高潛水位礦區(qū)塌陷地?fù)p壞評(píng)價(jià)方法研究*——以徐州旗山礦為例

丁 佩，譚志祥

(1．邳州市規(guī)劃局，江蘇 邳州 221300;2．中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

0 引言

截至到2004 年底旗山礦全井田采煤塌陷土地面積已達(dá)到12 km2，萬噸煤土地塌陷率為3．4 畝［1］。鑒于目前徐州礦區(qū)出現(xiàn)了越來越多的開采沉陷塌陷地，必須尋求適合高潛水位、平原地區(qū)的塌陷地土地治理方案，加快礦區(qū)塌陷地土地復(fù)墾進(jìn)程，提高土地資源利用率，不僅關(guān)系到徐州礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也關(guān)系到徐州這一資源城市經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［2］。

1 旗山礦區(qū)自然地理概況

旗山煤礦位于徐州市東北約26 km處的賈汪區(qū)大吳鎮(zhèn)境內(nèi)，206 國道從井田上方穿過，東至連云港市，在鹿莊附近與307 公路交匯［3］;礦區(qū)鐵路東起董莊煤礦，經(jīng)本礦向西經(jīng)權(quán)臺(tái)，青山泉煤礦，在前亭車站與京滬線接軌。京杭運(yùn)河流經(jīng)井田南緣，雙樓煤港距礦約2 km，并有鐵路相通，水路運(yùn)輸可達(dá)蘇南各地，交通運(yùn)輸極為便利。

2 旗山礦開采沉陷預(yù)計(jì)

2．1 開采沉陷預(yù)計(jì)模型

根據(jù)徐州礦區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律研究成果表明，本區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律基本符合概率積分法模型［4］，因此本次地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)采用概率積分法預(yù)計(jì)模型。概率積分法數(shù)學(xué)模型為:

式中:r 為主要影響半徑。

地表任意點(diǎn)(x，y)下沉值W(x，y)為:

其中:

式中:W0(x)為走向主斷面下沉預(yù)測值;W0(y)為傾向主斷面下沉預(yù)測值;m 為采厚;q 為下沉系數(shù);a 為煤層傾角;r、r1、r2分別為走向、下山、上山的主要影響半徑;erf(x)為高斯誤差函數(shù)。

2．2 開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)

本文參考徐州東部、西部及沛縣礦區(qū)部分開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)資料［5］，結(jié)合本礦區(qū)的實(shí)際情況，確定了旗山礦開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)，見表1。

表1 旗山礦開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)Tab．1 Predicted parameters of mining subsidence in Qishan mine

本文選擇旗山礦二零六國道東部礦區(qū)作為研究區(qū)域，此區(qū)域共有15 個(gè)工作面，2006 年開采，2011 年結(jié)束。其開采工作面，如圖1 所示。

圖1 開采平面圖Fig．1 Mining plan

本文應(yīng)用中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的礦區(qū)沉陷預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)(MSPS)進(jìn)行開采沉陷預(yù)計(jì)。在對(duì)礦區(qū)土地破壞評(píng)價(jià)中，因選擇下沉值、水平變形、傾斜變形作為土地破壞評(píng)價(jià)因子，因此要對(duì)這些變形值進(jìn)行預(yù)計(jì)。通過計(jì)算，得到最大變形值，如表2所示。

表2 開采沉陷預(yù)計(jì)最大變形值Tab．2 Maximum forecast deformation value of mining subsidence

2．3 評(píng)價(jià)模型

本文利用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法對(duì)旗山礦區(qū)的開采塌陷地破壞程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種方法［6］。模糊綜合評(píng)判包括兩大部分:其一，按單個(gè)因素單獨(dú)評(píng)判;其二，對(duì)所有因素進(jìn)行綜合評(píng)判。運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)的一般步驟為:

2．3．1 建立評(píng)價(jià)因素集合和評(píng)價(jià)集合

由各種影響因素構(gòu)成的因素集合U:U = {u1，u2，u3，…，um}，其中ui為第i 個(gè)影響因素，m 為評(píng)價(jià)因子的數(shù)量;建立評(píng)價(jià)集合(被擇集合)V，V = {v1，v2，…，vn}，其中vi代表第i 個(gè)模糊評(píng)判結(jié)果，n 為總的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2．3．2 建立隸屬函數(shù)

評(píng)價(jià)因素與模糊集合的隸屬程度可以通過隸屬函數(shù)計(jì)算得出。本文選用梯形分布函數(shù)來建立隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)用μA表示，則隸屬度為μA(x)。

當(dāng)隸屬值域較小時(shí)可以建立隸屬函數(shù):

當(dāng)隸屬值域較大時(shí)可以建立隸屬函數(shù):

在中間值域的隸屬函數(shù)可以表示為:

2．3．3 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值

不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響作用不同，為了區(qū)分它們之間的重要程度和差異性，需要對(duì)各個(gè)因素賦予一個(gè)權(quán)值ai，其中i=1，2，…，m，通常要求ai滿足ai≥0，且，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重集合A = (a1，a2，…，an)。

2．3．4 計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的計(jì)算公式為:

這里“° ”表示A 與R 的一種合成方式，可以取最大最小合成子進(jìn)行計(jì)算，則

式中:bj表示綜合考慮所有因素影響時(shí)，評(píng)判對(duì)象對(duì)評(píng)判備選集vj的隸屬度。

2．3．5 評(píng)判指標(biāo)的處理

最大隸屬度法即取備選集V 中與maxbj最“相近”的元素v作為評(píng)判對(duì)象的最終評(píng)判結(jié)果:v = {vL:vL最接近maxbj}。

2．3．6 二級(jí)模糊評(píng)判

一級(jí)模糊評(píng)判是對(duì)各類中的每一個(gè)元素進(jìn)行綜合評(píng)判，但是當(dāng)評(píng)判因素較多且分為不同的類別時(shí)，這時(shí)需要在不同類別之間進(jìn)行綜合評(píng)判，即二次模糊綜合評(píng)判［7］。設(shè)一級(jí)評(píng)判矩陣為R，二級(jí)評(píng)判矩陣為D，則:

在二級(jí)模糊評(píng)判中，因?yàn)轭惖闹匾潭纫彩怯胁顒e的，因此，也必須引進(jìn)權(quán)A 對(duì)這種影響程度上的差異進(jìn)行區(qū)分，通過合成計(jì)算可以得到二級(jí)評(píng)判指標(biāo):

其中，dk=∨(ai∧bik)，k = 1，2，…，p。dk表示在對(duì)按類對(duì)各因素進(jìn)行評(píng)判時(shí)，評(píng)判對(duì)象相對(duì)于第k 個(gè)元素的隸屬度。如果可以對(duì)類再進(jìn)行細(xì)分，則可以進(jìn)行多級(jí)模糊評(píng)判，本文選用的評(píng)判模式為二級(jí)評(píng)判。

3 旗山礦塌陷地破壞綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

反映開采沉陷導(dǎo)致土地破壞程度的影響因素主要有地表變形(地表沉陷、水平變形、傾斜變形、曲率變形)、積水深度和潛水位埋深［8］。本文以礦區(qū)實(shí)際土地開采沉陷預(yù)測情況為依據(jù)，結(jié)合國內(nèi)有關(guān)土地破壞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分的研究資料，提出了高潛水位礦區(qū)土地破壞評(píng)價(jià)因素并進(jìn)行分級(jí)，見表3 和表4。

4 旗山礦塌陷地破壞評(píng)價(jià)步驟

4．1 塌陷地破壞綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)

分別對(duì)地表下沉、水平變形、傾斜變形、積水深度和有機(jī)質(zhì)含量評(píng)價(jià)指標(biāo)建立隸屬函數(shù)，如表5 所示。

表3 礦區(qū)沉陷土地破壞等級(jí)屬性表現(xiàn)Tab．3 Attributes of damage levels of land subsidence in mine areas

表4 礦區(qū)土地破壞綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇及級(jí)別分類Tab．4 Selection and classification of comprehensive evaluation index of land damage in mine area

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)Tab．5 Subordinate function of evaluation index

對(duì)于定性指標(biāo)，如污染程度也可以按照污染的嚴(yán)重級(jí)別進(jìn)行隸屬度劃分，建立如下的隸屬函數(shù):

4．2 塌陷地綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度

本區(qū)域根據(jù)土地的塌陷程度進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)，在不同的分區(qū)范圍內(nèi)分別獲取各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行土地破壞程度的評(píng)價(jià)［9］。通過將地表下沉圖、積水深度圖、水平變形圖和傾斜變形圖進(jìn)行疊加分析，獲取各個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)具有代表意義的評(píng)價(jià)指標(biāo)值。首先確定各分區(qū)范圍，以下沉差值400 mm為界劃分8 個(gè)區(qū)域(見表6):3347 ～3200 mm、3200 ～2800 mm、2800 ～2400 mm、2400 ～2000 mm、2000 ～1600 mm、1600 ～1200 mm、1200 ～500 mm、500 ～10 mm。

表6 各分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)值Tab．6 Evaluation index values of each partition

根據(jù)上節(jié)內(nèi)容所建立的塌陷地破壞綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)，根據(jù)表中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值，計(jì)算各個(gè)分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)值的隸屬度，表7 只列出前3 個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域的評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度。

表7 前3 個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域指標(biāo)隸屬度Tab．7 Subordinate degree of evaluation index of the first three partition

綜合污染情況分析可以確定該礦區(qū)環(huán)境污染為中度污染。通過以上分析，可以確定土壤條件方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)值，如表8 所示。

表8 評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測值Tab．8 Predicted value of evaluation index

土壤條件評(píng)價(jià)指標(biāo)值為定性數(shù)值，通過上節(jié)內(nèi)容所確定的隸屬函數(shù)，可以獲得土壤條件評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度，見表9。

表9 評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度Tab．9 Subordinate degree of evaluation index

4．3 旗山礦塌陷地破壞綜合評(píng)價(jià)

以3347 ～3200 mm區(qū)域?yàn)槔榻B其評(píng)價(jià)過程。根據(jù)確定的隸屬函數(shù)計(jì)算3347 ～3200 mm區(qū)域各個(gè)評(píng)價(jià)因素的隸屬度，根據(jù)土地評(píng)價(jià)因素的隸屬度和權(quán)重值，可以得到土地破壞程度的模糊綜合評(píng)判模型，如表10 所示。

表10 第一分區(qū)土地破壞模糊綜合評(píng)價(jià)模型Tab．10 The fuzzy comprehensive evaluation model of land damage in the first partition

4．4 塌陷地破壞程度一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

在3347 ～3200 mm區(qū)域中，設(shè)定土地破壞要素集之一的沉陷破壞綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為B1，因此可以得到沉陷破壞綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為:

同樣設(shè)定土地破壞的要素集土壤條件的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為B2，因此可以得到B2的評(píng)價(jià)結(jié)果:

4．5 塌陷地破壞程度二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

由B1和B2構(gòu)成二級(jí)模糊評(píng)判矩陣R:

歸一化處理得(0．18，0．24，0．24，0．33)，按照最大隸屬度原則，3347 ～3200 mm區(qū)域的土地破壞程度為嚴(yán)重破壞。

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法和過程，對(duì)其他評(píng)價(jià)分區(qū)分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以得到各分區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果，如表11 所示。各個(gè)分區(qū)土地破壞程度分布，如圖2 所示。

表11 各分區(qū)土地破壞評(píng)價(jià)結(jié)果Tab．11 Land damage assessment results of each partition

圖2 各分區(qū)土地破壞程度分布圖Fig．2 Distribution map of land damage degree of each partition

5 結(jié)論

通過前文的分析，筆者得出如下結(jié)論:

1)本文選取地表下沉、水平變形、傾斜變形、積水深度、有機(jī)質(zhì)含量和污染狀態(tài)這6 個(gè)指標(biāo)作為高潛水位礦區(qū)土地破壞評(píng)價(jià)的二級(jí)指標(biāo)。進(jìn)一步將其分成沉陷破壞和土壤條件這兩個(gè)一級(jí)指標(biāo)。

2)通過模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)原理對(duì)礦區(qū)塌陷地破壞程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)和二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，按照最大隸屬度原則確定土地破壞程度。為提高研究區(qū)土地破壞程度評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度，考慮到開采沉陷的程度在評(píng)價(jià)中起到主導(dǎo)作用，故根據(jù)開采沉陷的程度進(jìn)行分區(qū)處理，分區(qū)的間隔高差為400 mm，分成8 個(gè)區(qū)域。通過分區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到該研究區(qū)的土地破壞程度總體分布圖。

3)本文選擇主要的高潛水位土地評(píng)價(jià)因素來建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇的范圍和數(shù)量存在不完善的地方，高潛水位土地破壞評(píng)價(jià)指標(biāo)體系需要進(jìn)一步研究，以建立更加完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本文根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理利用二級(jí)綜合模糊評(píng)判進(jìn)行土地破壞的評(píng)價(jià)，評(píng)級(jí)方法的優(yōu)劣直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要進(jìn)一步研究以確定更為科學(xué)、有效的評(píng)價(jià)理論，進(jìn)行土地破壞程度的評(píng)級(jí)。

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