王 慧，丁忠义，贾斐斐，毛梦祺

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)



煤矿区煤炭资源与土地资源协调利用耦合关系研究以沛北煤矿区张双楼矿为例

王 慧，丁忠义，贾斐斐，毛梦祺

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

煤炭资源与土地资源是煤矿区国土资源重要的组成部分，厘清二者耦合关系对实现煤矿区“矿地”资源协调利用具有重要意义。在分析煤矿区煤炭资源与土地资源耦合机理的基础上，构建耦合分析指标体系，运用象限图分类识别法与耦合模型法，对沛北张双楼矿区1996～2011年间“矿地”资源的耦合类型及耦合程度进行分析。结果表明：1996～2011年张双楼煤矿区“矿地”资源的耦合类型处于协调发展阶段，但耦合α值在不断增大，即将进入极限发展阶段；耦合程度大体呈先上升后下降的趋势。说明资源总体耦合状况不容乐观，必须紧急采取补救措施。

资源利用；土地资源；煤炭资源；耦合分析

煤炭资源开采在保障国民经济发展的同时，也为区域国土资源协调利用带来巨大挑战[1]。据粗略估计，我国因煤矿生产建设活动造成破坏废弃的土地约2亿亩[2]。梳理煤矿区国土资源的协调利用问题已经成为区域社会经济发展和生态环境治理的研究热点。研究核心在于“如何协调解决煤矿区地下煤炭资源开采与地上土地资源利用之间的‘矿地’矛盾”，是煤矿区国土资源协调利用与区域可持续发展的必然选择。

煤矿区国土资源开发利用关系研究主要集中煤炭开采直接造成的社会和环境影响[3-4]、矿区生态环境的发展趋势[5-6]、影响评价[7-8]及两者协调发展[2-9]等方面；研究方法主要有系统分析法[5-6]、基于RS、GIS的空间叠加法[3-4]、协调模型[2]等，并提出了开源节流、加强政策管理[3-5]、强化补偿机制[10-11]等措施。相关研究成果对煤矿区国土资源利用与开发具有一定的借鉴与指导作用，但对度量煤矿区国土资源协调利用程度及其时序变化缺乏针对性。本文在煤矿区煤炭资源开采与土地利用耦合机理理论分析的基础上，通过构建协调利用耦合关系测度指标体系和耦合度近似测度方法，采用象限图分类识别法和耦合度模型法，选择沛北煤矿区张双楼矿为例，对比分析煤矿区煤炭与土地资源协调利用耦合关系，以期能为煤矿区国土资源协调利用提供理论研究和实践指导提供参考依据。

1 研究方法

1.1 耦合机理分析

煤矿区作为以煤炭资源开发利用为主导的、特定区域性的生态环境与社会经济系统，具备人工系统与自然系统相结合的典型特征，人口、资源、环境、经济等众多要素相互渗透、相互影响。煤炭资源与土地资源作为其重要的基础自然资源，在矿区发展过程中也存在着相互交织、相互作用的关系。

图1 煤炭资源与土地资源耦合机理

煤炭资源与土地资源属同位异类资源，其开发利用均为一种有用劳动，但这种劳动本身即存在正价值，也存在负价值，该正负价值即两者在开发利用中所表现出的对煤矿区社会环境、经济环境、生态环境的促进与阻碍。同时，煤矿区社会、经济、生态环境的变化对其正负价值也存在着影响。煤矿区“矿地”资源的开发利用则呈现出其正负价值的耦合性。在煤炭开采前，未对煤炭资源与土地资源进行开发利用，因而未产生劳动的正负价值。进入煤炭开采阶段后，以煤炭资源开发利用为主导的有用劳动，一方面拉动经济增长、带动资产投资、提高劳动就业率、保障能源安全;另一方面也造成地表破坏、土壤污染、生态系统退化等影响，制约甚至破坏土地的开发利用价值。随着煤炭开采阶段的变化，矿区人为干预对土地开发利用价值的修复，可以使煤矿区土地资源得以有效利用，减缓煤炭资源开采带来的负价值影响，促进矿区发展。煤矿区系统正是在这种正负价值的影响下不断变化发展，实现动态平衡。可见煤矿区“矿地”资源的耦合关系，就是在矿区发展过程中，两者的开发利用的相互影响、相互作用，产生的正负价值的总和。其耦合机理如图1所示，两者的同位异类及重叠赋存特性，使得两者的正负价值与矿区社会、经济、生态环境相互作，相互制约，即构成两者的耦合关系机理。该耦合机理对于大多数煤矿区具有普适型，对具体煤矿区进行耦合关系分析时需考虑其自身特点进行调整。

1.2 指标体系构建与测度方法

1.2.1 指标体系构建

在对煤矿区“矿地”耦合机理进行分析的基础上，按照科学性、实用性、可操作性、全面与代表性、稳定与动态性的原则，选取8个代表性指标作为两系统的耦合指标变量(表1)，主要指标介绍如下所述。

表1 煤炭资源开采与土地资源利用耦合指标体系

1)就业效应(U14)。用于反映矿区发展为当地就业形势带来的影响，参照已有研究可用就业偏离度来衡量。就业偏离度指产业增加值的比重与相应的劳动力比重的差异程度，见式(1)。

β=(GDPm/GDP)/(Ym/Y)

(1)

式中：β为矿区就业偏离度；GDPm/GDP为矿区增加值所占比重；Ym/Y为矿区就业人员所占比重。

2)土地利用程度综合指数(U21)。用于反应矿区土地利用的广度与深度，见式(2)。

(2)

式中：La为土地利用程度综合指数；Ai为第i级的土地利用程度分级指数参阅已有研究[12]见表2；Ci为i级土地利用分级面积百分比，n为土地利用分级数(n=4)。

表2 土地利用程度分级指数

3)土地利用结构指数。用于反应矿区土地生态系统稳定程度的指标，见式(3)。

(3)

式中：xi为土地利用结构指数；gi为各土地利用类型得分；wi为前四位土地利用类型权重(∑wi=1)。1.2.2 测度方法

本文利用一般系统论中系统演化的思想建立煤矿区煤炭资源开采与土地资源利用的演化方程，并结合李雅普诺夫第一近似定理对其进行近似表达，得到煤矿区“矿地”资源的测度公式，见式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中：xi，yi分别为煤炭资源开采第i个指标值和土地资源利用第j个指标值；a，b为各指标值的权重，本文测度中选取等权重进行分析。

1.3 象限图分类识别法

根据已有研究及煤矿区周期性的特点，利用象限图分类识别法对煤炭资源开采与土地资源利用进行耦合阶段判别的基本步骤如下所述。

第一步，根据指标体系及测度方法计算出煤炭资源开采U1与土地资源利用U2。

第二步，以U2为横坐标，U1为纵坐标建立一个煤炭资源开采与土地资源利用的象限图，不同年份的点集坐落在该象限内。

表3 耦合类型及特征描述

图2 煤炭资源与土地资源耦合类型图

图3 系统演化模式图

1.4 耦合模型法

借鉴物理学中的容量耦合概念和容量耦合系统模型[14]，得到了煤炭资源开采与土地利用的耦合度函数公式，见式(6)，式(7)。

(6)

(7)

式中：C为协调度；K为调节系数；D为耦合协调度。令K≥2，则0≤C≤1；C=1即达到最佳协调状态。

协调度C作为衡量煤矿区矿地资源耦合程度的重要指标，在某种特殊情况下对矿地资源开发与利用的综合效应大小不能完全表现出来，所以本文采用耦合协调度(D)来进行表示，式(7)中a、b为模型的待定权重，根据研究的煤矿区中煤炭资源开发与土地资源利用之间的重要性确定。在实际应用过程中，最好使aU1+bU2∈(0,1)，以确保D∈(0,1)，本文将a、b全部取值为0.5。根据D的大小，也可划分不同的耦合协调类型，耦合协调度越大，表明煤炭资源与土地资源耦合协调水平越高。

由于煤矿区煤炭资源开采与土地资源利用存在着相互制约、相互依存、互馈共生的关系。一方面煤炭资源开采将给土地造成挖损、塌陷、压占、贫瘠化、干旱化等影响，致使土地资源利用率低、生态环境恶劣、吸引外资能力降低，阻碍地区经济发展；另一方面，降低煤炭资源开采强度对资源型城市而言将直接影响到当地的经济发展，从而陷入两种资源开发利用相互阻碍的恶性循环。因此，在进行耦合程度划分时，既要考虑煤炭资源开采直接影响的经济发展水平，也要考虑到地区经济的可持续发展。本文根据耦合协调度D，并结合煤矿区矿地资源开发利用的特点，在参考已有研究成果的基础上，得出耦合协调程度分类表(表4)。

表4 耦合协调程度分类表

2 实证研究

2.1 研究区概况及数据来源

沛北矿区位于江苏省西北部，地处34°52′～34°59′N，116°44′～116°50′E，包括徐庄矿、姚桥矿、孔庄矿、龙东矿、张双楼矿等。矿区位于淮河流域平原，属我国东部平原高潜水位煤矿区。沛北矿区具有悠久的煤炭发展历史，其煤炭资源开发所面临的瓶颈急需突破，且其开采过程中出现的问题与目前我国东部平原矿区面临的挑战基本相同，张双楼矿为沛北矿区的典型缩影。本文以张双楼矿为代表，揭示“矿地”资源耦合关系，以期能够为实现“矿地”资源协调利用提供理论基础。

数据主要来源于沛北矿区国土资源综合监管系统、《沛县统计年鉴》及实地调查数据。其中，煤炭资源开采数据主要源于上述综合监管系统中的矿政管理数据与属性数据模块及相关统计年鉴，并配以相关调查数据；土地资源利用数据主要源于综合监管系统中的地政管理数据与属性数据模块及相关统计年鉴，并配以相关调查数据。

2.2 结果分析

2.2.1 耦合阶段分析

由图4可知，自1996年张双楼煤矿区达产以来，煤炭资源开采与土地资源利用点集均处于第一象限内，即达产后至2011年“矿地”资源耦合类型处于协调发展阶段。

图4 煤炭资源开采与土地资源利用象限图

图5 耦合α值变化

根据图5可知，α值在不断增大。1996～2005年间，10°<α<40°，耦合处于煤炭资源效益滞后型协调阶段，此时张双楼矿区刚刚由成长期步入稳产期，煤炭资源开采强度在逐步增加，但对土地的扰动较小，土地资源效益仍处主导地位，处于煤炭资源滞后型协调阶段较为合理。

2005～2006年间，α值出现大幅度增长，且α经过系统由良性和谐转向矛盾激化的分水岭45°值，表明资源耦合类型由煤炭资源滞后型协调阶段转入煤炭资源超前型阶段，此时矿区进入稳产期已有一段时间，煤炭资源效益迅速增加对土地的扰动后果开始突显，煤炭资源效益在迅猛增加的同时，土地资源效益形势逐渐恶化，矿地资源开发与利用矛盾开始显现。

2006～2010年间，α仍持续增长，张双楼煤矿区煤炭资源开采持续以损害土地资源效益为基础在稳步增长，同时土地对煤炭资源的约束作用逐渐增加，“矿地”资源开发与利用矛盾进一步激增。

2011年，α值达到最大为86°，接近协调发展与极限发展的分割线—90°，根据α变化趋势可以预测，α不久将达到90°，即煤炭资源开采将达到峰值，与土地的制约矛盾也将进一步激化，张双楼煤矿区“矿地”资源耦合阶段将由协调发展阶段转变进入极限发展阶段。

2.2.2 耦合程度分析

根据图6可知，1996～2011年间，张双楼煤矿区的“矿地”资源耦合协调度D值在0.1～0.7范围内变动，即耦合程度在严重失调与中级耦合间动态变化。从总体趋势来看，该矿区“矿地”资源耦合协调度值在1996～2000年间波动增加，2000～2005年间基本平稳不变，2005～2011年间降低。

图6 耦合协调度变化

1996年，耦合协调度D值位于勉强耦合与轻度失调的临界值，此时煤矿区刚刚步入稳产阶段，煤炭资源价值尚不稳定，“矿地”资源耦合程度较低。

1997～1999年，耦合程度处于勉强耦合阶段，且1996～1998年耦合协调度D值呈持续上升趋势，即煤矿区在进入稳产期后，“矿地”资源耦合程度逐步优化。

2000年，受煤矿区煤炭资源开采变化的影响，“矿地”资源耦合协调度值突增，耦合程度由勉强耦合变为中级耦合。

2000～2005年，“矿地”资源耦合协调度D值在0.60～0.69波动，2002年达到耦合协调度最大值(D=0.687)，此时“矿地”资源效益耦合程度最大。

2006年，受土地资源利用的影响，矿区“矿地”资源耦合程度由中级耦合降为勉强耦合。

自2006～2011年，虽然在煤矿区矿建的影响下煤矿区煤炭资源开采达到一个高峰，但伴随而来的对土地资源的破坏也进入一个新阶段，土地资源利用效益不断降低，致使耦合协调度值呈持续减少趋势，2011年达到最小值，耦合程度由轻度失调、中度失调最终变为严重失调，耦合程度处于最差阶段。

3 结论与讨论

耦合类型方面，1996～2011年，沛北张双楼煤矿“矿地”资源点集均坐落在耦合象限图的第一象限，故研究阶段内该矿耦合类型处于协调发展阶段；但随着α值不断增大，耦合类型由煤炭资源滞后型协调阶段转入煤炭资源超前型协调阶段，且α走势即将突破90°，预示着耦合阶段将进入极限发展阶段。

耦合程度方面，1996～2011年，张双楼煤矿 “矿地”资源耦合协调度D值在0.1～0.7范围内变动，即耦合程度在严重失调与中级耦合间动态变化。从总体趋势分析，该矿区“矿地”资源耦合协调度D值在1996～2000年间波动增加，2000～2005年间基本平稳不变，2005～2011年间降低，耦合程度由轻度失调转勉强耦合、中级耦合，再由初级耦合转勉强耦合、轻度失调最终变为严重失调。

综合两方面分析，该矿“矿地”资源耦合关系不容乐观。同时预示着当前存在的，对矿区土地资源利用忽略的现象迫切值得关注；达产阶段的矿区矿产资源开采虽稳步提升，但若缺乏有效的土地治理及有效防护措施，将导致土地资源的不合理利用，最终影响煤矿区资源的协调利用与发展；矿区稳产阶段为“矿地”资源矛盾激增时期，同时也是调节“矿地”资源利用的关键阶段，只有在此阶段完成对土地资源利用的改善，才能保证后期煤炭资源开采降低时矿区总效益的平稳变化。

本文以沛北矿区为例，对当前沛北矿区耦合阶段进行了划定，对协调“矿地”资源矛盾具有指导意义。但由于煤炭资源开采与土地利用达到动态平衡时各变量的理想值难以确定，因此本文相关的衡量指标均仅为矿区各年变化的相对值大小，其绝对量变化还有待进一步研究，以便更准确的判定矿区所处耦合阶段，采取相应措施。

[1] 周怀锋.基于系统动力学的煤炭开采价值与土地利用价值耦合关系研究[D].徐州：中国矿业大学，2011.

[2] 杨永均，张绍良，朱立军，等.贵州矿产资源开发与生态保护和经济发展的耦合协调度[J].贵州农业科学，2014，42(9)：232-235.

[3] Sonter L J，Moran C J，Barrett D J，et al.Processes of land use change in mining regions[J].JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION，2014，84：494-501.

[4] Batabyal A A.On land use，minerals development，and institutional design in the American west1[J].Resources Policy，1998，24(3)：139-146.

[5] 尹德涛，南忠仁，金成洙.矿区生态研究的现状及发展趋势[J].地理科学，2004，24(2)：238-244.

[6] 查东平，申展，刘足根，等.基于TM影像的德兴铜矿区生态环境变化[J].国土资源遥感，2015，27(4)：109-114.

[7] 香宝，马广文，李咏红，等.成渝经济区矿产资源开发对其生态环境影响评价[J].环境科学与技术，2011，34(S1)：361-367.

[8] 罗锋，柴波，周爱国.鄂东南大冶矿区地质环境影响性评价[J].工程地质学报，2015，23(3)：580-588.

[9] 杨树旺，熊伟，刘玉婷，等.矿产资源开发与生态环境协调发展及路径研究——基于系统论角度[J].中国国土资源经济，2014(12)：48-52.

[10] 孔凡斌.建立我国矿产资源生态补偿机制研究[J].当代财经，2010(2)：22-28.

[11] 文琦.中国矿产资源开发区生态补偿研究进展[J].生态学报，2014，34(21)：6058-6066.

[12] 庄大方，刘纪远.中国土地利用程度的区域分异模型研究[J].自然资源学报，1997，12(2)：105-111.

[13] 曹利军.区域可持续发展轨迹及其度量[J].中国人口·资源与环境，1998，8(2)：46-50.

[14] 王毅，丁正山，余茂军，等.基于耦合模型的现代服务业与城市化协调关系量化分析——以江苏省常熟市为例[J].地理研究，2015，34(1)：97-108.

Research on coupling relationship between coal resources and land resources coordinated utilization in mining district:a case study of Zhangshuanglou mining district in Peibei coal-mining area

WANG Hui，DING Zhong-yi，JIA Fei-fei，MAO Meng-qi

(School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

Coal resources and land resources are the important components of coal district.It is significant for realizing the coordinated development and using of “mineral and land” resources through knowing the coupling relationship between them.The coupling analysis index system is established based on the analysis of the coupling mechanism of coal resources and land resources.This article analysts the coupling style and degree of Zhangshuanglou mining district “mineral and land” resources from 1996 to 2011 by using Quadrant pattern recognition method and coupling model.The results show that：the coupling style of which is coordinated development stage from 1996 to 2011，however，the coupling value is increasing，which is on the point of entering the extreme development，and the degree of coupling generally increases first and then decreases.These conclusion show that the overall coupling situation of the mineral resources is not optimistic，it is necessary to take remedial measures.

resources utilization；land resource；coal resource；coupling analysis

2016-03-24

王慧(1993-)，女，硕士研究生，主要从事土地规划、土地开发复垦整理研究。E-mail：cumtwanghui@cumt.edu.cn。

丁忠义，男，副教授，主要从事土地规划、土地开发复垦整理研究。E-mail：dzy2002@126.com。

F426.21；F301.2

A

1004-4051(2016)11-093-06