高潜水位采煤沉陷区土地损毁程度评价

程琳琳，赵云肖，陈 良



高潜水位采煤沉陷区土地损毁程度评价

程琳琳，赵云肖，陈 良

（中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083）

土地损毁程度评价是采煤沉陷区土地复垦方案编制和受损农民补偿标准制定的重要依据。该文以东滩煤矿为例，在系统梳理已有研究的基础上，构建评价指标体系，划分评价单元，采用基于模糊意见集中决策的序关系分析法（G1法）确定指标权重，针对高潜水位矿区的特点，将极限条件法和可拓评价方法相结合，对其2014—2018年开采造成的采煤沉陷区的土地损毁程度进行评价，结果表明：拟损毁的土地面积总共为1 675 hm2，其中轻度损毁面积为968.2 hm2，中度损毁面积为379.53 hm2，重度损毁面积为327.27 hm2。与简单的以积水状况确定损毁程度的经验方法比较表明，经验做法往往低估了高潜水位采煤沉陷区土地的损毁水平。该研究为东滩煤矿科学合理编制土地复垦方案、确定受损农民补偿标准提供了支持，为同类型的其他高潜水位采煤沉陷区土地损毁程度的评价提供了借鉴。

土地利用；复垦；煤矿；沉陷区；土地损毁程度评价；高潜水位

0 引 言

中国煤炭资源95%以上是井工开采，其采出造成大面积的土地下沉，房屋坍塌，基础设施受损，水土流失加重，生态环境恶化，农田遭到了严重的破坏，农民的生产生活受到严重的影响。

土地损毁程度评价是复垦方案编制的重要组成部分，为土地复垦提供基础数据，其结果直接影响复垦的效果及受损农民补偿标准的制定。国外的煤炭资源大多是露天矿开采，不会产生采煤沉陷地，因此，国外对于采煤沉陷区土地损毁程度评价的研究很少。随着中国对土地复垦工作的重视，对采煤沉陷区土地损毁程度评价的研究也越来越多。部分学者对评价指标体系及其分级等进行了探讨[1-4]，常用的评价方法有模糊综合评价法、极限条件法等[5-8]，并利用GIS手段优化评价过程，实现评价结果的可视化[9-10]。提高评价的客观性一直是学者们不断追求的目标，传统的评价方法无法消除指标选取中出现的重叠或矛盾关系，并且多是基于点的，影响评价的客观性和准确性[11]。可拓评价方法用形式化的模型来分析事物拓展的可能性的规律，常用来处理矛盾问题[10]，是基于区间的，克服了多因素识别评价中的主观片面性，大大提高了评价结果真实性[12]。该方法已广泛应用于其他领域的评价中[13-15]，金洪波、陈秋计等初步验证了该方法在矿区土地复垦适宜性评价、采煤沉陷区土地损毁程度评价中的可行性，取得了良好的效果[16-17]。

高潜水位采煤沉陷区具有地势平坦、潜水位埋深小、可采煤层数量多、煤层厚度大和地表下沉系数大的特点[18]，致使地表塌陷积水，农田减产甚至绝产，土地损毁严重。本文将以东滩煤矿为例，在系统梳理已有研究的基础上，构建评价指标体系，划分评价单元，采用基于模糊意见集中决策的序关系分析法（G1法）确定指标权重，针对高潜水位矿区土地损毁的特点，将极限条件法和可拓评价方法结合，对其2014—2018年开采拟造成的沉陷区的土地损毁程度进行评价，以为其土地复垦方案编制、受损农民补偿标准的制定等提供理论支持，为其他高潜水采煤沉陷区土地损毁程度的评价提供借鉴。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

东滩煤矿隶属于山东省兖州煤业股份有限公司，地处山东省邹城、曲阜、兖州3市的接壤地带。是中国著名的特大型现代化矿山，于1979年开始建设，1989年12月正式投产，2006年核定的生产能力达到750万t，井田面积59.96 km2，开采深度+49.85～-1 350 m，是兖州矿区产量最大的煤矿。该煤矿位于鲁中低山丘陵到平原洼地的过渡地带，是第四系山前倾斜冲积-洪积平原，整体地势自东北向西南逐渐降低，坡度较为平缓，地面标高+42.46～+54.58 m。平均年降雨量为715.54 mm左右，雨季主要集中在7—8月。主要的土壤类型是褐土和潮土，区内水资源丰富，地下潜水位高，平均埋深约为2～4 m。东滩煤矿含煤地层主要为山西组和太原组，平均厚度为319 m，含煤27层，煤层的平均总厚度为18.77 m。自1989年投产以来，伴随着现代化高强度的厚煤层开采，地表出现大面积下沉，最大下沉值甚至超过7 m。采煤沉陷对当地生态环境等造成了严重的损毁，给矿区人民的生产生活带来了不利影响。根据其开采计划表，2014— 2018年其主要开采区域为一、三、四、六、十四采区。本文将对该期间造成的土地的损毁程度进行评价。

1.2 数据来源

1）图件资料：山东省济宁市浅层地下水埋深图、兖州煤田采矿权边界矢量图、东滩煤矿采掘工程平面图、东滩煤矿开采计划图、土地利用现状图、土地利用规划图等。

2）文本资料：兖州矿区地表移动参数使用手册、山东省统计年鉴等。

3）东滩煤矿地表移动实际观测数据、实地调研数据等。

2 评价方法及过程

2.1 总体思路

高潜水位矿区因其地下潜水位埋深高，采煤沉陷后地下水位容易上升到地表标高以上，导致地表积水，当出现常年积水时，农地绝产。就东滩矿区而言，其地下潜水位最深为4 m，当地表下沉深度大于4 m时地表会出现常年积水，农地无法再进行耕种，因此，首先采用极限条件法将下沉盆地中下沉深度大于4 m的区域划为重度损毁区域，然后对其他区域采用可拓法进行损毁程度评价。

2.2 评价过程

2.2.1 评价指标的选取

评价指标应选取反映土地损毁特征的因子。为使指标的选择尽量科学合理，本文对相关文献进行了分析，统计了其建立的评价指标体系。经分析发现众学者虽然选取的指标因子各异，但也存在一定的关联性。比如对于采煤引起的地表下沉，不同的研究者给予的名称不一样，如塌陷深度、地表下沉、下沉、地表下沉指标、地面下沉量、下沉值差值、沉陷深度[19-21]。看似不同但其实这些指标描述的是同一个现象，即地表下沉的深度，故在统计时可以看作一个指标因子。常用的评价指标及使用频率如下表1所示。

表1 采煤沉陷区土地损毁程度评价常用指标及其使用频率

由表1可知，选取最多的评价指标是下沉深度、附加坡度、裂缝、下沉面积、积水情况、潜水位埋深、稳定性、土壤理化性质、生产力下降和曲率。下沉深度和潜水位埋深即决定了积水状况；下沉面积作为评价整个沉陷区土地损毁程度的指标较为合理，作为针对各评价单元的评价该指标并不可取；土壤理化性质的变化和土地生产力的下降则是因为地表下沉、积水、裂缝的出现、坡度的变化而引起的。煤炭开采后，地表下沉，形成沉陷盆地，在盆地周围将产生一定的附加坡度，影响农作物及植被生长，东滩煤矿的沉陷预计结果显示附加坡度值最大仅为4°，对土地利用的影响较小，因此不将其作为损毁程度分析的评价因子；此外，由于东滩煤矿开采深度大、土层厚度大且为粘土层，当变形发育至地表时，其损毁程度会减弱，裂缝减小，在耕作时可以自动闭合，故裂缝也不作为评价因子。综合指标因子的可获得性及研究区的实际情况，最终选择下沉深度、倾斜变形、水平变形、潜水位埋深、稳定性和曲率6个评价因子构成本研究的评价指标体系。

2.2.2 指标因子获取

下沉深度、倾斜变形、水平变形和曲率4个指标通过MSPS沉陷预计软件来获得。预计的结果如下：2014—2018年东滩煤矿最大下沉深度为6 600 mm，最小下沉深度为10 mm；最大倾斜变形为32 mm/m，最小值为3.2 mm/m；曲率最大值为0.31，最小值为-0.35；水平变形最大值为23.3 mm/m，最小值为-23.7 mm/m。

稳定性主要通过地表移动的持续时间来获得，地表下沉范围内点移动初始阶段从下沉开始至月下沉值小于50 mm为止；活跃阶段是月下沉值大于50 mm的一段时间；衰退阶段是从活跃阶段结束6个月总下沉值不超过30 mm。地表移动持续时间（）即从移动初始至衰退整个阶段结束所经历的时间，可依据公式（1）计算

=2.50（1）

式中0是工作面的平均采深。

研究区工作面平均采深为700 m。经计算地表移动的时间为4.8 a左右，结合采掘工程平面图可获知每个采掘平面的稳定状况。

潜水位埋深通过济宁市地下水埋深图获取。

2.2.3 指标因子分级

1）划分评价等级

对沉陷区土地损毁程度的分级，一部分学者倾向于将评价结果分为3个级别，如轻度损毁、中度损毁、重度损毁[8]；而另外一些学者习惯将损毁程度分为4个级别，如轻微、轻度、中度和重度损毁或轻度、中度、重度、完全损坏等[1,16,22]。分级直接反映了土地的损毁状况及复垦的难易程度。因此，笔者认为，应依据农作物生长受影响的程度将高潜水位采煤沉陷区土地损毁程度评价的结果统一分为3个等级（表2），即轻度、中度、重度，以便于该种类型区复垦标准及受损农民补偿标准的制定。

2）因子的分级标准

依据农用地质量分等规程[23]及土地复垦方案编制规程[24]，结合已有研究中土地损毁程度的分级标准以及研究区的实际情况，得到研究区各因子的损毁程度等级划分标准，如表3所示。

表2 高潜水位采煤沉陷区土地损毁等级划分

表3 东滩煤矿采煤沉陷区土地损毁程度评价指标及标准

2.2.4 划分评价单元

评价单元是土地的损毁程度、形式以及复垦改良措施和利用方向大体一致的区域。已有的研究中常用的划分方法有基于不同土地类型划分评价单元，以不同采区划分评价单元，根据沉陷盆地的不同部位划分评价单元，采用叠置法、格网法划分评价单元等[25-29]。

按土地类型或者采区不同划分评价单元的方法过于粗泛，不利于评价结果的应用；而根据沉陷盆地的不同部位划分为上坡、中坡、下坡、底坡等评价单元的做法，对于大的沉陷盆地研究较为方便，而对小的沉陷盆地位置区分并不明显。网格法的网格大小根据研究区的实际情况和划分者的经验来确定，该方法应用便利，但往往划分到同一个单元格内的损毁类型差别较大，不利于后期复垦措施的制定。通过对比分析，采用因子叠置法进行评价单元划分，一方面可以使用电脑方便快捷进行操作，另一方面可以保证同一单元内的土地损毁类型相似。按照评价指标分级标准依据轻度、中度和重度的划分界限分别分成3个区域，再将各个指标划分的结果进行叠加，将采用极限条件法确定的重度损毁区域外的其他区域划分为38个评价单元。

2.2.5 采用基于模糊意见集中决策的G1法确定评价指标权重

层次分析法是常用的确定指标权重的方法，但该方法在确定权重存在判断矩阵往往不能一次通过一致性检验的缺点；针对该问题，郭亚军提出了序关系分析法，该方法不必进行一致性检验[30]。近年来，G1法已经在多个领域。但其缺点是在对指标因子进行排序时，需要专家按照经验给出因子的重要性排列，从而使结果的主观性较强；且专家对于指标重要性排序的意见很难统一。基于模糊意见集中决策的G1法是一种针对多种不同意见综合分析后再进行排序的方法，此法操作简单，能很好地解决指标重要性排序时遇到的难题[31]，降低主观影响[25]。故采用该方法确定指标权重。

1）根据各位专家的模糊意见集中决策确定评价因子的重要性排序

设定共选择了个评价因子构成集合，那么

本文选择了6个评价因子，故此处=6。

首先，根据各位专家的模糊意见集中决策确定评价因子的重要性排序。位专家共发表了种排序意见，如下式（3）所示

上式中，w表示的是第种意见，也就是上面中所有元素的某一种排列顺序。

本文共对11名复垦学、生态学、采矿学、开采沉陷学等相关专家进行了咨询，对6个指标因子的重要性进行排序，得到11种不同的排序结果，故此处，=11。

令∈，B()表示在第种意见w的排序中处在之后的元素总个数，即，

如果在第种意见w中排在第1位，那么B(u)=1；

如果在第种意见w中排在第2位，那么B(u)=-2；

······

如果在第种意见w中排在第位，那么B(u)=-；

式中是Borda数，论域中所有的元素按照Borda数的大小进行排序，这个排序就是集中了所有专家的意见以后较为合理的意见。由此确定的所有指标排序为

依据专家的11种不同的排序结果以及上述公式（3）计算每一个指标因子的Borda数()。得到：(下沉深度)=60、(稳定性)=44、(潜水位)=57、(倾斜变形)=30、(曲率)=17、(水平变形)=23。对所有指标因子按Borda数的大小进行排序，这个排序即集中了11位专家意见之后的较合理的结果，确定了6个指标因子的重要程度的排序关系，即下沉深度>潜水位埋深>稳定性>倾斜变形>水平变形>曲率。

2）根据相邻指标间的比值进行赋值

相邻指标u1和u的重要程度之比用r表示，按照Borda数的比值参照表4为r赋值。

式（6）中，()是排列在第位的指标的Borda数得分。然后按照相邻指标的Borda数比值确定指标的相对重要程度，参照r赋值表（表4）依据以下原则为r赋值。取相邻两指标u1和u的Borda数之比r和表中的数值最接近的数给它赋值，当相邻指标u1和u的Borda数之比大于1.8时，为r赋值1.8，表示u1比u极端重要。

表4 相邻指标相对重要程度比值赋值

根据6个指标因子的重要性排序及上述公式和赋值表确定的赋值结果如下：2=1.1、3=1.3、4=1.5、5=1.3、6=1.4。

3）确定权重

上式（7）中，ω*是第个指标的权重。

根据上面的公式（7）可以计算出每一个指标因子的权重。

上式（8）中，1是因素1*的权重，2是因素2*的权重，3是因素3*的权重，以此类推。

最终确定的评价指标权重见表5。

表5 指标权重

2.2.6 采用可拓理论评价损毁程度

1）数据预处理

评价指标对损毁程度的影响有的是正效应有的是负效应，即有些指标因子的数值越小损毁等级越高（比如潜水位埋深），有的指标数值越大损毁等级越高（比如下沉深度），无法直接进行比较，故将各评价指标先进行归一化无量纲处理，定量化的指标可以根据式（9）进行归一化处理。

式中是指标的边界值，¢是对应指标无量纲化后的值，而max和min是该指标的最大和最小值。定性指标需结合经验以及当地的实际资料来赋值，最后按照定量指标的方式做归一化处理。

2）确定评价指标的节域及经典域

系统节域物元模型如下所示

系统的经典域物元模型为

依据上述公式，结合各评价指标的最大值和最小值，得到的结果如表6所示。

3）建立待评价的物元模型，建立关联函数，计算关联度。

表6 评价指标的经典域和节域

关联度是事物间或者因素间关联性的量度，在这里描述的是各评价指标对于不同损毁程度的影响水平，其计算公式为

式（14）中，是实域（–∞, +∞）上的一点，=(,)为实域上的区间。

以评价单元1为例，其下沉深度为0.08 m，潜水位埋深为3.0 m，稳定性为较稳定，倾斜变形为3.2，水平变形是0.8，曲率是0.12。对于待评价的单元1的各数据经过归一化无量纲处理后得到的物元模型

运用上面公式（13）、公式（14）对单元1的6个因子计算关联度，则确定的各指标对应各损毁程度等级的关联函数值计算结果如表7。

4）确定损毁等级

首先，依据基于模糊意见集中决策的序关系分析法确定的权重确定各评价单元与各个损毁等级之间的关联度，其公式如下

表7 采煤沉陷地各指标各等级的关联函数值

注：1是下沉深度，2是潜水位埋深，3是稳定性，4是倾斜变形，5是水平变形，6是曲率；1i，2i，3i表示各指标对轻度、中度和重度损毁等级的影响程度。

Note:1is subsidence depth,2is groundwater level,3is stability,4is inclined deformation,5is horizontal deformation,6is curvature;1i,2i,3iindicate the impact degree of each index on slight, moderate and severe damage grades.

而后，依据下式（17）确定土地损毁程度等级。

利用公式（16）及表5中各指标的权重，通过计算可知，评价单元1对应各损毁程度（轻度、中度、重度）的关联度分别为–0.274、–0.310、–0.428，根据公式（17），最终确定评价单元1的损毁程度为轻度。

同理，可以计算出所有评价单元的损毁程度。

3 结果与分析

经上述评价，东滩煤矿在2014—2018年的开采将造成沉陷损毁的土地面积总共为1 675 hm2，其中轻度损毁面积为968.2 hm2，中度损毁面积为379.53 hm2，重度损毁面积为327.27 hm2。

因东滩煤矿属高潜水位地区，通常的经验做法是仅从地面的积水状况：是否出现积水，是常年积水还是季节性积水来确定损毁程度。东滩矿区潜水位埋深在2～4 m，因此，当地表下沉小于2 m时基本无积水，损毁程度为轻度；当下沉深度在2～4 m时，地面会出现季节性积水，损毁程度为中度；当地面下沉深度大于4 m时，地面出现常年积水，损毁程度为重度。通过该标准确定的2014— 2018年开采第一阶段结束后，东滩采煤沉陷区受损的土地轻度损毁面积1 353.24 hm2，中度损毁面积为129.14 hm2，重度损毁面积为192.62 hm2。

与简单的以是否出现积水确定损毁程度的经验方法相比，用可拓理论评价法确定的轻度的土地损毁程度面积减少了385.04 hm2，而损毁程度为中度的土地面积增加了250.39 hm2，损毁程度为重度的土地面积增加了134.65 hm2，如表8。

2种评价结果不同的原因在于：对土地损毁程度产生影响的不只积水这一指标，倾斜变形、水平变形等因子同样会严重降低土地的质量，影响农作物的产量。而出现差异的区域，主要集中在下沉盆地的中坡和下坡区域。倾斜变形导致中坡附近的土地坡度变大，增加水土流失，且该区域受到拉伸力的作用，土壤紧实度降低，不利于农作物的生长，所以该区域也会出现损毁程度为中度的区域；而处于下沉盆地下坡区域，受到挤压作用导致土壤紧实度提高，不利于农作物对水肥的吸收，且该区域容易出现盐渍化和沼泽化，不利于农作物生长，所以虽然不是常年积水区域，但损毁程度也有可能为重度，因此在确定高潜水位采煤沉陷区的土地损毁程度时，不能仅以地面的积水状况为标准。本文的做法可作为借鉴：采用极限条件法将常年积水区域划为重度损毁区域，其他区域建立反映土地损毁特征的完备的指标体系进行评价。

表8 不同方法计算的土地损毁面积对比

4 结论与讨论

本文针对高潜水位采煤沉陷区土地损毁的特点，将极限条件法和可拓评价方法结合，对东滩煤矿2014— 2018年开采造成的土地损毁程度进行了评价，为该矿科学合理编制土地复垦方案、确定受损农民补偿标准提供了支持。本文的研究结果表明：1）简单的以地表积水状况为标准评价土地损毁程度的经验做法往往低估了高潜水位采煤沉陷区土地的损毁水平。本文的方法为该类型的其他采煤沉陷区土地损毁程度评价提供了借鉴：采用极限条件法将常年积水区域划为重度损毁区域，其他区域建立反映土地损毁特征的完备的指标体系进行评价。2）权重的确定及评价方法的选择是影响评价客观性的2个关键环节，本文采用基于模糊意见集中决策的序关系分析法确定权重及基于可拓理论的评价方法，使评价结果更为客观、科学和合理。提高评价结果的客观性一直是学术界不断追求的目标，新方法、新理论的引入丰富了土地损毁程度评价的方法体系，今后应加强对更多新方法、新理论的探讨，并结合计算机编程技术简化其计算过程等。

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Evaluation of land damage degree of mining subsidence area with high groundwater level

Cheng Linlin, Zhao Yunxiao, Chen Liang

(100083,)

The evaluation of land damage degree is an important basis for the formulation of land reclamation plan and the establishment of compensation standard for farmers in coal mining subsidence area. Mining subsidence area with high groundwater level has the characteristics of flat terrain, lower phreatic water depth, more recoverable coal seams, large thickness and big surface subsidence coefficient which lead to severe surface subsidence and seeper. Land is seriously destroyed. Thus, this paper takes Dongtan coal mine as an example to evaluate land damage degree of subsidence area with high groundwater level that will be damaged by coal mining from 2014 to 2018. The underground water level more easily rises above the surface elevation after mining, which leads to surface seeper in coal mining area with high groundwater level and when the perennial seeper is formed, there will be total crop failure for farmland. In Dongtan coal mine, the maximum buried depth of groundwater is 4 m. When the surface subsidence depth is more than 4 m, there will be perennial seeper, and therefore, the area with sinking depth of more than 4 m is designated as severely damaged area by the limit condition method. Based on a systematic review of existing research, the evaluation index system of other areas withsinking depth of no more than 4 m is constructed and evaluation units are divided with proper method. The weights of the indices are determined by the method of relationship of the order based on centralized decision-making of fuzzy opinions. Damage degrees are evaluated by the extension method. The final evaluation results show that the total damaged area of land is 1 675 hm2, of which the slightly damaged area is 968.2 hm2, the moderately damaged area is 379.53 hm2, and the severely damaged area is 327.27 hm2. The comparison with the simple empirical method of determining damage degree by means of surface seeper shows that the empirical method often underestimates the level of land damage in the mining area with high groundwater level. Areas where differences occur are concentrated in the middle and lower slopes of subsidence basins. Tilt deformation causes the slope of the land to become larger, and increases soil erosion; the area is under tensile force, and soil compaction is reduced, which is not conducive to the growth of crops, so the region near middle slopes can also be moderately damaged area. For the subsidence basin in downhill region, squeezed effect improves the land compaction, which is not conducive to the absorption of water and fertilizer for crops, and the area is prone to salinization and swamping, which is not conducive to the growth of crops. Although there is no perennial water area, the extent of the damage can be severe. Therefore, when determining damage degree of the land in coal mining subsidence area with high groundwater level, the condition of surface seeper should not be deemed as the only standard. The method proposed in this paper provides a reference for this type of subsidence area: The perennial water area is designated as severe damage area by the limit condition method, and comprehensive evaluation index system should be constructed to evaluate damage degree of land in other areas. The study provides theoretical support for the development of land reclamation plan and the establishment of compensation standards of farmers in Dongtan coal mine, and provides a reference for the evaluation of land damage degree in the same type of coal mining subsidence areas with high groundwater level.

land use; reclamation; coal mines; subsidence area; evaluation of land damage degree; high groundwater

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.031

TD327; S281

A

1002-6819(2017)-21-0253-08

2017-07-31

2017-09-20

国家自然科学基金（41401637）

程琳琳，博士，副教授，主要从事土地利用、土地复垦、土地评价等方面的研究。Email：chll@cumtb.edu.cn