采煤塌陷区土地复垦适宜性评价单元划分研究＊

蔡利平 李 钢，3 孙久运 陈国良

（1.中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏省徐州市，221116；3.徐州市国土资源局，江苏省徐州市，221006）

采煤塌陷区土地复垦适宜性评价单元划分研究＊

蔡利平1，2李 钢1，2，3孙久运1，2陈国良1，2

（1.中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏省徐州市，221116；3.徐州市国土资源局，江苏省徐州市，221006）

针对采煤塌陷地的特点和目前采煤塌陷区土地利用适宜性评价的不足，在初次划分的采煤塌陷区基本评价因素同质评价单元的基础上，叠置采煤引起的各种因素得到采煤塌陷地评价单元。根据评价单元之间带权重的欧氏距离，依次将面积较小而不具有实际意义的同质单元合并到相邻的最相似单元中，并以单元的面积为权重计算合并后的单元的因素评分值，得到适合于采煤塌陷区的土地利用适宜性评价单元。

适宜性评价 多因素叠置 合并单元 采煤塌陷地

对于塌陷区土地复垦，需要建立在土地适宜性评价基础上，其中评价单元划分对于评价过程起着关键性作用。目前，土地评价单元划分类型有土壤类型单元、土地资源类型单元、土地利用现状图斑单元、行政单元、网格单元，以及多因素叠置形成的同质单元。然而，采煤塌陷区不同于一般的建设用地，其环境复杂，且受开采活动动态和长期持续的破坏影响，矿区的土地性质变化较大、变化较快，且各地块变化情况各异。因此常用的土地评价单元划分，除网格单元和多因素叠置形成的同质单元外，其他几种单元划分类型都不能很好地满足采煤塌陷地的变化特点。而网格单元主要应用于城镇土地单元划分；多因素叠置形成的同质单元严格地满足了土地评价单元的同质性要求，但评价单元极不规则，部分单元面积太小，不具有任何实际物理意义。因此，本文针对多因素叠置形成的同质单元为评价对象，计算同质单元的相似度，合并不满足面积要求的同质单元，并进行同质单元的属性合并，获取满足实际复垦需求的适宜性评价。

1 采煤对土地的主要影响

1.1 地表裂缝对土地的影响

随着地表沉陷的发展，在塌陷盆地内的部分区域产生地表裂缝。地表裂缝的产生取决于采空区上方表层土壤的物理性质和地表沉陷的发展。开采沉陷引起的地表裂缝在自然作用下，加速了土壤侵蚀，造成水、土壤、母质的损失，降低土壤的肥力，影响农作物的产量，降低土地的价值。开采沉陷引起的地表裂缝有的非常细小，有的上口宽度可达1～2m，深度可达20m。根据开采沉陷引起的地表裂缝的特点以及所处自然环境，可将地表裂缝引起的侵蚀分为细沟侵蚀、沟蚀和重力侵蚀。不同的侵蚀情况造成的复垦难度各异，因此，地表裂缝作为土地适宜性评价因子时，把地表裂缝因子划分为细沟侵蚀区、沟蚀区、重力侵蚀区和无侵蚀区。

1.2 开采沉陷对建筑物的影响

开采沉陷在水平方向产生水平移动、拉伸与压缩变形，垂直方向产生下沉、倾斜、曲率和扭曲，以及地表平面产生剪应变，建筑物受到损坏。建筑物受开采影响的损坏程度取决于地表变形值的大小和建筑物本身抵抗采动变形的能力。在矿区，建筑物保护煤柱允许地表变形值为：倾斜值i＝±3 mm／m，曲率K＝±0.2×10－3／m，水平变形ε＝±2mm／m。

在开采之后，没达到下沉的最大值时，不能确定建筑物的受损程度，只能按照一定的间隔取点预计地表的移动变形值，按照建筑物损坏等级表，预计各点的损坏等级，构建整个区域的损坏等级模型，绘制损坏等级图。建筑物损坏等级作为土地适宜性评价因子时，用损坏等级图与其他评价因子的同质单元叠置，得到具有建筑物损坏等级因素的评价因子图。

1.3 开采沉陷对水体的影响

开采煤炭资源时，可能出现的水体问题有地表积水、径流变化、水质污染；地下水流失、深度下降、透水突水事故、水质污染等。水体受到破坏之后，给矿区的生活、生产带来严重影响。在分析开采沉陷对水体的影响时，应说明对主要水体的开采沉陷影响程度、最优的防治对策；对生产、生活用水的影响及防治措施；地表积水的可能性、范围、影响及防治方法；矿井水患的可能性及对策；防治水体受开采沉陷影响的费用估算。把积水因素作为土地适宜性评价因子时，根据积水状态，把塌陷地分为积水塌陷地、季节性积水塌陷地和无积水塌陷地。

1.4 重金属污染对土地的影响

由于矿区废弃物和矿井水排放，煤矿废弃物中含有多种重金属元素，很容易使煤矸石、粉煤灰充填的塌陷区、煤矸石堆和排石场周围的土壤及地下水受到污染，重金属对土壤产生的污染很难得到改善。进入土壤的重金属很难通过自然过程从土壤环境中消失或稀释，对土壤生态系统结构与功能的影响以及对生物体的危害不容易恢复，直接或间接地对人类产生危害。

在采煤塌陷区进行采样，分析土壤中的重金属含量，根据土壤中重金属的浓度，将重金属污染程度划分为几个适合于土地适宜性评价的等级，按照一定的规则，转化为相应的数值型因素评分值，并制作采煤塌陷地的污染等级图。

2 基于同质因素的评价单元的二次划分

2.1 评价单元的评价因素表达

土地评价单元是土地评价对象的最小单元。根据采煤对土地的影响可以划分出同质因素图及同质评价单元。土地评价单元实体具有对应于土地影响的各种属性和关系，因此可以将整个评价区域的土地单元信息存放在一个n维数组中。

2.2 同质单元的叠置

通常土地评价单元的基本类型有3种：土壤分类单元、土地资源分类单元和土地利用现状分类单元。这些方法都不能解决评价区域内具有较大的变化问题，多因素叠置形成的同质单元能够综合考虑到评价区域的复杂性，能够包含评价所需的各种因子，解决评价区域较大变化的问题。同质单元是根据评价目的要求，选取地貌、耕层厚度、土壤、气候、海拔、坡度、pH值等影响土地评价的因子，分别将各个评价因子制作成图，利用GIS的空间叠置功能进行叠置得到。

土地质量指标选取主要考虑影响土地质量的主要因素和区域的限制性因素。采煤塌陷地除了具有一般土地的属性之外，还包括采煤塌陷产生的各种影响土地质量的因素。进行采煤塌陷地评价单元划分时，叠置土地基本属性同质单元图和采煤引起的影响因素等级图，得到包含所有影响采煤塌陷地适宜性评价的因素的同质评价单元图。评价单元的评价因素叠置示意图如图1。

图1 叠置示意图

3 评价单元综合

通过以上叠置得到的部分同质评价单元一方面是完全叠置计算得到的，没有参照实际情况；另一方面面积较小，不具有实际应用意义。因此，选取较小的同质单元依据统计分析合并到相邻的同质单元中。合并步骤如下：①量化、标准化处理各个因素评分值；②根据同质单元的面积，进行从小到大的顺序排列；③选择最小的同质单元，计算该同质单元和其相邻的同质单元的相似系数；④把最小同质单元合并到和该单元最相似的领域单元中；⑤把合并后的新单元排列到已经排列好的顺序中；⑥重复②至⑤的步骤，直到最小的同质单元的面积满足规定的要求。合并流程图如图2所示。

图2 单元合并流程图

3.1 相似度计算

评价单元之间的相似度是衡量单元划分的主要指标。但评价单元的各个影响因素值表示方式不一样，各个影响因素值的量纲和数量大小很不一致，变化幅度也不相同，因此，需要对数据进行规格化处理。

根据各个评价因素的特性，通过量纲化方法或无量纲化方法，把各个因素评分值转化到统一的区间[0，100]。

对评价因素的评分值量化之后，采用标准差进行规格化变换，变换公式为：

式中：xik——原始因素评分值；

Xik——标准化后的因素评分值；

xk——第k个属性值得平均值，即：

式中：sk为第k个因素评分值的标准差，即：

通过标准差变换后，每个因素评分值的平均值为0，方差为1。

评价单元之间的相似程度转化为评价单元之间的距离系数，距离越小，相似程度越大。本文在欧几里得距离（Euclidean Distance）的基础上，根据各个评价因素的重要性，每一个因素评分值的距离加上权重，得到一个带权重的欧几里得距离。其计算公式如下：

式中：Xik和Xjk——分别表示第i个同质单元和相邻的第j个同质单元的第k个标准差变换后的因素评分值；

dij——表示第i个同质单元和相邻的第j个同质单元之间的距离；

Wk——为第k个评价因素权重值，Wk∈[0，1]，W1＋W2＋……＋Wm＝1。

3.2 因素评分值计算

同质单元的合并包括几何信息合并和属性信息合并。几何信息合并只需将两个同质单元从形态上联合到一起；属性信息合并需要根据各个评价因素的表达形式，采取不同的方法进行融合。根据评价因素的特性，在属性信息合并过程中，采用以下两种方法：

（1）评价因素的表达形式为数值型，以面积为权重，根据要合并的2个单元的面积，计算得到的加权平均值为合并后的单元的因素评分值。计算公式如下：

式中：X1k，X2k——分别为要合并的2个单元的第k个评价因素的值；

X合k——合并后的单元的因素评分值；

Area1和Area2——要合并的2个单元的面积。

（2）评价因素评分值的表达形式为等级型（如污染等级）或枚举类型（如土壤质地），比较要合并的2个单元的面积，合并后的单元的因素评分值为合并前较大面积单元的因素评分值。

式中：X1k，X2k——分别为要合并的2个单元的第k个评价因素的值；

X合k——合并后的单元的因素评分值；

Area1和Area2——要合并的2个单元的面积。

另外，为了更能够体现2个单元的综合特性，可以对该因素评分值进行量化，转化为数值，按照数值型的方式计算合并后的单元的因素评分值。

4 验证实验与结果分析

从一个叠置好的采煤塌陷区的同质单元图中截取一部分同质单元（9个同质评价单元），如图3左图所示，同质单元中具有9个评价因素，包括土地评价的一般因素（灌溉条件、排水条件、坡度级别、土层厚度、pH值和有机质含量）和采煤引起的因素（裂缝深度、污染级别和塌陷深度）。表1为根据各种规则量化后的因素评分值，表2为按照公式（1）、（2）、（3）进行标准化后的因素评分值。

表1 量化后的土地因素评分值

表2 标准化后的土地因素评分值

表3 各个评价因素权重

在土地适宜性评价中，计算评价因素的权重时，层次分析法应用比较广泛，也比较成熟。因此，本文采用层次分析法计算评价因素权重，表3为按照层次分析法得到的各个因素的权重。

图3左图中，已经按照同质单元的面积排好序，最小单元为1号单元，与1号单元相邻的单元有5个单元（2、3、8、5、9单元）按照公式（4）计算得到1号单元与相邻单元的欧式距离如表4。可以看出1号单元与3号单元的距离最小，则与3号单元最相似，即把1号单元和3号单元合并得到新的单元1－3。

表4 1号单元的欧氏距离

以30000m2的面积为阈值，按照合并流程，依次合并的顺序为1号单元和3号单元合并，2号单元和7号单元合并，4号单元与2－7号单元合并，5号单元和9号单元合并。最后合并的结果如图3中的右图。

图3 土地单元合并示意图

在合并同质单元几何信息的同时，按照公式（5）或（6）合并同质单元的各个因素评分值。表5为合并后的土地评价因素评分值，从表5中可以看出，合并后的因素评分值不是评价因素的原始值，而是量化值，能够很好地在土地适宜性评价中使用。

表5 合并后的土地因素评分值

整个合并过程具有代表性，既有内部的同质单元被合并，又有边缘的同质单元被合并；一部分同质单元合并到已经满足面积阈值要求的相邻同质单元中，一部分同质单元合并到不满足面积阈值要求的相邻同质单元中；一部分是合并到之前通过合并得到的同质单元中，一部分是合并到没和任何同质单元合并的同质单元中。

5 结论

在采煤塌陷区土地复垦中，由于受开采活动及其后续影响造成的土质变化的动态性与持续性，使对其适宜性评价不能采用常用土地单元划分方法。本文应用多因素叠置形成同质单元，并针对其初始划分方法不具有实际应用意义的实际问题。利用加权的欧氏距离分析同质单元的相似性，将小于阈值的同质单元合并到最相似的领域单元上，并以面积为权重综合同质单元的因素评分值，既综合了几何数据，也综合了属性数据。这样既消除了因部分单元面积太小而不具有任何实际物理意义的评价单元，又保证了同一评价单元内土地的基本属性和土地质量基本一致，提高了适宜性评价结果的实用性和准确性。

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[3] 刘耀林，焦利民.土地评价理论、方法与系统开发[M].北京：科学出版社，2008

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[5] 李春意，崔希民，郭增长等.矿山开采沉陷对土地的影响[J].矿业安全与环保，2009（4）

[6] 吴侃，李亮，敖建锋等.开采沉陷引起地表土体裂缝极限深度探讨[J].煤炭科学技术，2010（6）

Research about unit of the reclamation suitability evaluation in coal mining subsidence area

Cai Liping1，2，Li Gang1，2，3，Sun Jiuyun1，2，Chen Guoliang1，2

（1.Key Laboratory for Land Environment and Disaster Monitoring of SBSM，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.College of Environment，Surveying and Mapping，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；3.Bureau of Land and Resources of Xuzhou，Xuzhou，Jiangsu 221006，China）

According to the characteristics of the coal mining subsidence area and the present land－use suitability assessment deficiencies in the coal mining subsidence area，based on the first divided homogeneous unit of evaluation factors in the coal mining subsidence area，overlay the factors caused by coal mining to obtain the evaluation unit.Based on the weighting euclidean distance between the evaluation units，turn the homogeneous unit，which is smaller and does not have practical significance，into the most similar adjacent unit，use weights of area to calculate the values about the factor of the combined unit，to get the land use suitability evaluation unit which is suitable for coal mining subsidence area.

suitability evaluation，multivariate overlay，merging unit，coal mining subsidence area

TD88

B

国土资源部公益专项基金（201211011－02）

蔡利平（1987－），男，中国矿业大学环境与测绘学院在读硕士，主要研究方向：GIS原理与应用、土地复垦。

（责任编辑 孙英浩）