基于GIS的高山峽谷煤礦區(qū)土地?fù)p害程度評(píng)價(jià)
——以重慶市松藻礦區(qū)為例

周 川，李 萍，王 穎，李妍均

(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400042；2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 重慶市地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工程中心，重慶 400042)

基于GIS的高山峽谷煤礦區(qū)土地?fù)p害程度評(píng)價(jià)
——以重慶市松藻礦區(qū)為例

周 川1,2，李 萍1,2，王 穎1,2，李妍均1,2

(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400042；
2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 重慶市地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工程中心，重慶 400042)

高山峽谷；礦區(qū)土地?fù)p害；評(píng)價(jià)；GIS；松藻礦區(qū)；重慶

將煤礦區(qū)土地?fù)p害程度評(píng)價(jià)與GIS技術(shù)相結(jié)合，著重分析了GIS支持下的礦區(qū)損害土地指標(biāo)因子，建立了基于GIS技術(shù)的高山峽谷煤礦區(qū)土地?fù)p害程度評(píng)價(jià)模型和體系。結(jié)合重慶松藻礦區(qū)土地?fù)p害實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦區(qū)土地?fù)p害程度的科學(xué)、客觀、可視化評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：松藻礦區(qū)采煤塌陷導(dǎo)致的損害區(qū)面積為6 230.14 hm2，其中中度破壞面積最大，為3 216.28 hm2，占51.62%；其后依次為輕度破壞2 086.02 hm2、重度破壞909.98 hm2、嚴(yán)重破壞17.86 hm2，分別占損害區(qū)面積的33.48%、14.61%和0.29%。

對(duì)煤礦區(qū)進(jìn)行土地復(fù)墾和再利用，需要建立在對(duì)土地現(xiàn)狀損害程度進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上。礦區(qū)土地?fù)p害現(xiàn)狀評(píng)價(jià)是針對(duì)煤礦井工開(kāi)采對(duì)土地本身造成的破壞狀態(tài)，通過(guò)對(duì)空間位置、形態(tài)等土地自然屬性的綜合描述，表示煤炭開(kāi)采對(duì)土地造成的損害[1-2]。GIS是在計(jì)算機(jī)的支持下，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對(duì)規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的技術(shù)系統(tǒng)[3]。目前，GIS被廣泛應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)演變?cè)u(píng)價(jià)[4]、生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[5-6]、土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)[7-9]、土地?fù)p害評(píng)價(jià)[10]等方面?；贕IS的土地?fù)p害評(píng)價(jià)理論和方法，能夠便捷準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并以統(tǒng)計(jì)數(shù)值或者圖形與統(tǒng)計(jì)數(shù)值結(jié)合的形式表達(dá)結(jié)果，為土地?fù)p害評(píng)價(jià)提供科學(xué)、可靠的技術(shù)支撐[10-12]。科學(xué)有效地評(píng)定礦區(qū)損毀程度，優(yōu)化利用礦區(qū)土地是改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、生產(chǎn)生活條件的根本途徑。

1 研究區(qū)概況

松藻煤礦區(qū)位于重慶市南部，面積127.9 km2。出露地層為沉積巖系，主要有二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M、長(zhǎng)興組和下統(tǒng)玉龍山組、茅口組，三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組、嘉陵江組等，主要巖性為泥巖和石灰?guī)r。地勢(shì)南高北低、東高西低，屬侵蝕剝蝕及巖溶低山-低丘地貌類(lèi)型區(qū)。海拔288.1～1 321.9 m，立體氣候特征明顯，屬典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)。土壤以黃壤、紫色土和石灰?guī)r土為主，氣象災(zāi)害主要有春旱、夏伏旱。全年平均氣溫17.2 ℃，最高氣溫39.5 ℃，最低氣溫零下0.7 ℃。年均降水量1 165.6 mm。山體起伏較大，多呈長(zhǎng)條狀延伸、切割較深，上部一般為林地，林木以松、杉、柏為主；山體中下部分布耕地，主要種植水稻、玉米、小麥、薯類(lèi)等糧食作物。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及評(píng)價(jià)方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用的數(shù)據(jù)主要包括地圖數(shù)據(jù)和地面調(diào)查數(shù)據(jù)兩部分。地圖數(shù)據(jù)主要有南部四鎮(zhèn)(趕水鎮(zhèn)、安穩(wěn)鎮(zhèn)、打通鎮(zhèn)、石壕鎮(zhèn))土地利用總體規(guī)劃圖(2006—2020年)和土地整治專(zhuān)題圖。在ArcGIS 10.2支持下，采用的地圖數(shù)據(jù)和成圖比例尺均為1∶10 000。地面調(diào)查數(shù)據(jù)主要為野外踏勘調(diào)查所得的地裂縫、塌陷坑、滑坡地質(zhì)災(zāi)害等實(shí)地?cái)?shù)據(jù)。

2.2 評(píng)價(jià)方法及步驟

(1)指標(biāo)因子分析。指標(biāo)因子分析采用實(shí)地調(diào)查與MSPS預(yù)計(jì)系統(tǒng)相結(jié)合的方法進(jìn)行[13]。

(2)判斷矩陣構(gòu)建。在層次分析[14]的結(jié)構(gòu)模型下，將各元素按屬性分成若干組，形成不同層次。遞階層次結(jié)構(gòu)中各層的元素可以依次與上一層元素進(jìn)行兩兩比較，從而建立一系列的判斷矩陣

A=(aij)n×n

(1)

式中：A為判斷矩陣；aij(i，j= 1，2，…，n)為元素i與j相對(duì)于其上一層元素重要性的比例標(biāo)度，若aij=1，則表示i、j元素具有同等重要性，若aij=3，則表示i元素比j元素稍微重要，若aij=5，表示i元素比j元素明顯重要，以此類(lèi)推，一般采用1～9比例標(biāo)度對(duì)重要性程度賦值；n為判斷矩陣階數(shù)。

(3)指標(biāo)權(quán)重確定。設(shè)判斷矩陣A的最大特征根為λmax，其相應(yīng)的特征向量為W，則AW=λmaxW。所給出的判斷矩陣不可能完全保持一致，有必要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性指標(biāo)CI計(jì)算公式為

(2)

式中：n為判斷矩陣階數(shù)。

顯然，當(dāng)判斷矩陣具有完全一致性時(shí)，CI=0。λmax-n越大，CI越大，一致性越差。為了檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有滿(mǎn)意的一致性，需要將CI與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI進(jìn)行比較。若隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI<0.10，則判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣的元素取值。隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值見(jiàn)表1。

表1 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值[15]

(4) 綜合評(píng)價(jià)得分。計(jì)算公式為

(3)

式中：IQI為綜合評(píng)價(jià)得分值；Qi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子；CIi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重,m為評(píng)價(jià)因子數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)因子分析

3.1.1 數(shù)據(jù)分析

指標(biāo)因子是參與土地?fù)p害評(píng)價(jià)的因素，或稱(chēng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目，是進(jìn)行土地?fù)p害程度評(píng)價(jià)的直接依據(jù)。礦區(qū)包括采礦工業(yè)涉及的全部地域空間，不僅包括地下的礦產(chǎn)資源空間，還包括開(kāi)采規(guī)劃時(shí)所對(duì)應(yīng)和影響的地表范圍，具有空間的有效性和延續(xù)性。采礦對(duì)土地的影響主要包括地表下沉、地表裂縫、地表塌陷和地表傾斜變形，本研究選取這四類(lèi)評(píng)價(jià)因子對(duì)研究區(qū)進(jìn)行損害程度評(píng)價(jià)。

(1)地表下沉。地表下沉是地下采礦造成的直接影響，如影響植被、水、土地等，因此了解地表下沉情況，并對(duì)其進(jìn)行損害程度評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)的重點(diǎn)內(nèi)容。根據(jù)MSPS軟件預(yù)測(cè)結(jié)果，在南部丘陵山區(qū)，地貌起伏大，開(kāi)采下沉對(duì)原地表影響不大。以2009年為基期年，分析可知，截至基期年松藻礦區(qū)塌陷深度最大值為3.0 m，開(kāi)采影響區(qū)面積為5 087.50 hm2，平均深度較小。

(2)地表裂縫。沉陷區(qū)的地表裂縫可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是永久性裂縫，另一類(lèi)是動(dòng)態(tài)裂縫。本研究主要圍繞采后未自動(dòng)閉合的永久性裂縫進(jìn)行研究，即位于采區(qū)邊界周?chē)睦靺^(qū)，裂縫的寬度和落差較大，平行于采區(qū)邊界方向延伸的裂縫。礦區(qū)土壤黏性大，土層較薄，綜合考慮地區(qū)特點(diǎn)和復(fù)墾規(guī)程，確定參評(píng)標(biāo)準(zhǔn)為水平變形小于3 mm/m時(shí)為無(wú)明顯影響，水平變形大于9 mm/m時(shí)為嚴(yán)重?fù)p害。

(3) 地表塌陷坑。采煤沉陷導(dǎo)致地表塌陷坑主要出現(xiàn)在急傾斜煤層開(kāi)采或頂板巖性不均勻區(qū)域，當(dāng)不均勻受力，或同樣受力條件下頂板承受能力不均勻時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生塌陷坑。松藻礦區(qū)總體煤層較薄，只有局部區(qū)域出現(xiàn)塌陷坑，且不具有規(guī)律性。鑒于該地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性和造成塌陷坑原因的多樣性，參照塌陷坑破壞等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定寬10～100 mm、深0～1.5 m、長(zhǎng)0.1～100 m的為輕度損害；寬大于6 000 mm、深大于100 m、長(zhǎng)大于1 500 m為嚴(yán)重?fù)p害。地表裂縫與地表塌陷坑損害程度劃分原則一致。

(4) 地表傾斜變形。研究區(qū)地表傾斜變形主要表現(xiàn)為下沉導(dǎo)致的附加坡度。附加坡度是由于地表移動(dòng)導(dǎo)致盆地內(nèi)不均勻下沉引起的地表傾斜，附加坡度一般小于7°，在山區(qū)亦不會(huì)超過(guò)10°。坡度是引起土壤侵蝕退化和地表水土流失的主要因素之一。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)各種案例的比對(duì)分析，可將附加坡度對(duì)地表的影響級(jí)別劃分成4個(gè)等級(jí)，確定參評(píng)標(biāo)準(zhǔn)為：地面坡度小于1°時(shí)，無(wú)明顯影響，為輕度損害；大于7°時(shí)，有明顯影響且嚴(yán)重侵蝕，為嚴(yán)重?fù)p害。

通過(guò)實(shí)證調(diào)查和案例分析，得出各評(píng)價(jià)因子損害程度分級(jí)結(jié)果，詳見(jiàn)表2。

3.1.2 等級(jí)描述

根據(jù)對(duì)以上各指標(biāo)因子的分析，結(jié)合地表下沉、地表裂縫、地表塌陷坑、地表傾斜變形分析結(jié)果，研究指標(biāo)因子損害程度及地表?yè)p害特征，詳見(jiàn)表3。

表2 參評(píng)因子破壞情況分級(jí)

表3 采煤塌陷土地?fù)p害程度等級(jí)描述

3.2 判斷矩陣的構(gòu)建

結(jié)合上述因子分析結(jié)果，在匯總專(zhuān)家打分的基礎(chǔ)上，由式(1)得到判斷矩陣

3.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

運(yùn)用編程軟件，由式(2)計(jì)算該矩陣CI為-0.000 002 5，CR為-0.000 002 8，CR小于0.10，說(shuō)明判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性。λmax=3.999 992 5所對(duì)應(yīng)的向量W=(0.49，0.25，0.16，0.10)，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)地表下沉、地表裂縫、地表塌陷坑、地表傾斜變形的權(quán)重向量分別為0.49、0.25、0.16和0.10。

3.4 評(píng)價(jià)分值計(jì)算

根據(jù)式(3)得到研究區(qū)評(píng)價(jià)總分值區(qū)間劃分情況，詳見(jiàn)表4和圖1。

通過(guò)對(duì)區(qū)劃結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析可知，松藻礦區(qū)采煤塌陷地?fù)p害程度從空間分布上來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)南北兩端嚴(yán)重、中部相對(duì)較弱的態(tài)勢(shì)。采煤塌陷導(dǎo)致的損害區(qū)面積為6 230.14 hm2，占研究區(qū)總面積的48.71%，其中：中度損害所占比重最大，占損害區(qū)面積的51.62%；輕度損害次之，占33.48%；重度損害和嚴(yán)重?fù)p害分別占損害區(qū)面積的14.61%和0.29%。嚴(yán)重?fù)p害和重度損害區(qū)主要分布在趕水鎮(zhèn)的龍倉(cāng)村和梅子村，打通鎮(zhèn)的向陽(yáng)村，石壕鎮(zhèn)的紅椿村和馬車(chē)村，主要原因在于松藻煤礦、打通煤礦和石壕煤礦的開(kāi)采規(guī)模與開(kāi)采程度均較為劇烈。中度損害和輕度損害區(qū)在安穩(wěn)鎮(zhèn)、趕水鎮(zhèn)、打通鎮(zhèn)和石壕鎮(zhèn)均有分布。詳見(jiàn)表5。

表4 評(píng)價(jià)單元總分值區(qū)間劃分情況

圖1 采煤塌陷地?fù)p害評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 采煤塌陷地?fù)p害評(píng)價(jià)結(jié)果 hm2

4 結(jié) 語(yǔ)

松藻礦區(qū)采煤塌陷導(dǎo)致的損害區(qū)面積為6 230.14 hm2，占研究區(qū)總面積的48.71%，其中中度損害所占比重最大，輕度損害次之。采煤塌陷地?fù)p害程度從空間分布上來(lái)說(shuō)，呈現(xiàn)南北兩端嚴(yán)重、中部相對(duì)較輕的態(tài)勢(shì)，治理中應(yīng)以南北兩端為重點(diǎn)。

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(責(zé)任編輯 孫占鋒)

重慶市國(guó)土資源和房屋管理局科技計(jì)劃項(xiàng)目(CQGT-KJ-2014003)

S181

A

1000-0941(2017)05-0011-04

周川(1987—)，女，重慶市人，工程師，碩士，主要從事土地規(guī)劃及利用方面的研究；通信作者李妍均(1979—)，女，重慶市人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事土地復(fù)墾及利用方面的研究。

2016-02-02