基于场论的矿区生态环境采动累积效应研究

连达军,汪云甲

(1.国土环境与灾害监测国家测绘局重点实验室,江苏徐州211116;2.苏州科技学院空间信息与测绘工程系,江苏苏州215011)

矿井地下开采过程中及结束后,上覆岩层冒落、破碎、下沉直至地表,采动地表范围内各部位经历程度不同的移动形变;该过程持续作用于采动范围内乃至周围的生态环境因子,使其产生各类型损害,这些损害一般均滞后于开采活动,当大于其极限值时,各生态环境因子将产生质的破坏;开采沉陷对各环境因子的协同影响将逐步改变它们的生态联系方式和通道,表现为矿区生态环境结构功能倒退、恶化乃至消失。开采活动的方式决定着其对矿区生态环境的累积影响方式和程度;开采活动的时空发展过程与其对矿区生态环境的累积影响途径紧密相关;而累积效应的定量分析必须合理选取描述指标和评价方法[1]。

1 矿区生态场、矿区生态势及其势差

受开采沉陷影响的矿区生态环境空间不仅具有其分布规律和动态特征[2-4],并且具有场的可叠加性和可测定性等基本特征。矿区生态势指不同时空层次的矿区生态场所具有的不同势能,可以矿区生态场某一层次的绝对量值相对于同一时刻参考生态场的量值来表示。不同层次的矿区生态场之间势能的差称为矿区生态势差,表现为生态位元素的势差,即不同期开采的煤炭资源之间由于地质开采条件不同及外部生态环境发生变化而导致的元素值的差异。若将其置于与时空坐标系统中加以分析,可把这些元素所表现出的势差视为其时间演变特征。基于此,不妨把这些元素表示为时刻t和空间位置 (x,y)的函数,即

由式 (1),不难得到自变量的不同导致元素Z的势差ΔZ,

公式△x、△y分别表示空间两点之间沿 x和y两个方向的间距,△t表示某两时刻之间的时间段。

2 研究方法和技术路线

2.1 技术路线

鉴于GIS空间分析技术在空间累积特征分析方面的显著优势,本文将基于场论和 GIS技术进行矿区生态环境的采动累积效应分析。该方法将开采活动进行中和结束后各个时刻的采动影响范围划分为不同的采动生态元,为了剔除非采动因素的影响而选取的与研究区域生态经济、生产生活方式都比较接近的非开采区域划入背景生态元,并分别进行生态位测算;根据矿区不同生态元同一时段生态势差的比较分析确定采动累积影响效应的空间分异特征。同一矿井范围内由不同采后年份对应的生态元采动势能形成的时间序列则可以反映矿区采动生态环境的时间演变规律,其技术路线如图1所示。若某采动生态元的生态势能值接近于背景生态元,则可反映开采沉陷对地表生态环境的滞后影响效应。

图1 基于生态场理论的矿区生态环境采动累积效应分析技术路线

2.2 研究程序步骤

基于上述思想,首先构建生态位元素体系,并且对研究区域进行生态元划分,然后对不同时相的遥感影像逐生态元进行影像分类,利用分类结果专题图进行生态位元素值计算,作为累积效应研究的基础数据。

2.2.1 生态位元素体系构建

考虑到矿区生态场不同层次生态位与开采沉陷之间的因果关系,以及生态位元素对于揭示采动累积影响规律的敏感特性,并兼顾元素选取原则,构建生态位元素体系 (见图2)。需要说明一点,将资源保障类、回收技术类和经济发展类元素一起纳入元素体系是为了将经济、社会、资源、环境诸要素共同置于矿区生态场中以便于分析开采活动与矿区生态场之间的复杂因果关系。

2.2.2 生态元划分

图2 矿区采动累积影响生态位元素体系

如图3所示,若分别以 d1、d2、d3表示采区采动影响缓冲区域下山、上山和走向方向宽度,则式中:H1、H2、H3分别表示开采区域各工作面中最外边界下山、上山和走向方向的开采深度;β、γ、δ分别表示下山、上山和走向移动角,h表示松散层厚度;φ表示松散层移动角。图3中阴影边界范围内即为采动生态元区域[5];背景生态元选取时应综合考虑行政区划、地貌地形特征、生产生活方式、经济发展水平等因素,在研究区井上下对照图、地形图上与采动影响区具有可比性区域范围内图解选取。地类间的异同,将矿区土地利用类型分为耕地、林草地、水域、建设用地和未利用土地共5个类型[6]。TM影像在波段宽度设计上针对性强,可很好地进行不同土地利用类型的信息提取。依据波段间的相关性,摈弃地物辐射差异极小因而不利于地物识别的波段,并降低信息的冗余度,本文选取 TM 2、TM 3、TM 4、TM 5和 TM 7五个波段进行矿区地类识别和特征提取。依据地类识别准则确定各波段组合,采用监督分类方法并借助于土地利用现状图、井上下对照图、地块形状以及研究区生产生活方式等辅助手段可以获取比较准确的土地利用类型。

2.2.4 生态位元素值测算

由图2可以看出,生态位元素中土地覆被指数、植被盖度、土壤侵蚀度、土壤肥力和资源回收难度可以借助于 GIS或RS等技术手段,通过建模分析获取,其他元素则可以通过现场调查、统计报告或图解得到。本文主要介绍反映土地利用/覆被态势指数、植被盖度,以及土壤侵蚀强度的量化与测算方法,其他指数如土壤肥力、资源回收难度指数的确定也比较复杂,其量化和测算方法见相关参考文献。所有指数共同参与矿区生态环境的采动累积效应分析。

2.2.4.1 土地利用/覆被指数测算

土地利用/覆被态势指数主要包括可刻划土地利用现状的态指数和反映其变化趋势的势指数两种类型:前者包括各地类覆盖率、垦殖指数I和土地利用程度综合指数L;后者主要以各地类面积变化率、土地利用动态度LC、土地利用变化类型多度D1和重要度IM等描述。

图3 采动影响缓冲带示意图

2.2.3 遥感影像特征提取与影像分类

遥感影像解译和特征提取就是根据地物反射光谱特征、地物自身特征和地物间的关系特征,从遥感影像上获取目标地物信息。结合矿区土地的用途、经营特点、利用方式和覆盖特征等因素,根据全国《土地利用现状调查技术规程》,并考虑

式中:AP为研究单元内耕地所占的土地面积,AU为研究单元内可利用土地总面积;ai为第i类土地利用程度分级指数,Ci为与ai对应的土地面积百分比;Li为研究期初 i类土地利用类型面积,△Lij为研究期内由i转化为非i类土地利用类型的面积;Ni为某种土地利用变化类型的图斑数,N为研究区全部变化图斑的图斑总数;C为该变化类型的图斑总面积占所有变化图斑总面积的百分比[6-7]。2.2.4.2 土壤侵蚀强度测算

土壤侵蚀强度是指地壳表层土壤在自然营力(水力、风力、重力及冻融等)和人类活动综合作用下,单位面积和单位时段内被剥蚀并发生位移的土壤侵蚀量,通常以土壤侵蚀模数表示[10]。根据图4所示的分级标准,土壤侵蚀强度主要与土地利用/覆被、植被覆盖度和地面坡度有关。地表覆被和植被盖度的测算方法前已述及,采动地面坡度可通过GIS技术构建DEM获得。若以

t0表示研究区生态场初始时刻t0的DEM模型,依开采沉陷理论的动态预计方法已预先构建t时刻数字沉陷模型t,则可按照式 (5)进行反演运算生成评价时刻t的

图4 土壤侵蚀强度分级指标和分级标准

2.2.5 采动累积效应分析

矿区生态环境的采动累积影响,一方面表现为空间层次分异特征,即矿区生态场不同位置表现出的生态势差。另一方面表现为时间层次的演变,该特性又包含两种含义,其一是响应生态位元素值随采后时间发展变化,表现为不同时刻的生态势差;其二是本征生态位元素的生态势差,反映了不同时开采的煤炭资源在资源保障、回收技术和经济发展诸方面表现出的差异特征。由于响应元素的空间累积分异特征通过时间累积演变规律加以分析,因而生态位元素的时间累计变化规律分析更为关键。

2.2.5.1 采动生态势的确定

采动生态元与背景生态元相应生态位元素势差主要表现为比例关系和差额关系,若以MNEIi表示采动生态元第i个生态位元素的采动势差,则

式中:△M EIij和△CEIij分别表示采动生态元和背景生态元的生态势差,即单位时间内的生态位增量。

需要说明:①当生态位元素势差为大于100%的比率时,可先将其归一化为 [0,100%],然后再按式 (6)进行运算;②当生态位元素为等级数值 (如土壤侵蚀度)时,可先按照相关标准将其量化为数值型或比率型,然后按上式进行运算,需要时再转化为等级型结果。若将背景生态元的初始时刻 t0生态位元素值 Mt0作为采动势的初值(即将其视作未经历开采扰动的生态元),则某采动生态元在考察时刻i的采动生态势可表示如下,

2.2.5.2 矿区生态场的采动累积效应分析

矿区生态场总是处于不同的时空层次上,因而对其采动累积效应分析也应该从空间分布和时间演变两个方向维进行。如图1所示,相同考察时刻不同采动生态元采动生态势的比较分析可以确定采动累积效应的空间分异特征;相同采动生态元不同考察时刻间采动生态势的比较则可反映采动累积效应的时间演变特征。而以考察时刻为行终采时刻为列的采动势矩阵的“迹”(图1中对角线方向)为按照上述各生态元的不同采后时间(即考察时刻距终采时刻的时间距离)对应的采动生态势序列,该序列反映了开采活动与采动生态元之间的因果关系,据此即可分析矿区生态环境的采动累积效应。

以数组 {Mi1,Mi2,…,Mij,…,Min}表示第i生态位元素对应的采动生态势时间序列数组,若相邻时刻τ1与τ2对应的采动势之较差小于规定的容许值ε,即

且自τ2时刻起,序列依照某种规律收敛于某数值,则τ1距终采时刻的时间距离可作为该生态位元素的采动延迟。

3 实例分析

以潞安矿区某矿井开采沉陷区作为研究区,选取1997年 9月 19日、2000年 05月 07日和2002年9月11日三个时相的 TM遥感影像,划分为4个采动生态元和1个背景生态元,以此为分析单元、遥感影像的获取时刻为评价时刻,根据生态位元素体系构成图按响应生态位元素 (土地覆被态势相关指数和土壤侵蚀强度)和本征生态位元素 (如煤层稳定性和资源回收难度)对研究区进行采动累积效应分析。

图5为该两类生态位元素的采动累积效应曲线。显然,建设用地覆盖率在采后呈现明显的上升趋势,并逐步稳定至20%左右的水平;耕地覆盖率基本上呈下降趋势,并逐步稳定于70%左右;植被覆盖率受采动影响的变化趋势不如建设用地和耕地明显,但也呈现下降趋势并逐步稳定;垦殖指数与耕地覆盖率的变化规律基本相似。但土地综合利用指数在开采后的10年内变化趋势极不明显,变化频次剧烈,此后逐步稳定在约3.1的状态水平。土壤侵蚀却具有不同的采动累积趋势:终采后土壤侵蚀指数先增大,至终采后的12年左右增至最大,然后又逐步下降至一个新的水平,但稳定后的土壤侵蚀指数仍大于采动影响波及之前。由此,可以得到以下结论。

图5 部分生态位元素的采动累积效应曲线

1)图5中可以反映土地覆被指标变化的三个阶段:第一阶段 (采后1～4年)为剧烈变化阶段,第二阶段 (采后4～13年)为缓慢变化阶段,第三阶段即采后的13～26年,为平稳变化阶段,各地类覆盖率变化幅度越来越小,变化速率越来越接近于t轴,说明土地覆被进入了新的动态平衡状态。

2)土壤侵蚀指数的采动变化三阶段为起始阶段,即采后的2～4年;然后进入土壤侵蚀恶化阶段 (采后的4～17年),土壤侵蚀指数达到其最大值约1.3;此后至采后26年可称为改善阶段,土壤侵蚀将在较长时间内维持在一个新的水平,但很难达到采动影响前的较低水平。

3)各指数的采动变化明显滞后于开采活动。对图4中各指标采动曲线进行拟合,得到各指标与采后年份的相关关系式。

式中,各指标的采动延迟不尽相同,依据式(8)式(9),土地覆被的采动延迟约为13年。土壤侵蚀自采后4年开始波及,采后17年达到最严重水平,其采动延迟可确定为采后17年。

4 结论与展望

开采沉陷是造成矿区环境灾害的直接根源,随着开采的持续进行,各生态环境因子受破坏程度日趋剧烈,开采沉陷对矿区生态环境的持续影响还表现为矿区生态环境系统结构的严重异质化,其服务性功能也呈整体下降趋势。本文基于场论和GIS技术进行矿区生态环境的采动累积效应分析。论文首先介绍了生态场理论与相关概念;考虑到矿区生态场不同层次生态位与开采沉陷之间的因果关系,以及生态位元素对于揭示采动累积影响规律的敏感特性,构建了生态位元素体系;然后对研究区域进行生态元划分,并以此为单位对不同时相的遥感影像进行影像分类,利用分类结果专题图进行生态位元素值计算,作为累积效应研究的基础数据。论文主要介绍了土地利用/覆被态势指数、植被盖度以及土壤侵蚀强度等生态位元素的量化与测算方法,描述了采动生态势的确定方法以及基于此进行生态环境采动累积效应分析的程序方法。最后以潞安矿区某开采沉陷区为研究对象进行了示例分析,得到该矿区主要生态位元素的采动累积效应规律。应该指出,矿区生态场各生态位元素之间的相关关系关系以及各生态位元素的采动累积规律形成原因极其复杂,该方面的研究是确定矿区生态环境采动承载指数和矿区生态健康评价的重要依据,限于篇幅,将另行撰文陈述。

[1] 连达军.矿区生态环境的采动累积效应研究——以潞安矿

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