高潜水位矿区生态系统演变趋势研究：以淮南潘谢矿区为例

安士凯，李召龙，胡志胜，车 申

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司煤矿生态环境保护国家工程实验室,安徽 淮南 232001; 2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州221116;3.有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007)

绿色矿业

高潜水位矿区生态系统演变趋势研究：以淮南潘谢矿区为例

安士凯1，李召龙2，胡志胜2，车 申3

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司煤矿生态环境保护国家工程实验室,安徽 淮南 232001; 2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州221116;3.有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007)

为了有效地应对高潜水位矿区煤炭资源开采后带来的生态环境问题，以淮南潘谢矿区为研究区域,应用遥感技术分析了耕地、水体分布以及景观格局，分析了生态系统结构的变化，得出了矿区生态系统结构总体变化规律以及不同生态系统相互转化规律。应用开采沉陷预测技术，基于矿区生态系统结构的变化规律，预测了生态系统演化趋势，得出的结论为：耕地面积逐年减少，矿区煤炭资源完全开采结束时，矿区的生态景观将由水域占绝对主导优势，矿区由陆地生态系统向水陆复合生态系统演变，土地利用模式将优化。

煤矿区;生态系统;遥感;开采沉陷预测技术;演变趋势

我国以煤炭为主要能源，随着煤炭资源的开发，矿区生态环境问题已变得日益突出，如何准确监测矿区生态问题的变化，如何预测矿区未来生态环境的变化并采取相应的保护措施成为当今研究的热点。国内外对矿区生态环境的研究取得了较多的成果[1-8]，主要研究内容包括矿区地表沉陷的监测、生态环境的修复以及环境影响的评价等。遥感技术作为一种监测手段，已经广泛应用于矿区生态环境的研究[9-13]。本文基于开采沉陷预测技术以及遥感技术，对淮南潘谢矿区的生态演变趋势进行研究。

1 概述

淮南矿区位于华东经济发达区腹地，是以煤炭、电力为主的能源生产基地，为我国的13个大型煤炭基地之一。区内的淮河将淮南矿区自然分隔成两个区域，淮河以南矿区经过长期的开发，煤炭资源接近枯竭，开采重心向淮河以北转移。淮河以北的潘谢矿区为平原地区，总体地势西北方向高，东南方向低，属于河间浅洼平原。

由于煤炭资源的不断开发，沉陷区不断扩大，该区的生态系统出现了明显的变化。耕地和建筑用地逐渐减少，影响了传统农业的发展，为了有效地应对这一系列问题，必须摸清矿区开发后生态系统的演变趋势，才能够采取相应的措施进行治理。

2 矿区开发历史及规划

淮南矿区的开发历史已有110年之久，建国以来，矿区的产量更是得到迅速发展，从1949年到2010年，产量增加了59倍(见图1)。目前，淮南矿业集团正在生产的煤矿共有14个，分别分布在淮河南北。

矿区内有6个主采煤层，属中厚-厚煤层，矿井煤炭资源储量十分丰富。2011年，淮南矿业集团公司完成原煤产量6751万t，2012年为7100万t。根据矿井系统能力，结合采场情况和集团公司规划，2013～2020年，集团公司原煤产量每年在7000万～7500万t，按照上述规划，淮河以北的淮南潘谢矿区2011～2020年可累计生产原煤约6.6亿t。2021～2030年潘谢矿区原煤产量每年稳定在7500万t，累计生产原煤约7.5亿t。

图1 1949～2010年淮南矿区煤炭产量

3 矿区生态系统基本格局

淮南潘谢矿区属于北部平原生态农业与矿业发展区中的引导开发区，该区域目前生态稳定性较好，能承受一定的外部干扰，开发利用主要的方向是煤炭资源的开采。

根据遥感图像解译和实地调查，自淮南潘谢矿区煤炭资源大规模开发以来，矿区生态系统内共有5种生态系统类型，主要分布及生态特征见表1。目前农田生态系统占有绝对优势；其次为村镇生态系统和水域生态系统，呈斑块状分布于矿区内。林地生态系统所占比例最小，主要零星的分布在道路两侧。

4 矿区开发对生态系统的影响分析

4.1 耕地面积变化分析

地下煤炭资源开采后，对地面造成的最直接影响是地表沉陷并形成沉陷积水区，从而造成耕地资源的损失。矿区煤层厚度大，开采强度高，地表有巨厚冲积层覆盖(一般大于300m)，潜水的埋藏深度仅1.4m左右，开采后地表容易形成大面积积水区域，难以继续耕作。根据不同时相遥感影像的分类统计结果，可以得出淮南潘谢矿区耕地面积变化与累计原煤产量之间的关系，见图2。

图2 淮南潘谢矿区耕地面积变化与累计原煤产量之间的关系

由图2可知，随着原煤产量的不断增加，淮南潘谢矿区的耕地面积直线下降。根据遥感图像解译和实地调查，在1990～2000年的10年时间里，淮河以北淮南潘谢矿区仅潘一、潘二、潘三矿投产，开采强度相对较低，平均每年原煤产量仅为1281万t，耕地面积减少了16.6041km2；2000～2006年的6年时间里，随着潘谢矿区张集、顾北等新矿的陆续投产，矿区的采能有了较大幅度的调高，平均每年原煤产量达到275万t造成大面积的土地沉陷，耕地面积减少了11.6662km2；2006～2010年的5年时间里，矿区的开采强度增大，平均每年原煤产量为5385万t，耕地面积减少幅度大幅增加，达到16.2063km2。总的来说，淮南潘谢矿区耕地面积与累计原煤产量之间存在显著的线性相关关系，产量不断增加，耕地面积则不断减少。

4.2 地表水分布变化分析

淮南潘谢矿区地势较为平坦，潜水位高，煤炭资源开采后容易引起地面积水，根据矿区不同时相的TM和ETM+影像提取的地表水体信息，对淮南潘谢矿区地表水体的分布变化规律进行研究。将矿区2000年与2010年的水体分布图做变化检测，将获取的2000～2010年的矿区水体变化图与开采引起的地表下沉等值线图进行叠加(图3)，以便进一步研究矿区水体变化与采煤活动之间的关系。

图3 淮南潘谢矿区水体变化与地表沉陷叠加图

由图3可知，2000～2010年，矿区水体的分布发生了较大的变化。分析变化出现的位置，可知：矿区缩减的水体多分布在原有河流、湖塘的周边，分析其原因，除去水体提取误差外，主要是因为河流和湖塘本身因为不同季节的降水量不同导致的水体面积的变化；而新增的水体大多相对封闭，与采煤活动密切相关，分布的范围均在采煤引起的地表沉陷的范围之内，大都是由沉陷引起的塌陷水体。分析塌陷水体与地表下沉等值线图的位置，可知：塌陷水体的积水范围受到沉陷大小、地形、地下水位等的综合影响。

由图3可知，2000～2010年，矿区水体的分布发生了较大的变化。分析变化出现的位置，可知：矿区缩减的水体多分布在原有河流、湖塘的周边，分析其原因，除去水体提取误差外，主要是因为河流和湖塘本身因为不同季节的降水量不同导致的水体面积的变化；而新增的水体大多相对封闭，与采煤活动密切相关，分布的范围均在采煤引起的地表沉陷的范围之内，大都是由沉陷引起的塌陷水体。分析塌陷水体与地表下沉等值线图的位置，可知：塌陷水体的积水范围受到沉陷大小、地形、地下水位等的综合影响。

4.3 景观格局变化分析

矿区的煤炭开采对地面环境的扰动往往能够引起景观格局的变化，根据淮南潘谢矿区的特点，在景观级别从面积、密度、形状、聚散性和多样性等不同角度分别选取斑块数量(NP)、边缘密度(ED)、景观形状指数(LSI)、蔓延度(CONTAG)与香农多样性指数(SHEI)5个指数评价矿区的景观格局在煤炭开采影响下的变化趋势。

通过对遥感影像分类文件进行处理，得到景观格局指数计算结果，见图4。可知淮南潘谢矿区在1990～2006年，景观斑块数量、多样性指数基本逐年增加，蔓延度指数逐年减少，说明矿区景观斑块数量不断增加，景观的破碎程度不断增大，异质性增加。2006～2010年聚散性指标有小幅增加，多样性指标有小幅减小，矿区的景观团聚程度趋于稳定。边缘密度和形状指数指标在1990～2010年总体保持增加的趋势，说明矿区景观斑块形状越发复杂，斑块与外界物质与能量的交换程度越来越高，受到的外界干扰越来越大。由以上分析可知，1990～2006年，在淮南潘谢矿区的开发期和成长期内，随着煤炭资源的不断开采，矿区景观格局的结构发生变化，景观的多样性和异质性增加，矿区从相对单一的生态系统向复杂的生态系统转变；随着矿区的进一步发展，2006～2010年，矿区的团聚程度和多样性指标变化较小，整个生态系统趋于稳定。

5 矿区生态系统结构变化规律及演化趋势

5.1 矿区生态系统结构变化规律

5.1.1 矿区生态系统结构总体变化规律

根据淮南潘谢矿区1990年、2000年、2006年和2010年遥感影像分类结果，对矿区各个地物类型面积进行统计(见表2)，结合矿区资料进行分析，得到矿区不同地类与累计原煤产量之间的关系，见图5。

图5 淮南潘谢矿区土地利用结构变化与累计原煤产量关系图

由图表可知，随着煤炭资源的大面积开采，矿区生态系统的结构有较大的改变，主要表现在：耕地面积逐渐减少，水体面积直线增加，而建筑用地在总量基本保持不变的前提下，呈现“先增加后减少”的规律。

5.1.2 矿区不同生态系统相互转换规律

通过对1990年和2010年分类图像作变化进行检测，得到变化转移矩阵见表3。

由表3可知，淮南潘谢矿区主要的生态系统相互转化的类型为：耕地向水体转变、建筑用地向水体转变以及耕地向建筑用地转变，其中耕地和建筑用地向水体转变与采矿活动密切相关。

由于煤炭资源的开采有“趋利避害”的特点，煤矿一般首先开采耕地下的煤炭资源，在建筑用地及重要交通用地、水体下设置保护煤柱，推迟或不再开采这部分资源。而矿区生态环境的演变主要是由煤矿开采活动驱动的，因此，根据理论分析，矿区的生态环境演化过程的一般顺序应为：①耕地沉陷，变为积水区；②居民迁徙；③建筑物用地变为积水区；④交通用地变为积水区。

5.2 矿区生态系统演化趋势

根据淮南潘谢矿区的开采规划，结合煤矿开采对矿区生态系统的具体影响和矿区生态系统结构的演变规律，分别对淮南潘谢矿区2010年、2020年、2030年及矿区所有煤炭资源完全开采后的生态系统结构发展变化进行预测，得到结果见表4。

由表2和表4可知，淮南潘谢矿区1990年耕地面积占总面积的70.30%，是以耕地生态系统为主，单纯为农业生产服务的生态系统；2010年，经过近20年的开发，矿区呈现出以农业植被、水域和居民工矿区3种生态景观为主的型态，但农业植被仍占绝对优势，耕地面积占总面积的比例仍然达到63.59%，此时区域生态功能已经由单纯的农业生产服务演变为以煤炭资源开发为主导。随着矿区的进一步开发，水域景观得到逐渐强化，生态系统结构出现明显的变化。按照煤矿2010～2030年的开采规划和开采速度，预计到2027年，耕地的面积将减少到总面积的50%以下；预计到2051年，水体的面积将达到总面积的50%以上；到矿区煤炭资源完全开采结束时，矿区生态将由水域占绝对主导优势。

6 结论

由于淮南潘谢矿区煤炭资源的高强度开采，矿区的生态系统结构将会出现明显的变化。耕地面积由原来的70.30%，2010年减少到63.59%，2027年减少到50%以下，水体面积2051年将达到50%以上，矿区由陆地生态系统向水陆复合生态系统演变，对区域的土地利用模式和生态环境将产生显著影响。下一步根据沉陷类型提出适宜的土地利用模式，变害为利，提高采煤沉陷区综合利用率，居民区将采用搬迁建镇模式等，继续保持地区社会、经济和环境的可持续发展。

[1] Mandal A，SenguPta D.An assessment of soil contamination due to heavy metals around a coal- fired thermal power plant in India[J].Environmental Geology，2006，51(3):409-420.

[2] Delage F，Pre P，Cloirec P L.Effects of inoisture onwar-ming of activated carbon bed[J].EnViron.Eng，1999，125(12)：1160-1167.

[3] Das D，Gaur V，Verma N.Removal of volatile organiecompound by activated carbon fiber[J].Cathon，2004，42(14)：2946-2962.[4] 黄铭洪，骆永明．矿区土地修复与生态恢复[J]．土壤学报，2003，40(2)：161-169．

[5] 武强，董东林，傅耀军，等．煤矿开采诱发的水环境问题研究[J]．中国矿业大学学报，2002，31(1)：19-22．

[6] 全占军，程宏，于云江，等．煤矿井田区地表沉陷对植被景观的影响—以山西省晋城市东大煤矿为例[J]．植物生态学报，2006，30(3)：414-420．

[7] 卞正富，许家林，雷少刚.论矿山生态建设[J].煤炭学报，2007，32(1)：13-19.

[8] 李凤海.基于GIS的矿区生态环境评价[J].金属矿山，2007，37(7)：70-72.

[9] 蔡博峰，刘春兰，陈操操，等.露天煤矿生态环境遥感监测与评价方法研究——霍林河一号露天矿为例[J].中国矿业，2009，18(6)：61-64.

[10] 王建，祁元，陈正华，等.基于遥感技术的生态系统服务价值动态评估模型研究[J].冰川冻土，2006，28(5)：739-747.

[11] 陈龙乾，郭达志，胡召玲，等．徐州矿区土地利用变化遥感监测及塌陷地复垦利用研究[J]．地理科学进展，2004，23(2)：10-15．

[12] 卞正富，张燕平．徐州煤矿区土地利用格局演变分析[J]．地理学报，2006，61(4)：349-358．

[13] 陈绪钰．基于多时遥感数据的矿山生态环境动态变化研究[J].金属矿山，2011，40(10)：127-130.

Study on the change trend of mine area ecosystem with high ground-water level：a case study of Huainan Panxie mine

AN Shi-kai1，LI Zhao-long2，HU Zhi-sheng2，CHE Shen3

(1.National Engineering Laboratory of Coal Mine Ecological Environment Protection，Huainan Mining Industry(Group)Co.，Ltd.，Huainan 232001,China；2.school of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China；3.East China Mineral Exploration and Development Bureau，Nanjing 210007，China)

In order to effectively addressing the problems of ecological environment caused by the exploitation of coal resources in mine area with high ground-water level，taking Huainan Panxie mine area as a case，applying remote sensing technology to analyzing plough，the distribution of water and landscape pattern，then analyzing the change of ecosystem structure，drawing the law of overall change of mining area ecosystem structure and transformation between different ecosystems.Based on the change law of mining area ecosystem structure，applying prediction of mining subsidence to calculating the change trend of ecosystem，conclusion that agricultural acreage will decrease year by year，after finishing the coal resources，water area will be the dominant advantage in mine area ecological，and mine area will be aquatic-terrestrial complex ecosystem instead of terrestrial ecosystem，the land use pattern will be optimized.

coal mining area ecological；ecological system；remote sensing；prediction of mining subsidence；change trend

2014-03-28

国家科技支撑计划项目资助(编号：2012BAC10B02)；煤炭生态环境保护国家工程实验室资助项目资助(编号：HNKY-JT-JS(2012)-27)

安士凯(1986-)，男，助理工程师，硕士。

X752

A

1004-4051(2015)01-0040-05