榆神府矿区水体湿地演化驱动力分析

　　马雄德，范立民，张晓团，等。榆神府矿区水体湿地演化驱动力分析。煤炭学报，2015，40（5）：1126-1133川10.13225/〗。如。ccs.2014.1653榆神府矿区水体湿地演化驱动力分析马雄德1，范立民2‘3，张晓团2，张红强2，张云峰4，申涛2（1.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安710054；2.陕西省地质调查院，陕西西安710065；3.陕西省地质环境监测总站，陕西西安710054；4.西北有色地质研究院，陕西西安710054）神府矿区1990年、2001年、2011年3个时期的水体、湿地分布及其面积动态变化规律，得出：水体面积在研究期内呈现持续下降趋势，990―2001年及2001―2011年的减少率分别为17. 73%和22.39%；湿地面积先增大后减小，即1990―2001年湿地面积增加了65.91%，001―2011年，湿地面积减少了50.92%；水体面积在外力驱动下衰减的过程中演替为湿地及其他类型用地，使湿地面积在20a间基本保持不变；气候变化、煤炭资源开采、生态环境建设和水源地兴建等是水体湿地面积变化的主要驱动因子。通过模糊层次分析法确定了各驱动因子对地表水体湿地面积变化的作用大小（权重）和序关系，分别为煤炭开采0.375，气候因素0.292，水源开采0.208和生态需水0.125；为保护区内水体湿地，推行保水采煤、减少地下水抽采及减少高耗水植被是行之有效的措施。

　　基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（2013CB227901）榆神府矿区是我国西部保水采煤问题提出和保水采煤科学技术体系的形成地。该区属荒漠-半荒漠生态系统，镶嵌其间的湿地及水体对黄河中上游能源化工区、毛乌素沙漠与鄂尔多斯高原生态系统、水资源调节和局部气候环境稳定起着重要的作用。近年来，由于人类活动、气候变化等原因，区域地下水位不断下降，对区内湿地水体及其分布产生了较大的影响。以往研究者以红碱淖为重点，对其形成及水域面积的动态变化规律做了相关研究，同时红碱淖湿地的生态学意义、水文学价值10等也被广泛态变化的驱动力研究鲜有报道。笔者基于榆神府矿区地表水体循环规律的研究，利用Spot卫星影像对榆神府矿区湿地及水体面积进行解译，研究了区内地表水体的演化规律，并采用专家打分法结合模糊致矩阵方法探讨了气候、煤炭开采、植被盖度和水源地兴建等驱动力因子对引起研究区湿地水体面积急剧变化的作用大小。

　　1研究区概况1.1基本概况研究区位于陕西省榆林市榆阳区、神木县和府谷县，主要包括神木北部矿区（含神东陕西境内部分）、新民矿区、榆神矿区，面积8369.1km2，共有5个流域单元，包括孤山川流域、窟野河流域、秃尾河流域、无定河流域4个外流流域和1个内流区即红碱淖内流区，主要地貌类型为黄土丘陵区，沙漠滩地区和河谷阶地区。区内侏罗纪煤田含煤8层，可采和局部可采煤3 ~7层，属中侏罗统延安组（y）。其中zui上部的1-2，2-2，3-1，4-2煤层埋藏浅，煤层厚度大，单层厚度2~12m，平均3~5m，是目前的主要开米对象。经2010年整合后，榆林市2013年有生产煤矿254处，核定生产能力规模3.区内有河流4条，大小滩地40多个，规模zui大的红碱淖滩地，水域面积54.87km2，平均深度6.68m，湖周形成宽达500~2000m的湿地，湿地范围内植被种类丰富，湿生和中生植物长势良好，对维持区域生态良性发展至关重要。

　　1.2地表水体的形成本区区域性气候属旱、半干旱温带大陆性季风气候，降水稀少，蒸发强烈，多年平均降水量354mm左右（1970―2010年），偏枯年（75%）降水量307.4mm.尽管降雨量小，但本区沙梁相间分布，地形波状榆神矿区研究区位置及概况示意起伏，非常有利于大气降水入渗。大气降水入渗后经内部转化，除蒸发消耗外，在地形地质条件适合处泄出地表，形成湖淖、海子、河流及湿地。地表水体的形成受地形地质条件的控制，在区域上呈现多样性。

　　滩地区地表水（湖淖、海子）以接受潜水和浅层承压水补给为主。滩地区由沙丘地和湖盆滩地组成，地形开阔、平坦，四周微向中部倾斜，包气带由风积、湖积物组成，岩性以细砂、粉细砂为主，结构松散，透水性强，极易接受大气降水入渗，形成潜水和浅层承压水，沿地势从四周以上升泉或下降泉的形式补给湖淖等地表水体。这类水体常年有水，面积较大，水面积季节性变化微弱，与地下水动态变化相关度较高。例如红碱淖1990年入湖量为4 588x104m3，其中地下水资源占80%，约黄土及盖沙区地表水（河水）以潜水和地表径流补给为主。秃尾河中上游、榆溪河中上游、海流兔河等河段，地貌形态主要为波状起伏的沙丘和地形平缓的滩地，地形较为平缓，一般6°~10°，有利于大气降水入渗，地下水以泉的形式补给地表河水。窟野河中下游流经黄土区，地表堆积物以黄土为主，降水入渗系数小，河流阶地为基座式，堆积物以粉土、粉质黏土为主，下部偶含砂砾石，基座为砂岩和砂泥岩，不利于降水入渗，从而形成径流补给地表水体。

　　2研究方法笔者对地表水体的定义参照了土地利用现状21010―2007）111―河流、112―湖泊、113―水库、114一坑塘的含义；对湿地的定义参照了116―内陆滩涂的含义。

　　地表水体及湿地的解译主要使用Spot卫星数据，同时以ETM（TM）数据作为辅助。遥感解译方法以目视解译为主，在资料及野外调查的基础上，建立地表水体及湿地在不同影像、不同区域的解译特征，以基础遥感影像图为底图，以地表水体及湿地为基本单位开展遥感解译工作。zui终以MAPGIS为平台，综合编制上述解译成果图件并建立相关数据库。

　　50000影像上无法识别，仅收集资料，实地调查。

　　3结果与分析3.1水体湿地分布特征地表水体主要包括河流水面、水库、沙漠滩地中的海子以及人工坑塘。研究区内河流水面主要为孤山川及其部分支流、窟野河及其支流乌兰木伦河及悖牛川、秃尾河及其支流、榆溪河及其支流。自然形成的海子（淖子）主要分布在西部沙漠滩地区内，呈不规则形状分布，但大多长轴方向为北西向。水库在影像上特征明显，在不少河流上均有分布。人工坑塘广布全区，以沙漠草滩区为多。

　　本次在遥感影像图上对全区图斑直径大于5mm（实地直径>250m）的湖泊、水库进行了解译，各类面状水体总数41个。解译zui大水体面积54.87km2，zui小水体面积0.08km2.其中，矣0.5km2的有26个，占区内水体的绝大多数；介于0.5~1.0km2（包括1.0km2）的有10个；1.0~3.0km2（包括3.0km2）的有3个；>3km2的有2个，主要为红碱淖和河口水库。

　　湿地包括两类：其为沙漠草滩区内湖泊、海子等周围的湿地；其二为河流滩地，分布与河流息息相关。前者以红碱淖周围的大面积湿地为代表，后者主要分布在窟野河、乌兰木伦河、悖牛川、榆溪河河谷之中河流水体旁侧。

　　研究区内流量较大的泉水主要分布在榆林以东、大保当一瑶镇的秃尾河两岸、乌兰木伦河流域两岸等区域，在区域上呈北北东向带状展布，泉口标高在1 050~1105m，泉点一般位于沟脑部位或沿沟谷呈地表水体湿地面积的变化过程从可以看出，1990―2011年工作区内水体面积变化较大，呈持续减少态势，1990年全区水体面积年减少至133.80km2，2011年继续减少至103.84km2，每10a减少约30km2.前后2个10a的减少率分别为17. 73%和22.39%.影像显示，1990―2011年间湖泊水库等面状水域收缩，面积变小，河流变窄或断流、坑塘消失等现象均有存在。

　　年，地表水体的减少主要表现在湖泊、水库面积的缩小及部分河流水域变窄。

　　包括在红碱淖、榆溪河支流五道河上的中营盘水库、头道河上的石峁水库、高家海畔（海子）的面积减小，以及乌兰木伦河、悖牛川、榆溪河的水域面积变窄。但总体而言，水系长度变化不大。

　　―2011年，除湖泊、水库的面积减少外，地表水体的减少主要表现在河流的变窄及部分河流支流的断流。如孙家岔、朱盖塔以西的水系、老高川上游、新民上游等地区2001年影像上均可见水体的深色影像特征，在2011年影像上已经变为亮白色的干涸河床，是水量减少或断流的表现。

　　3.3湿地的动态变化特征及规律遥感解译及成果数据统计显示，伴随水体面积减少湿地面积在1990―2001年从55.86km2增加到年10a间湿地面积变化较大的地区主要表现在红碱淖、河口水库水体面积的减少造成的湿地增加以及乌兰木伦河、悖牛川河谷水体减少改变为湿地。

　　3.4水体、湿地演替规律影像分析可以看出，1990―2001年，部分水体表面收缩，转变为河流湿地，这在边界比较明显的水体上尤为突出，典型的有河口水库、乌兰木伦河等面积较大的水体，这就造成水体面积减少的情况下湿地面积增大的结果。2001―2011年，部分湿地转化为耕地、建筑用地（居民地）及工矿用地等，同时受气候影响，湿地本身面积也在缩小，导致湿地的大面积减小。

　　例如，乌兰木伦河及悖牛川河谷湿地面积1990年少量增加至4.62km2，2001―2011年，湿地面积剧烈减少至1.95km2.影像及解译成果对比，2001―2011年，河谷湿地的减少主要表现为被工矿、建筑用地等占用，部分湿地转变为耕地、植被或未利用土地。统计结果显示，近10a间，湿地面积减少3.03km2，其中工矿用地占0.79km2，占4地表水体湿地变化的驱动力分析4.1驱动力因子根据前述，研究区水循环特征呈单向性，即大气降水―地下水―地表水，由此可知，地下水水位直接决定了地表水体面积大小，当补给量大于排泄量时地下水呈正均衡，地下水位上升，水体面积增加，反之当排泄量大于补给量时地下水呈负均衡，地下水位下降，水体面积减少。显然地下水补给和排泄是决定地下水水位变化的根本，进而驱动地表水体面积演化。

　　本区地下水补给项为大气降水，而主要排泄项包括煤炭开采矿井涌水、水源地开采和生态环境需水，这也构成了地表水体湿地面积变化的显著驱动力。

　　4.2驱动力分析为了界定不同驱动力对本区地表水体湿地演化的作用大小，笔者采用层次分析法确定权重。基本思路为：先采用专家打分法，依据1~9标度法对评价对象打分，通过运算确立模糊评价矩阵，zui后构造模糊一致判断矩阵并求权重。

　　课题组通过邀请中国地质调查局西安地质调查中心、陕西省地质调查院、中煤科工集团西安研究院、陕西省环保厅等4家单位的10位专家和长安大学的5位专家共同对地表水体湿地演化的4个驱动因子进行重要性打分，各自给出的a值为ak（k=1，2，15），然后汇总出判断矩阵的为在此基础上构造了模糊一致判断矩阵并求权重2，顺序如下：通过运算将优先关系矩阵F改造为模糊致矩阵艮即先对F按行求和再做行变换，记作ri.按行求和归一化法求权重值。模糊一致矩阵每行元素求和，记为li.不含对角线元素的总和为由于li表示指标i相对于上层目标的重要性，所以对归一化即可得到各指标权重：按专家打分结果，建立的优先关系矩阵见表1.表1优先关系矩阵指标气候煤炭开采生态需水水源地开采气候煤炭开采生态需水水源地开采~（6）可以计算出煤炭开采、气候、水源地开采和生态需水的权重，计算结果为0. 375，0.292，0.208，0.125.由此可见，上述驱动力因子对研究区水体湿地演化的序关系为：煤炭开采、气候因素、水源地兴建和生态需水。各驱动力对本区地表水体湿地演化的作用大小分别为煤炭开采0.375，气候因素0.292，水源开采0.208和生态需水0. 4.2.1煤炭开采煤炭开采对研究区地表水体湿地面积变化的驱动作用为0.375，占主导地位。煤炭开采破坏含水层结构，使大量地下水涌入矿井，降低地下水位减少对地表水的补给，进而驱使地表水体面积缩减。

　　榆神府矿区的含水层与煤层的空间叠置关系呈明显的上下结构，即水在上煤在下，尽管新近系黏土层隔水性良好，但区域上分布不均，厚度各异。在垂向上，有黏土时含水层结构属“沙+土”型，第四系萨拉乌苏组为含水介质，土层为隔水底板，没有黏土层时含水层结构为‘’沙+基岩“型，第四系萨拉乌苏组为含水介质，煤层上覆基岩为隔水底板。根据范立民等的研究，煤层采动对上覆岩层隔水性的影响主要取决于‘’上行裂隙”和‘’下行裂隙“是否贯通，并以上行裂隙的发育高度作为主要判据，认为本研究区40%以上的区域属于易开采极易造成含水层结构破坏区。

　　为榆神矿区某煤矿综采条件下导水裂隙带发育高度钻孔验证时冲洗液消耗量和钻孔内水位动态变化关系。由可知，在109m以浅钻孔冲洗液消耗量基本保持稳定，钻进至109. 110.7~110.9m时消耗量有所升高，据分析为原生裂隙所致。当钻进到111.7m，钻孔消耗量突然增大，消耗量大于水泵供给量，且钻孔水位突然下降至19m左右，111.7m后未观测到钻孔水位。因而，确定导水裂缝带发育顶点的深度为111.7m，已经破坏了含水层底板。

　　冲洗液消耗tt/（L.-（s叫-1）研究区地表水体王要接受地下水的补给，在储水条件、地下水径流条件不变的情况下，或者说在地质、构造、植被等条件不变的情况下，地表水体面积的变化与地下水动态呈现较好的一致性，雨季地下水位升高，补给地表水量增加，地表水体面积增大，旱季反之315.当煤层开采形成垮落带和断裂带，在原本没有水力联系的潜水含水层与采空区之间形成导水通道，使含水层的渗流状态发生改变，从而使地下水位降低，泄出量减少，湿地水体面积缩小。

　　运输巷~作回风巷野河流域及其支流分布着大量优质易采的煤炭资源，煤炭开采对窟野河径流量的影响十分明显。据窟野河监测资料，窟野河2000年开始断流，2000年断流年断流106d，2002年断流220d，2003、2004、2005年断流均超过150d.可以认为，采矿形成的导水通道改变了河岸两侧的储水构造及补径排条件，大量地下水涌入采空区，减少了对河流的补给，造成河流断流，是2000年后水体面积减少的关键因素。王小军等M认为窟野河自2000年以后径流量的衰减90%以上是由于采矿等人类活动造成的。蒋晓辉等M认为窟野河流域吨煤开采对径流的影响大约为5.27m3.1997―2006年，窟野河流域煤炭资源开采量为5500xl04t/a，减少水资源量为2. /a占该阶段径流变化的54.8%.为乌兰木伦河河谷神木段水体面积在不同时期的影像，可以发现至2011年，2001年原有水体面积的95%以上消失殆尽。

　　4.2.2气候因素气候因素对研究区地表水体湿地面积变化的驱动作用为0.292，占次要地位。根据气象资料，研究区在1990―1996年的7a间，年平均降水量为353. 8mm，略高于平均值345. 3mm，年平均气温略高于常年。而1997―2001年的5a中，有3a年降水量大幅度偏少，加上同期年平均气温偏高1 ~2°C.降水减少造成入湖水量减少，气温偏高造成蒸发量加大。在这样的气候背景下，研究区水体面积出现大幅度减少趋势。而2002―2011年区域年降水偏多10%~25%，水域面积却依然减少，由此认为包括煤炭资源开采、地下水抽采等在内的人类活动是研究区水体面积减少的主因。以红碱淖为例，从20世纪70―90年代初，红碱淖的湖水量和蒸发量基本上是均衡的，水位变化基本上不大。90年代末到2002年，红碱淖水位每年下降10后，水位下降速度加快，每年20~30cm，zui大达到40 4.2.3水源地兴建水源开采对研究区地表水体湿地面积变化的驱动作用为0.208.地下水抽采形成降落漏斗降低地下水位，会直接减少地下水对河水的补给。

　　根据对窟野河流域径流过程的分析，窟野河径流量在1979、1996年左右发生了两次明显的突变，说明1979年前人类活动对径流过程的影响较小，流域内地下水的人为扰动程度小。1996年开始人类活动加强，至2000年为满足城镇和工业用水需求，研究区相继勘察B级水源地6处，开采量34x104m3/d.至2005年起随着煤炭工业兴起及陕北能源化工基地的建设，研究区新增B级水源地11处，开采量增加到141x104m3/d.其中，引泉或引流量为87x104m3/d，管井开采量为20x104m3/d.引泉利用地下水时，直接减少了河流基流，水体面积会响应减少，管井开采利用地下水，降低了地下水位，激发河流补给，使地表水体面积减少。

　　4.2.4生态建设生态建设对研究区地表水体湿地面积变化的驱动作用为。125.生态环境建设提高了植被盖度，同时也增加植被蒸腾量，大量土壤水被无效蒸发，袭夺对地下水的补给量，驱使地表水体缩减。

　　2011年5景127-33ETM（TM）遥感数据提取到ND-VI数据反演研究区荒漠化差值指数，结果显示各级荒漠化程度的降低，面积缩小，非荒漠化面积的持续增大。1989―2011年，非荒漠化的面积按照每5年13%的速度增加，极重度荒漠化按照平均每5a减少37%的速度递减。

　　上述荒漠化程度的降低得益于研究区水土保持工作长期有效的推进，资料显示，至2011年榆林地区累计营造水土保持林1700多万亩（11333km2），水保种草400余亩（0.27km2），植被覆盖率达到30.7%.植被生态的改善一方面增加了生态需水需求量，另一方面下垫面的变化截留了大气降水的入渗补给，袭夺了地下水补给量，使区域地下水呈现负均衡，水位持续下降，泄出量减少，水体面积缩减。

　　5地表水体湿地保护措施由于气候因素不可控，以下针对地表水体湿地面积变化的人为因素（即煤炭开采、地下水抽采和生态建设），从驱动力角度，提出保护措施，核心思想是通过将人为因素对地表水体湿地的驱动力作用进行调节，使其服从以自然因素为主要驱动力的要求。

　　推进保水采煤技术，减少地下水流失。煤炭资源开发应以“保水采煤”为原则，在保护水资源的前提下，实施煤炭资源开采。根据范立民等的研究0，本区可划分为无水开采区、自然保水开采区、可控保水开采区、保水限采区和等4种类型。可控保水开采区、保水限采区丰富的水资源将要遭受煤炭资源开采而被破坏的挑战，保水采煤形式十分严峻。目前充填开采M、窄条带开采、限高（分层）开采M等保水开采技术在榆阳区多个煤矿实施，实现了保水采煤的目的，这也为本区未来煤炭资源开采提供了借鉴价值。只有采取保水采煤技术，保护采区地下水不被大规模破坏，才能有效地抑制采煤因素对地表水体湿地面积缩减的驱动作用，达到保护的目的。

　　倡导节约用水，减少地下水抽采量。项目所在的榆林市是一个资源型缺水城市，水资源量不足、分布不均。随着西部大开发和陕北能源化工基地建设步伐的加快，水资源供需矛盾十分尖锐。根据预测M，2010年榆林市总需水量136708m3，缺水率45%；2020年总需水量190了解决水资源缺口，必须发展循环经济，推行清洁生产，采取有效措施加大“三废”治理力度，严格控制地下水开采量，严禁水资源超采，推行基于生态良性循环的水资源开发模式，保护水资源与生态环境。

　　减少高耗水植被数量。梁犁丽和王芳21指出杨树和沙柳平均耗水量达350mm/a，在东胜地区全面禁牧10a后草甸及地带性等坡面植被叶面指数增加了50%，耗水量增加8万m3/a.监测资料显示，2010年陕北风沙滩地区地下水位埋深均小于40m，2~4m的面积为3233.79km2，占25.6%；<2m的面8%，水位浅埋区占风沙滩区面积的半以上，而小叶杨、沙柳等深根植被在本区广泛分布，其根系在潜水位附近十分发育，蒸腾输水能力极强，耗水量大，不适宜在本区大面积栽培，在治理沙化的后期应该考虑低耗水植被的引进，促进植被多样性发展，并适度放牧以减少封育对径流的影响。

　　6结论采用遥感资料和实地调查的方法，查明了1990，2001，2011年3个时期榆神府矿区内水体、湿地的分布及演变规律，区内水体总体呈现减少的趋势，红碱淖水域面积不断减少，从1990年的56km2，减少到2011年的32.70km2，面临枯竭的危险。河流水体宽度变窄，水面减少，境内水体面积从162.63km2降低到103. 84km2；湿地在1990―2001年面积从―2011年，湿地面积减少到45.49km2.煤炭开采、气候因素、水源地兴建和生态需水等是本区地表水体和湿地演化的显著驱动力，各驱动力对本区地表水体湿地演化的作用大小分别为煤炭开采0. 375，气候因素0. 292，水源开采0. 208和生态需水0.125.为保护区内水体湿地，推行保水采煤、减少地下水抽米及减少高耗水植被是行之有效的措施。