兖矿采煤塌陷区农村新居民点布局分析

(曲阜师范大学 地理与旅游学院,山东 日照 276826)

1 引言

煤炭资源开发利用一方面对国民经济发展具有重大推动作用,另一方面又对资源开采区压煤村庄的安全和生态环境产生重要影响[1]。《山东济宁市压煤村庄搬迁用地规划(2007—2020年)》报告显示,在我国东部平原的采煤区,煤炭资源开采引起地表下沉,导致地下水位出露地表、洼地大量积水、粮食减产甚至绝收，在人口密度大、村镇密集的地区引起严重的人地关系问题,特别是塌陷区居民点的搬迁问题[2]。新居民点的搬迁、选址用地、安全等成为政府和煤炭企业面临的难题,制约着矿区和矿区城市的可持续发展。

农村居民点用地整理是人口、资源、社会、经济发展到一定阶段必须面临的问题，随着农村生产力水平的提高而显得更加迫切。农村居民点用地整理也是我国统筹城乡发展和促进城镇化进程中不可或缺的需求[3]。目前,我国的土地整理的主要目标是增加耕地数量和保持耕地总量的动态平衡[4]。农村居民用地整理在改善农民生产居住环境、提高农村生产总值等方面具有重要作用,对促进农村土地的集约利用也具有重要意义[5]。

兖州煤矿区坐落在山东省西南部,在我国煤炭生产和外贸领域具有重要的地位[6]。兖州煤矿区的煤田范围涉及曲阜、兖州、微山、济宁、邹城等多个市县,总面积44040hm2,煤炭储量133亿t。兖州煤矿作为我国14个大型煤炭基地矿区之一,由于开采量和开采种类等优势在全国煤炭行业有着不容忽视的地位[7]。兖州煤矿煤炭资源开采在促进地方社会经济发展的同时也形成了大量塌陷地,使人地矛盾更加严峻。

本文以兖州煤矿区中的兖州煤田为例,基于RS和GIS对矿区塌陷地范围内农村居民点布局的适宜性进行评价。确定在农村居民点的安排既追求社会经济效益,又满足用地需求,研究结果对缓解人地矛盾、促进社会经济发展、解决“三农”问题具有重要的意义[8]。

2 研究区概况

兖州煤矿区是我国众多的优质煤田之一,现有9对生产矿井,分别是南屯、唐村、北宿、兴隆庄、鲍店、杨村、东滩、济二、济三等煤矿[9]。研究区选取南屯、唐村、北宿、兴隆庄、鲍店、杨村、东滩作为研究范围(图1)。

图1 兖州煤矿区地理位置

兖州煤矿矿位于鲁西南平原地区,整个矿区地势相对平坦。矿区内煤层厚度大、埋藏较深、煤层赋存稳定、煤炭开采条件适宜、水文和地质构造较简单,这些条件使该地区适宜建设大型和特大型矿井[5]。矿区所在地属于温带,气候为半湿润季风区,属大陆性海洋性过渡气候,具有四季分明的特点,年平均降水量712.99mm,年平均气温14.1℃。兖州煤矿区的雨季集中在每年的7月和8月,有时会延长到9月,最大降水量可达1263.88mm,约占全年降水量的65%[6]。兖州煤矿集团本部在山东省济宁市境内,交通运输条件十分优越。矿区西部有京九铁路,内部有京沪铁路、新石铁路交叉,城乡公路网络由四条国道和八条省道构成,水运骨干是自南向北贯穿矿区的京杭大运河。

3 基础数据来源及研究方法

3.1 数据来源

基于2009年、2012年、2015年三年的兖州煤矿区及周围地区大比例尺0.49m像素分辨率的航空遥感影像,提取矿区的中心城镇、农村居民点、工矿用地、耕地、园林地、水域、道路等地类图斑。同时,对其进行矢量化信息提取与处理,形成景观类型图。坡向数据来源于谷歌地图下载的15.56m/像素高分辨率的高程数据,用ArcGIS对坡向数据进行提取分析；矿区坐标来源于《山东省济宁市煤炭资源总体规划》；其他所需数据来自于相关文献、网络资料等途径。

3.2 数据预处理

本文利用ArcGIS软件Arctoolbox中的擦除、统计、密度分析、欧氏距离分析等工具,观察和分析2009年、2012年、2015年3年来农村居民点的变化情况及村庄与影响因子的关系,得到研究区村庄分布现状,发现随着塌陷范围的扩大,居民点逐步搬离塌陷区,搬迁方式主要有两种：一是迁入邻近的中心城镇,二是就近择地多村合并。

基于观察发现的居民点主要搬迁方式,结合当地实际情况,选取村庄适宜性评价指标体系。指标体系选取对选址有重要影响的三方面因素,即区位因素、地质因素和社会因素,最终采用综合加权法计算矿区农村居民点的适宜性值[11]。

3.3 研究方法

GIS空间分析基础理论:空间分析作为地理信息系统的重要功能之一,目的是提取和传输空间信息。基于地理对象空间位置的数据分析技术,主要包括以下几种形式:①叠加分析。又称为“叠合分析”,是指在相同的空间参考系统基础上对两组数据进行一系列逻辑交、逻辑并、逻辑差等运算,产生新数据的过程。②缓冲区分析。主要是指以点、线、面实体为基础,在周围具有一定宽度的缓冲区多边形,并将目标图层与多边形进行叠加,分析得到相关结果。③表面分析。表面分析是指在原有数据基础上生成新的数据集,如坡度、坡向。它反应了原始数据集中一些隐含的空间特征、格局模式。④栅格计算。通过建立应用数学模型中的基本模块,可解决空间数据分析和处理方面的各类难题,因此是GIS分析中最常见的方法[12]。

塌陷积水区影响:塌陷积水区仍以一定的速度在扩张,因此居民点选址应尽量避开塌陷区,距离塌陷区越远越适宜。

中心镇影响程度:中心镇作为某地区的政治、经济和文化中心,直接影响着农村居民点的选址布局。距离中心镇近的地区,各项设施建设更加完善,更适合于人口聚集;反之距离远的地区则不利于人口的聚集。中心镇作为一个点状要素模型,在赋值计算时按照辐射距离衰减的方法进行计算。

指数衰减公式为:f=F(l-r)

(1)

直线衰减公式为:f=F(l-r)

(2)

式中,f为设施在d点的作用分;r为相对距离:F为该设施的功能分。

r=di/d[0≤r≤1]

(3)

式中,r为相对距离;d为该指标服务半径;di为服务半径内某点距指标的距离。

点状要素影响半径计算公式为:

(4)

式中,n为点状因素个数;S为评估面积[10]。

点要素分值转化为面要素分值公式为:

fm=(fn+f(n-1))/2

(5)

式中,fm为n与n-1衰减线之间的作用分层面分值;fn为第n条衰减线分值;f(n-1)为第n-1条衰减线分值。

道路通达度:便利的交通会促进该地区的各项发展,因此道路通达度也是决定农村新居民点选址的重要条件之一。道路通达度作为线状要素,对农村居民点选址有着反向影响,其影响程度会随着距离增大按一定规律衰减。

线状因素影响半径计算公式:

d=S/2L

(6)

式中,L为线状要素长度;S为线状要素影响面积[12]。

坡向:常用的地形地貌因子有高程、坡度、坡向等。研究区位于平原地区,高程为19—383m、坡度为0—28.26。由于这两个因子对村庄选址影响甚微,因此研究中只选取坡向因子参与评价,地面坡向对农村居民点尤其是山区的农村居民点布局有直接的影响。本文将坡向分为东南、西南、南、东、西、东北、西北、北八个方向,研究区域内无无坦区域,因此不再考虑；将坡向作为面状要素进行处理,面状因素仅对该地块有效,具有非扩散性,量化方法均采用均值度法。等级划分首先要得到原始数据频率的分布情况,得出频率分布曲线,然后选择边界值来确定均匀区数量等级,计算公式为:

Pi=100(bi-b劣)/(b优-b劣)

(7)

式中,bi为该因素第i级均质区原始数据的均值;pi为该因素第i级均质区作用得分;b劣为该因素最劣均质区原始数据的均值;b优为该因素最优均质区原始数据的均值[10]。

景观类型:在国家法律法规约束条件下,农村新居民点布局要受到景观类型的影响,将景观利用类型划分为耕地、园林地、水域、建设用地,并当作面状要素进行量化处理。

综合评价的计算方法:兖州矿区农村新居民点布局适宜性评价过程综合分析考虑了许多因素,并运用综合加权法计算得出结果。土地适宜性在一定程度上反映了土地条件的适宜性和土地利用的局限性[6],通过加权计算,若该地块得分越高,说明该地区越适宜作为农村新居民点选址;反之得分越低,则相反。

(8)

式中,W为综合评价得分;ai为评价指标权重;pi为评价指标量化分值[13]。

4 评价流程与指标体系的构建

4.1 评价流程

兖州矿区农村居民点适宜性评价首先应构建评价指标体系,确定指标权重(图2)。在此基础上,计算各评价指标的综合加权得分,并对评价等级进行划分。

图2 适宜性评价流程

4.2 评价指标体系的构建

评价应遵循的原则:①综合分析与主导因素相结合原则。农村新居民点选址是各种因素共同作用的结果,需要考虑自然、社会等因素,因此在评价时应进行综合分析。但不同因素对农村居民点有着不同的影响,对起主导作用的因素要进行重点分析,突出它对评价结果的作用,避免不同的因素产生相类似的影响,使各项因素组成一个有机的整体[14]。②可获得性与科学性原则。要充分考虑基础研究与资料的收集整理情况,考虑资料的可获得性。在评价指标体系的构建过程中,难免会遇到资料难以获取和指标难以量化的问题,这时可通过查询社会经济部门和相关部门的统计资料、调查报告等方式获取指标的相关数据,也可以采取抽样调查等方法获取[15]。③社会经济因素与生态因素相结合的原则。要使评价体系具有科学性,必须兼顾社会经济因素与生态因素。在对农村居民点的指标选取过程中,必须考虑到农村居民点本身的复杂性和社会经济条件、生态条件[16]。

完善相应的评价指标体系:影响农村居民点布局适宜性评价的因素众多,因素之间相互影响而又相互联系,可分为宏观与微观因素、直接因素与间接因素[17]。准确选取评价指标对构建评价指标体系至关重要。根据评价体系应遵循的原则,并参考国内外学者的研究现状,结合兖州矿区实际情况,构建出兖州煤矿区农村新居民点布局适宜性评价指标体系(图3)。

图3 兖州煤矿区农村新居民点布局适宜性评价指标体系

评价因子权重的确定:参考国内外学者的研究状况,结合兖州矿区实际情况,运用经验法和屈历强、南晓娜等[18-22]的指标权重,最终确定兖州矿区农村新居民点布局适宜性评价总权重,见表1。

表1 兖州矿区农村新居民点布局适宜性评价指标权重

4.3 评价指标的空间布局与量化处理

选取包括兖州煤矿区土地的自然和社会属性的3类因素包括的5个指标,运用分析数据、相关文献、专家咨询、定性和定量相结合的方法对评价指标进行量化,得到相对合理的量化值。其中,地面塌陷区产生的为正向影响,距离塌陷区越大得分越高；道路通达度和中心镇产生的为负向影响,距离道路中心和中心镇越近得分越高；景观类型和坡向影响分数根据其类型确定,分数的赋值范围为0—100。

区位因素:道路通达度:道路通达度是决定农村居民点布局的重要条件之一。由线状因素的量化公式方法得到最远道路的影响距离,道路的影响方式为指数衰减方式。线状因素的影响方式为向两侧减弱。经过式(6)计算并结合兖州煤矿区的实际情况,道路通达度影响半径为2km(图4),结合陈然[23]的量化分值,赋值见表2。

图5 兖州矿区距离中心镇量化分布

影响范围(m)0—100100—200200—300300—500500—2000分值10080603010

中心镇影响程度:距离中心镇近的地区,各项设施建设更加完善,更适合于人口聚集;反之距离远的地区则不利于人口的聚集。按照点状要素模型,量化计算农村居民点的布局影响。依据兖州矿区实际并依据式(4)计算城镇影响距离为4.5km(图5)。结合陈然[23]的量化分值,赋值见表3。

表3 兖州矿区距离中心镇分值

社会因素:景观类型:建设用地最适宜作为新居民点的选址,园林地次之,耕地再次,水域则不适合作为居住用地(图6)。我们将景观类型当作面状要素结合屈历强、南晓娜等[18-22]的量化标准进行量化处理,处理结果见表4。

图6 兖州煤矿区景观类型

景观类型建设用地园林地耕地水域分值1006020NULL

地质因素:地面坡向直接影响着农村居民点的布局,将坡向划分为北、东北/西北、东/西、东南/西南、南五个等级(图7);将坡向作为一种面状影响要素进行量化处理,参考林爱文[17]的量化分值依次赋值为0分、10分、30分、60分、80分、100分(表5)。

表5 兖州矿区坡向量化分值

塌陷区影响:与塌陷区的距离远近直接影响到居民点搬迁的适宜性程度。距离塌陷区越近,越不适宜作为搬迁选择的地区；距离塌陷区越远,越适宜作为搬迁选择地区。以点要素定量模型为基础,研究了塌陷区对矿区农村居民点布局的影响。经过式(4)计算,结合兖州矿区的实际情况,塌陷区影响距离为9.0km(图8)。结合屈历强、南晓娜等[18-22]的量化分值,赋值见表6。

图7 兖州矿区坡向量化分布

图8 兖州煤矿区距离塌陷区量化分值

影响距离(m)800—9000600—800400—600200—4000—200位于塌陷区内部分值1008060300NULL

5 评价结果与分析

兖州煤矿区农村居民点布局适宜性评价是采用考虑多个因素的综合加权法。通过式(8)计算,若该地块农村居民点布局适宜性分值越高,说明该地区越适宜作为农村居民点选址,反之如果适宜性分值越低,则相反。兖州煤矿区农村居民点布局适宜性评价系统利用ArcGIS 10.2的空间分析功能中的栅格计算器,将影响农村居民点布局的5项因子进行空间数据叠加运算,划分为不适宜居住、较不适宜居住、一般适宜居住、较适宜居住、适宜居住5个适宜性等级(表7),并得到兖州矿区农村居民点适应性评价等级分布图(图9)。

表7 兖州矿区农村居民点适宜性评价等级分值

图9 兖州矿区农村居民点布局适宜性评价等级分布

兖州煤矿区农村居民点布局适宜性评价结果分为五个等级,其中适宜居住区面积382.5hm2,约占总面积的6.51%,主要分布在远离塌陷区、坡向向南、临近主干道以及中心镇和现阶段为建设用地的地块;较适宜居住区面积1148.7hm2,约占总面积的24.17%,主要分布在主要影响因子分值处于中上水平的地块;一般适宜居住区面积871.0hm2,约占总面积的25.09%,主要分布在主要影响因子分值处于中等水平的地块;较不适宜居住区面积313.4hm2,约占总面积的14.62%;不适宜居住区面积111.9hm2,约占总面积29.61%,主要分布在临近塌陷区、坡向向北、远离主干道以及中心镇和现阶段为耕地的地块。

6 结论与讨论

本文基于GIS的空间分析功能,以兖州煤矿区及周围遥感影像为数据源,选取塌陷区、坡向、道路通达度、中心镇和景观类型五个评价指标,参考相关研究的基础上,确定各指标权重,采用综合加权法对矿区居民点适宜性进行评价。通过分析可见,位于远离塌陷区、坡向向南、临近主干道以及中心镇和现阶段景观类型为建设用地的地块最适宜作为居民点的搬迁选址,仅为总面积的6.51%。

在农村居民点布局优化的复杂过程中,需要政府等相关部门的法律政策支持,也需要当地村民的支持。对采煤塌陷区新居民点选址的实施,应加强对村民的科普宣传,同时保障新居民点的基础设施建设用地。此外,文中指标体系精度和全面性尚需提高和完善,如何综合国家政策、传统文化等其他因素是进一步研究的重点。本文将农村集聚区简化为点要素进行宏观分析,其内部结构有待以面要素进行深入研究。