黃土高原采煤塌陷區(qū)村落搬遷選址的地理適宜度評價

湯靜雅 楊志強 蘆家欣

摘要：村莊下壓煤多采取房屋搬遷方式來實現(xiàn)安全開采。煤礦村落選址區(qū)的地理適宜度受諸多自然和人文社會因素的影響，目前缺乏普遍適用的評價方法。文中針對黃土礦區(qū)復雜的地理環(huán)境和采煤沉陷特征，選取黃土溝壑區(qū)地面坡度、坡向、地表水和地下水源等自然地理指標以及交通便捷性、耕作半徑等社會經(jīng)濟指標作為主要影響因子，將各指標劃分為3個等級，確定相應的評價標準，采用專家打分及層次分析法計算各指標相應權(quán)重，構(gòu)建黃土高原礦區(qū)村落遷址的地理適宜性評價模型。為驗證模型的適用性，以陜西某礦塌陷區(qū)的村落遷址為例，基于ArcGIS的疊加分析功能，提取各指標等級對應區(qū)域，并按評價模型的對應指標權(quán)重進行疊加，得到礦區(qū)地理適宜度的綜合評價分布圖;對采煤塌陷區(qū)內(nèi)的建筑面積進行統(tǒng)計，結(jié)合評價圖分析并確定村落搬遷的最佳選址位置。結(jié)果表明，該模型在黃土高原煤礦塌陷區(qū)村落遷址中具有較好的適用性，可為煤礦塌陷區(qū)村落遷址規(guī)劃提供技術支持。

關鍵詞：黃土高原;采煤塌陷區(qū);村落遷址;地理適宜度

中圖分類號：TD 325文獻標志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0221文章編號：1672-9315（2019）02-0334-07

0引言

西部黃土高原及其過渡地帶是我國主要的煤炭生產(chǎn)基地之一，地表溝壑縱橫，地貌復雜多變，水資源匱乏，人居生態(tài)環(huán)境本身較為脆弱，在大規(guī)模的地下采煤導致的沉陷變形影響下，地表建（構(gòu)）筑物不可避免地會產(chǎn)生破壞，嚴重危及到采煤沉陷區(qū)內(nèi)建筑物的安全和居民的正常生活[1-4]。目前，在村（鎮(zhèn)）居民區(qū)下實現(xiàn)安全采煤的途徑主要包括充填開采、條帶開采、建筑加固等方式[5-6]。由于黃土高原自然村落多零星散布在礦區(qū)各處，且多為建筑強度較低的窯洞或磚瓦房屋，上述安全采煤方式會使生產(chǎn)成本、作業(yè)效率和資源利用率均大幅降低。因此，當前解決村落區(qū)煤炭開采問題大多采用村莊搬遷的方式，即在開采之前將村落搬遷到規(guī)劃的區(qū)域集中安置，并在地下煤層中留設一定范圍的保護煤柱，以確保新選址區(qū)的安全。

對于黃土高原采煤沉陷區(qū)村落搬遷的選址評價問題，涉及采礦、地理、地質(zhì)、人文、規(guī)劃等多學科理論，目前還沒有普適性的評價模型與方法。文中以陜西某煤礦開采沉陷區(qū)村落搬遷為實例模型，根據(jù)煤礦工作面布設計劃和開采沉陷預計理論，確定村落搬遷區(qū)范圍和遷址區(qū)保護煤柱的大小，采用運籌學的層次分析法、模糊綜合評價法，結(jié)合特爾菲法，確定礦區(qū)村落地貌條件、水文狀況、交通條件、勞作范圍等多個影響因子的權(quán)重模型，形成綜合評價指標體系[7-9]?；?ArcGIS軟件平臺，定量地分析出沉陷區(qū)村落搬遷選址區(qū)的地理環(huán)境適宜度[10-12]，為西部黃土高原礦區(qū)村莊下壓煤的安全開采提供技術支持。

1采煤沉陷區(qū)村落遷址評價方法

西部礦井多采用走向長壁工作面頂板全部垮落法開采。按照礦井生產(chǎn)設計要求，每年布設數(shù)個長壁工作面有計劃地進行回采，在地表逐漸形成由小到大的沉陷區(qū)域，而沉陷區(qū)內(nèi)的村落建筑也會不斷破壞。因此，在地下工作面計劃回采之前，必須先將地面沉陷區(qū)域內(nèi)的村落實施搬遷，新的搬遷選址區(qū)評價工作流程包括：制定開采工作面計劃、預計地表沉陷范圍、確定搬遷村落面積、確定選址區(qū)大小、選址區(qū)地理環(huán)境評價建模、選址區(qū)適宜度分析、適宜遷址區(qū)的確定。

1.1開采沉陷范圍預計與遷址區(qū)面積確定

每一個長壁工作面開采后地表一般會形成沉陷盆地，地表沉陷變形的大小可依據(jù)開采沉陷預計理論進行預計分析?，F(xiàn)有開采沉陷預計方法可分為影響函數(shù)法，剖面函數(shù)法，數(shù)值分析法和力學分析法等[13-19]。在我國，基于隨機介質(zhì)理論的概率積分法應用最為普遍[20-24]，該法較精確合理地描述了地表沉陷盆地的分布形態(tài)，具有理論嚴密及便于編程計算等優(yōu)點。針對黃土高原礦區(qū)的特點，文獻[25]利用隨機介質(zhì)理論原理，將地表沉陷視為基巖面不均勻沉降在土層中傳播影響至地表的結(jié)果，導出概率積分法分層預計模型，并編制了專門的預計程序。實踐表明，只要按礦區(qū)具體地質(zhì)采礦條件選用合適的預計參數(shù)，上述模型完全能滿足黃土高原礦區(qū)開采沉陷預計和村落搬遷工作的要求。

在多個相鄰工作面開采后，工作面之間的間隔煤柱由于寬度僅為10～20 m左右，在覆巖移動過程中會失去煤柱支撐作用，使地表形成整體性的沉陷盆地。按照上述概率積分法分層預計模型對各個計劃的回采工作面開采沉陷變形進行預計。計算工作在專門開發(fā)的開采沉陷預計軟件平臺上完成。在ArcGIS中對各個工作面開采后的地表下沉和變形值，分別予以疊加并進行可視化表達[26-28]。根據(jù)開采沉陷理論，按照地表下沉量小于10 mm來劃定地表沉陷區(qū)范圍。顯然，沉陷區(qū)范圍是按年度不斷增加的，沉陷區(qū)內(nèi)的村落面積也會逐年增加，根據(jù)計劃年限可以確定搬遷村落的總面積。在此基礎上，根據(jù)塌陷區(qū)村落建筑面積、相關搬遷安置政策和村鎮(zhèn)規(guī)劃原理來確定遷址區(qū)的規(guī)劃面積。

1.2遷址區(qū)地理適宜度評價模型

針對黃土高原村落的地理環(huán)境復雜多變且影響因子眾多的特點，文中選擇運籌學中的AHP法，來構(gòu)建黃土礦區(qū)村落遷址區(qū)的地理適宜度評價模型。利用AHP法將定量分析與定性分析相結(jié)合，進行黃土礦區(qū)村落搬遷選址評價，用專家經(jīng)驗給出自然地理指標和社會經(jīng)濟指標在某一標準體系下的相對重要程度，并有效地計算出各個影響因子對應的權(quán)重值，構(gòu)建地理適宜度評價模型[29-30]。

在黃土高原開采沉陷區(qū)村落遷址的評價中，利用AHP法進行黃土高原沉陷區(qū)村落遷址的地理環(huán)境適宜性評價，將決策目標、考慮因素和決策對象按其相互關系分為3個層次，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，包括目標層、準則層、方案層。文中利用圖1所示的模型進行黃土礦區(qū)村落遷址的綜合評價。

1.3地理適宜度評價因子及評分依據(jù)

針對黃土高原采煤沉陷區(qū)村落遷址問題，評價目標為本礦區(qū)覆蓋范圍，首先要避開預計的開采沉陷區(qū)，以及不適宜居住建房的灘涂地、濕陷性黃土區(qū)、滑坡風險區(qū)等地質(zhì)條件惡劣和災害易發(fā)區(qū)。選址區(qū)地理適宜度評價的影響因子可分為2類：自然地理指標和社會經(jīng)濟指標，細分為6個主要影響因子[31]，見表1.

地面坡度很大程度上影響居民點布局、土建費用和土地利用效率等，是影響選址區(qū)地理適宜度的重要因子;坡向影響選址區(qū)日照時長、太陽輻射強度、建筑朝向和通風條件等宜居環(huán)境;水源是影響農(nóng)村居民生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉的重要因素，其中地下水位高低對村民打井用水的便利性至關重要;地表水系對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要影響，但黃土高原礦區(qū)水系的流域面積一般較小;遷址區(qū)距離交通干道的遠近直接影響搬遷配套費用和村民日常生活便利程度;沉陷區(qū)村落實施搬遷后，其農(nóng)田仍然位于原址，因此選址區(qū)距離搬遷區(qū)的距離（即村民勞作半徑）是影響村民生產(chǎn)、生活便利性的重要因素。對上述二級影響因子使用專家打分法和現(xiàn)場調(diào)查法進行定級和打分。設置3個等級，對應分值為20分、15分，10分。各二級影響因子評分依據(jù)及分值見表2.

計算矩陣A的最大特征值λmax及其對應的特征向量B=[b1，b2，…，bn]，并對向量B做歸一化處理，即求得各因子的權(quán)重向量W=[W1，W2，…，Wn].

針對黃土高原采煤沉陷區(qū)村落選址的實際情況，確定自然地理一級指標的相對權(quán)重為0.60，社會經(jīng)濟一級指標的相對權(quán)重0.40.評價模型中自然地理及社會經(jīng)濟指標下的各二級指標間的相對重要關系見表3及表4.

indicators of physical geography影響因子坡度坡向距平均水位距地表水坡度1412坡向1/411/41/2距地下水位1413距地表水系1/221/31注：一致性指標C.I.=0.006 9;平均隨機一致性指標R.I.=0.890 0;隨機一致性比率C.R.=0.007 7.

由上述分析可知，各指標間保持較好的相對一致性。采用上述方法計算出自然地理和社會經(jīng)濟中各二級指標（因子）的權(quán)重向量及對應的權(quán)重值，見表5.

針對評價區(qū)任意一個地理單元，根據(jù)表2的評分標準及表5所對應的影響因子權(quán)重值，加權(quán)計算出各單元的綜合評價分值，通過GIS的疊加分析生成煤礦遷址區(qū)地理適宜度評價圖。將選址區(qū)的規(guī)劃面積作為搜索窗口，在評價圖中確定區(qū)域分值（取窗口平均值）最高的區(qū)域作為新的遷址區(qū)。

2.1塌陷搬遷區(qū)范圍確定

評價區(qū)為黃土高原的陜西某煤礦，開采煤層包含4上煤層和4下煤層。4上煤層開采厚度為3.8 m，4下煤層開采厚度為9 m，煤層平均傾角2°，開采深度350～450 m.礦區(qū)地表為黃土臺塬及溝壑地貌，中部和東部為溝壑區(qū)，其余部分較為平坦。地面高程最大1 270 m，最小750 m，地下水位平均高程約700 m.按照礦井生產(chǎn)規(guī)劃，在2020—2030年間計劃回采16個相鄰的工作面，地面將逐漸形成大范圍的塌陷盆地，必須提前實施村落搬遷。為此，根據(jù)文中提出的方法進行村落遷址區(qū)的地理適宜度評價。本井田的井上下對照情況如圖2所示。

圖2中評價區(qū)范圍即井田邊界圈定的總面積約88 km2，2030年之前計劃回采區(qū)面積12 km2，地表塌陷范圍由概率積分法開采沉陷預計模型來確定。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)采礦條件采用類比法確定預計參數(shù)分別為：下沉系數(shù)q=0.7，主要影響角正切TANB=2.2，拐點偏距S0=0.05H，水平移動系數(shù)b=0.3.其中平均采深H=400 m，煤層開采厚度m1=3.8 m，m2=9.0 m.按照上述預計參數(shù)用專門的開采沉陷預計軟件確定地表沉陷區(qū)范圍為14.6 km2，如圖2所示。沉陷區(qū)共有農(nóng)戶224戶，建筑總面積0.033×106 m2.按照新農(nóng)村規(guī)劃要求確定新的遷址區(qū)占地面積為0.1×106 m2.

2.2遷址區(qū)地理適宜度綜合評價結(jié)果

將圖2導入ArcGIS軟件中，將整個井田范圍（沉陷區(qū)除外）按照10 m分辨率進行影響因子提取和評分，其中地下水位值用地面格網(wǎng)高程值減去區(qū)域平均水位而得到。將表5中每個因子的權(quán)重值賦予ArcGIS的各個圖層中，對6個二級影響因子進行緩沖區(qū)分析以及疊加分析，通過聯(lián)合功能計算出每個地理單元的綜合分值。在ArcGIS中生成地理適宜度綜合分值的分級圖，如圖3所示。

由于文中對各影響因子的評價分值為10，15，20等3個等級，當各因子分值均為10分時，則綜合評分值最低應為50分，當各因子分值均為20分時，綜合評分值最高為100分。圖3中綜合評價分值在52-97分之間，各分值區(qū)間面積占比見表6.其中綜合評價分值在90分以上的區(qū)域面積為034×106 m2，分值在85～90分的區(qū)域面積為627×106 m2.以遷址區(qū)規(guī)劃面積0.1×106 m2為搜索窗口，基于ArcGIS疊加得到最高分值區(qū)，如圖3中的A區(qū)，綜合評價平均分值為92分。

但是，該區(qū)域與待搬遷村落不屬于同一個縣級行政區(qū)，在拆遷實施和后續(xù)行政管理方面存在諸多不便。按照上述方法可搜索得到次高分值區(qū)，如圖3中的B區(qū)，綜合評價平均分值為87分。該區(qū)域與待搬遷村落屬于同一縣級行政區(qū)域，亦屬于地理適宜度較佳的遷址區(qū)域。將上述評價結(jié)果交由決策部門參考。

3結(jié)論

1）黃土高原煤礦區(qū)受開采影響村落的搬遷選址，主要考慮礦區(qū)地理環(huán)境、水文資源、交通便捷性、塌陷區(qū)相對位置等影響因素及其相對重要程度，形成綜合評價體系;

2）文中利用層次分析法結(jié)合專家打分法構(gòu)建了黃土溝壑區(qū)村落遷址區(qū)地理適宜度的綜合評價模型。應用實例表明，基于該模型通過ArcGIS疊加分析可便捷地進行村落遷址區(qū)地理環(huán)境的量化評價，其結(jié)果具有科學性與合理性;

3）黃土高原煤礦區(qū)村落搬遷選址的科學評價提供了有效的技術方法，具有實際應用價值。

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