基于RSEI的采煤塌陷積水對生態環境的影響研究

畢衛華，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.中國礦業大學公共管理學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

由于煤炭開采造成的生態環境問題長期以來受到廣泛關注，礦區生態環境的監測、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，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，但是濕地具有調節氣候、涵養水源等生態功能，合理開發利用能產生顯著生態效益和經濟社會效益[4-6]，是東部礦區生態恢復的有利條件。皖北地區很多濕地資源沒有得到相應的保護，大多數煤礦企業對于濕地資源開發和保護重視程度不夠[7]，因此研究塌陷水域的生態環境效應是對礦區生態環境問題研究的進一步深化。

衛星遙感具有長時序、多信息的優點，是地表過程研究的重要手段[8]。近年來，遙感生態指數(RSEI)被應用于礦區生態環境變化研究中，成功地反映了礦區和局部尺度生態環境和優劣等級的多年變化[9]。但是時序RSEI只能反映礦區生態環境的時空變化，無法進行生態環境變化歸因。本文嘗試將遙感提取數據與統計檢驗相結合，在研究煤礦塌陷積水區域一定范圍生態環境變化的基礎上，進一步探究塌陷積水區的形成對周邊生態環境的影響規律，可以為礦區生態環境恢復治理及濕地資源保護利用提供指導。

1 研究區概況

研究區以皖北煤電集團任樓煤礦塌陷積水區為中心，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和蒙城縣許疃鎮，地理坐標為東經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日建成投產以來，已經形成了塌陷積水區面積約340 hm2，水深0～9.0 m。

圖1 研究區土地利用覆被情況Fig.1 Land use cover of the research area

研究區地處溫帶季風氣候區，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。研究區內多年平均氣溫14.5 ℃，多年平均降水量847.2 mm。研究區內地勢平坦，地表水體主要為采空塌陷積水，形狀不規則，積水主要來源為大氣降水和地表潛水，兩者為互補關系，以水面蒸發為主要排泄途徑。

2 數據與方法

2.1 數據來源

采用Landsat系列遙感影像數據，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數據，2015年和2018年遙感影像為Landsat8 OLI數據。 空間分辨率為30 m，云層覆蓋面積小于10%。

2.2 遙感生態指數

RSEI模型見式(1)[10]。

RSEI=(NDVI，WET，NDSI，LST)

(1)

式中：NDVI為綠度指數；WET為濕度指數；NDSI為干度指數；LST為熱度指數。 其中，NDVI采用歸一化植被指數表示；WET采用纓帽變化中的濕度分量表示；NDSI由裸土指數和建筑指數構成；LST根據研究區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，獲取各分指數的權重[15]。 遙感生態指數計算公式見式(2)。

RSEI=0.504×NDVI+0.102×WET-

0.307×NDSI-0.090×LST

(2)

2.3 統計檢驗

以塌陷積水區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年數據為基期，假定之后生態環境的變化僅由塌陷積水引起，采用Wilcoxon檢驗比較遙感生態指數在方向上、年度間的差異，采用二次函數擬合水域影響與距離的關系。

3 結果與分析

3.1 研究區全域RSEI時空變化分析

3.1.1 RSEI及分指數的時間變化

經計算，研究區各期遙感生態指數、綠度指數、濕度指數、干度指數和熱度指數標準化后的年度變化見圖2。總體上，研究區4個分指數表現為2個上升、2個下降；2個波動大、2個波動小；2個均值大，在0.5以上，2個均值小，在0.5以下。綠度指數呈上升趨勢，波動較小，2000年最低，均值為0.732，2018年最大，均值為0.844。濕度指數呈總體上升趨勢，但波動較大，均值最低為0.46，也出現在2000年，最高均值為2015年的0.907，2018年略有下降。干度指數最低均值和最高均值分別為0.117和0.436，雖然2000—2015年、2015—2018年均表現為上升趨勢，但由于2010—2015年劇烈下降，總體上呈現下降趨勢，多項式擬合的二次項系數為-0.038。熱度指數呈總體下降趨勢，但波動不大，最小均值為2018年的0.288，最大均值出現在2010年，為0.358。遙感生態指數與綠度指數的變化相似，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。

由結果可知，2000—2018年，研究區生態環境質量總體上逐漸向好，積水區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，塌陷積水對改善區域濕度有較大貢獻。監測資料顯示，研究區2000年以來，年平均氣溫逐漸上升，熱度變化平穩下降應與塌陷積水有關。研究區除水域外，土地利用變化不大，建設用地、裸地占比較低，耕地面積大，對于穩定和提升區域生態環境均發揮了重要作用。

圖2 RSEI及分指數的年度變化趨勢Fig.2 Variation of RSEI and sub index

3.1.2 RSEI與土地利用的空間變化

研究區遙感生態質量空間分布如圖3所示。由圖3可知，2000—2005年研究區處于塌陷積水初期，總體而言，生態質量變化不大，略微有上升。其北部建設用地面減少以及未利用地面積減少，生態環境質量好轉，中部塌陷積水區面積增加，生態環境質量顯著下降。到2010年，煤礦塌陷積水區域進一步擴大，積水區周邊零星建設用地減少，耕地結構有所改善，東北部生態環境質量有所提高，塌陷積水區局部下降，周邊區域生態環境有所上升。到2015年，塌陷積水區進一步擴大，建設用地逐漸集中并略有增加，建設用地、耕地、未利用地減少，研究區生態環境仍不斷改善，積水區周圍耕地生態質量提升，中心積水區生態質量惡化。到2018年，塌陷積水區面積略有增加，建設用地、耕地面積基本無變化，積水區生態環境質量惡化，但西北區域以及南部區域耕地生態環境質量提升，研究區整體生態質量改善。

圖3 任樓煤礦域遙感生態指數空間變化Fig.3 Spatial variation of remote sensing ecological index in Renlou mining area

3.2 研究區方向RSEI變化分析

3.2.1 距離積水區遠近變化特征

以塌陷積水區最大范圍邊界為起點，取遠離水域方向RSEI指數的北、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，遙感生態指數呈波動變化，年度間的變化呈現逐年向好趨勢。一次擬合遙感生態指數隨距離增加而升高，截距為0.766 8，斜率為1.955e-5，塌陷積水區外圍3 200 m范圍內遠離水域生態環境質量更好。在距離積水區距離分別為700 m、1 700 m、3 200 m出現3組低值區，應與某些方向上該位置出現建設用地有關。

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)距離數據，將各年度RSEI值平均后數據特征統計見表1，數據分布密度如圖5所示。由表1和圖5可知，遙感生態質量在方向上差異大，南北比較相似。從中值和平均值、極值來看，其優劣順序為南>西>北>東，從數據的分布來看，南、西、北向數據集中在高值區，東方向數據分布跨度大，高值區數據相對較少。 遙感生態指數這種分布特征與研究區土地利用特征相符，該塌陷積水區南北方向為農田，東部為煤礦建成區，西部為村莊。

圖4 RSEI隨積水區距離年度變化圖Fig.4 Variation of RSEI with distance from ponding area

表1 水域外圍RSEI方向數值特征Table 1 Characteristics of RSEI direction around water area

圖5 水域外圍RSEI方向數值分布密度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個方向數據的均值，其數據分布特征和變化見表2和圖6。數據的中值和平均值優劣順序一致，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年前后是煤炭產能快速提升的階段，加劇了生態環境損害，2000年后礦區大力推進土地復墾工作，也使2005年遙感生態指數高于2010年。從數據分布看，2005年與2015年、2018年多位于高值區，2000年相對最差。遙感生態環境質量取決于煤炭開采強度和土地復墾與生態恢復力度之間的動態平衡。

表2 RSEI數據均值年度特征Table 2 Characteristics of mean value of RSEI

圖6 RSEI數據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環境的影響

3.3.1 距離對塌陷積水影響的差異分析

以2000年數據為基準，其他年度數據與之做差，距離散點圖見圖7。 由圖7可以看出，塌陷積水對RSEI指數總體上產生正面影響，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，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指數影響范圍為3 720 m，在1 860 m處產生的影響最大。

由于西向1 500～1 700 m處于2005年之后沿路建設了村莊，因此扣除2000年RSEI中沒有包含該變化，造成了數據在此處大幅度下降，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范圍經過煤礦廠區，也造成之后的生態指數較2000年下降，整體趨勢受到一定影響，造成影響范圍擬合結果偏大。而南向由于距離短數據少，上升趨勢受一定影響，但從數據分布看，其數據應與北向相似。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 遙感生態指數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

由于各方向數據不服從正態分布，采用Wilcoxon秩和檢驗，比較各年度4個方向數據的差異性，結果見表3。 由表3可知，塌陷積水對各方向生態環境產生影響不一致，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計上的顯著差異。這種影響的方向差異性隨時間延續，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據的差異性，結果見表4。由表4可知，塌陷積水在同一方向不同年度之間對生態環境產生的影響也不一致，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 結論與討論

4.1 結論

本文采用遙感和GIS技術，獲取礦區塌陷地自采煤以來近20年的RSEI作為評估生態環境優劣的指標，對研究區生態環境變化進行了總體時空變化分析，對提取的4個方向上RSEI數據進行了其距離、方向、時間上變化分析，經扣除基期干擾后分析了塌陷積水對周邊生態環境的影響特征。得出主要結論如下所述。

1) 皖北煤電任樓礦域近20年來，生態環境逐漸改善，土地復墾與生態恢復工作成效顯著，生態環境的變化決定于煤炭開采活動強度和土地復墾與生態恢復力度的平衡。

2) 采煤塌陷積水總體上對周邊生態環境產生正面影響，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環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

水是生態系統不可或缺的重要環境要素，水分充足的地方往往容易形成良好的生態環境。我國東部高潛水位礦區，井下采煤形成大面積地表塌陷積水區，在損毀耕地的同時也為礦區生態環境建設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，積水區周邊拉坡地土壤漬水嚴重，造成農作物減產或無法耕種。從影響強度隨距離的“凸型”曲線也可以看出，在靠近塌陷積水區生態環境受到的正面影響較小，甚至出現下降的情況，最主要的原因可能是拉坡地土壤漬水。因此，塌陷積水區形成后，必須通過土地復墾與生態恢復工程措施，抬高積水區周邊一定范圍的地面標高，才能更好地改善周邊生態環境，發揮地表水資源的巨大作用。

積水區東西兩邊由于村莊和煤礦工業區的存在和建設，造成水域對生態環境影響趨于平緩。這種變化可能是建設區位于塌陷盆地短軸，拉坡地不明顯，同時建設區保持了地勢較高、地形平整的原因。積水區西向對生態環境的影響大于東向，應與該地夏季主導風向為東風和東南風有很大關系，這種影響在南北向也有體現。這與林浩等[16]、王詠薇等[17]研究結果一致。因此可以推斷，塌陷積水對周邊生態環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生影響；地形改變產生的影響變化大，風向的影響變化平穩，塌陷積水區下風向更有利于生態環境改善。