小尺度煤糧復(fù)合區(qū)耕地演變預(yù)測*

石秀偉 胡振琪 侯占東 李 源

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院)

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)在2005年舉辦的第99次青年科學(xué)家論壇上，提出了“礦產(chǎn)與糧食復(fù)合主產(chǎn)區(qū)”的概念，即糧食主產(chǎn)區(qū)和礦產(chǎn)資源主產(chǎn)區(qū)的復(fù)合區(qū)域。該復(fù)合區(qū)域既承擔(dān)著糧食生產(chǎn)與輸出的功能，又承擔(dān)著礦產(chǎn)資源生產(chǎn)與輸出的功能。據(jù)測算，我國僅煤炭與耕地資源分布復(fù)合區(qū)域面積就占我國耕地總量的42.7%，其中煤炭保有資源與耕地復(fù)合面積占耕地總面積的10.8%。

我國人多地少，人地矛盾突出，耕地保護(hù)和保證糧食自給一直是政府高度關(guān)注的重大問題。然而，煤炭資源的不斷開采，在推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長和社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，也損毀了大量耕地，破壞了原有的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民生活都受到了極大的影響，無疑加劇了這一矛盾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2005年，我國工礦累計(jì)破壞土地約400萬hm2，而且每年因采煤破壞的土地仍以4萬hm2的速度遞增，而復(fù)墾率僅為12%?？梢姡Z食生產(chǎn)和煤炭開采已成為了煤糧復(fù)合區(qū)內(nèi)的主要矛盾。要在不影響土地資源與糧食安全的條件下，從地下開采出煤炭資源也成為了我國亟需解決的問題。因此，全面掌握研究區(qū)內(nèi)的煤糧復(fù)合特征，并對(duì)煤炭開采造成的耕地演變情況進(jìn)行科學(xué)的分析預(yù)測，對(duì)耕地保護(hù)和煤炭資源的開采都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)于煤糧復(fù)合區(qū)內(nèi)耕地問題的研究，李晶以典型煤糧復(fù)合區(qū)山東濟(jì)寧市為例，采用萬噸煤塌陷率預(yù)測方法對(duì)復(fù)合區(qū)內(nèi)的耕地?fù)p毀及其影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析;楊璐以山東鄒城市為試點(diǎn)，對(duì)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了分析，得出復(fù)合區(qū)內(nèi)耕地和水域在生態(tài)服務(wù)價(jià)值中貢獻(xiàn)率最高并且變化最大;鄧麗以山東濟(jì)寧市為例，對(duì)采煤塌陷地造成的各方面影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并對(duì)耕地保護(hù)過程中出現(xiàn)的問題有針對(duì)性地提出了保護(hù)對(duì)策。由此可以看出，對(duì)于煤糧復(fù)合區(qū)的耕地研究多集中在市域范圍，對(duì)于縣域小尺度的分析還不多見。

本研究基于縣域小尺度，選取山東省典型的縣域煤糧復(fù)合區(qū)——A縣和B縣，對(duì)其煤糧復(fù)合特征進(jìn)行分析，并基于開采沉陷學(xué)的概率積分法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)因采煤塌陷造成的耕地演變情況進(jìn)行預(yù)測分析，以期為今后的耕地保護(hù)和采煤塌陷地治理規(guī)劃提供有力的支持。

1 區(qū)域概況

1.1 概況

研究區(qū)位于山東省，除B縣東南部有少部分低山殘丘外，多為平原地帶，地勢平坦，土地肥沃，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，是全國麥棉兩熟高產(chǎn)試驗(yàn)基地。其中，A縣土地面積163 323 hm2，B縣土地面積130 197 hm2。根據(jù)A縣和B縣的土地利用變更數(shù)據(jù)，2005年，2縣的耕地面積分別為114 283 hm2和97 944 hm2，分別占2縣土地面積的69.97%和75.23%。

研究區(qū)內(nèi)煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量豐富，含煤面積69 210 hm2。其中A縣含煤面積44 568 hm2，占全縣總土地面積的27.29%;B縣含煤面積24 642 hm2，占全縣總土地面積的18.93%。

1.2 研究區(qū)煤糧復(fù)合特征

利用ArcGIS的Spatial Analyst空間分析模塊將2縣的煤炭資源分布圖和土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加，得到2縣的煤糧復(fù)合區(qū)域分布圖，如圖1所示，其煤糧復(fù)合特征見表1。

圖1 煤糧復(fù)合區(qū)分布

表1 煤糧復(fù)合特征

由表1可知，A縣和B縣的煤糧復(fù)合區(qū)面積分別為31 658 hm2和19 792 hm2，占2縣土地面積的19.38%和15.20%，占2縣耕地面積的27.70%和20.21%，占2縣含煤面積的71.3%和80.32%?？梢姡?縣復(fù)合區(qū)域的耕地分別超過了2縣耕地的1/4和1/5;2縣含煤區(qū)域內(nèi)的地類絕大部分為耕地，且耕地比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2縣的耕地比例，隨著煤炭的不斷開采，必然會(huì)造成耕地大量損毀，嚴(yán)重影響區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，給農(nóng)民生活造成嚴(yán)重的影響。

1.3 研究區(qū)采煤塌陷現(xiàn)狀

研究區(qū)內(nèi)的礦井為新開發(fā)礦井，但隨著煤炭產(chǎn)量的不斷增加，因開采引起的地表塌陷及其對(duì)耕地的影響也不斷顯現(xiàn)。截止到2010年底，2縣已形成塌陷地約194.53 hm2。其中，A縣境內(nèi)塌陷94.53 hm2，絕產(chǎn)耕地面積55.47 hm2，減產(chǎn)耕地面積30.06 hm2;B縣境內(nèi)塌陷100.00 hm2，絕產(chǎn)耕地面積66.67 hm2，減產(chǎn)耕地面積33.33 hm2。

2 耕地演變預(yù)測及其分析

導(dǎo)致耕地?cái)?shù)量變化的驅(qū)動(dòng)因素很多，如建設(shè)占用、災(zāi)害損毀、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及土地復(fù)墾等，但本研究主要研究煤糧復(fù)合區(qū)的耕地演變趨勢，所以把采煤塌陷作為本研究的主要驅(qū)動(dòng)因素，重點(diǎn)預(yù)測采煤塌陷造成的耕地演變情況，從而分析耕地的演變趨勢。

本研究根據(jù)各礦井的地質(zhì)報(bào)告、開采計(jì)劃及相關(guān)資料，基于開采沉陷學(xué)概率積分法，采用MSPS軟件對(duì)2縣的采煤塌陷按2015年、2020年、2025年和閉礦4個(gè)階段進(jìn)行預(yù)測，以期直觀地反映2縣復(fù)合區(qū)內(nèi)的耕地演變規(guī)律，為煤炭開采方案的調(diào)整及制定合理的防治措施提供合理的依據(jù)。

2.1 預(yù)測模型

概率積分法的數(shù)學(xué)模型為［5］，當(dāng)采區(qū)煤層全部

開采完成時(shí)，地表任意點(diǎn)A(x，y)的下沉量為WA

式中，W0為最大下沉值，W0=qmcosα，其中q為下沉系數(shù)，m為煤層開采厚度，α為煤層傾角;r為主要影響半徑，r=H/tanβ，H為地面上待計(jì)算點(diǎn)A(x，y)與煤層上微元點(diǎn)(c，t)的標(biāo)高差，tanβ為主要影響角正切;P為開采區(qū)域。

2.2 預(yù)測過程

預(yù)測過程中主要考慮了防水煤柱、斷層煤柱，并根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，考慮了鐵路、高速公路和城鎮(zhèn)的保護(hù)煤柱，沒有考慮壓煤村莊、文物保護(hù)和有關(guān)水系的保護(hù)煤柱。具體預(yù)測過程如下:

(1)在采掘工程平面圖上提取預(yù)測工作面的各個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)。

(2)輸入(1)中提取的坐標(biāo)和研究區(qū)的地質(zhì)采礦數(shù)據(jù)(煤層傾角、開采深度、地表下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)等)，進(jìn)行整理，并保存為.txt文件。

(3)應(yīng)用MSPS軟件進(jìn)行預(yù)測，并輸出各工作面開采完后地表的下沉等值線圖。

(4)將各階段下沉等值線導(dǎo)入到ArcGIS中，統(tǒng)計(jì)出各階段的塌陷面積。

2.3 采煤塌陷預(yù)測結(jié)果

利用MSPS測得的各階段采煤塌陷面積見表2。

表2 采煤塌陷面積預(yù)測結(jié)果 hm2

由表2可知，煤礦開采完畢時(shí)，研究區(qū)內(nèi)塌陷土地面積為60 730 hm2，大于煤礦復(fù)合區(qū)的面積。其中A縣塌陷面積為35 780 hm2，占縣土地面積的21.90%;B縣塌陷面積為24 905 hm2，占縣土地面積的19.13%。

2.4 耕地演變預(yù)測及其分析

利用ArcGIS的空間分析功能將預(yù)測各階段的采煤塌陷數(shù)據(jù)、積水?dāng)?shù)據(jù)與煤糧復(fù)合區(qū)進(jìn)行疊加，提取出復(fù)合因子，從而得到采煤塌陷對(duì)耕地的破壞數(shù)據(jù)。

需要說明的是，本預(yù)測結(jié)果的塌陷邊界是根據(jù)開采沉陷學(xué)的概率積分法將地表下沉10 mm邊界作為塌陷邊界。從學(xué)術(shù)角度來說，地面下沉10 mm已經(jīng)對(duì)地面造成了破壞，但下沉10 mm在地面上的反映并不明顯，可以認(rèn)為，在此預(yù)測范圍內(nèi)有約10%的土地破壞不嚴(yán)重，可以正常耕種。去除這一范圍后，最后可得出2縣各階段損毀的耕地面積，具體見表3。

表3 損毀耕地面積預(yù)測結(jié)果 hm2

由表3可以看出，預(yù)測到閉礦時(shí)，研究區(qū)共損毀耕地38 934 hm2。其中 A縣共損毀耕地22 909 hm2，占復(fù)合區(qū)面積的72.36%;B縣共損毀耕地16 025 hm2，占復(fù)合區(qū)面積的80.97%?？梢姡绻徽{(diào)整開采方案或采取合理的治理措施，閉礦時(shí)，2縣煤糧復(fù)合區(qū)將有70%以上的耕地絕產(chǎn)或減產(chǎn)，根據(jù)2010年山東省人均耕地面積1.21 hm2計(jì)算，將會(huì)造成約37萬農(nóng)民無地可種。

將2縣4個(gè)階段耕地?fù)p毀面積與2縣煤糧復(fù)合區(qū)面積及耕地面積進(jìn)行對(duì)比，得到2縣煤糧復(fù)合區(qū)內(nèi)的耕地減少趨勢，如圖3所示。

圖2 煤糧復(fù)合區(qū)耕地演變趨勢

由圖2可知，2015年到閉礦，A縣和B縣的耕地?fù)p毀面積成遞增趨勢。

(1)2025年之前，2縣損毀耕地占復(fù)合區(qū)的比例均小于20%，但A縣高于B縣。

(2)到閉礦時(shí)，2縣損毀耕地占復(fù)合區(qū)比例均增加到70%以上，且B縣比例高于A縣。

(3)2025年之前，2縣煤糧復(fù)合區(qū)的損毀耕地占2縣耕地比例較小，均小于5%。

(4)閉礦時(shí)，2縣的耕地?fù)p毀面積占2縣耕地比例將達(dá)到20%和16%，也就是說，2縣約有1/5的耕地因煤炭開采而損毀。采煤塌陷造成的耕地?fù)p毀數(shù)量成遞增趨勢，其中，A縣從2015年的約8%增加到閉礦時(shí)的約73%，B縣從2015年的約5%增加到閉礦時(shí)的約81%。

3 結(jié)論

(1)借助GIS的空間分析功能，將研究區(qū)內(nèi)A縣和B縣的土地利用現(xiàn)狀圖和煤炭資源分布圖進(jìn)行了疊加，得到了A縣和B縣的煤糧復(fù)合特征:A縣和B縣的煤糧復(fù)合面積分別為31 658 hm2和19 792 hm2，分別占 2縣土地面積的 19.38%和15.20%，占2縣耕地面積27.70%和20.21%，占2縣含煤面積的71.03%和80.32%。

(2)基于開采沉陷學(xué)的概率積分方法，應(yīng)用MSPS軟件對(duì)2縣的采煤塌陷情況按2015年、2020年、2025年和閉礦4個(gè)階段進(jìn)行了預(yù)測，得到了2縣各階段的采煤塌陷數(shù)據(jù):閉礦時(shí)，A縣和B縣的采煤塌陷面積分別為35 780 hm2和24 905 hm2，均大于2縣復(fù)合區(qū)的面積。

(3)將預(yù)測的各階段采煤塌陷數(shù)據(jù)和煤糧復(fù)合區(qū)進(jìn)行疊加，得到了復(fù)合區(qū)內(nèi)各階段的耕地?fù)p毀數(shù)據(jù)，其中，閉礦時(shí)，2縣損毀耕地面積分別為22 909 hm2和16 025 hm2，分別占2縣煤糧復(fù)合區(qū)面積的72.36%和80.97%。

(4)對(duì)預(yù)測的各階段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了2縣的耕地演變趨勢:2015年到閉礦，2縣復(fù)合區(qū)內(nèi)因

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