基于灰色聚類模型的重慶市典型礦區損毀程度研究

周　川，李妍均，朱祥柯，唐紫晗，魯嘉濠，鄒　蜜

(1.重慶地質礦產研究院 外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室，重慶 4000422.重慶地質礦產研究院 重慶市地質災害自動化監測工程中心，重慶 400042；3.重慶大唐國際石柱發電有限責任公司，重慶 409106)

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基于灰色聚類模型的重慶市典型礦區損毀程度研究

周川1,2，李妍均1，2，朱祥柯3，唐紫晗1，2，魯嘉濠1，2，鄒蜜1，2

(1.重慶地質礦產研究院 外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室，重慶 4000422.重慶地質礦產研究院 重慶市地質災害自動化監測工程中心，重慶 400042；3.重慶大唐國際石柱發電有限責任公司，重慶 409106)

灰色聚類分析；礦區損毀級別；評價模型；重慶

煤礦采空對礦區土地損毀過程復雜，損毀程度影響因素多樣。考慮各煤礦面積和規模的差異性，選取受損耕地比值(Q1)、地表變形比值(Q2)、水源破壞比值(Q3)、煤炭開采深厚比(Q4)、煤層傾角(Q5)5個聚類指標，在有機結合灰色系統理論與煤炭科學的基礎上，考慮重慶市采煤特點對聚類模型進行優化，給出評價中模型的計算方法，并以重慶市8個典型煤礦為例對其受損程度進行評價。結果表明，2個煤礦屬于輕度損毀(Ⅱ)，6個煤礦屬于極嚴重損毀(Ⅴ)。同時，根據粗糙集評價方法分析各煤礦的恢復難易程度，得出在評價結果Ⅴ級中石壕煤礦最難恢復，其次為南井、北井和松藻煤礦、曹家溝煤礦、福田煤礦；在評價結果Ⅱ級中韋家溝煤礦恢復治理難于田家煤礦。實踐證明，評價結果與實際情況相符，此方法用于礦區損毀程度評價和恢復難易程度評價是可行、有效的。

煤炭作為我國工業化進程的能源基礎，對我國的經濟發展起著舉足輕重的作用。目前，煤炭占我國能源生產和消費的70%左右[1]，比世界平均水平高40%。然而，隨著經濟的快速發展，對煤炭資源大肆開發利用的背后，隱藏著巨大的環境、社會代價。就煤礦開采而言，便導致了嚴重的地表裂縫、塌陷、缺水、生態環境破壞[2-3]。科學有效地評定礦區損毀程度，優化利用礦區土地是改善當地生態環境、生產生活的根本途徑。灰色聚類是根據關聯矩陣或灰數的白化權函數將觀測指標或對象聚集成若干個可定義類別的方法[4]，在農業生態、環境污染、煤炭科學等領域被廣泛應用。如在礦山地質災害評價[5]、耕地損毀程度評價[6]、鉆井安全評價[7]、水環境評價[8-9]、土壤污染評價[10-11]等方面均有大量研究。重慶是我國西南地區重要的煤炭生產基地，煤炭資源分布廣泛，全市約90%的區縣有含煤地層分布。以重慶市8個典型煤礦為研究對象，通過對煤礦基礎數據及各類受損面積的調查研究，結合礦區實際情況，利用優化灰色聚類模型對8個典型煤礦的各項聚類指標進行白化函數和限制性指數賦值，比較各礦區的土地損毀程度，對于及時恢復與調整礦區土地利用結構具有一定的指導作用。

1　研究區概況

重慶市地處我國內陸西南部，轄23個市區、11個縣、4個自治縣，轄區東西長470 km、南北寬450 km，總面積8.24萬km2。地勢由南北向長江河谷逐級降低，西北部和中部以丘陵、低山為主，東北部靠大巴山，東南部連武陵山。年均氣溫16～18 ℃，年日照時數1 000～1 400 h，無霜期長，年均降水量大部分地區1 000～1 350 mm，降水多集中在5—9月，期間降水量占全年的70%左右，年均相對濕度多在70%～80%，氣候溫和，屬亞熱帶季風性濕潤氣候區。

2　數據采集與處理

2014年10—11月，利用重慶市地形圖、土地利用現狀圖、復墾規劃圖等現有資料，采用手持GPS定位和皮尺測量相結合的技術方法，對煤礦區面積、受損面積、耕地受損面積、水源地破壞面積等現場數據進行實地采集，并通過查閱煤礦資料對煤礦區的地層信息、開采埋深、煤層傾角、頂板管理方法、開采規模等基礎數據進行現場搜集。

重慶含煤地層主要集中于三疊系須家河煤層、二疊系吳家坪煤層和二疊系龍潭組煤層，且存在分布廣泛、煤層賦存條件差、開采難度大等特點。本研究在綜合考慮重慶市煤炭開采的實際情況后，選取煤炭采空土地受損最具代表性的8個煤礦為研究對象，分別是位于渝西的韋家溝煤礦、渝北的曹家溝煤礦、渝中的中梁山南井、北井，渝南的石壕煤礦、松藻煤礦，渝東南的田家煤礦和福田煤礦。各煤礦基本情況見表1。

表1典型煤礦基本情況

3　重慶市典型礦區損毀程度評價模型構建

灰色聚類評價方法的根本在于對幾個灰類進行歸納，以判斷該聚類對象屬于哪一種灰類的評價方法。首先是確定聚類指標和聚類對象，即樣本空間T={T1,T2, …,Tx}，聚類指標空間Q={Q1,Q2,…,Qy}，聚類對象Tk的聚類指標實測值{Tk1,Tk2, …，Tki…,Tkn}，Tki表示聚類對象Tk的第i聚類指標的監測數據，各對象的監測數據構成空間指標特性矩陣Tx×n。

(1)標準矩陣分級。將聚類指標Qi劃分為 m個等級，其分級標準為[Qi1,Qi2, …,Qim]，則對于某個具體研究區域，其分級標準矩陣為Qn×m。

(2)白化函數。白化函數是灰色聚類的基礎，是計算聚類系數的依據，通過白化函數可以反映聚類指標對灰類的親疏關系。當分級標準Qij依次增大時，指標在j級上的白化數按公式(1)求得；當Qij依次減小時，指標在 j 級上的白化數按公式(2)求得，白化函數(fkij)計算公式為

(1)

(2)

依次對各聚類指標進行白化處理，即可得到聚類對象Tk的白化矩陣Fk為

(3)相對限制性指數。根據上述要求構造指標的限制性程度公式(3)、指標的相對限制性指數公式(5)。

(3)

(4)

(5)

上三式中：xci為本研究所選8個煤礦各聚類指標中的最優值；xmi為所研究煤礦聚類指標的最大損毀值。

(4)聚類系數。得到聚類權值和白化矩陣后即可計算聚類對象的聚類系數。利用公式(6)即可計算得到評價對象的聚類系數矩陣Mx×m

(6)

(7)

(5)評定損毀等級。灰色聚類是根據聚類系數的大小來判斷所屬的級別。在聚類系數矩陣Mx×m的行向量中，聚類系數最大者所對應的灰類即是該評價對象所屬的級別。

4　結果與分析

4.1標準矩陣分級

結合重慶市煤礦井工開采的特點，本研究通過對研究區礦區面積、損毀面積、耕地面積、耕地損毀面積等的實地測量，選取開采活動的幾個主要影響因子作為聚類指標，分別為受損耕地面積與耕地面積比值(Q1)、耕地因地表變形損壞比值(Q2)、耕地因水源破壞損毀比值(Q3)、煤炭開采深厚比(Q4)、煤層傾角(Q5)共計5個聚類指標。在各煤礦范圍內進行實地踏勘，運用GPS技術等實測礦區面積、耕地面積、不同形式的受損耕地面積等，經過數據匯總、整理、分析，得出各聚類指標的定值。8個聚類對象包含5個聚類指標，構成的空間指標特性矩陣為

在所選的8個典型煤礦中，其地域和環境存在諸多差異，為更好地反映其損毀程度，本研究以所選聚類指標的最大值與最小值為本次研究背景值，采用等間距法進行指標的分類。因重慶煤炭開采無露天開采，均為井工開采形式，根據土地受損影響因子分析，認為煤炭開采深厚比(Q4)越大，對地表土地影響越小，故Q4背景值取最大值。同理可得其他指標的背景值及等級標準值。根據實際需要，本文將礦區損毀程度劃分為損毀不明顯(Ⅰ)、輕度損毀(Ⅱ)、中度損毀(Ⅲ)、重度損毀(Ⅳ)、極嚴重損毀(Ⅴ)5個等級，對應的指標等級標準值矩陣為

4.2白化函數的確定

根據白化函數公式，即可得到各評價對象對應的白化矩陣{FT1,FT2, …,FT8}。以韋家溝煤礦為例，其白化矩陣為

在白化矩陣中如兩個等級所分布數相同，則以更優評價等級為主。由上述矩陣可以看出，5個聚類指標對應的等級分別為Ⅰ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅰ、Ⅰ，聚類指標Q3和Q5有一定的白化數值，矩陣中的白化數準確反映了聚類對象對不同損毀等級的隸屬關系。

4.3相對限制性指數的確定

本文以所選8個典型煤礦各指標的最優值作為背景值，綜合分析可得各最優值分布為xT1=0.46(受損耕地比值)，xT2=0.01(變形比值)，xT3=0.02(水源地破壞比值)，xT4=2500(開采深厚比)，xT5=8°(煤層傾角)。依據上述模型介紹，根據公式(5)可計算出λ8×5為

4.4煤礦評價等級分析

依據公式(7)可得到評價對象在各等級中的聚類系數及評定等級，見表2。

表2　各煤礦綜合聚類系數等級評定

通過灰色聚類模型對重慶市8個典型煤礦分析得到，8個煤礦中6個煤礦屬于極嚴重損毀(Ⅴ)，分別是曹家溝、南井、北井、石壕、松藻和福田煤礦，韋家溝與田家兩煤礦屬于輕度損毀(Ⅱ)。評價結果與實地踏勘所得的部分耕地結構損毀、缺水漏水嚴重，最終不得不撂荒或轉變土地利用方式的實際情況基本一致。

4.5煤礦恢復難易度分析

由圖2可以得出，在判別研究對象所屬灰類的同時，利用粗糙集評價方法可以得出相鄰灰類煤礦的占有值，如曹家溝煤礦與石壕煤礦同屬極嚴重損毀(Ⅴ)，如果我們采取相同的措施對其礦區進行恢復，曹家溝煤礦顯然較石壕煤礦恢復快。如圖2顯示，在極嚴重損毀(Ⅴ)中，曹家溝該等級占總值的33.89%，而石壕占總值的77.30%。在礦區土地恢復工作中，綜合考慮礦區的損毀等級及所在等級占比顯得十分重要，損毀等級高且占比大的礦區應加大投入力度，通過充填、封堵等工程技術或將耕地變為林地、園地等提高土地利用率，實現土地資源的節約集約利用。

5　結　語

以重慶市8個典型煤礦作為評價對象，并根據損毀數據、煤層情況等資料構建評價指標，建立了基于灰色聚類模型的評價體系。評價結果表明，2個煤礦屬于輕度損毀(Ⅱ)，6個煤礦屬于極嚴重損毀(Ⅴ)。鑒于煤礦采集對區域生態環境影響的

圖2　各煤礦所在評價等級占比情況

復雜性、潛在性、空間性、累計性和不確定性，在評價所屬同級煤礦中，根據粗糙集評價方法分析得出，在評價結果Ⅴ級中恢復難易程度為石壕煤礦最難恢復，其次為南井、北井、松藻、曹家溝、福田煤礦；在評價結果Ⅱ級中恢復難易程度為韋家溝煤礦略難于田家煤礦。在礦區土地的恢復利用進程中，應充分考慮礦區土地受損的等級及所在等級占比，分片區分階段分步驟進行土地恢復利用工作。

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(責任編輯孫占鋒)

重慶市國土資源和房屋管理局科技計劃項目(CQGT-KJ-2014003)

S181

A

1000-0941(2016)08-0049-04

周川(1987—)，女，重慶市人，助工，碩士，主要從事土地規劃及利用方面的研究；通信作者李妍均(1979—)，女，重慶市人，高級工程師，碩士，主要從事土地復墾及利用方面的研究。

2015-07-06