新疆地区煤矿复垦为草地适宜性评价模型的建立及应用

张紫昭，管伟明，朱建华，周天生，鲜　全

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；3.新疆地质环境监测院，新疆 乌鲁木齐 830000；4.伊犁州地质环境监测站，新疆 伊宁 835000；5.新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆地区煤矿复垦为草地适宜性评价模型的建立及应用

张紫昭1，2，管伟明1，朱建华3，周天生4，鲜全5

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；3.新疆地质环境监测院，新疆 乌鲁木齐 830000；4.伊犁州地质环境监测站，新疆 伊宁 835000；5.新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830000)

摘要：本文结合新疆地域特点，在合理确定土地复垦适宜性评价指标体系的基础上建立了新疆地区煤矿土地复垦为草地的适宜性评价模型。以新疆12处煤矿为研究背景，选取了待土地复垦单元土地损毁后的地面坡度、损毁土地深度或压占区堆积物平整量、复垦土源保证率、土地损毁造成土地产量的降低、地面塌陷或挖损后地下潜水位埋深、土壤中粘粒含量、覆土厚度、矿区可供灌溉水量和土壤有机质含量等9项因素作为评价因子，以12处煤矿的55个土地复垦单元作为学习样本，建立了相应的土地复垦适宜性评价模型，采用回代估计方法对学习样本逐一进行检验，正确率达98.2%，将该评价模型应用到伊犁一号煤矿矿井，对该煤矿的16个待土地复垦单元进行分析评价，评价结果理想，该评价模型可广泛应用于新疆地区煤矿土地复垦适宜性评价工作中。

关键词：土地复垦；评价指标体系；评价模型

新疆地区气候干旱，生态环境脆弱，草地资源极其珍贵，而作为新疆的重要经济来源煤矿的大规模开采严重损毁了当地的土地资源，损毁的土地类型主要为草地和裸地。为将土地损毁程度降到最低，根据"谁损毁、谁复垦"的原则，必须开展土地复垦工作，这就需要对煤矿已损毁和拟损毁的土地资源进行准确的土地复垦适宜性评价，确定最合理的土地复垦方向。适宜性评价是在考虑土地复垦措施之前进行的，只有将土地复垦适宜性做出合理评价，确定了土地复垦方向，这样才能确定最终土地复垦措施。

新疆地区矿山土地复垦适宜性评价主要是按照《土地复垦质量控制标准》规范相关内容[1](表1)进行的，在实际评价过程中部分指标难以量化，考虑土地损毁严重程度内容也较少，且规范规定的部分评价等级为2种，这样的评价结果不利于指导开展后期土地复垦工作，不能确定将来土地复垦方向是草地还是裸地，最终只能结合原有土地类型、土地规划、矿山实际等情况采用专家评价法来最终确定土地复垦方向。

近年来在地复垦适宜性评价实际工作中土主要是在现场调查的基础上采用定性评价方法[2]，另外还有其它一些评价方案，如专家评价法[3]、模糊数学法[4]、GIS及遥感评价法[5-6]、聚类分析法[7]、层次分析法[8-9]、神经网络法[10]、指数和法[11]等，但上述分类方法一方面评价指标不符合新疆实际情况，另外评价方法自身也存在缺陷，如模糊数学方法在指标赋予权重时带有主观性，神经网络方法需要选择模型和参数，存在收敛速度慢等弱点，而Fisher 判别分析方法对原始数据分布并无特殊要求，非常适合事先不知道样本分布的情况，该方法已广泛地应用到地质和矿山领域[12-13]，但在土地复垦适宜性评价方面目前还没有此方面研究，基于此，本文利用Fisher 判别分析理论，建立适合新疆地区煤矿复垦为草地的适宜性评价Fisher判别模型，并验证该模型的可行性和可靠性。

1评价指标体系的建立

土地复垦适宜性评价工作的关键是评价指标的确定，此次选取评价指标主要考虑以下几方面因素：一是可测性，即参评因子是可以测量并可用数值表示的；二是关联性，即参评因子的增长和减少标志着待土地复垦单元质量的提高或降低；三是不重叠性，即参评因子各个作用明确。基于以上要求，结合新疆地区矿山特有的地域特点，即矿山开采对土地复垦适宜性影响显著，水资源比较匮乏，损毁土地类型主要为草地和裸地，土壤质量相对较差，在指标的选取上主要从土地损毁的严重程度、土壤质量及厚度、灌溉条件等方面来考虑。土地损毁方式包括土地挖损、压占和塌陷，土地的损毁程度越严重，其土地复垦适宜性也就越差，土地损毁严重程度包括以下几方面指标。①土地挖损、塌陷或压占后地面坡度(°)X1：指挖损后地面主导坡度、塌陷后地面主导坡度或地面堆积物压占后地面主导坡度，该指标可通过现场和地形图量测以及相关的预测结果获取，如可通过废弃物的堆放量、堆放面积和堆放形式计算出堆积物压占后地面主导坡度；塌陷、挖损深度(m)或压占堆积物平整量(m3/m2)；②X2：塌陷或挖损地面相对于周围地面的平均深度、单位面积上需经工程平整主要是指煤矸石、废石等堆积物数量，该指标可通过地质环境保护方案、开发利用方案中相关的预测结果获取；③土源保证率(%)X3：指土地损毁后，对达到当地草地一等地要求的有效土层厚度所需土方量的满足程度，该指标主要是通过现场调查获取，即经现场调查发现若当地地表土层较厚且植被较发育，则矿区必须设表土堆放场，必须对表土厚的区域进行表土剥离，该指标直接取表土剥离后的土方量满足程度；④生产力降低(%)X4：指因土地损毁后造成的草场其生产力降低幅度，主要指矿区土地挖损、废弃物压占和塌陷造成的生产力下降，例如主井工业广场因设有煤矿堆放场、厂房等设施其对地表植被的破坏相对较严重，破坏面积占总面积一般可达80%以上，而副工业广场因地面设施相对较少，其对地表植被的破坏相对较轻，破坏面积占总面积一般低于10%，该指标可通过实测、开发利用方案及地质环境保护方案等相关资料获取；⑤地面塌陷或挖损后地下潜水位埋深(m)X5：指土地塌陷或挖损后地下潜水位埋深，若预测开挖深度或塌陷深度达到地下水位以下则地下水位埋深为0，即认为有地下水出露，该指标可通过地质报告、地质环境保护方案预测结果获取。土壤质量及厚度主要考虑3个方面，即土壤中粘粒含量(%)X6、土壤有机质(%)X7和土壤厚度(m)X8，3个指标可通过实测、相关实验及成果报告获取。因新疆地区气候干旱，基本不会产生积水，因此不考虑排水条件，仅考虑灌溉条件，灌溉条件仅考虑一个因素即矿区及附近能用于灌溉的可供水量(m3/s)X9。

表1　新疆地区矿山土地复垦主要限制因素与农林草地评级指标及等级

注：表中“1”表示土地复垦适宜性为最适宜，“2”级表示中等适宜，“3”级表示不太适宜，“N”表示不适宜。

新疆地区煤矿其损毁土地类型主要为草地和裸地，如果复垦为草地的适宜性评价为"不适宜"，那土地复垦方向即为裸地，所以此次土地复垦适宜性评价是评价复垦为草地的适宜性，评价结果为了与实际规范分类相对应也分为最适宜、中等适宜、不太适宜和不适宜4个等级。

2.1评价模型的建立

此次评价模型的建立采用的是Fisher判别分析方法， 按照Fisher判别分析方法的原理和计算步骤，以表2中的12处煤矿55个复垦单元为研究训练对象；以上述9个土地复垦适宜性评价指标作为Fisher 判别因子(即自变量)；表2给出了两种适宜性等级分类，一种是根据规范确定的类别，一种是综合考虑矿区所在地土地规划政策、生态政策、经济政策及矿区对土地资源损毁的严重程度等影响

表2　煤矿土地复垦适宜性评价样本表

注：表中数据来源于实地考察测量、相关实验、土地复垦报告、环评报告、矿山地质报告、矿产资源开发利用方案、矿山地质环境保护方案等综合成果，适宜性分类中“1”代表最适宜，“2”代表中等适宜，“3”代表不太适宜，“4”代表不适宜。

因素后所确定的类别，因后一种土地复垦适宜性类型更符合实际情况且唯一，因此在建立模型的过程中使用后一种等级类别，即以实际适宜性等级结果为分组结果(即分组变量)，建立土地复垦适宜性评价的Fisher判别模型，由此得到了Fisher判别函数的各项系数，见表3所示。

根据表3中Fisher判别函数各项系数可以建立如式(1)～(3)所示三个判别函数表达式。

y1=-0.039X1+0.016X2+0.059X3-

0.049X4+0.032X5+0.056X6-0.057X7+

0.01X8+0.123X9-1.496

(1)

y2=-0.131X1+0.027X2+0.028X3

+0.041X4-0.074X5-0.029X6+0.109X7-

0.067X8+0.077X9+0.307

(2)

y3=-0.043X1+0.047X2-0.04X3

-0.008X4+0.085X5+0.053X6-0.141X7+

0.089X8-0.034X9+0.272

(3)

表3　典型判别式函数系数

表4所示为各典型判别函数在各组别的中心值，可以通过比较待判土地复垦单元样本函数值与这4类组别的中心值的距离的平方来判别该复垦单元其复垦为草地的适宜性类别，即哪个值最小归哪一类。

表4　典型判别函数在各类别的中心值

注：适宜性分类中“1”代表最适宜，“2”代表中等适宜，“3”代表不太适宜，“4”代表不适宜。

图1所示为运用第1判别函数与第2判别函数进行分组的示意，由图可以看出，第1、2类的全部及第3类的绝大部分样本点聚集在各组质心附近，分类效果好，而第4类样本在其质心附近的聚集程度较其它三组要差，在分组时有可能会误判。

图1　第1和第2判别函数的分组

2.2评价模型检验

用已建立的评价模型对55组学习样本利用回代估计法进行检验，检验结果见表5。

由表5可以看出，55个土地复垦单元中只有1个其评价模型分类结果与实际分类不符，判别正确率达98.2%，出现误判的为43号样本，第43号样本为主工业广场，根据规范分类其分类结果为“3”或“4”，如果从土地损毁程度及复垦难度角度来考虑，因矿山开采产生的煤矿将堆放在主工业广场内，对土地的损毁程度较严重，其土地复垦适宜性评价结果应为“4”，但当时考虑因该煤矿损毁的土地类型为草地，为了尽量恢复其原始地类，最终将其定为“3”类。从图1也可以看出43号样本正好处于“3”类和“4”类的交界处，比较容易产生误判。由此可见，该评价模型评价结果理想。

表5　评价模型分析检验结果

注： “*”为误判样品。

3评价模型的应用

利用上述建立的评价模型对伊犁一号矿井各土地复垦单元进行土地复垦适宜性评价。该煤矿位于察布查尔锡伯自治县琼博拉乡，井田面积118.5km2，土壤类型主要为灰钙土，因矿区面积较大，此次土地复垦适宜性评价将整个矿区划分为16个土地复垦单元，其中地面塌陷区划分为11个土地复垦单元，另外还有主井工业场地、副井工业场地、排矸场和取土场等土地复垦单元，各土地复垦单元具体实测指标见表6。

将表6中16个土地复垦单元的各指标数值分别代入第1判别式(式(1) ) 、第2判别式(式(2) )和第3判别式(式(3) )中，每个土地复垦单元分别可以求出三个判别函数值，然后分别计算各判别函数值到各类别中心值的距离的平方，哪个值小就归哪一类，具体分类结果见表7，由表7可见，16个土地复垦单元的土地复垦适宜性评价分类结果与实际按规范分类结果相符，且分类结果唯一，结论更加精确，评价结果可直接指导矿山土地复垦工作。

4结论

1)首次将Fisher判别分析法应用到矿山土地复垦适宜性评价中，建立新疆地区煤矿复垦为草地的土地复垦适宜性评价模型，模型检验结果为55个土地复垦单元中只有1个其分类结果与实际分类不符，判别正确率达98.2%，经实例应用，16个土地复垦单元的土地复垦适宜性评价分类结果与实际按规范分类结果相符，且分类结果唯一，该评价模型可为新疆地区煤矿土地复垦工作提供参考。

2)此次评价模型的建立选取了9个影响土地复垦适宜性评价指标进行分析，尤其是考虑了土地损毁程度对土地复垦适宜性的影响，选取的指标均可通过实测及相关报告、资料进行量化，而不需要确定权重和人为进行赋值，避免了人为因素对评价模型和评价结果的影响，评价结果更能准确地反映实际情况。

表6　伊犁一号井各土地复垦单元实测指标值

注：数据来源于实地考察测量、相关实验、伊犁一号井土地复垦报告、环评报告、矿山地质报告、矿产资源开发利用方案、矿山地质环境保护方案等综合成果。

表7　待检土地复垦单元评价结果

3)新建立的评价模型其评价结果唯一且属于规范所确定的复垦等级范围，复垦方向明确，评价结果能更好地指导实际复垦工作。

4)此次评价模型的建立是针对新疆地区12个煤矿矿山55个土地复垦单元样本进行分析，分析样品数量有限，而分析样本的数量和代表性对多元统计分析结果非常重要，因此在今后的研究中将广泛

收集相关实际数据资料，增加样本数量，不断完善该判别模型。

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Establishment and application of the suitability evaluation model for reclamation of grassland of Xinjiang coal mine

ZHANG Zi-zhao1，2，GUAN Wei-ming1，ZHU Jian-hua3，ZHOU Tian-sheng4，XIAN Quan5

(1.School of Geological and Mining Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830000，China；2.School of Resource and Earth Science，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China;3.Xinjiang Institute of Geo-Environment Monitoring，Urumqi 830000，China;4.Yili Institute of Geo-Environment Monitoring，Yining 835000，China;5.No.1 Hydrogeology & Engineering Geology Exploration Team of Xinjiang Geology and Mineral Bureau，Urumqi 830000，China)

Abstract:This paper combined with the Xinjiang regional characteristics to establish the suitability evaluation model for reclamation of grassland for Xinjiang coal mine on the basis of reasonable index system of suitability evaluation for land reclamation.Taking 12coal mines in Xinjiang as the research background，the author selected 9 factors such as the slope of land reclamation unit after land destruction，the depth of land destruction or the amount of deposit of land occupancy，the guaranteed rate of soil for land reclamation，the reduced production of land by land destruction，the groundwater depth after land excavation or subsidence，groundwater depth the clay content in the soil，the thickness of topsoil，water for irrigation of mining area，the content of organic matter in soil as analyzing indexes.The suitability evaluation model for land reclamation of coal mines in Xinjiang was established by taking the 55 land reclamation units of 12 coal mines in Xinjiang as the training samples.Every sample was tested by using resubstitution method according，and the correct rate was equal to 98.2%.The evaluation model was applied to Yili No.1 Coal Mine and the evaluation results was ideal.The evaluation model can be widely used in suitability evaluation for land reclamation of coal mine in Xinjiang.

Key words：land reclamation；evaluation index system；evaluation model

收稿日期：2015-03-25

基金项目：中国地质调查局项目资助(编号：1212011120477)

作者简介：张紫昭(1981-)，男，副教授，博士研究生，主要从事矿山地质环境保护和土地复垦方面的教学和科研工作。E-mail：253569481@qq.com。

中图分类号：TD88；F311

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)02-0069-07