(曲阜師范大學 地理與旅游學院,山東 日照 276826)

1 引言

煤炭資源開發(fā)利用一方面對國民經(jīng)濟發(fā)展具有重大推動作用,另一方面又對資源開采區(qū)壓煤村莊的安全和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響[1]?！渡綎|濟寧市壓煤村莊搬遷用地規(guī)劃(2007—2020年)》報告顯示,在我國東部平原的采煤區(qū),煤炭資源開采引起地表下沉,導致地下水位出露地表、洼地大量積水、糧食減產(chǎn)甚至絕收，在人口密度大、村鎮(zhèn)密集的地區(qū)引起嚴重的人地關(guān)系問題,特別是塌陷區(qū)居民點的搬遷問題[2]。新居民點的搬遷、選址用地、安全等成為政府和煤炭企業(yè)面臨的難題,制約著礦區(qū)和礦區(qū)城市的可持續(xù)發(fā)展。

農(nóng)村居民點用地整理是人口、資源、社會、經(jīng)濟發(fā)展到一定階段必須面臨的問題，隨著農(nóng)村生產(chǎn)力水平的提高而顯得更加迫切。農(nóng)村居民點用地整理也是我國統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展和促進城鎮(zhèn)化進程中不可或缺的需求[3]。目前,我國的土地整理的主要目標是增加耕地數(shù)量和保持耕地總量的動態(tài)平衡[4]。農(nóng)村居民用地整理在改善農(nóng)民生產(chǎn)居住環(huán)境、提高農(nóng)村生產(chǎn)總值等方面具有重要作用,對促進農(nóng)村土地的集約利用也具有重要意義[5]。

兗州煤礦區(qū)坐落在山東省西南部,在我國煤炭生產(chǎn)和外貿(mào)領(lǐng)域具有重要的地位[6]。兗州煤礦區(qū)的煤田范圍涉及曲阜、兗州、微山、濟寧、鄒城等多個市縣,總面積44040hm2,煤炭儲量133億t。兗州煤礦作為我國14個大型煤炭基地礦區(qū)之一,由于開采量和開采種類等優(yōu)勢在全國煤炭行業(yè)有著不容忽視的地位[7]。兗州煤礦煤炭資源開采在促進地方社會經(jīng)濟發(fā)展的同時也形成了大量塌陷地,使人地矛盾更加嚴峻。

本文以兗州煤礦區(qū)中的兗州煤田為例,基于RS和GIS對礦區(qū)塌陷地范圍內(nèi)農(nóng)村居民點布局的適宜性進行評價。確定在農(nóng)村居民點的安排既追求社會經(jīng)濟效益,又滿足用地需求,研究結(jié)果對緩解人地矛盾、促進社會經(jīng)濟發(fā)展、解決“三農(nóng)”問題具有重要的意義[8]。

2 研究區(qū)概況

兗州煤礦區(qū)是我國眾多的優(yōu)質(zhì)煤田之一,現(xiàn)有9對生產(chǎn)礦井,分別是南屯、唐村、北宿、興隆莊、鮑店、楊村、東灘、濟二、濟三等煤礦[9]。研究區(qū)選取南屯、唐村、北宿、興隆莊、鮑店、楊村、東灘作為研究范圍(圖1)。

圖1 兗州煤礦區(qū)地理位置

兗州煤礦礦位于魯西南平原地區(qū),整個礦區(qū)地勢相對平坦。礦區(qū)內(nèi)煤層厚度大、埋藏較深、煤層賦存穩(wěn)定、煤炭開采條件適宜、水文和地質(zhì)構(gòu)造較簡單,這些條件使該地區(qū)適宜建設(shè)大型和特大型礦井[5]。礦區(qū)所在地屬于溫帶,氣候為半濕潤季風區(qū),屬大陸性海洋性過渡氣候,具有四季分明的特點,年平均降水量712.99mm,年平均氣溫14.1℃。兗州煤礦區(qū)的雨季集中在每年的7月和8月,有時會延長到9月,最大降水量可達1263.88mm,約占全年降水量的65%[6]。兗州煤礦集團本部在山東省濟寧市境內(nèi),交通運輸條件十分優(yōu)越。礦區(qū)西部有京九鐵路,內(nèi)部有京滬鐵路、新石鐵路交叉,城鄉(xiāng)公路網(wǎng)絡由四條國道和八條省道構(gòu)成,水運骨干是自南向北貫穿礦區(qū)的京杭大運河。

3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

基于2009年、2012年、2015年三年的兗州煤礦區(qū)及周圍地區(qū)大比例尺0.49m像素分辨率的航空遙感影像,提取礦區(qū)的中心城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點、工礦用地、耕地、園林地、水域、道路等地類圖斑。同時,對其進行矢量化信息提取與處理,形成景觀類型圖。坡向數(shù)據(jù)來源于谷歌地圖下載的15.56m/像素高分辨率的高程數(shù)據(jù),用ArcGIS對坡向數(shù)據(jù)進行提取分析；礦區(qū)坐標來源于《山東省濟寧市煤炭資源總體規(guī)劃》；其他所需數(shù)據(jù)來自于相關(guān)文獻、網(wǎng)絡資料等途徑。

3.2 數(shù)據(jù)預處理

本文利用ArcGIS軟件Arctoolbox中的擦除、統(tǒng)計、密度分析、歐氏距離分析等工具,觀察和分析2009年、2012年、2015年3年來農(nóng)村居民點的變化情況及村莊與影響因子的關(guān)系,得到研究區(qū)村莊分布現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)隨著塌陷范圍的擴大,居民點逐步搬離塌陷區(qū),搬遷方式主要有兩種：一是遷入鄰近的中心城鎮(zhèn),二是就近擇地多村合并。

基于觀察發(fā)現(xiàn)的居民點主要搬遷方式,結(jié)合當?shù)貙嶋H情況,選取村莊適宜性評價指標體系。指標體系選取對選址有重要影響的三方面因素,即區(qū)位因素、地質(zhì)因素和社會因素,最終采用綜合加權(quán)法計算礦區(qū)農(nóng)村居民點的適宜性值[11]。

3.3 研究方法

GIS空間分析基礎(chǔ)理論:空間分析作為地理信息系統(tǒng)的重要功能之一,目的是提取和傳輸空間信息?；诘乩韺ο罂臻g位置的數(shù)據(jù)分析技術(shù),主要包括以下幾種形式:①疊加分析。又稱為“疊合分析”,是指在相同的空間參考系統(tǒng)基礎(chǔ)上對兩組數(shù)據(jù)進行一系列邏輯交、邏輯并、邏輯差等運算,產(chǎn)生新數(shù)據(jù)的過程。②緩沖區(qū)分析。主要是指以點、線、面實體為基礎(chǔ),在周圍具有一定寬度的緩沖區(qū)多邊形,并將目標圖層與多邊形進行疊加,分析得到相關(guān)結(jié)果。③表面分析。表面分析是指在原有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上生成新的數(shù)據(jù)集,如坡度、坡向。它反應了原始數(shù)據(jù)集中一些隱含的空間特征、格局模式。④柵格計算。通過建立應用數(shù)學模型中的基本模塊,可解決空間數(shù)據(jù)分析和處理方面的各類難題,因此是GIS分析中最常見的方法[12]。

塌陷積水區(qū)影響:塌陷積水區(qū)仍以一定的速度在擴張,因此居民點選址應盡量避開塌陷區(qū),距離塌陷區(qū)越遠越適宜。

中心鎮(zhèn)影響程度:中心鎮(zhèn)作為某地區(qū)的政治、經(jīng)濟和文化中心,直接影響著農(nóng)村居民點的選址布局。距離中心鎮(zhèn)近的地區(qū),各項設(shè)施建設(shè)更加完善,更適合于人口聚集;反之距離遠的地區(qū)則不利于人口的聚集。中心鎮(zhèn)作為一個點狀要素模型,在賦值計算時按照輻射距離衰減的方法進行計算。

指數(shù)衰減公式為:f=F(l-r)

(1)

直線衰減公式為:f=F(l-r)

(2)

式中,f為設(shè)施在d點的作用分;r為相對距離:F為該設(shè)施的功能分。

r=di/d[0≤r≤1]

(3)

式中,r為相對距離;d為該指標服務半徑;di為服務半徑內(nèi)某點距指標的距離。

點狀要素影響半徑計算公式為:

(4)

式中,n為點狀因素個數(shù);S為評估面積[10]。

點要素分值轉(zhuǎn)化為面要素分值公式為:

fm=(fn+f(n-1))/2

(5)

式中,fm為n與n-1衰減線之間的作用分層面分值;fn為第n條衰減線分值;f(n-1)為第n-1條衰減線分值。

道路通達度:便利的交通會促進該地區(qū)的各項發(fā)展,因此道路通達度也是決定農(nóng)村新居民點選址的重要條件之一。道路通達度作為線狀要素,對農(nóng)村居民點選址有著反向影響,其影響程度會隨著距離增大按一定規(guī)律衰減。

線狀因素影響半徑計算公式:

d=S/2L

(6)

式中,L為線狀要素長度;S為線狀要素影響面積[12]。

坡向:常用的地形地貌因子有高程、坡度、坡向等。研究區(qū)位于平原地區(qū),高程為19—383m、坡度為0—28.26。由于這兩個因子對村莊選址影響甚微,因此研究中只選取坡向因子參與評價,地面坡向?qū)r(nóng)村居民點尤其是山區(qū)的農(nóng)村居民點布局有直接的影響。本文將坡向分為東南、西南、南、東、西、東北、西北、北八個方向,研究區(qū)域內(nèi)無無坦區(qū)域,因此不再考慮；將坡向作為面狀要素進行處理,面狀因素僅對該地塊有效,具有非擴散性,量化方法均采用均值度法。等級劃分首先要得到原始數(shù)據(jù)頻率的分布情況,得出頻率分布曲線,然后選擇邊界值來確定均勻區(qū)數(shù)量等級,計算公式為:

Pi=100(bi-b劣)/(b優(yōu)-b劣)

(7)

式中,bi為該因素第i級均質(zhì)區(qū)原始數(shù)據(jù)的均值;pi為該因素第i級均質(zhì)區(qū)作用得分;b劣為該因素最劣均質(zhì)區(qū)原始數(shù)據(jù)的均值;b優(yōu)為該因素最優(yōu)均質(zhì)區(qū)原始數(shù)據(jù)的均值[10]。

景觀類型:在國家法律法規(guī)約束條件下,農(nóng)村新居民點布局要受到景觀類型的影響,將景觀利用類型劃分為耕地、園林地、水域、建設(shè)用地,并當作面狀要素進行量化處理。

綜合評價的計算方法:兗州礦區(qū)農(nóng)村新居民點布局適宜性評價過程綜合分析考慮了許多因素,并運用綜合加權(quán)法計算得出結(jié)果。土地適宜性在一定程度上反映了土地條件的適宜性和土地利用的局限性[6],通過加權(quán)計算,若該地塊得分越高,說明該地區(qū)越適宜作為農(nóng)村新居民點選址;反之得分越低,則相反。

(8)

式中,W為綜合評價得分;ai為評價指標權(quán)重;pi為評價指標量化分值[13]。

4 評價流程與指標體系的構(gòu)建

4.1 評價流程

兗州礦區(qū)農(nóng)村居民點適宜性評價首先應構(gòu)建評價指標體系,確定指標權(quán)重(圖2)。在此基礎(chǔ)上,計算各評價指標的綜合加權(quán)得分,并對評價等級進行劃分。

圖2 適宜性評價流程

4.2 評價指標體系的構(gòu)建

評價應遵循的原則:①綜合分析與主導因素相結(jié)合原則。農(nóng)村新居民點選址是各種因素共同作用的結(jié)果,需要考慮自然、社會等因素,因此在評價時應進行綜合分析。但不同因素對農(nóng)村居民點有著不同的影響,對起主導作用的因素要進行重點分析,突出它對評價結(jié)果的作用,避免不同的因素產(chǎn)生相類似的影響,使各項因素組成一個有機的整體[14]。②可獲得性與科學性原則。要充分考慮基礎(chǔ)研究與資料的收集整理情況,考慮資料的可獲得性。在評價指標體系的構(gòu)建過程中,難免會遇到資料難以獲取和指標難以量化的問題,這時可通過查詢社會經(jīng)濟部門和相關(guān)部門的統(tǒng)計資料、調(diào)查報告等方式獲取指標的相關(guān)數(shù)據(jù),也可以采取抽樣調(diào)查等方法獲取[15]。③社會經(jīng)濟因素與生態(tài)因素相結(jié)合的原則。要使評價體系具有科學性,必須兼顧社會經(jīng)濟因素與生態(tài)因素。在對農(nóng)村居民點的指標選取過程中,必須考慮到農(nóng)村居民點本身的復雜性和社會經(jīng)濟條件、生態(tài)條件[16]。

完善相應的評價指標體系:影響農(nóng)村居民點布局適宜性評價的因素眾多,因素之間相互影響而又相互聯(lián)系,可分為宏觀與微觀因素、直接因素與間接因素[17]。準確選取評價指標對構(gòu)建評價指標體系至關(guān)重要。根據(jù)評價體系應遵循的原則,并參考國內(nèi)外學者的研究現(xiàn)狀,結(jié)合兗州礦區(qū)實際情況,構(gòu)建出兗州煤礦區(qū)農(nóng)村新居民點布局適宜性評價指標體系(圖3)。

圖3 兗州煤礦區(qū)農(nóng)村新居民點布局適宜性評價指標體系

評價因子權(quán)重的確定:參考國內(nèi)外學者的研究狀況,結(jié)合兗州礦區(qū)實際情況,運用經(jīng)驗法和屈歷強、南曉娜等[18-22]的指標權(quán)重,最終確定兗州礦區(qū)農(nóng)村新居民點布局適宜性評價總權(quán)重,見表1。

表1 兗州礦區(qū)農(nóng)村新居民點布局適宜性評價指標權(quán)重

4.3 評價指標的空間布局與量化處理

選取包括兗州煤礦區(qū)土地的自然和社會屬性的3類因素包括的5個指標,運用分析數(shù)據(jù)、相關(guān)文獻、專家咨詢、定性和定量相結(jié)合的方法對評價指標進行量化,得到相對合理的量化值。其中,地面塌陷區(qū)產(chǎn)生的為正向影響,距離塌陷區(qū)越大得分越高；道路通達度和中心鎮(zhèn)產(chǎn)生的為負向影響,距離道路中心和中心鎮(zhèn)越近得分越高；景觀類型和坡向影響分數(shù)根據(jù)其類型確定,分數(shù)的賦值范圍為0—100。

區(qū)位因素:道路通達度:道路通達度是決定農(nóng)村居民點布局的重要條件之一。由線狀因素的量化公式方法得到最遠道路的影響距離,道路的影響方式為指數(shù)衰減方式。線狀因素的影響方式為向兩側(cè)減弱。經(jīng)過式(6)計算并結(jié)合兗州煤礦區(qū)的實際情況,道路通達度影響半徑為2km(圖4),結(jié)合陳然[23]的量化分值,賦值見表2。

圖5 兗州礦區(qū)距離中心鎮(zhèn)量化分布

影響范圍(m)0—100100—200200—300300—500500—2000分值10080603010

中心鎮(zhèn)影響程度:距離中心鎮(zhèn)近的地區(qū),各項設(shè)施建設(shè)更加完善,更適合于人口聚集;反之距離遠的地區(qū)則不利于人口的聚集。按照點狀要素模型,量化計算農(nóng)村居民點的布局影響。依據(jù)兗州礦區(qū)實際并依據(jù)式(4)計算城鎮(zhèn)影響距離為4.5km(圖5)。結(jié)合陳然[23]的量化分值,賦值見表3。

表3 兗州礦區(qū)距離中心鎮(zhèn)分值

社會因素:景觀類型:建設(shè)用地最適宜作為新居民點的選址,園林地次之,耕地再次,水域則不適合作為居住用地(圖6)。我們將景觀類型當作面狀要素結(jié)合屈歷強、南曉娜等[18-22]的量化標準進行量化處理,處理結(jié)果見表4。

圖6 兗州煤礦區(qū)景觀類型

景觀類型建設(shè)用地園林地耕地水域分值1006020NULL

地質(zhì)因素:地面坡向直接影響著農(nóng)村居民點的布局,將坡向劃分為北、東北/西北、東/西、東南/西南、南五個等級(圖7);將坡向作為一種面狀影響要素進行量化處理,參考林愛文[17]的量化分值依次賦值為0分、10分、30分、60分、80分、100分(表5)。

表5 兗州礦區(qū)坡向量化分值

塌陷區(qū)影響:與塌陷區(qū)的距離遠近直接影響到居民點搬遷的適宜性程度。距離塌陷區(qū)越近,越不適宜作為搬遷選擇的地區(qū)；距離塌陷區(qū)越遠,越適宜作為搬遷選擇地區(qū)。以點要素定量模型為基礎(chǔ),研究了塌陷區(qū)對礦區(qū)農(nóng)村居民點布局的影響。經(jīng)過式(4)計算,結(jié)合兗州礦區(qū)的實際情況,塌陷區(qū)影響距離為9.0km(圖8)。結(jié)合屈歷強、南曉娜等[18-22]的量化分值,賦值見表6。

圖7 兗州礦區(qū)坡向量化分布

圖8 兗州煤礦區(qū)距離塌陷區(qū)量化分值

影響距離(m)800—9000600—800400—600200—4000—200位于塌陷區(qū)內(nèi)部分值1008060300NULL

5 評價結(jié)果與分析

兗州煤礦區(qū)農(nóng)村居民點布局適宜性評價是采用考慮多個因素的綜合加權(quán)法。通過式(8)計算,若該地塊農(nóng)村居民點布局適宜性分值越高,說明該地區(qū)越適宜作為農(nóng)村居民點選址,反之如果適宜性分值越低,則相反。兗州煤礦區(qū)農(nóng)村居民點布局適宜性評價系統(tǒng)利用ArcGIS 10.2的空間分析功能中的柵格計算器,將影響農(nóng)村居民點布局的5項因子進行空間數(shù)據(jù)疊加運算,劃分為不適宜居住、較不適宜居住、一般適宜居住、較適宜居住、適宜居住5個適宜性等級(表7),并得到兗州礦區(qū)農(nóng)村居民點適應性評價等級分布圖(圖9)。

表7 兗州礦區(qū)農(nóng)村居民點適宜性評價等級分值

圖9 兗州礦區(qū)農(nóng)村居民點布局適宜性評價等級分布

兗州煤礦區(qū)農(nóng)村居民點布局適宜性評價結(jié)果分為五個等級,其中適宜居住區(qū)面積382.5hm2,約占總面積的6.51%,主要分布在遠離塌陷區(qū)、坡向向南、臨近主干道以及中心鎮(zhèn)和現(xiàn)階段為建設(shè)用地的地塊;較適宜居住區(qū)面積1148.7hm2,約占總面積的24.17%,主要分布在主要影響因子分值處于中上水平的地塊;一般適宜居住區(qū)面積871.0hm2,約占總面積的25.09%,主要分布在主要影響因子分值處于中等水平的地塊;較不適宜居住區(qū)面積313.4hm2,約占總面積的14.62%;不適宜居住區(qū)面積111.9hm2,約占總面積29.61%,主要分布在臨近塌陷區(qū)、坡向向北、遠離主干道以及中心鎮(zhèn)和現(xiàn)階段為耕地的地塊。

6 結(jié)論與討論

本文基于GIS的空間分析功能,以兗州煤礦區(qū)及周圍遙感影像為數(shù)據(jù)源,選取塌陷區(qū)、坡向、道路通達度、中心鎮(zhèn)和景觀類型五個評價指標,參考相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,確定各指標權(quán)重,采用綜合加權(quán)法對礦區(qū)居民點適宜性進行評價。通過分析可見,位于遠離塌陷區(qū)、坡向向南、臨近主干道以及中心鎮(zhèn)和現(xiàn)階段景觀類型為建設(shè)用地的地塊最適宜作為居民點的搬遷選址,僅為總面積的6.51%。

在農(nóng)村居民點布局優(yōu)化的復雜過程中,需要政府等相關(guān)部門的法律政策支持,也需要當?shù)卮迕竦闹С?。對采煤塌陷區(qū)新居民點選址的實施,應加強對村民的科普宣傳,同時保障新居民點的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地。此外,文中指標體系精度和全面性尚需提高和完善,如何綜合國家政策、傳統(tǒng)文化等其他因素是進一步研究的重點。本文將農(nóng)村集聚區(qū)簡化為點要素進行宏觀分析,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有待以面要素進行深入研究。