，生活用水水源主要为松散 层第一、二、三含水层地下水［l句，积水区的形成导 致土地盐泽化、耕地质量下降、农作物减产、甚至 无法耕种，使研究区由陆生生态系统转变为水一陆复 合生态系统。在积水区面积不断扩大的趋势下，合 理利用这部分丰富的水资源是解决矿区生产、生活 用水需求量增长的有效途径之一。因此有必要从土 地覆盖类型变化、积水区水深监测和水质富营养化 评价3方面，采用遥感技术监测地质生态环境，以 建立有针对性的研究区生态修复模式。 116。35’ 34 图例 33切L。乡镇一矿区 区县－－镇界 城市－县界 图1研究区地理位置 116。45’ Fig. l Location of the study area 2 数据选择与图像处理 34。 33。50’ 本次研究的主要数据包括遥感数据、野外实测 水质数据以及相关的矿区资料。遥感数据选取了 1994-2012年5期不同卫星的遥感数据，包括 Landsat5/TM影像1994年10月24日、2004年9月 17日、2010年9月18日3期数据以及HJlA-CCDl 影像2012年8月29日和2012年9月5日2期数据。 野外实测水质数据为2012年8月29日研究区塌陷 积水区水质、水深数据以及实验室分析水样数据， 包括叶绿素aChl-a）、总磷（TP）、总氮（TN）、透明度 SD）以及高锺酸饵指数（CODMn）等水质指标；研究区 1 2 000地形图及刘桥矿区开发利用相关文字及图 形资料。 在使用数据对研究区生态环境动态监测前，对 全部5期遥感数据进行几何精校正，总误差RMS 控制在0.5个像元之内。并根据刘桥矿区塌陷积水 区水质、水深监测需要，对2012年8月29日遥感 数据进行辐射校正和大气校正，消除大气散射、吸 收和反射以及传感器本身引起的误差。 3 研究区生态环境动态监测 3.1 土地覆盖变化情况 研究区内地形平坦，土地利用类型简单，在地 下煤炭开采之前主要为农田和建筑用地为主。考虑 到研究区内水域面积季节变化的影响，选择基本相 同月份的Landsat5/TM影像1994年10月24日、2004 年9月17日、2010年9月18日以及HJlA-CCDl 影像2012年9月5日4期遥感数据，利用分割技术 把地物分割成单个实体，再充分利用地物的光谱、 纹理、几何形状和位置信息对影像进行分类［12］。根 据遥感影像识别和现场勘查把研究区土地覆盖划分 为建筑用地、农田和水体3类。其中水体包括河流 和塌陷积水区。刘桥矿区不同年份土地覆盖面积比 例及分类图见表l和图2。 表1研究区不同年份土地覆盖面积比例统计 Table 1 Statistics of land cover area change between 1994 and 2012 时间水体／建筑用地／农田／ 1994年10月6.99 21.67 71.34 、 2004年9月18.23 24.96 56.81 2010年9月23.37 28.98 47.65 2012年9月23.86 27.53 48.61 从表l和图2可以看出，从1994-2012年，十 多年的地下煤炭开采造成刘桥矿区土地覆盖类型发 生了巨大的变化。主要表现在塌陷积水区不断增大， 建筑用地缓慢增长和农田的大量面积减少。1994年， 水体占研究区总面积的6.99、建筑用地占21.67、 ChaoXing 第2期裴文明等皖北刘桥矿采煤塌陷区生态环境动态监测 69 w争E N w命E e矿井 农田 ．．建筑用地 ．．水体 。I2 km a 1994年10月 e矿井 农田 建筑用地 ．．水体 O I 2 km c 2010年9月 N W咨E s b 2004年9月 矿 e矿井 农田 建筑用地 ．．水体 。I2 km 一矿 噎矿井 ．．农田 建筑用地 水体 O I 2 km d2012年9月 图2研究区土地覆盖分类结果 Fig.2 Classified image of land cover in the study area 农田占71.34。由于当时恒源煤矿刚刚投产，刘桥 一矿从1981年投产历经十多年的开采，在研究区东 部形成了小面积积水区，积水区增加速率小。1994 年后，在两矿共同作用和2004年刘桥一矿扩建的基 础上，到2010年，水体增加到总面积的23.37、建 筑用地增加到28.98、农田下降到47.65，积水区 增加速率大。随着近年来，政府和工矿企业重视矿区 周围的环境治理，为充分合理利用土地资源，在积水 区开展了土地复垦等工程，增加可利用耕地。到2012 年，水体面积小幅度增长到总面积的23.86，建 筑用地减少到27.53，农田面积回升到48.61。 由图2可知，积水区主要分布在矿区的南北两部分， 南部面积大且集中，北部面积小且分散。鉴于矿区未 来的采煤规划主要在北部，预计北部的积水区将逐渐 扩大，南部的积水区将趋于稳定。积水区向外扩张淹 没了大量的农田和村庄，导致日益增长的人口数量与 煤矿开采之间的矛盾加剧，造成当地人口迁移增多。 据统计，截止2012年刘桥镇因土地塌陷搬迁的人口 近2万人，占全镇人口的25左右［15-16］。 3.2 积水区水深监测及水环境富营养化评价 传统的用于评价塌陷积水区水深监测和水质富 营养化方法容易受到人力、物力和气候、水文条件 ChaoXing 70 煤田地质与勘探第43卷 的限制，费时费力，难以获得整个水域水深及水质 富营养化分布情况，不能满足对水环境实时、大尺 度的监测要求［17］。本次研究利用2012年8月29日 HJlA-CCDl遥感数据和同步的2012年8月29日野 外采集水样数据相结合，分别建立水深遥感及水质 各项指标（叶绿素a、总磷、总氮、透明度、高锺酸 饵指数）的反演模型。其中实测水样数据45组，30 组用于模型建立，15组用于模型检验。 建立水深反演模型需要选择最好的反演因子，本 文选用经过大气校正后的HJlA-CCDl遥感数据，对 各波段的反射率值及两波段反射率比值等因子与水 深值进行相关性分析。结果表明，环境一号卫星四波 段组合因子与水深值相关性最好，经回归分析建立了 水深遥感反演模型（表2）并反演水深示意图（图3）。 表2相应指标的遥感估测模型与误差描述 Table 2 The retri models and errors of corresponding inds 模型 R2 平均相对误差／水质指标 叶绿素a 总磷 总氮 透明度 LnChl a3.986- 0.232B,l.289B2 2.646B30.994B TP0.2020.07IB「0.02B「O.I 23B30.399B 0.81 0.76 13.2 15.1 高健酸仰指数 水深 LnTN7 .386一1.383B10.675B2-2.3IB3 l .528B4 LnSD3.574-0.51B10.445B2-l .595B3-3.3 l 8B4 CODM025.878- 3.428B,0.075Br5.409B35.8 l 9B. 0.87 0.8 0.72 9.6 13.4 17.1 WD5.0288.108B1 5.137Brl9.699B3 ll.942B4 0.74 16.7 0 500 I 000 m A L.______L______ A 、. 0 500 I 000 m L-一----1.,..__」 f1亘源矿c rn I I二喧嚣，／；且 -23m 2 rn 图3研究区塌陷水域深度分布图 Fig.3 Water depth map of the subsided water area 研究区塌陷水体水环境富营养化评价采用综合 营养指数法［18］，该方法针对叶绿素a、透明度、总磷、 总氮和高锺酸饵指数5项水质监测指标，通过实测水 质数据和环境一号卫星4个波段反射率之间关系拟 合分析所建立的反演模型（表2），计算相应指标的营 养指数值，综合评价塌陷积水区水环境富营养化程度 （图4）。 从表2可以看出，根据环境一号卫星4波段组合 因子与6项水质指标建立的模型相关性都较高，相关 系数R2都在0.7以上，根据模型反演得到的预测值 与实测值之间的误差都在20以内，这说明建立的模 图4研究区塌陷水域富营养化等级图 Fig.4 Eutrophication map of the subsided water area 型精度较高，可以满足于研究区的水质监测需要。图3 中，研究水域水深分布不均，这与地下采煤活动有关。 在地下采煤活动时间长、采煤量大的位置，水深较深， 部分已超过4m，并向周围逐渐变浅。积水区主要分 A、B、C三个区域，其中A区位于研究区西侧，面 积较大，与河南省新庄煤矿开采形成的塌陷积水区相 连形成一片，水深局部超过4m;B区有两块较深的 水域组成，与王引河支流曹沟、丁沟相邻，积水区域 河流间有堤坝隔开，水域面积大；C区位于矿区的北 部，为零散的小面积积水区，7.较浅。从图4中可以 看出，积水区水质综合评价结果表明水体已达到富营 ChaoXing 第2期裴文明等皖北刘桥矿采煤塌陆区生态环境动态监测 71 养化水平，主要以轻度富营养化为主，水体富营养状 态与水深有着明显相关性，水深较深的区域为轻度富 营养化，靠陆地边缘、水深较浅的水域多为中度富营 养化。 4 采煤塌陆区生态环境修复模式 4.1 塌陷水域功能区划分 根据遥感技术反演的研究区近20a来土地变化 和水域分布特征，结合煤矿区开发规划和塌陷积水区 变化趋势，将研究区塌陷水域划分如下 a.季节性和、水及非稳定塌陷积水区季节性积 水及非稳定塌陷积水区主要位于研究区的北部，是地 表塌陷较浅（包括没有积水及水深在2m以下）的区域， 面积较小且较为封闭。该区包括正在进行地下煤炭开 采、水域面积和水体深度变化较大的塌陷积水区域。 b.城镇周围稳定和、水区城镇周围稳定积水区 主要包括恒源矿和刘桥一矿矿区周围及城镇、县道附 近积水区。此处塌陷积水区多为封闭的水体，生态系 统不稳定，加上周围居民生活污水及工矿废水的排 人，塌陷水体对人类活动干扰的反应程度强烈，且受 到人为干扰后的抵抗力和恢复力均较弱。 c.河流附近稳定积水区河流附近稳定积水区 位于研究区的东南部，深度及面积较大、蓄水库容大 的积水区域，靠近王引河的支流曹沟、丁沟，周围大 多为农田，水域水质主要受农业污水排放的影响。 4.2 塌陷区生态修复模式 采煤塌陷区的生态修复不但要立足于塌陷区的 修复，还要合理有效地开发利用，不单是把塌陷区’恢 复成原来的生态环境，而且要根据当地环境特点以及 上文塌陷水域的划分提出适合当地可持续发展的生 态修复模式［19］。根据研究区水域功能分布，结合矿 区区位特征，参考国内外煤矿区生态修复模式，提出 以下3种生态修复模式（图5）。 a.土地复垦农林种植模式 对于积水面积较小，积水不深的季节性塌陷积水 区，适当采用疏排法［20］建立相应的排水系统，降低 潜水位和疏排积水，使土地重新利用。同时采用挖深 垫浅法［II］，对正在进行地下煤炭开采的非稳定塌陆区 域，将挖深，挖出的泥土充填到复垦区域，治理成耕 地和鱼塘。对坡地进行治理，使其恢复生产力。平整 后的土地如果肥力较差，土地生产能力较低，可以选 择种植对土壤条件要求不高，生长力强的果树［21］。 在不适于水产养殖和农作物种植的以粉煤灰和煤肝 石充填区域，发展林业种植，选中杨树、水杉、雪松、 龙柏、剌槐等生态效益和环境效益较好的木种。这样 w命E 咂J矿井 ．．农田 建筑用地 ．．水体 。I2 km 图5研究区生态修复模式 Fig.5 Ecological restoration model of the study area 一方面复垦土地，还田于民，另一方面又增加了农民的 收入，产生更大的社会效益。 b.城镇景观湿地及生态旅游模式 针对城镇和工矿企业周边塌陷水域的区位优势， 将其纳入城镇建设整体规划中。加强水体水质监控， 严格禁止工矿企业和居民向积水区内超标排放污水， 采用物理化学方法，抑制水中磷的释放，进行以水生 植物恢复为核心的水质修复，从而达到净化水质的效 果［19,22］。同时延展塌陷汇水区域，建设滨水景观带， 构建景观型湿地或者湿地水上生态公园。对靠近城市 或工矿企业附近的积水区，根据塌陷区特点及经综合 治理后的空间分布和交通情况，建设水上休闲娱乐设 施。对于深度较深的积水区，可以在水上建设生态浮 岛，满足美化城市整体景观和净化水体、调节气候、 湿润空气的目的。这不但可以促进采煤塌陷区生态环 境恢复，还可以促进区域的经济发展，为当地居民提 供就业机会，有利于同周围其他区域的交流合作［23-24］。 c.调蓄供水及生态农业模式 研究区水资源紧张，工农业需要大量水资源，应 进一步增加调节能力，提高水资源的利用率。通过将 面积大的塌陷水域连接起来，挖深扩大蓄水库容，可 建成人工平原湖泊。利用水利工程实现开放式积水， 实施塌陆区与过境河流的沟通，扩大塌陷区补给水 源，保持水量补给。充分利用塌陷区周围河道条件， ChaoXing 72 煤田地质与勘探第43卷 实施水利调度，与附近河流串为一体，借助外水调入 补给，实现水体交换，增加蓄水能力，拦蓄引当地地 表雨洪资源及过境地表径流，发挥其蓄洪、错峰、防 洪排涝的功能［21］。同时利用开采塌陷形成积水的有利 条件，在稳定的塌陷水域通过挖深垫浅、疏导水系、完 善农田灌溉水利系统，发展围网养鱼、网箱养鱼等淡 水鱼类养殖，配套发展畜牧养殖业、果树蔬菜种植业及 农副产品加工业，建立立体水产养殖及其深加工基地， 实现农－渔－禽畜一加工综合经营的生态农业模式［25］。 5结语 本文利用多源多时相的卫星遥感数据、野外实测 数据，结合遥感技术对刘桥矿区近20a来土地利用 变化、塌陷积水区水深及分布与水环境富营养化状态 评价进行了动态监测和分析，结果表明，随着地下采 煤活动的不断进行，塌陷区的面积不断扩大，在高潜 水位的研究区内形成了大面积的积水区，水域面积自 1994年来从研究区总面积的6.99上升到2012年的 23.86，塌陷水域最深已超过4m，其水体水质已达 到富营养化状态。针对积水区深度、积水水质以及周 边区位环境，结合研究区生态环境监测的结果，根据 因地制宜，合理开发的原则，划分塌陷水域，提出了 建立以生态农业为核心，集成景观湿地 、休闲娱乐和 调蓄供水等功能的采煤塌陷区生态环境综合治理模 式。此外，在对采煤塌陷区综合整治、修复过程中， 应时刻关注生态环境的动态变化，及时监测、分析其 变化趋势，根据生态环境动态监测分析变化趋势，完 善采煤塌陷区生态环境综合治理模式，真正实现研究 区土地资源综合利用，社会、经济可持续发展，构建 绿色矿区、和谐矿区的目标。 参考文献 ［）李新举，胡振琪，李品，等采煤塌陷地复垦土壤质量研究迸 展［J）.农业工程学报，2007,236 276-280 [2）杨大兵，张文新，姚清．基于GIS的采煤煽陷区土地复垦评价 系统研究问．金属矿山，201110144一157. 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