周士園，常 江，羅萍嘉

(1.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.中國礦業(yè)大學(xué)建筑與設(shè)計學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

采煤沉陷濕地是伴隨著地下煤炭資源開發(fā)形成的人工次生濕地。在我國煤炭資源的開發(fā)中95%以上為井下開采[1]，據(jù)預(yù)計在我國東部高潛水煤礦區(qū)中全部開采后可形成約1.9萬km2積水區(qū)，其中40%為積水深度在3 m以上的深積水區(qū)[2]。大量地表積水的出現(xiàn)深刻地改變了原有的景觀環(huán)境，使采煤沉陷區(qū)由陸生生態(tài)系統(tǒng)演替為水-陸復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)[3]。國際《濕地公約》和我國《濕地分類GB/T24708—2009》中都將因采礦挖掘形成的積水區(qū)界定為人工濕地的一類。采煤沉陷濕地對資源型城市的生態(tài)安全格局有著重要的影響。近年來隨著城市生態(tài)修復(fù)理念和資源型城市生態(tài)轉(zhuǎn)型的深入發(fā)展，已日益成為恢復(fù)生態(tài)學(xué)、濕地學(xué)與城市規(guī)劃學(xué)研究的熱點。從現(xiàn)有的研究成果來看，由于我國采煤沉陷濕地的規(guī)模大、分布范圍廣且復(fù)墾率低，造成的生態(tài)環(huán)境問題尤為突出[4]。目前，關(guān)于采煤沉陷濕地的研究重點集中在采煤沉陷濕地的景觀格局演變與驅(qū)動力分析[5]、水文過程模擬[6]、生物地球化學(xué)過程[7]、植被的生態(tài)修復(fù)[8]、開采沉陷的生態(tài)效應(yīng)[9]與綜合利用規(guī)劃管理[10]等方面，其中景觀格局與水文過程是濕地系統(tǒng)形成與演化關(guān)鍵過程。本文闡述了采煤沉陷濕地形成的一般過程，總結(jié)了國內(nèi)采煤沉陷濕地景觀格局與水文過程研究的進(jìn)展，為推動采煤沉陷濕地在濕地學(xué)領(lǐng)域里的研究提供基礎(chǔ)。

1 采煤沉陷濕地的成因分析

從發(fā)生學(xué)的角度，采煤沉陷濕地是地下采動引發(fā)的一種次生地質(zhì)災(zāi)害，即在地下礦層采出后形成采空區(qū)，周邊巖體原始應(yīng)力平衡被打破，造成巖層和地表出現(xiàn)彎曲變形、斷裂和位移并在地表形成下沉盆地，在水文過程變化影響下形成積水[11]。采煤沉陷濕地的形成是一個動態(tài)變化的過程并具有明顯的階段特征，根據(jù)沉陷穩(wěn)定程度可以分為：待沉陷、動態(tài)沉陷和穩(wěn)定沉陷三個時期。

水文、濕地土壤與水生植被是界定濕地的關(guān)鍵要素[12]。當(dāng)采煤沉陷濕地與周邊的河流連通時將改變流域的匯流格局，并成為區(qū)域水系的組成部分。在沒有其他地表水系匯入的封閉型采煤沉陷濕地中，水源補給以降水為主，水量季節(jié)性變化大。研究表明地區(qū)年降水量和年蒸發(fā)量的比值越大，沉陷盆地內(nèi)形成積水面積的比例通常也越大[13]。在開采沉陷的作用下原有地表土壤塌陷成為洼地，積水的出現(xiàn)使其逐步演化為季節(jié)性或永久性濕地土壤。隨著水生環(huán)境條件的逐步成熟，原有的陸生植被發(fā)生退化，水生植物逐步出現(xiàn)并成為優(yōu)勢物種，濕地生態(tài)系統(tǒng)逐步形成[14]。

在我國東北地區(qū)以及黃淮海平原的煤炭資源型城市中廣泛分布著因采煤沉陷而形成的連片水域組成的濕地群。為了修復(fù)城市周邊礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，進(jìn)入21世紀(jì)后，我國部分城市開始嘗試將部分采煤沉陷區(qū)納入城市的綠地系統(tǒng)中。對此《全國資源型城市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2013～2020 年)》中明確提出“結(jié)合工礦廢棄地整理，建立總量適宜、景觀優(yōu)美的城市綠地和景觀系統(tǒng)，走一條發(fā)展中保護(hù)、保護(hù)中發(fā)展的可持續(xù)之路”。江蘇、安徽等省的濕地保護(hù)條例中也均提出“鼓勵、支持單位和個人修復(fù)濕地或者因地制宜利用采礦塌陷地、低洼廢棄地等建設(shè)濕地”。因此，基于恢復(fù)生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)的原理以及濕地演化規(guī)律的認(rèn)識，利用采煤沉陷濕地進(jìn)行人工濕地的生態(tài)規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)和運行，成為實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)較為廣泛的利用模式之一。目前我國已利用采煤沉陷濕地建成了多座濕地公園，如河北省唐山市南湖濕地公園、安徽省淮北市南湖濕地公園和淮南市十澗湖濕地公園、河南省平頂山市白鷺洲濕地公園。此外，一些學(xué)者開始論證利用采煤沉陷濕地進(jìn)行平原水庫的建設(shè)。這些實踐的展開都需要以對采煤沉陷濕地關(guān)鍵生態(tài)過程演化規(guī)律的研究為基礎(chǔ)。

2 采煤沉陷濕地景觀格局演變研究

2.1 采煤沉陷濕地景觀格局演變特征分析

景觀格局演變的研究反映了采煤沉陷濕地各土地利用/覆蓋類型空間結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，能夠在時空上揭示其變化的基本規(guī)律和發(fā)展趨勢。景觀格局?jǐn)?shù)量分析是目前采煤沉陷濕地景觀格局演變特征研究的主要方法，即以高分辨率遙感影像、沉陷預(yù)計結(jié)果為依據(jù)提取濕地水文、植被等土地利用/覆被類型信息，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)進(jìn)行景觀格局指數(shù)的計算和景觀動態(tài)變化模型的構(gòu)建分析[15]。

2.1.1 采煤沉陷濕地景觀格局指數(shù)分析

采煤沉陷濕地景觀格局演變的研究多采用不同時段遙感數(shù)據(jù)結(jié)合土地利用規(guī)劃、沉陷預(yù)計等資料進(jìn)行景觀分類提取、數(shù)據(jù)庫建立，進(jìn)而選取能夠表征景觀幾何特征的定量指標(biāo)進(jìn)行對比分析[16-17]。根據(jù)描述對象和尺度不同，景觀格局指數(shù)包括景觀單元特征指數(shù)和景觀整體特征指數(shù)。采煤沉陷濕地景觀格局研究中，景觀單元特征指數(shù)主要用于分析區(qū)域內(nèi)積水斑塊的空間結(jié)構(gòu)特征，側(cè)重于描述景觀異質(zhì)性。MARSCHALKO等[18]利用連續(xù)航片分析了2002～2012年間捷克Kozinec地區(qū)采煤沉陷區(qū)水域形成與擴(kuò)展過程的面積指數(shù)，并對比分析了積水區(qū)與其他用地的景觀面積的變化的速率。國內(nèi)研究較早的如彭蘇萍等[19]通過遙感影像提取淮南礦區(qū)1992～1998年積水?dāng)U展變化的信息，從而對礦區(qū)環(huán)境進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。WU等[20]采用最大斑塊指數(shù)、形狀指數(shù)、聚集度指數(shù)、景觀分布指數(shù)分析了不同程度的地表沉陷對景觀格局的擾動特征，結(jié)果顯示與林地、農(nóng)用地和園地等其他土地利用類型變化相反，積水的形狀指數(shù)持續(xù)減小，表明隨著沉陷范圍的擴(kuò)大分散的積水區(qū)逐步合并且呈規(guī)則化的變化特征。

景觀整體特征指數(shù)主要用于分析包括采煤沉陷濕地在內(nèi)的礦區(qū)景觀格局空間分布特征和景觀異質(zhì)性，如破碎度指數(shù)、多樣性指數(shù)、距離指數(shù)和均與度等，其中破碎度指數(shù)和多樣性指數(shù)是反映采礦活動對景觀格局?jǐn)_動的常用指標(biāo)。EFFAH等[21]在研究閉礦后礦區(qū)生境多樣性和土地利用變化中，構(gòu)建了包括面積、斑塊密度與面積指數(shù)、邊緣密度指數(shù)、形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均度指數(shù)等9項景觀格局指數(shù)的研究指標(biāo)體系，研究表明閉礦后水域的規(guī)模迅速擴(kuò)大，區(qū)域生態(tài)呈現(xiàn)破碎化、線性化和單一化的特征。卞正富等[22]對徐州東部高潛水礦區(qū)20余年的土地利用演變分析的過程中選取了最大斑塊指數(shù)、斑塊密度、平均分維數(shù)等9項景觀單元特征指數(shù)，以及香農(nóng)多樣性指數(shù)、蔓延度指數(shù)、散布于并列指數(shù)3項景觀整體特征指數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一時期積水斑塊數(shù)量和面積增長最為顯著，斑塊的形狀趨于復(fù)雜，同時破碎化的速度和程度大于其他土地類型。

2.1.2 采煤沉陷濕地中景觀動態(tài)變化模型的應(yīng)用

景觀動態(tài)變化模型是用來描述景觀格局動態(tài)變化特征的重要方法，在礦區(qū)景觀格局的研究中能夠綜合的反映不同土地利用/覆蓋類型的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系和變化趨勢，包括景觀動態(tài)變化表征模型和景觀動態(tài)模擬模型[23-24]。礦區(qū)土地利用研究一般將采煤沉陷濕地的形成作為對原有景觀格局的干擾過程，側(cè)重對動態(tài)沉陷時期積水斑塊變化特征的研究。李幸麗[25]、范忻[26]在礦區(qū)土地利用變化的研究中均選用了土地利用變化度反映采煤沉陷濕地景觀在一定時段的變化程度。胡振琪等[27]運用了地類面積變化率指數(shù)、土地利用程度綜合指數(shù)、土地利用動態(tài)度、多度和重要度指數(shù)反映煤礦區(qū)土地利用/覆蓋變化規(guī)律。此外應(yīng)用較多的如反映積水斑塊空間分布變化的斑塊質(zhì)心變化模型、空間自相關(guān)分析等。

景觀動態(tài)模擬模型是近年來在礦區(qū)土地利用研究中發(fā)展較快的研究方法，是利用統(tǒng)計模型實現(xiàn)對礦區(qū)景觀格局的時空變化進(jìn)行模擬預(yù)測。景觀動態(tài)模擬模型主要用于綜合反映包括采煤沉陷濕地在內(nèi)礦區(qū)各類用地的轉(zhuǎn)化過程分析和預(yù)測，能夠為土地利用規(guī)劃和礦區(qū)環(huán)境的生態(tài)修復(fù)提供決策支持。黃家政等[28]基于1985～2010年5個時期遙感數(shù)據(jù)，采用Markov模型對淮南礦區(qū)景觀格局變化進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明研究期間采煤沉陷積水區(qū)主要由耕地轉(zhuǎn)化而來。然而，Markov模型是假設(shè)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展平穩(wěn)，政策因素沒有重大變化下的概率估計，這一方法忽視了資源產(chǎn)業(yè)及其土地利用變化的特殊性。王行風(fēng)等[29]依據(jù)資源產(chǎn)業(yè)的生命周期理論，在CA模型的基礎(chǔ)上引入時間變量構(gòu)建了適應(yīng)礦區(qū)土地利用變化模擬的T-ANN-CA模型。CLUE-S模型具備了分析政策與社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因素變化的多情景下的土地利用時空變化的預(yù)測，因此，李保杰[30]利用CLUE-S模型模擬分析了徐州賈汪礦區(qū)整體土地利用時空動態(tài)變化趨勢，結(jié)果顯示在當(dāng)前的趨勢下采煤沉陷區(qū)水域面積的擴(kuò)展速度將逐步降低(表1)。

表1 采煤沉陷濕地研究中景觀格局指數(shù)與景觀動態(tài)變化模型的應(yīng)用

近年來,我國進(jìn)入衰退期的資源型城市快速增加，大量城市開始探索將采煤沉陷濕地納入城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施體系中，為城市提供更多的生態(tài)服務(wù)功能[31]。這一發(fā)展趨勢下，僅僅將采煤沉陷濕地作為干擾因子的研究方法已不足適應(yīng)這一發(fā)展，未來需要更多的從濕地生態(tài)保護(hù)與利用的角度進(jìn)行了采煤沉陷濕地景觀動態(tài)變化研究。

2.2 采煤沉陷濕地景觀格局演變驅(qū)動力分析

景觀動態(tài)變化模型的研究重點闡釋了景觀格局狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過程，而驅(qū)動力分析揭示了景觀格局演變的原因和內(nèi)部機(jī)制，為預(yù)測和控制景觀格局發(fā)展趨勢提供依據(jù)。當(dāng)前，采煤沉陷濕地景觀格局演變驅(qū)動力的分析模式可以歸納為：依據(jù)采煤沉陷濕地景觀格局要素分析選取驅(qū)動因子，進(jìn)而定量分析各驅(qū)動因子的相對重要性，最終確定主導(dǎo)驅(qū)動因子[32]。綜合現(xiàn)有的研究成果來看，定性描述采煤沉陷濕地景觀格局演變驅(qū)動因子的研究較多，但在驅(qū)動因子量化分析方面的研究案例相對較少。

景觀格局演變是自然驅(qū)動因子和人為驅(qū)動因子綜合作用的結(jié)果。自然驅(qū)動因子包括如氣候、水文、地形地貌、土壤等，除自然災(zāi)害外其他因子的作用方式往往體現(xiàn)在較大的時空尺度上且具有累積效應(yīng)。人為驅(qū)動因子通常包括社會經(jīng)濟(jì)因素、政策、科技、人口與文化5類，作用方式更為直接也更為復(fù)雜。在采煤沉陷濕地具體的案例研究中驅(qū)動因子的篩選主要采用的方式包括：依據(jù)對采煤沉陷濕地環(huán)境變化的實際觀測數(shù)據(jù)和相關(guān)的資料選??；通過專家評價根據(jù)經(jīng)驗判定；基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型分析潛在驅(qū)動因子與采煤沉陷濕地景觀格局響應(yīng)關(guān)系確定[33]。由于采煤沉陷濕地的形成與變化具有顯著的階段性特征，在時間尺度上驅(qū)動因子也具有明顯的分異性[34]。動態(tài)沉陷期的研究側(cè)重于分析積水斑塊形成與擴(kuò)展的機(jī)制，包括如礦層地質(zhì)條件、降水量、徑流與地下水變化為主的內(nèi)在驅(qū)動力，以及采礦業(yè)的發(fā)展、礦區(qū)土地的規(guī)劃管理政策、開采工藝與方法以及人口變化為主的外生驅(qū)動因素。穩(wěn)沉期側(cè)重于研究人類活動對采煤沉陷濕地土地利用演化的影響，涉及的驅(qū)動因子如：城鎮(zhèn)化、人口、土地復(fù)墾與利用、維護(hù)生態(tài)格局安全等。自然因素方面主要為自然災(zāi)害、氣候變化、水文地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性、生態(tài)需水等。李幸麗[25]對比分析了引發(fā)唐山開灤礦采煤沉陷濕地——南湖地區(qū)二十年來景觀格局演變的驅(qū)動因子發(fā)現(xiàn)地下煤炭開采是導(dǎo)致區(qū)域景觀格局變化的重要因素，但隨著開采范圍減小，經(jīng)濟(jì)和政策影響下的地面工程建設(shè)取代了煤炭開采的作用。氣候與水文因素是積水形成的主要驅(qū)動因子，但長期來看目前的自然條件下水域面積還將繼續(xù)減少。

景觀格局演變驅(qū)動力是綜合各類因子的有機(jī)整體，在特定的問題導(dǎo)向和特定的時空尺度下存在主導(dǎo)驅(qū)動因子和非主導(dǎo)驅(qū)動因子[35]。景觀格局演變驅(qū)動因子的定性研究具有一定的主觀性，難以準(zhǔn)確的反映驅(qū)動因子的作用程度。因此在驅(qū)動因子的定量研究中，通過引入數(shù)理統(tǒng)計模型進(jìn)行模擬演變過程，分析各驅(qū)動因子的貢獻(xiàn)率，以確定主導(dǎo)驅(qū)動因子。目前采煤沉陷濕地景觀格局演變驅(qū)動力定量研究中應(yīng)用的主要方法如相關(guān)分析與回歸分析法、主成分析法、層次分析法等。馬雄德等[5]在神榆府礦區(qū)濕地水體演化研究中采用模糊層次分析法分析了1990～2011年動態(tài)沉陷期內(nèi)資源開采、氣候因素、水源開發(fā)以及生態(tài)需水對地表水體面積變化影響的權(quán)重關(guān)系。此外研究側(cè)重的問題不同，各個學(xué)者也構(gòu)建了其他具有針對性的數(shù)學(xué)模型，如孟磊[36]在研究淮南泥河流域水體變化驅(qū)動力時，從各驅(qū)動因子作用的結(jié)果出發(fā)構(gòu)建了水體演變采煤驅(qū)動指數(shù)(CMWDI)對采煤驅(qū)動的作用程度進(jìn)行了定量分析。

3 采煤沉陷濕地水文過程研究

水文過程控制著濕地土壤、植被的形成乃至地形的變化[37]，是采煤沉陷濕地生態(tài)系統(tǒng)形成與演變的基本過程和唯一決定性因素。水文過程的時空分異性使得沉陷盆地發(fā)育成為不同類型的人工濕地。采煤沉陷濕地水文過程涉及降水、蒸散發(fā)、地下水循環(huán)、地表產(chǎn)匯流、礦井疏排水和人工取水等方面[38]。近年來采煤沉陷濕地水文過程研究在水文情勢的監(jiān)測與預(yù)計、水文循環(huán)機(jī)制的模擬等方面已逐步展開。

3.1 采煤沉陷濕地水文情勢

濕地水文情勢是指各水文要素在時空上的分異情況，是濕地的關(guān)鍵特征，水文情勢的變化影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能演替。掌握采煤沉陷濕地的水文情勢是進(jìn)行水文過程研究的基礎(chǔ)，其主要表征指標(biāo)如：積水水位、地下水水位的時空分異特征；水文周期；濕地降水的時空分異等。現(xiàn)有采煤沉陷濕地水文情勢研究主要圍繞積水容量的計算與預(yù)測、資源開采前后地下水水位的動態(tài)變化及其影響效應(yīng)等[39]。整體來看目前國內(nèi)外相關(guān)研究成果較少，如季節(jié)性采煤沉陷濕地的水文周期、土壤的濕度變化等方面的研究較為匱乏。

采煤沉陷濕地積水容量關(guān)系著濕地的水資源保護(hù)利用、防洪蓄水和生態(tài)修復(fù)方式的選擇[40]。在積水形成過程中，由于采煤沉陷濕地具有動態(tài)變化特征，其積水容量也為一個變量，并在穩(wěn)沉后逐步趨于穩(wěn)定?，F(xiàn)有的研究成果在計算采煤沉陷濕地的積水容量的過程中通常不考慮降水和水文地質(zhì)條件，以沉陷預(yù)計參數(shù)為基礎(chǔ)計算穩(wěn)沉后的最大積水容量。李金明[41]在建立湖底高程模型的基礎(chǔ)上利用水位-蓄水量-面積關(guān)系曲線計算了穩(wěn)沉后采煤沉陷濕地最大蓄水量。余洋[42]在計算中綜合考慮了沉陷預(yù)計數(shù)值模擬與沉陷盆地實際地形的不規(guī)則性和粗糙性，提高了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。相關(guān)的研究成果為利用采煤沉陷濕地進(jìn)行水利工程建設(shè)提供了重要基礎(chǔ)。

地下水與采煤沉陷濕地的積水具有相互調(diào)節(jié)的作用，維系著沉陷盆地的蓄水能力和水位的變化。含水層受資源開發(fā)擾動的變化情況對地下水水位變化具有重要作用：在地表發(fā)生沉陷的過程中當(dāng)含水層發(fā)生斷裂變形并出現(xiàn)開采裂隙則容易導(dǎo)致地下水流失、潛水水位驟降，潛水的流動方式從水平徑流為主轉(zhuǎn)變?yōu)榇瓜驖B漏為主，使得沉陷盆地內(nèi)難以形成積水。當(dāng)開采裂隙未影響含水層，其含水性穩(wěn)定時則高潛水水位能夠維持并對地表水的入滲起到阻隔和補給的作用。此外采煤沉陷濕地地下水水位的變化還收到降水等因素的影響。任晨曦等[43]通過對濟(jì)寧采煤沉陷區(qū)地下水水位和降水量變化的監(jiān)測分析表明，穩(wěn)沉期兩者的變化趨勢一致呈周期性波動，并具有一定的滯后性。

3.2 采煤沉陷濕地水文循環(huán)過程

在濕地中降水-地表水-地下水構(gòu)成了一個復(fù)雜的水文循環(huán)系統(tǒng)，決定了濕地的水量平衡。地表沉陷改變了下墊面和水文地質(zhì)環(huán)境，打破了原有水文循環(huán)過程。目前采煤沉陷濕地水文循環(huán)研究的焦點在于積水的主要補給來源、地表沉陷對地表匯流的影響、地下水循環(huán)的變化。

以往的研究認(rèn)為采煤沉陷濕地積水來源主要為地下水的出露，但近年來部分學(xué)者提出降水是主要的水源補給方式，其分析方法主要通過實驗性分析和模型模擬。張磊等[44]對比分析了淮南采煤沉陷區(qū)深層地下水與淺層地表水、河水、雨水、沉陷區(qū)積水的氫氧穩(wěn)定同位素的成分，從而追蹤了采煤沉陷濕地積水的主要來源。實驗表明，大氣降水補給是沉陷區(qū)積水的主要來源，而深層地下水的補給作用微弱。陸垂裕等[45]對于淮南地區(qū)典型的封閉型采煤沉陷濕地10年間的水量平衡分析表明，積水的主要來源依次為水面降水、未積水區(qū)產(chǎn)流、地下水補給。李慧等[46]、WANG等[47]基于分布式水文模型MODCYCLE，構(gòu)建了“河道-沉陷區(qū)-地下水”水循環(huán)耦合模型，對開放型的采煤沉陷濕地的水資源補給進(jìn)行了定量研究。利用該模型對淮南潘謝礦采煤沉陷濕地水量平衡的模擬分析表明，影響當(dāng)?shù)夭擅撼料轁竦厮Y源補給最大的為連通河流，其次為水面降水、地下水補給和未積水區(qū)產(chǎn)流。在動態(tài)沉陷期，降水對于采煤沉陷濕地的補給量的增速大于地下水的補給增速?，F(xiàn)有相關(guān)研究主要集中在兩淮地區(qū)，針對半濕潤地區(qū)的定量研究不足，但綜合各地的觀測結(jié)果顯示：積水面積占采煤沉陷區(qū)面積比和降水量與蒸發(fā)量比值的地域分異規(guī)律一致，表明影響采煤沉陷濕地積水的主要因素為降水與蒸發(fā)條件[13，45]。

地表沉陷改變了區(qū)域的地形、地貌致使地表匯流過程隨之變化，對流域的水文與地理格局穩(wěn)定形成威脅。在坡面匯流的過程中，地表沉陷范圍的擴(kuò)展、坡度和坡向的變化使得采煤沉陷濕地的集水區(qū)范圍、流向和徑流系數(shù)產(chǎn)生不同程度的變化。動態(tài)沉陷期，隨著地表沉陷范圍的擴(kuò)展坡面匯流的波動顯著，進(jìn)入穩(wěn)沉期后則逐步趨于穩(wěn)定[48]。同時，地表沉陷強度增加的過程中原本獨立的采煤沉陷濕地相互兼并，集水區(qū)范圍相互疊加。魏婷婷[49]運用SWAT模型對地表沉陷前后的流域的徑流條件變化分析后表明，地表沉陷造成子流域內(nèi)徑流深和徑流系數(shù)增加。在河網(wǎng)匯流過程中，大規(guī)模的地表沉陷變形造成原有的河流發(fā)生斷流、逆流乃至不同水系的并流[50-51]，而河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)的調(diào)整又反作用于采煤沉陷區(qū)積水的形成過程。這主要表現(xiàn)在：當(dāng)河流或自然湖泊因河床的改道而與原本封閉的采煤沉陷濕地相互連通時，采煤沉陷濕地的出水口產(chǎn)生位移，從而使得其集水區(qū)的范圍發(fā)生不同程度的增減。徐翀等[52]通過對比淮南礦區(qū)不同片區(qū)的采煤沉陷濕地集水區(qū)面積的變化后指出：由于地表沉陷在流域中分布位置的不同，其匯流面積不一定隨地表沉陷范圍的擴(kuò)展而增加。此外，河流的注入也改變了采煤沉陷濕地的水量平衡的構(gòu)成要素和更新率，永久性積水的范圍增加。

地下資源的開采嚴(yán)重破壞了區(qū)域原有的水文地質(zhì)條件，造成了地下含水層的變形，地下水循環(huán)過程發(fā)生改變。采煤沉陷區(qū)地下水的循環(huán)過程影響著區(qū)域的水量平衡、生態(tài)修復(fù)與土地利用，相關(guān)的研究開展較早[53]。1970年，WOHLRAB[54]初步闡釋了采煤沉陷的擾動下地下水的運動規(guī)律以及水源豐富地區(qū)地表積水的形成機(jī)制。濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建主要關(guān)注地下水水位變化規(guī)律及其與地表水的轉(zhuǎn)化機(jī)制兩方面。目前對于采煤沉陷區(qū)地下水循環(huán)的模擬主要采用地下水?dāng)?shù)值模擬模型[55]和將其與水文模型結(jié)合的綜合模擬模型[56]。現(xiàn)有研究成果表明，影響采煤沉陷濕地地下水循環(huán)的因素十分復(fù)雜，包括水文地質(zhì)環(huán)境的變化、降水、周邊河流、人為因素以及水平流和垂直流過程變化等。馮忠倫等[57]通過地表沉陷前后地下水補給狀況的對比發(fā)現(xiàn)，地表沉陷發(fā)生后由于地下水側(cè)向補給采煤沉陷濕地積水的水平流作用加強，造成水文周期內(nèi)地下水的最終補給量相比沉陷前有所下降。對封閉型和開放型兩類采煤沉陷濕地地表水與淺層地下水水量轉(zhuǎn)化的分析均表明，降水和蒸發(fā)作用對沉陷區(qū)積水與地下水的間水量轉(zhuǎn)化有顯著影響。降水主導(dǎo)了封閉型采煤沉陷濕地水分補給，枯水期地下水以越流方式輸入地表水，但作用微弱，進(jìn)入豐水期地表水滲漏補給地下水作用明顯。陸垂裕等[45]對淮南封閉性采煤沉陷濕地的研究表明，地表徑流緩慢地區(qū)高潛水位主要作用在于地表水的涵養(yǎng)作用而并非補給通量作用。開放型采煤沉陷濕地中河流對采煤沉陷濕地水位變化的作用顯著，且地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系更為復(fù)雜，時空分異性顯著。

3.3 采煤沉陷濕地水文過程與景觀格局關(guān)系研究

濕地水文對濕地物理過程和生物地球化學(xué)過程發(fā)揮著重要的溝通作用，控制并維系著濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。采煤沉陷濕地形成的過程中，水文過程對濕地生態(tài)系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在：首先，積水的形成了新的水生環(huán)境單元直接改變了區(qū)域的理化性質(zhì)和地表覆蓋類型，進(jìn)而影響了生境的多樣性。ANTWI[58]對德國Schlabendorf Süd礦區(qū)的研究認(rèn)為閉礦后水文條件的變化使得當(dāng)?shù)氐纳扯鄻有栽黾樱欢哂袃?yōu)勢的景觀類型減少，各類斑塊在景觀中趨于均勻分布。其次，水文過程的分異性對植被組成和豐度形成影響，改變了生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力。

濕地景觀格局的演變又對水文過程具有反饋作用[59]，如降雨徑流、地下水循環(huán)、土壤水入滲和水土流失的影響等[60]。水面降水和蒸散發(fā)是控制采煤沉陷濕地水文平衡的重要部分，而水生植被的出現(xiàn)和擴(kuò)散增加降水過程中的植被截流量，并對水分的蒸發(fā)和植被的散發(fā)量產(chǎn)生影響。同時相關(guān)研究表明濕地中不同植被類型的演替對地表的產(chǎn)流過程具有不同程度的控制作用。但目前生態(tài)演替對采煤沉陷區(qū)水文過程的作用機(jī)制中仍存在許多未知的因素，且定量研究成果較少。此外人類活動是對于土地利用變化的重要驅(qū)動力，對于淺積水區(qū)的土地復(fù)墾、水利設(shè)施的建設(shè)、城市化等過程改變了采煤沉陷濕地的水文過程。

水文過程與景觀格局的作用機(jī)制十分復(fù)雜，兩項研究采用的時空尺度又具有明顯的差異，采煤沉陷濕地景觀格局研究主要以煤田邊界或采煤沉陷邊界為研究范圍，而以開采沉陷周期為研究的時間尺度。水文過程研究通常在流域的尺度下展開。因此難以綜合各類因素定量化描述兩者的相互關(guān)系?，F(xiàn)有的研究多為特定的時空尺度下單一水文過程對景觀格局要素的作用，深入研究開采沉陷周期內(nèi)多水文變量對景觀格局的綜合作用關(guān)系和機(jī)制的研究有待繼續(xù)開展。

4 研究展望

近年來，采煤沉陷濕地在景觀格局和水文過程研究方面獲得了較大的發(fā)展，并逐步受到多學(xué)科領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。研究成果為系統(tǒng)的分析采煤沉陷濕地景觀過程并進(jìn)行生態(tài)重建與綜合利用提供了重要基礎(chǔ)。綜合目前采煤沉陷濕地景觀格局與水文過程的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，未來應(yīng)重點開展以下幾個方面的研究。①景觀格局與水文過程耦合機(jī)制的研究。采煤沉陷濕地生態(tài)過程具有顯著的動態(tài)特征，植被演替、土地利用變化與水文過程的相互作用關(guān)系是其關(guān)鍵生態(tài)過程。然而目前研究成果主要集中在景觀格局演變與驅(qū)動力分析方面，水文過程在濕地形成前后的分異特征和驅(qū)動機(jī)制研究相對薄弱。今后探索定量化模擬水文過程與景觀格局的綜合作用機(jī)制是研究的重點之一。②濕地生態(tài)服務(wù)功能的保護(hù)與綜合利用。通過對采煤沉陷濕地的生態(tài)重建與水文管理，可以對其蓄水和水源涵養(yǎng)的功能進(jìn)行綜合利用，達(dá)到調(diào)洪蓄水、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候等目的。近年來結(jié)合資源型城市生態(tài)轉(zhuǎn)型，發(fā)揮采煤沉陷濕地在城市中的生態(tài)服務(wù)功能是當(dāng)前研究的熱點內(nèi)容。③區(qū)域性景觀格局的優(yōu)化研究。采煤沉陷濕地生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育使得區(qū)域內(nèi)形成了新的景觀格局，盡管已有部分研究從城市或流域的范圍上對采煤沉陷濕地在宏觀尺度上的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行研究，然而景觀格局重建的研究成果多數(shù)圍繞沉陷片區(qū)的中小尺度展開，從較宏觀尺度的研究較少。區(qū)域性景觀格局優(yōu)化研究的深入展開將為采煤沉陷濕地生態(tài)重建的規(guī)劃與實施提供科學(xué)依據(jù)。