基于ENVI的朱芦采煤沉陷区面积变化模拟及分析

郑佳重，　朱　梅，　周　婷，　赵家祥，　赵　博

(1.安徽省水文局，安徽 合肥　230036；2.安徽农业大学 工学院，安徽 合肥　230036)



基于ENVI的朱芦采煤沉陷区面积变化模拟及分析

郑佳重1,2，朱梅2，周婷2，赵家祥2，赵博2

(1.安徽省水文局，安徽 合肥230036；2.安徽农业大学 工学院，安徽 合肥230036)

文章基于ENVI，对安徽省宿州市朱仙庄-芦岭采煤沉陷区(以下简称“朱芦采煤沉陷区”)1987～2013年间面积的历史变化过程进行了边际提取、典型年面积计算及分析预测等量化工作。分析得到在1987、1990、1995、2000、2005、2010、2013 6个典型年下朱芦沉陷区的面积大小分别为421.38 hm2、429.48 hm2、490.50 hm2、621.81 hm2、649.17 hm2、654.21 hm2，并基于此预测得到朱芦沉陷区在2015、2020、2030年的面积分别为754.15 hm2、806.87 hm2、1398.75 hm2。

采煤沉陷区；面积变化；演变规律；ENVI

0　引　　言

在我国，约有95%的煤炭是以井工的开采方式得到的[1]。煤炭开采过程中会造成强烈的地面扰动，从而会出现地表植被剥离、地面沉降、地面出现裂隙、滑坡、地表沉陷等一系列问题。积水、坡地、裂缝是采煤沉陷区常见的三大地貌特征。

范廷玉于(2013年)在对淮南潘谢采煤沉陷区地表水与浅层地下水转化及水质特征的研究中对于采煤沉陷区的地形地貌的突变对地表地下水体产生的影响做了相应研究分析。李观砚于(2007年)认为采煤活动间接地改变了水资源的赋存条件和循环规律，造成的沉陷区是煤炭开采是典型的活动之一。毛沂新等于2012年对类似“平原型水库”的采煤沉陷区的土壤水和可溶性盐空间分布特征进行了研究。刘俊峰等于2006年针对目前我国华北平原煤炭开釆区普遍存在的沉陷平原水库，提出了针对沉陷积水区的地表水研究。

煤炭资源的长期开采形成了大面积的采煤沉陷积水区域，沉陷区地表水与浅层地下水、地表河流之间发生了不同程度的水力与水质联系。如在我国西部地区，当地地形以山区为主，地下水位埋深较深，一般不会形成沉陷积水区；而在东部平原地区，地下水位较浅，煤炭井工开采极易造成地表沉陷。当煤层厚度较大时沉陷深度也较大，在地面降雨及地表径流、浅层地下水的综合作用下，形成了一个个以采煤工作面为中心的沉陷积水区。

然而，东部平原地区是我国重要的粮食产区，属于高地下水位、隔水层发育较好的区域，该区域面积不断扩大的采煤沉陷积水区改变了原有地表水与地下水的循环条件，对当地的农业造成了严重影响，同时也对周边河流水系、土壤以及生态系统产生了极大的影响。

文章基于朱仙庄-芦岭采煤沉陷区的实地情况和煤炭开采状况，利用ENVI对从1987～2013年间的采煤沉陷积水区面积的变化过程进行了动态模拟，计算出相应的面积大小并预测2015、2020、2030年的面积大小。一系列结果为科学制定采煤沉陷区综合利用方案及合理利用沉陷区水土资源提供了一定的参考。

1　研究区域概况

朱仙庄-芦岭采煤沉陷区位于我国淮河中下游北部平原，地处华东腹地安徽省境内，位于东经 117°06' ～117°12'，北纬 33°30'～33°36'，南临沱河，北靠新汴河。研究区域四季分明，光照充足，降雨量适宜，夏热多雨、秋旱少雨，易发生旱涝灾害。多年平均降水量为866.1mm，汛期6～9月份降水量占全年降水量的66.2%。年平均气温在14～14.4℃。

图1研究区范围

朱仙庄采煤沉陷区和芦岭采煤沉陷区均是由于宿州市埇桥区矿井常年开采而形成。目前，随着矿井的不断开采，地表沉陷面积和深度持续增加，相应的积水面积也发生进一步变化。随着时间的推移，这两个沉陷区正逐渐合并成为一个大面积的采煤沉陷区，研究范围如图1所示。

由于土地塌陷以及在地表移动的过程中改变了地表原有的形态，引起了地表高低、坡度及水平位置的变化，从而对位于影响范围内建筑物和生态环境都带来不同程度的影响和破坏[6,7]。

朱芦采煤沉陷区形成的影响主要表现为地面塌陷、道路高低不平、地表变形、路面破碎等。受此影响的河流主要为小黄河、沱河、浍河、运粮河，沉陷影响面积96.84hm2；受影响的道路主要是303省道、206国道和朱芦煤运专线铁路，影响长度分别达到0.34km、0.99km、7.69km，朱芦沉陷区道路水系影响统计如表1所列。

2　沉陷积水区面积演变过程及分析

文章基于中国科学院地理空间数据信息系统平台、NASA Earth Explorer数据信息系统平台，选取1987～2013年TM数字影像遥感图像，利用Google Earth提取的沉陷区实际地形地貌状况和数据作为辅助。以5年为1个周期，从25年数据影像图中选取1987、1995、2000、2005、2010、2013作为分析朱芦沉陷区面积演变过程的6个典型年，如图2～图7所示。

文章对6个典型年下的朱芦沉陷区的边界进行了提取，再分别用2013年沉陷区边界叠加其余5个典型年的沉陷区边界，从而直观、清晰地展现朱芦采煤沉陷区面积的演变过程并得到相应面积大小。

图2　2013年水体边界叠加2013年TM图

图3　2013年水体边界叠加2010年TM图

图4　2013年水体边界叠加2005年TM图

图5　2013年水体边界叠加2000年TM图

图6　2013年水体边界叠加1995年TM图

图7　2013年水体边界叠加1987年TM图

3　分析结果及面积预测

通过以上对6个典型年，朱芦沉陷区的边界提取，得到相应的沉陷区面积大小分别如表2所列，面积的变化演变趋势如表3所列。

表2　典型年分类样本结果统计表 hm2

由表3可见，从1996～2005年，朱芦采煤沉陷区的煤炭开采活动最为活跃；其中在2001 ～2005年期间，因为煤炭开采而造成的塌陷水体面积变化最为巨大；从2005年以后，开采速度逐渐放缓。沉陷区塌陷水体的面积由快速增长到速度放缓，之后由于科学发展观的提出和节能环保的倡导，煤炭开采量也逐步放缓到合理区间。

表3　典型年水体面积变化趋势分析表

表4　不同年份沉陷面积统计表

通过对6个典型年份下，沉陷区面积的演变过程分析，并根据安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院于2011年编制的《宿州市水资源综合规划》的成果(文章中所有高程均以黄海高程作为高程基准)，预测得到朱芦沉陷区2015、2020、2030年沉陷面积大小，分别如表4所列。

4　结　　论

文章基于ENVI，对朱仙庄-芦岭采煤沉陷区分别在1987、1990、1995、2000、2005、2010、2013下的面积大小进行了模拟展现，并提取相应面积边界及计算面积大小，分别为421.38 hm2、429.48 hm2、490.50 hm2、621.81 hm2、649.17 hm2、654.21 hm2。基于此，预测得到朱芦沉陷区在2015、2020、2030年的面积分别为754.15 hm2、806.87 hm2、1398.75 hm2。这一系列结果为科学制定采煤沉陷区综合利用方案及合理利用沉陷区水土资源提供了一定的参考。

[1]张和生,吕强,霍官印.矿区开发不同阶段土地复垦与生态系统重建[J].能源环境保护, 2002, (1):15-17.

[2]范廷玉.潘谢采煤沉陷区地表水与浅层地下水转化及水质特征研究[D].安徽理工大学,2013.

[3]李砚阁.地下水库建设研究[M].北京:中国环境科学出版社,2007.

[4]毛沂新,王力华,张丹,等.三角洲平原水库堤规土壤水和可溶性盐空间分布特征[J].生态学杂志,2012, (7) :1780-1784.

[5]刘俊峰,余书超,范文波等.玛纳斯河流域湿地平原水库群对流域生态环境作用的研究[J].水土保持研究,2006, (2):219-222.

[6]邱汉周,金晓玲,胡希军.潘集采煤塌陷区的分区规划与生态保护[J].中南林业科技大学学报,2011,(12):75-79.

[7]林宾,王小勇,何胜勇.安徽省淮南市大通煤矿地面塌陷稳定性评价[J].安徽地质,2012,(1):48-53.

[8]徐良骥，严家平，高永梅. 安徽省两淮矿区地质环境治理技术[J].煤田地质与勘探，2007，(6):37-39.

[9]丁瑶. GIS在采煤沉陷区生态价值评价中的应用[J].地理空间信息，2012，(1):76-78，81,3.

[10]徐良骥，严家平，高永梅. 淮南矿区塌陷水域环境效应[J].煤炭学报，2008，(4):419-422.

[11]刘劲松，严家平，徐良骥,等. 淮南矿区不同塌陷年龄积水区环境效应分析[J].环境科学与技术，2009，(9):140-143.

[12]王振龙，章启兵，李瑞.采煤沉陷区雨洪利用与生态修复技术研究[J].自然资源学报，2009，(7):1155-1162.

(责任编辑陈化钢)

Simulation and analysis of area changing of coal mining subsidence area of Zhulu Coal Mine based on ENVI

ZHENG Jia-zhong1,2，ZHU Mei2，ZHOU Ting2，ZHAO Jia-xiang2，ZHAO Bo2

(1. Bureau of Hydrology of Anhui Province,Hefei 230036, China;2. Engineering Department of Anhui Agricultural University,Hefei 230036, China)

In order to make a more intuitive and clear understanding of the history of the coal mining subsidence area and the impact of the surrounding area. The article analyze the historical area changing of Zhu Xian-zhuang and Lu-ling coal mining subsidence area in Suzhou city Anhui province (hereinafter referred to as the "Zhu Lu subsidence area") from 1987 to 2013 years through marginal extraction, typical area calculation and analysis based on ENVI. We get the area of subsidence are respectively 421.38hm2, 429.48hm2, 490.50hm2, 621.81hm2, 649.17hm2, 654.21hm2under the 1987, 1990, 1995, 2000, 2005, 2010,2013 six typical years. And based on these dates, we predict the area of subsidence are respectively754.15hm2, 806.87hm2, 1398.75hm2under the 2015, 2020, 2030. Through the series of results, it is helpful for establishing the policy for utilization of coal mining subsidence areas and reasonable use the resources of water and soil.

coal mining subsidence area; area changing; evolution law; ENVI

2015-11-30；

2015-12-05

国家自然科学基金资助项目(51509001)

郑佳重(1987-)，男，江苏睢宁人，硕士，从事水文遥感及3S研究；

朱梅(1977-)，女，安徽怀远人，博士后，副教授，硕士生导师，主要从事水文水资源及农田水利研究。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.01.002

TD1

A

1671-6221(2016)01-0005-04