东露天煤矿区采矿对土地利用和土壤侵蚀的影响预测_露天煤矿采矿设计
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东露天煤矿区采矿对土地利用和土壤侵蚀的影响预测1
周伟
白中科*
袁春
付慧
（中国地质大学土地科学技术学院
北京
100083）
摘 要：黄土区大型露天矿区是一种剧烈的人工扰动区域，采矿活动对土地资源和生态环境破坏非常严重，正确预测人工开采引发的人为加速土壤侵蚀与土地利用变化，可为生态脆弱煤矿区的生态恢复和重建提供依据。文章采用RS、GIS为手段进行信息提取和图形叠加,结合统计分析、类比和趋势外推相结合的方法，对东露天矿区2005-2080年的5190.00 hm2的土地利用变化和水土流失进行了预测性研究。结果表明：75年间，在没有采取生态重建的措施下，农用地减少3666.07 hm2，未利用地减少1402.13 hm2，居民点用地减少121.80 hm2，全部变为独立工矿用地。土地利用结构和类型由多样性向单一类型的裸露的独立工矿用地发展，水土流失量由54.50万t/a变为为77.85万t/a。
关键词：土地利用 水土流失 变化分析 东露天矿
Forecast of Influence of Dong Open-cast Coal Mine Area
on Soil Erosion and Land Use
ZHOU Wei
Bai Zhongke YUAN Chun FU Hui(Department of Land Science &Technology, China University of Geosciences
Beijing 100083)
Abstract: The large-scale open mining area of loe district is a kind of artificial violent perturbation area，it leads to destruct vast amounts of land and arouse serious eco-environment problem.Precise forecast of soil erosion and land-use change by artificial mining is propitious to provide basis references of ecological restoration and rehabilitation for the ecological fragile district.This study reported the soil erosion and land use change information which was abstracted from graphics overlapping based on RS and GIS, statistical analysis, historical analogy and inferring from trend for Dong Open-cast Coal Mine during 2005-2080.The results showed that there will be 3666.07hm2 of 22 arable land, 1402.13hmof uncultivated land and 121.80 hmresidential land change to industrial and mining area unle reclamation, the diversity of land cover is decreased considerably.including intensive soil erosion, the rate of soil erosion will be lifted from the original 54.50Mt/a to 77.85 Mt/a.Key words: Land use;Soil erosion;Change analysis;Dong Open-cast Coal Mine
矿区生态环境的破坏可分为景观破坏和生态破坏。景观破坏是在矿山开发与生产过程中对地表的破坏；生态破坏是破坏矿区土地及其邻近地区内的生物生存条件，减少生物量，降低环境的总适宜性，这不仅对动植物而且对人也会产生不利影响。无论是景观破坏还是生态破坏，对作为生态和景观载体的土地资源的破坏是最直观、也是最大量的。土地资源被破坏、水生态平衡失调日益突出，导致矿山地区水土流失和荒漠化、生境破碎、生物多样性变化，成为制约区域资源开发和经济社会可持续发展的重要因素。
露天煤矿区对土地资源的破坏主要表现在露天采场的直接挖损、外排土场压占土地和工业广场的占用等。挖损是对原地表形态、地质层组、生物种群的直接摧毁，致使原土地不复存在；压占是挖损过程中产生的废弃岩土堆置于原土地上造成原地貌功能的丧失；挖损和压占等工程活动
1[1-3] 国家自然科学基金项目资助（40071077 ,40471132）
作者简介：周伟（1974-）男，甘肃会宁人，博士生，主要从事资源环境遥感等方面的研究
*通讯作者：白中科（1963-）山西运城人，教授，博士生导师.Tel:010-82322182, E-mail:Baizk@cugb.edu.cn 直接破坏了表层的植被，导致了这一区域原先处于相对稳定的系统受到干扰，使区域内的土地利用、植被覆盖、地貌、保水力等生态因子发生相应的变化，占用是原有的土地利用类型变为容纳厂房、选煤场、运煤铁路、排土道路、供电通风线路以及排水管道等。美国利用地球资源卫星照片,将矿山开发对土地的破坏进行分级,为矿山开采和复垦提供了准确的资料,取得了显著效果[4-6]。近几年国内也开展了利用RS和GIS技术进行矿区土地利用/覆盖变化的研究[7-12]和采煤沉陷对土壤侵蚀与土地利用的影响预测的研究较少。
[13]，而利用RS和GIS技术对黄土区露天矿土地利用/变化预测山西平朔东露天煤矿地处黄土高原东部，是一个对环境改变反应敏感、维持自身稳定的可塑[14]性较小的生态环境系统。本文将以东露天矿区为研究对象，以Landsat-5遥感影像为主要数据源, 根据矿山剥离工艺、排弃进度和堆积方式，采用实地调绘、遥感解译、统计分析、历史类比与趋势外推相结合的方法，确定平朔东露天煤矿2006-2088年土地破坏的类型、时序、数量及程度，为土地复垦规划方案的制定提供科学依据。研究区概况
1.1自然地理
平朔矿区东露天矿田位于宁武煤田北端，行政隶属朔州市平鲁区管辖。其地理坐标为东经112°23′58″～112°27′52″，北纬39º°29′58″～39°35′33″。原地貌类型为黄土低山丘陵，典型的半干旱气候，地带性植被属于干草原类型，地带性土壤为栗钙土和黄绵土。矿田内植被覆盖率低，草地呈零星分布，树木稀少，目前总体上呈农业耕作景观。在黄土丘陵斜坡地段分布有一些耐寒植物，在黄土丘陵区沟谷中则有以沙棘为主的灌木丛零星分布；在沟谷水分充沛的地段则出现一些河漫滩草甸。
研究区年平均降水量仅为428mm～449mm，但季节分配不均，6、7、8三个月的降水占全年降水的3/4，降水又多集中在一年有限的几次降水之中。所以，降雨时的降水强度较大；而地面的植被状况又不理想，有效的林木覆盖率仅为10%左右，加之地表植被结构单
一、土质松散，使得该区域地表在一次性降水强度较大的情况下产流过程为超渗产流，雨滴的溅蚀在缺少植被保护且人工松动的情况下，产生比降较大的冲沟，水流速度大，挟沙能力强，大量泥沙进入河流，致使平鲁区平均侵蚀模数达到6000t/km2·a，年平均流失厚度在3.8～[14]11.1mm/a。
1.2东露天矿开发及工程布局概况
东露天煤矿为平朔矿区开采的第三个大型露天煤矿，开采境界东西长1.99～5.95km，南北宽4.90～10.63km，圈定开采境界的地表面积4652.60 hm2，可服务75a(2006-2080年)。全矿田划分为五个采区，首采区以北西侧为二采区、东侧为三采区，首采区以南东侧为四采区、西侧为五采区。
圈定的北排土场位于采场东北部，是外排土场，距采场地表境界约150m，排土场内地表西北高、东南低，地形坡度除沟谷边缘外，一般4°～5°。北排土场东西长3.5km，南北宽2.10km，最终排弃标高1500m，共有5个排土台阶，服务年限
图1 东露天矿工程布局图 Fig.1 Engineering layout of DOCM
7年；南排土场是外排土场，范围小，位于分水岭附近，地表较为平缓。同时该排土场位于矿田内，在开采四采区时需二次剥离。南排土场圈定范围东西长2.1km，南北宽1.85km，最终排弃标高1440m，最大排土台阶为2个。工业场地布置在麻地沟西岸山坡坡地上，包括生产区、辅助生产区和行政福利区（图1）。矿区土地利用类型变化预测
2.1土地挖损、占用和压占时空顺序
根据东露天煤矿田几何形状、地质条件、开采工艺和开采接续等因素，采区划分结果确定的开采顺序是首采区→二采区→三采区→四采区→五采区。即在首采区东部南北向拉沟，工作线向西推进，至西部境界，经90°转向进入二采区，工作线向北推进，至北部境界，经180°转向进入三采区，直至结束；然后在四采区的北部重新拉沟，工作线向南推进，至南部境界，经180°转向进入五采区，工作线向北推进，直至露天开采结束。该开采程序，重新拉沟1次，90°转向1次，180°转向2次。其中2006-2010年期间为达产期，2006-2031年为首采区开采时间，矿山开采结束的闭坑时间为2080年。首采区拉沟长度由900m逐渐过渡到1600m。首采区面积为1162.48 hm2，达产时开挖地表面积336.18hm2，二采区面积为1307.50 hm2，三采区面积为720.48 hm2，四采区面积为797.45 hm2，五采区面积为664.69 hm2。工业场地面积为84.33 hm2。矿山开采初期建设工业广场（2008-2009年）面积为84.33hm，北排土场面积为620.23 hm，服务年限为2009-2012年，南排土场面积为328.64hm2，服务年限为2013-2015年，开采初期剥离物全部运往北排土场，采场内各水平剥离物进入北排土场的相应水平，初期沿地形排弃，逐渐形成北排土场的1325m、1350 m、1375 m、1400 m、1410 m、1440 m、1470 m水平，2008年开始从下向上逐步形成1410 m、1440 m、1470 m三个排土机排土台阶。2012年外排土场排土结束，2010年开始启用内排土场。2.2 基于遥感的土地利用信息提取
利用2005年7月30日Landsat5为主要数据源，以研究区1:1万地形图、1：5万土地利用现状图为辅助数据源，通过数字图像处理，获取矿田境界线内、北排土场、南排土场及工业广场2005的土地利用现状（图2）。
统计结果表明，矿田境界线内、北排土场、南排土场及工业广场土地总面积为5690.77 hm2。2005年，研究区土地利用以旱地、有林地、荒草地为主，其中旱地面积为2906.77 hm2，占研究区面积的51.27%；有林地面积为1083.31hm2，占研究区面积的19.11%；居民点用地面积132.55 hm2，占研究区面积的2.34%；未利用地主要是荒草地，总面积为1563.14hm2，占总面积的27.57%。
表1矿区土地利用现状面积统计 单位：hm
Tab.1 Area of land use status in DOCM unit: hm
222
图2 2005年土地利用现状图
Fig.2 Land use status map of 2005 地类 矿田境界线内 北排土场占地 旱地 2508.82 303.77
有林地 809.28 183.63
荒草地 1223.31 111.46
居民点 111.18 21.37
合计 4652.59 620.23 南排土场占地 工业广场占地
合计 94.18 0 2906.77
59.07 31.33 1083.31
175.39 52.98 1563.14
0 0 132.55
328.64 84.31 5690.77
结合东露天开采排弃进度、矿田境界线、达产期（项目在建成投产后试生产的时间）境界线、达产期土地挖损量、首采区界线、北排土场界线、南排土场界线和工业场地界线，通过空间叠合分析获得不同采矿时期未进行土地复垦状态下的土地利用状况（图
3、图
4、图5）。
图3 达产期土地利用现状
Fig.3 Land use status map of full production 2.3不同时期土地资源破坏预测
东露天煤矿从施工到达产期时共四年（2006-2010年），地表扰动面积为1057.67hm2，其中挖损区336.15hm2，排土场压占637.19 hm2，占南排土场和北排土场总面积的67.15%。工业广场占用区84.33hm2，达产期主要是采掘场和工业场地施工过程中的取弃土、开挖地表等工程活动，破坏地表植被；破坏土地资源类型包括旱地310.20hm2，有林地423.31hm2，荒草地733.51hm2，居民点36.53hm2。
首采区开采结束后首采区的所有的地表植被均被破坏，生态系统功能完全丧失，较达产期新增扰动面积为1135.28hm2，其中采掘区新增挖损土地面积823.60hm2，排土场压占土地面积新增311.68hm2，北排土场和南排土场土地面积全部压占；新增破坏的土地利用类型旱地面积为716.80 hm2，林地面积为121.12 hm2，荒草地面积为275.37 hm2，居民点用地面积为22.19 hm2。
图4 首采期末土地利用现状图
Fig.4 Land use status map of first stage mining
图5 闭坑时土地利用现状图
Fig.5 Land use status map of closed mining 新挖损破坏的旱地面积占整个新增破坏土地面积的63.14%。
全井田开采结束后，总计扰动土地面积5190.00 hm，其中煤炭开采挖损区面积4652.60hm2，南北排土场压占土地面积453.09hm2，工业广场占用84.31 hm2。在2006至2080年的75年期间，22全井田内土地利用和覆盖类型变化非常剧烈。农用地减少3666.07 hm，其中旱地为2686.10hm，有林地为979.97hm2；未利用地减少1402.13 hm2，其类型全部为荒草地；建设用地中原来121.80 hm的农村居民点用地消失，净增独立工矿面积5190.00hm，全井田地表全变成裸露岩土地，土地利用类型由多样性逐渐向单一型转化；在生态景观上表现为由农业耕作景观逐渐向同质的裸露岩土景观演变，景观格局发生了明显的变化；空间布局上，研究区从没有独立工矿用地向相互独立的独立工矿用地变化，同时随着时间的推移，独立工矿用地的斑块不断扩长成较大图斑，并最终合并成一个大的图斑（表2，图6）。
表2 东露天煤矿开采不同时期土地利用结构变化
农用地（hm2）旱地 2686.10
有林地 979.97
建设用地（hm2）农村居民点 121.80
独立工矿
0
*
222Tab.2 Change of land use structure in different mining stage of DOCM 时段 现状（2005年）达产期（2010年）首采期末（2031年）闭坑（2080年）
未利用地（hm2）
荒草地 1402.13
2375.9 1659.3 0
556.66 435.54 0
85.27 63.08 0
1057.67 2192.95 5190.00
1114.5 839.13 0 注：1.闭坑后的面积，是在假设没有复垦的条件下；2.现状面积为全井田、排土场、工业场地面积之和。
6000.00面积/hm2 5000.004000.003000.002000.001000.000.***080荒草地独立工矿农村居民点有林地旱地时间（年）图6 东露天采矿期矿区土地利用变化
Fig.6 Change of land use in DOCM during mining水土流失预测
为水蚀风蚀并重区，总的侵蚀模数为10500 t/km2•a。年平均流失厚度在3.8-11.1mm/a。东露天矿区在土地挖损、土地压占和土地占用的生态破坏阶段，引发的生态系统属极度退化型,主要表现为原有地层被100～150的岩土混乱排弃层所代替,形成了典型的人工松散堆积地貌—排土场；排土场是松散的土石堆积体，地形地貌、地面坡度、地表组成物质与原地貌发生巨大变化。原有地面形态被平盘与边坡相间的梯状地形所代替,5～10年间非均沉降剧烈,边坡不稳；原有地表土壤被黄土类母质所代替,土体容重>1.6g/cm3,根系穿透阻力30～60kg/cm3，使得矿区本来就脆弱的生态系统的水土流失更加严重。根据和同类自然条件的安太堡和安家岭矿土壤侵蚀模数的类比研究，煤矿开采结束后矿区的土壤侵蚀模数会发生明显的变化。外排土场的土壤侵蚀模数由开采前的10500 t/km2.a增加至15000 t/km2.a[15-16]（表3）。
表3 排土场水土流失对比
Tab.3 Contrast of soil erosion in overburden 分区 面积(hm2)
开发后土壤侵蚀模数(t/km2•a)
水土流失量
(t/a)
原地貌水土流失量（万t/a）
增加量（万t/a）
北排土场 南排土场 合计 620.23 328.64 948.87 15000 15000 30000 93034.50 49296.00 142330.5 6.51 3.45 9.96 2.79 1.48 4.27 由上表的侵蚀模数，预测在未采取任何生态整治措施的条件下，东露天矿区在整个项目开发期的水土流失量发生了明显变化。原地貌水土流失总量为54.50万t/a，地表扰动后水土流失总量为77.85万t/a，增加了23.36万t/a（表4，图7）。
表4 采煤过程水土流失变化对比
Tab.4 Contrast of soil erosion during mining
土地面积(hm2)水土流失量
原地貌
工矿用地
0 1057.67 2192.95
合计 时段
现状 达产时 首采期末 闭坑时
增加量（万t/a）0.00 4.76 9.87
23.36
（万t/a）54.50 59.25 64.36 77.85 5190.00 4132.33 2997.05 0
5190.00 5190.00 5190.00 5190.00
5190.00
9080水土流失量/万t/a******0时间（年）
图7 东露天采矿期水土流失变化
Fig.6 Change of soil erosion in DOCM during mining结论
东露天煤矿地处黄土高原东部、山西省北部的朔州市平鲁区境内，是一个对环境改变反应敏感、维持自身稳定的可塑性较小的生态环境系统。在矿田开采过程中，土地利用结构发生了剧烈变化：利用方式原来的以林地和旱地为主的土地利用方式向独立工矿和建筑用地发展，农用地减少3666.07 hm，其中旱地为2686.10hm，有林地为979.97hm；未利用地减少1402.13 hm，其
2类型全部为荒草地；建设用地中原来121.80 hm的农村居民点用地消失，净增独立工矿用地面积5190.00hm2。采煤过程的土地挖损、土地压占和土地占用过程使地形、植被、土壤等景观因子的剧烈扰动,水土流失加剧，原地貌水土流失总量为54.50万t/a，地表扰动后水土流失总量为77.85万t/a，增加了23.36万t/a。
222
2由于本地区原生态系统的自我调节能力较差，煤矿开采后此种极度退化的生态系统,只有借助人工支持和诱导,方可重建一个全新的人工、半人工生态系统。依据2006年国土资源部等七部委《关于加强生产建设项目土地复垦管理工作的通知》和“加快建设资源节约型、环境友好型社会”的精神，东露天煤矿区要及时开展矿区生态系统的生态恢复与重建。重建模式可参照安太堡和安家岭成功的经验进行排土场、采区“采-运-排-复垦”一条龙作业法进行生态恢复与重建，实现耕地的“占一补一”。同时可采用对复垦土地的经济目标、生态目标和社会目标的多目标规划法,并通过复垦前后的不同的土地利用类型的生态足迹、景观多样性、产值指标等指标进行复垦土地利用结构优化 [17]，实现区域的可持续发展。
致谢：本研究得到中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司麦方代教授级高工、周鹏高级工程师、王岁权高级工程师和王文荣的支持，在此表示衷心的感谢!
参考文献
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