丘陵山区煤炭采空影响区未利用地多目标适宜性评价研究

李妍均，周 川，郑杰炳，孙 静

(1.外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室(重庆地质矿产研究院)，重庆 400042；2.重庆市地质灾害自动化监测工程技术研究中心(重庆地质矿产研究院)，重庆 400042)

土地适宜性评价是指在对土地各构成要素进行全面分析的基础上，以土地合理利用为目标，根据特定的目的或针对一定的土地用途对土地的属性进行鉴定，并阐述土地的适宜性及适宜程度的过程[1]。广义上说，土地适宜性分析是根据特定的需求和优先级，或对某些活动的预测，来确定将来土地利用的合理空间分布和模式[2-3]。随着煤炭等矿产资源大肆开采引发的环境问题逐渐显现，我国开始重视矿区的生态环境及可持续发展问题，煤炭采空区土地适宜性评价见诸文献：朱紫薇等运用MATLAB对皖北煤电集团采煤沉陷区复垦适宜性评价指标体系进行了数值仿真[4]，张南等运用GIS对鸭池镇典型的喀斯特山区进行了土地适宜性评价[5]，蔡利平等运用叠置法得到了适合于采煤沉陷区的土地利用适宜性评价单元[6]。在丘陵山区，因坡度大、土层薄、肥力低、耕作困难等因素，加之煤炭采空扰动，多数土地被撂荒，闲置未利用现象普遍存在，造成土地资源严重浪费。以闲置未利用地为研究对象，进行土地多目标适宜性评价，是因地制宜、科学合理利用土地，实现未利用土地资源节约集约利用的最有效方式。

重庆市巴南区丰盛一矿位于川东平行岭谷向南倾斜与盆地南缘山地交接地带，地形起伏，沟壑纵横，受区域地质及岩溶影响，喀斯特地貌特征较为显著。地下煤炭开采扰动，导致地表区域性缺水严重，从而引起土地利用结构改变。本研究拟以丰盛一矿采空影响区的未利用地为评价对象，通过构建评价指标体系，采用Delphi法对未利用地进行宜耕、宜林、宜建的适宜性评价，为采空影响区土地的优化利用及农业产业结构调整提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概括

双河口镇位于巴南区东北部，是丰盛一矿的主要采空影响区，介于E105°13′～110°18′、N28°06′～32°19′之间。羊鹿片区(北隘口村、塘湾村)位于双河口镇东南部，面积18.7 km2，是受采空影响最为严重的区域。研究区属亚热带季风性湿润气候区，年平均气温18 ℃左右，冬季最低气温6～8 ℃，夏季平均气温27～29 ℃，冬暖夏热，无霜期长、雨量充沛、温润多阴、雨热同季，年均降水量1 000～1 400 mm，春夏之交夜雨较多。地貌以丘陵为主，出露地层为三叠系须家河组厚砂岩、嘉陵江组石灰岩，土壤以水稻土和黄色石灰土为主。

1.2 多目标适宜性评价

1.2.1 划分评价单元

评价单元是土地自然质量性状基本一致的独立土地单元，它既是完整反映自身特性的最基本地块，也是评价中获取数据的基础工作单元。采空影响区环境复杂，且受开采活动的持续影响，矿区土地性质变化大、速率快，且各地块变化情况各异。本研究评价单元划分采用多因素叠置法[7]，将土壤图、坡度图、土地利用现状图进行叠置，对面积过小，不具有实际物理意义的图斑进行归并，形成的闭合图斑即为一个评价单元。

1.2.2 指标选取

遵循主导因素、稳定性、差异性、独立性、易获取性等原则，通过综合分析手段，构建基于特尔菲法(Delphi)的专家征询系统，综合应用多个行业权威专家的知识与经验实现影响因子的筛选与优化。

指标按照选取到强烈建议不选取的原则进行赋值(从5分到0分)。运用Delphi法对评价指标进行筛选。筛去得分平均值较小且方差较大(专家争议较大)的指标，具体公式为

(1)

(2)

式中：E为指标评分平均值；m为专家总人数(m=5)；ai为第i位专家的评分值；δ2为方差。

根据评价目标的不同，选取了不同的评价指标，详见表1。

表1 评价因子汇总

1.2.3 指标分级

为提高适宜性评价的科学性和可靠性，针对未利用地开发实际，进一步采用Delphi法对确立的14个评价指标构建分级标准并确定其对应的等级指数，详见表2。具体处理过程为：①基于煤炭采空影响区调查数据，界定评价指标的分值范围；②设计讨论问卷，请专家对初步的分值范围及等级指数进行讨论；③确定分级标准及对应的等级指数。

1.2.4 确定权重

权重是表征评价因子对评价对象影响程度或贡献率的指标，是使评价结果符合实际评价过程中不可缺少的环节[8]。评价因子权重确定的主要步骤为：汇集专家意见，对指标的重要程度进行两两比较并逐层平方，构建判断矩阵；对矩阵进行归一化处理，求解该判

表2 评价指标分级标准及得分

断矩阵的特征向量和最大特征值，依据所求特征值向量进行层次总排序；对结果进行一致性检验，利用同一层中所有层次排序的结果，计算针对上一层次而言的本层中所有因子的重要性权重；对判断矩阵进行一致性检验和随机性检验，缩小误差，检验公式为

Q=(Umax-N)/[D×(N-1)]

(3)

式中：Q为判断矩阵的随机一致性比率；Umax为判断矩阵的最大特征根；N为判断矩阵的阶数；(Umax-N)为判断矩阵的一致性指标；D为判断矩阵的平均随机一致性指标，根据所构建的矩阵阶数，取1.12。

当Q<0.1时，认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权数分配合理。评价指标权重赋值结果见表3。

表3 评价指标权重赋值

1.2.5 综合评价

根据以上确定的各参评因子权重及各因子分级的等级指数，建立目标评价方向的适宜性评价综合分值数学计算模型

(4)

式中：Cj为第j个评价单元的综合分值；Aji为第j个评价单元第i个因子的等级指数；Bi为第i个评价因子的权重；n为评价因子的总数；t为评价单元的总数。

基于上式，以独立的单个地类图斑为评价单元，借助GIS平台，对评价单元的各个因子的等级指数与相应权重的乘积进行加和，得到评价单元的综合分值，进而根据各评价单元综合分值的频数分布直方图来确定目标评价方向的适宜性等级。结合丘陵山区未利用地现状及专家综合意见，Cj值结果处理见表4。

表4 适宜性评价结果处理

1.3 数据来源

研究数据来自巴南区2015年土地利用变更调查数据库、DEM影像图、水系分布图和地质灾害中、高易发区分布图。基于现场调查、室内分析测试和ArcGIS

10.2软件，获取评价指标的属性数据，并建立相应的空间数据库，通过空间叠加获取评价单元分值，对不同目标下未利用地的适宜性程度进行判定划分。

2 结果与分析

2.1 评价体系模拟

采用叠置法将土壤图、坡度图、土地利用现状图进行叠置，筛选出研究区32个未利用地评价单元，见图1。

图1 适宜性评价单元示意

基于上述指标因子体系，分别对评价单元进行宜耕、宜林、宜建的适宜性独立评价，评价综合得分详见表5。

表5数据显示， 宜耕评价综合得分介于3.86～

表5 适宜性评价综合得分汇总

7.46之间，宜林评价综合得分介于4.10～8.52之间，且分值呈现同高同低现象，与指标因子选取关系一致。根据评价结果返回单元各项因子探析得分差异，综合得分低的原因：一是距离水源较远，多数单元距离水源在400 m以上，分级得分1分，单个因子得分0.08；二是地表裂缝较大，<3、3～6、>6 mm/m的各一处，分级得分6、2、0，单个因子得分0.48、0.16、0.08；三是塌陷坑面积大，塌陷坑面积<10、10～20、>20 m2的各一处，分级得分6、4、1，单个因子得分0.36、0.24、0.06。部分有机质含量低于12 g/kg，分级得分1，综合得分0.16。宜耕、宜林园适宜性评价中，塌陷坑面积(X4)、裂缝(X5)、到水源距离(X6)、有机质含量(X2)低分是拉低综合评价总得分的主要限制因素。结合表4评价，根据Cj值评价结果，得出如下评价结果(表6)。

表6 土地适宜性评价结果处理一览

各地块适宜的地类情况汇总见表7。

表7 适宜性评价结果汇总

分析表7可知，在对32个评价单元进行农用地适宜评价中，有24个单元适宜复垦为耕地。在16个适宜复垦为建设用地的单元中，包含15个同时适宜复垦为耕地的单元，仅仅适宜作为建设用地的单元只有1个。32个评价单元均适宜作为林地，扣除同时适宜复垦为耕地的24个单元和1个适宜复垦为林地的单元，适宜复垦为林地的单元为7个，其中3处基础条件稍差，建议辅以必要的工程措施用以填补塌陷坑、裂缝，后可选种耐瘠耐旱的灌木。遵循土地开发利用优先复垦为耕地的原则，建议32个待开发利用单元中，羊鹿口-1119、堡上-575等24个单元复垦为耕地，占评价单元总数的75.00%；桂花-891、双鱼塘-544等7个单元复垦为林地，占评价单元总数的21.88%；石板-503可作为建设用地，占评价单元总数的3.13%。

2.2 评价结果验证

在对32个评价单元的现状利用情况和评价结果进行逐一对比后发现： 由于区内有琵琶洞和大茶园山，通过旅游带动当地农业生产发展，除主井口和办公楼仍然保留外，其他附属用地及零星荒草地中24个适宜复垦为耕地的单元中，有13个已被当地农民恢复为耕地，种植的作物包括蔬菜、大豆、鲜食糯玉米、脆李，6个单元生长着约2米高的灌木，另有5个单元因面积偏小(<50 m2)，零星分散，目前生长着茅草。经与当地农业服务技术人员交流，认为只要农产品有销路，同时政府出资将生产路连接到田间，通过大户流转，这11块土地恢复为耕地是完全可能的。

7个适宜复垦为林地的单元中，5个生长着茂密的松树，一些松树胸径甚至已经达到10 cm，另有2处由业主种植黑麦草作为梅花鹿的草料。

适宜作为建设用地的石板503地块，经现场查看，目前生长着茅草。

3 结 语

研究区未利用地整体条件较好，24处可以复垦为耕地，16处可以复垦为建设用地，既适合复垦为耕地又适合复垦为建设用地的有15处，全部单元均可复垦为林地，且现场回访结果与适宜性评价结果表现一致，表明本研究提出的土地优化利用评价指标体系基本反映了采煤沉陷区的特征，提出的评价指标科学合理，评价方法也是可行的，可以此评价指标体系确定最佳土地利用方案，进行土地利用分区，从而使土地资源得到合理利用。