平原高潜水位煤矿开采沉陷对区域生态水文过程的影响及水生态效应

Underground mining activities in the plain areas with high water table have created numerous water storage spaces in land subsidence areas. Consequently, it has important impact on regional hydrology with significant ecological effects by changing the spatial attributes of watershed. Based on related theories of mining subsidence and ecohydrology, long-term data of topography and landscapes will be used to obtained spatio-temporal changing patterns on subsidence area-catchments, which need to be coupled with ecohydrology modeling. Impact factors on local hydrology and nutrient exports will be characterized from three aspects, including spatial structure of watershed, hydrology and nutrient transport in the slope zones of “subsidence basin”, and surface-ground water relationships. Method by combing ecology survey with ecopath modeling will be employed to analyze trophic structure and functions in the aquatic zones of subsided lakes, aiming to establishing the response of ecosystem to ecohydrological processes of watershed. The factors on limiting water resources protection and ecological habilitation in the subsidence areas will be determined by research fruits. This research has included two key scientific problems: 1) processes and mechanisms between rainfall and runoff in the research area; 2) controlling mechanisms on trophic structure of ecosystem in the aquatic zones. This research will focus on the relationship between the ecohydrological processes of watershed and response from the aquatic ecosystem.

平原地区高潜水位煤矿井下开采沉陷形成了大量储水空间，改变所在流域空间格局，对区域水循环和营养物质迁移过程具有重要影响，水生态效应显著。项目根据开采沉陷学理论和生态水文学理论，基于沉陷区长序列的地形地貌数据，分析沉陷区-集水区的时空演变规律，建立与之耦合的流域生态水文模型，从流域结构空间格局变化、沉陷区边坡地带水文参数改变与营养物质流失、沉陷蓄水区-地下水之间的转化关系等3个层次揭示开采沉陷对区域生态水文过程的影响机制。结合野外生态调查和生态通道模型，分析沉陷区水生态系统营养结构与功能特征，建立其对流域生态水文过程的响应关系，确定沉陷区水资源保护与生态系统恢复的关键调控因子。动态采煤沉陷区的降雨产汇流过程与机制、沉陷区水生态系统营养结构的调控机理是本项目要解决的两个关键科学问题，建立流域生态水文过程与沉陷区水生态系统响应之间的关系是研究的中心所在。

项目以我国中部平原地区高潜水位矿区—淮南潘谢矿区为研究对象，分流域、河流、沉陷区水域3个层次，在不同时空尺度下研究了煤矿动态开采时序下流域生态水文过程及水生态环境效应。主要研究内容和成果如下：.（1）获取1980-2015年间5期遥感影像，分析了煤矿开采沉陷对矿区及所在区域土地利用变化和景观格局的影响，结果表明：在城镇化和采矿活动双重驱动下，区域耕地减少了274.4 km2，建设用地、水域分别增加了153.6 km2、84.7 km2，煤矿开采使得区域景观多样性增加并趋于均衡。.（2）选择西淝河和泥河两个小流域，通过高频次（天）的河流污染物监测并结合稳定同位素方法，分析了流域河流非点源污染的负荷过程、来源及相应贡献。西淝河流域和泥河流域河流输出总氮（TN）的负荷分别为7.8 kg N ha-1y-1和 11.2 kg N ha-1y-1，来自于点源对NO3-N负荷的贡献在西淝河流域为53%，在泥河流域为40%，主要受流域土地利用和作物种植模式影响。.（3）以西淝河流域为典型代表，建立了基于SWAT的流域生态水文模型，分析了煤矿动态开采时序下径流特征对区域土地利用变化和沉陷积水的双重响应关系，结果表明：径流量随城镇化有减少的趋势，而大规模煤矿开采沉陷盆地则能够起到径流调节的作用。.（4）选择15个塌陷湖泊进行水环境质量调查分析，结果表明：受流域活动影响，塌陷湖泊总体处于富营养化状态。进一步选取3个代表性湖泊进行水生态环境调查并建立了生态通道模型分析了生态系统的组成、结构与功能，结果表明：塌陷湖泊生物群落结构指示了典型富营养化水体的特征，湖泊特性、区域地理气候和人为活动是生态系统的主要影响因子，其结构和功能主要受“上行效应”影响，而渔业捕捞方式对生态系统结构和功能造成了显著的“下行效应”。.研究成果对科学认识采矿活动的流域影响程度、沉陷区水资源利用与水生态环境修复具有十分重要的理论和实践意义。