中国矿业大学教育部野外科学观测站监测成果简报

2024年汇总

                         中国矿业大学环境与测绘学院 2025年2月

2024年监测数据分析与评估

编者按：

2024年度江苏贾汪资源枯竭矿区土地修复与生态演替教育部野外科学观测研究站（简称野外站）延续多维度监测体系，深化跨学科协同研究。本年度整合社会实验室成果到其他组，凝聚为水、土、气、生、沉五个方向。主要完成自研生态监测设备迭代与GNSS站网智能化改造，开展全湖水质无人机与地基联测，气溶胶连续观测等系列科学实验，构建多源数据一体化管理平台。同时，承接了矿大环境与测绘学院遥感专业第一届毕业大实习，全域无人机和地面采样实践。团队在矿区重金属迁移机制、甲烷卫星反演算法、沉陷区耕地恢复力评估等领域取得突破，发表了相关论文10余篇，指导潘安湖生态修复硕士论文1篇，指导学生相关竞赛5项，拍摄潘安湖宣传视频1次。相关成果为东部高潜水位矿区生态修复与资源型城市转型提供数据支撑与技术范式。

第一部分：潘安湖野外站监测的实施方案

1.基本情况

潘安湖曾是徐州重要煤炭基地，拥有130多年煤炭开采史。随着长期高强度、大规模开采，造成了潘安湖总占地1.74万亩的塌陷。徐州市于2010年3月开启“基本农田整理、采煤塌陷地复垦、生态环境修复、湿地景观开发”项目，2013年底全面落实，潘安湖经过改造规划总面积52.89平方公里，由原本的采煤塌陷区变成了环境优美的潘安湖湿地公园。

野外观测站位于潘安湖湿地保育区内，四面环水，由一条穿行于池杉林中的道路连接。目前野外站由大气、水环境、土壤、生态和沉陷六个功能性实验室组成，各办公室实验基本条件完备，可以应对日常科研和短期生活需求。野外站由中国矿业大学协同创新中心与环境与测绘学院共同管理，各组成员按需进行科研调查采样工作，维持正常运维。

图1.1. 实验室构成

图1.2. 2024年寒假遥感专业毕业实习成果

2.监测目标与方式

2.1 监测目标

潘安湖经过改造由原本的采煤塌陷区变成了环境优美的潘安湖湿地公园，并获得习近平总书记肯定，高度赞扬了潘安湖采煤塌陷区整治在煤炭安全绿色开采和清洁高效利用、生态环境修复和资源枯竭型城市的转型发展等方面作出了积极贡献。

然而，潘安湖公园属于人工湿地系统，其对自然灾害和人类活动干扰的响应机制和适应能力需要长期的监测数据支持，野外站旨在通过对潘安湖进行水资源与水环境、土壤环境、大气环境、生态环境和沉陷等多维监测活动，揭示采矿塌陷修复区人工湿地生态系统在不同时间尺度上的结构与功能特征及其变化规律，为中国东部高潜水位矿区修复、保护管理、优化配置和可持续利用提供科学依据。

具体监测目标为：

（1）建立潘安湖野外站监测数据库，收集、整理、存储和共享各类监测数据，为后续的数据分析和模型建立提供基础。

（2）编制潘安湖野外站监测年度报告，定期发布监测结果和评估结论，反映潘安湖人工湿地生态系统的动态变化和发展趋势，为政府部门和社会公众提供参考信息。

（3）探讨人工湿地生态系统的结构与功能特征及其变化规律，评估人工湿地对自然灾害和人类活动干扰的响应机制和适应能力，探索人工湿地对气候变化和全球变化的影响及其反馈作用，为人工湿地保护管理、优化配置和可持续利用提供科学依据。

（4）发表潘安湖野外站监测相关论文，申请潘安湖野外站监测相关专利或奖项，促进人工湿地科学技术创新，并推动相关学科交叉融合。

2.2 监测方式

在研究中，大气环境、沉陷、土壤监测由野外远端仪器自动化采集数据，辅以人工定期维护，监测频率为持续监测。

水环境、生态、社会监测以单次集中数据采集和调查为主，按季、月频次进行监测。

2.3 监测指标

水环境：包括水文过程（降水、蒸发、径流、地下水等）、水质状况（物理性质、化学性质、生物性质等）、水生态系统（水生植物、水生动物、微生物等）等方面的监测。

土壤环境：包括土壤形成过程（土壤类型、土壤剖面、土壤结构等）、土壤特性（湿度、物理性质、化学性质、生物性质等）、土壤功能（保持肥力、固碳排氧、净化污染等）等方面的监测。

大气环境：包括大气成分（气体组分、颗粒物组分等）、大气参数（温度、湿度、压力、风速风向等）、大气过程（辐射平衡、能量平衡、水汽平衡等）等方面的监测。

生态环境：包括植被结构（植被类型、植被覆盖度、植被多样性等）、植被功能（光合作用、蒸腾作用、碳循环和碳汇功能等）、动物群落（动物种类，数量，分布，多样性等）、食物链和食物网关系（能量流动，营养级结构，生态位分化，种间相互作用等）等方面的监测。

沉陷环境：包括潘安湖湿地与湖泊区、以及周边建筑物的地表变形（沉降量、水平位移、地表裂缝）、地下岩层移动（离层、断裂）、沉陷稳定性（沉降速率、残余沉降、发展趋势）等方面的监测。

图1.3. 野外站观测内容

图1.4. 全域监测内容

3.水环境监测

3.1 水环境监测意义

水是生命之源，也是人类社会经济发展的重要资源。水环境质量直接影响着人类健康、生态安全和可持续发展。随着工业化、城镇化和农业化的加速，水环境面临着日益严峻的污染和破坏。为了保护水资源，防治水污染，改善水环境质量，需要对水体进行科学、规范、系统的监测，及时掌握水体的现状、变化和趋势，为制定水环境保护政策、规划和措施提供依据。

3.2 水环境监测目标

监测潘安湖各个断面或点位处的主要污染物（如氨氮、总磷、化学需氧量等）含量，评估潘安湖各个断面或点位处的水质类别和污染程度，判断潘安湖是否达到国家或地方规定的相关标准或目标。

监测潘安湖各个断面或点位处的主要生物学指标（如叶绿素a、藻类密度、藻类种类等），评估潘安湖各个断面或点位处的富营养化状况和藻华风险，判断潘安湖是否存在富营养化问题或藻华暴发现象。

监测潘安湖各个断面或点位处的主要生态学指标（如溶解氧量、透明度、温度等），评估潘安湖各个断面或点位处的生态功能和服务能力，判断潘安湖是否具有良好的生态系统健康状况。

监测影响潘安湖水环境质量和功能的主要自然因素（如降雨量、径流量、风速风向等）和人为因素（如入流口排放量、排放物质性质等），分析影响潘安湖水环境质量和功能的主要因素和机制，为制定水环境保护和改善措施提供依据。

3.3 监测内容

（1）在潘安湖园内设置10个水文观测站和20个水质观测点，覆盖北湖和南湖的主要入流河道和出流河道，以及不同深度和位置的湖泊区域；在周边设置5个对照观测点，分别位于京杭大运河上游和下游，以及其他相邻河流或湖泊。

（2）利用中低分辨率光学卫星（如MODIS、Landsat、Sentinel等）获取湿地植被指数（NDVI）、叶面积指数（LAI）、净初级生产力（NPP）、水质参数（如叶绿素a、总悬浮物、透明度等）等信息，评估湿地生态状况和水环境质量。

4.土壤监测

4.1 土壤监测意义

采煤塌陷地经修复转化为人工湿地，其土壤环境经历了剧烈扰动与重构。监测修复区土壤演变过程对于评估湿地生态修复成效至关重要。塌陷导致的地形改变、水文条件变化及人工干预措施（如客土回填、植被重建）深刻影响着新成土壤的形成方向、理化生物特性及其生态服务功能。通过系统监测，可揭示修复措施下土壤质量恢复轨迹、污染物（如矿区典型重金属）迁移转化规律、以及关键生态功能（如碳固存、养分循环、污染净化）的重建效率，为优化修复技术、保障湿地生态系统健康稳定及长期可持续管理提供核心科学依据。

4.2 土壤监测目标

（1）表征本底与动态：系统掌握修复区代表性点位不同土层（尤其是新生表层土壤及受扰动深层土壤）的物理、化学和生物特性本底值及其在修复过程中的动态变化规律，建立土壤质量评价基线。

（2）解析成土过程：观测和分析塌陷重构背景下土壤形成的关键过程，包括主要土壤类型（如人工填土、新成土、潜育土等）的空间分布、典型土壤剖面发育特征（层次分化、结构形成、物质迁移）及土壤结构稳定性演化（团聚体组成与稳定性）。

（3）评估生态功能：定量评估修复湿地土壤的核心生态服务功能，重点聚焦其保持与供给肥力（养分库容、循环速率）、调节气候（有机碳储量、动态及固碳潜力，与大气室协同监测温室气体通量）、净化环境（对矿区典型污染物如重金属、潜在残留有机物的吸附、固定、降解能力）的效能及其可持续性。

（4）支撑管理决策：识别土壤恢复的限制因子与潜在风险（如压实、盐渍化、污染反弹），为调整修复策略（如土壤改良、植被配置优化）和制定长期管护措施提供直接数据支撑。

4.3 监测内容

（1）土壤特性综合监测：在修复区核心功能区、过渡带及对照区布设固定监测点位，按发生层（如0-20cm耕作层/根系层，20-50cm心土层，50cm以下底土层/扰动层）定期采集土壤样品。

（2）土壤形成过程观测：定期挖掘或利用固定剖面点，观测记录土壤剖面形态特征：包括发生层数量、厚度、颜色（芒塞尔比色）、结构类型与发育度、新生体（如锈纹锈斑、结核）、根系分布等。监测主要土壤类型的空间分布及其随时间的变化。

（3）土壤生态功能评估：固碳功能，测定不同土层土壤有机碳和无机碳含量与密度，计算碳储量；净化功能：设计模拟实验或利用长期监测数据，评估土壤对目标污染物（尤其是重金属）的吸附容量、固定效率（如形态分析）及潜在的生物降解能力（与微生物指标关联分析）。

5.大气监测

5.1 大气监测意义

湿地系统可以降低温室效应，改善城市热岛效应，调节局部微气候；可以通过植被截留作用减少风沙侵蚀和粉尘扩散，并吸收空气中的有害物质如硫化物、臭氧等。为了评估湿地对大气环境的影响效果，需要对湿地周边的大气质量进行监测。

此外，本地大气环境也与外界传输有关，局部地区的微小改变难以体现在整体大气环境监测中。徐州地处四省通衢交界之地，大气环境中多参数的时空格局、传输路径也尤为值得关注。对潘安湖、徐州市区乃至整个淮海经济区的大气监测将为政府部门大气污染防治提供决策数据支持。

5.2 大气监测目标

（1）本地大气污染具有来源复杂、成分复杂、时空变化复杂的特点。实验室与市区中国矿业大学大气观测实验室协同，结合卫星观测+站点监测+移动监测，打造“城-郊大气环境观测体系”，建立多元精细化大气遥感模式，为大气污染物提供时空演变分析、传输路径预测和污染治理决策等。

（2）潘安湖为塌陷矿区改造生态湿地，近地面大气边界层参数如太阳辐照度、水汽通量、CO2通量、风速湿度等自然信息对地表植被生态环境的演变分析具有重要意义。大气实验室在潘安湖建成大气观测塔配合各种监测仪器，提供大气边界层关键参数，为改造区多参数正负反馈机制、关键因素生消等提供科学数据支撑和分析。

（3）随着甲烷（CH4）研究越来越热，大气实验室也将部分重心放到甲烷上。潘安湖人工修复湿地排放甲烷包括两方面，一个是地表厌氧微生物分解产生，另一个是地下裂缝逃逸，研究其浓度变化具有重要意义。

5.3 监测内容

（1）在潘安湖设置固定大气监测站，连续采集空气样品，并分析其主要污染物如PM2.5、PM10、CH4、NOx等的浓度和变化趋势。

（2）利用多源卫星数据监测整个淮海地区的多参数数据，并绘制季、月时空分布图。

（3）使用数值模拟技术，建立湿地-大气相互作用的数学模型，并根据实际观测数据进行验证和修正，预测湿地对大气环境的影响程度和范围。

6.生态监测

6.1 生态监测意义

潘安湖是人工湿地系统，位于江苏省徐州市贾汪区潘安湖街道，地处徐州主城区与贾汪城区中间地带。潘安湖是由采煤塌陷地经过综合整治和生态修复而形成的国家湿地公园，是集“基本农田再造、采煤塌陷地复垦、生态环境修复、湿地景观开发”四位一体的全省首创项目。潘安湖具有重要的生态价值和社会效益，主要体现在以下几个方面：

为改善和保护当地生态环境提供示范。潘安湖通过对采煤塌陷地进行水利治理、土壤改良、水生植物种植等措施，恢复了土地功能，提高了水质水量，增加了生物多样性，形成了优美的自然景观和丰富的生态资源。潘安湖为解决资源枯竭型城市转型发展问题提供了成功经验和典范。

为促进当地经济社会发展提供动力。潘安湖通过开发旅游业、文化业、休闲业等现代服务业，打造了一批具有特色和吸引力的景点和活动，如国家4A级旅游景区、中央影视拍摄基地、国际音乐节等 。潘安湖为增加当地财政收入、创造就业岗位、提升居民幸福感发挥了积极作用。

为推进全球生态文明建设提供贡献。潘安湖作为首批国家湿地旅游示范基地和国家级重点公益性科普教育基地，通过开展各种形式的宣传教育活动，普及湿地知识和保护意识，增强公众对自然环境的尊重和爱护。同时，潘安湖也为应对气候变化、维护全球生态平衡发挥了重要作用。

6.2 生态监测目标

针对潘安湖这一特殊的人工湿地，我们在遵循一般研究的总体方案的基础上，制定了以下具体的生态监测目标：

监测潘安湖水域和岛屿的面积、形态、分布和变化情况，评估水利治理和土壤改良的效果和影响。

监测潘安湖水质、水量、水位和流量等水文要素，评估水环境质量和水资源利用情况。

监测潘安湖湿地生态系统的结构、功能、服务和变化情况，评估生物多样性、物质循环、能量流动等基本过程和机制。

监测潘安湖景观资源的类型、数量、质量和变化情况，评估景观美学价值和旅游吸引力。

监测潘安湖社会经济发展的规模、速度、结构和变化情况，评估生态修复对当地经济社会发展的促进作用。

6.3 监测内容

潘安湖水域和岛屿监测：采用遥感影像解译或现场勘察等方法，获取并记录潘安湖水域边界线坐标点及其属性信息（如深度、类型等），计算并统计各类水域面积；获取并记录各个岛屿边界线坐标点及其属性信息（如高程、类型等），计算并统计各个岛屿面积；分析并描述潘安湖水域和岛屿形态特征及其变化趋势。

潘安湖水文要素监测：采用现场取样或在线监控等方法，获取并记录潘安湖各个断面或点位处的水质指标（如pH值、溶解氧量、氨氮含量等），计算并统计各个断面或点位处的平均值或最大值或最小值；获取并记录潘安湖各个断面或点位处的水量指标（如流量、水位等），计算并统计各个断面或点位处的平均值或最大值或最小值；分析并描述潘安湖水文要素特征及其变化趋势。

潘安湖湿地生态系统监测：采用遥感影像解译或现场调查等方法，获取并记录潘安湖各类湿地类型的分布范围及其属性信息（如植被覆盖度、物种组成等），计算并统计各类湿地类型的面积和比例；获取并记录潘安湖各类生物群落的数量、密度、多样性等指标，计算并统计各类生物群落的平均值或最大值或最小值；获取并记录潘安湖各类生态服务功能的价值、贡献率等指标，计算并统计各类生态服务功能的总价值和比重；分析并描述潘安湖湿地生态系统结构、功能、服务及其变化趋势。

7.沉陷监测

7.1 沉陷监测意义

地下开采结束后，虽然经过长期的自然压实，但开采后形成的地下空洞及不规则的岩体裂隙等将长期存在，任何形式的扰动都可能打破覆岩中已有的平衡，导致采空区及其覆岩二次移动和变形，进而导致地面建筑物沉陷、局部开裂、倾斜等破坏，并造成人员严重伤亡和财产损失。因此对塌陷区的状况进行实时、准确地监测，及时掌握塌陷区变形规律变得尤为重要。而无论采用D-INSAR、GNSS等现代化监测手段，还是采用数字水准等传统方法对采空塌陷区进行变形监测，都离不开高精度的坐标基准信息和稳定的坐标参考框架。

徐州连续运行参考站系统（CORS）是该地区现代测绘基准体系与地理空间框架的重要基础设施，为该地区建立了一个准确的参考框架，实现了与全球参考系统之间的转换，为当地各行各业提供了高精度的导航与定位服务。虽然该CORS基准站网在建设时都选择在地质构造相对稳定的区域，但随着时间的推移，站点难免会受板块运动、地面沉降和地下水开采等诸多因素的影响，位置会随之发生不同程度的变化，即站点处在动态的变化过程中，该站网基准的准确性和可靠性就会受到影响。因此，对徐州CORS基准站的稳定性进行分析和监测具有重要的科学和应用价值。

大气水汽是预测全球/区域气候变化、降雨和灾害性天气的重要信息源，也是GNSS等对地观测系统的重要误差源。利用徐州CORS可以反演该地区气象系统中大气水汽来预报天气，由于GNSS技术具有监测成本低、时间分辨率高、响应时间快等优势，基于该技术的大气水汽反演在区域短临极端天气实时监测与预警方面的应用越来越广泛。

对此本实验室将充分利用徐州CORS基准站网监测站数据构建徐州地区的三维坐标基准，分析该站网的位移、速度及水汽变化，为实现基准站网坐标信息的动态更新与服务以及区域极端天气的实时监测与智能预警提供数据与方法基础。

7.2 沉陷监测目标

以徐州地区的老工业基地为研究对象，充分利用徐州市CORS网、贾汪潘安湖自建CORS站、中国矿业大学北斗分析中心已有软硬件设施，采用卫星导航、地理信息云、人工智能等多种现代化技术手段，设计一套矿区地表、边坡实时形变监测与预警系统，为矿区提供实时、快速、高精度的基准与天气预报服务，从而实时获取矿区地面监测点或大范围区域变形量、矿区的大气水汽变化，进行矿区实时形变监测与预警，为开采沉陷规律与矿区大气环境研究提供可靠的理论与数据基础。

7.3 监测内容

（1）研究北斗/GNSS数据处理技术，实现徐州地区基准的高精度维持，为地区地表形变监测提供稳定可靠的基准服务（基准维持）。

（2）研究基于GNSS水汽反演和人工智能技术的典型气象要素智能识别与重构方法，实现徐州地区水汽实时监测与预警（水汽反演）。

（3）开展老采空区残余沉降监测工作，研究关闭矿井地表变形情况，为关闭矿井地基长期稳定性评价相关研究提供技术数据（沉降监测）。

（4）利用地理信息云和人工智能技术，研发徐州地区基准与水汽变化的可视化监测系统，为分析决策提供技术支撑（服务系统）。