基于場論的礦區生態環境采動累積效應研究

連達軍,汪云甲

(1.國土環境與災害監測國家測繪局重點實驗室,江蘇徐州211116;2.蘇州科技學院空間信息與測繪工程系,江蘇蘇州215011)

礦井地下開采過程中及結束后,上覆巖層冒落、破碎、下沉直至地表,采動地表范圍內各部位經歷程度不同的移動形變;該過程持續作用于采動范圍內乃至周圍的生態環境因子,使其產生各類型損害,這些損害一般均滯后于開采活動,當大于其極限值時,各生態環境因子將產生質的破壞;開采沉陷對各環境因子的協同影響將逐步改變它們的生態聯系方式和通道,表現為礦區生態環境結構功能倒退、惡化乃至消失。開采活動的方式決定著其對礦區生態環境的累積影響方式和程度;開采活動的時空發展過程與其對礦區生態環境的累積影響途徑緊密相關;而累積效應的定量分析必須合理選取描述指標和評價方法[1]。

1 礦區生態場、礦區生態勢及其勢差

受開采沉陷影響的礦區生態環境空間不僅具有其分布規律和動態特征[2-4],并且具有場的可疊加性和可測定性等基本特征。礦區生態勢指不同時空層次的礦區生態場所具有的不同勢能,可以礦區生態場某一層次的絕對量值相對于同一時刻參考生態場的量值來表示。不同層次的礦區生態場之間勢能的差稱為礦區生態勢差,表現為生態位元素的勢差,即不同期開采的煤炭資源之間由于地質開采條件不同及外部生態環境發生變化而導致的元素值的差異。若將其置于與時空坐標系統中加以分析,可把這些元素所表現出的勢差視為其時間演變特征。基于此,不妨把這些元素表示為時刻t和空間位置 (x,y)的函數,即

由式 (1),不難得到自變量的不同導致元素Z的勢差ΔZ,

公式△x、△y分別表示空間兩點之間沿 x和y兩個方向的間距,△t表示某兩時刻之間的時間段。

2 研究方法和技術路線

2.1 技術路線

鑒于GIS空間分析技術在空間累積特征分析方面的顯著優勢,本文將基于場論和 GIS技術進行礦區生態環境的采動累積效應分析。該方法將開采活動進行中和結束后各個時刻的采動影響范圍劃分為不同的采動生態元,為了剔除非采動因素的影響而選取的與研究區域生態經濟、生產生活方式都比較接近的非開采區域劃入背景生態元,并分別進行生態位測算;根據礦區不同生態元同一時段生態勢差的比較分析確定采動累積影響效應的空間分異特征。同一礦井范圍內由不同采后年份對應的生態元采動勢能形成的時間序列則可以反映礦區采動生態環境的時間演變規律,其技術路線如圖1所示。若某采動生態元的生態勢能值接近于背景生態元,則可反映開采沉陷對地表生態環境的滯后影響效應。

圖1 基于生態場理論的礦區生態環境采動累積效應分析技術路線

2.2 研究程序步驟

基于上述思想,首先構建生態位元素體系,并且對研究區域進行生態元劃分,然后對不同時相的遙感影像逐生態元進行影像分類,利用分類結果專題圖進行生態位元素值計算,作為累積效應研究的基礎數據。

2.2.1 生態位元素體系構建

考慮到礦區生態場不同層次生態位與開采沉陷之間的因果關系,以及生態位元素對于揭示采動累積影響規律的敏感特性,并兼顧元素選取原則,構建生態位元素體系 (見圖2)。需要說明一點,將資源保障類、回收技術類和經濟發展類元素一起納入元素體系是為了將經濟、社會、資源、環境諸要素共同置于礦區生態場中以便于分析開采活動與礦區生態場之間的復雜因果關系。

2.2.2 生態元劃分

圖2 礦區采動累積影響生態位元素體系

如圖3所示,若分別以 d1、d2、d3表示采區采動影響緩沖區域下山、上山和走向方向寬度,則式中:H1、H2、H3分別表示開采區域各工作面中最外邊界下山、上山和走向方向的開采深度;β、γ、δ分別表示下山、上山和走向移動角,h表示松散層厚度;φ表示松散層移動角。圖3中陰影邊界范圍內即為采動生態元區域[5];背景生態元選取時應綜合考慮行政區劃、地貌地形特征、生產生活方式、經濟發展水平等因素,在研究區井上下對照圖、地形圖上與采動影響區具有可比性區域范圍內圖解選取。地類間的異同,將礦區土地利用類型分為耕地、林草地、水域、建設用地和未利用土地共5個類型[6]。TM影像在波段寬度設計上針對性強,可很好地進行不同土地利用類型的信息提取。依據波段間的相關性,擯棄地物輻射差異極小因而不利于地物識別的波段,并降低信息的冗余度,本文選取 TM 2、TM 3、TM 4、TM 5和 TM 7五個波段進行礦區地類識別和特征提取。依據地類識別準則確定各波段組合,采用監督分類方法并借助于土地利用現狀圖、井上下對照圖、地塊形狀以及研究區生產生活方式等輔助手段可以獲取比較準確的土地利用類型。

2.2.4 生態位元素值測算

由圖2可以看出,生態位元素中土地覆被指數、植被蓋度、土壤侵蝕度、土壤肥力和資源回收難度可以借助于 GIS或RS等技術手段,通過建模分析獲取,其他元素則可以通過現場調查、統計報告或圖解得到。本文主要介紹反映土地利用/覆被態勢指數、植被蓋度,以及土壤侵蝕強度的量化與測算方法,其他指數如土壤肥力、資源回收難度指數的確定也比較復雜,其量化和測算方法見相關參考文獻。所有指數共同參與礦區生態環境的采動累積效應分析。

2.2.4.1 土地利用/覆被指數測算

土地利用/覆被態勢指數主要包括可刻劃土地利用現狀的態指數和反映其變化趨勢的勢指數兩種類型:前者包括各地類覆蓋率、墾殖指數I和土地利用程度綜合指數L;后者主要以各地類面積變化率、土地利用動態度LC、土地利用變化類型多度D1和重要度IM等描述。

圖3 采動影響緩沖帶示意圖

2.2.3 遙感影像特征提取與影像分類

遙感影像解譯和特征提取就是根據地物反射光譜特征、地物自身特征和地物間的關系特征,從遙感影像上獲取目標地物信息。結合礦區土地的用途、經營特點、利用方式和覆蓋特征等因素,根據全國《土地利用現狀調查技術規程》,并考慮

式中:AP為研究單元內耕地所占的土地面積,AU為研究單元內可利用土地總面積;ai為第i類土地利用程度分級指數,Ci為與ai對應的土地面積百分比;Li為研究期初 i類土地利用類型面積,△Lij為研究期內由i轉化為非i類土地利用類型的面積;Ni為某種土地利用變化類型的圖斑數,N為研究區全部變化圖斑的圖斑總數;C為該變化類型的圖斑總面積占所有變化圖斑總面積的百分比[6-7]。2.2.4.2 土壤侵蝕強度測算

土壤侵蝕強度是指地殼表層土壤在自然營力(水力、風力、重力及凍融等)和人類活動綜合作用下,單位面積和單位時段內被剝蝕并發生位移的土壤侵蝕量,通常以土壤侵蝕模數表示[10]。根據圖4所示的分級標準,土壤侵蝕強度主要與土地利用/覆被、植被覆蓋度和地面坡度有關。地表覆被和植被蓋度的測算方法前已述及,采動地面坡度可通過GIS技術構建DEM獲得。若以

t0表示研究區生態場初始時刻t0的DEM模型,依開采沉陷理論的動態預計方法已預先構建t時刻數字沉陷模型t,則可按照式 (5)進行反演運算生成評價時刻t的

圖4 土壤侵蝕強度分級指標和分級標準

2.2.5 采動累積效應分析

礦區生態環境的采動累積影響,一方面表現為空間層次分異特征,即礦區生態場不同位置表現出的生態勢差。另一方面表現為時間層次的演變,該特性又包含兩種含義,其一是響應生態位元素值隨采后時間發展變化,表現為不同時刻的生態勢差;其二是本征生態位元素的生態勢差,反映了不同時開采的煤炭資源在資源保障、回收技術和經濟發展諸方面表現出的差異特征。由于響應元素的空間累積分異特征通過時間累積演變規律加以分析,因而生態位元素的時間累計變化規律分析更為關鍵。

2.2.5.1 采動生態勢的確定

采動生態元與背景生態元相應生態位元素勢差主要表現為比例關系和差額關系,若以MNEIi表示采動生態元第i個生態位元素的采動勢差,則

式中:△M EIij和△CEIij分別表示采動生態元和背景生態元的生態勢差,即單位時間內的生態位增量。

需要說明:①當生態位元素勢差為大于100%的比率時,可先將其歸一化為 [0,100%],然后再按式 (6)進行運算;②當生態位元素為等級數值 (如土壤侵蝕度)時,可先按照相關標準將其量化為數值型或比率型,然后按上式進行運算,需要時再轉化為等級型結果。若將背景生態元的初始時刻 t0生態位元素值 Mt0作為采動勢的初值(即將其視作未經歷開采擾動的生態元),則某采動生態元在考察時刻i的采動生態勢可表示如下,

2.2.5.2 礦區生態場的采動累積效應分析

礦區生態場總是處于不同的時空層次上,因而對其采動累積效應分析也應該從空間分布和時間演變兩個方向維進行。如圖1所示,相同考察時刻不同采動生態元采動生態勢的比較分析可以確定采動累積效應的空間分異特征;相同采動生態元不同考察時刻間采動生態勢的比較則可反映采動累積效應的時間演變特征。而以考察時刻為行終采時刻為列的采動勢矩陣的“跡”(圖1中對角線方向)為按照上述各生態元的不同采后時間(即考察時刻距終采時刻的時間距離)對應的采動生態勢序列,該序列反映了開采活動與采動生態元之間的因果關系,據此即可分析礦區生態環境的采動累積效應。

以數組 {Mi1,Mi2,…,Mij,…,Min}表示第i生態位元素對應的采動生態勢時間序列數組,若相鄰時刻τ1與τ2對應的采動勢之較差小于規定的容許值ε,即

且自τ2時刻起,序列依照某種規律收斂于某數值,則τ1距終采時刻的時間距離可作為該生態位元素的采動延遲。

3 實例分析

以潞安礦區某礦井開采沉陷區作為研究區,選取1997年 9月 19日、2000年 05月 07日和2002年9月11日三個時相的 TM遙感影像,劃分為4個采動生態元和1個背景生態元,以此為分析單元、遙感影像的獲取時刻為評價時刻,根據生態位元素體系構成圖按響應生態位元素 (土地覆被態勢相關指數和土壤侵蝕強度)和本征生態位元素 (如煤層穩定性和資源回收難度)對研究區進行采動累積效應分析。

圖5為該兩類生態位元素的采動累積效應曲線。顯然,建設用地覆蓋率在采后呈現明顯的上升趨勢,并逐步穩定至20%左右的水平;耕地覆蓋率基本上呈下降趨勢,并逐步穩定于70%左右;植被覆蓋率受采動影響的變化趨勢不如建設用地和耕地明顯,但也呈現下降趨勢并逐步穩定;墾殖指數與耕地覆蓋率的變化規律基本相似。但土地綜合利用指數在開采后的10年內變化趨勢極不明顯,變化頻次劇烈,此后逐步穩定在約3.1的狀態水平。土壤侵蝕卻具有不同的采動累積趨勢:終采后土壤侵蝕指數先增大,至終采后的12年左右增至最大,然后又逐步下降至一個新的水平,但穩定后的土壤侵蝕指數仍大于采動影響波及之前。由此,可以得到以下結論。

圖5 部分生態位元素的采動累積效應曲線

1)圖5中可以反映土地覆被指標變化的三個階段:第一階段 (采后1～4年)為劇烈變化階段,第二階段 (采后4～13年)為緩慢變化階段,第三階段即采后的13～26年,為平穩變化階段,各地類覆蓋率變化幅度越來越小,變化速率越來越接近于t軸,說明土地覆被進入了新的動態平衡狀態。

2)土壤侵蝕指數的采動變化三階段為起始階段,即采后的2～4年;然后進入土壤侵蝕惡化階段 (采后的4～17年),土壤侵蝕指數達到其最大值約1.3;此后至采后26年可稱為改善階段,土壤侵蝕將在較長時間內維持在一個新的水平,但很難達到采動影響前的較低水平。

3)各指數的采動變化明顯滯后于開采活動。對圖4中各指標采動曲線進行擬合,得到各指標與采后年份的相關關系式。

式中,各指標的采動延遲不盡相同,依據式(8)式(9),土地覆被的采動延遲約為13年。土壤侵蝕自采后4年開始波及,采后17年達到最嚴重水平,其采動延遲可確定為采后17年。

4 結論與展望

開采沉陷是造成礦區環境災害的直接根源,隨著開采的持續進行,各生態環境因子受破壞程度日趨劇烈,開采沉陷對礦區生態環境的持續影響還表現為礦區生態環境系統結構的嚴重異質化,其服務性功能也呈整體下降趨勢。本文基于場論和GIS技術進行礦區生態環境的采動累積效應分析。論文首先介紹了生態場理論與相關概念;考慮到礦區生態場不同層次生態位與開采沉陷之間的因果關系,以及生態位元素對于揭示采動累積影響規律的敏感特性,構建了生態位元素體系;然后對研究區域進行生態元劃分,并以此為單位對不同時相的遙感影像進行影像分類,利用分類結果專題圖進行生態位元素值計算,作為累積效應研究的基礎數據。論文主要介紹了土地利用/覆被態勢指數、植被蓋度以及土壤侵蝕強度等生態位元素的量化與測算方法,描述了采動生態勢的確定方法以及基于此進行生態環境采動累積效應分析的程序方法。最后以潞安礦區某開采沉陷區為研究對象進行了示例分析,得到該礦區主要生態位元素的采動累積效應規律。應該指出,礦區生態場各生態位元素之間的相關關系關系以及各生態位元素的采動累積規律形成原因極其復雜,該方面的研究是確定礦區生態環境采動承載指數和礦區生態健康評價的重要依據,限于篇幅,將另行撰文陳述。

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