基于場論的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境采動累積效應(yīng)研究

連達(dá)軍,汪云甲

(1.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點(diǎn)實驗室,江蘇徐州211116;2.蘇州科技學(xué)院空間信息與測繪工程系,江蘇蘇州215011)

礦井地下開采過程中及結(jié)束后,上覆巖層冒落、破碎、下沉直至地表,采動地表范圍內(nèi)各部位經(jīng)歷程度不同的移動形變;該過程持續(xù)作用于采動范圍內(nèi)乃至周圍的生態(tài)環(huán)境因子,使其產(chǎn)生各類型損害,這些損害一般均滯后于開采活動,當(dāng)大于其極限值時,各生態(tài)環(huán)境因子將產(chǎn)生質(zhì)的破壞;開采沉陷對各環(huán)境因子的協(xié)同影響將逐步改變它們的生態(tài)聯(lián)系方式和通道,表現(xiàn)為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)功能倒退、惡化乃至消失。開采活動的方式?jīng)Q定著其對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的累積影響方式和程度;開采活動的時空發(fā)展過程與其對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的累積影響途徑緊密相關(guān);而累積效應(yīng)的定量分析必須合理選取描述指標(biāo)和評價方法[1]。

1 礦區(qū)生態(tài)場、礦區(qū)生態(tài)勢及其勢差

受開采沉陷影響的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境空間不僅具有其分布規(guī)律和動態(tài)特征[2-4],并且具有場的可疊加性和可測定性等基本特征。礦區(qū)生態(tài)勢指不同時空層次的礦區(qū)生態(tài)場所具有的不同勢能,可以礦區(qū)生態(tài)場某一層次的絕對量值相對于同一時刻參考生態(tài)場的量值來表示。不同層次的礦區(qū)生態(tài)場之間勢能的差稱為礦區(qū)生態(tài)勢差,表現(xiàn)為生態(tài)位元素的勢差,即不同期開采的煤炭資源之間由于地質(zhì)開采條件不同及外部生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化而導(dǎo)致的元素值的差異。若將其置于與時空坐標(biāo)系統(tǒng)中加以分析,可把這些元素所表現(xiàn)出的勢差視為其時間演變特征?；诖?不妨把這些元素表示為時刻t和空間位置 (x,y)的函數(shù),即

由式 (1),不難得到自變量的不同導(dǎo)致元素Z的勢差ΔZ,

公式△x、△y分別表示空間兩點(diǎn)之間沿 x和y兩個方向的間距,△t表示某兩時刻之間的時間段。

2 研究方法和技術(shù)路線

2.1 技術(shù)路線

鑒于GIS空間分析技術(shù)在空間累積特征分析方面的顯著優(yōu)勢,本文將基于場論和 GIS技術(shù)進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的采動累積效應(yīng)分析。該方法將開采活動進(jìn)行中和結(jié)束后各個時刻的采動影響范圍劃分為不同的采動生態(tài)元,為了剔除非采動因素的影響而選取的與研究區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)生活方式都比較接近的非開采區(qū)域劃入背景生態(tài)元,并分別進(jìn)行生態(tài)位測算;根據(jù)礦區(qū)不同生態(tài)元同一時段生態(tài)勢差的比較分析確定采動累積影響效應(yīng)的空間分異特征。同一礦井范圍內(nèi)由不同采后年份對應(yīng)的生態(tài)元采動勢能形成的時間序列則可以反映礦區(qū)采動生態(tài)環(huán)境的時間演變規(guī)律,其技術(shù)路線如圖1所示。若某采動生態(tài)元的生態(tài)勢能值接近于背景生態(tài)元,則可反映開采沉陷對地表生態(tài)環(huán)境的滯后影響效應(yīng)。

圖1 基于生態(tài)場理論的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境采動累積效應(yīng)分析技術(shù)路線

2.2 研究程序步驟

基于上述思想,首先構(gòu)建生態(tài)位元素體系,并且對研究區(qū)域進(jìn)行生態(tài)元劃分,然后對不同時相的遙感影像逐生態(tài)元進(jìn)行影像分類,利用分類結(jié)果專題圖進(jìn)行生態(tài)位元素值計算,作為累積效應(yīng)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2.1 生態(tài)位元素體系構(gòu)建

考慮到礦區(qū)生態(tài)場不同層次生態(tài)位與開采沉陷之間的因果關(guān)系,以及生態(tài)位元素對于揭示采動累積影響規(guī)律的敏感特性,并兼顧元素選取原則,構(gòu)建生態(tài)位元素體系 (見圖2)。需要說明一點(diǎn),將資源保障類、回收技術(shù)類和經(jīng)濟(jì)發(fā)展類元素一起納入元素體系是為了將經(jīng)濟(jì)、社會、資源、環(huán)境諸要素共同置于礦區(qū)生態(tài)場中以便于分析開采活動與礦區(qū)生態(tài)場之間的復(fù)雜因果關(guān)系。

2.2.2 生態(tài)元劃分

圖2 礦區(qū)采動累積影響生態(tài)位元素體系

如圖3所示,若分別以 d1、d2、d3表示采區(qū)采動影響緩沖區(qū)域下山、上山和走向方向?qū)挾?則式中:H1、H2、H3分別表示開采區(qū)域各工作面中最外邊界下山、上山和走向方向的開采深度;β、γ、δ分別表示下山、上山和走向移動角,h表示松散層厚度;φ表示松散層移動角。圖3中陰影邊界范圍內(nèi)即為采動生態(tài)元區(qū)域[5];背景生態(tài)元選取時應(yīng)綜合考慮行政區(qū)劃、地貌地形特征、生產(chǎn)生活方式、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素,在研究區(qū)井上下對照圖、地形圖上與采動影響區(qū)具有可比性區(qū)域范圍內(nèi)圖解選取。地類間的異同,將礦區(qū)土地利用類型分為耕地、林草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地共5個類型[6]。TM影像在波段寬度設(shè)計上針對性強(qiáng),可很好地進(jìn)行不同土地利用類型的信息提取。依據(jù)波段間的相關(guān)性,擯棄地物輻射差異極小因而不利于地物識別的波段,并降低信息的冗余度,本文選取 TM 2、TM 3、TM 4、TM 5和 TM 7五個波段進(jìn)行礦區(qū)地類識別和特征提取。依據(jù)地類識別準(zhǔn)則確定各波段組合,采用監(jiān)督分類方法并借助于土地利用現(xiàn)狀圖、井上下對照圖、地塊形狀以及研究區(qū)生產(chǎn)生活方式等輔助手段可以獲取比較準(zhǔn)確的土地利用類型。

2.2.4 生態(tài)位元素值測算

由圖2可以看出,生態(tài)位元素中土地覆被指數(shù)、植被蓋度、土壤侵蝕度、土壤肥力和資源回收難度可以借助于 GIS或RS等技術(shù)手段,通過建模分析獲取,其他元素則可以通過現(xiàn)場調(diào)查、統(tǒng)計報告或圖解得到。本文主要介紹反映土地利用/覆被態(tài)勢指數(shù)、植被蓋度,以及土壤侵蝕強(qiáng)度的量化與測算方法,其他指數(shù)如土壤肥力、資源回收難度指數(shù)的確定也比較復(fù)雜,其量化和測算方法見相關(guān)參考文獻(xiàn)。所有指數(shù)共同參與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的采動累積效應(yīng)分析。

2.2.4.1 土地利用/覆被指數(shù)測算

土地利用/覆被態(tài)勢指數(shù)主要包括可刻劃土地利用現(xiàn)狀的態(tài)指數(shù)和反映其變化趨勢的勢指數(shù)兩種類型:前者包括各地類覆蓋率、墾殖指數(shù)I和土地利用程度綜合指數(shù)L;后者主要以各地類面積變化率、土地利用動態(tài)度LC、土地利用變化類型多度D1和重要度IM等描述。

圖3 采動影響緩沖帶示意圖

2.2.3 遙感影像特征提取與影像分類

遙感影像解譯和特征提取就是根據(jù)地物反射光譜特征、地物自身特征和地物間的關(guān)系特征,從遙感影像上獲取目標(biāo)地物信息。結(jié)合礦區(qū)土地的用途、經(jīng)營特點(diǎn)、利用方式和覆蓋特征等因素,根據(jù)全國《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》,并考慮

式中:AP為研究單元內(nèi)耕地所占的土地面積,AU為研究單元內(nèi)可利用土地總面積;ai為第i類土地利用程度分級指數(shù),Ci為與ai對應(yīng)的土地面積百分比;Li為研究期初 i類土地利用類型面積,△Lij為研究期內(nèi)由i轉(zhuǎn)化為非i類土地利用類型的面積;Ni為某種土地利用變化類型的圖斑數(shù),N為研究區(qū)全部變化圖斑的圖斑總數(shù);C為該變化類型的圖斑總面積占所有變化圖斑總面積的百分比[6-7]。2.2.4.2 土壤侵蝕強(qiáng)度測算

土壤侵蝕強(qiáng)度是指地殼表層土壤在自然營力(水力、風(fēng)力、重力及凍融等)和人類活動綜合作用下,單位面積和單位時段內(nèi)被剝蝕并發(fā)生位移的土壤侵蝕量,通常以土壤侵蝕模數(shù)表示[10]。根據(jù)圖4所示的分級標(biāo)準(zhǔn),土壤侵蝕強(qiáng)度主要與土地利用/覆被、植被覆蓋度和地面坡度有關(guān)。地表覆被和植被蓋度的測算方法前已述及,采動地面坡度可通過GIS技術(shù)構(gòu)建DEM獲得。若以

t0表示研究區(qū)生態(tài)場初始時刻t0的DEM模型,依開采沉陷理論的動態(tài)預(yù)計方法已預(yù)先構(gòu)建t時刻數(shù)字沉陷模型t,則可按照式 (5)進(jìn)行反演運(yùn)算生成評價時刻t的

圖4 土壤侵蝕強(qiáng)度分級指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.5 采動累積效應(yīng)分析

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的采動累積影響,一方面表現(xiàn)為空間層次分異特征,即礦區(qū)生態(tài)場不同位置表現(xiàn)出的生態(tài)勢差。另一方面表現(xiàn)為時間層次的演變,該特性又包含兩種含義,其一是響應(yīng)生態(tài)位元素值隨采后時間發(fā)展變化,表現(xiàn)為不同時刻的生態(tài)勢差;其二是本征生態(tài)位元素的生態(tài)勢差,反映了不同時開采的煤炭資源在資源保障、回收技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展諸方面表現(xiàn)出的差異特征。由于響應(yīng)元素的空間累積分異特征通過時間累積演變規(guī)律加以分析,因而生態(tài)位元素的時間累計變化規(guī)律分析更為關(guān)鍵。

2.2.5.1 采動生態(tài)勢的確定

采動生態(tài)元與背景生態(tài)元相應(yīng)生態(tài)位元素勢差主要表現(xiàn)為比例關(guān)系和差額關(guān)系,若以MNEIi表示采動生態(tài)元第i個生態(tài)位元素的采動勢差,則

式中:△M EIij和△CEIij分別表示采動生態(tài)元和背景生態(tài)元的生態(tài)勢差,即單位時間內(nèi)的生態(tài)位增量。

需要說明:①當(dāng)生態(tài)位元素勢差為大于100%的比率時,可先將其歸一化為 [0,100%],然后再按式 (6)進(jìn)行運(yùn)算;②當(dāng)生態(tài)位元素為等級數(shù)值 (如土壤侵蝕度)時,可先按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將其量化為數(shù)值型或比率型,然后按上式進(jìn)行運(yùn)算,需要時再轉(zhuǎn)化為等級型結(jié)果。若將背景生態(tài)元的初始時刻 t0生態(tài)位元素值 Mt0作為采動勢的初值(即將其視作未經(jīng)歷開采擾動的生態(tài)元),則某采動生態(tài)元在考察時刻i的采動生態(tài)勢可表示如下,

2.2.5.2 礦區(qū)生態(tài)場的采動累積效應(yīng)分析

礦區(qū)生態(tài)場總是處于不同的時空層次上,因而對其采動累積效應(yīng)分析也應(yīng)該從空間分布和時間演變兩個方向維進(jìn)行。如圖1所示,相同考察時刻不同采動生態(tài)元采動生態(tài)勢的比較分析可以確定采動累積效應(yīng)的空間分異特征;相同采動生態(tài)元不同考察時刻間采動生態(tài)勢的比較則可反映采動累積效應(yīng)的時間演變特征。而以考察時刻為行終采時刻為列的采動勢矩陣的“跡”(圖1中對角線方向)為按照上述各生態(tài)元的不同采后時間(即考察時刻距終采時刻的時間距離)對應(yīng)的采動生態(tài)勢序列,該序列反映了開采活動與采動生態(tài)元之間的因果關(guān)系,據(jù)此即可分析礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的采動累積效應(yīng)。

以數(shù)組 {Mi1,Mi2,…,Mij,…,Min}表示第i生態(tài)位元素對應(yīng)的采動生態(tài)勢時間序列數(shù)組,若相鄰時刻τ1與τ2對應(yīng)的采動勢之較差小于規(guī)定的容許值ε,即

且自τ2時刻起,序列依照某種規(guī)律收斂于某數(shù)值,則τ1距終采時刻的時間距離可作為該生態(tài)位元素的采動延遲。

3 實例分析

以潞安礦區(qū)某礦井開采沉陷區(qū)作為研究區(qū),選取1997年 9月 19日、2000年 05月 07日和2002年9月11日三個時相的 TM遙感影像,劃分為4個采動生態(tài)元和1個背景生態(tài)元,以此為分析單元、遙感影像的獲取時刻為評價時刻,根據(jù)生態(tài)位元素體系構(gòu)成圖按響應(yīng)生態(tài)位元素 (土地覆被態(tài)勢相關(guān)指數(shù)和土壤侵蝕強(qiáng)度)和本征生態(tài)位元素 (如煤層穩(wěn)定性和資源回收難度)對研究區(qū)進(jìn)行采動累積效應(yīng)分析。

圖5為該兩類生態(tài)位元素的采動累積效應(yīng)曲線。顯然,建設(shè)用地覆蓋率在采后呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,并逐步穩(wěn)定至20%左右的水平;耕地覆蓋率基本上呈下降趨勢,并逐步穩(wěn)定于70%左右;植被覆蓋率受采動影響的變化趨勢不如建設(shè)用地和耕地明顯,但也呈現(xiàn)下降趨勢并逐步穩(wěn)定;墾殖指數(shù)與耕地覆蓋率的變化規(guī)律基本相似。但土地綜合利用指數(shù)在開采后的10年內(nèi)變化趨勢極不明顯,變化頻次劇烈,此后逐步穩(wěn)定在約3.1的狀態(tài)水平。土壤侵蝕卻具有不同的采動累積趨勢:終采后土壤侵蝕指數(shù)先增大,至終采后的12年左右增至最大,然后又逐步下降至一個新的水平,但穩(wěn)定后的土壤侵蝕指數(shù)仍大于采動影響波及之前。由此,可以得到以下結(jié)論。

圖5 部分生態(tài)位元素的采動累積效應(yīng)曲線

1)圖5中可以反映土地覆被指標(biāo)變化的三個階段:第一階段 (采后1～4年)為劇烈變化階段,第二階段 (采后4～13年)為緩慢變化階段,第三階段即采后的13～26年,為平穩(wěn)變化階段,各地類覆蓋率變化幅度越來越小,變化速率越來越接近于t軸,說明土地覆被進(jìn)入了新的動態(tài)平衡狀態(tài)。

2)土壤侵蝕指數(shù)的采動變化三階段為起始階段,即采后的2～4年;然后進(jìn)入土壤侵蝕惡化階段 (采后的4～17年),土壤侵蝕指數(shù)達(dá)到其最大值約1.3;此后至采后26年可稱為改善階段,土壤侵蝕將在較長時間內(nèi)維持在一個新的水平,但很難達(dá)到采動影響前的較低水平。

3)各指數(shù)的采動變化明顯滯后于開采活動。對圖4中各指標(biāo)采動曲線進(jìn)行擬合,得到各指標(biāo)與采后年份的相關(guān)關(guān)系式。

式中,各指標(biāo)的采動延遲不盡相同,依據(jù)式(8)式(9),土地覆被的采動延遲約為13年。土壤侵蝕自采后4年開始波及,采后17年達(dá)到最嚴(yán)重水平,其采動延遲可確定為采后17年。

4 結(jié)論與展望

開采沉陷是造成礦區(qū)環(huán)境災(zāi)害的直接根源,隨著開采的持續(xù)進(jìn)行,各生態(tài)環(huán)境因子受破壞程度日趨劇烈,開采沉陷對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的持續(xù)影響還表現(xiàn)為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重異質(zhì)化,其服務(wù)性功能也呈整體下降趨勢。本文基于場論和GIS技術(shù)進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的采動累積效應(yīng)分析。論文首先介紹了生態(tài)場理論與相關(guān)概念;考慮到礦區(qū)生態(tài)場不同層次生態(tài)位與開采沉陷之間的因果關(guān)系,以及生態(tài)位元素對于揭示采動累積影響規(guī)律的敏感特性,構(gòu)建了生態(tài)位元素體系;然后對研究區(qū)域進(jìn)行生態(tài)元劃分,并以此為單位對不同時相的遙感影像進(jìn)行影像分類,利用分類結(jié)果專題圖進(jìn)行生態(tài)位元素值計算,作為累積效應(yīng)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。論文主要介紹了土地利用/覆被態(tài)勢指數(shù)、植被蓋度以及土壤侵蝕強(qiáng)度等生態(tài)位元素的量化與測算方法,描述了采動生態(tài)勢的確定方法以及基于此進(jìn)行生態(tài)環(huán)境采動累積效應(yīng)分析的程序方法。最后以潞安礦區(qū)某開采沉陷區(qū)為研究對象進(jìn)行了示例分析,得到該礦區(qū)主要生態(tài)位元素的采動累積效應(yīng)規(guī)律。應(yīng)該指出,礦區(qū)生態(tài)場各生態(tài)位元素之間的相關(guān)關(guān)系關(guān)系以及各生態(tài)位元素的采動累積規(guī)律形成原因極其復(fù)雜,該方面的研究是確定礦區(qū)生態(tài)環(huán)境采動承載指數(shù)和礦區(qū)生態(tài)健康評價的重要依據(jù),限于篇幅,將另行撰文陳述。

[1] 連達(dá)軍.礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的采動累積效應(yīng)研究——以潞安礦

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