基于指数和法和极限条件法的矿区土地适宜性评价——以孟家窑煤矿为例

梁叶萍，毕如田

(山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

基于指数和法和极限条件法的矿区土地适宜性评价
——以孟家窑煤矿为例

梁叶萍，毕如田

(山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

对矿区复垦土地适宜性评价是进行土地复垦工作的重要内容之一，也是土地复垦研究的基础。以山西省宁武县孟家窑煤矿为例，对该矿拟损毁土地进行适宜性评价，结合土地利用现状数据库、地形地貌、土壤图等相关资料，从损毁程度、有效土层厚度、地形坡度、有机质等因素对矿区损毁土地进行适宜性评价，运用层次分析法对选取的指标赋予相应的权重，采用极限条件法和指数和法相结合的评价方法将研究区的复垦土地划分为宜农用地、宜林用地、宜草用地，根据评价的结果，将各适宜地类划分为一等、二等、三等地类。其中，宜农一等地面积为134.41 hm2、宜林一等地面积37.78 hm2、宜草一等地面积96.34 hm2。

适宜性评价；指数和法；极限条件法；矿区复垦土地；孟家窑

土地复垦已成为解决当前人地矛盾，实现耕地总量动态平衡的一项重要措施，而对复垦土地进行适宜性评价是土地复垦的重要内容之一，也是土地复垦的核心。实现土地的有效复垦与合理利用，必须以土地复垦适宜性评价为基础和依据。长期以来，人们探讨运用不同的评价方法研究矿区的待复垦土地资源的适宜性评价，比较典型的主要有：王介勇等在GIS技术支持下对工业用地进行生态适宜性经济评价[1]；梁涛等通过层次分析法确定评价因子权重,从空间上相对准确地表征了不同类型土地的生态适宜度[2]；苏光全等将矿区废弃土地资源划分不同亚类，分别对每一类作出了相应的适宜性评价,同时还提出了具体的开发利用途径[3]；喻红林等运用指数和法、极限条件法计算综合指数，结合最小限制因素法找出限制因素，以分析不同评价单元适宜的土地复垦方法及类型[4]；廖谌婳等在确定研究区主要用地类型的基础上，运用层次分析法和多因素综合评价的方法建立农田景观生态适宜度的空间分布[5]；付清等将生态位适宜度方法以及克里格插值法引入到适宜性评价研究当中[6]。根据以上各种方法的比较，结合矿区实际情况：项目区范围小，土地覆盖类型单一，因地制宜地建立研究区的评价指标体系，采用指数和法和极限条件法相结合的方法，选取多个因素构建评价体系，评定损毁土地的复垦适宜性方向。

1 研究区概况

孟家窑煤矿位于山西省忻州市宁武县城西，吕梁山脉管涔山东麓。宁武县矿产资源丰富，主要资源有煤、铁、铝矾土以及石英石，等等。尤其以煤炭资源储量最大，大大小小有上百座煤矿，是大宁煤田的主要组成部分。孟家窑煤矿井田面积为1713.05 hm2。矿井的服务年限为100.9年，年生产规模120万t。首采区服务年限30.9年，首采区预测损毁面积354.24 hm2，其中耕地损毁163.38 hm2，林地56.82 hm2，草地118.64 hm2,水域及水利设施用地4.94 hm2，村庄10.46 hm2。项目区内地势总体呈西高东低，属于中低山区，地形为剥蚀侵蚀中低山地形。井田内无常年流水，沟谷中的季节性河流流入恢河。井田范围主要分布在山区、丘陵区。土壤类型以褐土性土为主，所处地形复杂，成土母质种类多样。孟家窑井田范围内自然植被覆盖度较低。项目区地形地貌如图1。

图1 项目区的地形地貌

2 建立适宜性评价体系

2.1 研究方法

本次评价是采用综合分析，运用“土地适宜类——土地质量等——土地限制型”的分类方法确定矿区土地的适宜类别，构建评价体系，选取指标因子，层次分析法确定各评价因子的权重，极限条件法与指数法相结合最终确定复垦土地的适宜等级。

2.2 评价单元的确定

矿井开采引起的地表沉陷对地面的扰动较大，改变、破坏了项目区原有地貌植被及土壤结构，在地表形成了采动裂缝，使土地丧失了原有的固土抗蚀能力，容易产生严重的水土流失，影响矿区正常生产和项目区及周边生态环境状况。运用概率积分法和山区地表移动变形预计模型预计开采范围内的水平和垂直方向的移动变形值。地表移动边界的范围就是开采产生的地表移动范围，即为塌陷区的面积。根据开采沉陷地表移动变形等值线图，分别绘制首采区下沉等值线图，水平变形等值线图，项目区破坏土地损毁程度分析图，矿区土地损毁程度分析揭示了土地的可利用范围及可利用的能力。

根据矿区具体情况，该研究的对象为矿区开采造成的拟损毁土地，总面积为354.24 hm2，本次研究主要是针对矿区拟损毁的农用地，即耕地损毁163.38 hm2，林地56.82 hm2，草地118.64 hm2三大地类进行评价，共计338.84 hm2。

在对孟家窑煤矿进行土地复垦适宜性评价划分评价单元时，以土地利用现状、土地损毁程度和土壤类型以及限制性因素等因素的综合影响为划分依据，采用ArcGIS里的空间分析功能，将相同比例尺的相关图件进行叠加，形成封闭图斑，并对小于上图面积的图斑进行合并，从而得到最终评价单元。

2.3 评价因子的选择

在特定的土地用途或土地利用方式中，选择影响土地适宜性最主要的几项因素作为评价的项目，称为评价因子。土地资源是自然经济综合体，其综合质量的高低既受自然因素的影响，又受社会经济因素的制约[7]， 而矿区待复垦土地适宜性评价应选择一套相互独立而又相互补充的参评因素和主导因素。参评因子应满足以下要求：一是可测性，即参评因子是可以测量并可用数值或序号表示的，并具有较高的可操作性；二是关联性，即参评因子的增长或减少，标志着评价土地单元质量的提高或降低；三是稳定性，即选择的参评因子在任何条件下反映的质量持续稳定；四是不重叠性，即参评因子之间界限清楚，不致相互重叠，相互之间不可替代[8]。

研究区内主要用地类型为耕地、林地和草地，影响土地利用的主要自然因素是气候和土壤条件，其他光照，积温对其影响较小，因此将土壤因子作为主要的影响因子。研究区范围较小，土壤类型较为单一，因此，选取几个有差异性的土壤因子：坡度、有机质、损毁程度、有效土层厚度等。由于开采煤层会对地表产生塌陷或裂缝，因此，将开采损毁程度也作为本次评价的主要因子之一，具体评价因子见表1。

表1 各评价单元的评价因子

2.4 指标体系的构建

复垦土地适宜性评价主要针对因挖损、塌陷、压占等破坏的土地进行适宜性评价，以确定其复垦方向。根据孟家窑煤矿待复垦土地资源特殊的地理条件，处于山区特定环境之下，土地用途受到较大限制，为实现矿区的可持续发展，矿区土地复垦利用方向应首先考虑的是农用地，该矿区土地适宜性评价时只针对耕地、林地、草地进行评价。由于本研究区域的范围较小，土地覆盖类型单一，为了客观合理地对矿区土地进行适宜性评价，因地制宜地构建评价指标体系，以项目区原地貌类型作为基础，采用多种方法综合评价，首先用极限条件法，选择若干限制性因素，根据限制性因素对于各评价单元的影响情况大致获得项目区土地适宜类别：宜农用地、宜林用地和宜草用地。在选定的各评价因子中，由限制性等级最大的因子确定土地的适宜类别。

根据研究区土地利用现状，耕地、林地、草地及其他用地的利用情况及生产潜力状况，结合土地利用的方式，采用三级分类。土地适宜类：依据土地利用现状及损毁程度划分适宜类别，评价主要分为四类：高度适宜(1)，中度适宜(2)，勉强适宜(3)，不适宜(4)。土地质量等级：划分一等、二等、三等地。土地限制性：按其主导因素进行划分。

各个评价指标的质量通过多个土地性状来表达的，根据调查情况，分别将各个单元中参评因子的土地性状进行描述。

地形坡度：塌陷区耕地地表坡度6～20°之间，塌陷区林地坡度在15～30°之间，塌陷草地坡度在25～35°之间。

地表物质组成：塌陷区耕地为表土覆盖，地表物质组成为土壤，塌陷区林草地和裸地地表物质比较复杂，是土壤和岩土混合相间的，裸地有部分则为基岩。

土壤有机质和全氮：塌陷区耕地土壤有机质含量在0.4 g·kg-1以上，全氮含量在0.3 g·kg-1以上。

土层厚度：塌陷区耕地原耕层厚度为20 cm，有效土层厚度为50 m。塌陷林地、草地原土层厚度30 cm、20 cm。考虑到项目区所能利用的土源情况，根据损毁情况对其进行覆土。

对于各评价因素的量化等级状况见表2。

2.5 评价因子权重的确定

本次评价用层次分析法(Analytical Hierarchy Process，简称 AHP)确定各评价因子的权重，按照1～9标度法[9]，逐项地将任意两两指标进行比较，构建判断矩阵，通过方根法计算判断矩阵，并对矩阵进行归一化处理，计算最大特征值与向量，确定各因子的权重。对矩阵进行一致性检验，检查权数分配的合理性。

表2 各评价因子量化等级表

3 适宜性评价结果

3.1 各评价因子的权重值

运用层次分析法构建判断矩阵的计算以及一致性的检验之后得到各因子的权重值如表3所示。

由以上求得的权重可知，对项目区土地适宜性评价中，影响较大的是地形坡度，其次是土层厚度、地表物质组成和损毁程度。

3.2 各评价单元适宜类的划分

运用以上方法对塌陷区土地复垦适宜性进行评价，结果可得：总面积为354.24 hm2，评价区域的面积为338.84 hm2，其中耕地163.38 hm2，林地56.82 hm2，草地118.64 hm2。由于对孟家窑煤矿的适宜性评价是基于煤矿生产对土地破坏预测的基础之上进行，以现有的土地利用现状作为评价基础。将参评单元的土地质量分别与复垦土地评价因素各类评价等级标准对比，决定该单元的土地适宜性等级。结合矿区土地利用现状，孟家窑煤矿的适宜性评价结果分为三个等级：宜农用地、宜林用地、宜草用地。在此基础上再划分为一等、二等、三等地。

表3 指标权重计算结果

根据项目区实际情况和各评价因子对土地适宜性极限程度，通过实地调查和整理分析研究区内土地利用现状，土壤状况等资料建立研究区各参评因子的等级。根据各评价因子等级的高低，分别赋以相应的等级分，各评价因子划分为四个等级，相应的分值为：100、80、60、40分。用等级分乘以相应因子的权重值，为各评价因子的指数[10,11]。当某一因子达到强烈限制时，会严重影响评价单元的适宜程度，因此需要结合极限条件法进行评定，只要某一评价单元的参评因子的等级分为0时，不论综合分值有多高，都评价为不适宜[11]。土地综合指数计算模型为：

式中：Gi为i块土地综合质量指数；Pij为i单元j评价因子的权重；Xij为i单元j因子的等级分值，i为各评价单元的编号。

根据土地复垦标准中对各地类的复垦要求，同时考虑项目区的实际情况，通过对塌陷区各地类评价的总体分值进行综合分析判断，确定各用地等级分值的大致范围见表4。

表4 土地适宜性评价等级分值标准

依据项目区对塌陷区各评价因素分值的确立，根据上表中土地适宜性评价中不同等级对应不同的分值，依据各分值的划分来确定项目区不同地类的适宜性(见图2)，各等级面积统计见表5。

图2 拟损毁区域适宜性等级图

表5 评价单元综合结果

4 讨论与结论

本文采用极限条件法和加权指数和法相结合的适宜性评价方法，对孟家窑煤矿拟损毁区域进行适宜性评价，充分考虑了评价区域的自然环境、损毁状况、社会经济等多方面的因素，采用层次分析法确定权重，研究结果表明，孟家窑煤矿拟损毁土地的适宜性评价中宜农耕地面积168.38 hm2，其中宜农一等地134.41 hm2；宜林地面积为56.82 hm2，宜林一等地37.78 hm2；宜草地118.64 hm2，宜草一等地96.34 hm2。随着煤矿的开采，对土地的损毁程度越来越严重，宜农用地随之也在减少，意味着矿区土地复垦的紧迫性，必须将提高土地的自然质量与社会经济因素相结合，评价时，要以自然属性为主要的复垦方向，但也必须顾及社会需要以及资金的来源等因素。评价结果能够符合煤矿损毁土地复垦适宜性评价的要求，符合适宜性评价的基本原则。

根据项目区适宜性评价结果，结合矿区土地损毁情况，自然属性和社会经济属性，公众意愿等相关因素，确定矿区土地的复垦方向。项目区塌陷地类中：(1)耕地拟复垦方向：为保证耕地总量，项目区的耕地复垦为原地类；(2)林地拟复垦方向：为保护项目区生态环境，保持水土，便于统一管理，将林地中的灌木林地和其他林地统一复垦为有林地。(3)草地拟复垦方向：对项目区的草地的拟复垦方向为人工牧草地。充分有效地利用土地资源。对于项目区其它地类的复垦方向，根据损毁情况及土地自身特点进行综合评定。

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TheEvaluationofLandSuitabilityinMiningAreaBasedontheIndexesandLimitConditions——MengjiayaoCoalMine

Liang Yeping，Bi Rutian

(CollegeofResourceandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

Land suitability evaluation is an important and fundamental part of land reclamation. Combined with land use database, landform, soil maps, and other relevant information, taking Mengjiayao mine in Ningwu County in Shanxi province for example, the suitability of the intended destruction land was evaluated by using four factors including destruction level, effective thickness of soil, slope, and organic matter. The classifications were established with the help of AHP to give weight to each factor. By combining Limit Condition Method and Indexes Method, the research area is classified to three classifications that suitable for agricultural, forest and grass, and each class includes first, second and third grades. Area of first grade in land that is suitable for agriculture is 134.41 hm2, for forest is 37.78 hm2, for grass is 96.34 hm2.

Suitability evaluation; Indexes method; Limiting conditions; Reclamation land in Coal mine; Mengjiayao

2014-03-14

2014-04-19

梁叶萍(1988-)，女(汉)，山西大同人，在读硕士，研究方向：土地信息技术。

毕如田，教授，博士生导师。Tel：0354-6288912；E-mail：brt@sxau.edu.cn

山西省科技攻关项目(20120311009-1)

TD88

A

1671-8151(2014)05-0436-06

(编辑：武英耀)