王曉輝，耿宜佳

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽合肥230061;2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥230009)

隨著煤礦開采量的增大，礦區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化，耕地資源減少，非農(nóng)業(yè)用地增加。同時(shí)，在煤礦開發(fā)、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(duì)生態(tài)資源與環(huán)境的破壞顯著，造成礦區(qū)土地利用類型的變化，主要表現(xiàn)在如下方面:①嚴(yán)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(shè)備遭到損壞;③危及生產(chǎn)、生活設(shè)施和建筑;④土地塌陷導(dǎo)致礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化［2－6］。

我國(guó)學(xué)者利用遙感技術(shù)對(duì)礦區(qū)地表演變、礦區(qū)地表塌陷對(duì)土地利用的影響［7－8］、礦區(qū)土地利用變化［9］、礦區(qū)景觀格局的改變［10－12］、露天礦區(qū)特征［13］等方面進(jìn)行了大量研究。但目前針對(duì)大型煤礦區(qū)，運(yùn)用遙感與GIS技術(shù)對(duì)采煤導(dǎo)致礦區(qū)土地利用類型發(fā)生變化的研究并不多見。筆者以淮南礦區(qū)作為研究對(duì)象，利用3個(gè)時(shí)期遙感影像和GIS技術(shù)，對(duì)整個(gè)煤礦區(qū)土地利用的時(shí)空變化進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況

淮南礦區(qū)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(biāo)高 18 ～ 27 m，海拔16.5～240.0 m。礦區(qū)橫跨淮河兩岸，東西長(zhǎng)70 km，南北傾斜寬25 km，總面積1 591 km2。研究區(qū)地處亞熱帶與暖溫帶的過渡區(qū)，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)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(qū)域地貌形態(tài)可分為平原、丘陵2大地貌類型。將礦區(qū)土地分為城鎮(zhèn)用地、高覆蓋度草地、耕地、林地、農(nóng)村居民點(diǎn)、水域等類型，1986～2012年，各類型用地面積互有消長(zhǎng)，其中耕地面積逐年減少，而城鎮(zhèn)用地、水域和林地面積逐年增加，農(nóng)村居民點(diǎn)和高覆蓋度草地面積幾乎未變。同時(shí)，煤礦開采帶來塌陷地面積不斷擴(kuò)大的問題，截至2013年底，整個(gè)礦區(qū)塌陷面積約220 km2，涉及27個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，占全市面積的8.5%。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，塌陷面積將達(dá)到369 km2，最終塌陷面積將達(dá)到687 km2。

2 土地利用變化分析方法

2.1 土地利用數(shù)量變化 土地利用數(shù)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(duì)不同土地利用類型面積的變化計(jì)算，反映出該區(qū)域內(nèi)土地利用變化的總體趨勢(shì)以及在該時(shí)段人類活動(dòng)對(duì)土地資源影響的強(qiáng)弱，表達(dá)式為:

式中，Z表示研究時(shí)段內(nèi)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(dòng)態(tài)度分為單一土地利用動(dòng)態(tài)度與綜合土地利用動(dòng)態(tài)度［14］。

(1)單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)。單一土地利用動(dòng)態(tài)度在對(duì)比不同土地利用變化的差異以及預(yù)測(cè)今后土地利用的趨勢(shì)上起重要作用，公式為:

式中，K表示研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的動(dòng)態(tài)度;Ua、Ub為研究初、末期某一土地類型的數(shù)量;T為研究時(shí)段，設(shè)T的時(shí)段為年，K的值則表示該研究區(qū)某種土地利用類型年變化率。

(2)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)。綜合土地利用動(dòng)態(tài)度反映區(qū)域土地利用變化的速率［15］，公式為:

式中，LUi表示監(jiān)測(cè)起始時(shí)間第i類土地利用類型面積;ΔLUi－j為監(jiān)測(cè)時(shí)段第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值;T為監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)。設(shè)T的時(shí)段為年時(shí)，LC的值就是該研究區(qū)域土地利用年變化率。

2.2 土地利用程度綜合指數(shù) 土地利用程度綜合指數(shù)用于描述區(qū)域內(nèi)對(duì)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(huán)境相互作用所產(chǎn)生的綜合效應(yīng)。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者提出了將土地利用程度分為4個(gè)等級(jí)(未利用地為1級(jí)，林地、草地、水域?yàn)?級(jí)，耕地為3度，農(nóng)村居民點(diǎn)及城鎮(zhèn)用地為4級(jí))來對(duì)土地利用程度進(jìn)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(shù)，L∈［100，400］;Ai表示研究區(qū)內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù);Ci表示研究區(qū)內(nèi)第i級(jí)土地利用程度的面積百分比;n表示土地利用程度分級(jí)數(shù)。

土地利用程度變化量也稱土地利用程度變化率，用于計(jì)算在選定范圍內(nèi)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(qū)域土地利用程度綜合指數(shù);Ai表示第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù);Cia和 Cib表示研究初、末期第i級(jí)土地利用程度面積百分比。如果 ΔIb－a＞0或R＞0，那么該區(qū)域土地利用處于發(fā)展期;反之，則處于衰退期或調(diào)整期。

2.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化模型 土地利用結(jié)構(gòu)變化反映了土地在人類開發(fā)利用過程的發(fā)展趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)通過區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵、均衡度和優(yōu)勢(shì)度3個(gè)指標(biāo)表達(dá)。

2.3.1 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵通過熵值計(jì)算反映出人類行為對(duì)土地利用的影響，土地利用類型數(shù)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(dāng)區(qū)域內(nèi)各類型土地面積相等時(shí)，熵值最大，土地利用達(dá)到均衡狀態(tài)。表達(dá)式為:

式中，H表示土地利用結(jié)構(gòu)信息熵;Pi表示各種土地利用類型占該區(qū)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(qū)域內(nèi)，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(dāng) E=0時(shí)，土地利用處于最不均衡狀態(tài);當(dāng)E=1時(shí)，表示各種土地利用類型分布程度均衡，達(dá)到理想狀態(tài)。表達(dá)式為:

式中，E表示土地利用均衡度;Hmax=lnm表示多樣性指數(shù)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(shù)量。

2.3.3 土地利用優(yōu)勢(shì)度。土地利用優(yōu)勢(shì)度是通過景觀多樣性對(duì)最大多樣性的偏離程度來表示在一定區(qū)域內(nèi)一種或多種土地利用類型對(duì)該區(qū)域土地利用類型的支配程度，與均衡度相反。優(yōu)勢(shì)度越大，偏離程度越大;反之，偏離程度較小;優(yōu)勢(shì)度為0時(shí)，表示景觀完全均質(zhì)。表達(dá)式為:

3 淮南礦區(qū)土地利用時(shí)空變化分析

3.1 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)信息提取 該研究采用的數(shù)據(jù)源主要包括遙感數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)主要采用法國(guó)SPOT6影像數(shù)據(jù)，空間分辨率可達(dá)1.5 m，影像數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間為2012年。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要是研究區(qū)1∶5萬(wàn)數(shù)字化地形圖數(shù)據(jù)。專題數(shù)據(jù)主要是1986和1999年研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括研究區(qū)的自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如統(tǒng)計(jì)年鑒、環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

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

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)與變化幅度 將研究區(qū)域的土地利用類型分為6類:城鎮(zhèn)用地、高覆蓋度草地、耕地、林地、農(nóng)村居民點(diǎn)和水域。分別根據(jù)衛(wèi)星影像解譯或者矢量數(shù)據(jù)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(qū)土地利用情況

按不同土地利用類型面積的統(tǒng)計(jì)出研究區(qū)土地利用結(jié) 構(gòu)變化，利用公式(1)～(3)計(jì)算得出土地利用變化幅度、單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)和綜合土地利用利用動(dòng)態(tài)度指數(shù) (表2)。

圖1 淮南礦區(qū)不同年度土地利用狀況

由表1可知，1986～2012年，淮南礦區(qū)各土地利用類型中，耕地所占比例最高，均在67%以上;農(nóng)村居民點(diǎn)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(qū)幾種土地利用類型的變化速度均較快，集中表現(xiàn)為城鎮(zhèn)用地和水域面積的增加、耕地的持續(xù)減少。城鎮(zhèn)用地增加主要表現(xiàn)在城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，水域面積增加集中表現(xiàn)在采煤塌陷積水區(qū)面積逐漸增多。從土地利用變化幅度來看，主要表現(xiàn)為耕地續(xù)減少，1986～2012年凈減少面積為252.623 km2，城鎮(zhèn)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(dòng)態(tài)度看，城鎮(zhèn)用地面積的變化速度最快;從綜合土地利用動(dòng)態(tài)度看，1999～2012年土地利用類型轉(zhuǎn)變較為劇烈，地類變化過于頻繁。

表2 1986～2012年淮南礦區(qū)土地利用類型變化幅度與速度

3.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵綜合反映出在研究區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型的變化程度，利用公式(7)～(9)計(jì)算得出1986～2012年淮南礦區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、土地利用均衡度和優(yōu)勢(shì)度(表3)。

由表3可知，1986～2012年淮南礦區(qū)土地利用信息熵持續(xù)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(yōu)勢(shì)度則由0.306下降至0，說明26年間研究區(qū)土地利用朝著相對(duì)無序狀態(tài)演化，其主要原因是隨著改革開放政策的推進(jìn)以及資源的優(yōu)勢(shì)，淮南市社會(huì)經(jīng)濟(jì)和各項(xiàng)建突飛猛進(jìn)，以煤礦開采為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，使得淮南礦區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)朝著無序度方向發(fā)展;進(jìn)入1999年以后，城市化進(jìn)程加快，城市迅速擴(kuò)張，資源能源的需求量加大，導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)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(shù)反映了區(qū)域土地利用的集中程度。利用公式(4)～(6)，計(jì)算得出1986、1999、2012年淮南礦區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)分別為305.9145、307.6505 和308.2560。1986 ～1999 年淮南礦區(qū)土地利用程度變化率為1.7;1999～2012年淮南礦區(qū)土地利用程度變化率為0.6。

4 結(jié)論

該研究根據(jù)1986、1999、2012年3期衛(wèi)星影像解釋數(shù)據(jù)，運(yùn)用土地利用變化分析方法，對(duì)淮南礦區(qū)土地利用情況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:

(1)研究區(qū)幾種土地利用類型的變化幅度均較大，除農(nóng)村居民點(diǎn)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(qū)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展以及煤礦開采規(guī)模逐年增大導(dǎo)致耕地面積減少及水域塌陷地面積不斷增加有關(guān)，也與當(dāng)?shù)鼐用裆鷳B(tài)保護(hù)意識(shí)提高、加大植樹造林力度有關(guān);高覆蓋度草地幾乎消失，與礦區(qū)的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化直接相關(guān)。

(2)農(nóng)村居民點(diǎn)在前后2個(gè)時(shí)間段呈現(xiàn)截然相反的變化，在1986～1999年，其面積增加20.71%，說明此時(shí)段內(nèi)農(nóng)村居民點(diǎn)呈現(xiàn)無序發(fā)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(shí)段礦區(qū)范圍內(nèi)的農(nóng)村“拆鄉(xiāng)并鎮(zhèn)”以及新農(nóng)村規(guī)范建設(shè)有關(guān)，有效節(jié)約了土地資源。

(3)1986～2012年淮南礦區(qū)土地利用信息熵持續(xù)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(yōu)勢(shì)度則由0.306下降到0，表明礦區(qū)土地利用朝著相對(duì)無序狀態(tài)演化。

(4)1986、1999、2010年淮南礦區(qū)土地利用綜合指數(shù)分別為305.9145、307.6505 和308.2560。1986 ～1999 年研究區(qū)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(qū)土地利用均處于發(fā)展期，且土地利用程度有遞減趨勢(shì)。

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