王 慧，丁忠義，賈斐斐，毛夢祺

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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煤礦區(qū)煤炭資源與土地資源協(xié)調(diào)利用耦合關(guān)系研究以沛北煤礦區(qū)張雙樓礦為例

王 慧，丁忠義，賈斐斐，毛夢祺

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭資源與土地資源是煤礦區(qū)國土資源重要的組成部分，厘清二者耦合關(guān)系對實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)“礦地”資源協(xié)調(diào)利用具有重要意義。在分析煤礦區(qū)煤炭資源與土地資源耦合機(jī)理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建耦合分析指標(biāo)體系，運(yùn)用象限圖分類識別法與耦合模型法，對沛北張雙樓礦區(qū)1996～2011年間“礦地”資源的耦合類型及耦合程度進(jìn)行分析。結(jié)果表明：1996～2011年張雙樓煤礦區(qū)“礦地”資源的耦合類型處于協(xié)調(diào)發(fā)展階段，但耦合α值在不斷增大，即將進(jìn)入極限發(fā)展階段；耦合程度大體呈先上升后下降的趨勢。說明資源總體耦合狀況不容樂觀，必須緊急采取補(bǔ)救措施。

資源利用；土地資源；煤炭資源；耦合分析

煤炭資源開采在保障國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也為區(qū)域國土資源協(xié)調(diào)利用帶來巨大挑戰(zhàn)[1]。據(jù)粗略估計，我國因煤礦生產(chǎn)建設(shè)活動造成破壞廢棄的土地約2億畝[2]。梳理煤礦區(qū)國土資源的協(xié)調(diào)利用問題已經(jīng)成為區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境治理的研究熱點(diǎn)。研究核心在于“如何協(xié)調(diào)解決煤礦區(qū)地下煤炭資源開采與地上土地資源利用之間的‘礦地’矛盾”，是煤礦區(qū)國土資源協(xié)調(diào)利用與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

煤礦區(qū)國土資源開發(fā)利用關(guān)系研究主要集中煤炭開采直接造成的社會和環(huán)境影響[3-4]、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的發(fā)展趨勢[5-6]、影響評價[7-8]及兩者協(xié)調(diào)發(fā)展[2-9]等方面；研究方法主要有系統(tǒng)分析法[5-6]、基于RS、GIS的空間疊加法[3-4]、協(xié)調(diào)模型[2]等，并提出了開源節(jié)流、加強(qiáng)政策管理[3-5]、強(qiáng)化補(bǔ)償機(jī)制[10-11]等措施。相關(guān)研究成果對煤礦區(qū)國土資源利用與開發(fā)具有一定的借鑒與指導(dǎo)作用，但對度量煤礦區(qū)國土資源協(xié)調(diào)利用程度及其時序變化缺乏針對性。本文在煤礦區(qū)煤炭資源開采與土地利用耦合機(jī)理理論分析的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建協(xié)調(diào)利用耦合關(guān)系測度指標(biāo)體系和耦合度近似測度方法，采用象限圖分類識別法和耦合度模型法，選擇沛北煤礦區(qū)張雙樓礦為例，對比分析煤礦區(qū)煤炭與土地資源協(xié)調(diào)利用耦合關(guān)系，以期能為煤礦區(qū)國土資源協(xié)調(diào)利用提供理論研究和實(shí)踐指導(dǎo)提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 耦合機(jī)理分析

煤礦區(qū)作為以煤炭資源開發(fā)利用為主導(dǎo)的、特定區(qū)域性的生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，具備人工系統(tǒng)與自然系統(tǒng)相結(jié)合的典型特征，人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等眾多要素相互滲透、相互影響。煤炭資源與土地資源作為其重要的基礎(chǔ)自然資源，在礦區(qū)發(fā)展過程中也存在著相互交織、相互作用的關(guān)系。

圖1 煤炭資源與土地資源耦合機(jī)理

煤炭資源與土地資源屬同位異類資源，其開發(fā)利用均為一種有用勞動，但這種勞動本身即存在正價值，也存在負(fù)價值，該正負(fù)價值即兩者在開發(fā)利用中所表現(xiàn)出的對煤礦區(qū)社會環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的促進(jìn)與阻礙。同時，煤礦區(qū)社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的變化對其正負(fù)價值也存在著影響。煤礦區(qū)“礦地”資源的開發(fā)利用則呈現(xiàn)出其正負(fù)價值的耦合性。在煤炭開采前，未對煤炭資源與土地資源進(jìn)行開發(fā)利用，因而未產(chǎn)生勞動的正負(fù)價值。進(jìn)入煤炭開采階段后，以煤炭資源開發(fā)利用為主導(dǎo)的有用勞動，一方面拉動經(jīng)濟(jì)增長、帶動資產(chǎn)投資、提高勞動就業(yè)率、保障能源安全;另一方面也造成地表破壞、土壤污染、生態(tài)系統(tǒng)退化等影響，制約甚至破壞土地的開發(fā)利用價值。隨著煤炭開采階段的變化，礦區(qū)人為干預(yù)對土地開發(fā)利用價值的修復(fù)，可以使煤礦區(qū)土地資源得以有效利用，減緩煤炭資源開采帶來的負(fù)價值影響，促進(jìn)礦區(qū)發(fā)展。煤礦區(qū)系統(tǒng)正是在這種正負(fù)價值的影響下不斷變化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)動態(tài)平衡?？梢娒旱V區(qū)“礦地”資源的耦合關(guān)系，就是在礦區(qū)發(fā)展過程中，兩者的開發(fā)利用的相互影響、相互作用，產(chǎn)生的正負(fù)價值的總和。其耦合機(jī)理如圖1所示，兩者的同位異類及重疊賦存特性，使得兩者的正負(fù)價值與礦區(qū)社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境相互作，相互制約，即構(gòu)成兩者的耦合關(guān)系機(jī)理。該耦合機(jī)理對于大多數(shù)煤礦區(qū)具有普適型，對具體煤礦區(qū)進(jìn)行耦合關(guān)系分析時需考慮其自身特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

1.2 指標(biāo)體系構(gòu)建與測度方法

1.2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

在對煤礦區(qū)“礦地”耦合機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，按照科學(xué)性、實(shí)用性、可操作性、全面與代表性、穩(wěn)定與動態(tài)性的原則，選取8個代表性指標(biāo)作為兩系統(tǒng)的耦合指標(biāo)變量(表1)，主要指標(biāo)介紹如下所述。

表1 煤炭資源開采與土地資源利用耦合指標(biāo)體系

1)就業(yè)效應(yīng)(U14)。用于反映礦區(qū)發(fā)展為當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)形勢帶來的影響，參照已有研究可用就業(yè)偏離度來衡量。就業(yè)偏離度指產(chǎn)業(yè)增加值的比重與相應(yīng)的勞動力比重的差異程度，見式(1)。

β=(GDPm/GDP)/(Ym/Y)

(1)

式中：β為礦區(qū)就業(yè)偏離度；GDPm/GDP為礦區(qū)增加值所占比重；Ym/Y為礦區(qū)就業(yè)人員所占比重。

2)土地利用程度綜合指數(shù)(U21)。用于反應(yīng)礦區(qū)土地利用的廣度與深度，見式(2)。

(2)

式中：La為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級的土地利用程度分級指數(shù)參閱已有研究[12]見表2；Ci為i級土地利用分級面積百分比，n為土地利用分級數(shù)(n=4)。

表2 土地利用程度分級指數(shù)

3)土地利用結(jié)構(gòu)指數(shù)。用于反應(yīng)礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)，見式(3)。

(3)

式中：xi為土地利用結(jié)構(gòu)指數(shù)；gi為各土地利用類型得分；wi為前四位土地利用類型權(quán)重(∑wi=1)。1.2.2 測度方法

本文利用一般系統(tǒng)論中系統(tǒng)演化的思想建立煤礦區(qū)煤炭資源開采與土地資源利用的演化方程，并結(jié)合李雅普諾夫第一近似定理對其進(jìn)行近似表達(dá)，得到煤礦區(qū)“礦地”資源的測度公式，見式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中：xi，yi分別為煤炭資源開采第i個指標(biāo)值和土地資源利用第j個指標(biāo)值；a，b為各指標(biāo)值的權(quán)重，本文測度中選取等權(quán)重進(jìn)行分析。

1.3 象限圖分類識別法

根據(jù)已有研究及煤礦區(qū)周期性的特點(diǎn)，利用象限圖分類識別法對煤炭資源開采與土地資源利用進(jìn)行耦合階段判別的基本步驟如下所述。

第一步，根據(jù)指標(biāo)體系及測度方法計算出煤炭資源開采U1與土地資源利用U2。

第二步，以U2為橫坐標(biāo)，U1為縱坐標(biāo)建立一個煤炭資源開采與土地資源利用的象限圖，不同年份的點(diǎn)集坐落在該象限內(nèi)。

表3 耦合類型及特征描述

圖2 煤炭資源與土地資源耦合類型圖

圖3 系統(tǒng)演化模式圖

1.4 耦合模型法

借鑒物理學(xué)中的容量耦合概念和容量耦合系統(tǒng)模型[14]，得到了煤炭資源開采與土地利用的耦合度函數(shù)公式，見式(6)，式(7)。

(6)

(7)

式中：C為協(xié)調(diào)度；K為調(diào)節(jié)系數(shù)；D為耦合協(xié)調(diào)度。令K≥2，則0≤C≤1；C=1即達(dá)到最佳協(xié)調(diào)狀態(tài)。

協(xié)調(diào)度C作為衡量煤礦區(qū)礦地資源耦合程度的重要指標(biāo)，在某種特殊情況下對礦地資源開發(fā)與利用的綜合效應(yīng)大小不能完全表現(xiàn)出來，所以本文采用耦合協(xié)調(diào)度(D)來進(jìn)行表示，式(7)中a、b為模型的待定權(quán)重，根據(jù)研究的煤礦區(qū)中煤炭資源開發(fā)與土地資源利用之間的重要性確定。在實(shí)際應(yīng)用過程中，最好使aU1+bU2∈(0,1)，以確保D∈(0,1)，本文將a、b全部取值為0.5。根據(jù)D的大小，也可劃分不同的耦合協(xié)調(diào)類型，耦合協(xié)調(diào)度越大，表明煤炭資源與土地資源耦合協(xié)調(diào)水平越高。

由于煤礦區(qū)煤炭資源開采與土地資源利用存在著相互制約、相互依存、互饋共生的關(guān)系。一方面煤炭資源開采將給土地造成挖損、塌陷、壓占、貧瘠化、干旱化等影響，致使土地資源利用率低、生態(tài)環(huán)境惡劣、吸引外資能力降低，阻礙地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展；另一方面，降低煤炭資源開采強(qiáng)度對資源型城市而言將直接影響到當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，從而陷入兩種資源開發(fā)利用相互阻礙的惡性循環(huán)。因此，在進(jìn)行耦合程度劃分時，既要考慮煤炭資源開采直接影響的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，也要考慮到地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。本文根據(jù)耦合協(xié)調(diào)度D，并結(jié)合煤礦區(qū)礦地資源開發(fā)利用的特點(diǎn)，在參考已有研究成果的基礎(chǔ)上，得出耦合協(xié)調(diào)程度分類表(表4)。

表4 耦合協(xié)調(diào)程度分類表

2 實(shí)證研究

2.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

沛北礦區(qū)位于江蘇省西北部，地處34°52′～34°59′N，116°44′～116°50′E，包括徐莊礦、姚橋礦、孔莊礦、龍東礦、張雙樓礦等。礦區(qū)位于淮河流域平原，屬我國東部平原高潛水位煤礦區(qū)。沛北礦區(qū)具有悠久的煤炭發(fā)展歷史，其煤炭資源開發(fā)所面臨的瓶頸急需突破，且其開采過程中出現(xiàn)的問題與目前我國東部平原礦區(qū)面臨的挑戰(zhàn)基本相同，張雙樓礦為沛北礦區(qū)的典型縮影。本文以張雙樓礦為代表，揭示“礦地”資源耦合關(guān)系，以期能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)“礦地”資源協(xié)調(diào)利用提供理論基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)主要來源于沛北礦區(qū)國土資源綜合監(jiān)管系統(tǒng)、《沛縣統(tǒng)計年鑒》及實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)。其中，煤炭資源開采數(shù)據(jù)主要源于上述綜合監(jiān)管系統(tǒng)中的礦政管理數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)模塊及相關(guān)統(tǒng)計年鑒，并配以相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)；土地資源利用數(shù)據(jù)主要源于綜合監(jiān)管系統(tǒng)中的地政管理數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)模塊及相關(guān)統(tǒng)計年鑒，并配以相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 耦合階段分析

由圖4可知，自1996年張雙樓煤礦區(qū)達(dá)產(chǎn)以來，煤炭資源開采與土地資源利用點(diǎn)集均處于第一象限內(nèi)，即達(dá)產(chǎn)后至2011年“礦地”資源耦合類型處于協(xié)調(diào)發(fā)展階段。

圖4 煤炭資源開采與土地資源利用象限圖

圖5 耦合α值變化

根據(jù)圖5可知，α值在不斷增大。1996～2005年間，10°<α<40°，耦合處于煤炭資源效益滯后型協(xié)調(diào)階段，此時張雙樓礦區(qū)剛剛由成長期步入穩(wěn)產(chǎn)期，煤炭資源開采強(qiáng)度在逐步增加，但對土地的擾動較小，土地資源效益仍處主導(dǎo)地位，處于煤炭資源滯后型協(xié)調(diào)階段較為合理。

2005～2006年間，α值出現(xiàn)大幅度增長，且α經(jīng)過系統(tǒng)由良性和諧轉(zhuǎn)向矛盾激化的分水嶺45°值，表明資源耦合類型由煤炭資源滯后型協(xié)調(diào)階段轉(zhuǎn)入煤炭資源超前型階段，此時礦區(qū)進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期已有一段時間，煤炭資源效益迅速增加對土地的擾動后果開始突顯，煤炭資源效益在迅猛增加的同時，土地資源效益形勢逐漸惡化，礦地資源開發(fā)與利用矛盾開始顯現(xiàn)。

2006～2010年間，α仍持續(xù)增長，張雙樓煤礦區(qū)煤炭資源開采持續(xù)以損害土地資源效益為基礎(chǔ)在穩(wěn)步增長，同時土地對煤炭資源的約束作用逐漸增加，“礦地”資源開發(fā)與利用矛盾進(jìn)一步激增。

2011年，α值達(dá)到最大為86°，接近協(xié)調(diào)發(fā)展與極限發(fā)展的分割線—90°，根據(jù)α變化趨勢可以預(yù)測，α不久將達(dá)到90°，即煤炭資源開采將達(dá)到峰值，與土地的制約矛盾也將進(jìn)一步激化，張雙樓煤礦區(qū)“礦地”資源耦合階段將由協(xié)調(diào)發(fā)展階段轉(zhuǎn)變進(jìn)入極限發(fā)展階段。

2.2.2 耦合程度分析

根據(jù)圖6可知，1996～2011年間，張雙樓煤礦區(qū)的“礦地”資源耦合協(xié)調(diào)度D值在0.1～0.7范圍內(nèi)變動，即耦合程度在嚴(yán)重失調(diào)與中級耦合間動態(tài)變化。從總體趨勢來看，該礦區(qū)“礦地”資源耦合協(xié)調(diào)度值在1996～2000年間波動增加，2000～2005年間基本平穩(wěn)不變，2005～2011年間降低。

圖6 耦合協(xié)調(diào)度變化

1996年，耦合協(xié)調(diào)度D值位于勉強(qiáng)耦合與輕度失調(diào)的臨界值，此時煤礦區(qū)剛剛步入穩(wěn)產(chǎn)階段，煤炭資源價值尚不穩(wěn)定，“礦地”資源耦合程度較低。

1997～1999年，耦合程度處于勉強(qiáng)耦合階段，且1996～1998年耦合協(xié)調(diào)度D值呈持續(xù)上升趨勢，即煤礦區(qū)在進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期后，“礦地”資源耦合程度逐步優(yōu)化。

2000年，受煤礦區(qū)煤炭資源開采變化的影響，“礦地”資源耦合協(xié)調(diào)度值突增，耦合程度由勉強(qiáng)耦合變?yōu)橹屑夞詈稀?/p>

2000～2005年，“礦地”資源耦合協(xié)調(diào)度D值在0.60～0.69波動，2002年達(dá)到耦合協(xié)調(diào)度最大值(D=0.687)，此時“礦地”資源效益耦合程度最大。

2006年，受土地資源利用的影響，礦區(qū)“礦地”資源耦合程度由中級耦合降為勉強(qiáng)耦合。

自2006～2011年，雖然在煤礦區(qū)礦建的影響下煤礦區(qū)煤炭資源開采達(dá)到一個高峰，但伴隨而來的對土地資源的破壞也進(jìn)入一個新階段，土地資源利用效益不斷降低，致使耦合協(xié)調(diào)度值呈持續(xù)減少趨勢，2011年達(dá)到最小值，耦合程度由輕度失調(diào)、中度失調(diào)最終變?yōu)閲?yán)重失調(diào)，耦合程度處于最差階段。

3 結(jié)論與討論

耦合類型方面，1996～2011年，沛北張雙樓煤礦“礦地”資源點(diǎn)集均坐落在耦合象限圖的第一象限，故研究階段內(nèi)該礦耦合類型處于協(xié)調(diào)發(fā)展階段；但隨著α值不斷增大，耦合類型由煤炭資源滯后型協(xié)調(diào)階段轉(zhuǎn)入煤炭資源超前型協(xié)調(diào)階段，且α走勢即將突破90°，預(yù)示著耦合階段將進(jìn)入極限發(fā)展階段。

耦合程度方面，1996～2011年，張雙樓煤礦 “礦地”資源耦合協(xié)調(diào)度D值在0.1～0.7范圍內(nèi)變動，即耦合程度在嚴(yán)重失調(diào)與中級耦合間動態(tài)變化。從總體趨勢分析，該礦區(qū)“礦地”資源耦合協(xié)調(diào)度D值在1996～2000年間波動增加，2000～2005年間基本平穩(wěn)不變，2005～2011年間降低，耦合程度由輕度失調(diào)轉(zhuǎn)勉強(qiáng)耦合、中級耦合，再由初級耦合轉(zhuǎn)勉強(qiáng)耦合、輕度失調(diào)最終變?yōu)閲?yán)重失調(diào)。

綜合兩方面分析，該礦“礦地”資源耦合關(guān)系不容樂觀。同時預(yù)示著當(dāng)前存在的，對礦區(qū)土地資源利用忽略的現(xiàn)象迫切值得關(guān)注；達(dá)產(chǎn)階段的礦區(qū)礦產(chǎn)資源開采雖穩(wěn)步提升，但若缺乏有效的土地治理及有效防護(hù)措施，將導(dǎo)致土地資源的不合理利用，最終影響煤礦區(qū)資源的協(xié)調(diào)利用與發(fā)展；礦區(qū)穩(wěn)產(chǎn)階段為“礦地”資源矛盾激增時期，同時也是調(diào)節(jié)“礦地”資源利用的關(guān)鍵階段，只有在此階段完成對土地資源利用的改善，才能保證后期煤炭資源開采降低時礦區(qū)總效益的平穩(wěn)變化。

本文以沛北礦區(qū)為例，對當(dāng)前沛北礦區(qū)耦合階段進(jìn)行了劃定，對協(xié)調(diào)“礦地”資源矛盾具有指導(dǎo)意義。但由于煤炭資源開采與土地利用達(dá)到動態(tài)平衡時各變量的理想值難以確定，因此本文相關(guān)的衡量指標(biāo)均僅為礦區(qū)各年變化的相對值大小，其絕對量變化還有待進(jìn)一步研究，以便更準(zhǔn)確的判定礦區(qū)所處耦合階段，采取相應(yīng)措施。

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Research on coupling relationship between coal resources and land resources coordinated utilization in mining district:a case study of Zhangshuanglou mining district in Peibei coal-mining area

WANG Hui，DING Zhong-yi，JIA Fei-fei，MAO Meng-qi

(School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

Coal resources and land resources are the important components of coal district.It is significant for realizing the coordinated development and using of “mineral and land” resources through knowing the coupling relationship between them.The coupling analysis index system is established based on the analysis of the coupling mechanism of coal resources and land resources.This article analysts the coupling style and degree of Zhangshuanglou mining district “mineral and land” resources from 1996 to 2011 by using Quadrant pattern recognition method and coupling model.The results show that：the coupling style of which is coordinated development stage from 1996 to 2011，however，the coupling value is increasing，which is on the point of entering the extreme development，and the degree of coupling generally increases first and then decreases.These conclusion show that the overall coupling situation of the mineral resources is not optimistic，it is necessary to take remedial measures.

resources utilization；land resource；coal resource；coupling analysis

2016-03-24

王慧(1993-)，女，碩士研究生，主要從事土地規(guī)劃、土地開發(fā)復(fù)墾整理研究。E-mail：cumtwanghui@cumt.edu.cn。

丁忠義，男，副教授，主要從事土地規(guī)劃、土地開發(fā)復(fù)墾整理研究。E-mail：dzy2002@126.com。

F426.21；F301.2

A

1004-4051(2016)11-093-06