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Vol. 29 , No. 6 June 2020 第29卷第6期 2020年6月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 兖州煤田采矿影响下水环境演变研究 董军S王慧2秦胜3符福存S孙宁湖S孟庆俊2冯启言2 1.兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿，山东兖州272102； 2. 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州221116； 3. 兖州煤业股份有限公司环保部，山东邹城273500 摘 要以兖州煤田1990〜2018年4期遥感影像为数据源，利用改进的归一化水体指数方法MNDWI 对兖州煤田水体信息进行提取，对兖州煤田水体演变进行时空分析。基于景观生态学方法选取斑块数量、 景观形状指数、面积加权分维数、平均斑块面积等指标，从破碎化情况、形状变化及人为干扰情况等方面对 兖州煤田水体演变进行定量化研究。结果表明，采煤活动导致塌陷水体面积不断增加，从1990年的 214.38 hm2增加到2018年的2 717. 73 hm2 ,增长了近10倍；水体形状日趋不规则，受人为活动特别是采矿 活动的干扰加强；水体斑块破碎度降低，连续型增强;水体斑块形状越来越复杂,受采矿活动影响程度增大。 关键词水体提取；景观格局；MNDWI；水体演变；兖州煤田 中图分类号TD741 文献标识码A 文章编号1004-4051202006-0127-06 Evolution of water environment under the influence of mining in Yanzhou coalfield DONG Jun1 , WANG Hui2, QIN Sheng3 , FU Fucun1 , SUN Ninghu1 , MENG Qingjun2 , FENG Qiya n2 1. Xinglongzhua ng Coa l Mine, Ya nzhou Coa l Mining Co. , Ltd. , Ya nzhou 272102, China； 2SchoolofEnvironmentSciencea ndSpa tia lIna tics China University of Mining a nd TechnologyXuzhou 221116China； 3. Ministry of Environmenta l P rotection, Ya nzhou Coa l Mining Co. , Ltd. , Zoucheng 273500, China Abstract Ba sed on the remote sensing ima ges of Ya nzhou coa lfield from 1990 to 2018, the modified norma lized difference wa ter index MNDWI is used to extra ct the wa ter body ina tion of Ya nzhoucoa lf8eld,a ndthetempora la ndspa ta levolutonofthewa terbody8nYa nzhoucoa lfeld8sa na lyzed. Ba sedonla ndsca peecology,thenumberofpa tches,la ndsca pesha pe8ndex,fra cta ld8mens8on8ndexof a rea we8ghted mea na nd mea npa tcha rea a reselectedtoqua nt8ta t8velystudytheevolutonofwa terbody8n Ya nzhou coa lf eld from the a spects of fra g menta t on,sha pe cha nge a nd ma n-ma de8nterference. The results showtha tcoa l m8n8ng a ctvtes ha veledto a n8ncrea se8nthea rea ofsubs8ded wa ter,8ncrea s8ngfrom 214.38hm28n1990to2717.73 hm28n 2018,a n8ncrea se of nea rly 10 tmes. The sha pe of the wa ter8s 8ncrea s8ngly8rregula r, wh8ch 8s enha nced by the d8sturba nce of huma n a ctvt8es,espec8aly by m8n8ng a ct8vtes.Thepla quefra gmenta tonofwa terbod8es8sreduceda ndcontnuoustype8senha nced,thesha peof wa terpla ques8smorea nd more complex,a nd the degree of8nfluence by m8n8ng a ct v t8es8s8ncrea sed. Keywords wa ter extra ction； la ndsca pe pa ttern； MNDWI； wa ter body evolution； Ya nzhou coa lfield 煤炭是我国的主要能源，约占我国一次能源生 产和消费的70左右1。煤炭开采后，采空区周围 岩层的应力平衡状态遭到破坏，由于采空区应力变 化波及地表，地表沉降形成塌陷坑、下沉盆地等2。 随着我国煤炭资源的开发力度不断加大，塌陷、破损 的土地日益增多，常造成耕地大幅度减产甚至绝产， 收稿日期收稿日期2019-07-29 责任编辑责任编辑赵奎涛 第一作者简介第一作者简介董军1970 ,男，硕士，高级工程师，长期从事煤矿机电技术、安全生产、环境保护等工作，E-ma il yzhxlzdj 163. com. 通讯作者简介通讯作者简介王慧1994 ，女，汉族，山东济南人，硕士研究生，主要研究方向为矿区生态演变，E-ma il whuil994 126. com。 引用格式引用格式董军，王慧，秦胜，等兖州煤田采矿影响下水环境演变研究J*.中国矿业，2020,296127-132. doi 10. 12075/j. issn. 10044051. 2020 06 014 128中国矿业 第29卷 尤其在高潜水位矿区，容易形成塌陷积水区，淹没大 量农田，显著改变了矿区的生态环境36 ,这一现象 引起许多学者的关注，并做了大量研究［711］。对矿 区水体变化进行分析，是合理治理塌陷区的前提条 件。本文以兖州煤田为研究对象，利用遥感数据对 兖州煤田1990〜2018年水体信息进行提取，分析了 近30年来兖州煤田水体的时空演变规律，并从景观 角度对矿区水体斑块类型格局进行分析，为矿区环 境综合治理提供科学依据。 1研究区概况研究区概况 兖州煤田位于兖州市、曲阜市和邹城市境内，南 北长约28 km,东西宽约16 km,面积约450 km2,探 明煤炭储量91亿t。兖州煤田包含16个煤矿，是中 国大型现代化煤炭工业基地之一。目前，除兴隆庄 煤矿、里彦煤矿、鲍店煤矿、东滩煤矿、杨村煤矿和南屯 煤矿外，其余煤矿皆已关闭。截至2015年，兖州煤田累 计采煤塌陷地面积为19 263. 85 hmz，预测到2020年， 兖州煤田累计采煤塌陷地面积为22 147. 57 hm2,截 至2030年累计采煤塌陷面积为23 894. 72 hm2 ,其 中2020年各煤矿累计采煤塌陷情况见表1。 表1兖州煤田2020年各煤矿采煤塌陷地面积统计 Table1 Stati.tic.oncoalmining.ub.idencearea of coal mines in Yanzhou coalfield in 2020 煤矿 常年积水区/季节性积水区/未积水区/塌陷面积 总计/hm2hm2hm2hm2 兴隆庄煤矿 511 95336 182682893531 02 鲍店煤矿 627 6159 571879552566 73 东滩煤矿 425 77214 542624163264 47 北宿煤矿 41 13 0 1995632036 76 横河煤矿 166 657 45386 7756087 落陵煤矿00 202 7020270 南屯煤矿 376 4024 201479591880 19 太平煤矿 107 0225 73640 8277357 唐村煤矿00 240 6424064 杨村煤矿 122 02 0 1202001324 02 单家村煤矿0 33 75453 7048744 古城煤矿00 1415021415 02 田庄煤矿00 939 1793917 星村煤矿00 1300901300 90 矿 29 8014 221049541093 56 杨矿00 530 5053050 小计 2408 35715 64190235822147 57 兖州煤田含煤地层为太原组和山西组，平均地 层总厚度为283.57 m。其中，山西组含煤3层，太 原组含煤20层。兖州煤田煤层埋深一般在一300 m 以下，主采煤层为山西组3号煤层与太原组16号煤 层、17号煤层,3号煤层在煤田北部厚度为8〜10 m, 中部分岔、南部分岔为3上、3下，厚度一般为5 m和 3 m,16号煤层和17号煤层厚均在1 m左右。 2数据与方法数据与方法 2.1遥感数据源及预处理 本文选取了兖州矿区范围内1990年,2000年、 、 2009 年的 La ndsa t-5 TM 及 2018 年 La ndsa t-8 OLI 共4期遥感影像，下载自空间数据云网站，空间分辨 率为30 m,影像列号122,行号035。在ENVI5. 1 遥感处理平台下，对图像进行几何精校正、融合、裁 剪、图像增强等操作，完成图像预处理。此外，收集 了矿区的井田范围图、地质地形图、土地利用现状 图、煤矿塌陷地范围图等资料作为辅助资料。 22 信 取 关于水体提取方法，比较常用的有单波段阈值 法、多波段谱间关系法、水体指数法、比值法、差值法 等或者融合谱间关系法、阈值法以及指数法几种方 式的综合法［1314］。针对不同用途，水体信息有不同 的 取方 。 La ndsa tTM 像 信 提取方法主要是依据水体和其他地物在TM 7个波 段上光谱特征的差异，利用单个波段或多个波段构 造一定的水体提取模型，将水体和其他地物区分开 来。席晓燕等［15］以La ndsa t-7的ETM 为数据源, 通过实验比较了阈值法、谱间关系法、改进的归一化 差异 数 及分类 取 取的 效果。翟新源等6*利用单波段阈值法、水体指数法 和分类 取 兖 矿区的 源 像 塌 地积水提取试验，得出水体指数法的效果相对于其 他两种方法较好。 通过对不同水体的提取实验，利用改进的归一 化水体指数MNDWI方法提取水体获得了比 NDWI好的效果17* ,MNDWI能够识别水体细小的 特征，其表达见式1。 MNDWI Green - MIR / Green . MIR 1 式中Green为绿色波段-,MIR为短波红外波段。 经过比对分析，本文选择改进的归一化水体指 数MNDWI提取矿区水体。 23 数 取 景观格局反映景观斑块在空间上的分布和排列 。 取 的 ， Fra gsta ts4 2 软件得到景观格局指数，选用4个景观指标分析不 同煤矿水体景观格局，分别为斑块数量NP、景观 形状指数LSI、面积加权分维数FRAC_AM、平 均斑块面积AREA_ MN,从景观角度对兖州煤田 第6期董 军，等兖州煤田采矿影响下水环境演变研究 129 30年来水体格局演变情况进行系统分析。 3结果与分析结果与分析 3.1兖 田水体演变 经ENVI5. 1软件提取出兖州煤田水体，统计 出各煤矿水体面积，挑选积水区域比较大的兴隆庄 矿、东滩煤矿、南屯煤矿、鲍店煤矿重点分析, 1990〜2018年的地表水面积见图1,经统计的典型 煤矿水体面积 图2。 图例 I 地级市界 ■水体 匸二」兖州煤田煤矿区 N 7 y 曲阜市 兖州市厂\ 「杨村煤矿, 东滩煤矿 图例 丿 I 地级市界 r 水体 L_」兖州煤田煤矿区厂迄/ 八严聊‘曲阜市 八” 兖州市广1 空胃卿 祐庄煤*兴窿庄睡矿 『杨枷矿广_ / \ 心丄尹/ 东滩煤矿/ N 田庄煤矿 鲍店煤矿 田庄煤矿 弋“太平煤盯7“南屯煤矿 济宁辖;「二矿「北蠶 微山县 0 2.5 5 10 km0 2.5 5 10 km a 1990年b 2000年 N 图例 J | 地级市界 ■水体 〔 二兖州煤田煤矿区舟拗 八、晋響，曲阜市 兖州市卜vt注貯矿j 图例 J I 地级市界 [ ■水体 L 田庄煤矿 田庄煤矿 木平煤矿 曲阜市 济宁贡市辖I 北宿煤矿.厂\ 微山县 0 2.5 510 km 微山县 0 2.5 510 km N 济宁市仲辖医 c 2009年d 2018年 图1兖州煤田水体提提取结果图 Fig. 1 Yanzhou coalfield water body extraction results 3. 1. 1水体面积变化 煤田水体面积总体呈上升趋势，从1990年的 从图1和图2中可以看出，1990〜2018年兖州 214. 38 hm2增加到2018年的2 717. 73 hm2，增长 130中国矿业 第29卷 p q巨 E E 系 呈 图图2 典型煤矿矿1990〜2018年年水体面积变化 Fig. 2 Change of water area in typical coal mines from 1990 to 2018 了近10倍。随着煤炭开采规模的增大，煤炭产量不 断增加，地表塌 积与 随之 ，加之研究区 地下潜 ，导致地表塌陷积 积持续 继而地表水体面积增大。以兴隆庄煤矿为例，自 1981年12月建成投产，1985年设计生产能力300 万t/a ,而截至2018年底，矿井累计采出量已超过1 亿t,水体面积也由1990年的78. 75 hm2增加到 2018年的589. 59 hm2，可以看出煤炭开采力度对水 体面积变化有显著影响。 312 量 由表2可知，兖州煤田水体面积增量由1990年 的 429. 66 hm2 上升到 2000 年的 1 940. 13 hm2，水 体的年变化率为20,2000〜2009年的水体年变化 率为33，到2018年水体增量 下降，仅为 133. 56 hm2，水体年变化率也减小到0.57。水体 年变化率降低源于塌陷积 积的增速减缓，主要 为在国 保护政策、耕地保护政策日益严格 的 ，济宁市 开展采煤塌陷地复垦［，如 表表2兖州煤田1990〜2018年年水体面积及增量量变化 Table 2 Water area and incremental changes of Yanzhou coalfield from 1990 to 2018 矿 1990 年2000 年2009 年2018 年 兴隆庄煤矿 积/hm278. 75 121 05679 32589 59 增量/hm2-42 3558.27 89. 73 东滩煤矿 面积/hm24 14 31 05 375.66 479 52 增量/hm2- 26 91 344.61 103 86 鲍店煤矿 面积/hm218. 63 95 04446 31752 31 增量/hm2- 76 41 351.27 306 南屯煤矿 面积/hm264 62 184 68 351.09 288 81 增量/hm2-120 06166 41 62. 28 兖州煤田 面积/hm2214. 38 644 04 2 584.172 717.73 增量/hm2- 429 66 1 940.13 133 56 兴隆庄煤矿截至2018年已复垦区面积为582. 93 hm2 （复垦为耕地、鱼塘面积），将损毁区与塌陷积水区进 复垦，继而降低了 的 速度。 3. 1. 3水体空间变化 由图1可知，1990年只有南屯煤矿、兴隆庄煤 矿、鲍店煤矿有小范围积水000年，东滩煤矿开始 星的积水区，南屯煤矿和兴隆 矿积水范 围逐渐扩大，尚未出现大面积积水区域009年，里 矿、横河煤矿等开 积水区，南屯煤矿、兴 隆 矿、鲍店煤矿、东滩煤矿塌陷积水区 018年，随 开采 的 ，兖 田 范围新增的塌陷积水区，并与之前的积水区 并，连接成片，水体的 性 。 3.2各矿区 斑块类型 由图3可知，1990〜2018年兴隆庄煤矿、东滩 煤矿、鲍店煤矿、南屯煤矿水体斑块数量 升趋 势，其中，兴隆 矿 1990〜2009年 斑块数量上升 2009年之后上升速度加快。东 滩煤矿增幅次之，1990〜2000年斑块数量上升缓 慢，2000〜2009年水体斑块上升速度最快，之后又 趋于缓慢增长，主要 为前期属于采矿初期，造成 的塌陷坑数量较小，随 开采 ，地表沉 积 区 数 量 期 随 塌 区 邻区域的塌陷积水区 并，造成 升 速 。鲍店煤矿和南屯煤矿 斑块数量一直 处于 升 。综 矿 ，可见兖州煤 田 采矿 成的塌 积 坑不 采 的 影响加剧。 状指数（LSI）反映水体斑块的复杂程 状指数 ，表示 斑 复杂。1990〜 2018 年 隆 矿 状 数 直 升 趋 势，表示兴隆 矿 的边缘 ，随 矿 的 开采 状的 （东滩煤矿和鲍店煤矿 状指数先后 2009年 。南屯煤矿 |折 升趋势，水体形状趋于复杂。综 矿情况，水 体形状指数 升趋势，表示兖 田 〔形 状日趋不规则，受人为 采矿 的 加强。 平均斑块面积（MP S） 定程度上可以反映斑 块类型的 ，一般认为平均斑 积 表示该景观破碎度越大。1990〜2018年，东滩煤矿 和鲍店 矿 平 斑 积不 期 间 型 ，水体斑块分布状态趋于 。南 屯煤矿 平均斑 积2009年之前呈直 升 第6期董 军，等兖州煤田采矿影响下水环境演变研究 131 O O 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 s E s d w s E s d w C 半均斑块面积变化 1990 2000 2009 2018 2 2O O 年 8 8 201201 d面积加权分维数变化 图图3 1990〜2018年兖州煤田水体景观指数变化年兖州煤田水体景观指数变化 Fig. 3 Changes of water body landscape index in Yanzhou coalfield from 1990 to 2018 趋势，2009年之后水体平均斑块面积开始减小，主 要 为煤矿开采范 不 成单独的塌陷积水 坑，随着开采 ，塌陷积水区的面积随之增 ，相邻的积水区合并成 的积水区，造成 斑 块面积的增大，后期水体面积减小，逐渐走向破碎 。兴隆 矿 积前期 不 2009年 之后呈下降趋势。综 矿 ，近30年兖州煤 田水体平 积 升趋势，表明兖 田水 体斑 降低，连续型增强。 面积加权分维数FRAC_AM 取值范围1〜2, 越趋近于1表示斑 状越接 或正方形，越 接近2表示形状越复杂，受人为 。由 图3可知，1990〜2018年，兴隆庄煤矿、东滩煤矿、 鲍店煤矿、南屯煤矿四个煤矿面积加权分维数 趋势不完全相同， 趋势 的。 矿水 的分维数 的，表示 期间 斑 状 复杂,受采矿 4结结 利用遥感数据对兖州煤田1990年, 2000年、 2009年和2018年4期不同时相的水体信息进行提 取，得到了其分 和状态，统计面积并 了水 时 分析。 ，近30年来，兖 田 水体面积不断增加，从1990年的214. 38 hm2增加 到2018年的2 717. 73 hm2，增长了近10倍，水体面 积增速从2009年开始减缓，2009〜2018年的水体 年变化率也减小到0.57。主要是因为2009年之 前采矿 下塌 不 ，导 积增 ，之后由于济宁市 开展采煤塌陷地复垦工作， 将损毁区与塌陷积水区 复垦，继而降低了 的增加速度。 数定量分析了兖州煤田兴隆庄 煤矿、东滩煤矿、鲍店煤矿、南屯煤矿1990〜2018年 的 。 ，采煤对兖州 田 的 ， 状指数 】 升趋势， 斑 状日趋不规则；兖州煤 田 平 积 升趋势， 斑 L 降低，连续型 ，主要 为相邻的积水区合 并成 的积 区， 成 斑 积的 ； 积 权分维数 ， 缘 复杂，受采矿 的 将 数引入水体演变过程中，可以更 好地分析 的 及 间 规 随着矿区 资源的不断开采，塌 会继 ， 矿区 分析， 可 为矿区 拟与预测 ，同时为矿区塌 的 依据。 132中国矿业 第29卷 参考文献 1 杨大兵，张文新，姚清基于GIS的采煤塌陷区土地复垦评价 系统研究金属矿山201110 144147,157. 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