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      小尺度煤糧復(fù)合區(qū)耕地演變預(yù)測(cè)*

      2013-08-22 09:32:32石秀偉胡振琪侯占東
      金屬礦山 2013年1期
      關(guān)鍵詞:耕地面積耕地面積

      石秀偉 胡振琪 侯占東 李 源

      (中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院)

      中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)在2005年舉辦的第99次青年科學(xué)家論壇上,提出了“礦產(chǎn)與糧食復(fù)合主產(chǎn)區(qū)”的概念,即糧食主產(chǎn)區(qū)和礦產(chǎn)資源主產(chǎn)區(qū)的復(fù)合區(qū)域。該復(fù)合區(qū)域既承擔(dān)著糧食生產(chǎn)與輸出的功能,又承擔(dān)著礦產(chǎn)資源生產(chǎn)與輸出的功能。據(jù)測(cè)算,我國(guó)僅煤炭與耕地資源分布復(fù)合區(qū)域面積就占我國(guó)耕地總量的42.7%,其中煤炭保有資源與耕地復(fù)合面積占耕地總面積的10.8%。

      我國(guó)人多地少,人地矛盾突出,耕地保護(hù)和保證糧食自給一直是政府高度關(guān)注的重大問(wèn)題。然而,煤炭資源的不斷開采,在推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)進(jìn)步的同時(shí),也損毀了大量耕地,破壞了原有的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民生活都受到了極大的影響,無(wú)疑加劇了這一矛盾。據(jù)統(tǒng)計(jì),到2005年,我國(guó)工礦累計(jì)破壞土地約400萬(wàn)hm2,而且每年因采煤破壞的土地仍以4萬(wàn)hm2的速度遞增,而復(fù)墾率僅為12%??梢姡Z食生產(chǎn)和煤炭開采已成為了煤糧復(fù)合區(qū)內(nèi)的主要矛盾。要在不影響土地資源與糧食安全的條件下,從地下開采出煤炭資源也成為了我國(guó)亟需解決的問(wèn)題。因此,全面掌握研究區(qū)內(nèi)的煤糧復(fù)合特征,并對(duì)煤炭開采造成的耕地演變情況進(jìn)行科學(xué)的分析預(yù)測(cè),對(duì)耕地保護(hù)和煤炭資源的開采都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

      關(guān)于煤糧復(fù)合區(qū)內(nèi)耕地問(wèn)題的研究,李晶以典型煤糧復(fù)合區(qū)山東濟(jì)寧市為例,采用萬(wàn)噸煤塌陷率預(yù)測(cè)方法對(duì)復(fù)合區(qū)內(nèi)的耕地?fù)p毀及其影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析;楊璐以山東鄒城市為試點(diǎn),對(duì)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了分析,得出復(fù)合區(qū)內(nèi)耕地和水域在生態(tài)服務(wù)價(jià)值中貢獻(xiàn)率最高并且變化最大;鄧麗以山東濟(jì)寧市為例,對(duì)采煤塌陷地造成的各方面影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并對(duì)耕地保護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題有針對(duì)性地提出了保護(hù)對(duì)策。由此可以看出,對(duì)于煤糧復(fù)合區(qū)的耕地研究多集中在市域范圍,對(duì)于縣域小尺度的分析還不多見。

      本研究基于縣域小尺度,選取山東省典型的縣域煤糧復(fù)合區(qū)——A縣和B縣,對(duì)其煤糧復(fù)合特征進(jìn)行分析,并基于開采沉陷學(xué)的概率積分法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)因采煤塌陷造成的耕地演變情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,以期為今后的耕地保護(hù)和采煤塌陷地治理規(guī)劃提供有力的支持。

      1 區(qū)域概況

      1.1 概況

      研究區(qū)位于山東省,除B縣東南部有少部分低山殘丘外,多為平原地帶,地勢(shì)平坦,土地肥沃,農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),是全國(guó)麥棉兩熟高產(chǎn)試驗(yàn)基地。其中,A縣土地面積163 323 hm2,B縣土地面積130 197 hm2。根據(jù)A縣和B縣的土地利用變更數(shù)據(jù),2005年,2縣的耕地面積分別為114 283 hm2和97 944 hm2,分別占2縣土地面積的69.97%和75.23%。

      研究區(qū)內(nèi)煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量豐富,含煤面積69 210 hm2。其中A縣含煤面積44 568 hm2,占全縣總土地面積的27.29%;B縣含煤面積24 642 hm2,占全縣總土地面積的18.93%。

      1.2 研究區(qū)煤糧復(fù)合特征

      利用ArcGIS的Spatial Analyst空間分析模塊將2縣的煤炭資源分布圖和土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加,得到2縣的煤糧復(fù)合區(qū)域分布圖,如圖1所示,其煤糧復(fù)合特征見表1。

      圖1 煤糧復(fù)合區(qū)分布

      表1 煤糧復(fù)合特征

      由表1可知,A縣和B縣的煤糧復(fù)合區(qū)面積分別為31 658 hm2和19 792 hm2,占2縣土地面積的19.38%和15.20%,占2縣耕地面積的27.70%和20.21%,占2縣含煤面積的71.3%和80.32%??梢?,2縣復(fù)合區(qū)域的耕地分別超過(guò)了2縣耕地的1/4和1/5;2縣含煤區(qū)域內(nèi)的地類絕大部分為耕地,且耕地比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2縣的耕地比例,隨著煤炭的不斷開采,必然會(huì)造成耕地大量損毀,嚴(yán)重影響區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),給農(nóng)民生活造成嚴(yán)重的影響。

      1.3 研究區(qū)采煤塌陷現(xiàn)狀

      研究區(qū)內(nèi)的礦井為新開發(fā)礦井,但隨著煤炭產(chǎn)量的不斷增加,因開采引起的地表塌陷及其對(duì)耕地的影響也不斷顯現(xiàn)。截止到2010年底,2縣已形成塌陷地約194.53 hm2。其中,A縣境內(nèi)塌陷94.53 hm2,絕產(chǎn)耕地面積55.47 hm2,減產(chǎn)耕地面積30.06 hm2;B縣境內(nèi)塌陷100.00 hm2,絕產(chǎn)耕地面積66.67 hm2,減產(chǎn)耕地面積33.33 hm2。

      2 耕地演變預(yù)測(cè)及其分析

      導(dǎo)致耕地?cái)?shù)量變化的驅(qū)動(dòng)因素很多,如建設(shè)占用、災(zāi)害損毀、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及土地復(fù)墾等,但本研究主要研究煤糧復(fù)合區(qū)的耕地演變趨勢(shì),所以把采煤塌陷作為本研究的主要驅(qū)動(dòng)因素,重點(diǎn)預(yù)測(cè)采煤塌陷造成的耕地演變情況,從而分析耕地的演變趨勢(shì)。

      本研究根據(jù)各礦井的地質(zhì)報(bào)告、開采計(jì)劃及相關(guān)資料,基于開采沉陷學(xué)概率積分法,采用MSPS軟件對(duì)2縣的采煤塌陷按2015年、2020年、2025年和閉礦4個(gè)階段進(jìn)行預(yù)測(cè),以期直觀地反映2縣復(fù)合區(qū)內(nèi)的耕地演變規(guī)律,為煤炭開采方案的調(diào)整及制定合理的防治措施提供合理的依據(jù)。

      2.1 預(yù)測(cè)模型

      概率積分法的數(shù)學(xué)模型為[5],當(dāng)采區(qū)煤層全部

      開采完成時(shí),地表任意點(diǎn)A(x,y)的下沉量為WA

      式中,W0為最大下沉值,W0=qmcosα,其中q為下沉系數(shù),m為煤層開采厚度,α為煤層傾角;r為主要影響半徑,r=H/tanβ,H為地面上待計(jì)算點(diǎn)A(x,y)與煤層上微元點(diǎn)(c,t)的標(biāo)高差,tanβ為主要影響角正切;P為開采區(qū)域。

      2.2 預(yù)測(cè)過(guò)程

      預(yù)測(cè)過(guò)程中主要考慮了防水煤柱、斷層煤柱,并根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定,考慮了鐵路、高速公路和城鎮(zhèn)的保護(hù)煤柱,沒(méi)有考慮壓煤村莊、文物保護(hù)和有關(guān)水系的保護(hù)煤柱。具體預(yù)測(cè)過(guò)程如下:

      (1)在采掘工程平面圖上提取預(yù)測(cè)工作面的各個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)。

      (2)輸入(1)中提取的坐標(biāo)和研究區(qū)的地質(zhì)采礦數(shù)據(jù)(煤層傾角、開采深度、地表下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)等),進(jìn)行整理,并保存為.txt文件。

      (3)應(yīng)用MSPS軟件進(jìn)行預(yù)測(cè),并輸出各工作面開采完后地表的下沉等值線圖。

      (4)將各階段下沉等值線導(dǎo)入到ArcGIS中,統(tǒng)計(jì)出各階段的塌陷面積。

      2.3 采煤塌陷預(yù)測(cè)結(jié)果

      利用MSPS測(cè)得的各階段采煤塌陷面積見表2。

      表2 采煤塌陷面積預(yù)測(cè)結(jié)果 hm2

      由表2可知,煤礦開采完畢時(shí),研究區(qū)內(nèi)塌陷土地面積為60 730 hm2,大于煤礦復(fù)合區(qū)的面積。其中A縣塌陷面積為35 780 hm2,占縣土地面積的21.90%;B縣塌陷面積為24 905 hm2,占縣土地面積的19.13%。

      2.4 耕地演變預(yù)測(cè)及其分析

      利用ArcGIS的空間分析功能將預(yù)測(cè)各階段的采煤塌陷數(shù)據(jù)、積水?dāng)?shù)據(jù)與煤糧復(fù)合區(qū)進(jìn)行疊加,提取出復(fù)合因子,從而得到采煤塌陷對(duì)耕地的破壞數(shù)據(jù)。

      需要說(shuō)明的是,本預(yù)測(cè)結(jié)果的塌陷邊界是根據(jù)開采沉陷學(xué)的概率積分法將地表下沉10 mm邊界作為塌陷邊界。從學(xué)術(shù)角度來(lái)說(shuō),地面下沉10 mm已經(jīng)對(duì)地面造成了破壞,但下沉10 mm在地面上的反映并不明顯,可以認(rèn)為,在此預(yù)測(cè)范圍內(nèi)有約10%的土地破壞不嚴(yán)重,可以正常耕種。去除這一范圍后,最后可得出2縣各階段損毀的耕地面積,具體見表3。

      表3 損毀耕地面積預(yù)測(cè)結(jié)果 hm2

      由表3可以看出,預(yù)測(cè)到閉礦時(shí),研究區(qū)共損毀耕地38 934 hm2。其中 A縣共損毀耕地22 909 hm2,占復(fù)合區(qū)面積的72.36%;B縣共損毀耕地16 025 hm2,占復(fù)合區(qū)面積的80.97%??梢?,如果不調(diào)整開采方案或采取合理的治理措施,閉礦時(shí),2縣煤糧復(fù)合區(qū)將有70%以上的耕地絕產(chǎn)或減產(chǎn),根據(jù)2010年山東省人均耕地面積1.21 hm2計(jì)算,將會(huì)造成約37萬(wàn)農(nóng)民無(wú)地可種。

      將2縣4個(gè)階段耕地?fù)p毀面積與2縣煤糧復(fù)合區(qū)面積及耕地面積進(jìn)行對(duì)比,得到2縣煤糧復(fù)合區(qū)內(nèi)的耕地減少趨勢(shì),如圖3所示。

      圖2 煤糧復(fù)合區(qū)耕地演變趨勢(shì)

      由圖2可知,2015年到閉礦,A縣和B縣的耕地?fù)p毀面積成遞增趨勢(shì)。

      (1)2025年之前,2縣損毀耕地占復(fù)合區(qū)的比例均小于20%,但A縣高于B縣。

      (2)到閉礦時(shí),2縣損毀耕地占復(fù)合區(qū)比例均增加到70%以上,且B縣比例高于A縣。

      (3)2025年之前,2縣煤糧復(fù)合區(qū)的損毀耕地占2縣耕地比例較小,均小于5%。

      (4)閉礦時(shí),2縣的耕地?fù)p毀面積占2縣耕地比例將達(dá)到20%和16%,也就是說(shuō),2縣約有1/5的耕地因煤炭開采而損毀。采煤塌陷造成的耕地?fù)p毀數(shù)量成遞增趨勢(shì),其中,A縣從2015年的約8%增加到閉礦時(shí)的約73%,B縣從2015年的約5%增加到閉礦時(shí)的約81%。

      3 結(jié)論

      (1)借助GIS的空間分析功能,將研究區(qū)內(nèi)A縣和B縣的土地利用現(xiàn)狀圖和煤炭資源分布圖進(jìn)行了疊加,得到了A縣和B縣的煤糧復(fù)合特征:A縣和B縣的煤糧復(fù)合面積分別為31 658 hm2和19 792 hm2,分別占 2縣土地面積的 19.38%和15.20%,占2縣耕地面積27.70%和20.21%,占2縣含煤面積的71.03%和80.32%。

      (2)基于開采沉陷學(xué)的概率積分方法,應(yīng)用MSPS軟件對(duì)2縣的采煤塌陷情況按2015年、2020年、2025年和閉礦4個(gè)階段進(jìn)行了預(yù)測(cè),得到了2縣各階段的采煤塌陷數(shù)據(jù):閉礦時(shí),A縣和B縣的采煤塌陷面積分別為35 780 hm2和24 905 hm2,均大于2縣復(fù)合區(qū)的面積。

      (3)將預(yù)測(cè)的各階段采煤塌陷數(shù)據(jù)和煤糧復(fù)合區(qū)進(jìn)行疊加,得到了復(fù)合區(qū)內(nèi)各階段的耕地?fù)p毀數(shù)據(jù),其中,閉礦時(shí),2縣損毀耕地面積分別為22 909 hm2和16 025 hm2,分別占2縣煤糧復(fù)合區(qū)面積的72.36%和80.97%。

      (4)對(duì)預(yù)測(cè)的各階段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出了2縣的耕地演變趨勢(shì):2015年到閉礦,2縣復(fù)合區(qū)內(nèi)因

      [1] 胡振琪,李 晶,趙艷玲.礦產(chǎn)與糧食復(fù)合主產(chǎn)區(qū)環(huán)境質(zhì)量和糧食安全大的問(wèn)題、成因與對(duì)策[J].科技導(dǎo)報(bào),2006,24(3):21-24.

      [2] 胡振琪,駱永明.關(guān)于重視礦糧復(fù)合區(qū)環(huán)境質(zhì)量與糧食安全問(wèn)題的建議[J]. 科技導(dǎo)報(bào),2006,24(3):93-94.

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