范冰雄, 稅 偉, , 王前鋒, 杜 勇, 簡(jiǎn)小枚

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,福建 福州 350116; 2.空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350116)

煤炭資源型城市是伴隨著豐富的煤炭資源發(fā)展起來(lái)的,并且以煤炭資源開(kāi)發(fā)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的一種城市類(lèi)型[1]。中國(guó)資源型城市有262個(gè),以煤炭、有色金屬等為主的資源型城市占絕大部分[2]。這些城市在中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了非常重要的作用,但過(guò)分依賴(lài)資源和高強(qiáng)度的人類(lèi)采煤活動(dòng),使得城市地質(zhì)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)功能下降,誘發(fā)一系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,嚴(yán)重威脅煤炭資源型城市的生存和發(fā)展[3]。因此,進(jìn)行煤炭資源型城市地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)顯得尤其重要。

早在20世紀(jì)60年代末,脆弱性研究就出現(xiàn)在自然災(zāi)害方面研究中,大部分研究主要集中在與農(nóng)業(yè)息息相關(guān)的干旱、洪澇等自然災(zāi)害方面[4-5]。隨著研究的不斷深入,脆弱性理論在不斷地完善,研究領(lǐng)域不斷拓展。近年來(lái),脆弱性評(píng)價(jià)在生態(tài)學(xué)、氣候變化、經(jīng)濟(jì)學(xué)、工程學(xué)、管理學(xué)等學(xué)科中得到了廣泛地運(yùn)用,脆弱性?xún)?nèi)涵在不斷豐富[6-7]。IPCC在第三次評(píng)估報(bào)告中首次對(duì)脆弱性進(jìn)行了定義,認(rèn)為脆弱性是系統(tǒng)外在氣候變化的特征、強(qiáng)度和速率,敏感性和適應(yīng)性的函數(shù)[7]。而后,越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然系統(tǒng)的影響,脆弱性研究逐漸聚焦于人類(lèi)與自然的耦合系統(tǒng),有學(xué)者認(rèn)為脆弱性與風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)似,是系統(tǒng)暴露于不利影響或遭受損害的可能性,并且將系統(tǒng)自身承受不利影響的適應(yīng)能力加入脆弱性概念中[5-8]。但在已有的脆弱性研究中生態(tài)脆弱性[9]、氣候變化脆弱性[10]、自然災(zāi)害脆弱性[11]等方面一直占據(jù)主導(dǎo)地位[12],而在地質(zhì)環(huán)境脆弱性方面比較少涉及,尚沒(méi)有比較成熟完善的理論體系。地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)能夠幫助識(shí)別脆弱區(qū)域的空間差異以及地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域,使得決策者可以更有針對(duì)性地配置適應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)設(shè)施,采取實(shí)時(shí)防范措施,從而達(dá)到地質(zhì)環(huán)境脆弱區(qū)域識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避的目的[13]。但目前關(guān)于地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)并沒(méi)有成熟實(shí)用的研究框架和技術(shù)路線[14],尚待更多學(xué)者去探索與完善,而且在煤炭資源型城市地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)方面的研究尚少,所以研究選擇對(duì)煤炭資源型城市進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià),旨在為煤炭資源型城市地質(zhì)環(huán)境改善、土地利用分配與調(diào)整及城市總體規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù),完善地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)的理論框架與研究方法,為今后類(lèi)似的研究提供科學(xué)的、可參考的思路和方法。

圖1 研究區(qū)位Fig.1 Location of study region

煤炭資源型城市由于高強(qiáng)度的煤炭開(kāi)采與建筑石料開(kāi)發(fā)活動(dòng),導(dǎo)致煤炭資源日益枯竭,地質(zhì)環(huán)境不斷惡化,塌陷、崩塌、滑坡、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題頻發(fā),嚴(yán)重威脅著城市人居環(huán)境與居民生活。基于這些問(wèn)題,研究選擇淮北市這一典型的煤炭資源型城市開(kāi)展地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)淮北市進(jìn)行實(shí)地考察、數(shù)據(jù)收集、分析研究,構(gòu)建耦合人文要素與自然要素的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)方法,運(yùn)用地理空間分析技術(shù)對(duì)淮北市地質(zhì)環(huán)境脆弱性進(jìn)行空間分析,通過(guò)地質(zhì)環(huán)境脆弱性不同等級(jí)劃分從空間尺度上進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià),旨在為改善淮北市地質(zhì)環(huán)境、合理分配土地用途和推動(dòng)城市土地利用規(guī)劃與總體規(guī)劃提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

淮北市位于安徽省北部,東經(jīng)116°23″～117°02″,北緯33°16″～34°14″。地處華東腹地,蘇、魯、豫、皖四省交界,北接蕭縣,南臨蒙城,東與宿州相鄰,西與渦陽(yáng)和河南永城接壤?；幢笔写蟮貥?gòu)造反映了其地質(zhì)環(huán)境本質(zhì)上的脆弱性,城市區(qū)內(nèi)是以淮北凹陷盆地為主要的地質(zhì)單元,區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層發(fā)育規(guī)模大,厚度最大達(dá)120 m,褶皺及斷層構(gòu)造發(fā)育廣泛,巖土體及地下水特征明顯,土壤化學(xué)指標(biāo)良好?；幢笔幸虻V而建,礦業(yè)活動(dòng)在推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面作出卓越貢獻(xiàn)的同時(shí),也帶來(lái)一系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。淮北市地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題主要有地面塌陷、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,由于煤炭開(kāi)采形成的采空塌陷是其中最為顯著的地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型,主要分布于淮北市各大煤炭采區(qū),目前已發(fā)現(xiàn)的采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)不少于20處,主要分布在烈山區(qū)和杜集區(qū),經(jīng)安微省地調(diào)局實(shí)地測(cè)量得到淮北市城市規(guī)劃范圍內(nèi)采空塌陷總面積為22.085 8 km2。崩塌地質(zhì)災(zāi)害主要分布于市轄區(qū)低丘地區(qū),崩塌產(chǎn)生的原因是人類(lèi)對(duì)建筑石料的開(kāi)采形成眾多不穩(wěn)定的斜坡[15]。經(jīng)課題組實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)淮北市內(nèi)塌陷、崩塌、水土流失等重要地質(zhì)災(zāi)害主要分布在市轄區(qū)內(nèi),故研究選擇淮北市主城區(qū)及濉溪縣周邊為研究區(qū)(圖1),探討其面臨的采空塌陷、洪澇、崩塌和滑坡、水土流失等主要的地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)以及與之對(duì)應(yīng)的適應(yīng)力,開(kāi)展地質(zhì)環(huán)境脆弱性綜合評(píng)價(jià)。

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于人地耦合系統(tǒng)的脆弱性綜合分析是當(dāng)前脆弱性研究的熱點(diǎn)。綜合不同學(xué)者對(duì)脆弱性概念的理解,就人地耦合系統(tǒng)而言,脆弱性是指由于系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)的暴露、敏感,以及因缺乏應(yīng)對(duì)能力使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能容易發(fā)生改變的一種重要屬性,本質(zhì)上是一種系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)[16-18]。脆弱性實(shí)際上是針對(duì)某種特定的擾動(dòng)而言,一個(gè)系統(tǒng)并不是對(duì)所有擾動(dòng)都是脆弱的,對(duì)于煤炭型城市而言,只有在受到采煤活動(dòng)以及由此產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害的擾動(dòng)和壓力下地質(zhì)環(huán)境的脆弱性才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái),即與地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)似。在以往的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，較多地是將脆弱性看成是導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的原因，即脆弱性與風(fēng)險(xiǎn)性?xún)烧邽橐蚬P(guān)系。然而，也有部分學(xué)者將系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)作為脆弱性的組成部分來(lái)進(jìn)行分析，即基于系統(tǒng)歷史災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)情況，反映未來(lái)人地耦合系統(tǒng)面對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的脆弱屬性[19]。與此同時(shí),城市系統(tǒng)內(nèi)針對(duì)擾動(dòng)的人類(lèi)適應(yīng)力(如生態(tài)恢復(fù)工程、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè))能夠有效地影響人地耦合系統(tǒng)的脆弱性,即通過(guò)大規(guī)模生態(tài)恢復(fù)工程與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)減少城市災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而降低城市人地耦合系統(tǒng)的脆弱屬性,并且隨著脆弱性?xún)?nèi)涵的不斷豐富，適應(yīng)能力已經(jīng)成為脆弱性評(píng)價(jià)框架下不可或缺的因素[20-21]?；诖?研究認(rèn)為脆弱性是由于人地系統(tǒng)在受到某種特定擾動(dòng)作用下所面臨的潛在風(fēng)險(xiǎn)與系統(tǒng)適應(yīng)能力二者構(gòu)成的函數(shù),同時(shí)耦合了自然因素和人文因素[22-23]。在參考孫軍平[24-25]、Metzger M.J.[26]、Cutter S L[27]等提出的脆弱性評(píng)價(jià)模型基礎(chǔ)上,構(gòu)建耦合適應(yīng)力的地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)框架。借鑒前人研究中關(guān)于耦合自然因素與人文因素的脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)[18，28-32],遵循事實(shí)性、科學(xué)性、系統(tǒng)性和可操作性的原則,構(gòu)建耦合適應(yīng)力的煤炭資源型城市地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)，其中自然因素的選取主要考慮決定城市地質(zhì)環(huán)境構(gòu)造的地形地貌因子，如坡度、巖性、斷層等；而人文因素的選取主要考慮人類(lèi)的采煤活動(dòng)、配套設(shè)施以及塌陷地的復(fù)墾活動(dòng)，如人為塌陷、交通設(shè)施、土地復(fù)墾等。該指標(biāo)體系包括2個(gè)因子:地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性和適應(yīng)力。風(fēng)險(xiǎn)性因子包含采空塌陷、洪澇、崩塌、地層斷裂和土壤流失5個(gè)指標(biāo),其中采空塌陷主要由塌陷深度來(lái)衡量;洪澇主要由至河流距離與高程來(lái)衡量;崩塌又包含坡度、高程和地層巖性;地層斷裂主要由地層裂度來(lái)衡量;土壤流失主要由土壤侵蝕強(qiáng)度來(lái)衡量。適應(yīng)力因子包含市鎮(zhèn)中心、交通廊道、塌陷區(qū)復(fù)墾能力、土壤活力4個(gè)指標(biāo),其中塌陷區(qū)復(fù)墾能力主要由土地復(fù)墾類(lèi)型來(lái)衡量;市鎮(zhèn)中心和交通廊道主要由與市鎮(zhèn)中心距離和與交通要道距離來(lái)衡量;土壤活力主要由土地利用類(lèi)型來(lái)衡量。在因子的權(quán)重確定上,研究采用等權(quán)重和專(zhuān)家評(píng)估的方法確定各因子權(quán)重值，總共5名專(zhuān)家參與評(píng)估過(guò)程，涉及環(huán)境學(xué)、地理學(xué)及規(guī)劃學(xué)領(lǐng)域，結(jié)合淮北市地質(zhì)條件與地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，對(duì)各評(píng)價(jià)因子的重要性進(jìn)行評(píng)判。經(jīng)過(guò)評(píng)判確定威脅淮北市地質(zhì)環(huán)境的主要因子為采空塌陷和崩塌，權(quán)重為0.21；主要的適應(yīng)力因子為土地復(fù)墾能力和土壤活力，權(quán)重為0.26。

表1 地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與數(shù)據(jù)預(yù)處理Table 1 Index system of geo-environment vulnerability evaluation and data preprocessing

注:①30 m分辨率的DEM數(shù)字高清數(shù)據(jù)和GDEM數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)提供的SRTM影像;②中國(guó)地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)服務(wù)中心下載2015年淮北市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù);③中國(guó)氣象數(shù)據(jù)服務(wù)中心下載淮北市三個(gè)氣象站點(diǎn)年平均降雨量,利用ArcGIS進(jìn)行空間插值分析;④土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中心下載的1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)中含有土壤類(lèi)型、土壤各物質(zhì)的含量等各種屬性,利用ArcGIS進(jìn)行重分類(lèi)處理;⑤選用2015年4個(gè)時(shí)相的Lansat 8 TM影像,利用ERDAS提取NDVI指數(shù),并求年平均得到植被覆蓋度指數(shù);⑥按塌陷深度為0、0～2.5 m、>2.5 m分為3級(jí)賦值1、3、5;⑦按地層巖性為粘性土、花崗巖、片麻巖、灰?guī)r、砂巖分為5級(jí)賦值1～5;⑧按土地復(fù)墾類(lèi)型為水域、耕地、綠地、園地、建設(shè)用地分為5級(jí)賦值1～5;⑨按土地利用類(lèi)型為裸地、耕地、園地、林地、建設(shè)用地分為5級(jí)賦值1～5。

土壤侵蝕強(qiáng)度選用修正后的通用土壤流失方程(RUSLE)模型計(jì)算得到,RUSLE模型的表達(dá)式如下:

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中:R為降雨侵蝕力因子;K為土壤可蝕因子;LS為坡度坡長(zhǎng)因子;C為植被覆蓋度因子;P為水土保持措施因子。其中,研究采用李永化等[33]在遼寧省朝陽(yáng)縣計(jì)算降雨侵蝕力因子R的方法,通過(guò)計(jì)算研究區(qū)內(nèi)所有測(cè)站點(diǎn)的降雨量,在ArcMap中采用反距離加權(quán)法得到;K因子采用王文娟等[34]在三江平原計(jì)算方法;坡度坡長(zhǎng)因子(LS因子)同樣采用李永化等的計(jì)算方法;C因子選用蔡森法等[35]建立的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算;水土保持措施因子(P)是采取專(zhuān)門(mén)措施后的土壤流失與順坡種植時(shí)的土壤流失量之比,取值范圍在0～1之間。每類(lèi)土地的P值都有所不同,主要取決于該類(lèi)土地所采取的水保措施的執(zhí)行狀況。研究通過(guò)對(duì)研究區(qū)遙感影像進(jìn)行土地利用分類(lèi)解譯得到土地利用分類(lèi)情況,確定不同土地利用類(lèi)型與對(duì)應(yīng)的P值,其中林地、建筑用地與裸地對(duì)應(yīng)的P值為1;水體對(duì)應(yīng)的P值為0;耕地與園地對(duì)應(yīng)的P值分別為0.35、0.5。以上數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析單元采用5 m×5 m柵格格網(wǎng)。

1.2.2 指標(biāo)量化分級(jí)

通過(guò)ArcGIS軟件,對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)層采用空間疊加、提取、緩沖區(qū)操作和空間插值,結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)之上的專(zhuān)家賦值法,利用Reclassify函數(shù)分別進(jìn)行單指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)性和適應(yīng)力重分類(lèi),根據(jù)重分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)[36]。研究各指標(biāo)數(shù)據(jù)層風(fēng)險(xiǎn)性指數(shù)和適應(yīng)力指數(shù)選用1～5的整數(shù)分別代表極低、低度、中度、高度、極高的風(fēng)險(xiǎn)性和適應(yīng)力級(jí)序。

1.2.3 地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)

研究認(rèn)為地質(zhì)環(huán)境脆弱性(Vulnerability,V)是關(guān)于準(zhǔn)則層下的風(fēng)險(xiǎn)性(Risk,R)和適應(yīng)力(Adaptability,A)的一組函數(shù)關(guān)系式,高風(fēng)險(xiǎn)性、低適應(yīng)力意味著高脆弱性;反之,低風(fēng)險(xiǎn)性、高適應(yīng)力則意味著低脆弱性[37]。所以,借鑒前人的研究方法,根據(jù)這個(gè)函數(shù)關(guān)系,結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究區(qū)的的脆弱性指數(shù),并在ArcGIS中采用Natural Breaks(Jenks)方法將脆弱性指數(shù)分為5級(jí),分別代表微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱。數(shù)學(xué)模型計(jì)算公式如下:

(2)

式中:Vu為地質(zhì)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù);n為一級(jí)指標(biāo)層包含的因子個(gè)數(shù);qi為第i個(gè)因子的權(quán)重;Ri為單個(gè)因子風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);Ai為單個(gè)因子適應(yīng)力指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性空間分布

地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性空間分布總體呈現(xiàn)出東西山脈帶及城內(nèi)塌陷帶風(fēng)險(xiǎn)性高,南北平原帶風(fēng)險(xiǎn)性低的空間特征(圖2),即相山、龍脊山核心區(qū)與城內(nèi)條帶狀塌陷帶深度塌陷區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)性高,與淮北市東北、西南走向的煤層分布及南北山脈走向基本吻合。將研究區(qū)四個(gè)區(qū)的行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)與地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性等級(jí)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析,得到地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性在各區(qū)的分布情況(表2)。地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性呈極高風(fēng)險(xiǎn)比重最大的區(qū)域主要分布在烈山區(qū),比率為50.64%,杜集區(qū)次之,比率為36.68%;高度風(fēng)險(xiǎn)比重最大的區(qū)域主要分布在烈山區(qū),比率為53.98%,杜集區(qū)次之,比率為33.18%;中度風(fēng)險(xiǎn)比重最大的區(qū)域主要分布在烈山區(qū),比率為37.15%,濉溪縣城次之,比率為31.88%。地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性呈極低風(fēng)險(xiǎn)和低度風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)主要分布在濉溪縣城,比率分別為74.16%和55.58%。綜上表明,各片區(qū)之間風(fēng)險(xiǎn)性分布存在明顯差異,烈山區(qū)與杜集區(qū)的地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性明顯高于相山區(qū)和濉溪縣城,其中烈山區(qū)的高風(fēng)險(xiǎn)性占比最高,以高風(fēng)險(xiǎn)性占主導(dǎo)。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性、適應(yīng)力與脆弱性等級(jí)空間分布Fig.2 Spatial pattern of geo-environment risk,adaptability and vulnerability grade of study area

根據(jù)淮北市最新的城市開(kāi)發(fā)邊界,結(jié)合2015年建成區(qū)范圍,對(duì)建成區(qū)與開(kāi)發(fā)邊界之間區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性結(jié)果分析。城市開(kāi)發(fā)邊界與建成區(qū)之間的區(qū)域?qū)儆谏形撮_(kāi)發(fā)的區(qū)域,預(yù)防、保障和服務(wù)等各方面都比較薄弱,即應(yīng)對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的適應(yīng)能力相對(duì)較弱,應(yīng)更加關(guān)注地質(zhì)環(huán)境的高風(fēng)險(xiǎn)性,所以在該區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性結(jié)果分析。利用ArcGIS提取最新的城市開(kāi)發(fā)邊界,選用柵格裁剪功能,得到建成區(qū)與開(kāi)發(fā)邊界之間區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性分布圖(圖3)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到此區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境呈高風(fēng)險(xiǎn)與極高風(fēng)險(xiǎn)面積分別為52.65 km2、9.57 km2,占研究區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)與極高風(fēng)險(xiǎn)的比率分別為79.08%、85.95%,表明研究區(qū)內(nèi)高度風(fēng)險(xiǎn)與極高風(fēng)險(xiǎn)主要分布在建成區(qū)與開(kāi)發(fā)邊界之間的區(qū)域。極高風(fēng)險(xiǎn)與高度風(fēng)險(xiǎn)主要分布在相山、龍脊山核心區(qū)以及中部呈條帶狀的采煤塌陷區(qū),在未來(lái)土地利用規(guī)劃中,建議將極高風(fēng)險(xiǎn)與高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃設(shè)限建區(qū)或禁建區(qū)。此區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境呈極低風(fēng)險(xiǎn)面積為49.83 km2,低度風(fēng)險(xiǎn)面積為128.91 km2,對(duì)比淮北市近期發(fā)展用地訴求面積為86.87 km2,表明研究結(jié)果下淮北市有充足的土地面積滿(mǎn)足近期用地需求。

表2 地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性面積分區(qū)統(tǒng)計(jì)Table 2 Area statistics about geo-environment risk of each subarea

注:①基于淮北市特殊的地質(zhì)環(huán)境背景,市域范圍內(nèi)由于煤炭開(kāi)采導(dǎo)致的塌陷問(wèn)題較為嚴(yán)重,是研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性與脆弱性的重要表征,因此需要單獨(dú)對(duì)采空塌陷區(qū)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性與脆弱性面積統(tǒng)計(jì)。采空塌陷區(qū)主要位于研究區(qū)中部,橫跨朱莊煤礦區(qū)與楊莊煤礦區(qū),呈條帶狀分布于烈山區(qū)、杜集區(qū)(表4同)。

圖3 建成區(qū)與開(kāi)發(fā)邊界之間的地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性等級(jí)空間分布Fig.3 Spatial pattern of geo-environment risk grade between built-up area and development boundary1.建成區(qū);2.城市開(kāi)發(fā)邊界;3.極低風(fēng)險(xiǎn);4.低度風(fēng)險(xiǎn);5.中度風(fēng)險(xiǎn);6.高度風(fēng)險(xiǎn);7.極高風(fēng)險(xiǎn);8.其他區(qū)域。

2.2 地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)力空間分布

地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)力空間分布總體呈現(xiàn)出由內(nèi)到外逐漸降低的特點(diǎn),即城市內(nèi)部建成區(qū)較高,外圍未建設(shè)區(qū)較低(圖2)。將研究區(qū)四個(gè)區(qū)的行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)與適應(yīng)力等級(jí)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析,得到適應(yīng)力在各區(qū)的分布情況(表3)。適應(yīng)力呈極高適應(yīng)比重最大的區(qū)域主要分布在相山區(qū),比率為47.63%,杜集區(qū)和烈山區(qū)次之,比率分別為28.35%和17.35%;高度適應(yīng)比重最大的區(qū)域主要分布在濉溪縣城,比率為38.23%,相山區(qū)次之,比率為32.21%。適應(yīng)力呈低度適應(yīng)和極低適應(yīng)的區(qū)域主要分布在濉溪縣城,比率分別為37.07%和57.35%。相山區(qū)適應(yīng)力顯著高于其他片區(qū),表現(xiàn)為高適應(yīng)力占主導(dǎo),原因在于相山區(qū)內(nèi)城市化質(zhì)量較高,配套的公共基礎(chǔ)設(shè)施完備,是淮北市公共服務(wù)與市政設(shè)施密集區(qū)域;濉溪縣城及周邊適應(yīng)力普遍較低,表現(xiàn)為低適應(yīng)力占主導(dǎo),原因在于濉溪縣城及周邊地區(qū)不屬于市轄區(qū)范圍,區(qū)域內(nèi)城市化質(zhì)量較低,缺乏配套的公共基礎(chǔ)設(shè)施。

2.3 地質(zhì)環(huán)境脆弱性空間分布

地質(zhì)環(huán)境脆弱性空間分布受到風(fēng)險(xiǎn)性與適應(yīng)力的綜合疊加影響,除煤炭據(jù)點(diǎn)開(kāi)發(fā)形成的城內(nèi)塌陷帶高脆弱區(qū),地質(zhì)環(huán)境脆弱性空間分布總體呈現(xiàn)“內(nèi)低外高”的特征(圖2),這一特征與適應(yīng)力的空間分布顯著相關(guān),高適應(yīng)力能有效降低地質(zhì)環(huán)境脆弱性,低適應(yīng)力能顯著加劇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的地質(zhì)環(huán)境脆弱性。地質(zhì)環(huán)境高脆弱區(qū)主要分布在皖北侵蝕低山丘陵地區(qū)和朱莊、楊莊等大型煤礦開(kāi)采區(qū)域,該區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)劇烈,工業(yè)發(fā)達(dá),地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題突出,適應(yīng)能力較弱,脆弱性嚴(yán)重。將研究區(qū)內(nèi)四個(gè)區(qū)的行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)與地質(zhì)環(huán)境脆弱性等級(jí)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析,得到地質(zhì)環(huán)境脆弱性等級(jí)在各區(qū)的分布情況(表4),地質(zhì)環(huán)境脆弱性呈極度脆弱比重最大的區(qū)域主要分布在烈山區(qū),比率為51.91%,杜集區(qū)次之,比率為40.64%;重度脆弱比重最大的區(qū)域主要分布在烈山區(qū),比率為50.75%,杜集區(qū)次之,比率為25.12%;中度脆弱比重最大的區(qū)域主要分布在濉溪縣城,比率為44.35%,烈山區(qū)次之,比率為34.85%,表明杜集區(qū)和烈山區(qū)是研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境脆弱性較嚴(yán)重的區(qū)域,其中烈山區(qū)的高脆弱區(qū)面積占比最高,同時(shí)低脆弱區(qū)面積占比又最低,僅為8.72%,相比其他片區(qū)有明顯差異,表現(xiàn)為高脆弱性占主導(dǎo)。受高適應(yīng)力的影響,相山區(qū)部分高風(fēng)險(xiǎn)性顯著降低,低脆弱區(qū)占據(jù)該區(qū)域絕大部分面積,表現(xiàn)為低脆弱性占主導(dǎo)。濉溪縣城及其周邊區(qū)域雖然適應(yīng)力較低,但該區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)性也相對(duì)較低,故濉溪縣城的低脆弱區(qū)面積占比最高,總體表現(xiàn)為低脆弱性占主導(dǎo)。塌陷區(qū)重度脆弱和極度脆弱占整個(gè)研究區(qū)的比重較大,比率分別為40.15%和39.89%,表明研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境嚴(yán)重脆弱主要原因之一是由采空塌陷導(dǎo)致的,高強(qiáng)度、不合理地開(kāi)采活動(dòng),對(duì)企業(yè)或個(gè)人的采煤活動(dòng)缺乏管理和制約,是造成研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境極度脆弱尤為重要的因素之一,地面沉降不穩(wěn)定、地層結(jié)構(gòu)被破壞、土壤侵蝕嚴(yán)重是該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境極度脆弱的主要表現(xiàn)。

表3 地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)力面積分區(qū)統(tǒng)計(jì)Table 3 Area statistics about geo-environment adaptability of each subarea

表4 地質(zhì)環(huán)境脆弱性面積分區(qū)統(tǒng)計(jì)Table 4 Area statistic of geo-environment vulnerability of each subarea

2.4 2020年規(guī)劃區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性空間分布

基于地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果,結(jié)合淮北市2020年土地利用總體規(guī)劃,利用ArcGIS提取2020年建設(shè)用地矢量數(shù)據(jù),選用柵格裁剪功能,得到2020年建設(shè)區(qū)地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性分布圖、地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)力分布圖以及地質(zhì)環(huán)境脆弱性分布圖(圖4)。2020年規(guī)劃區(qū)范圍屬于近期重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的區(qū)域,對(duì)該區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)性和適應(yīng)力進(jìn)行綜合分析,在該區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境脆弱性結(jié)果分析。根據(jù)高脆弱區(qū)與規(guī)劃區(qū)產(chǎn)生沖突的區(qū)域適當(dāng)調(diào)整土地用途,為年度土地供應(yīng)規(guī)劃、城市詳規(guī)提供指引。從地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性空間分布可以看出，2020年規(guī)劃區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境極低風(fēng)險(xiǎn)與低度風(fēng)險(xiǎn)所占面積較為顯著，整體以低風(fēng)險(xiǎn)性為主，而少數(shù)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域集中于朱莊、楊莊礦區(qū)，以及中湖東南部周邊。從適應(yīng)力空間分布可以看出，2020年規(guī)劃區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境高適應(yīng)力區(qū)域集中于相山區(qū)和濉溪縣城，低適應(yīng)力區(qū)域分布于規(guī)劃區(qū)邊緣，而風(fēng)險(xiǎn)性較高的朱莊與楊莊礦區(qū)則以中度適應(yīng)力為主。利用公式(2)對(duì)地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性與適應(yīng)力進(jìn)行疊置分析，得到規(guī)劃區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境脆弱性圖層，結(jié)果表明：2020年規(guī)劃區(qū)中地質(zhì)環(huán)境脆弱性呈中度脆弱所占面積較明顯,存在少部分重度脆弱與極度脆弱區(qū)域,這些區(qū)域與建設(shè)條件產(chǎn)生了沖突,需要對(duì)這些區(qū)域土地利用進(jìn)行調(diào)整或置換。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到地質(zhì)環(huán)境呈中度脆弱面積為38.375 km2,重度脆弱面積為5.971 km2,極度脆弱面積為0.351 km2。其中地質(zhì)環(huán)境呈中度脆弱主要分布在河流沿岸、龍脊山山體周邊,建議在這些區(qū)域興建防災(zāi)抗災(zāi)、抵御風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施,提高這些區(qū)域的適應(yīng)能力;地質(zhì)環(huán)境呈重度脆弱和極度脆弱主要分布在相山、龍脊山山體周邊、城內(nèi)條帶狀塌陷區(qū),建議對(duì)這些區(qū)域采取合理的工程措施,對(duì)地層進(jìn)行加固、穩(wěn)沉處理,并對(duì)這些區(qū)域土地用途進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整:山體周邊恢復(fù)植被覆蓋,調(diào)整為林地或綠地,城內(nèi)塌陷區(qū)域視塌陷深度和地層穩(wěn)定度調(diào)整為綠地或湖泊。

圖4 2020年建設(shè)區(qū)地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性、適應(yīng)力和脆弱性等級(jí)空間分布Fig.4 Spatial pattern of geo-environment risk,adaptability and vulnerability grade of construction district in 2020s

3 結(jié)論與啟示

研究通過(guò)構(gòu)建耦合人類(lèi)適應(yīng)力的煤炭資源型城市地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,運(yùn)用地理空間分析技術(shù),同時(shí)結(jié)合淮北市土地利用規(guī)劃,合理表征和揭示了淮北市主城區(qū)及濉溪縣城周邊地質(zhì)環(huán)境脆弱性的空間分布規(guī)律和影響因素,研究發(fā)現(xiàn):

(1) 研究構(gòu)建的耦合適應(yīng)力的城市地質(zhì)環(huán)境脆弱性空間評(píng)價(jià)指標(biāo)體系有機(jī)結(jié)合了人文因素和自然因素,能夠更好地進(jìn)行煤炭資源型城市地質(zhì)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià);

(2) 地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性分布與煤炭地層存儲(chǔ)分布和山脈走向基本一致,淮北市地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性總體呈“條帶狀”分布,具有東西兩側(cè)低山丘陵帶及城內(nèi)塌陷帶風(fēng)險(xiǎn)性高、南北平原帶風(fēng)險(xiǎn)性低的空間特征;

(3) 適應(yīng)力與城市基礎(chǔ)與公共服務(wù)設(shè)施密集分布在城內(nèi)高度相關(guān),淮北市地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)力總體呈“團(tuán)塊狀”分布,具有由內(nèi)到外逐漸降低的空間特征;

(4) 除煤炭據(jù)點(diǎn)開(kāi)發(fā)形成的城內(nèi)塌陷帶高脆弱區(qū),地質(zhì)環(huán)境脆弱性空間分布總體呈現(xiàn)“內(nèi)低外高”空間特征,與適應(yīng)力的空間分布顯著相關(guān),高適應(yīng)力能有效降低地質(zhì)環(huán)境脆弱性,低適應(yīng)力能顯著加劇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的地質(zhì)環(huán)境脆弱性;

(5) 規(guī)劃區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性以微度、輕度脆弱為主,少部分高脆弱區(qū)域分布在河流沿岸、塌陷帶與山體周邊。

基于以上研究結(jié)果,建議淮北市政府部門(mén)在未來(lái)土地利用規(guī)劃中,對(duì)于高脆弱區(qū)域應(yīng)適當(dāng)限制土地開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng),劃設(shè)限、禁建區(qū),恢復(fù)山體植被覆蓋,規(guī)劃湖泊及水庫(kù);對(duì)于中度脆弱區(qū)域應(yīng)配置好公共服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施,提高該區(qū)域的適應(yīng)力;對(duì)于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域可適度進(jìn)行高密集開(kāi)發(fā),通過(guò)土地利用管理,保障城市的功能運(yùn)轉(zhuǎn)。研究也存在一些不足之處，比如由于獲取的數(shù)據(jù)不充足，一些數(shù)據(jù)獲取的途徑受限，指標(biāo)選擇中對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子、水文因子考慮還不夠，在今后的相關(guān)研究中將進(jìn)一步補(bǔ)充完善。

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