黃土高原采煤塌陷區(qū)村落搬遷選址的地理適宜度評(píng)價(jià)

湯靜雅，楊志強(qiáng)，蘆家欣

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安710061；2.西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710054）

0 引 言

西部黃土高原及其過(guò)渡地帶是我國(guó)主要的煤炭生產(chǎn)基地之一，地表溝壑縱橫，地貌復(fù)雜多變，水資源匱乏，人居生態(tài)環(huán)境本身較為脆弱，在大規(guī)模的地下采煤導(dǎo)致的沉陷變形影響下，地表建（構(gòu)）筑物不可避免地會(huì)產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重危及到采煤沉陷區(qū)內(nèi)建筑物的安全和居民的正常生活［1-4］。目前，在村（鎮(zhèn)）居民區(qū)下實(shí)現(xiàn)安全采煤的途徑主要包括充填開(kāi)采、條帶開(kāi)采、建筑加固等方式［5-6］。由于黃土高原自然村落多零星散布在礦區(qū)各處，且多為建筑強(qiáng)度較低的窯洞或磚瓦房屋，上述安全采煤方式會(huì)使生產(chǎn)成本、作業(yè)效率和資源利用率均大幅降低。因此，當(dāng)前解決村落區(qū)煤炭開(kāi)采問(wèn)題大多采用村莊搬遷的方式，即在開(kāi)采之前將村落搬遷到規(guī)劃的區(qū)域集中安置，并在地下煤層中留設(shè)一定范圍的保護(hù)煤柱，以確保新選址區(qū)的安全。

對(duì)于黃土高原采煤沉陷區(qū)村落搬遷的選址評(píng)價(jià)問(wèn)題，涉及采礦、地理、地質(zhì)、人文、規(guī)劃等多學(xué)科理論，目前還沒(méi)有普適性的評(píng)價(jià)模型與方法。文中以陜西某煤礦開(kāi)采沉陷區(qū)村落搬遷為實(shí)例模型，根據(jù)煤礦工作面布設(shè)計(jì)劃和開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)理論，確定村落搬遷區(qū)范圍和遷址區(qū)保護(hù)煤柱的大小，采用運(yùn)籌學(xué)的層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法，結(jié)合特爾菲法，確定礦區(qū)村落地貌條件、水文狀況、交通條件、勞作范圍等多個(gè)影響因子的權(quán)重模型，形成綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［7-9］?；?ArcGIS軟件平臺(tái)，定量地分析出沉陷區(qū)村落搬遷選址區(qū)的地理環(huán)境適宜度［10-12］，為西部黃土高原礦區(qū)村莊下壓煤的安全開(kāi)采提供技術(shù)支持。

1 采煤沉陷區(qū)村落遷址評(píng)價(jià)方法

西部礦井多采用走向長(zhǎng)壁工作面頂板全部垮落法開(kāi)采。按照礦井生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求，每年布設(shè)數(shù)個(gè)長(zhǎng)壁工作面有計(jì)劃地進(jìn)行回采，在地表逐漸形成由小到大的沉陷區(qū)域，而沉陷區(qū)內(nèi)的村落建筑也會(huì)不斷破壞。因此，在地下工作面計(jì)劃回采之前，必須先將地面沉陷區(qū)域內(nèi)的村落實(shí)施搬遷，新的搬遷選址區(qū)評(píng)價(jià)工作流程包括：制定開(kāi)采工作面計(jì)劃、預(yù)計(jì)地表沉陷范圍、確定搬遷村落面積、確定選址區(qū)大小、選址區(qū)地理環(huán)境評(píng)價(jià)建模、選址區(qū)適宜度分析、適宜遷址區(qū)的確定。

1. 1 開(kāi)采沉陷范圍預(yù)計(jì)與遷址區(qū)面積確定

每一個(gè)長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采后地表一般會(huì)形成沉陷盆地，地表沉陷變形的大小可依據(jù)開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)理論進(jìn)行預(yù)計(jì)分析?，F(xiàn)有開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)方法可分為影響函數(shù)法，剖面函數(shù)法，數(shù)值分析法和力學(xué)分析法等［13-19］。在我國(guó)，基于隨機(jī)介質(zhì)理論的概率積分法應(yīng)用最為普遍［20-24］，該法較精確合理地描述了地表沉陷盆地的分布形態(tài)，具有理論嚴(yán)密及便于編程計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)黃土高原礦區(qū)的特點(diǎn)，文獻(xiàn)［25］利用隨機(jī)介質(zhì)理論原理，將地表沉陷視為基巖面不均勻沉降在土層中傳播影響至地表的結(jié)果，導(dǎo)出概率積分法分層預(yù)計(jì)模型，并編制了專門的預(yù)計(jì)程序。實(shí)踐表明，只要按礦區(qū)具體地質(zhì)采礦條件選用合適的預(yù)計(jì)參數(shù)，上述模型完全能滿足黃土高原礦區(qū)開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)和村落搬遷工作的要求。

在多個(gè)相鄰工作面開(kāi)采后，工作面之間的間隔煤柱由于寬度僅為10～20 m左右，在覆巖移動(dòng)過(guò)程中會(huì)失去煤柱支撐作用，使地表形成整體性的沉陷盆地。按照上述概率積分法分層預(yù)計(jì)模型對(duì)各個(gè)計(jì)劃的回采工作面開(kāi)采沉陷變形進(jìn)行預(yù)計(jì)。計(jì)算工作在專門開(kāi)發(fā)的開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)軟件平臺(tái)上完成。在ArcGIS中對(duì)各個(gè)工作面開(kāi)采后的地表下沉和變形值，分別予以疊加并進(jìn)行可視化表達(dá)［26-28］。根據(jù)開(kāi)采沉陷理論，按照地表下沉量小于10 mm來(lái)劃定地表沉陷區(qū)范圍。顯然，沉陷區(qū)范圍是按年度不斷增加的，沉陷區(qū)內(nèi)的村落面積也會(huì)逐年增加，根據(jù)計(jì)劃年限可以確定搬遷村落的總面積。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)塌陷區(qū)村落建筑面積、相關(guān)搬遷安置政策和村鎮(zhèn)規(guī)劃原理來(lái)確定遷址區(qū)的規(guī)劃面積。

1. 2 遷址區(qū)地理適宜度評(píng)價(jià)模型

針對(duì)黃土高原村落的地理環(huán)境復(fù)雜多變且影響因子眾多的特點(diǎn)，文中選擇運(yùn)籌學(xué)中的AHP法，來(lái)構(gòu)建黃土礦區(qū)村落遷址區(qū)的地理適宜度評(píng)價(jià)模型。利用AHP法將定量分析與定性分析相結(jié)合，進(jìn)行黃土礦區(qū)村落搬遷選址評(píng)價(jià)，用專家經(jīng)驗(yàn)給出自然地理指標(biāo)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在某一標(biāo)準(zhǔn)體系下的相對(duì)重要程度，并有效地計(jì)算出各個(gè)影響因子對(duì)應(yīng)的權(quán)重值，構(gòu)建地理適宜度評(píng)價(jià)模型［29-30］。

在黃土高原開(kāi)采沉陷區(qū)村落遷址的評(píng)價(jià)中，利用AHP法進(jìn)行黃土高原沉陷區(qū)村落遷址的地理環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)，將決策目標(biāo)、考慮因素和決策對(duì)象按其相互關(guān)系分為3個(gè)層次，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層。文中利用圖1所示的模型進(jìn)行黃土礦區(qū)村落遷址的綜合評(píng)價(jià)。

圖1 村落遷址地理適宜度評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structuralmodel for evaluating the geographical suitability of village relocation

1. 3 地理適宜度評(píng)價(jià)因子及評(píng)分依據(jù)

針對(duì)黃土高原采煤沉陷區(qū)村落遷址問(wèn)題，評(píng)價(jià)目標(biāo)為本礦區(qū)覆蓋范圍，首先要避開(kāi)預(yù)計(jì)的開(kāi)采沉陷區(qū)，以及不適宜居住建房的灘涂地、濕陷性黃土區(qū)、滑坡風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等地質(zhì)條件惡劣和災(zāi)害易發(fā)區(qū)。選址區(qū)地理適宜度評(píng)價(jià)的影響因子可分為2類：自然地理指標(biāo)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，細(xì)分為6個(gè)主要影響因子［31］，見(jiàn)表 1.

地面坡度很大程度上影響居民點(diǎn)布局、土建費(fèi)用和土地利用效率等，是影響選址區(qū)地理適宜度的重要因子；坡向影響選址區(qū)日照時(shí)長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、建筑朝向和通風(fēng)條件等宜居環(huán)境；水源是影響農(nóng)村居民生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉的重要因素，其中地下水位高低對(duì)村民打井用水的便利性至關(guān)重要；地表水系對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要影響，但黃土高原礦區(qū)水系的流域面積一般較??；遷址區(qū)距離交通干道的遠(yuǎn)近直接影響搬遷配套費(fèi)用和村民日常生活便利程度；沉陷區(qū)村落實(shí)施搬遷后，其農(nóng)田仍然位于原址，因此選址區(qū)距離搬遷區(qū)的距離（即村民勞作半徑）是影響村民生產(chǎn)、生活便利性的重要因素。對(duì)上述二級(jí)影響因子使用專家打分法和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法進(jìn)行定級(jí)和打分。設(shè)置3個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)分值為20分、15分，10分。各二級(jí)影響因子評(píng)分依據(jù)及分值見(jiàn)表2.

表1 地理適宜度評(píng)價(jià)的影響因子Table 1 Influential factors of geographical suitability evaluation

表2 影響因子的評(píng)分依據(jù)及分值Table 2 Basis and score of influential factor

1. 4 選址區(qū)地理適宜度評(píng)價(jià)方法

按照層次分析法進(jìn)行選址區(qū)地理適宜度評(píng)價(jià)。首先建立各級(jí)指標(biāo)間的相對(duì)重要關(guān)系矩陣A如下。

式中aij反映了兩因子之間的相對(duì)重要關(guān)系，滿足aij＞0，aji=1／aij，aii=1.

為確保各因子之間的相對(duì)重要關(guān)系對(duì)比結(jié)果的一致性，通過(guò)計(jì)算矩陣A的隨機(jī)一致性比率C. R. 來(lái)判斷相對(duì)重要性是否一致。其計(jì)算方法如下

式中 C. I. 為矩陣一致性指標(biāo)；λmax為矩陣A的最大特征值；n為影響因子的數(shù)量；R. I. 為矩陣平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可根據(jù)矩陣階數(shù)在量表中查詢。按式（3）對(duì)矩陣的隨機(jī)一致性比率進(jìn)行判斷，依據(jù)如下

計(jì)算矩陣A的最大特征值λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量 B=［b1，b2，…，bn］，并對(duì)向量 B做歸一化處理，即求得各因子的權(quán)重向量W=［W1，W2，…，Wn］.

針對(duì)黃土高原采煤沉陷區(qū)村落選址的實(shí)際情況，確定自然地理一級(jí)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重為0. 60，社會(huì)經(jīng)濟(jì)一級(jí)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重0. 40. 評(píng)價(jià)模型中自然地理及社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下的各二級(jí)指標(biāo)間的相對(duì)重要關(guān)系見(jiàn)表3及表4.

表3 自然地理各二級(jí)指標(biāo)間的相對(duì)重要關(guān)系Table 3 Relative im portance of the secondary indicators of physical geography

表4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)各二級(jí)指標(biāo)間的相對(duì)重要關(guān)系Table 4 Relative im portance of the secondary indicators of social economy

由上述分析可知，各指標(biāo)間保持較好的相對(duì)一致性。采用上述方法計(jì)算出自然地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)中各二級(jí)指標(biāo)（因子）的權(quán)重向量及對(duì)應(yīng)的權(quán)重值，見(jiàn)表5.

針對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)任意一個(gè)地理單元，根據(jù)表2的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及表5所對(duì)應(yīng)的影響因子權(quán)重值，加權(quán)計(jì)算出各單元的綜合評(píng)價(jià)分值，通過(guò)GIS的疊加分析生成煤礦遷址區(qū)地理適宜度評(píng)價(jià)圖。將選址區(qū)的規(guī)劃面積作為搜索窗口，在評(píng)價(jià)圖中確定區(qū)域分值（取窗口平均值）最高的區(qū)域作為新的遷址區(qū)。

表5 各級(jí)指標(biāo)權(quán)重Table 5 W eight of indexes at all levels

2 應(yīng)用實(shí)例

2. 1 塌陷搬遷區(qū)范圍確定

評(píng)價(jià)區(qū)為黃土高原的陜西某煤礦，開(kāi)采煤層包含4上煤層和4下煤層。4上煤層開(kāi)采厚度為3.8 m，4下煤層開(kāi)采厚度為9 m，煤層平均傾角2°，開(kāi)采深度350～450 m.礦區(qū)地表為黃土臺(tái)塬及溝壑地貌，中部和東部為溝壑區(qū)，其余部分較為平坦。地面高程最大1 270 m，最小750 m，地下水位平均高程約700 m.按照礦井生產(chǎn)規(guī)劃，在2020—2030年間計(jì)劃回采16個(gè)相鄰的工作面，地面將逐漸形成大范圍的塌陷盆地，必須提前實(shí)施村落搬遷。為此，根據(jù)文中提出的方法進(jìn)行村落遷址區(qū)的地理適宜度評(píng)價(jià)。本井田的井上下對(duì)照情況如圖2所示。

圖2中評(píng)價(jià)區(qū)范圍即井田邊界圈定的總面積約88 km2，2030年之前計(jì)劃回采區(qū)面積12 km2，地表塌陷范圍由概率積分法開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)模型來(lái)確定。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)采礦條件采用類比法確定預(yù)計(jì)參數(shù)分別為：下沉系數(shù)q=0. 7，主要影響角正切TANB=2. 2，拐點(diǎn)偏距 S0=0. 05H，水平移動(dòng)系數(shù) b=0. 3. 其中平均采深H=400 m，煤層開(kāi)采厚度m1=3.8 m，m2=9.0 m.按照上述預(yù)計(jì)參數(shù)用專門的開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)軟件確定地表沉陷區(qū)范圍為14.6 km2，如圖2所示。沉陷區(qū)共有農(nóng)戶224戶，建筑總面積0.033×106m2.按照新農(nóng)村規(guī)劃要求確定新的遷址區(qū)占地面積為0.1×106m2.

圖2 井田井上下對(duì)照Fig.2 Contrast of the upper and lowerWells of amining area

2. 2 遷址區(qū)地理適宜度綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

將圖2導(dǎo)入ArcGIS軟件中，將整個(gè)井田范圍（沉陷區(qū)除外）按照10 m分辨率進(jìn)行影響因子提取和評(píng)分，其中地下水位值用地面格網(wǎng)高程值減去區(qū)域平均水位而得到。將表5中每個(gè)因子的權(quán)重值賦予ArcGIS的各個(gè)圖層中，對(duì)6個(gè)二級(jí)影響因子進(jìn)行緩沖區(qū)分析以及疊加分析，通過(guò)聯(lián)合功能計(jì)算出每個(gè)地理單元的綜合分值。在ArcGIS中生成地理適宜度綜合分值的分級(jí)圖，如圖3所示。

圖3 評(píng)價(jià)區(qū)地理適宜度綜合分值分級(jí)Fig.3 Grading of the comprehensive score of the evaluation region’s geographical suitability

由于文中對(duì)各影響因子的評(píng)價(jià)分值為10，15，20等3個(gè)等級(jí)，當(dāng)各因子分值均為10分時(shí)，則綜合評(píng)分值最低應(yīng)為50分，當(dāng)各因子分值均為20分時(shí)，綜合評(píng)分值最高為100分。圖3中綜合評(píng)價(jià)分值在52-97分之間，各分值區(qū)間面積占比見(jiàn)表6.其中綜合評(píng)價(jià)分值在90分以上的區(qū)域面積為0.34×106m2，分值在85～90分的區(qū)域面積為6.27×106m2.以遷址區(qū)規(guī)劃面積0.1×106m2為搜索窗口，基于ArcGIS疊加得到最高分值區(qū)，如圖3中的A區(qū)，綜合評(píng)價(jià)平均分值為92分。

但是，該區(qū)域與待搬遷村落不屬于同一個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，在拆遷實(shí)施和后續(xù)行政管理方面存在諸多不便。按照上述方法可搜索得到次高分值區(qū)，如圖3中的B區(qū)，綜合評(píng)價(jià)平均分值為87分。該區(qū)域與待搬遷村落屬于同一縣級(jí)行政區(qū)域，亦屬于地理適宜度較佳的遷址區(qū)域。將上述評(píng)價(jià)結(jié)果交由決策部門參考。

表6 綜合評(píng)價(jià)分值及對(duì)應(yīng)區(qū)域面積Table 6 Comprehensive evaluation score and corresponding area

3 結(jié) 論

1）黃土高原煤礦區(qū)受開(kāi)采影響村落的搬遷選址，主要考慮礦區(qū)地理環(huán)境、水文資源、交通便捷性、塌陷區(qū)相對(duì)位置等影響因素及其相對(duì)重要程度，形成綜合評(píng)價(jià)體系；

2）文中利用層次分析法結(jié)合專家打分法構(gòu)建了黃土溝壑區(qū)村落遷址區(qū)地理適宜度的綜合評(píng)價(jià)模型。應(yīng)用實(shí)例表明，基于該模型通過(guò)ArcGIS疊加分析可便捷地進(jìn)行村落遷址區(qū)地理環(huán)境的量化評(píng)價(jià)，其結(jié)果具有科學(xué)性與合理性；

3）黃土高原煤礦區(qū)村落搬遷選址的科學(xué)評(píng)價(jià)提供了有效的技術(shù)方法，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。