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關于風積沙區(qū)土地生態(tài)損傷自修復能力評價方法的研究

2015-12-24 09:42:21 中國安裝信息網

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作者：曹健國

    礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的自修復是揩采礦驅動力在對地表生態(tài)環(huán)境造成損傷的過程中，自動修復部分生態(tài)損傷的現象和過程。煤炭資源的開發(fā)不可避免地對土地生態(tài)環(huán)境造成損傷，隨著能源戰(zhàn)略西移，煤炭開采對西部脆弱的土地生態(tài)環(huán)境的損傷日趨嚴重。在以往實踐中，常常采取工程技術措施對采煤沉陷損傷區(qū)域加以修復并取得了一定效果，然而在生態(tài)脆弱的風積沙礦區(qū)，人工修復對生態(tài)環(huán)境可能造成二次破壞的不確定性以及修復措施的投入與產出等問題促使人們考慮通過自然營力、采煤驅動力等使采煤沉陷損傷區(qū)域實現自修復。本文基于野外觀測結果，對研究區(qū)土地生態(tài)損傷自修復能力進行評價，為減少人工修復對礦區(qū)的擾動及降低生態(tài)修復成本提供理論參考。

1  研究區(qū)概況

    研究區(qū)位于山西、陜西、內蒙古交界的風積沙煤礦區(qū)，礦區(qū)地表以蓋沙黃土為主，因遭到沙漠多次侵擾，地表覆蓋較厚風積沙層，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。礦區(qū)工作面開采尺寸較大（長度約為300 m，推進距離大于2000 m），屬于超大工作面，推進速度較快，開采強度大、效率高。選擇該礦區(qū)某超大工作面進行研究，該工作面開采1-2煤，全長約為3500 m，工作面寬度為300.5 m，平均煤層厚度為4. 81 m，傾角為1�！�3。，屬層狀構造，條帶結構，

煤層穩(wěn)定。煤層埋深約為200 m，采用一次性采全高、綜采放頂煤開采，全部跨落法管理頂板，日進尺量約為10 m，具有典型的高強度開采特征。

2評價模型

    風積沙區(qū)煤炭開采造成的土地生態(tài)損傷主要為無積水塌陷盆地以及地裂縫和附加坡度等微地形變化，針對此特點按照附加坡度將采空區(qū)某段分為上坡、中坡和下坡進行研究。因此，可選取某段工作面將其按上坡、中坡和下坡劃分為3個評價單元，以地形及土壤特性作為土地生態(tài)損傷自修復能力評價指標，通過對不同開采時序評價指標演變特征的研究，，對各評價單元進行自修復能力評價，得出不同時序各單元土地生態(tài)環(huán)境與原始背景值的變異程

度，確定各單元是否具備自修復能力。利用各單元評價結果推算區(qū)域整體自修復能力，得出具有自修復能力的分布范圍。根據評價目的采用綜合指數法數學模型進行評價，該模型可體現各評價指標之間的相互作用及其對受損土地生態(tài)環(huán)境質量的綜合影響，計算結果能較為直觀地反映評價指標總體特征。

2 1  指標體系構建

    評價指標應能表征煤炭開采活動引起的受損土地質量變化。選擇評價指標時主要考慮反映煤炭開采活動的地貌地形變化和土壤特性的因素。具體指標體系見表1。

2.2  評價體系構建

    由于反映土壤特性指標的絕對值相對較低，屬貧瘠土壤，《農用地質量分等規(guī)程》和《土地復墾方案編制規(guī)程》中等級劃分的部分準則較難區(qū)分該區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境的演變程度，而評價的重點是探討受損土地是否具備自修復能力，并確定土地受損后狀態(tài)與原始狀態(tài)的相似程度，并依次確定具備自修復能力的土地范圍。依據土地受損后各評價指標與原始值之間的相對值占原始值的比例，基于層次分析法和德爾菲法進行分級賦值。

2. 2.1  評價體系的等級分級原則

    (l)附加坡度等級劃分。依據《土地復墾方案編制規(guī)程》中采煤塌陷土地旱地損毀程度分級參考標準，附加坡度分為3個等級：1級附加坡度O～0.6；2級附加坡度0.6～1.2；3級附加坡度≥1.2。

    (2)地裂縫等級劃分。風積沙區(qū)動態(tài)裂縫留存時間較短，邊緣裂縫則長期存在，為體現地裂縫對土地的損傷程度，以土地原始狀態(tài)作為參考值，無地裂縫時參考值為o，作為最高等級的指標值，以裂縫寬度總和的最大值作為最低等級的指標值，實測最大值為191. 25 mm，劃分為5個等級，梯度值定為48 mm，其中5級時裂縫寬度≥192 mm。

    (3)土壤特性指標等級劃分。同樣以土地原始狀態(tài)作為參考值，以每個指標最大變化幅度f作為最低等級指標值，劃分為5個等級，等級梯度值為f/4，其中大部分指標為效益型指標，即開采對其產生負面影響，而土壤孔隙度、PH等指標為非效益型指標。

2.2.2  評價指標賦值的原則與方法

    評價指標賦值應遵循如下原則：基于指標與受損土地生態(tài)環(huán)境相關研究確定分值；分值與土地生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣呈正相關；分值體系采用0～100分的封閉區(qū)間體系。

    (l)附加坡度分級賦值。1級影響不明顯，分值為100～90分（無附加坡度取值為100分）；2級影響較明顯，分值為75分；3級影響明顯，分值為50分。

    (2)裂縫寬度分級賦值。1級寬度為0～48mm，破壞不明顯，分值為90分；2級寬度為48～96 mm，破壞較明顯，分值為80分；3級寬度為96～144 mm，破壞明顯，分值為70分；4級寬度為144—192 mm，破壞顯著，分值為50分；5級寬度≥192 mm，破壞極顯著，分值為30分。

    (3)土壤特性分級賦值。1級基本無影響且與原始背景值基本無差異，分值90分；2級影響比較小且與原始背景值有差異，但差異比較小，分值80分；3級影響較明顯且與原始背景值差異較為明顯，分值70分；4級影響明顯且與原始背景差異顯著，分值60分；5級影響極明顯且與原始背景差異顯著，分值50分。根據對土壤理化指標的測定，各指標最大變化幅值為：速效磷36.42%，速效鉀18%，有機質32%，PH6. 21%，全氮10. 83%，容重9%，孔隙度12. 84%，含水量19%。等級劃分與賦值情況見表2。

2.2.3  評價模型計算

    運用綜合指數法模型進行評價單元土地生態(tài)環(huán)境自修復能力的綜合判讀，并以此評價結果對評價對象的土地生態(tài)環(huán)境自修復能力進行分析研究。其計算公式如下：

式中：Q-受損土地生態(tài)環(huán)境自修復能力綜合分值；

    根據所得分值，按照等間距法將各評價單元的土地生態(tài)環(huán)境自修復能力進行分級。分級情況為：自修復能力分值≥90分，具有明顯的自修復能力；自修復能力分值80～90分，具有自修復能力；自修復能力分值<80分，不具有自修復能力。

2.3指標權重及研究范圍的確定

    綜合運用層次分析法和德爾菲法確定指標權重，賦值情況見表3。評價單元分布如圖1所示。

    采樣條帶在距離開切眼350～390 m的范圍內，而下坡、中坡和上坡采樣點距離工作面走向中心線40 m、80 m和120 m。

    注：裂縫寬度為評價單元內表征較明顯的地裂縫的最大寬度總和，評價指標權重矩陣的一致性檢驗：CI<O.1，判斷矩陣可以接受

2.4評價單元的賦值與計算

    利用評價區(qū)域實測數據，根據上述分級標準及賦值原則，對塌陷初期、3個月、5個月和7個月評價單元的各指標進行賦值計算，可得各評價單元自修復能力分值，結果如圖2所示。

    由圖2可知，工作面塌陷5個月之后，受損的中坡和下坡區(qū)域表現出較好的自修復能力，且處于均勻沉降區(qū)的下坡具有明顯的自修復能力。根據開采沉陷學原理，研究區(qū)超大工作面走向與傾向方向均達到充分采動，且下沉盆地內部出現大范圍的均勻沉降區(qū)，利用ArcGIS軟件可得采動后附加坡度，如圖3所示。

    工作面停采后，根據圖3確定下沉盆地盆底的實際范圍．具備明顯自修復能力的土地區(qū)域占下沉盆地的比例約為40%，而中坡和上坡區(qū)域則需輔以人工修復，是礦區(qū)土地治理的重點區(qū)域。

3評價結果分析

    (l)下坡自修復能力隨塌陷時序的延長而遞增，從側面反映出采動主要影響時段在塌陷初期，且隨著地表由松動轉為沉實，地裂縫以及附加坡度的負面影響大幅弱化，土地生態(tài)環(huán)境明顯好轉。塌陷7個月時，土地生態(tài)環(huán)境逐漸趨向于原始背景值，說明工作面下坡區(qū)域土地具備明顯的自修復能力。

    (2)中坡與下坡類似，塌陷初期較下坡的分值偏大，主要是因為地裂縫表征較弱。與塌陷初期相比，自修復能力分值有小幅增長，且在塌陷7個月時自修復能力的分值接近90分，具備較強的自修復能力，分值變化主要緣于地形地貌變化，研究區(qū)下沉量不斷增大，接近最大下沉值的范圍不斷擴大，與地表原始形態(tài)基本一致。

    (3)上坡自修復能力綜合得分普遍較低，除塌陷初期外均低于70分，主要因拉伸應力作用于上坡，地表附加坡度較大，且分布相對穩(wěn)定的邊緣裂縫，隨著塌陷時序的延長，后期分值的增長主要是因地表塌陷范圍增大、附加坡度減小和部分土壤特性指標略有恢復所致。

    上述分析表明，土地生態(tài)環(huán)境自修復能力主要取決于研究區(qū)地形地貌與原始狀態(tài)的差異。根據開采沉陷學原理，超大工作面區(qū)域內達到充分采動，下沉盆地盆底范圍的土地在工作面趨于穩(wěn)定后達到該地質采礦條件下的最大下沉值，盆底范圍處于均勻沉降區(qū)，即在采礦驅動力作用下達到充分采動，地表基本無裂縫和附加坡度的存在，與原始地形地貌基本一致，實現自修復。

4  結論

    (1)評價結果表明具備自修復能力的區(qū)域占下沉盆地的比例約為40%，實際施工過程中可盡量減少人工和工程機械對地表生態(tài)環(huán)境的影響，節(jié)省復墾成本。

    (2)超大工作面開采使得工作面走向與傾向方向達到充分采動，擴大了均勻沉降區(qū)的范圍，盆底區(qū)域可基本恢復到采前原有地形即實現自修復，采礦驅動力是獲得較強自修復能力的重要因素。

(3)風積沙區(qū)高強度開采可使采動影響的范圍減小，且采后7個月下沉盆地盆底范圍即有明顯的自修復能力，說明高強度開采可緩解風積沙區(qū)煤礦開采與生態(tài)環(huán)境保護相矛盾的格局，可加強高強度開采技術在風積沙礦區(qū)的應用。

5摘  要 

 為了對風積沙區(qū)土地生態(tài)損傷自修復能力進行評價，選取典型風積沙煤礦土地生態(tài)損傷區(qū)，依據附加坡度進行評價單元劃分，在不同開采時序對不同評價單元地裂縫進行統計，同時對土壤理化特性指標進行采樣分析，綜合運用層次分析法和德爾菲法確定指標權重，采用綜合指數法數學模型對研究區(qū)土地生態(tài)損傷自修復能力進行評價，結果表明高強度開采條件下40%的受損區(qū)具有明顯自修復能力，可明顯減少土地修復成本。

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