地形復(fù)雜礦區(qū)煤炭開采景觀擾動研究

邱文瑋，侯湖平

（中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221116）

煤炭在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用，我國煤炭資源的89%分布在太行山——雪峰山以西的11個省區(qū)，而東部省區(qū)只占11%，資源分布極不均勻［1］。近幾十年我國煤炭資源開發(fā)重點(diǎn)主要集中在東部地區(qū)，主要的大型礦區(qū)有：兩淮礦區(qū)、徐州礦區(qū)和兗州礦區(qū)［2］。這些地區(qū)地下潛水位較高，地勢相對平坦，由煤炭開采引發(fā)嚴(yán)重的土地占用、地表塌陷、地表積水、土壤鹽漬化等生態(tài)環(huán)境問題，使礦區(qū)生態(tài)景觀和生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯破壞。目前，國內(nèi)外學(xué)者對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)研究已取得了一定的進(jìn)展，文獻(xiàn)［3］分析我國礦山開采的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，提出多種典型土地復(fù)墾技術(shù)；文獻(xiàn)［4］對淮南礦區(qū)采煤沉陷地生態(tài)環(huán)境修復(fù)的具體戰(zhàn)略進(jìn)行研究；文獻(xiàn)［5］基于RS和GIS技術(shù)對徐州礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)進(jìn)行了分析，但大部分研究主要集中在我國東部礦區(qū)的土地復(fù)墾理論和技術(shù)方面，基于景觀、生態(tài)角度特別是地形復(fù)雜的西部礦區(qū)相應(yīng)的研究還比較少。為此，本文以山西省北關(guān)礦區(qū)為例，采用RS和GIS相結(jié)合的方法，研究地形復(fù)雜礦區(qū)生態(tài)景觀格局的變化特點(diǎn)，為西部礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境修復(fù)和改善提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省陵川縣北關(guān)礦區(qū)，地處北緯35°48′15″～35°49′09″，東經(jīng) 113°15′57″～113°18′41″，為典型大陸性溫帶氣候區(qū)，年平均氣溫為8.0℃，年日照時數(shù)為2604h，日照率為59%，年平均降水量606.5mm，常年主導(dǎo)西南風(fēng)，平均風(fēng)速26m／s。因長期的地殼上升和侵蝕切割影響，形成了較為復(fù)雜的中低山地貌特征，總體地勢表現(xiàn)為東高西低。北關(guān)礦區(qū)由陵川原北關(guān)煤礦、老西溝煤礦、北川煤礦整合而成，礦區(qū)井田內(nèi)基巖大面積裸露，出露基巖地層主要有石炭系中同本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組。區(qū)域內(nèi)土壤類型以淋溶褐土為主，土壤相對貧瘠；耕地類型主要為旱地，種植玉米、谷子、高粱等耐旱作物；林地、灌木等木本植被呈現(xiàn)由東南向西北逐漸降低的分布規(guī)律，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，物種多樣性較高。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源主要采用軌道號為113－35，日期為 2000／05／07、2007／05／19、2010／06／12 的 三 期TM／ETM遙感影像以及2009年的DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率分別為30m和90m。所有影像數(shù)據(jù)都經(jīng)過圖像幾何校正，首先在ENVI軟件上采用監(jiān)督分類法對土地利用類型進(jìn)行分類提取生成土地分類圖，根據(jù)研究區(qū)域土地利用特點(diǎn)，將土地類型分為六類用地：工建用地（工礦用地和建筑用地）、有林地、灌木林、草地、旱地、裸地；然后在ArcGIS軟件上依據(jù)DEM數(shù)據(jù)依次生成坡度、坡向圖；最后將土地分類圖和坡度、坡向圖疊加進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析，并在ArcGIS上依據(jù)景觀分析工具對研究期間景觀格局進(jìn)行分析研究。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局指數(shù)

景觀格局通常指大小和形狀不一的景觀斑塊在空間上的排列形式［6－7］，在景觀格局研究中常將嵌塊體類型視為土地利用類型，即用一定級別的土地利用類型表示景觀中的嵌塊體類型。因此，本文將研究區(qū)景觀格局種類的嵌塊體類型與土地利用類型視為同義詞，景觀空間格局亦即為土地利用空間格局［8］，并依據(jù)礦區(qū)景觀特點(diǎn)和研究目的，采用能反映礦區(qū)生態(tài)景觀結(jié)構(gòu)、功能及過程變化的景觀指標(biāo)。

1）破碎度（fragmentation）指數(shù)。破碎度是指景觀被分割的破碎度，在一定程度上反映了人對景觀的干擾程度。計(jì)算公式為

式中：Ci為i景觀類型的破碎度指數(shù)；ni為景觀類型i的斑塊總數(shù)；Ai為i類型斑塊面積。

2）分離度（division）指數(shù)。分離度是指不同景觀個體分布的分離程度，分離度越大，表明景觀類型在地域上越分散，景觀分布越復(fù)雜，其穩(wěn)定性越差。計(jì)算公式為

式中：Fi為i景觀類型的分離度指數(shù)；Di為景觀類型i的距離指數(shù)；Si為景觀類型面積指數(shù)；Ai為景觀類型i的面積；A為景觀總面積；ni為景觀類型i的斑塊總數(shù)。

3）多樣性（diversity）指數(shù)。多樣性反映景觀類型的多少和各景觀類型所占比例的變化。各景觀類型所占比例差別增大，則景觀多樣性下降。計(jì)算公式為

式中：H為多樣性指數(shù)；Pi為景觀類型i占總景觀面積的比例；m為景觀類型數(shù)。

4）聚集度（contagion）指數(shù)。聚集度指數(shù)描述景觀中不同類型成分的團(tuán)聚程度，聚集度指數(shù)越大表明景觀有少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成，越小表明景觀由許多分散的小班塊組成。計(jì)算公式為

式中：RC為相對聚集度指數(shù)（0～100%取值），P（i，j）表示同j類景觀相鄰的i類景觀所占的比例；m為景觀類型數(shù)；C為復(fù)雜性指數(shù)；Cmax為C的最大可能值。

2.2.2 地形因素

地形被認(rèn)為是對山區(qū)植被景觀格局產(chǎn)生穩(wěn)定性制約的重要影響因素［9－11］，地形通過地貌過程，對植被景觀格局產(chǎn)生直接作用，通過形態(tài)（如起伏、坡向等）的變化控制光、熱、水和土壤養(yǎng)分等資源的空間再分配［12］。礦區(qū)煤炭開采對地表擾動十分明顯，特別是丘陵山區(qū)，地表起伏較大更易引發(fā)水土流失、泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害，對礦區(qū)周邊景觀格局產(chǎn)生巨大影響。因此本文考慮地形因素中最基本和常見的坡度、坡向來分析礦區(qū)景觀格局分布情況，其中坡向主要分為陽坡、半陽坡、陰坡、半陰坡四種類型。

3 結(jié)果分析

3.1 景觀格局指數(shù)變化分析

陵川北關(guān)礦區(qū)屬于典型的半干旱礦區(qū)，地形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤炭開采過程中對周圍地區(qū)產(chǎn)生明顯的地表結(jié)構(gòu)破壞和生態(tài)擾動。從表1可以看出，隨著礦區(qū)煤炭開采的不斷深入，研究區(qū)內(nèi)景觀格局發(fā)生明顯變化，其中旱地面積變化最大，2000～2010年間面積減少729.2hm2，其次是有林地面積從2000年的369.47hm2增加到2010年838.71hm2，增加469.25hm2；地類面積變化最小的為工建用地，僅增加49.57hm2，平均面積維持在527.89hm2。這主要是由于煤礦井工開采使地下采空區(qū)面積不斷增大，逐漸影響到地表土壤、巖層結(jié)構(gòu)，在山區(qū)形成地裂縫、塌陷坑、塌陷盆地，對農(nóng)業(yè)耕作產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，使部分旱地逐漸喪失耕作能力而成為廢棄地或荒草地。而對于分布在低矮山地的林地和灌木林地，由于人類活動影響以及開采造成的山體裂縫、水土流失、山體滑坡等常見的礦區(qū)生態(tài)破壞，低矮灌木植被面積減少，有林地面積反而有所增加。由此可見，人類采礦活動對地形復(fù)雜的半干旱礦區(qū)的生態(tài)景觀格局具有明顯的擾動性，并且在很大程度上區(qū)別與東部高潛水位礦區(qū)形成的塌陷積水等生態(tài)景觀。

表1 2000～2010年礦區(qū)景觀格局指數(shù)

景觀指數(shù)中的破碎度指數(shù)、分離度指數(shù)既有差別又有聯(lián)系，兩者相互結(jié)合可以更好的體現(xiàn)景觀類型的空間格局分布以及景觀的連通性。從礦區(qū)2000～2010年各類景觀的平均破碎度指數(shù)相比較，旱地破碎指數(shù)最小為0.04，其次是荒草地0.14，裸地最大1.39。由于旱地屬于農(nóng)業(yè)用地在研究區(qū)內(nèi)分布在地勢較平坦，集中連片的地區(qū)，破碎度指數(shù)較小，穩(wěn)定性較好，而裸地土地利用性不高，零星分布，因此分離度較大，這在很大程度上體現(xiàn)了地區(qū)生產(chǎn)、生活用地布局特點(diǎn)。從不同景觀類型角度分析，隨著采礦活動的進(jìn)行，同一景觀類型格局也發(fā)生了一定的改變。其中以有林地、旱地為例，2000～2010年有林地斑塊數(shù)、平均斑塊面積、景觀破碎度、分離度指數(shù)先增大后減小，反映了有林地在礦區(qū)生態(tài)景觀過程中先后經(jīng)歷擾動性增大和減小的過程，在2010年平均斑塊面積達(dá)到3.01hm2，破碎度和分離指數(shù)分別為0.33和1.38，體現(xiàn)了比2000年較好的景觀穩(wěn)定性；而對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的旱地其景觀的連通性和穩(wěn)定性則有所減弱，2000～2010年旱地斑塊數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢而平均斑塊面積則由29.91hm2減小到17.3hm2，其斑塊間的破碎程度增大。由此可以發(fā)現(xiàn)，在半干旱礦區(qū)煤炭開采對旱地破壞程度較大，景觀擾動較明顯。

從景觀總體性角度評價(jià)，生態(tài)景觀優(yōu)劣度在很大程度上與各類景觀面積比例以及各景觀的聚集程度等因素密切相關(guān)，在一個自然景觀系統(tǒng)中景觀類型越豐富，景觀團(tuán)聚性越強(qiáng)，則景觀穩(wěn)定性越高。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)因人類采礦活動影響，土地類型結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化。從表2可以看出，2000～2010年礦區(qū)多樣性指數(shù)增加，但集聚度指數(shù)則減少，其主要原因在于隨著采煤活動的進(jìn)一步深入旱地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍⒙愕?、工建用地等用地結(jié)構(gòu)。單從景觀類型的均衡度而言，景觀多樣性增強(qiáng)，但由于各斑塊間的分割性加大，集聚性減小，形成大面積分散的小斑塊。因此，從礦區(qū)生態(tài)景觀整體性分析，礦區(qū)生態(tài)質(zhì)量隨著煤炭開采呈現(xiàn)下降趨勢，生態(tài)功能和生態(tài)穩(wěn)定降低。

3.2 地形對景觀格局的影響分析

根據(jù)表3分析，礦區(qū)各景觀格局由于其生長、生產(chǎn)特性在地形分布上具有不同特征。有林地、草地主要分布在半陰坡，灌木林地主要分布在陰坡，而旱地、裸地和工建用地主要分布在陽坡和半陽坡，并且景觀用地中工建用地的坡度最小，旱地次之，灌木林地最大，其用地布局也體現(xiàn)了方便農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)采礦活動自然規(guī)律。隨著研究區(qū)采礦活動的不斷開展，礦區(qū)范圍內(nèi)各類用地面積大小及其景觀格局發(fā)生相應(yīng)變化，其中以灌木林地、旱地、工建用地為例，2000～2010年灌木林地主要分布在陰坡地帶，陰坡比例由50.0%減少到44.4%，平均坡度也由13.3°減小到13.1°，并且考慮到灌木林地面積的減少，可以推斷灌木林主要在陰坡坡度較大地帶受到破壞。旱地由于其耕作特性主要分布在地勢較為平坦地區(qū)，從研究中發(fā)現(xiàn)2000～2010年旱地分布在平均坡度為7.2°左右的陽坡地帶，主坡比例由2000的51.3%減少為2010年的51.0%，旱地分布略變復(fù)雜，面積減少729.2hm2。工建用地主要包括工礦用地和建筑用地，分布在地表平坦，平均坡度為6.0°地區(qū)，服務(wù)于礦業(yè)生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸?shù)炔傻V活動，2000～2010年礦區(qū)工建用地面積增加49.57hm2，平均坡度由2000年的5.5°上升為2010年的6.6°。由此可見，在礦區(qū)建設(shè)過程中，部分坡度較大地區(qū)因生產(chǎn)需要被改造為工建用地?；谏鲜龇治觯V區(qū)景觀格局穩(wěn)定性降低，各類生產(chǎn)性用地坡度、坡向分布復(fù)雜度變大，部分優(yōu)良土地轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕氐确巧a(chǎn)性用地，不利于礦區(qū)健康持續(xù)發(fā)展。

表2 2000～2010年礦區(qū)多樣性指數(shù)和聚集度指數(shù)

表3 2000～2010年礦區(qū)景觀平均坡度和主要坡向格局

4 結(jié)論

煤炭資源開采對礦區(qū)生態(tài)景觀具有很強(qiáng)的擾動性，在干旱半干旱地區(qū)常造成地表塌陷、山體滑坡、水土流失等生態(tài)破壞。本文以山西北關(guān)礦區(qū)為例，通過RS、GIS技術(shù)相結(jié)合，定性分析為基礎(chǔ)，定量研究了地形復(fù)雜的半干旱礦區(qū)煤炭開采引起的景觀格局變化特征。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①地形復(fù)雜礦區(qū)煤炭開采景觀擾動十分明顯，2000～2010年礦區(qū)旱地面積變化最明顯，面積減少729.2hm2，其次是有林地，面積增加469.25hm2，面積變化最小的為工建工地。②2000～2010年礦區(qū)不同景觀類型破碎度、分離度指數(shù)具有不同變化特征，在研究區(qū)旱地破碎度指數(shù)最小為0.04，斑塊最完整；裸地零星分布，分離度指數(shù)達(dá)到3.77，為所有景觀類型中分離度最大。③2000～2010年礦區(qū)多樣性指數(shù)增加，但由于礦區(qū)人為因素?cái)_動較強(qiáng)，工建用地和裸地并不屬于生態(tài)用地，礦區(qū)整體景觀質(zhì)量呈衰退趨勢，景觀集聚度指數(shù)由2000年的56.1%下降為52.2%，景觀穩(wěn)定性減弱。④礦區(qū)景觀類型具有不同地形分布特征，其布局特點(diǎn)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)活動所需的坡度、坡向條件密切相關(guān)，2000～2010年隨煤炭開采各類用地的平均坡度以及主坡向面積比例有著細(xì)微變化。

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