基于RSEI的采煤塌陷积水对生态环境的影响研究

毕卫华，钱倬珺，王 辉，姜念念，黄文亭，花逢春

(1.皖北煤电集团有限责任公司通防地测部，安徽 宿州 234000；2.中国矿业大学公共管理学院，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

由于煤炭开采造成的生态环境问题长期以来受到广泛关注，矿区生态环境的监测、评价、恢复治理等也是研究的热点问题[1]。我国东部煤田分布在高潜水位地区，井下开采造成地表塌陷和积水，尤其是近年来叠加深部开采，造成地面大范围沉陷，逐渐形成塌陷湖泊湿地[2-3]。尽管地表沉陷积水损失了大量耕地，但是湿地具有调节气候、涵养水源等生态功能，合理开发利用能产生显著生态效益和经济社会效益[4-6]，是东部矿区生态恢复的有利条件。皖北地区很多湿地资源没有得到相应的保护，大多数煤矿企业对于湿地资源开发和保护重视程度不够[7]，因此研究塌陷水域的生态环境效应是对矿区生态环境问题研究的进一步深化。

卫星遥感具有长时序、多信息的优点，是地表过程研究的重要手段[8]。近年来，遥感生态指数(RSEI)被应用于矿区生态环境变化研究中，成功地反映了矿区和局部尺度生态环境和优劣等级的多年变化[9]。但是时序RSEI只能反映矿区生态环境的时空变化，无法进行生态环境变化归因。本文尝试将遥感提取数据与统计检验相结合，在研究煤矿塌陷积水区域一定范围生态环境变化的基础上，进一步探究塌陷积水区的形成对周边生态环境的影响规律，可以为矿区生态环境恢复治理及湿地资源保护利用提供指导。

1 研究区概况

研究区以皖北煤电集团任楼煤矿塌陷积水区为中心，东西长6.5 km，南北长10 km。任楼煤矿位于安徽省北部，隶属于濉溪县南坪镇和蒙城县许疃镇，地理坐标为东经116°42′19″～116°48′13″，北纬33°25′36″～33°32′46″。井田东西宽4～7 km，南北长8～11 km，面积42.07 km2，研究区土地覆被情况如图1所示。任楼煤矿自1997年12月31日建成投产以来，已经形成了塌陷积水区面积约340 hm2，水深0～9.0 m。

图1 研究区土地利用覆被情况Fig.1 Land use cover of the research area

研究区地处温带季风气候区，夏季晴热湿润，冬季寒冷干燥，常年主导风向为ENE，次主导风向为E，夏季主要为ESE，温度和降雨由东南向西北递减。研究区内多年平均气温14.5 ℃，多年平均降水量847.2 mm。研究区内地势平坦，地表水体主要为采空塌陷积水，形状不规则，积水主要来源为大气降水和地表潜水，两者为互补关系，以水面蒸发为主要排泄途径。

2 数据与方法

2.1 数据来源

采用Landsat系列遥感影像数据，时点分别为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年的遥感影像为Landsat5 TM数据，2015年和2018年遥感影像为Landsat8 OLI数据。 空间分辨率为30 m，云层覆盖面积小于10%。

2.2 遥感生态指数

RSEI模型见式(1)[10]。

RSEI=(NDVI，WET，NDSI，LST)

(1)

式中：NDVI为绿度指数；WET为湿度指数；NDSI为干度指数；LST为热度指数。 其中，NDVI采用归一化植被指数表示；WET采用缨帽变化中的湿度分量表示；NDSI由裸土指数和建筑指数构成；LST根据研究区实际情况采用地表温度反演算法[11-14]。

遥感影像应用ENVI 5.3 Band Math工具去除背景值干扰，经标准化处理和Layer Stacking工具波段合成，通过主成分分析法和指标耦合方法，获取各分指数的权重[15]。 遥感生态指数计算公式见式(2)。

RSEI=0.504×NDVI+0.102×WET-

0.307×NDSI-0.090×LST

(2)

2.3 统计检验

以塌陷积水区最大范围边界为起点，在北、东、南、西4个方向上按像元提取RSEI值，其中，北方向73个像元，距离2 190 m，南方向49个像元，距离1 470 m，东西方向各115个像元，距离各3 450 m。以2000年数据为基期，假定之后生态环境的变化仅由塌陷积水引起，采用Wilcoxon检验比较遥感生态指数在方向上、年度间的差异，采用二次函数拟合水域影响与距离的关系。

3 结果与分析

3.1 研究区全域RSEI时空变化分析

3.1.1 RSEI及分指数的时间变化

经计算，研究区各期遥感生态指数、绿度指数、湿度指数、干度指数和热度指数标准化后的年度变化见图2。总体上，研究区4个分指数表现为2个上升、2个下降；2个波动大、2个波动小；2个均值大，在0.5以上，2个均值小，在0.5以下。绿度指数呈上升趋势，波动较小，2000年最低，均值为0.732，2018年最大，均值为0.844。湿度指数呈总体上升趋势，但波动较大，均值最低为0.46，也出现在2000年，最高均值为2015年的0.907，2018年略有下降。干度指数最低均值和最高均值分别为0.117和0.436，虽然2000—2015年、2015—2018年均表现为上升趋势，但由于2010—2015年剧烈下降，总体上呈现下降趋势，多项式拟合的二次项系数为-0.038。热度指数呈总体下降趋势，但波动不大，最小均值为2018年的0.288，最大均值出现在2010年，为0.358。遥感生态指数与绿度指数的变化相似，2000年来一直呈增长趋势，平均年度增长0.007，2010—2015年增长较快，年平均增加0.013，其他年度均在均值以下。

由结果可知，2000—2018年，研究区生态环境质量总体上逐渐向好，积水区周边绿度情况整体良好并逐年改善，湿度有较大幅度提升，干度和热度总体下降。湿度与干度受年度降水量变化影响有较大幅度的波动，塌陷积水对改善区域湿度有较大贡献。监测资料显示，研究区2000年以来，年平均气温逐渐上升，热度变化平稳下降应与塌陷积水有关。研究区除水域外，土地利用变化不大，建设用地、裸地占比较低，耕地面积大，对于稳定和提升区域生态环境均发挥了重要作用。

图2 RSEI及分指数的年度变化趋势Fig.2 Variation of RSEI and sub index

3.1.2 RSEI与土地利用的空间变化

研究区遥感生态质量空间分布如图3所示。由图3可知，2000—2005年研究区处于塌陷积水初期，总体而言，生态质量变化不大，略微有上升。其北部建设用地面减少以及未利用地面积减少，生态环境质量好转，中部塌陷积水区面积增加，生态环境质量显著下降。到2010年，煤矿塌陷积水区域进一步扩大，积水区周边零星建设用地减少，耕地结构有所改善，东北部生态环境质量有所提高，塌陷积水区局部下降，周边区域生态环境有所上升。到2015年，塌陷积水区进一步扩大，建设用地逐渐集中并略有增加，建设用地、耕地、未利用地减少，研究区生态环境仍不断改善，积水区周围耕地生态质量提升，中心积水区生态质量恶化。到2018年，塌陷积水区面积略有增加，建设用地、耕地面积基本无变化，积水区生态环境质量恶化，但西北区域以及南部区域耕地生态环境质量提升，研究区整体生态质量改善。

图3 任楼煤矿域遥感生态指数空间变化Fig.3 Spatial variation of remote sensing ecological index in Renlou mining area

3.2 研究区方向RSEI变化分析

3.2.1 距离积水区远近变化特征

以塌陷积水区最大范围边界为起点，取远离水域方向RSEI指数的北、东、南、西4个方向的均值，其随距离变化如图5所示。由图5可知，遥感生态指数呈波动变化，年度间的变化呈现逐年向好趋势。一次拟合遥感生态指数随距离增加而升高，截距为0.766 8，斜率为1.955e-5，塌陷积水区外围3 200 m范围内远离水域生态环境质量更好。在距离积水区距离分别为700 m、1 700 m、3 200 m出现3组低值区，应与某些方向上该位置出现建设用地有关。

3.2.2 方向上的变化特征

以南向距离长度为标准，各方向取塌陷水域外缘1 470 m(49像元)距离数据，将各年度RSEI值平均后数据特征统计见表1，数据分布密度如图5所示。由表1和图5可知，遥感生态质量在方向上差异大，南北比较相似。从中值和平均值、极值来看，其优劣顺序为南>西>北>东，从数据的分布来看，南、西、北向数据集中在高值区，东方向数据分布跨度大，高值区数据相对较少。 遥感生态指数这种分布特征与研究区土地利用特征相符，该塌陷积水区南北方向为农田，东部为煤矿建成区，西部为村庄。

图4 RSEI随积水区距离年度变化图Fig.4 Variation of RSEI with distance from ponding area

表1 水域外围RSEI方向数值特征Table 1 Characteristics of RSEI direction around water area

图5 水域外围RSEI方向数值分布密度Fig.5 Distribution density of RSEI directionaround the water area

3.2.3 时间上的变化特征

取各年度北、东、南、西4个方向数据的均值，其数据分布特征和变化见表2和图6。数据的中值和平均值优劣顺序一致，均为2018年>2015年>2005年>2010年>2000年，整体上随着时间推移逐渐提高。2010年前后是煤炭产能快速提升的阶段，加剧了生态环境损害，2000年后矿区大力推进土地复垦工作，也使2005年遥感生态指数高于2010年。从数据分布看，2005年与2015年、2018年多位于高值区，2000年相对最差。遥感生态环境质量取决于煤炭开采强度和土地复垦与生态恢复力度之间的动态平衡。

表2 RSEI数据均值年度特征Table 2 Characteristics of mean value of RSEI

图6 RSEI数据均值的年度分布密度Fig.6 Distribution density of the mean value of RSEI

3.3 塌陷积水形成后对生态环境的影响

3.3.1 距离对塌陷积水影响的差异分析

以2000年数据为基准，其他年度数据与之做差，距离散点图见图7。 由图7可以看出，塌陷积水对RSEI指数总体上产生正面影响，且随距离由近及远影响增强；4个方向上的影响距离和特点不同，具有明显的差异性，即南北向影响随距离变化大、东西向影响随距离变化小。 由于南向距离较短，与北向在1 500 m范围内同样为增加的趋势，因此选用北向影响距离作为南北向变化趋势，二次拟合结果显示，其影响距离3 568 m，在1 784 m即一半距离处的影响达到最大。东西向影响比较平稳，二次拟合的影响距离为3 480 m，在1 740 m距离处影响最大，西向影响距离7 844 m，在3 922 m处影响最大。取四个方向的平均值，塌陷积水对周边遥感生态指数影响范围为3 720 m，在1 860 m处产生的影响最大。

由于西向1 500～1 700 m处于2005年之后沿路建设了村庄，因此扣除2000年RSEI中没有包含该变化，造成了数据在此处大幅度下降，其均值拟合曲线呈凹型，与其他方向上的趋势相反。东向在500～1 400 m范围经过煤矿厂区，也造成之后的生态指数较2000年下降，整体趋势受到一定影响，造成影响范围拟合结果偏大。而南向由于距离短数据少，上升趋势受一定影响，但从数据分布看，其数据应与北向相似。由此推断塌陷积水的影响范围在南北向上约为3 568 m，在东西向上不超过7 844 m。

图7 遥感生态指数均值分布与二次拟合Fig.7 RSEI mean distribution and quadratic fitting

3.3.2 方向上差异检验

由于各方向数据不服从正态分布，采用Wilcoxon秩和检验，比较各年度4个方向数据的差异性，结果见表3。 由表3可知，塌陷积水对各方向生态环境产生影响不一致，尤其是北向和西向与其他方向均存在极显著或显著差异，对南向和东向的影响不存在统计上的显著差异。这种影响的方向差异性随时间延续，尤其是北向自塌陷积水以来一直与其他方向保持极显著的差异。

3.3.3 时间上的差异检验

采用Wilcoxon秩和检验，比较年度之间同一方向数据的差异性，结果见表4。由表4可知，塌陷积水在同一方向不同年度之间对生态环境产生的影响也不一致，其中2015年与其他年份之间差异小，2010年与其他年度之间具有极显著差异。

表3 四方向差异显著性比较Table 3 Differences comparison of four directions

表4 年度间差异显著性比较Table 4 Differences comparison between years

4 结论与讨论

4.1 结论

本文采用遥感和GIS技术，获取矿区塌陷地自采煤以来近20年的RSEI作为评估生态环境优劣的指标，对研究区生态环境变化进行了总体时空变化分析，对提取的4个方向上RSEI数据进行了其距离、方向、时间上变化分析，经扣除基期干扰后分析了塌陷积水对周边生态环境的影响特征。得出主要结论如下所述。

1) 皖北煤电任楼矿域近20年来，生态环境逐渐改善，土地复垦与生态恢复工作成效显著，生态环境的变化决定于煤炭开采活动强度和土地复垦与生态恢复力度的平衡。

2) 采煤塌陷积水总体上对周边生态环境产生正面影响，影响强度随距离增加呈“凸型”抛物线变化，平均影响范围约3.7 km，南北向和东西向影响范围不同，南北向影响范围约3.5 km，东西向影响范围不超过7.8 km。

3) 采煤塌陷积水对周边生态环境的影响具有显著的方向性差异和年度变化特征。

4.2 讨论

水是生态系统不可或缺的重要环境要素，水分充足的地方往往容易形成良好的生态环境。我国东部高潜水位矿区，井下采煤形成大面积地表塌陷积水区，在损毁耕地的同时也为矿区生态环境建设提供了潜在的水资源条件。但是地表塌陷形成的积水湖与天然湖泊或人工湖有显著不同，积水区周边拉坡地土壤渍水严重，造成农作物减产或无法耕种。从影响强度随距离的“凸型”曲线也可以看出，在靠近塌陷积水区生态环境受到的正面影响较小，甚至出现下降的情况，最主要的原因可能是拉坡地土壤渍水。因此，塌陷积水区形成后，必须通过土地复垦与生态恢复工程措施，抬高积水区周边一定范围的地面标高，才能更好地改善周边生态环境，发挥地表水资源的巨大作用。

积水区东西两边由于村庄和煤矿工业区的存在和建设，造成水域对生态环境影响趋于平缓。这种变化可能是建设区位于塌陷盆地短轴，拉坡地不明显，同时建设区保持了地势较高、地形平整的原因。积水区西向对生态环境的影响大于东向，应与该地夏季主导风向为东风和东南风有很大关系，这种影响在南北向也有体现。这与林浩等[16]、王咏薇等[17]研究结果一致。因此可以推断，塌陷积水对周边生态环境的影响主要是通过改变地形提高土壤水分含量和主导风向输送水汽产生影响；地形改变产生的影响变化大，风向的影响变化平稳，塌陷积水区下风向更有利于生态环境改善。