趙固二礦采煤塌陷土地復墾適宜性評價

曹 瑜 嚴鵬飛 胡振琪 袁冬竹 孫楊楊

(1.中國礦業大學(北京) 土地復墾與生態重建研究所， 北京市海淀區，100083；2. 焦作煤業(集團)新鄉能源有限公司，河南省新鄉市，453000)

煤炭開采易造成大面積土地塌陷，更為嚴重的將造成土地常年性積水，導致大量土地資源的浪費，大量耕地減產甚至絕產，嚴重損害了農民的利益，并將進一步加劇日益突出的人地資源的矛盾。土地復墾作為修復采煤塌陷地的一種手段，能夠有效地將部分損毀的土地轉化成耕地、園地或者林地，提高土地的利用效率。

近年來，越來越多的學者都在進行礦區塌陷土地進行適宜性評價的研究，通過借鑒目前應用較為廣泛的指數和法等成熟的評價方法并結合趙固二礦的實際情況，采用二級土地適宜性評價體系，創新性地將極限綜合法和土地適宜性評價結果相結合，并引入了差積法對限制性因素進行了分析。本文旨在通過對本礦區的土地復墾適宜性評價，為后續復墾工程的實施和土地改良提供參考。

1 研究區概況

趙固二礦位于河南省輝縣市，西面與焦作市相距55 km，東南與新鄉市相距37 km，東北與輝縣市相距10 km，屬溫暖帶大陸性季風氣候，雨水十分充足。土壤以褐土為主，主要植被以農業植被群落和栽培的落葉闊葉樹種為主，也是當地的優勢作物群落。小麥、玉米是當地的主要糧食品種。從2010年開采至今，長期的采煤活動導致大量土地的塌陷，甚至積水，嚴重破壞了寶貴的農用地資源。

2 開采沉陷損毀預測

根據趙固二礦的實際開采接續計劃，結合開采沉陷預計軟件(MSPS)預測土地損毀情況，并針對實際搜集的當地土地利用現狀情況及相關圖件信息，利用ARCGIS制作了土地利用轉移矩陣，2018-2038年土地利用轉移矩陣見表1。利用土地轉移矩陣直觀地表現了土地利用情況的變化，進而對采煤驅動影響下的土地利用變化情況進行分析。

除交通運輸用地和水域及水利設施用地外，其他所有利用類型的土地面積都在減少，主要為向水域及水利設施用地的轉移，其主要原因為在煤炭采動的影響下，導致土地塌陷的程度嚴重，致使土地下沉低于煤礦區潛水位，形成大面積積水，大量寶貴的土地資源轉變為水域。其中耕地面積減少最多，大量耕地減產甚至絕產，其次是城鎮村工礦用地，大量房屋受煤炭采動影響，損毀嚴重。而水域及水利設施用地極劇增加，從開采前的45.46 hm2增加到628.22 hm2，水域在總塌陷面積中的占比由之前的2.84%驟增至39.37%。由此看出煤炭開采導致超過三分之一的土地塌陷下沉到水中，而水域的轉變80%是通過耕地轉化而來的。由此分析，煤炭的開采對耕地的損毀比較嚴重。

表1 2018-2038年土地利用轉移矩陣 hm2

土地利用信息熵的變化可以反映土地利用的有序度和均衡度，公式見(1):

(1)

式中:H(x)——采煤塌陷土地利用結構的信息熵;

Pi——某種土地利用類型的面積占總面積的比例。

根據公式(1)并結合土地利用變化的數據計算，得出2018-2038年土地利用結構信息熵由0.61上升到0.97。2018-2038年在采煤驅動下，大量耕地轉化為水域及水利設施用地，其余土地面積變化較小，使得采煤塌陷地占比較大的兩種地類面積差距縮小，采煤塌陷地土地利用結構信息熵緩慢增加，隨著熵值的不斷增加，采煤塌陷土地系統的無序度降低。

根據趙固二礦提供的土地利用現狀圖，通過沉陷預計軟件獲得未來塌陷數據，并結合輝縣市的統計年鑒獲取研究區的土地環境特征、水文經濟數據、地形數據，來源于地理空間數據云中的復墾現狀區的30 m分辨率的DEM高程遙感影像。結合Arcgis平臺的疊置分析、緩沖區分析和屬性分析等工具，并利用自然斷點法的方式劃分宜耕、宜園和宜林這3種復墾方向上的4個適宜性程度等級。

3 評價體系的建立

3.1 評價原則

進行復墾土地適宜性評價要在符合土地適宜性評價原則的情況下，綜合考慮采煤塌陷地的現狀和預測結果。土地適宜性評價的原則主要有以下幾點：一是因地制宜原則，二是土地持續利用原則，三是綜合分析和主導因素分析相結合，四是經濟效益可行性。

3.2 評價指標指標及權重的分配

由于不同地區、不同塌陷程度的土地的特點也有很大差異，而且在塌陷過程中，不同的自然條件以及基礎設施等各個指標對適宜性評價的貢獻值也是不一樣的，因此在綜合考慮本礦實際土地損毀土地的特點，參考之前復墾方案中指標的情況下咨詢相關專業人士，進一步篩選出了幾個相互獨立和補充的評價指標，分別是地表坡度、土地利用現狀、土地損毀程度、水土污染程度、灌排條件、土壤類型和耕地管理半徑，由于開采損毀后其他因素的變化都會間接導致土壤有機質的變化，因此不再對土壤有機質因素進行單獨分析。在參考土地復墾技術標準和之前相關復墾方案中的評價對這8個指標進行標準值的量化。損毀土地復墾適宜性評價指標量化標準值表2。

土地復墾適宜性評價因子的權重的確定是結合相關專家對不同指標中重要性的比較，通過Yaahp軟件構建判斷矩陣，分別求出宜耕、宜園和宜林這3個不同評價方向上的以上七個評價指標的權重，適宜性評價因素指標權重見表3。

表2 損毀土地復墾適宜性評價指標量化標準值

表3 適宜性評價因素指標權重

3.3 評價單元的劃分

在適宜性評價單元劃分的方法中，常常用到的有根據行政單元、土地資源的類型、土地利用現狀圖斑、網格單元劃分同質單元或者通過利用不同評價因素的進行疊置，進而劃分的評價單元。

由于采礦造成的塌陷會造成土地很多要素特點的改變，適宜性評價需要建立在不同要素變化特點基礎上，因此根據采礦損毀復墾的特殊性，采取疊置法劃分評價單元，在Arcgis平臺上將不同的圖層進行疊加，但是通過疊置法會出現很多面積較小并且分散的斑塊，因此需要借助Arcgis中的model和dissolve工具進行小斑塊的按屬性合并，將面積較小的斑塊根據屬性合并到相似的同質單元中，既能夠簡化處理而且還能夠保持評價單元內部的均一性和相似性，又能夠保證不同評價單元之間的差異性和可比性。根據疊置法以及對細碎斑塊的合并，一共劃分出了110個評價單元。針對合并后的評價單元，計算合并后整個單元的最終分值見式(2)：

(2)

式中：G——合并后單元的總分值；

Sm和Sn——分別為合并之前的m和n的面積，hm2；

Gm和Gn——分別為合并之前的m和n的分值，hm2。

3.4 評價模型

本文采取極限條件法和指數和法對不同評價單元進行適宜性評價綜合分值的計算。進而根據宜耕、宜園和宜林不同評價方向內適宜性分數的劃分區間進行適宜性程度的判定，實現了對整體的綜合評價。指數和法采用公式(3)進行計算：

(3)

式中：Grt——評價單元r在評價方向t上的總分；

brst——評價單元r第s個因子在評價方向t上的得分；

crst——評價單元r第s個因子在評價方向t上的權重。

4 結果與分析

4.1 不同評價方向的適宜性程度分級

根據構建的評價體系，通過指數和法計算出各個評價單元的的分值，不同復墾方向適宜性程度等級統計結果見表4。

表4 不同復墾方向(宜耕，宜園，宜林)適宜性程度等級統計結果

由表4分析得出，從分值可以看出，宜耕、宜園和宜林這3個不同的復墾方向上，宜林在4個適宜性程度評價等級的得分相比之下較大，其次是宜園，得分最低的是宜耕。宜耕復墾方向上所占面積最大和最小的分別是不適宜區和高度適宜區；宜園復墾方向上所占面積最大和最小的分別是一般適宜區和高度適宜區；宜林復墾方向上所占面積最大和最小的分別是勉強適宜區和一般適宜區。在高度適宜中，面積占比最大的是宜林方向，面積占比最小是宜耕方向；在一般適宜中，面積占比最大的是宜林方向，面積占比最小的是宜耕方向；在勉強適宜中，面積占比最大的是宜園方向，面積占比最小的是宜林方向；在不適宜等級中，面積占比最大的是宜耕方向，面積占比最小的是宜林方向。由于塌陷下沉至低于地表潛水位會使土地的生產能力基本喪失，因此采用極限條件法，在3種評價方向上直接劃分為不適宜。不同復墾方向適宜性程度等級空間分布如圖1所示。

4.2 基于綜合評價法的評價結果的分類

由于隨著采煤造成的地面塌陷程度的加深，會使得地表低于潛水位，造成大面積的積水，最大塌陷深度達到5.4 m，因此在預測過程中的對大面積積水的重度積水區的適宜性評價將其統一歸并為宜漁。

根據對不同評價單元的不同復墾方向適宜性程度等級的劃分，創新性地引入了一種綜合評價法，此方法主要是對宜耕、宜園和宜林的3個方向分別賦值1、2、3，并按照宜耕、宜園、宜林的順序進行組合，構成一個類似于四進制的三位數，計算公式見式(4)：

MLS=a*100+b*10+c*1

(4)

式中：MLS——綜合評價的結果的量化值；

a——宜耕的適宜性評價結果；

b——宜園的適宜性評價結果；

c——宜林的適宜性評價結果。

高度適宜、一般適宜、勉強適宜分別量化值為1、2、3。

通過這個3位數能夠直觀反映每個評價單元在不同復墾方向上的適宜性程度。對所有評價單元(重度塌陷積水區的評價單元除外)的MSL值的統計見表5。

圖1 不同復墾方向適宜性程度等級空間分布

評價單元序號詳見圖1中的標注。

表5 各評價單元MLS統計表

4.3 勉強適宜區限制因子分析

評價單元適宜型的程度往往受到許多評價因素的共同影響，勉強適宜的不適宜性往往是由于一個或幾個因素的不適宜性造成的。本文利用差積法對不同評價單元的勉強適宜區限制因子進行分析，見式(5)：

Srst=(arst-Fk)×brst

(5)

式中：Srst——評價單元r在評價方向s上的因素的得分相對于Fk的相對值；

arst——評價單元r在評價方向s上的因素t的得分；

Fk——評價方向s上一般適宜區的評價單元得分的最低值；

brst——評價單元r在評價方向s上的因素t的權重。

4.3.1 宜耕方向

宜耕評價單元評價因素相對值分布如圖2所示。

圖2 宜耕評價單元評價因素相對值分布

由圖2可以看出，宜耕方向的勉強性適宜區中的水土污染因素的相對值較大，不存在限制性，土地損毀程度因素在評價單元17、19和51的相對值為-1.21限制性較小，但在其余評價單元的相對值較小，為-2.06，是主要的限制因素；灌排條件因素的相對值都為負值，但在4、7、21、25、26、28、29、33、35和38的評價單元中相對值為-0.26，限制性相對較小，在其他評價單元處相對值達到了-2.64，是主要的限制因素；坡度因素在4、21、38、45、46、53、56、68、62、66、72和74處相對值為-2.52，是主要的限制因素，在其他評價單元處相對值為-0.27，限制性較??；土地利用現狀因素在3、4和16處不存在限制性，在其他評價單元中的相對值為-0.52，限制性較??；土壤類型因素在7、11、35和51處不存在限制性，在其他評價單元中的相對值為-0.63，限制性較小。因此在宜耕方向上，為了提高勉強適宜區的適宜性程度，應當通過改善排灌條件，并通過適當措施進行田面平整理等措施，盡可能地降低坡度因素的限制性。

4.3.2 宜園方向

宜園評價單元評價因素相對值分布如圖3所示。

圖3 宜園評價單元評價因素相對值分布

由圖3可以看出，地表坡度因素在評價單元3、10、13、17、23、27、30、33、34、47、48、59、61和69的相對值為-0.26，限制性較小，其余評價單元的相對值均在0.65～0.99之間變化，不存在限制性；水土污染因素在評價單元5、23、73和74處的相對值-0.53，限制性較小，其余評價單元的相對值較大，不存在限制性；土地損毀程度因素在評價單元3～5、33和72處相對值較小，為-2.13，限制性較大；土地利用現狀因素在評價單元3～5、72相對值為-1.54，限制性較大，其余評價單元的相對值為0.35，不存在限制性；土壤類型因素在所有評價單元的相對值比較接近于0，因此基本沒有限制；灌排條件因素在評價單元8、10、13、17、33和72處相對值為-0.56，限制性較小，其余評價單元內相對值較大，不存在限制性。因此，由于土地利用現狀和損毀這兩大限制性因素不易發生人為改變，因此應當著力從限制性較小的因素方面進行改善，如水土污染、灌排條件。

4.3.3 宜林方向

宜林評價單元評價因素相對值分布如圖4所示。

圖4 宜林評價單元評價因素相對值分布

由圖4可以看出，地表坡度因素在評價單元33、40、67、72、74和78相對值是為-0.77，限制性較小，在其他評價單元內地表坡度的最低分值都高于綜合評價總分的最小值，不存在限制性；土地損毀程度因素僅在評價單元29、33、57、64和65具有限制性，但限制性較小，相對值為-0.24；水土污染程度因素在評價單元51、57和64相對值為-1.10，限制性較大，在其他評價單元內不具有限制性；灌排條件因素僅在在評價單元4和78相對值較小，為-3和-2，限制性較大，是主要限制因素；土地利用現狀因素在評價單元28、29和33相對值為-0.11，限制性較小，在其他評價單元內沒有限制性；土壤類型因素在評價單元28、29、33、65和67具有較小的限制性，相對值為-0.81。因此，可以通過提高灌排條件和減輕水土污染狀況促進勉強適宜區向一般適宜區甚至是高度適宜區的轉化。

5 結論

通過對未來采煤塌陷情況的預測，結果表明開采后水域的面積將會急劇擴大，由45.46 hm2增加到628.22 hm2。

利用指數和法，借助Arcgis軟件的空間分析的功能，對趙固二礦損毀土地進行了不同復墾方向的適宜性評價，在宜林方向上高度適宜區所占面積比例為19.9%，一般適宜區面積比例為32.9%，宜林方向上高度適宜和一般適宜區面積所占比例高于宜耕和宜園，宜林不適宜的面積較小為30.7%，綜合認為較為適宜的復墾方向為宜林。

通過差積法對不同復墾方向上的勉強適宜區的評價因素的限制性進行了分析，提出了通過工程措施如改善排水條件等以改善勉強適宜區限制性因素的適宜性程度的建議。通過土地的適宜性評價為后續優化土地復墾方向的選擇提供了可能。