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采煤驱动下平原小流域生态演变规律及评价

孟磊  
【摘要】: 流域是地表水系的集水区域,流域内生态系统相对完整。在自然状态下,受气候、水文、地质活动的影响,流域生态演变是缓慢和渐进的,但是,在人类活动的干扰下,尤其是水利水电开发、矿山开采、毁林造田等活动,流域生态在短时期内发生了强烈的变化。其中,在煤炭资源蕴藏丰富的流域,煤炭资源的强烈开采严重破坏了水土资源,对小流域水文、土地利用、植被覆盖、景观等生态要素产生巨大影响,显著改变了流域生态系统。深入、系统地研究采煤驱动下流域生态演变规律,评价采煤对流域生态的影响,对于保护流域生态平衡,实现水土资源可持利用和煤炭资源绿色开采具有重要意义。 基于上述背景,在国家环境保护公益性行业科研专项“煤炭井工开采的地表沉陷监测、预报及生态环境损害累积效应研究”(200809128)和国家863计划项目“矿山复杂地表环境下地物信息自动提取与目标识别的若干关键技术”(2007AA12Z162)支持下,本文以淮南泥河流域为例,根据流域生态学、地理学、开采沉陷学、景观生态学、生态影响评价等理论,采用遥感与地理信息技术,运用遥感影像、数字高程模型、矿井采掘工程资料等多源数据,从小流域尺度系统地研究了采煤驱动下流域地表水体、土地利用与景观格局演变规律,综合评价了采煤对流域生态的影响。论文取得以下主要成果: (1)采用Landsat MSS/TM数据进行了泥河流域水体提取和土地利用分类,引入NDVI、NDBI、MNDWI等指数特征以及TM Band 4的Mean、Variance、Entropy 3种纹理测度,建立了基于SVM的分层分类方案,结果表明所构建的分类方案具有较高精度,各年份分类结果Kappa系数均达到了0.8以上。 (2)根据采煤对水体的影响特征,将流域水体划分为塌陷水体、受采煤影响水体和其它水体3种类型,提出了井下采场信息支持下流域不同类型水体识别方法与技术流程。泥河流域的识别结果表明塌陷水体自1987年的6.17hm~2增加至2009年的1031.55hm~2,泥河受影响范围由1987年的170.49hm~2增加至2009年的475.94hm~2,塌陷预计结果显示,2020年和2030年塌陷水体面积分别达到5879.43hm~2和7736.2hm~2,分别占流域水体总面积59.31%和66.25%。 (3)提出了遥感影像分类后水体变化检测方法,综合采用动态度、水体变化检测、水体分布重心分析了采煤驱动下泥河流域地表水体时空演变特征,采用水体密度、区位熵指数比较了矿区内、外水体聚集特征差异。结果显示,1987年至2009年流域水体重心向塌陷水体扩展方向迁移了4.67km,矿区水体密度和区位熵指数逐年升高,2009年达到1987年的1.6倍以上。矿区水体密度和区位熵指数高于矿区外,2009年达到矿区外的2倍以上,说明矿区是流域内水体最为密集、演变最为剧烈的区域。构建了一种简单有效的流域水体演变采煤驱动指数(CMWDI),泥河流域年均CMWDI由1987-1994年的0.87升高至2006-2009年的4.13,表明采煤对流域水体演变的驱动力在逐渐增强。 (4)采用土地利用变化动态度与面积变化幅度分析了泥河流域土地利用变化特征,构建了单一地类和综合土地利用变化采煤驱动指数(CMLDI),以泥河流域为例分别评价了流域和矿区尺度下土地利用变化的采煤驱动力。结果表明在流域尺度下采煤对水体演变的驱动力最强,其次是耕地、建设用地、林地和园地,矿区尺度下的单一地类与综合采煤驱动指数均大于流域尺度,无论矿区尺度还是流域尺度,综合采煤驱动指数呈波动性上升,采煤对流域和矿区土地利用变化的驱动力在逐渐增强。 (5)采用RUSLE模型,提出了基于DEM的采煤塌陷盆地土壤侵蚀LS因子计算方法,并对潘北矿塌陷盆地土壤侵蚀进行了计算。结果表明,塌陷盆地最大土壤侵蚀模数比塌陷前增加78%,侵蚀模数增加显著的地区位于塌陷盆地边缘,在塌陷不积水的情况下,区域总侵蚀量比塌陷前增加23%,塌陷积水减少了区域内土壤侵蚀发生面积,使区域总侵蚀量仅增加0.4%。该方法适用于计算平原地区采煤塌陷盆地土壤侵蚀。 (6)基于景观指数分析了采煤驱动下泥河流域景观格局演变规律。结果表明:在景观尺度上,泥河流域1987至2006年景观格局向破碎化、异质化和低连通性发展,2006年至2009年流域景观向连续化、均一化及高连通性方向发展;在类型尺度上,耕地是流域景观的模地,但是其优势度指数由1987年的63.38下降至2009年的58.85,塌陷水体优势度由1987年的0.12上升至2009年的2.69。塌陷水体斑块数量、边缘密度也逐渐升高,采煤对流域景观的异质化、破碎化和边缘效应的影响逐渐增强。采煤活动形成的斑块连通性大于流域其它斑块类型连通性。 (7)筛选了采煤生态影响的关键因子,构建了平原小流域采煤生态响应指数(ERIcum),并提出了生态影响评价技术流程。泥河流域评价结果表明2009年至2030年流域植被覆盖指数、生物丰度指数逐渐降低,土地退化指数与水体密度指数逐渐升高,水体密度指数增长幅度大于其它指数变化幅度,导致生态响应指数升高。但是,采煤导致的生物多样性降低、植被覆盖减少等负面效应还应当引起重视。


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