賈斐斐，丁忠義，毛夢(mèng)祺，王　慧

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116 )

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采煤驅(qū)動(dòng)下高潛水位礦區(qū)地表水時(shí)空特征變化研究：以大屯礦區(qū)為例

賈斐斐，丁忠義，毛夢(mèng)祺，王慧

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116 )

選用1984～2014年六期大屯礦區(qū)時(shí)間序列的TM/ETM+影像，基于遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，運(yùn)用模型(TM3-TM5)/(TM3+TM5)對(duì)大屯礦區(qū)地表水信息提取，從面積變化進(jìn)行了宏觀分析。并在Fragstats4.0軟件平臺(tái)支持下，借助景觀生態(tài)學(xué)的理論和方法，選取斑塊類型面積(CA)、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊平均面積(MPS)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、面積加權(quán)的平均斑塊分維數(shù)(AWMPFD)、斑塊凝聚度(COHESION)、景觀破碎度(CI)等指標(biāo)詳細(xì)地刻畫了地表水資源時(shí)空變化特征。研究結(jié)果表明，采礦活動(dòng)將導(dǎo)致地表水面積增長，但增長的表現(xiàn)形式不一。采礦前期主要是表現(xiàn)為面積較小的水域斑塊數(shù)量的快速增加；采礦中后期則同時(shí)表現(xiàn)為水域斑塊的融合與單個(gè)斑塊面積的擴(kuò)大。此外近年來礦區(qū)地表水域破碎化程度在降低，同時(shí)其斑塊邊界愈加復(fù)雜、不規(guī)則。

地表水；景觀格局；時(shí)空特征；大屯礦區(qū)

我國東部地區(qū)煤炭資源開采最早、歷史最長，如淮南、徐州等地采礦歷史已超過半個(gè)世紀(jì)。在采礦過程中，由于采空區(qū)應(yīng)力變化波及地表，地表沉降形成塌陷坑、下沉盆地等。而東部大部分地區(qū)為沖積平原且地下水位較高，加之降水以及采礦生產(chǎn)過程排水等因素驅(qū)動(dòng)下易形成塌陷坑季節(jié)積水區(qū)以及常年積水區(qū)。從而淹沒礦區(qū)耕地，使農(nóng)田生態(tài)轉(zhuǎn)為水域生態(tài)。根據(jù)近年來我國中東部的開灤、淮北、平頂山、徐州、兗州等地區(qū)的礦區(qū)土地塌陷統(tǒng)計(jì)調(diào)查顯示，我國各礦區(qū)每采1萬t煤，礦區(qū)土地的塌陷影響面積約為0.2hm2；每采煤1萬t，因塌陷坑積水造成礦區(qū)耕地絕產(chǎn)需征地面積約為0.067hm2[1]。為了科學(xué)進(jìn)行礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建工作，需進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦區(qū)塌陷積水面積的測(cè)算與塌陷積水區(qū)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[2]。而遙感技術(shù)也因?yàn)槠浍@取數(shù)據(jù)范圍大，周期短，更新快等特點(diǎn)而越來越多地應(yīng)用于礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中[3-6]。目前，對(duì)于礦區(qū)地表水變化方面的研究多傾向于利用遙感解譯較為宏觀的研究礦區(qū)塌陷積水區(qū)歷年的面積變化[7]，而本文將從景觀生態(tài)學(xué)角度，將礦區(qū)地表水作為一個(gè)景觀整體，引入景觀指標(biāo)分析其整個(gè)礦區(qū)地表水域斑塊的時(shí)空特征變化，以期能對(duì)礦區(qū)地表水的時(shí)空變化特征進(jìn)行探索。

1　研究區(qū)概況

大屯礦區(qū)位于蘇、魯兩省交界的微山湖畔，地處34°52′～34°59′N，116°44′～116°50′E。屬于暖溫帶濕潤半濕潤季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥、春季干旱少雨、夏季高溫多雨、秋季天高氣爽，四季分明。多年平均氣溫13.9℃，平均降雨812.7mm，年均蒸發(fā)量1672.8mm。礦區(qū)地處黃灘高潛水位平原地區(qū)，一般地表下沉1m左右就會(huì)出現(xiàn)季節(jié)性積水。因此，受開采影響，土地沉陷經(jīng)常伴隨著塌陷積水區(qū)的出現(xiàn)。

大屯礦區(qū)有姚橋、徐莊、孔莊、龍東四對(duì)礦井，分布在江蘇沛縣及山東微山縣境內(nèi)(圖1)。其中前三座礦井主要開采微山湖底壓煤。其研究期內(nèi)年產(chǎn)量見表1。

圖1　大屯礦區(qū)四礦分布

礦區(qū)1984年1990年1996年2002年2008年2014年姚橋煤礦135.6113.1141.5341.0380.1434.2徐莊煤礦62.579.4103.0126.0140.5220.0孔莊煤礦33.844.874.2117.896.6138.0龍東煤礦———85.198.2116.693.6132.1

2　數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的數(shù)據(jù)是軌道行列號(hào)為P122R36，時(shí)間為1984年4月20日、1990年5月9日、1996年2月19日、2002年9月12日、2008年4月8日的LandsatTM遙感影像以及2014年6月1日的LandsatETM+遙感影像資料，分辨率為30m。所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行了日照差異糾正，并結(jié)合沛縣1∶5萬地形圖及其矢量化數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像幾何校正。降水量、年平均氣溫、蒸發(fā)量等氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//data.cma.gov.cn)。此外，收集了礦區(qū)礦界及復(fù)墾整治方案相關(guān)資料。

2.2研究方法

2.2.1遙感解譯水信息提取

目前基于遙感影像的水體信息提取方法可以歸納為監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、譜間關(guān)系法、閾值法以及歸一化水體指數(shù)，或者是融合譜間關(guān)系法、閾值法以及指數(shù)法幾種方式的綜合法[8-12]。針對(duì)不同用途，水體信息有不同的最優(yōu)提取方案。經(jīng)過比對(duì)分析，本文選擇改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)(MNDWI)提取礦區(qū)地表水，其公式如下。

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

式中：Green代表綠光波段；MIR為中紅外波段，在LandsatTM/ETM+中分別為2波段、5波段。

結(jié)合目視解譯對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行修改。應(yīng)用GoogleEarth軟件平臺(tái)，隨機(jī)選取30個(gè)分類樣本點(diǎn)比較分類結(jié)果，發(fā)現(xiàn)解譯精度比較理想，滿足礦區(qū)地表水研究要求。

利用ENVI5.0遙感軟件的波段運(yùn)算，結(jié)合相應(yīng)時(shí)相的真彩色合成影像圖，選取相應(yīng)的閾值(0.158112～0.189873)提取水體信息，將提取出的各期礦區(qū)地表水體信息導(dǎo)出為矢量數(shù)據(jù)?；贏rcGIS中ArcTools模塊生成不同時(shí)期礦區(qū)地表水分布柵格圖，并分別建立徐莊、姚橋、孔莊、龍東礦區(qū)地表水信息數(shù)據(jù)庫。

2.2.2景觀格局指數(shù)選擇及計(jì)算方法

ENVI波段運(yùn)算提取的水域信息雖然可以反映礦區(qū)地表水面積變化狀況，但這一單一指標(biāo)較為宏觀與籠統(tǒng)。地表水的時(shí)空變化特征還需要地表水域斑塊數(shù)量變化、新增水域斑塊聯(lián)通性的好壞，破碎程度及聚集程度等更為詳細(xì)的刻畫。本次研究結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)研究成果，選取斑塊類型面積(CA)、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊平均面積(MPS)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、面積加權(quán)的平均斑塊分維數(shù)(AWMPFD)、斑塊凝聚度(COHESION)、景觀破碎度(CI)等指標(biāo)，以便綜合全面地分析礦區(qū)地表水在采礦影響下的時(shí)空特征變化，見表2。

表2　景觀指數(shù)及其計(jì)算方法

說明：表格中表示第i類景觀j斑塊的面積，n表示第i類景觀的斑塊數(shù)，Ai表示第i類景觀的總面積，A表示所有景觀總面積；pij表示第i類景觀j斑塊的周長。

3　結(jié)果與分析

3.1礦區(qū)地表水域面積變化分析

經(jīng)ENVI提取遙感影像，獲取大屯礦區(qū)地表水面積如圖2所示。從圖2可以看出1984～2014年研究區(qū)地表水面積總體呈上升的趨勢(shì)。礦區(qū)地表水總面積從2573.48hm2增加到6992.97hm2，增長了近2倍。

此外，2002年大屯礦區(qū)水域面積驟然減小，其變化表現(xiàn)出很大的典型性，這主要是由2002年礦區(qū)所在地爆發(fā)的特大旱情導(dǎo)致。受旱情影響，周圍農(nóng)業(yè)灌溉需大量從南四湖水域引渠用水，致使南四湖水量驟減，而姚橋、徐莊、孔莊礦井除位于陸地下部分，還有部分礦井位于南四湖水域之下，因此姚橋、徐莊、孔莊礦井地表水面積在2002年都呈現(xiàn)下降趨

圖2　1984～2014年各礦區(qū)地表水面積

圖3　1984～2014年各礦區(qū)地表水域景觀指數(shù)變化趨勢(shì)

勢(shì)。而龍東礦井位于陸地下，其水域面積只受到氣候影響，增速明顯變緩，并未出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.2礦區(qū)地表水域斑塊類型指數(shù)變化特征

隨著采煤活動(dòng)的進(jìn)行，地表受采動(dòng)影響，發(fā)生沉陷，在雨水富集、地下水滲出等作用下，形成眾多的水域斑塊，地表水斑塊數(shù)量總體呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，見圖3(a)。1984～1996年斑塊數(shù)量增長較快，1996～2014年斑塊數(shù)表量增速放緩。這主要是由于1984～1996屬于采礦前中期，采礦擾動(dòng)還未或剛波及地表，形成一個(gè)個(gè)沉陷坑。而隨著采礦時(shí)間的推移(1996～2014年)，煤炭開采活動(dòng)轉(zhuǎn)化為下覆煤層的重復(fù)采動(dòng)，因而地表擾動(dòng)形式主要表現(xiàn)為已有沉陷坑的范圍擴(kuò)張，這一過程中也導(dǎo)致部分相鄰沉陷坑出現(xiàn)了相互融合的現(xiàn)象，所以在這一階段新增沉陷坑數(shù)量相對(duì)放緩。

水域斑塊形狀指數(shù)反映水域斑塊的復(fù)雜程度，形狀指數(shù)越大，斑塊形狀就越不規(guī)則，曲折程度就越高，表示受到人類活動(dòng)干擾越大，反之則斑塊越規(guī)則越平滑，表示受人類活動(dòng)影響較小。圖3(b)表明研究區(qū)水域形狀指數(shù)整體呈現(xiàn)增長趨勢(shì)即水域斑塊形狀日趨不規(guī)則，受到了采礦活動(dòng)較大的干擾。面積加權(quán)的平均斑塊分維指數(shù)(AWMPFD)取值范圍1～2，越接近于1，表示斑塊形狀越接近于圓形或正方形，越接近于2則表示斑塊形狀越復(fù)雜，所受干擾越強(qiáng)烈，理論上限一般趨近于1.5。如圖3(c)所示，1984～2014年，姚橋、徐莊、孔莊、龍東礦AWMPFD值總體呈逐年上升趨勢(shì)，最高值已達(dá)1.23，說明礦區(qū)水域斑塊形狀越來越復(fù)雜，受采礦干擾日益嚴(yán)重，這與水域形狀指數(shù)所反映的結(jié)果相印證。

平均斑塊面積(MPS)、斑塊凝聚度(COHESION)、景觀破碎度(CI)在一定程度上都可表示斑塊類型破碎化程度。一般認(rèn)為具有較小MPS值的斑塊比具有較大MPS值的斑塊，破碎度更大，從圖3(d)可看出水域斑塊平均面積前期變化雖然極不穩(wěn)定，但2008～2014年開始，姚橋、徐莊、孔莊、龍東路礦水域斑塊面積都出現(xiàn)了明顯的增加趨勢(shì)，這也表明研究區(qū)水域斑塊破碎度程度降低，這一結(jié)果與圖3(e)所顯示的破碎度變化狀況相印證。景觀破碎度(CI)也在后期呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，表明研究區(qū)水域斑塊分布狀態(tài)在逐漸趨于穩(wěn)定。此外斑塊凝聚度(COHESION)值都在95%～100%之間圖3(f)，表明研究區(qū)水域斑塊連通性較好。

4　結(jié)　論

大屯礦區(qū)水域面積總體呈現(xiàn)增長趨勢(shì)。采礦中前期，地表水域總面積的增大主要是采礦初期采動(dòng)影響剛波及地表，地表新增較多小型沉陷積水坑導(dǎo)致。而采礦后期，由于隨著采礦活動(dòng)的進(jìn)行，地表沉陷范圍擴(kuò)大，部分零散分布的相鄰沉陷坑相互融合，雖然礦區(qū)水域斑塊數(shù)量新增速度變緩，但平均水域斑塊面積增大，礦區(qū)地表水面積依然表現(xiàn)出強(qiáng)力的增長態(tài)勢(shì)。并且隨著零散沉陷坑的擴(kuò)張及臨近沉陷坑的相互融合，大屯礦區(qū)斑塊凝聚度逐年增加、水域斑塊的破碎度逐漸降低。此外景觀形態(tài)指數(shù)、面積加權(quán)的平均斑塊分維數(shù)增加，表明采礦活動(dòng)對(duì)地表水干擾日益嚴(yán)重，致使水域邊界愈加復(fù)雜、不規(guī)則。

本次研究結(jié)果表明，礦區(qū)地表水時(shí)空特征變化具有復(fù)雜性。斑塊指標(biāo)的引入有助于分析礦區(qū)水域不同時(shí)期變化的內(nèi)表現(xiàn)形式，以及水域空間特征演化的規(guī)律。這在一定程度上彌補(bǔ)了水域面積變化這一宏觀指標(biāo)的模糊性與片面性。因而，礦區(qū)水域微觀變化特征的細(xì)致指標(biāo)有待進(jìn)一步的探索與研究，從而為礦區(qū)水域?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)變化模型的建立與模擬預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

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Study on spatial-temporal characteristics of surface water change in high underground water mining area that driven by coal mining：a case study of Datun mine area

JIAFei-fei，DINGZhong-yi，MAOMeng-qi，WANGHui

(SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China)

usingDatunminearea’sthesixthphasetime-sequencedTM/ETM+imagethatthetimeis1984～2014，andbasedonremotesensing(RS)andgeographicalinformationsystem(GIS).Toapplymodel(TM3-TM5)/(TM3+TM5)toextractinformationofDatunminearea’ssurfacewater.Andanalysesareachangefrommacroscopic.WiththesupportofsoftwareplatformFragstats4.0，alsowiththehelpofthemethodsfromlandscapeecology，choosingClassArea(CA)，PatchNumber(NP)，MeanPatchSize(MPS)，LandShapeIndex(LSI)，AreaWeightedMeanPatchFractalDimension(AWMPFD)，COHESION，LandscapeFragmentationIndex(CI)thoseindexesandithavedetailedcarvingsofsurfacewaterresourcesspatial-temporalcharacteristics.Theresultsprovethatminingactivitywillenlargesurfacewater’sarea.Buttheformofexpressionisquitedifferent.Attheearlystageformining，itshowsthequantityofthesmallpatchesriserapidly.Atthemiddle-latestageformining，itshowsthefusionofthepatchandsinglepatch’sexpansion.Furthermore，recently，thesurfacewaterinminingareaandithasalowerdegreeoflandscapefragmentation，meanwhile，theborderareincreasinglycomplexandirregular.

Landscapepattern；surfacewater；spatial-temporalcharacteristics；Datunminearea

2016-01-15

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAB11B06)

賈斐斐(1992-)，女，漢族，陜西延安人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥恋刭Y源利用與監(jiān)測(cè)。E-mail：yiyiyeying@163.com。

丁忠義(1975-)，男，漢族，山西寧武人，博士研究生，碩士生導(dǎo)師，主要從事區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展、土地資源利用方面的研究。E-mail:dzy2002@126.com。

P641

A

1004-4051(2016)08-0147-05