淮南煤礦區土地利用變化分析

王曉輝，耿宜佳

(1.安徽省環境科學研究院，安徽合肥230061;2.合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽合肥230009)

隨著煤礦開采量的增大，礦區土地利用結構也發生了顯著變化，耕地資源減少，非農業用地增加。同時，在煤礦開發、利用的過程中，由于占用、挖損、塌陷等造成大量土地破壞［1］，其中采煤塌陷對生態資源與環境的破壞顯著，造成礦區土地利用類型的變化，主要表現在如下方面:①嚴重破壞耕地;②引起橋梁、地下管道和鐵路的斷裂，道路和水利設備遭到損壞;③危及生產、生活設施和建筑;④土地塌陷導致礦區周圍生態環境的持續惡化［2－6］。

我國學者利用遙感技術對礦區地表演變、礦區地表塌陷對土地利用的影響［7－8］、礦區土地利用變化［9］、礦區景觀格局的改變［10－12］、露天礦區特征［13］等方面進行了大量研究。但目前針對大型煤礦區，運用遙感與GIS技術對采煤導致礦區土地利用類型發生變化的研究并不多見。筆者以淮南礦區作為研究對象，利用3個時期遙感影像和GIS技術，對整個煤礦區土地利用的時空變化進行分析。

1 研究區概況

淮南礦區位于安徽省中北部，地處 116°21'21″～117°11'59″E、32°32'45″～33°00'24″N，地形標高 18 ～ 27 m，海拔16.5～240.0 m。礦區橫跨淮河兩岸，東西長70 km，南北傾斜寬25 km，總面積1 591 km2。研究區地處亞熱帶與暖溫帶的過渡區，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫15.5℃，年平均降水量970 mm?；茨鲜兄饕乇硭凳腔春?，區域地貌形態可分為平原、丘陵2大地貌類型。將礦區土地分為城鎮用地、高覆蓋度草地、耕地、林地、農村居民點、水域等類型，1986～2012年，各類型用地面積互有消長，其中耕地面積逐年減少，而城鎮用地、水域和林地面積逐年增加，農村居民點和高覆蓋度草地面積幾乎未變。同時，煤礦開采帶來塌陷地面積不斷擴大的問題，截至2013年底，整個礦區塌陷面積約220 km2，涉及27個鄉鎮，占全市面積的8.5%。據預測，到2020年，塌陷面積將達到369 km2，最終塌陷面積將達到687 km2。

2 土地利用變化分析方法

2.1 土地利用數量變化 土地利用數量變化分為土地利用變化幅度和土地利用變化速度。

2.1.1 土地利用變化幅度。土地利用變化幅度通過對不同土地利用類型面積的變化計算，反映出該區域內土地利用變化的總體趨勢以及在該時段人類活動對土地資源影響的強弱，表達式為:

式中，Z表示研究時段內某一土地利用類型的總變化幅度;Ua、Ub為研究初、末期某種土地利用類型的面積。

2.1.2 土地利用變化速度。土地利用動態度分為單一土地利用動態度與綜合土地利用動態度［14］。

(1)單一土地利用動態度指數。單一土地利用動態度在對比不同土地利用變化的差異以及預測今后土地利用的趨勢上起重要作用，公式為:

式中，K表示研究時段內某一土地利用類型的動態度;Ua、Ub為研究初、末期某一土地類型的數量;T為研究時段，設T的時段為年，K的值則表示該研究區某種土地利用類型年變化率。

(2)綜合土地利用動態度指數。綜合土地利用動態度反映區域土地利用變化的速率［15］，公式為:

式中，LUi表示監測起始時間第i類土地利用類型面積;ΔLUi－j為監測時段第i類土地利用類型轉化為非i類土地利用類型面積的絕對值;T為監測時長。設T的時段為年時，LC的值就是該研究區域土地利用年變化率。

2.2 土地利用程度綜合指數 土地利用程度綜合指數用于描述區域內對土地綜合利用的水平，反映了土地利用的自身屬性，也反映了人類和自然環境相互作用所產生的綜合效應。國內已有學者提出了將土地利用程度分為4個等級(未利用地為1級，林地、草地、水域為2級，耕地為3度，農村居民點及城鎮用地為4級)來對土地利用程度進行綜合分析的方法，公式為:

式中，L表示土地利用程度綜合指數，L∈［100，400］;Ai表示研究區內第i級土地利用程度分級指數;Ci表示研究區內第i級土地利用程度的面積百分比;n表示土地利用程度分級數。

土地利用程度變化量也稱土地利用程度變化率，用于計算在選定范圍內不同土地利用類型的變化。公式為:

式中，Ia和Ib表示研究初、末期區域土地利用程度綜合指數;Ai表示第i級土地利用程度分級指數;Cia和 Cib表示研究初、末期第i級土地利用程度面積百分比。如果 ΔIb－a＞0或R＞0，那么該區域土地利用處于發展期;反之，則處于衰退期或調整期。

2.3 土地利用結構變化模型 土地利用結構變化反映了土地在人類開發利用過程的發展趨勢，其變化趨勢通過區域土地利用結構的信息熵、均衡度和優勢度3個指標表達。

2.3.1 土地利用結構信息熵。土地利用結構信息熵通過熵值計算反映出人類行為對土地利用的影響，土地利用類型數隨著熵值的增高而變多，各種土地類型的面積百分比相差越小，土地分布越均衡。當區域內各類型土地面積相等時，熵值最大，土地利用達到均衡狀態。表達式為:

式中，H表示土地利用結構信息熵;Pi表示各種土地利用類型占該區域總面積的百分比;n表示不同土地利用類型。

2.3.2 土地利用均衡度。土地利用均衡度通過信息熵與最大熵之間的比值來表示在一定區域內，不同用途土地利用類型的分配程度是否均衡，取值范圍為 E∈［0，1］。當 E=0時，土地利用處于最不均衡狀態;當E=1時，表示各種土地利用類型分布程度均衡，達到理想狀態。表達式為:

式中，E表示土地利用均衡度;Hmax=lnm表示多樣性指數的最大值;Pi表示第i類土地利用類型面積占總面積的比例;m表示土地利用類型的數量。

2.3.3 土地利用優勢度。土地利用優勢度是通過景觀多樣性對最大多樣性的偏離程度來表示在一定區域內一種或多種土地利用類型對該區域土地利用類型的支配程度，與均衡度相反。優勢度越大，偏離程度越大;反之，偏離程度較小;優勢度為0時，表示景觀完全均質。表達式為:

3 淮南礦區土地利用時空變化分析

3.1 礦區生態環境評價指標信息提取 該研究采用的數據源主要包括遙感數據、專題數據、基礎地理數據以及統計數據。遙感數據主要采用法國SPOT6影像數據，空間分辨率可達1.5 m，影像數據的獲取時間為2012年。基礎地理數據主要是研究區1∶5萬數字化地形圖數據。專題數據主要是1986和1999年研究區土地利用類型數據。統計數據包括研究區的自然、社會和經濟方面的統計數據，如統計年鑒、環境質量報告書、環境質量監測數據等。

根據衛星影像解譯得到淮南礦區1986、1999和2012年土地利用狀況(圖1)。

3.2 土地利用結構與變化幅度 將研究區域的土地利用類型分為6類:城鎮用地、高覆蓋度草地、耕地、林地、農村居民點和水域。分別根據衛星影像解譯或者矢量數據歸類得到1986、1999和2012年土地利用情況(表1)。

表1 1986、1999和2012年淮南礦區土地利用情況

按不同土地利用類型面積的統計出研究區土地利用結 構變化，利用公式(1)～(3)計算得出土地利用變化幅度、單一土地利用動態度指數和綜合土地利用利用動態度指數 (表2)。

圖1 淮南礦區不同年度土地利用狀況

由表1可知，1986～2012年，淮南礦區各土地利用類型中，耕地所占比例最高，均在67%以上;農村居民點比例略低，1986～2012年基本保持不變;而林地和高覆蓋度草地所占面積較少，只有2.05%和0.005%左右。

從表2可以看出，研究區幾種土地利用類型的變化速度均較快，集中表現為城鎮用地和水域面積的增加、耕地的持續減少。城鎮用地增加主要表現在城鎮化進程的加快，水域面積增加集中表現在采煤塌陷積水區面積逐漸增多。從土地利用變化幅度來看，主要表現為耕地續減少，1986～2012年凈減少面積為252.623 km2，城鎮用地和水域卻在快速增加，26年間凈增面積分別為140.258和94.135 km2。從單一土地利用動態度看，城鎮用地面積的變化速度最快;從綜合土地利用動態度看，1999～2012年土地利用類型轉變較為劇烈，地類變化過于頻繁。

表2 1986～2012年淮南礦區土地利用類型變化幅度與速度

3.3 土地利用結構變化 土地利用結構信息熵綜合反映出在研究區域內各種土地利用類型的變化程度，利用公式(7)～(9)計算得出1986～2012年淮南礦區土地利用結構信息熵、土地利用均衡度和優勢度(表3)。

由表3可知，1986～2012年淮南礦區土地利用信息熵持續上升，從0.668升至0.963;土地利用均衡度也逐步增加，由1986年的0.694上升至2012年的1;而優勢度則由0.306下降至0，說明26年間研究區土地利用朝著相對無序狀態演化，其主要原因是隨著改革開放政策的推進以及資源的優勢，淮南市社會經濟和各項建突飛猛進，以煤礦開采為主導的產業迅速發展，使得淮南礦區土地利用結構朝著無序度方向發展;進入1999年以后，城市化進程加快，城市迅速擴張，資源能源的需求量加大，導致土地利用結構的無序度再次升高。

3.4 土地利用程度變化 土地利用綜合程度指數反映了區域土地利用的集中程度。利用公式(4)～(6)，計算得出1986、1999、2012年淮南礦區土地利用程度綜合指數分別為305.9145、307.6505 和308.2560。1986 ～1999 年淮南礦區土地利用程度變化率為1.7;1999～2012年淮南礦區土地利用程度變化率為0.6。

4 結論

該研究根據1986、1999、2012年3期衛星影像解釋數據，運用土地利用變化分析方法，對淮南礦區土地利用情況進行分析，得出以下結論:

(1)研究區幾種土地利用類型的變化幅度均較大，除農村居民點用地變化外，其他土地利用類型在1999～2012年變化比1986～1999年更為劇烈，這與1999～2012年礦區城鎮化的快速發展以及煤礦開采規模逐年增大導致耕地面積減少及水域塌陷地面積不斷增加有關，也與當地居民生態保護意識提高、加大植樹造林力度有關;高覆蓋度草地幾乎消失，與礦區的城鎮化和工業化直接相關。

(2)農村居民點在前后2個時間段呈現截然相反的變化，在1986～1999年，其面積增加20.71%，說明此時段內農村居民點呈現無序發展局面;1999～2012年面積又減少14.31%，近似回到1986年的水平，這與此時段礦區范圍內的農村“拆鄉并鎮”以及新農村規范建設有關，有效節約了土地資源。

(3)1986～2012年淮南礦區土地利用信息熵持續上升，從0.668升為0.963，土地利用均衡度也逐步增加，由1986年的0.694上升到2012年的1，而優勢度則由0.306下降到0，表明礦區土地利用朝著相對無序狀態演化。

(4)1986、1999、2010年淮南礦區土地利用綜合指數分別為305.9145、307.6505 和308.2560。1986 ～1999 年研究區土地利用程度變化值為1.7;1999～2012年該值減小為0.6。由此看出，1986～2012年研究區土地利用均處于發展期，且土地利用程度有遞減趨勢。

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