蘇尚軍，張 強(qiáng)，張建杰，劉 斌

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030006；3.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006）

近年來，我國煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)利用，引發(fā)了嚴(yán)重的土地塌陷和生態(tài)破壞問題[1]。為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，我國進(jìn)一步加大了對煤炭開采損毀土地的復(fù)墾力度。2011年3月5日公布的《土地復(fù)墾條例》，為加強(qiáng)落實(shí)合理利用土地和切實(shí)保護(hù)耕地的基本國策，規(guī)范土地復(fù)墾活動，加強(qiáng)土地復(fù)墾管理，提高土地利用的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，對相關(guān)責(zé)任主體及行為都作出了詳細(xì)的規(guī)定。隨著條例的公布和實(shí)施，相關(guān)管理部門及資源開發(fā)利用主體等都將積極開展土地復(fù)墾工作。而保證土地復(fù)墾工作合理開展、有序推進(jìn)，就要進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃和管理[2]。通常國土部門是通過對破壞區(qū)域進(jìn)行土地復(fù)墾規(guī)劃審批和土地復(fù)墾工程驗(yàn)收來實(shí)現(xiàn)監(jiān)管。而其中的土地復(fù)墾規(guī)劃技術(shù)報(bào)告的科學(xué)性和合理性就顯得尤為重要。

1 塌陷預(yù)測在土地復(fù)墾規(guī)劃中的作用

土地復(fù)墾是指對生產(chǎn)建設(shè)活動和自然災(zāi)害損毀的土地，采取整治措施，使其達(dá)到可供利用狀態(tài)的活動。而煤炭井工開采礦區(qū)土地?fù)p毀的主要特點(diǎn)是在資源開采過程中，由于對地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致上覆巖層應(yīng)力失衡，造成地表裂縫和沉陷的現(xiàn)象，進(jìn)而間接造成地表道路、耕地、建筑的結(jié)構(gòu)性破壞；露天開采區(qū)的土地?fù)p毀特點(diǎn)主要是地表剝離挖損和排土壓占。通常在進(jìn)行土地復(fù)墾規(guī)劃時就必須明確在資源開發(fā)責(zé)任區(qū)內(nèi)，受資源開發(fā)利用方式和時序安排的影響，表現(xiàn)出對地表土地不同時空、不同程度的損毀。在土地復(fù)墾規(guī)劃中，如何確定土地?fù)p毀的等級，如何確定土地?fù)p毀對利用方式的影響，以及如何對損毀土地進(jìn)行復(fù)墾適宜性的確定，都是比較重要的技術(shù)問題[3]。其不僅強(qiáng)調(diào)方法的科學(xué)性，同時也要求具有較強(qiáng)的可操作性。

在進(jìn)行煤炭井工開采區(qū)的土地復(fù)墾規(guī)劃時，須針對煤炭資源開采過程中可能出現(xiàn)的土地沉陷情況進(jìn)行合理預(yù)測，從而對未來土地?fù)p毀情況有一個較為合理的估計(jì)，進(jìn)而才能相應(yīng)地進(jìn)行復(fù)墾工程布設(shè)和投資估算。那么要想針對煤炭開采區(qū)進(jìn)行科學(xué)的土地復(fù)墾規(guī)劃，合理可信、操作性強(qiáng)的土地塌陷預(yù)測方法就顯得十分重要。復(fù)墾規(guī)劃具體技術(shù)路線如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)資料及分析軟件

本研究用到的氣象資料為高平市氣象局（1958—2000年）統(tǒng)計(jì)資料。土地利用現(xiàn)狀資料來源于高平市《全國第二次土地利用現(xiàn)狀調(diào)查成果》，采用西安1980坐標(biāo)系，比例尺為1∶10 000。DEM數(shù)據(jù)由ASTER GDEM第1版本（V1）的數(shù)據(jù)加工得來，空間分辨率為30 m，數(shù)據(jù)時期為2009年，投影方式為UTM/WGS84，值域范圍為-152～8 806 m。高良礦區(qū)地質(zhì)資料、開采情況及相關(guān)圖件取自高良煤礦地質(zhì)勘察報(bào)告和生產(chǎn)初步設(shè)計(jì)書。預(yù)測計(jì)算參數(shù)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)劃分在《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》中查得。

塌陷預(yù)測軟件為中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的《開采沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)》（2007版）。制圖及空間分析軟件為 AutoCAD2008和 ArcGIS9.3。

3 塌陷預(yù)測在土地復(fù)墾規(guī)劃中的具體應(yīng)用

本研究以山西高平高良煤礦為例，進(jìn)行土地?fù)p毀模擬，以分析地表塌陷預(yù)測在土地復(fù)墾規(guī)劃中的具體應(yīng)用。

3.1 礦區(qū)概況

山西高平高良煤礦的地理坐標(biāo)大概為東經(jīng) 112°49′01″～112°49′53″，北緯35°51′51″～35°52′18″。該區(qū)為大陸性暖溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫9.8℃，年均降水量589.4 mm，降水多集中在6—9月份，年均蒸發(fā)量為1 735 mm，干旱指數(shù)為2.8，土壤類型屬黃土狀褐土。該礦屬沁水煤田，生產(chǎn)能力為45萬t/a，主采3#煤層，煤層平均厚度5.1 m，平均埋深300 m。采用輕型綜采放頂采煤法，全部跨落法管理頂板。井田形狀為矩形，面積為1.040 1 km2。

高良煤礦采用主、副立井和回風(fēng)立井開拓方式，以＋670 m單水平開采全井田3#煤層。全井田共劃分2個采區(qū)，開采順序?yàn)椋阂徊蓞^(qū)→二采區(qū)，服務(wù)年限為5.5 a。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，由于自建礦以來一直開采3#煤層，井田范圍內(nèi)工業(yè)廣場以東及以南部分采空區(qū)已出現(xiàn)地面輕微下沉、農(nóng)田、林地裂縫等現(xiàn)象，但總體程度較輕，裂縫寬度大多為2～10 mm。區(qū)域內(nèi)土地利用現(xiàn)狀如圖2所示。

3.2 采煤礦區(qū)地表塌陷預(yù)測

井工采煤礦區(qū)因地質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞而出現(xiàn)土地?fù)p毀現(xiàn)象，其土地影響范圍與損毀程度受地質(zhì)條件和資源開發(fā)利用情況的不同而出現(xiàn)差異，具體為垂直下沉、傾斜變形和水平變形3種情況，直觀表現(xiàn)為地表塌陷和裂縫[4]。按照國家煤炭工業(yè)局《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》中規(guī)定：概率積分法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、典型曲線法和數(shù)值計(jì)算法為主要的開采沉陷預(yù)計(jì)方法[5]。其中，概率積分法最為常用。一般用來衡量塌陷盆地全范圍變形的指標(biāo)有5個，即下沉w、傾斜i、曲率k、水平移動u和水平變形ε，可由中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的開采沉陷預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)（MSPS軟件）模擬預(yù)測計(jì)算得到[6]。結(jié)果主要為3個方面，即地表下沉等值線圖、傾斜變形等值線圖和地表水平變形等值線圖（圖3）。其中，參與計(jì)算的參數(shù)如表1所示。

表1 地表移動變形模型輸入?yún)?shù)

地表下沉等值線圖主要是由一系列負(fù)的閉合等高線組成，用來說明在影響范圍區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的下沉程度，是用來描述礦區(qū)范圍內(nèi)受采煤影響，導(dǎo)致地層結(jié)構(gòu)性破壞，從而出現(xiàn)的地表下沉現(xiàn)象；而地表水平變形等值線圖是一系列水平方向移動距離的等值線，用來表示影響范圍區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的水平移動距離，是受采煤影響地表土壤層出現(xiàn)褶曲和裂縫的情況。

3.3 塌陷預(yù)測結(jié)果預(yù)處理

塌陷預(yù)測結(jié)果中包含了受采煤影響而表現(xiàn)出地表圖層垂直方向和水平方向發(fā)生的變形程度。垂直方向的變動主要影響地表塌陷穩(wěn)定后的地形地貌；而水平方向則影響地表裂縫的寬窄，用以確定土地?fù)p毀的程度。在這個原則下，將塌陷預(yù)測結(jié)果中的地表下沉等值線圖生成柵格DEM，然后與原始地貌DEM疊加，可得到未來的地形地貌。再對其進(jìn)行坡度分析，用以模擬礦區(qū)采煤塌陷穩(wěn)定后的地形狀況[7]。

本試驗(yàn)的土地塌陷預(yù)測工作，是通過中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的MSPS2007版軟件，運(yùn)用概率積分法模擬計(jì)算所得。其生成的圖件包括下沉等值線圖、水平變形等值線圖、傾斜變形等值線圖，這些均可以.dwg格式疊加到原來的開拓方案布置圖上[8]。要實(shí)現(xiàn)這些信息的空間分析、數(shù)據(jù)提取，還須將其加載至地理信息系統(tǒng)軟件（如ArcGIS 9.3）中進(jìn)行處理。加載時以礦界拐點(diǎn)坐標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行糾正和疊合，以西安1980坐標(biāo)系為準(zhǔn)。其中，運(yùn)用ArcGIS 9.3進(jìn)行結(jié)果處理與分析，主要包括數(shù)據(jù)校正、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、疊加分析、DEM生成、坡度提取、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等[9]。

3.4 分析結(jié)果

地表塌陷預(yù)測需要重點(diǎn)解決3個問題，以便為土地復(fù)墾適宜性評價作準(zhǔn)備，進(jìn)而確定復(fù)墾方向及復(fù)墾工程量的估算。

3.4.1 地表塌陷對土地利用現(xiàn)狀的影響 采煤礦區(qū)的地表塌陷范圍一般以土地下沉等值線圖的-10 mm線包圍的區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)。受土地塌陷下沉傾角的影響，這個范圍內(nèi)的土地有一部分通常會延伸到井田邊界以外，屬于采煤塌陷影響區(qū)域。

本試驗(yàn)區(qū)域?yàn)辄S土高原土石丘陵區(qū)，主要分布有旱地、果園和灌木林地，受采煤塌陷影響的土地利用情況如表2所示。其中，由于旱地、果園和灌木林地所占比例較大，故土地?fù)p毀會造成當(dāng)?shù)丶Z食減產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降[10]。依照耕地占補(bǔ)平衡的原則，后期土地復(fù)墾的耕地恢復(fù)工程量較大，投資量亦較大，直接導(dǎo)致了煤炭開采成本的提高。

表2 塌陷區(qū)土地利用情況

3.4.2 地表塌陷后坡度的變化 采煤礦區(qū)的土地塌陷后，會引起地表破碎，導(dǎo)致土地的局部坡度發(fā)生變化，影響了土地的耕作適宜性或植被的水土保持功能，從而致使該區(qū)域土地生產(chǎn)力和生態(tài)服務(wù)功能的下降。

本試驗(yàn)通過對塌陷預(yù)計(jì)生成的地表下沉等值線圖，利用ArcGIS 9.3，采用TIN法生成礦區(qū)地表塌陷DEM數(shù)據(jù)[11]。然后對原始地貌分辨率作糾正、裁切、分辨率調(diào)整等處理，并與生成的塌陷DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，生成塌陷后礦區(qū)模擬地形數(shù)據(jù)（圖4），再進(jìn)行坡度提取，即可得到塌陷區(qū)土地?fù)p毀后坡度數(shù)據(jù)[12]。經(jīng)分析（表3）可得出，損毀后塌陷區(qū)坡度＞15°的面積較之前大幅增加，所占比例達(dá)到88.48%，說明塌陷導(dǎo)致土地局部破碎，坡度增加。

3.4.3 對塌陷土地?fù)p毀程度的確定 井工采煤礦區(qū)的土地?fù)p毀主要表現(xiàn)在地表塌陷和地表裂縫2個方面。土地破壞等級的確定通常主要依據(jù)地表塌陷的深度和水平變形的程度來確定。針對不同地質(zhì)條件區(qū)域和不同地類管理要求，土地?fù)p毀等級的判定標(biāo)準(zhǔn)又具有一定的差別[13]。按照國家國土資源部出臺的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本研究礦區(qū)主要分布為旱地和林草的特點(diǎn)，具體分級指標(biāo)如表4所示。

表3 塌陷區(qū)土地?fù)p毀前后坡度變化

表4 采煤塌陷區(qū)土地?fù)p毀程度分級標(biāo)準(zhǔn)

目前，采用塌陷預(yù)測軟件MSPS所計(jì)算出的結(jié)果只包含下沉值、傾斜變形值、曲率值、水平移動值、水平變形值及相關(guān)的等值線圖，故在土地復(fù)墾規(guī)劃時，如何據(jù)此確定土地?fù)p毀程度分級分區(qū)，就需要可操作性較強(qiáng)的方法來實(shí)現(xiàn)。在多因子條件下，自然災(zāi)害評價綜合區(qū)劃研究中通常用到指標(biāo)模型法[14]、主成分分析法[15]等方法。本研究對預(yù)測得出的單因素土地?fù)p毀結(jié)果，按照主導(dǎo)因素的方法，劃分土地?fù)p毀區(qū)域?yàn)橥恋負(fù)p毀輕度區(qū)域、土地?fù)p毀中度區(qū)域、土地?fù)p毀重度區(qū)域。此過程由ArcGIS 9.3疊加分析實(shí)現(xiàn)，具體計(jì)算方法為：P（土地?fù)p毀程度值）＝f（地表下沉值，傾斜變形值，水平變形值，坡度值，其他因子值）（1）

在方程（1）中，所有右邊獨(dú)立因子可通過一定方法賦予一定分類碼。各因子間組合關(guān)系可以是線性的，也可以是非線性的?？紤]到P的空間特征和地理信息系統(tǒng)的能力，可以將各種因子在統(tǒng)一的空間框架中，借助于空間疊加分析功能，綜合各影響因子，從而可以得到綜合影響因子圖。在常規(guī)的計(jì)算中，多采用均勻格網(wǎng)作為空間框架，從而達(dá)到對每一格網(wǎng)點(diǎn)（象元點(diǎn)）進(jìn)行分析，其空間綜合則轉(zhuǎn)化為多維矩陣的地圖代數(shù)運(yùn)算。

按照表4中土地?fù)p毀程度分級標(biāo)準(zhǔn)，可分析得出礦區(qū)各類土地?fù)p毀的等級分布情況，具體如表5所示。

通過對采煤區(qū)域土地塌陷的預(yù)測，模擬在一定地質(zhì)條件和采煤方法下，未來該區(qū)域內(nèi)煤炭開采對土地造成的損毀情況，依照國土資源管理部門的全國第二次土地利用現(xiàn)狀調(diào)查資料，進(jìn)而得出各地類斑塊的損毀程度及空間分布。再經(jīng)過土地復(fù)墾各限制因子控制下的土地適宜性評價，從而確定出未來土地復(fù)墾的工程布置、階段安排以及投資估算，最終實(shí)現(xiàn)對采煤礦區(qū)未來的土地復(fù)墾工作的規(guī)劃指導(dǎo)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

土地塌陷預(yù)測是針對采礦活動對未來可能造成的地層結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行預(yù)計(jì)，并根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果衡量和評價土地?fù)p毀程度，為評估采礦活動對未來土地資源開發(fā)利用的影響提供依據(jù)。本研究就塌陷預(yù)測在土地復(fù)墾規(guī)劃中的具體應(yīng)用作了試驗(yàn)和探討，最終得出：在塌陷預(yù)測過程中，塌陷預(yù)測的參數(shù)選擇十分重要，參照相關(guān)規(guī)程及礦區(qū)地質(zhì)資料及資源開發(fā)利用方案來選取適宜的參數(shù)是預(yù)測結(jié)果正確程度的保證；在預(yù)測結(jié)果的利用上提出了運(yùn)用塌陷前后高程疊加的方法模擬地形地貌，從而得出未來礦區(qū)地形地貌的變化趨勢；塌陷結(jié)果指標(biāo)采用分區(qū)賦值，再采用空間疊加取大值的方法來實(shí)現(xiàn)土地破壞程度的空間劃分，從而提高了土地復(fù)墾規(guī)劃中塌陷預(yù)測及土地?fù)p毀程度確定的可操作性。

4.2 建議

目前，在土地塌陷預(yù)測中常用的方法為概率積分法，常用軟件有中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的MSPS和太原理工大學(xué)開發(fā)的MMSPS軟件。前者適用于平原地區(qū)，后者適用于山區(qū)及丘陵地區(qū)。故如何選取科學(xué)合理的預(yù)測方法及預(yù)測軟件是保證結(jié)果正確的前提。

目前，土地復(fù)墾相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的土地?fù)p毀程度評價指標(biāo)，與通常的塌陷預(yù)測結(jié)果不符，致使技術(shù)人員在具體評價工作中難以操作。故制定適宜的評價指標(biāo)是深化和推進(jìn)土地復(fù)墾規(guī)劃及土地資源開發(fā)整理工作的重要技術(shù)手段。

［1］胡振琪.中國土地復(fù)墾與生態(tài)重建20年：回顧與展望[J].科技導(dǎo)報(bào)，2009，27（17）：25-29.

［2］胡振琪.山西省煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（1）：42-45，64.

［3］趙艷玲，黃琴煥，薛靜，等.礦區(qū)土地復(fù)墾方案編制中土地破壞程度評價研究[J].金屬礦山，2009（5）：161-167.

［4］吳侃，靳建明.時序分析在開采沉陷動態(tài)參數(shù)預(yù)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（7）：413-415.

［5］國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

［6］周復(fù)旦，趙長勝，丁佩，等.開采沉陷預(yù)計(jì)在礦區(qū)土地復(fù)墾中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2010（10）：146-150.

［7］張會平，楊農(nóng)，劉少峰，等.數(shù)字高程模型（DEM）在構(gòu)造地貌研究中的應(yīng)用新進(jìn)展[J].地質(zhì)通報(bào)，2006，6（2）：660-669.

［8］蔡來良，吳侃，裴倩，等.礦區(qū)地表變形等值線圖的自動繪制[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（9）：91-95.

［9］包妮沙，葉寶瑩，白中科，等.ArcGIS在礦區(qū)土地復(fù)墾中的應(yīng)用[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，9（6）：501-504.

［10］吳紅梅.新泰市翟鎮(zhèn)采煤沉陷地復(fù)墾潛力及用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2002.

［11］王京衛(wèi)，王倩，李法理，等.顧及地貌特征的礦區(qū)地表塌陷DEM的生成方法[J].測繪科學(xué)，2008（3）：127-136.

［12］韓奎峰.開采沉陷預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)自動嵌入礦區(qū)DEM的方法研究[J].金屬礦山，2009（9）：104-144.

［13］胡海峰，郝兵元，康立勛.工礦區(qū)土地復(fù)墾中破壞面積及破壞程度的預(yù)測[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（1）：60-64.

［14］周成虎，萬慶，黃詩峰，等.基于GIS的洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究[J].地理學(xué)報(bào)，2000，55（1）：15-23.

［15］劉引鴿，李團(tuán)勝.陜西省自然災(zāi)害分區(qū)與環(huán)境評價[J].中國人口·資源與環(huán)境，2005，15（2）：61-64.