高潛水位礦區生態系統演變趨勢研究：以淮南潘謝礦區為例

安士凱，李召龍，胡志勝，車 申

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司煤礦生態環境保護國家工程實驗室,安徽 淮南 232001; 2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州221116;3.有色金屬華東地質勘查局，江蘇 南京 210007)

綠色礦業

高潛水位礦區生態系統演變趨勢研究：以淮南潘謝礦區為例

安士凱1，李召龍2，胡志勝2，車 申3

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司煤礦生態環境保護國家工程實驗室,安徽 淮南 232001; 2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州221116;3.有色金屬華東地質勘查局，江蘇 南京 210007)

為了有效地應對高潛水位礦區煤炭資源開采后帶來的生態環境問題，以淮南潘謝礦區為研究區域,應用遙感技術分析了耕地、水體分布以及景觀格局，分析了生態系統結構的變化，得出了礦區生態系統結構總體變化規律以及不同生態系統相互轉化規律。應用開采沉陷預測技術，基于礦區生態系統結構的變化規律，預測了生態系統演化趨勢，得出的結論為：耕地面積逐年減少，礦區煤炭資源完全開采結束時，礦區的生態景觀將由水域占絕對主導優勢，礦區由陸地生態系統向水陸復合生態系統演變，土地利用模式將優化。

煤礦區;生態系統;遙感;開采沉陷預測技術;演變趨勢

我國以煤炭為主要能源，隨著煤炭資源的開發，礦區生態環境問題已變得日益突出，如何準確監測礦區生態問題的變化，如何預測礦區未來生態環境的變化并采取相應的保護措施成為當今研究的熱點。國內外對礦區生態環境的研究取得了較多的成果[1-8]，主要研究內容包括礦區地表沉陷的監測、生態環境的修復以及環境影響的評價等。遙感技術作為一種監測手段，已經廣泛應用于礦區生態環境的研究[9-13]。本文基于開采沉陷預測技術以及遙感技術，對淮南潘謝礦區的生態演變趨勢進行研究。

1 概述

淮南礦區位于華東經濟發達區腹地，是以煤炭、電力為主的能源生產基地，為我國的13個大型煤炭基地之一。區內的淮河將淮南礦區自然分隔成兩個區域，淮河以南礦區經過長期的開發，煤炭資源接近枯竭，開采重心向淮河以北轉移。淮河以北的潘謝礦區為平原地區，總體地勢西北方向高，東南方向低，屬于河間淺洼平原。

由于煤炭資源的不斷開發，沉陷區不斷擴大，該區的生態系統出現了明顯的變化。耕地和建筑用地逐漸減少，影響了傳統農業的發展，為了有效地應對這一系列問題，必須摸清礦區開發后生態系統的演變趨勢，才能夠采取相應的措施進行治理。

2 礦區開發歷史及規劃

淮南礦區的開發歷史已有110年之久，建國以來，礦區的產量更是得到迅速發展，從1949年到2010年，產量增加了59倍(見圖1)。目前，淮南礦業集團正在生產的煤礦共有14個，分別分布在淮河南北。

礦區內有6個主采煤層，屬中厚-厚煤層，礦井煤炭資源儲量十分豐富。2011年，淮南礦業集團公司完成原煤產量6751萬t，2012年為7100萬t。根據礦井系統能力，結合采場情況和集團公司規劃，2013～2020年，集團公司原煤產量每年在7000萬～7500萬t，按照上述規劃，淮河以北的淮南潘謝礦區2011～2020年可累計生產原煤約6.6億t。2021～2030年潘謝礦區原煤產量每年穩定在7500萬t，累計生產原煤約7.5億t。

圖1 1949～2010年淮南礦區煤炭產量

3 礦區生態系統基本格局

淮南潘謝礦區屬于北部平原生態農業與礦業發展區中的引導開發區，該區域目前生態穩定性較好，能承受一定的外部干擾，開發利用主要的方向是煤炭資源的開采。

根據遙感圖像解譯和實地調查，自淮南潘謝礦區煤炭資源大規模開發以來，礦區生態系統內共有5種生態系統類型，主要分布及生態特征見表1。目前農田生態系統占有絕對優勢；其次為村鎮生態系統和水域生態系統，呈斑塊狀分布于礦區內。林地生態系統所占比例最小，主要零星的分布在道路兩側。

4 礦區開發對生態系統的影響分析

4.1 耕地面積變化分析

地下煤炭資源開采后，對地面造成的最直接影響是地表沉陷并形成沉陷積水區，從而造成耕地資源的損失。礦區煤層厚度大，開采強度高，地表有巨厚沖積層覆蓋(一般大于300m)，潛水的埋藏深度僅1.4m左右，開采后地表容易形成大面積積水區域，難以繼續耕作。根據不同時相遙感影像的分類統計結果，可以得出淮南潘謝礦區耕地面積變化與累計原煤產量之間的關系，見圖2。

圖2 淮南潘謝礦區耕地面積變化與累計原煤產量之間的關系

由圖2可知，隨著原煤產量的不斷增加，淮南潘謝礦區的耕地面積直線下降。根據遙感圖像解譯和實地調查，在1990～2000年的10年時間里，淮河以北淮南潘謝礦區僅潘一、潘二、潘三礦投產，開采強度相對較低，平均每年原煤產量僅為1281萬t，耕地面積減少了16.6041km2；2000～2006年的6年時間里，隨著潘謝礦區張集、顧北等新礦的陸續投產，礦區的采能有了較大幅度的調高，平均每年原煤產量達到275萬t造成大面積的土地沉陷，耕地面積減少了11.6662km2；2006～2010年的5年時間里，礦區的開采強度增大，平均每年原煤產量為5385萬t，耕地面積減少幅度大幅增加，達到16.2063km2。總的來說，淮南潘謝礦區耕地面積與累計原煤產量之間存在顯著的線性相關關系，產量不斷增加，耕地面積則不斷減少。

4.2 地表水分布變化分析

淮南潘謝礦區地勢較為平坦，潛水位高，煤炭資源開采后容易引起地面積水，根據礦區不同時相的TM和ETM+影像提取的地表水體信息，對淮南潘謝礦區地表水體的分布變化規律進行研究。將礦區2000年與2010年的水體分布圖做變化檢測，將獲取的2000～2010年的礦區水體變化圖與開采引起的地表下沉等值線圖進行疊加(圖3)，以便進一步研究礦區水體變化與采煤活動之間的關系。

圖3 淮南潘謝礦區水體變化與地表沉陷疊加圖

由圖3可知，2000～2010年，礦區水體的分布發生了較大的變化。分析變化出現的位置，可知：礦區縮減的水體多分布在原有河流、湖塘的周邊，分析其原因，除去水體提取誤差外，主要是因為河流和湖塘本身因為不同季節的降水量不同導致的水體面積的變化；而新增的水體大多相對封閉，與采煤活動密切相關，分布的范圍均在采煤引起的地表沉陷的范圍之內，大都是由沉陷引起的塌陷水體。分析塌陷水體與地表下沉等值線圖的位置，可知：塌陷水體的積水范圍受到沉陷大小、地形、地下水位等的綜合影響。

由圖3可知，2000～2010年，礦區水體的分布發生了較大的變化。分析變化出現的位置，可知：礦區縮減的水體多分布在原有河流、湖塘的周邊，分析其原因，除去水體提取誤差外，主要是因為河流和湖塘本身因為不同季節的降水量不同導致的水體面積的變化；而新增的水體大多相對封閉，與采煤活動密切相關，分布的范圍均在采煤引起的地表沉陷的范圍之內，大都是由沉陷引起的塌陷水體。分析塌陷水體與地表下沉等值線圖的位置，可知：塌陷水體的積水范圍受到沉陷大小、地形、地下水位等的綜合影響。

4.3 景觀格局變化分析

礦區的煤炭開采對地面環境的擾動往往能夠引起景觀格局的變化，根據淮南潘謝礦區的特點，在景觀級別從面積、密度、形狀、聚散性和多樣性等不同角度分別選取斑塊數量(NP)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)、蔓延度(CONTAG)與香農多樣性指數(SHEI)5個指數評價礦區的景觀格局在煤炭開采影響下的變化趨勢。

通過對遙感影像分類文件進行處理，得到景觀格局指數計算結果，見圖4。可知淮南潘謝礦區在1990～2006年，景觀斑塊數量、多樣性指數基本逐年增加，蔓延度指數逐年減少，說明礦區景觀斑塊數量不斷增加，景觀的破碎程度不斷增大，異質性增加。2006～2010年聚散性指標有小幅增加，多樣性指標有小幅減小，礦區的景觀團聚程度趨于穩定。邊緣密度和形狀指數指標在1990～2010年總體保持增加的趨勢，說明礦區景觀斑塊形狀越發復雜，斑塊與外界物質與能量的交換程度越來越高，受到的外界干擾越來越大。由以上分析可知，1990～2006年，在淮南潘謝礦區的開發期和成長期內，隨著煤炭資源的不斷開采，礦區景觀格局的結構發生變化，景觀的多樣性和異質性增加，礦區從相對單一的生態系統向復雜的生態系統轉變；隨著礦區的進一步發展，2006～2010年，礦區的團聚程度和多樣性指標變化較小，整個生態系統趨于穩定。

5 礦區生態系統結構變化規律及演化趨勢

5.1 礦區生態系統結構變化規律

5.1.1 礦區生態系統結構總體變化規律

根據淮南潘謝礦區1990年、2000年、2006年和2010年遙感影像分類結果，對礦區各個地物類型面積進行統計(見表2)，結合礦區資料進行分析，得到礦區不同地類與累計原煤產量之間的關系，見圖5。

圖5 淮南潘謝礦區土地利用結構變化與累計原煤產量關系圖

由圖表可知，隨著煤炭資源的大面積開采，礦區生態系統的結構有較大的改變，主要表現在：耕地面積逐漸減少，水體面積直線增加，而建筑用地在總量基本保持不變的前提下，呈現“先增加后減少”的規律。

5.1.2 礦區不同生態系統相互轉換規律

通過對1990年和2010年分類圖像作變化進行檢測，得到變化轉移矩陣見表3。

由表3可知，淮南潘謝礦區主要的生態系統相互轉化的類型為：耕地向水體轉變、建筑用地向水體轉變以及耕地向建筑用地轉變，其中耕地和建筑用地向水體轉變與采礦活動密切相關。

由于煤炭資源的開采有“趨利避害”的特點，煤礦一般首先開采耕地下的煤炭資源，在建筑用地及重要交通用地、水體下設置保護煤柱，推遲或不再開采這部分資源。而礦區生態環境的演變主要是由煤礦開采活動驅動的，因此，根據理論分析，礦區的生態環境演化過程的一般順序應為：①耕地沉陷，變為積水區；②居民遷徙；③建筑物用地變為積水區；④交通用地變為積水區。

5.2 礦區生態系統演化趨勢

根據淮南潘謝礦區的開采規劃，結合煤礦開采對礦區生態系統的具體影響和礦區生態系統結構的演變規律，分別對淮南潘謝礦區2010年、2020年、2030年及礦區所有煤炭資源完全開采后的生態系統結構發展變化進行預測，得到結果見表4。

由表2和表4可知，淮南潘謝礦區1990年耕地面積占總面積的70.30%，是以耕地生態系統為主，單純為農業生產服務的生態系統；2010年，經過近20年的開發，礦區呈現出以農業植被、水域和居民工礦區3種生態景觀為主的型態，但農業植被仍占絕對優勢，耕地面積占總面積的比例仍然達到63.59%，此時區域生態功能已經由單純的農業生產服務演變為以煤炭資源開發為主導。隨著礦區的進一步開發，水域景觀得到逐漸強化，生態系統結構出現明顯的變化。按照煤礦2010～2030年的開采規劃和開采速度，預計到2027年，耕地的面積將減少到總面積的50%以下；預計到2051年，水體的面積將達到總面積的50%以上；到礦區煤炭資源完全開采結束時，礦區生態將由水域占絕對主導優勢。

6 結論

由于淮南潘謝礦區煤炭資源的高強度開采，礦區的生態系統結構將會出現明顯的變化。耕地面積由原來的70.30%，2010年減少到63.59%，2027年減少到50%以下，水體面積2051年將達到50%以上，礦區由陸地生態系統向水陸復合生態系統演變，對區域的土地利用模式和生態環境將產生顯著影響。下一步根據沉陷類型提出適宜的土地利用模式，變害為利，提高采煤沉陷區綜合利用率，居民區將采用搬遷建鎮模式等，繼續保持地區社會、經濟和環境的可持續發展。

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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

國家科技支撐計劃項目資助(編號：2012BAC10B02)；煤炭生態環境保護國家工程實驗室資助項目資助(編號：HNKY-JT-JS(2012)-27)

安士凱(1986-)，男，助理工程師，碩士。

X752

A

1004-4051(2015)01-0040-05