赵固二矿采煤塌陷土地复垦适宜性评价

曹 瑜 严鹏飞 胡振琪 袁冬竹 孙杨杨

(1.中国矿业大学(北京) 土地复垦与生态重建研究所， 北京市海淀区，100083；2. 焦作煤业(集团)新乡能源有限公司，河南省新乡市，453000)

煤炭开采易造成大面积土地塌陷，更为严重的将造成土地常年性积水，导致大量土地资源的浪费，大量耕地减产甚至绝产，严重损害了农民的利益，并将进一步加剧日益突出的人地资源的矛盾。土地复垦作为修复采煤塌陷地的一种手段，能够有效地将部分损毁的土地转化成耕地、园地或者林地，提高土地的利用效率。

近年来，越来越多的学者都在进行矿区塌陷土地进行适宜性评价的研究，通过借鉴目前应用较为广泛的指数和法等成熟的评价方法并结合赵固二矿的实际情况，采用二级土地适宜性评价体系，创新性地将极限综合法和土地适宜性评价结果相结合，并引入了差积法对限制性因素进行了分析。本文旨在通过对本矿区的土地复垦适宜性评价，为后续复垦工程的实施和土地改良提供参考。

1 研究区概况

赵固二矿位于河南省辉县市，西面与焦作市相距55 km，东南与新乡市相距37 km，东北与辉县市相距10 km，属温暖带大陆性季风气候，雨水十分充足。土壤以褐土为主，主要植被以农业植被群落和栽培的落叶阔叶树种为主，也是当地的优势作物群落。小麦、玉米是当地的主要粮食品种。从2010年开采至今，长期的采煤活动导致大量土地的塌陷，甚至积水，严重破坏了宝贵的农用地资源。

2 开采沉陷损毁预测

根据赵固二矿的实际开采接续计划，结合开采沉陷预计软件(MSPS)预测土地损毁情况，并针对实际搜集的当地土地利用现状情况及相关图件信息，利用ARCGIS制作了土地利用转移矩阵，2018-2038年土地利用转移矩阵见表1。利用土地转移矩阵直观地表现了土地利用情况的变化，进而对采煤驱动影响下的土地利用变化情况进行分析。

除交通运输用地和水域及水利设施用地外，其他所有利用类型的土地面积都在减少，主要为向水域及水利设施用地的转移，其主要原因为在煤炭采动的影响下，导致土地塌陷的程度严重，致使土地下沉低于煤矿区潜水位，形成大面积积水，大量宝贵的土地资源转变为水域。其中耕地面积减少最多，大量耕地减产甚至绝产，其次是城镇村工矿用地，大量房屋受煤炭采动影响，损毁严重。而水域及水利设施用地极剧增加，从开采前的45.46 hm2增加到628.22 hm2，水域在总塌陷面积中的占比由之前的2.84%骤增至39.37%。由此看出煤炭开采导致超过三分之一的土地塌陷下沉到水中，而水域的转变80%是通过耕地转化而来的。由此分析，煤炭的开采对耕地的损毁比较严重。

表1 2018-2038年土地利用转移矩阵 hm2

土地利用信息熵的变化可以反映土地利用的有序度和均衡度，公式见(1):

(1)

式中:H(x)——采煤塌陷土地利用结构的信息熵;

Pi——某种土地利用类型的面积占总面积的比例。

根据公式(1)并结合土地利用变化的数据计算，得出2018-2038年土地利用结构信息熵由0.61上升到0.97。2018-2038年在采煤驱动下，大量耕地转化为水域及水利设施用地，其余土地面积变化较小，使得采煤塌陷地占比较大的两种地类面积差距缩小，采煤塌陷地土地利用结构信息熵缓慢增加，随着熵值的不断增加，采煤塌陷土地系统的无序度降低。

根据赵固二矿提供的土地利用现状图，通过沉陷预计软件获得未来塌陷数据，并结合辉县市的统计年鉴获取研究区的土地环境特征、水文经济数据、地形数据，来源于地理空间数据云中的复垦现状区的30 m分辨率的DEM高程遥感影像。结合Arcgis平台的叠置分析、缓冲区分析和属性分析等工具，并利用自然断点法的方式划分宜耕、宜园和宜林这3种复垦方向上的4个适宜性程度等级。

3 评价体系的建立

3.1 评价原则

进行复垦土地适宜性评价要在符合土地适宜性评价原则的情况下，综合考虑采煤塌陷地的现状和预测结果。土地适宜性评价的原则主要有以下几点：一是因地制宜原则，二是土地持续利用原则，三是综合分析和主导因素分析相结合，四是经济效益可行性。

3.2 评价指标指标及权重的分配

由于不同地区、不同塌陷程度的土地的特点也有很大差异，而且在塌陷过程中，不同的自然条件以及基础设施等各个指标对适宜性评价的贡献值也是不一样的，因此在综合考虑本矿实际土地损毁土地的特点，参考之前复垦方案中指标的情况下咨询相关专业人士，进一步筛选出了几个相互独立和补充的评价指标，分别是地表坡度、土地利用现状、土地损毁程度、水土污染程度、灌排条件、土壤类型和耕地管理半径，由于开采损毁后其他因素的变化都会间接导致土壤有机质的变化，因此不再对土壤有机质因素进行单独分析。在参考土地复垦技术标准和之前相关复垦方案中的评价对这8个指标进行标准值的量化。损毁土地复垦适宜性评价指标量化标准值表2。

土地复垦适宜性评价因子的权重的确定是结合相关专家对不同指标中重要性的比较，通过Yaahp软件构建判断矩阵，分别求出宜耕、宜园和宜林这3个不同评价方向上的以上七个评价指标的权重，适宜性评价因素指标权重见表3。

表2 损毁土地复垦适宜性评价指标量化标准值

表3 适宜性评价因素指标权重

3.3 评价单元的划分

在适宜性评价单元划分的方法中，常常用到的有根据行政单元、土地资源的类型、土地利用现状图斑、网格单元划分同质单元或者通过利用不同评价因素的进行叠置，进而划分的评价单元。

由于采矿造成的塌陷会造成土地很多要素特点的改变，适宜性评价需要建立在不同要素变化特点基础上，因此根据采矿损毁复垦的特殊性，采取叠置法划分评价单元，在Arcgis平台上将不同的图层进行叠加，但是通过叠置法会出现很多面积较小并且分散的斑块，因此需要借助Arcgis中的model和dissolve工具进行小斑块的按属性合并，将面积较小的斑块根据属性合并到相似的同质单元中，既能够简化处理而且还能够保持评价单元内部的均一性和相似性，又能够保证不同评价单元之间的差异性和可比性。根据叠置法以及对细碎斑块的合并，一共划分出了110个评价单元。针对合并后的评价单元，计算合并后整个单元的最终分值见式(2)：

(2)

式中：G——合并后单元的总分值；

Sm和Sn——分别为合并之前的m和n的面积，hm2；

Gm和Gn——分别为合并之前的m和n的分值，hm2。

3.4 评价模型

本文采取极限条件法和指数和法对不同评价单元进行适宜性评价综合分值的计算。进而根据宜耕、宜园和宜林不同评价方向内适宜性分数的划分区间进行适宜性程度的判定，实现了对整体的综合评价。指数和法采用公式(3)进行计算：

(3)

式中：Grt——评价单元r在评价方向t上的总分；

brst——评价单元r第s个因子在评价方向t上的得分；

crst——评价单元r第s个因子在评价方向t上的权重。

4 结果与分析

4.1 不同评价方向的适宜性程度分级

根据构建的评价体系，通过指数和法计算出各个评价单元的的分值，不同复垦方向适宜性程度等级统计结果见表4。

表4 不同复垦方向(宜耕，宜园，宜林)适宜性程度等级统计结果

由表4分析得出，从分值可以看出，宜耕、宜园和宜林这3个不同的复垦方向上，宜林在4个适宜性程度评价等级的得分相比之下较大，其次是宜园，得分最低的是宜耕。宜耕复垦方向上所占面积最大和最小的分别是不适宜区和高度适宜区；宜园复垦方向上所占面积最大和最小的分别是一般适宜区和高度适宜区；宜林复垦方向上所占面积最大和最小的分别是勉强适宜区和一般适宜区。在高度适宜中，面积占比最大的是宜林方向，面积占比最小是宜耕方向；在一般适宜中，面积占比最大的是宜林方向，面积占比最小的是宜耕方向；在勉强适宜中，面积占比最大的是宜园方向，面积占比最小的是宜林方向；在不适宜等级中，面积占比最大的是宜耕方向，面积占比最小的是宜林方向。由于塌陷下沉至低于地表潜水位会使土地的生产能力基本丧失，因此采用极限条件法，在3种评价方向上直接划分为不适宜。不同复垦方向适宜性程度等级空间分布如图1所示。

4.2 基于综合评价法的评价结果的分类

由于随着采煤造成的地面塌陷程度的加深，会使得地表低于潜水位，造成大面积的积水，最大塌陷深度达到5.4 m，因此在预测过程中的对大面积积水的重度积水区的适宜性评价将其统一归并为宜渔。

根据对不同评价单元的不同复垦方向适宜性程度等级的划分，创新性地引入了一种综合评价法，此方法主要是对宜耕、宜园和宜林的3个方向分别赋值1、2、3，并按照宜耕、宜园、宜林的顺序进行组合，构成一个类似于四进制的三位数，计算公式见式(4)：

MLS=a*100+b*10+c*1

(4)

式中：MLS——综合评价的结果的量化值；

a——宜耕的适宜性评价结果；

b——宜园的适宜性评价结果；

c——宜林的适宜性评价结果。

高度适宜、一般适宜、勉强适宜分别量化值为1、2、3。

通过这个3位数能够直观反映每个评价单元在不同复垦方向上的适宜性程度。对所有评价单元(重度塌陷积水区的评价单元除外)的MSL值的统计见表5。

图1 不同复垦方向适宜性程度等级空间分布

评价单元序号详见图1中的标注。

表5 各评价单元MLS统计表

4.3 勉强适宜区限制因子分析

评价单元适宜型的程度往往受到许多评价因素的共同影响，勉强适宜的不适宜性往往是由于一个或几个因素的不适宜性造成的。本文利用差积法对不同评价单元的勉强适宜区限制因子进行分析，见式(5)：

Srst=(arst-Fk)×brst

(5)

式中：Srst——评价单元r在评价方向s上的因素的得分相对于Fk的相对值；

arst——评价单元r在评价方向s上的因素t的得分；

Fk——评价方向s上一般适宜区的评价单元得分的最低值；

brst——评价单元r在评价方向s上的因素t的权重。

4.3.1 宜耕方向

宜耕评价单元评价因素相对值分布如图2所示。

图2 宜耕评价单元评价因素相对值分布

由图2可以看出，宜耕方向的勉强性适宜区中的水土污染因素的相对值较大，不存在限制性，土地损毁程度因素在评价单元17、19和51的相对值为-1.21限制性较小，但在其余评价单元的相对值较小，为-2.06，是主要的限制因素；灌排条件因素的相对值都为负值，但在4、7、21、25、26、28、29、33、35和38的评价单元中相对值为-0.26，限制性相对较小，在其他评价单元处相对值达到了-2.64，是主要的限制因素；坡度因素在4、21、38、45、46、53、56、68、62、66、72和74处相对值为-2.52，是主要的限制因素，在其他评价单元处相对值为-0.27，限制性较小；土地利用现状因素在3、4和16处不存在限制性，在其他评价单元中的相对值为-0.52，限制性较小；土壤类型因素在7、11、35和51处不存在限制性，在其他评价单元中的相对值为-0.63，限制性较小。因此在宜耕方向上，为了提高勉强适宜区的适宜性程度，应当通过改善排灌条件，并通过适当措施进行田面平整理等措施，尽可能地降低坡度因素的限制性。

4.3.2 宜园方向

宜园评价单元评价因素相对值分布如图3所示。

图3 宜园评价单元评价因素相对值分布

由图3可以看出，地表坡度因素在评价单元3、10、13、17、23、27、30、33、34、47、48、59、61和69的相对值为-0.26，限制性较小，其余评价单元的相对值均在0.65～0.99之间变化，不存在限制性；水土污染因素在评价单元5、23、73和74处的相对值-0.53，限制性较小，其余评价单元的相对值较大，不存在限制性；土地损毁程度因素在评价单元3～5、33和72处相对值较小，为-2.13，限制性较大；土地利用现状因素在评价单元3～5、72相对值为-1.54，限制性较大，其余评价单元的相对值为0.35，不存在限制性；土壤类型因素在所有评价单元的相对值比较接近于0，因此基本没有限制；灌排条件因素在评价单元8、10、13、17、33和72处相对值为-0.56，限制性较小，其余评价单元内相对值较大，不存在限制性。因此，由于土地利用现状和损毁这两大限制性因素不易发生人为改变，因此应当着力从限制性较小的因素方面进行改善，如水土污染、灌排条件。

4.3.3 宜林方向

宜林评价单元评价因素相对值分布如图4所示。

图4 宜林评价单元评价因素相对值分布

由图4可以看出，地表坡度因素在评价单元33、40、67、72、74和78相对值是为-0.77，限制性较小，在其他评价单元内地表坡度的最低分值都高于综合评价总分的最小值，不存在限制性；土地损毁程度因素仅在评价单元29、33、57、64和65具有限制性，但限制性较小，相对值为-0.24；水土污染程度因素在评价单元51、57和64相对值为-1.10，限制性较大，在其他评价单元内不具有限制性；灌排条件因素仅在在评价单元4和78相对值较小，为-3和-2，限制性较大，是主要限制因素；土地利用现状因素在评价单元28、29和33相对值为-0.11，限制性较小，在其他评价单元内没有限制性；土壤类型因素在评价单元28、29、33、65和67具有较小的限制性，相对值为-0.81。因此，可以通过提高灌排条件和减轻水土污染状况促进勉强适宜区向一般适宜区甚至是高度适宜区的转化。

5 结论

通过对未来采煤塌陷情况的预测，结果表明开采后水域的面积将会急剧扩大，由45.46 hm2增加到628.22 hm2。

利用指数和法，借助Arcgis软件的空间分析的功能，对赵固二矿损毁土地进行了不同复垦方向的适宜性评价，在宜林方向上高度适宜区所占面积比例为19.9%，一般适宜区面积比例为32.9%，宜林方向上高度适宜和一般适宜区面积所占比例高于宜耕和宜园，宜林不适宜的面积较小为30.7%，综合认为较为适宜的复垦方向为宜林。

通过差积法对不同复垦方向上的勉强适宜区的评价因素的限制性进行了分析，提出了通过工程措施如改善排水条件等以改善勉强适宜区限制性因素的适宜性程度的建议。通过土地的适宜性评价为后续优化土地复垦方向的选择提供了可能。