基于GIS的高山峽谷煤礦區土地損害程度評價
——以重慶市松藻礦區為例

周 川，李 萍，王 穎，李妍均

(1.重慶地質礦產研究院 外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室，重慶 400042；2.重慶地質礦產研究院 重慶市地質災害自動化監測工程中心，重慶 400042)

基于GIS的高山峽谷煤礦區土地損害程度評價
——以重慶市松藻礦區為例

周 川1,2，李 萍1,2，王 穎1,2，李妍均1,2

(1.重慶地質礦產研究院 外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室，重慶 400042；
2.重慶地質礦產研究院 重慶市地質災害自動化監測工程中心，重慶 400042)

高山峽谷；礦區土地損害；評價；GIS；松藻礦區；重慶

將煤礦區土地損害程度評價與GIS技術相結合，著重分析了GIS支持下的礦區損害土地指標因子，建立了基于GIS技術的高山峽谷煤礦區土地損害程度評價模型和體系。結合重慶松藻礦區土地損害實例，實現了對礦區土地損害程度的科學、客觀、可視化評價。評價結果表明：松藻礦區采煤塌陷導致的損害區面積為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、嚴重破壞17.86 hm2，分別占損害區面積的33.48%、14.61%和0.29%。

對煤礦區進行土地復墾和再利用，需要建立在對土地現狀損害程度進行評價的基礎上。礦區土地損害現狀評價是針對煤礦井工開采對土地本身造成的破壞狀態，通過對空間位置、形態等土地自然屬性的綜合描述，表示煤炭開采對土地造成的損害[1-2]。GIS是在計算機的支持下，運用系統工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據，以提供對規劃、管理、決策和研究所需信息的技術系統[3]。目前，GIS被廣泛應用于礦區生態演變評價[4]、生態質量綜合評價[5-6]、土地復墾適宜性評價[7-9]、土地損害評價[10]等方面。基于GIS的土地損害評價理論和方法，能夠便捷準確地進行數據分析，并以統計數值或者圖形與統計數值結合的形式表達結果，為土地損害評價提供科學、可靠的技術支撐[10-12]。科學有效地評定礦區損毀程度，優化利用礦區土地是改善當地生態環境、生產生活條件的根本途徑。

1 研究區概況

松藻煤礦區位于重慶市南部，面積127.9 km2。出露地層為沉積巖系，主要有二疊系上統龍潭組、長興組和下統玉龍山組、茅口組，三疊系下統飛仙關組、嘉陵江組等，主要巖性為泥巖和石灰巖。地勢南高北低、東高西低，屬侵蝕剝蝕及巖溶低山-低丘地貌類型區。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濕潤氣候區。土壤以黃壤、紫色土和石灰巖土為主，氣象災害主要有春旱、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、薯類等糧食作物。

2 數據來源及評價方法

2.1 數據來源

本研究采用的數據主要包括地圖數據和地面調查數據兩部分。地圖數據主要有南部四鎮(趕水鎮、安穩鎮、打通鎮、石壕鎮)土地利用總體規劃圖(2006—2020年)和土地整治專題圖。在ArcGIS 10.2支持下，采用的地圖數據和成圖比例尺均為1∶10 000。地面調查數據主要為野外踏勘調查所得的地裂縫、塌陷坑、滑坡地質災害等實地數據。

2.2 評價方法及步驟

(1)指標因子分析。指標因子分析采用實地調查與MSPS預計系統相結合的方法進行[13]。

(2)判斷矩陣構建。在層次分析[14]的結構模型下，將各元素按屬性分成若干組，形成不同層次。遞階層次結構中各層的元素可以依次與上一層元素進行兩兩比較，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相對于其上一層元素重要性的比例標度，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，以此類推，一般采用1～9比例標度對重要性程度賦值；n為判斷矩陣階數。

(3)指標權重確定。設判斷矩陣A的最大特征根為λmax，其相應的特征向量為W，則AW=λmaxW。所給出的判斷矩陣不可能完全保持一致，有必要進行一致性檢驗，一致性指標CI計算公式為

(2)

式中：n為判斷矩陣階數。

顯然，當判斷矩陣具有完全一致性時，CI=0。λmax-n越大，CI越大，一致性越差。為了檢驗判斷矩陣是否具有滿意的一致性，需要將CI與平均隨機一致性指標RI進行比較。若隨機一致性比率CR=CI/RI<0.10，則判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調整判斷矩陣的元素取值。隨機一致性指標RI取值見表1。

表1 隨機一致性指標RI取值[15]

(4) 綜合評價得分。計算公式為

(3)

式中：IQI為綜合評價得分值；Qi為第i項評價因子；CIi為第i項評價因子的權重,m為評價因子數量。

3 結果與分析

3.1 指標因子分析

3.1.1 數據分析

指標因子是參與土地損害評價的因素，或稱評價項目，是進行土地損害程度評價的直接依據。礦區包括采礦工業涉及的全部地域空間，不僅包括地下的礦產資源空間，還包括開采規劃時所對應和影響的地表范圍，具有空間的有效性和延續性。采礦對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，本研究選取這四類評價因子對研究區進行損害程度評價。

(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，并對其進行損害程度評價是評價的重點內容。根據MSPS軟件預測結果，在南部丘陵山區，地貌起伏大，開采下沉對原地表影響不大。以2009年為基期年，分析可知，截至基期年松藻礦區塌陷深度最大值為3.0 m，開采影響區面積為5 087.50 hm2，平均深度較小。

(2)地表裂縫。沉陷區的地表裂縫可分為兩類，一類是永久性裂縫，另一類是動態裂縫。本研究主要圍繞采后未自動閉合的永久性裂縫進行研究，即位于采區邊界周圍的拉伸區，裂縫的寬度和落差較大，平行于采區邊界方向延伸的裂縫。礦區土壤黏性大，土層較薄，綜合考慮地區特點和復墾規程，確定參評標準為水平變形小于3 mm/m時為無明顯影響，水平變形大于9 mm/m時為嚴重損害。

(3) 地表塌陷坑。采煤沉陷導致地表塌陷坑主要出現在急傾斜煤層開采或頂板巖性不均勻區域，當不均勻受力，或同樣受力條件下頂板承受能力不均勻時，可能會產生塌陷坑。松藻礦區總體煤層較薄，只有局部區域出現塌陷坑，且不具有規律性。鑒于該地區地質條件的復雜性和造成塌陷坑原因的多樣性，參照塌陷坑破壞等級標準，確定寬10～100 mm、深0～1.5 m、長0.1～100 m的為輕度損害；寬大于6 000 mm、深大于100 m、長大于1 500 m為嚴重損害。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。研究區地表傾斜變形主要表現為下沉導致的附加坡度。附加坡度是由于地表移動導致盆地內不均勻下沉引起的地表傾斜，附加坡度一般小于7°，在山區亦不會超過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。通過對國內各種案例的比對分析，可將附加坡度對地表的影響級別劃分成4個等級，確定參評標準為：地面坡度小于1°時，無明顯影響，為輕度損害；大于7°時，有明顯影響且嚴重侵蝕，為嚴重損害。

通過實證調查和案例分析，得出各評價因子損害程度分級結果，詳見表2。

3.1.2 等級描述

根據對以上各指標因子的分析，結合地表下沉、地表裂縫、地表塌陷坑、地表傾斜變形分析結果，研究指標因子損害程度及地表損害特征，詳見表3。

表2 參評因子破壞情況分級

表3 采煤塌陷土地損害程度等級描述

3.2 判斷矩陣的構建

結合上述因子分析結果，在匯總專家打分的基礎上，由式(1)得到判斷矩陣

3.3 指標權重的確定

運用編程軟件，由式(2)計算該矩陣CI為-0.000 002 5，CR為-0.000 002 8，CR小于0.10，說明判斷矩陣具有滿意的一致性。λmax=3.999 992 5所對應的向量W=(0.49，0.25，0.16，0.10)，得出評價指標地表下沉、地表裂縫、地表塌陷坑、地表傾斜變形的權重向量分別為0.49、0.25、0.16和0.10。

3.4 評價分值計算

根據式(3)得到研究區評價總分值區間劃分情況，詳見表4和圖1。

通過對區劃結果的統計分析可知，松藻礦區采煤塌陷地損害程度從空間分布上來說呈現南北兩端嚴重、中部相對較弱的態勢。采煤塌陷導致的損害區面積為6 230.14 hm2，占研究區總面積的48.71%，其中：中度損害所占比重最大，占損害區面積的51.62%；輕度損害次之，占33.48%；重度損害和嚴重損害分別占損害區面積的14.61%和0.29%。嚴重損害和重度損害區主要分布在趕水鎮的龍倉村和梅子村，打通鎮的向陽村，石壕鎮的紅椿村和馬車村，主要原因在于松藻煤礦、打通煤礦和石壕煤礦的開采規模與開采程度均較為劇烈。中度損害和輕度損害區在安穩鎮、趕水鎮、打通鎮和石壕鎮均有分布。詳見表5。

表4 評價單元總分值區間劃分情況

圖1 采煤塌陷地損害評價結果

表5 采煤塌陷地損害評價結果 hm2

4 結 語

松藻礦區采煤塌陷導致的損害區面積為6 230.14 hm2，占研究區總面積的48.71%，其中中度損害所占比重最大，輕度損害次之。采煤塌陷地損害程度從空間分布上來說，呈現南北兩端嚴重、中部相對較輕的態勢，治理中應以南北兩端為重點。

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(責任編輯 孫占鋒)

重慶市國土資源和房屋管理局科技計劃項目(CQGT-KJ-2014003)

S181

A

1000-0941(2017)05-0011-04

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

2016-02-02