采煤塌陷区景观格局演变及生态风险评价研究

摘要

我国作为一个能源消费以煤为主的国家，煤炭的产量对国民经济的发展和社会的进步起着举足轻重的作用；煤炭工业的快速发展在带动区域经济发展的同时，也给矿区生态环境带来极大破坏，从而造成矿区人口、资源、环境三者之间的矛盾日益突出，直接影响到区域经济、社会的稳定。因此，深入系统地进行塌陷区景观格局演变特征及土地利用生态风险评价及时空异质性研究，可为矿区采煤塌陷地动态监测和预警提供技术支持，为土地利用时空优化配置提供科学依据，以促进矿区人口、资源、环境的可持续发展。 济宁市是全国重要的煤炭生产基地之一，也是采煤塌陷较严重的区域。本研究基于地理学、景观生态学、空间统计学、地统计学等理论，运用遥感、地理信息系统等技术，以济宁市西南部采煤塌陷较严重的微山矿区为例，在进行研究区土地利用数量、方向和空间变化分析的基础上，基于景观生态学的尺度效应理论，进行研究区适宜尺度下景观格局分析及纵向样带上景观格局梯度分析，进而进行土地利用景观格局演变情景模拟，在此基础上，进行矿区土地利用生态风险评价及时空异质性研究。主要研究结果如下： （1）土地利用变化特征分析。结果表明：①土地利用类型的数量、方向变化特征是：17年间研究区耕地面积呈波动式减少，城乡建设用地及塌陷积水区2000—2005年增幅较大、增速较快，之后呈缓慢增加趋势，2010—2016年城乡建设用地及塌陷积水区的转出面积多于转入面积，面积在减少。②土地利用类型重心变化特征为：水域及耕地的重心偏移方向及距离较大，水域重心总体向西北偏移，耕地总体向东南偏移；其次重心偏移距离较大的为滩涂沼泽和塌陷积水区，滩涂沼泽重心总体向东北偏移，塌陷积水区重心总体向东南及湖区偏移，但偏移方向不大；其他农用地重心总体向西北偏移，偏移方向及距离都不大；城乡建设用地的重心偏移距离最小，总体向东北方向偏移。 （2）适宜粒度及幅度下景观格局演变特征分析及梯度分析。结果表明：50m和250m为研究区较适宜的景观格局空间分析粒度和幅度；景观水平上，2005年以前，研究区景观破碎度较低，优势景观明显，自然连通度较高，2005年之后，景观格局趋于复杂化与多样化，破碎化程度较高，连通度降低，2010年之后，景观格局趋于规整；斑块类型水平上，耕地的斑块类型面积2000—2005年急剧减少，2005—2010年又有所增加，且分布较集中连片；2000年之后，城乡建设用地的面积及聚集度逐渐增大，且分布变得较集中连片；塌陷积水区的面积总体呈增加趋势，分布较零散且连通度较低，2005年之后，塌陷地经过整治之后变得较规整。纵向样带上的景观格局梯度分析表明，在水陆交汇地带、居民点周边、塌陷积水较严重的地区及湖岸周边，景观类型多样，景观形状复杂，且越来越细化，破碎化程度较高，景观优势度、聚集程度和连通度较低。 （3）土地利用景观格局演变情景模拟。首先以2005年土地利用类型数据作为基期数据，对2016年土地利用空间分布数据进行模拟预测，并对预测结果进行精度检验；在此基础上，进行研究区2025年自然发展情景、生态保护情景和耕地保护情景下的土地利用空间分布模拟预测。结果表明：2016年模拟结果与2016年实际解译数据的Kappa指数为0.829，说明CLUE-S模型的模拟效果较好。3种情景模式下，其他农用地和水域面积呈增加趋势，耕地、城乡建设用地、塌陷积水区和滩涂沼泽面积都呈减少趋势，且城乡建设用地和滩涂沼泽的面积减少速度最快；生态保护情景下，耕地的减少速度较其他两种情景快，主要转出为了园林地、水域等生态型用地。 （4）适宜尺度下土地利用生态风险的时空变化情况及空间异质性研究。结果表明：1km×1km规则网格是最佳研究尺度，在该尺度下研究区土地利用生态风险的空间分布呈集聚模式，且具有较强的空间正相关性；2000—2005年土地利用生态风险在小尺度上的随机变异逐渐被较大尺度上的空间结构性变异所取代，2005年生态风险总的空间变异程度较高，2005—2016年由随机因素引起的空间变异程度增强。17年间土地利用生态风险呈现由中高、高生态风险向中、中低生态风险转变的特征，生态风险稳定区和改善区占区域总面积的79.21%，生态风险有了大幅降低，生态风险恶化区和明显恶化区主要分布在东部矿区周边及道路沿线等人类活动较频繁、地面塌陷较严重的区域。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2 国内外相关研究进展

1.2.1景观格局研究进展

1.2.2景观格局演变情景模拟研究进展

1.2.3矿区生态风险评价研究进展

1.2.4问题分析

1.3研究内容与技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

2 研究区概况与数据处理

2.1研究区概况

2.1.1研究区位置和范围

2.1.2自然条件

2.1.3社会经济条件

2.1.4矿井及采煤塌陷地分布概况

2.2数据来源与预处理

2.2.1数据来源

2.2.2数据预处理

2.3遥感图像分类

2.3.1确定矿区土地利用分类体系

2.3.2分类方法

2.3.3矿区土地利用分类

2.3.4分类结果精度评价

3 矿区土地利用变化分析

3.1研究方法

3.1.1土地利用类型的数量变化

3.1.2土地利用变化方向分析

3.1.3土地利用类型重心转移

3.2结果与分析

3.2.1土地利用类型数量变化特征分析

3.2.2土地利用类型变化方向分析

3.2.3土地利用类型重心变化分析

4 矿区土地利用景观格局时空演变特征分析

4.1研究方法

4.1.1景观指数的选取

4.1.2景观指数粒度效应分析方法

4.1.3面积信息守恒评价方法

4.1.4景观格局变化分析

4.2结果与分析

4.2.1适宜空间分析粒度的选取

4.2.2适宜空间分析幅度的选取

4.2.3适宜尺度下景观格局变化特征分析

5 矿区土地利用景观格局演变情景模拟

5.1 研究方法

5.1.1 CLUE-S模型原理及模拟过程

5.1.2 模拟尺度的确定

5.1.3 驱动因子的选择及数据处理

5.1.4 CLUE-S模型的参数设置

5.1.5 各土地利用类型与驱动因子的空间分析

5.1.6土地利用需求文件设置

5.2情景模拟结果

5.3模拟结果精度验证

5.4 矿区未来土地利用情景模拟

5.4.1 不同情景模式下未来土地利用需求量预测

5.4.2 不同情景模式下未来土地利用空间分布预测

6基于土地利用景观格局变化的区域生态风险评价

6.1研究方法

6.1.1 采样方法

6.1.2 土地利用生态风险指数的构建

6.1.3 空间统计分析

6.2矿区土地利用生态风险的空间自相关分析

6.2.1全局空间自相关分析

6.2.2局域空间自相关分析

6.3土地利用生态风险的半方差分析

6.3.1土地利用生态风险的尺度效应分析

6.3.2适宜尺度下土地利用生态风险的半方差分析

6.4土地利用生态风险的克里格插值及精度评定

6.5土地利用生态风险的时空异质性分析

6.5.1时间变化

6.5.2空间变化

7结论与展望

7.1主要研究结论

7.2主要创新点

7.3不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间研究成果