基于灰色聚类模型的重庆市典型矿区损毁程度研究

2016-08-15李妍均朱祥柯唐紫晗鲁嘉濠

中国水土保持 2016年8期

关键词：白化灰色重庆市

周　川，李妍均，朱祥柯，唐紫晗，鲁嘉濠，邹　蜜

(1.重庆地质矿产研究院外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室，重庆 4000422.重庆地质矿产研究院重庆市地质灾害自动化监测工程中心，重庆 400042；3.重庆大唐国际石柱发电有限责任公司，重庆 409106)

基于灰色聚类模型的重庆市典型矿区损毁程度研究

周川1,2，李妍均1，2，朱祥柯3，唐紫晗1，2，鲁嘉濠1，2，邹蜜1，2

灰色聚类分析；矿区损毁级别；评价模型；重庆

煤矿采空对矿区土地损毁过程复杂，损毁程度影响因素多样。考虑各煤矿面积和规模的差异性，选取受损耕地比值(Q1)、地表变形比值(Q2)、水源破坏比值(Q3)、煤炭开采深厚比(Q4)、煤层倾角(Q5)5个聚类指标，在有机结合灰色系统理论与煤炭科学的基础上，考虑重庆市采煤特点对聚类模型进行优化，给出评价中模型的计算方法，并以重庆市8个典型煤矿为例对其受损程度进行评价。结果表明，2个煤矿属于轻度损毁(Ⅱ)，6个煤矿属于极严重损毁(Ⅴ)。同时，根据粗糙集评价方法分析各煤矿的恢复难易程度，得出在评价结果Ⅴ级中石壕煤矿最难恢复，其次为南井、北井和松藻煤矿、曹家沟煤矿、福田煤矿；在评价结果Ⅱ级中韦家沟煤矿恢复治理难于田家煤矿。实践证明，评价结果与实际情况相符，此方法用于矿区损毁程度评价和恢复难易程度评价是可行、有效的。

煤炭作为我国工业化进程的能源基础，对我国的经济发展起着举足轻重的作用。目前，煤炭占我国能源生产和消费的70%左右[1]，比世界平均水平高40%。然而，随着经济的快速发展，对煤炭资源大肆开发利用的背后，隐藏着巨大的环境、社会代价。就煤矿开采而言，便导致了严重的地表裂缝、塌陷、缺水、生态环境破坏[2-3]。科学有效地评定矿区损毁程度，优化利用矿区土地是改善当地生态环境、生产生活的根本途径。灰色聚类是根据关联矩阵或灰数的白化权函数将观测指标或对象聚集成若干个可定义类别的方法[4]，在农业生态、环境污染、煤炭科学等领域被广泛应用。如在矿山地质灾害评价[5]、耕地损毁程度评价[6]、钻井安全评价[7]、水环境评价[8-9]、土壤污染评价[10-11]等方面均有大量研究。重庆是我国西南地区重要的煤炭生产基地，煤炭资源分布广泛，全市约90%的区县有含煤地层分布。以重庆市8个典型煤矿为研究对象，通过对煤矿基础数据及各类受损面积的调查研究，结合矿区实际情况，利用优化灰色聚类模型对8个典型煤矿的各项聚类指标进行白化函数和限制性指数赋值，比较各矿区的土地损毁程度，对于及时恢复与调整矿区土地利用结构具有一定的指导作用。

1　研究区概况

重庆市地处我国内陆西南部，辖23个市区、11个县、4个自治县，辖区东西长470 km、南北宽450 km，总面积8.24万km2。地势由南北向长江河谷逐级降低，西北部和中部以丘陵、低山为主，东北部靠大巴山，东南部连武陵山。年均气温16～18 ℃，年日照时数1 000～1 400 h，无霜期长，年均降水量大部分地区1 000～1 350 mm，降水多集中在5—9月，期间降水量占全年的70%左右，年均相对湿度多在70%～80%，气候温和，属亚热带季风性湿润气候区。

2　数据采集与处理

2014年10—11月，利用重庆市地形图、土地利用现状图、复垦规划图等现有资料，采用手持GPS定位和皮尺测量相结合的技术方法，对煤矿区面积、受损面积、耕地受损面积、水源地破坏面积等现场数据进行实地采集，并通过查阅煤矿资料对煤矿区的地层信息、开采埋深、煤层倾角、顶板管理方法、开采规模等基础数据进行现场搜集。

重庆含煤地层主要集中于三叠系须家河煤层、二叠系吴家坪煤层和二叠系龙潭组煤层，且存在分布广泛、煤层赋存条件差、开采难度大等特点。本研究在综合考虑重庆市煤炭开采的实际情况后，选取煤炭采空土地受损最具代表性的8个煤矿为研究对象，分别是位于渝西的韦家沟煤矿、渝北的曹家沟煤矿、渝中的中梁山南井、北井，渝南的石壕煤矿、松藻煤矿，渝东南的田家煤矿和福田煤矿。各煤矿基本情况见表1。

表1典型煤矿基本情况

3　重庆市典型矿区损毁程度评价模型构建

灰色聚类评价方法的根本在于对几个灰类进行归纳，以判断该聚类对象属于哪一种灰类的评价方法。首先是确定聚类指标和聚类对象，即样本空间T={T1,T2, …,Tx}，聚类指标空间Q={Q1,Q2,…,Qy}，聚类对象Tk的聚类指标实测值{Tk1,Tk2, …，Tki…,Tkn}，Tki表示聚类对象Tk的第i聚类指标的监测数据，各对象的监测数据构成空间指标特性矩阵Tx×n。

(1)标准矩阵分级。将聚类指标Qi划分为 m个等级，其分级标准为[Qi1,Qi2, …,Qim]，则对于某个具体研究区域，其分级标准矩阵为Qn×m。

(2)白化函数。白化函数是灰色聚类的基础，是计算聚类系数的依据，通过白化函数可以反映聚类指标对灰类的亲疏关系。当分级标准Qij依次增大时，指标在j级上的白化数按公式(1)求得；当Qij依次减小时，指标在 j 级上的白化数按公式(2)求得，白化函数(fkij)计算公式为

(1)

(2)

依次对各聚类指标进行白化处理，即可得到聚类对象Tk的白化矩阵Fk为

(3)相对限制性指数。根据上述要求构造指标的限制性程度公式(3)、指标的相对限制性指数公式(5)。

(3)

(4)

(5)

上三式中：xci为本研究所选8个煤矿各聚类指标中的最优值；xmi为所研究煤矿聚类指标的最大损毁值。

(4)聚类系数。得到聚类权值和白化矩阵后即可计算聚类对象的聚类系数。利用公式(6)即可计算得到评价对象的聚类系数矩阵Mx×m

(6)

(7)

(5)评定损毁等级。灰色聚类是根据聚类系数的大小来判断所属的级别。在聚类系数矩阵Mx×m的行向量中，聚类系数最大者所对应的灰类即是该评价对象所属的级别。

4　结果与分析

4.1标准矩阵分级

结合重庆市煤矿井工开采的特点，本研究通过对研究区矿区面积、损毁面积、耕地面积、耕地损毁面积等的实地测量，选取开采活动的几个主要影响因子作为聚类指标，分别为受损耕地面积与耕地面积比值(Q1)、耕地因地表变形损坏比值(Q2)、耕地因水源破坏损毁比值(Q3)、煤炭开采深厚比(Q4)、煤层倾角(Q5)共计5个聚类指标。在各煤矿范围内进行实地踏勘，运用GPS技术等实测矿区面积、耕地面积、不同形式的受损耕地面积等，经过数据汇总、整理、分析，得出各聚类指标的定值。8个聚类对象包含5个聚类指标，构成的空间指标特性矩阵为

在所选的8个典型煤矿中，其地域和环境存在诸多差异，为更好地反映其损毁程度，本研究以所选聚类指标的最大值与最小值为本次研究背景值，采用等间距法进行指标的分类。因重庆煤炭开采无露天开采，均为井工开采形式，根据土地受损影响因子分析，认为煤炭开采深厚比(Q4)越大，对地表土地影响越小，故Q4背景值取最大值。同理可得其他指标的背景值及等级标准值。根据实际需要，本文将矿区损毁程度划分为损毁不明显(Ⅰ)、轻度损毁(Ⅱ)、中度损毁(Ⅲ)、重度损毁(Ⅳ)、极严重损毁(Ⅴ)5个等级，对应的指标等级标准值矩阵为

4.2白化函数的确定

根据白化函数公式，即可得到各评价对象对应的白化矩阵{FT1,FT2, …,FT8}。以韦家沟煤矿为例，其白化矩阵为

在白化矩阵中如两个等级所分布数相同，则以更优评价等级为主。由上述矩阵可以看出，5个聚类指标对应的等级分别为Ⅰ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅰ、Ⅰ，聚类指标Q3和Q5有一定的白化数值，矩阵中的白化数准确反映了聚类对象对不同损毁等级的隶属关系。

4.3相对限制性指数的确定

本文以所选8个典型煤矿各指标的最优值作为背景值，综合分析可得各最优值分布为xT1=0.46(受损耕地比值)，xT2=0.01(变形比值)，xT3=0.02(水源地破坏比值)，xT4=2500(开采深厚比)，xT5=8°(煤层倾角)。依据上述模型介绍，根据公式(5)可计算出λ8×5为

4.4煤矿评价等级分析

依据公式(7)可得到评价对象在各等级中的聚类系数及评定等级，见表2。

表2　各煤矿综合聚类系数等级评定

通过灰色聚类模型对重庆市8个典型煤矿分析得到，8个煤矿中6个煤矿属于极严重损毁(Ⅴ)，分别是曹家沟、南井、北井、石壕、松藻和福田煤矿，韦家沟与田家两煤矿属于轻度损毁(Ⅱ)。评价结果与实地踏勘所得的部分耕地结构损毁、缺水漏水严重，最终不得不撂荒或转变土地利用方式的实际情况基本一致。

4.5煤矿恢复难易度分析

由图2可以得出，在判别研究对象所属灰类的同时，利用粗糙集评价方法可以得出相邻灰类煤矿的占有值，如曹家沟煤矿与石壕煤矿同属极严重损毁(Ⅴ)，如果我们采取相同的措施对其矿区进行恢复，曹家沟煤矿显然较石壕煤矿恢复快。如图2显示，在极严重损毁(Ⅴ)中，曹家沟该等级占总值的33.89%，而石壕占总值的77.30%。在矿区土地恢复工作中，综合考虑矿区的损毁等级及所在等级占比显得十分重要，损毁等级高且占比大的矿区应加大投入力度，通过充填、封堵等工程技术或将耕地变为林地、园地等提高土地利用率，实现土地资源的节约集约利用。

5　结　语

以重庆市8个典型煤矿作为评价对象，并根据损毁数据、煤层情况等资料构建评价指标，建立了基于灰色聚类模型的评价体系。评价结果表明，2个煤矿属于轻度损毁(Ⅱ)，6个煤矿属于极严重损毁(Ⅴ)。鉴于煤矿采集对区域生态环境影响的

图2　各煤矿所在评价等级占比情况

复杂性、潜在性、空间性、累计性和不确定性，在评价所属同级煤矿中，根据粗糙集评价方法分析得出，在评价结果Ⅴ级中恢复难易程度为石壕煤矿最难恢复，其次为南井、北井、松藻、曹家沟、福田煤矿；在评价结果Ⅱ级中恢复难易程度为韦家沟煤矿略难于田家煤矿。在矿区土地的恢复利用进程中，应充分考虑矿区土地受损的等级及所在等级占比，分片区分阶段分步骤进行土地恢复利用工作。

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(责任编辑孙占锋)