采煤沉陷区积水范围动态变化遥感监测研究

崔 琛

（1. 河南省有色金属地质矿产局第七地质大队，河南 郑州 450016）

当前，许多国内外学者利用遥感影像数据，对水体信息的提取开展了相关监测和研究，取得了大量的研究成果并提出了多种方法，例如单波段阈值法、比值法、水体指数法、谱间关系法、K-T变换法、决策树法、面向对象法等方法[1-7]。现有研究主要集中在利用遥感影像分析髙潜水位采煤沉陷区积水范围变化的方面，而结合开采工作面的地质条件，分析影响采煤沉陷区积水范围的动态变化规律的研究仍然较少[9-12]。

本研究以赵固矿区为研究区域，基于Landsat8-OLI遥感影像，对矿区7个工作面地表积水范围进行长时序的动态监测，提取采煤沉陷区积水边界并统计积水区面积，并分析采煤沉陷区积水动态变化规律，以期为高潜水位采煤沉陷区土地利用规划、土地复垦、矿粮复合生态系统修复提供参考与借鉴。

1 研究区域及数据处理

1.1 研究区域

赵固二矿矿区位于河南省新乡市辉县市，地处太行山山前平原地区，地势总体平坦呈北高南低缓慢倾斜，主要由坡积、洪积和冲积洪积扇裙组成，地面海拔标高在72～85 m 之间。气候属温带大陆性季风气候，雨热同期，年平均气温14.0℃，年平均降水量为589.1mm，降水主要集中在夏季，春冬季较少。矿井设计可采储量为146.53 Mt，服务年限为60.3 a，煤层埋深大且结构简单稳定，倾角在2～6°之间，厚度为7 m。矿区多为砂、砾石含水层，雨季时表土层潜水位埋藏深度上升。在开采沉陷发生后，降水的地面径流与汇水条件发生改变，含水层水位与流向也会随之变化，极易在工作面上方地表形成大范围的积水。

1.2 数据源

本研究采用的赵固矿区遥感数据，是从地理空间数据云获取的2014年4月、2017年4月及2020年5月的Landsat8 OLI 遥感影像，云含量均控制在5%以内，产品类型为1T级标准地形校正型，故无需再进行地形校正和几何校正。对3 个年份的Landsat8 OLI 遥感影像，在ENVI 5.3中进行辐射定标和大气校正预处理后提取赵固矿区采煤沉陷区的水体范围。

1.3 水体信息提取

目前，常用的水体指数包括归一化差异水体指数NDWI[13]、自动水体提取指数AWEI[14]、改进后的归一化差异水体指数MNDWI[15]。其中，MNDWI 在水体信息的提取方面的研究中应用较多。但是MNDWI 仅应用GREEN 与NIR 两个波段提取水体，边界容易模糊从而将矿区其他地物错误分类为水体，造成提取的矿区水体面积准确度较低[16]。故本研究采用针对高潜水位采煤沉陷区水体提取的增强型改进归一化差异水体指数E-MNDWI，从而使提取水体与其他地物的区分度增大，E-MNDWI公式为[17]：

式中，GREEN 为绿光波段；NIR 为中红外波段；SWIR为短波红外波段。

在提取采煤沉陷区研究时期内积水面积的基础上，计算沉陷区积水面积的增长速率，计算公式为：

式中，T为沉陷区积水面积的增长速率；Ai、Aj为年份i、j积水面积。

2 结果与分析

2.1 水体提取分析

首先本文对2014 年5 月、2017 年4 月及2020 年5月的3 期Landsat8 OLI 遥感影像预处理后，通过E-MNDWI 指数计算得到采煤沉陷区的水体特征图像。然后，在水体特征图像影像选取训练样本，生成选取训练样本统计直方图。采用直方图双峰法确定水体特征图像影像的分割阈值为0.881。DN 值低于0.781 影像部分为水体，高于0.781部分影像则为水体非水体。最后对赵固矿区采煤沉陷区水体边界范围进行提取并统计积水水域范围，结果见图1。将提取的采煤沉陷区水体边界与同期影像水体边界进行对比，研究提取的水体边界与影像水体边界基本一致，表明E-MNDWI 提取的沉陷区水体边界的准确性较高，满足采煤沉陷区地表积水范围进行长时序的动态监测的需求地表积水范围进行长时序的动态监测。

图1 研究时期赵固矿区沉陷区积水范围变化

在ArcGIS中计算提取得到的采煤沉陷区水体边界面积，并计算积水面积的增长速率，结果见表1。从表1中可知，2014—2017年3 a间，赵固矿区沉陷区水域面积从0.688 km2上升至2.127 km2，面积增加1.439 km2，沉陷区积水面积占矿区面积占比由2014的0.99%上升至2017年的3.05%，占比增加2.06%，增长速率为47.97%；该时期内，赵固矿区煤炭开采量逐年增加，地下采空区范围随之扩大引起地表发生变形和塌陷，积水面积和增长速率在该时间段均上升幅度较高。而2017—2020年3 a间，赵固矿区沉陷区水域面积从2.127 km2上升至2.183 km2，面积增加0.056 km2，沉陷区积水面积占矿区总面积比例从2017年的3.05%上升至2020 年的3.13%，占比增加0.08%，增长速率为1.87%。该时期内，矿区周边居民对沉陷区排水渠进行了河道清理、沉陷河床抬高以及河堤加固的工作，保证了矿区内的积水能够较快的排出，对地表沉陷积水起到了一定减缓作用，因此积水面积增加较少。

表1 研究时期采煤沉陷区积水面积统计

2.2 赵固矿区积水变化空间分布分析

对提取采煤沉陷区水体范围进行空间叠加，得到2014—2017 年和2017—2020 年的采煤沉陷区水体空间变化情况（图2）。

图2 年际间沉陷区水体空间变化

从图2 中可以明显看出，在2014—2017 年3 a间，赵固矿区沉陷积水范围在2014年与2017年相比，表现出沿工作面开采方向左右两侧明显扩大的趋势。在该时期内矿区采煤深度由50 m 加深到500 m，导致沉陷区范围进一步扩大，积水面积因此也随之增加。同时在非沉陷区域也出现了一定的积水区，通过实地调查得知，矿区对原有的耕地进行了退耕还湖还林工作的措施保护当地生态环境，因此部分非沉陷区出现了一部分积水。

2017—2020年3 a间，积水扩大的范围与前3 a相比变化较小，但积水范围仍表现出沿工作面开采方向左右两侧扩散的趋势，积水分布逐渐由零星散乱向聚集状态变化初步呈现出连散成片的效应，沉陷区积水面积增加明显较大，对矿区地质条件、生态环境产生了重要影响。

2.3 赵固矿区积水动态演化因素分析

井工开采的煤炭从地下开采到地上后，工作面周围岩体的原始应力平衡发生改变并产生新的应力，在应力恢复到新的平衡状态之前，工作面上覆岩层会发生持续的移动、变形等非连续性变化，随之在开采工作面上方地表产生移动盆地[18]。当移动盆地下沉到一定深度与地下水产生联系，在工作面上方地表会出现积水区域。随着地下工作面持续采动，积水区域随之进一步扩大。采煤沉陷区地表积水的范围会沿着工作面采动方向发生变化，工作面推进距离与积水范围具有一定相关性。研究时期内赵固矿区采煤沉陷区工作面推进距离与积水面积变化关系见图3。

图3 赵固矿区工作面推进距离与积水面积变化关系

从图3中可以看出，2014—2017年3 a时间内，随着工作面采动推进距离增加，由275 m推进至716 m，地表下沉量增大，工作面上方地表开始出现移动盆地并形成积水；2018—2020 年3 a 间，开采深度接近矿井设计深度，部分工作面停采，地下采动引起的岩移接近稳定，该时期内地表积水面积仍有小范围增加，由2.127 km2上升至2.183 km2。由上述分析可知，随着赵固二矿采煤沉陷区地表下沉量不断增大，地表积水范围也随之扩大，工作面推动距离与采煤沉陷区积水面积呈正相关。

当采煤沉陷区形成地表积水后，浅层地下水与地表水体会产生水力联系，浅层地下水会补充地表水是采煤沉陷区积水主要来源之一[19]。研究时期内赵固矿区采煤沉陷区地下水位埋深与积水面积变化关系见图4。

图4 赵固矿区地下水埋深与积水面积变化关系

在图4 中，研究时期内赵固二矿采煤沉陷区地下水位埋深下降，积水区面积增加，由此可知采煤沉陷区地下水位埋深与积水面积增加量为负相关关系。2014—2017年，地下水位埋深由8.66 m减小到3.62 m，年平均降低量为1.68 m，随着地下工作面开采量增大，沉陷区地表下沉量随之增加，积水区面积明显增加。2018—2020年，开采深度接近矿井设计深度，部分工作面停采，地下采动引起的岩层移动接近稳定，地下水位埋深由3.62 m 减小到2.45 m，年平均降低量为0.39 m。在该时期内，沉陷区地表进行相对稳定期，地下水与沉陷区积水已构成稳定的水力联系，浅层地下水为沉陷区积水区域提供了一定的涵养条件，区域内部分河流出现断流，导致原有河道干枯，维持了地表水的相对稳定，该时期内地下水位埋深与积水区范围变化相关性较为不明显。

3 结 论

本文通过ENVI 软件对赵固矿区2014 年、2017 年和2020年三期Landsat8遥感影像，运用改进后的归一化水体指数提取赵固矿区水域面积，最后结合工作面推进距离与地下水埋深分析了研究区域内煤炭开采对沉陷水域面积变化的影响，得出以下结论：

从时间变化上看，2014—2020年，采煤沉陷区地表发生了较大面积的沉陷，积水面积增加了1.495 km2，需要开展大范围的土地复垦工作。从空间分布上看，采煤沉陷区积水范围表现出沿工作面开采方向左右两侧扩散的趋势，积水分布逐渐由零星散乱向聚集状态变化，并初步呈现出连散成片的效应。

地下水埋深和工作面推进距离均对赵固矿区采煤沉陷区地表积水范围变化产生一定程度影响。采煤工作面推进距离不断增加在地表形成盆地，当地下水埋深越浅时，地下水向地表渗水相对较多，伴随着地表渗水量增大导致地表形成盆地范围不断扩大，造成矿区采煤沉陷区出现大范围积水。