基于RSEI的神东矿区1990—2022年煤炭开采对生态环境的影响分析

创新点

（1）从矿区和矿井两个尺度出发，结合构建仅受气候影响和仅受人为活动影响下的神东矿区生态环境质量加以分析，得出人为采矿行为对生态环境质量产生负面影响；再结合光伏分析，得出人为复垦行为对当地生态环境质量起正向推动作用。

（2）运用Landtrendr对神东矿区扰动和恢复情况加以分析，发现神东矿区矿井区域扰动强度更大，且扰动干扰后会伴随恢复事件发生，另外，人为对矿区采取的修复行为具有长期性和持续性。

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基于RSEI的神东矿区1990—2022年煤炭开采对生态环境的影响分析

作者：范雅慧1,刘英1,3,衡文静1,岳辉1,3,毕银丽2,3

单位：1.西安科技大学测绘科学与技术学院; 2.西安科技大学地质与环境学院; 3.西安科技大学西部矿山生态环境修复研究院

引用格式：范雅慧,刘英,衡文静,等.基于RSEI的神东矿区1990—2022年煤炭开采对生态环境的影响分析[J].绿色矿山,2024,2(1):42-54.

摘要

定量分析煤矿开采、土地复垦等人类活动对环境产生的影响可为矿区环境保护提供复垦依据。基于1990—2022年Landsat影像,采用遥感生态指数RSEI 评估神东矿区的生态环境时空动态演变特征,并利用随机森林模型建立温度、降雨、潜在蒸散发与RSEI的关系模型,得到气候条件下RSEI的预测值R′SEI,结合残差分析与基于Landsat的干扰和恢复趋势检测(Landtrendr)算法定量评估人类活动的影响。

结果表明:（1）矿区与矿井尺度的整体RSEI均值皆有所上升,但矿井尺度RSEI均值低于矿区尺度;2018—2022 年光伏区RSEI下降速率为-0.027,略低于控制区,表明神东矿区整体生态环境得到略微改善,但人为采矿活动导致矿井尺度生态环境质量低于矿区尺度,而光伏区的建设对生态环境起到了改善作用。（2）神东矿区采矿前(1990—1996 年)和采矿后(1996—2022 年)R′SEI 与实际RSEI的相关系数R2为0.61。矿区生态环境在只受气候因素影响下呈变好趋势。（3）采矿后(1996—2022年),矿区尺度残差δ均值为0.07,δ<0的部分主要集中在矿区北部矿井集中区及其周边地区,占总面积的 39.74%,每当矿区有新矿活动加入,δ<0 的面积占比就会大幅增加;矿井尺度整体δ均值在 1996—2000 年呈下降趋势,2000—2012 年呈上升趋势,2012—2022年呈下降趋势。（4）1990—2022年矿区尺度扰动和恢复强度均值分别为0.45、0.37,矿井尺度扰动和恢复强度均值分别为 0.43、0.37,矿井尺度扰动强度低于矿区尺度但恢复强度与其相近;采矿后(1996—2022 年) ,扰动与恢复面积占比都保持先上升后下降趋势,表明矿区扰动和恢复行为总是伴随发生且煤炭开采所产生的扰动可由生态遭到破坏后的自我修复及人类复垦行为进行抵消。矿区扰动持续时间占比最大为1a,恢复持续时间最大为16a,表明研究区的采矿扰动为急剧的采矿干扰事件,短暂采矿干扰影响发生之后,便有恢复事件发生,且人为对矿区采取的修复行为具有长期性和持续性。

综上所述,煤矿开采行为对矿区生态环境造成较强的负面影响,但人类对矿区生态采取的各种治理措施及环境自身的修复能力可对其进行修复。该研究有助于理解煤炭开采对矿区生态环境的影响,并为神东矿区生态环境质量的恢复与提升提供科学依据。

引言

随着我国经济的飞速增长,中国煤炭消耗量在近几十年间发生了飙升,目前已跃居世界第1。神东矿区作为我国西北地区最大的煤矿基地拥有着丰富的煤炭资源。一方面,随着煤炭经济的快速发展, 带动了当地居民的经济水平及消费能力。另一方面, 由于对煤炭的高度依赖,矿区生态环境遭到了巨大影响,其中包括土地破坏、粉尘污染、土壤退化、生态破坏等。因此,利用遥感技术对神东矿区生态环境变化进行监测与评价刻不容缓。

为改善矿区的生态环境,保证矿区的可持续发展,监测煤矿开采前后生态环境质量变化、定量分析煤炭开采的影响及成因对改善生态环境和实现矿区可持续发展具有重要意义。因此,对矿区开采前后的生态环境质量变化,定量评价煤炭开采对生态环境的影响至关重要。生态系统健康状况的评价指标有很多。例如植被归一化指数 (NDVI, normalized difference vegetation index) 、地表温度( LST , Land Sur- face Temperature)、植被健康指数(VHI, Vegetative health index) 等,但生态系统具有复杂性, 单一的遥感生态指数无法准确评估生态系统的状况。徐涵秋基于遥感技术提出了一个能集成多种指标因素的遥感生态指数 RSEI(Remote sensing eco- logical index)。随后 RSEI被广泛应用于区域生态环境监测、水域生态环境监测和气候湿润、半湿润的矿山生态环境的监测。

矿区活动主要受到人为采矿工业活动、地下水活动、气候条件等综合影响。许多学者多利用线性回归模型和残差法实现气候要素和人为活动对矿区生态环境影响的分离。于昊辰等利用多元线性回归模型与残差分析法得到准东煤炭基地的采矿活动对生态系统的影响。 RANJAN等利用多元线性回归模型分析得到印度东部的人为活动导致植被在 2000—2020 年退化了 3.0% ~ 5.7%。目前,机器学习因其较强的适应性及泛化能力,得到了广泛应用,但利用机器学习建立非线性回归模型预测矿区生态环境的研究相对较少。另外,有效利用遥感技术获取矿山开采的生态扰动范围和规律已经成为研究热点之一。 Landtrendr 算法可以用于探测短期扰动和长期变化的土地覆盖动态,已广泛应用于矿区沉陷积水监测、放牧压力变化、农田撂荒检测和不透水面扩张。 KENNEDY等利用Landtrendr算法对22个不同区域森林的变化情况进行监测,成功分割出快速干扰,持续干扰以及植被恢复情况,对生态区域做出有效评估。沈文娟等利用 Landtrendr 算法监测了南方人工林的干扰情况和生长状况,与解译结果较为吻合。

为了量化人为活动对矿区的影响及矿区扰动情况,笔者从矿区尺度及矿井尺度出发,采用随机森林构建非线性气候要素和生态之间的回归模型,采用残差分析法实现气候要素和人为活动对矿区生态环境影响的分离,并引入Landtrendr算法对矿区扰动进行监测,以实现探究人为开采活动对神东矿区生态环境质量造成的影响。

结论‍‍‍‍

(1)利用遥感生态指数RSEI对矿区进行生态环境质量评价与分析,1990—2022年神东矿区整体生态环境质量经历了先改善后退化,矿井及其周边的生态环境质量明显低于矿区整体生态环境质量,说明煤炭开采行为对矿区生态环境产生了破坏作用,而人为采取的一系列复垦措施,如光伏区的建设,对生态环境起改善作用。

(2) 基于气候条件模拟的神东矿区采矿前(1990—1996年)和采矿后(1996—2022年)与实际RSEI的相关系数R2为0.61。二者空间分布具有一致性,且只在气候因素影响的条件下矿区生态环境呈现变好趋势。

(3)1996—2022年间,矿区残差δ均值为0.07, δ<0区域主要集中神东矿区北部矿井集中区及其周边地区,且每当有新矿活动加入δ<0 的面积占比就会产生大幅度增加,多数矿井于1996—2000年残差均值呈下降趋势,于2000—2012年呈上升趋势, 2012—2022年呈下降趋势。

(4)1990—2022年矿区尺度扰动强度均值为0.45,恢复强度均值为0.37,矿井尺度扰动与恢复强度均值分别为0.43和0.37,矿井尺度扰动强度低于矿区尺度但恢复强度与矿区尺度相近,扰动及恢复发生年份自1994—2022年整体发生频率都保持先上升后下降趋势,修复总是伴随扰动发生,扰动可被修复抵消,矿区扰动持续时间占比最大为1a,恢复持续时间最大为16a,其次为1a,表明研究区的采矿扰动为急剧的采矿干扰事件,短暂采矿干扰影响发生之后,便有恢复事件发生,另外,人为对矿区采取的修复行为具有长期和持续性。

部分图表‍‍‍‍‍

图 1 神东矿区地理位置

图 2 1990—2022 年 LST 、NDBSI、NDVI、WET及 RSEI各年份均值

图 3 1990—2022 年神东矿区遥感生态指数( RSEI ) 等级分布

图 4 1990—2022 年神东矿区遥感生态指数等级分布

图 5 神东矿区各矿井及光伏区 1990—2022 年各年份遥感生态指数 RSEI 均值

图 6 1996—2022 年基于气候条件的 R′SEI 空间分布

图 7 神东矿区 1996—2022 年残差 δ 的均值

图 8 1996—2022 年各矿井残差均值

图 9 1990—2022 年扰动恢复示意

作者简介

刘英，女，副教授，博士/博士后，硕士生导师，西安科技大学测绘科学与技术学院遥感科学与技术系系主任。煤炭学报、中国矿业大学学报、西安科技大学学报、International Journal of Mining Science and Technology期刊青年编委。国际数字地球学会中国国家委员会数字能源专业委员会委员，中国环境科学学会环境信息系统与遥感专业委员会委员。主持并完成国家自然科学基金、中国博士后科学基金、陕西省科技厅、教育厅科学基金等项目。第一作者或通讯作者在《煤炭学报》《遥感学报》《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》《Science of the Total Environment》《Journal of Hydrology、Journal of Environmental Management》等期刊发表论文80余篇，出版专著2部。获中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖1项；陕西省科学技术奖三等奖1项；陕西高等学校科学技术奖二等奖、三等奖各1项。

研究方向

矿区环境遥感监测（多源遥感、协同观测）、土壤湿度遥感反演（旱情监测、旱灾预测）、定量遥感（遥感数据信息提取与时空分析）

主要成果

致力于煤矿巷道高效安全支护技术—锚杆支护理论与成套技术的研究，取得多项创新性成果，形成了巷道支护成套技术体系，为煤矿提供了首选的、安全高效的巷道支护技术；在煤岩体地质力学测试理论与技术方面，获得多项专利，提出新的测试方法，开发出我国煤矿第一套地质力学快速测试系统，取得明显创新性成果，为煤矿高效、安全生产提供了有力的技术保障。

　　责任编辑：宫在芹

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