采煤预塌陷区超前复垦适宜性评价及复垦方向划定

赵会顺，胡振琪,2，陈 超，孙杨杨



采煤预塌陷区超前复垦适宜性评价及复垦方向划定

赵会顺1，胡振琪1,2※，陈 超3，孙杨杨1

（1. 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2. 中国矿业大学环境与测绘工程学院，徐州 221116；3. 河南工程学院土木工程学院，郑州 451191）

为有效指导矿区复垦规划设计与复垦工程施工，从表征地形地貌、区位条件、土壤条件和人文条件的4个方面选取10项指标构建了土地复垦适宜性评价体系，基于ArcGIS栅格分析功能，系统运用三角模糊层次分析法、灰色关联度法和改进的极限综合评价法，以赵固一矿为例，实现了对采煤塌陷地超前复垦适宜性评价，并在此基础上对各复垦方向进行等级划定。结果表明：1）将塌陷地按照宜耕、宜园、宜林3个复垦方向，分别划分为4个适宜等级：高度适宜、中度适宜、勉强适宜和不适宜。不同复垦方向对生态环境的适宜程度存在差别，主要表现为林地>园地>耕地；2）基于GIS将研究区划分为属性基本一致的102个评价单元，综合考虑适宜性评价结果及区域自然经济和基础设施条件，将研究区划分为4个复垦分区，10个分区等级：其中耕地适宜区面积1 296.09 hm2，占总面积的62.95%，主要分布在中西部塌陷地轻中度损毁地带；园地适宜区面积为16.29 hm2，占比0.79%，零星散布于轻中度损毁区；林地适宜区面积689.49 hm2，占总面积的33.48%，主要分布于中东部塌陷地轻中度损毁地势起伏较大的区域；不适宜区面积57.15 hm²，占总面积的2.78%，主要集中分布在中部重度积水区北侧边缘区域。该文的评价方法兼顾了不同复垦方向评价指标的贡献度差异和评价者的主观模糊性，采用GIS技术减弱了人为干扰，使评价单元划分更加合理，较传统评价方法具有更好的适用性，评价结果更加科学、可靠。

采矿；复垦；塌陷地；复垦方向；三角模糊层次分析法；极限综合评价法；赵固一矿

0 引 言

煤炭资源的大规模开采，为中国国民经济的高速发展提供了充足的能源储备，但也造成土地资源和生态环境的严重破坏[1-2]。据统计，中国累积采煤沉陷面积已达135万hm2，并以每年7万hm2的速度递增，大面积的土地破坏和退化，使得矿区农地资源严重不足，严重影响社会经济的健康发展，为谋求矿区社会-经济-生态协调发展，加强矿区土地复垦工作力度尤为必要。

土地复垦适宜性评价是矿区开展土地复垦工作的核心环节和项目决策的依据，要实现土地的有效复垦及复垦土地的合理利用，必须加强对土地复垦适宜性评价的研究[3]。目前，国内学者的研究热点主要集中在对矿区挖损、压占土地和工矿废弃地的复垦适宜性研究[4-6]，单纯针对采煤塌陷地适宜性的研究有待进一步加强[7-8]；从时空尺度看，现有研究大都是针对已经损毁（挖损、压占、塌陷）稳定后土地进行的复垦适宜性研究[6,9-10]，而对未来将要损毁或未稳沉土地的超前复垦适宜性研究较少；从评价方法看，多采用极限条件法[11]、指数和法[12]、可拓法[7,13]、决策树法[14]和模糊综合评判法[15]等，目前尚没有形成统一、全面的理论体系，各评价方法也或多或少存在一定的不足，如极限条件法适宜性等级偏低，指数和法主观性较强，可拓法体系不够完善等；从指标赋权方法看，多采用层次分析法（AHP法）[16-17]、专家打分法（Delphi法）[17]、主成分分析法[18-19]和熵权法[1,20]等，未能兼顾评价者确权时的主观模糊性。从评价单元划分看，评价单元的适宜性是多种因素叠加作用的结果，学者们往往在进行评价前将某一或多个因素叠加得到的同质单元作为评价单元[1,5,21]，这种方法主观先验性较强，划分结果难以准确反映实地条件。此外，也有学者将GIS技术引入到矿区土地的复垦适宜性研究[22-23]，在很大程度上减弱了人为干扰，更加高效、科学地实现了矿区土地合理配置。

鉴于此，本文在基于概率积分法模拟赵固一矿采煤塌陷地的基础上，采用三角模糊层次分析法分别从宜耕、宜园和宜林3个复垦方向实现了评价指标的差异化赋权，并基于GIS栅格分析和多元空间统计功能，系统运用灰色关联度法和改进的极限综合评价法对各复垦方向进行超前适宜性分析，在此基础上从栅格数据集层面进行评价单元划分，进一步提高了评价结果的精度和等级分区划分的准确性。以期通过对赵固一矿塌陷地的超前复垦适宜性研究，判定塌陷地复垦适宜方向，为矿区后续复垦规划设计和复垦工程提供更加明确、可靠的指导，避免复垦工作出现“反复”和“烂尾”现象，节约复垦成本。同时提供一种新的思路，进一步充实土地复垦适宜性评价理论和实践体系。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

赵固一矿位于焦作煤田东部，太行山南麓的赵固矿区内，隶属于河南省辉县市，地理坐标为113°33′00″－113°43′39″E，35°23′09″－35°28′00″N，井田走向长2.0～5.5 km，倾斜宽约15 km，总面积8 158.08 hm2。该区域属于暖温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，年平均降水量580～600 mm，其中雨季（7－8月）降水量约占全年降水量的70%以上，土壤以潮土和砂疆黑土为主。矿区主采煤层为二1煤层，其设计总储量为37 349万吨，平均煤层厚度为5.29 m，设计生产规模为240万吨/年。由于煤炭的高强度开采，导致地表出现较大面积的沉陷，截止至2018年，矿区沉陷面积为1 192.19 hm2，最大塌陷深度达3.4 m，地表部分区域出现塌陷积水，对农业生产造成了影响。赵固一矿地理位置示意图如图1所示。

图1 赵固一矿地理位置示意图

1.2 数据来源

本研究数据来源如下：1）土地利用数据和行政区划数据来源于辉县市土地变更调查数据（2016年）；2）数字高程模型（DEM）下载于美国地质勘探局（USGS）官网（https://earthexplorer.usgs.gov/），空间分辨率为30 m；3）土壤条件数据来源于辉县市第二次土壤普查数据（《辉县土壤》）；4）矿山开采接续计划图、矿区水文地质图、井田地质勘探报告、环境影响报告、压煤村庄搬迁规划、搬迁新区规划图由赵固一矿提供；5）人口和社会经济数据来源于《2016年辉县统计年鉴》。

2 研究方法

2.1 土地损毁预测分析

矿区土地复垦适宜性评价的对象大多是将来要损毁的土地，复垦工作实施的目标也是面向未来状况的土地。赵固一矿是处于正常生产状态的矿山，针对该区沉陷地的复垦适宜性评价是为确定将来拟损毁土地的复垦方向，因而对拟损毁土地的预计是现阶段进行复垦适宜性评价的基础。常用的沉陷预计方法有概率积分法、典型曲线法和负指数函数法等，当煤层倾角<45°时，以概率积分法最为常用[24]。据悉赵固一矿在服务年限内开采煤层倾角均小于40°，故本研究采用概率积分法模型。依据矿山开采接续计划和储量报告，了解赵固一矿工作面布设情况，提取各工作面拐点的坐标、坐标、坐标（采深）、角点个数和煤层厚度，并结合矿山提供的地质报告、建井报告、土地复垦方案等相关资料，重点参照矿区实测地表移动数据，确定赵固一矿井田下沉系数为0.91、主要影响角正切tan为1.6、水平移动系数为0.3、影响传播角为90-0.6、拐点偏移距为0.05（为煤层倾角，为采深）。然后基于中国矿业大学研发的开采沉陷预计系统MSPS，对赵固一矿西三盘区地表移动变形情况进行模拟预测，生成塌陷区下沉盆地等值线。在此基础上运用ArcGIS的3D分析功能将塌陷区等值线转化成TIN，再由TIN生成空间分辨率为1×1 m的塌陷区预计下沉DEM数据。

根据国土部门提供的2016年土地利用数据将研究区土地重分类为9种类型：耕地、园地、林地、草地、交通运输用地、设施农用地、水域及水利设施用地、风景名胜用地及特殊用地、城镇村及工矿用地。然后在ArcGIS10.3中以2016年Google Earth高分辨率影像为底图，与土地利用数据进行地理配准后，在塌陷地范围内随机均匀选取92个测试样点，经验证分类结果一致的数据点有81 个，总体精度达到 88.04%，满足土地利用分类现状信息提取工作的精度要求，可以进行后续研究。结合赵固一矿潜水位和实地损毁情况，将预测结果划分为轻度损毁（10～1 000 mm）、中度损毁（1 000～3 000 mm）和重度损毁（>3 000 mm）塌陷地，累计损毁面积达3 126.60 hm2。预计开采计划完成后赵固一矿最终土地损毁情况如图2所示。

图2 赵固一矿开采计划结束后预计土地损毁情况

2.2 评价对象及复垦方向

根据赵固一矿《矿山地质环境保护与土地复垦方案》（以下简称《方案》）设计，在矿山开采结束后拟采用挖深垫浅方式对塌陷地进行工程复垦，考虑到水下取土难度较高，能够挖取的土方量有限，故仅在重度积水区的一定深度范围内（常为水下1 m）进行水下取土，将取出的土方量回填至轻度和中度损毁区进行复垦。可见复垦前后塌陷地水陆布局不会发生变化，且由于挖取土方量相对于塌陷地复垦范围明显不足，故可以忽略工程复垦对塌陷地地形、地势造成的影响。

根据土地复垦适宜性评价因地制宜、农用地优先原则，土地利用受周围环境条件制约，土地利用方式必须与环境特征相适应[25]。塌陷地原农用地类型为耕地、园地、林地和草地，但由于草地面积较少，不将其作为适宜地类。此外，根据土地复垦工程施工经验及相关研究[26-28]，交通运输用地（铁路，公路）和轻中度损毁的水域及水利设施用地（河流水面，坑塘水面，内陆滩涂，沟渠，水工建筑用地）、设施农用地、风景名胜及特殊用地在复垦工程设计中均保留原用地类型，故从评价范围内剔除，不再对其做适宜性分析，剔除区面积为140.31 hm²。在此基础上，根据损毁前后区域基础设施条件，因地制宜，扬长避短，宜农则农、宜林则林、宜园则园、宜渔则渔。参照塌陷地损毁前原土地类型，将塌陷地的复垦方向初步定为宜耕、宜园、宜林、宜渔4个方向。但由于重度损毁区塌陷深度较大，积水严重，不再适合规划耕、园、林等农业用地，根据工程施工经验及相关研究[3,29-30]，拟将重度损毁区规划为大水面养殖用地，故本文将重度损毁区作为宜渔区，面积为927.27 hm2，不再对其进行适宜性分析。

综上所述，本文的评价对象（研究区）为塌陷地范围扣除重度损毁区（宜渔区）和保留原地类评价剔除区后的面积，总计2 059.02 hm2。

2.3 评价指标体系构建及数据处理

2.3.1 评价指标选取

土地复垦适宜性评价是一种预测性的土地适宜性评价，是依据土地利用总体规划及相关规划，按照因地制宜原则，在充分尊重土地权益人意愿的前提下，根据原土地利用类型、土地损毁情况、公众参与意见，在经济可行、技术合理条件下，确定拟复垦土地的最佳利用方向[31-32]。与常规评价对象是已经损毁（挖损、压占、塌陷）稳定后的土地不同，本研究是针对未来将要损毁或未稳沉土地的超前复垦适宜性研究，所以评价时必须综合考虑破坏前原地类的情况和地表稳沉后拟破坏情况对塌陷地的影响，选取其中的主导因素纳入土地复垦适宜性评价指标体系。在实地调研的基础上，根据塌陷地地形地貌特点和水文地质条件，参考《农用地质量分等规程》（GB/T 28407-2012）、《耕地后备资源调查与评价技术规程》（TD/T_1007-2003）和前人研究经验[12,33-34]，从表征地形地貌、区位条件、土壤条件和人文条件4个方面选取10项指标构建评价指标体系，如表1所示。

表1 赵固一矿土地复垦适宜性评价指标体系

注：塌陷地内的居民点在矿山开采计划完成前都要进行搬迁，故研究中距居民点距离是指距离塌陷地外的村庄、建制镇、城市以及搬迁新区的距离；损毁前人均耕地面积越大，公众复垦成耕地的意愿越强，复垦成园、林地的意愿越弱；反之，复垦成耕地的意愿越弱，复垦成园、林地的意愿越强，可见人均耕地面积对耕地适宜性是正向指标，对园、林地适宜性是负向指标。

Note: Settlements in the subsidence area will be relocated before the completion of the mining plan. Therefore, the distance to settlements is the distance from the villages, the towns, the cities and relocations of new district outside the subsidence area; The greater per capita cultivated land area, the stronger the willingness of the public to revert to cultivated land, and the weaker the willingness to rehabilitate garden and woodland; Otherwise, The weaker the willingness to replant into cultivated land, the stronger the willingness to reclaim the garden and the woodland. It can be seen that the per capita cultivated land area is a positive indicator for the suitability of cultivated land, but is negative for that of garden and woodland.

2.3.2 数据处理

塌陷地DEM数据是通过两部分数据复合而成，一部分是从美国地质勘探局（USGS）官网（https://earthexplorer.usgs.gov/）获取的30 m分辨率DEM数据，另一部分是依据矿山提供的开采接续计划，采用概率积分法进行沉陷预计，然后基于ArcGis10.3平台的3D分析功能，生成塌陷区预计下沉DEM数据，借助栅格计算器实现对塌陷地两部分DEM数据的叠加复合。最后基于复合DEM数据提取出相应的坡度、坡向地形因子，来反映塌陷地损毁后地形地貌情况。其中坡度是影响土地适宜性的关键因子，随着坡度的增加，土壤肥力和土层厚度降低，土壤的限制性增强；坡向是反映土地的向光性指标，本研究将平地作为坡向最佳方向，赋值为10，朝南，东南和西南，东和西，东北和西北，北向分别赋值9、7、5、3、1；地表沉陷深度是用来表征煤炭开采对地表造成损毁程度的指标，这里用概率积分法预计出的下沉DEM数据经栅格计算器取其绝对值表示；将排灌条件等效为研究区距河流的距离，通常情况下，距河流越近，排灌条件越好，反之越差；同理将道路通达性、距居民点距离分别等效为距主干道的距离和距塌陷地外村庄、建制镇和城市的距离，并借助ArcGIS10.3欧式距离分析功能实现相应图层输出。并将土壤质地、有机质含量、人均GDP和人均耕地面积分别以塌陷地村域为单元进行属性赋值，其中土壤质地按照《国际制土壤质地分级标准》将研究区分为中壤、轻壤、重壤和砂壤，分别赋值为4、3、2、1。最终基于ArcGIS10.3将所有空间数据统一转化为栅格数据，Gauss Kruger投影，Xian 1980坐标系，30m分辨率，如图3所示。

2.3.3 评价指标标准化

土地复垦适宜性评价指标体系是一个由多因素构成的复合系统，各评价指标的计量单位不同，数据差异大，不具有可比性。为方便评价指标间的比较，消除指标间量纲差异，必须对所有指标数据进行无量纲化处理。本文借助ArcGIS10.3栅格计算器功能，采用多元标准化方法，来消除原始数据的量纲差异。公式如下：

当指标X具有正效应时

当指标X具有负效应时

当指标X具有适宜范围时

图3 赵固一矿土地复垦适宜性评价指标空间分布

2.4 评价方法

2.4.1 三角模糊层次分析法确权

三角模糊层次分析法（TF-AHP）是将层次分析法与三角模糊数理论相结合，通过引入三角模糊数（可能值下限、最可能值、可能值上限）代替层次分析法中的判断数，即以区间的形式对指标的重要性程度进行两两比较[35-36]。充分考虑评价者思维的主观模糊性，使评价指标权重的判断结果更加准确、可靠。

1）构建三角模糊判断矩阵。首先基于层次分析法（AHP）构建评价指标层次结构模型，分别向本领域4位专家和2位地方国土管理部门领导发送电子问卷，采用T.L.Saaty1-9标度法，以三角模糊数r=(l,m,u)的形式来表示同一要素层第个指标对第个指标的相对重要性，分别对各评价指标的重要性程度进行两两比较。然后基于均值化公式

3）模糊综合值计算。令D表示模糊判断矩阵的第个评价指标相对于所有指标的综合重要性程度。计算公式如下

4）去模糊化。设M(l,m,u)和M(l,m,u)是三角模糊数，则M≥M的可能度用三角模糊函数定义为

式中W为第个指标的层次总排序权重，W为准则层第个指标单排序权重（父层），W为指标层第个指标单排序权重（子层）。进而分别求得各评价指标在宜耕、宜园、宜林不同复垦方向下的权重分布情况，如表2所示。

表2 赵固一矿土地复垦适宜性评价指标理想值和权重分布

2.4.2 灰色关联度法

灰色关联度评价法是利用各方案与最优方案之间关联度的大小来描述因素间关系的强弱、大小和次序，且对样本量没有严格的要求，不要求服从任何分布[38-39]。本文通过ArcGIS10.3平台栅格计算功能实现对各评价指标图层灰色关联度指数的计算，主要步骤如下：

1）确定比较数列和参考数列。假定评价对象有个，评价指标有个，

则比较数列为：

X={′()|=1,2,3,…,}=1,2,3,…,

参考数列为

0={0()|=1,2,3,…,}

2）计算关联系数()

其中，()表示第个指标的关联系数，′()表示第个指标的标准化值，0()表示第个指标理想值，为分辨系数，∈[0,1]，本文取=0.5。

3）加权关联度计算

式中W()表示第个评价对象第个评价指标权重，Cd表示参考数列和比较数列的关联度，反映了评价对象与最优状态之间相互接近程度，Cd值越大说明第个评价对象与最优状态相互接近程度越高，故可以对各个评价指标进行优劣排序和级别划分。

2.4.3 极限综合评价法

基于上述研究，本文对传统的极限综合评价法进行了改进。其基本思路：将由公式（10）得到的3个复垦方向适宜性分布图（宜耕、宜园、宜林）采用ArcGIS中自然断点模块划分为高度适宜、中度适宜、勉强适宜和不适宜4个等级，并分别赋值为1，2，3，4。所谓自然断点法是一种根据数值统计分布规律进行分级、分类的统计方法，即根据统计数列本身存在的自然转折点、特征点将研究的对象分成性质相似的群组，并使类与类之间的区别最大化[40-41]。在扣除宜渔区和评价剔除区后进行栅格转点处理，并将3个复垦方向处理结果与研究区土地利用现状叠加。然后在叠加后图层属性表中将所得到的结果按照地类编码、宜耕、宜园、宜林的顺序进行组合，得到一个五位或六位评价综合值，其结果既能反映评价单元土地利用现状，又能反映该单元对不同复垦方向的适宜程度，从而便于后续进行各复垦单元地类设计。公式如下

式中表示评价单元的综合评价结果；表示第二次全国土地调查地类编码；表示评价单元的宜耕级别；表示评价单元的宜林级别；表示评价单元的宜林级别。、、值越小表示相应地类适宜性越好；反之，适宜性越差。

3 结果与分析

3.1 单一复垦方向适宜性评价

不同土地利用类型对生态环境的适宜或限制性程度存在差别，从而决定对某一评价单元进行适宜性分析时，必须进行多个复垦方向的优化选择。本研究通过公式（8）、（9）和（10）分别得到宜耕、宜园、宜林3个复垦方向适宜性分布情况，并采用自然断点法将其划分为高度适宜、中度适宜、勉强适宜和不适宜4个等级。各复垦方向适宜性分布情况如图4和表3所示。

表3 赵固一矿各复垦方向适宜性评价结果

根据图4和表3可知，宜耕适宜性评价中主要以中度适宜和勉强适宜为主，面积达1 468.53 hm2，占研究区总面积的71.32%。其中中度适宜区面积最大，面积为756.27 hm2，总面积的36.73%，主要分布在研究区东部塌陷地边缘地带及中部和西南部塌陷地轻中度损毁交界地带；其次是勉强适宜区，面积为712.26 hm2，占研究区总面积的34.59%，主要分布在中部塌陷地轻中度损毁交界地带和东部塌陷地重度损毁区边缘地带；高度适宜区面积358.29 hm2，占总面积的17.40%，主要在西南部塌陷地和中东部塌陷地部分边缘地带；不适宜区面积最少，为232.20 hm2，占总面积的11.28%，主要分布在中部塌陷地重度损毁区边缘地带。

宜园适宜性评价中高度和中度适宜面积较宜耕适宜性有所增加，面积达1 220.94 hm2，占总面积的59.30%，表明园地对环境的适宜性相对于耕地有所提升。其中仍旧以中度适宜区面积最大，达809.10 hm2，占总面积的39.30%，主要分布在西南部、中部和中东部塌陷地边缘地带；高度适宜面积相比宜耕高度适宜有所增加，达到总面积的20.00%，主要分布在中西部、中东部塌陷地和东北部塌陷地东侧部分区域；勉强适宜区面积为637.65 hm2，占总面积的30.97%，其面积分布和耕地勉强适宜区相似；不适宜区面积为200.43 hm2，占比9.37%，较耕地不适宜区有所下降，主要分布在中部重度损毁区边缘地带。

相比耕地和园地，林地对环境的适宜性更强，在宜林适宜性评价中，高度和中度适宜区的面积增加，分别达到440.82和899.46 hm2，其中以中度适宜区变化最大，所占比重增加到43.68%；勉强适宜区保持浮动，面积为643.59 hm2，占比为31.26%；不适宜区大幅度减少，面积仅为75.15 hm2，占比3.65%，分布于中部重度损毁区北侧边缘区域。

3.2 复垦适宜性综合评价

3.2.1 评价单元划分和复垦方向确定

基于上述单一复垦方向的适宜性分析，在ArcGis10.3平台中将3种复垦方向适宜性分布图分别进行栅格转点处理，并将处理结果与土地利用现状图进行多重叠加，在其属性表中基于公式（11）求得研究区多适宜性综合评价结果，通过以为融合字段最终将研究区划分102个多点集合，然后运用点转栅格功能将处理结果转为栅格图层，生成102个栅格集，即将研究区划分成102个评价单元。每一个评价单元在土地利用现状、耕地适宜性、园地适宜性和林地适宜性属性上完全一致，从而减弱了人为划分评价单元的主观性干扰。通过对评价单元的综合分析，将各评价单元土地利用现状和耕、园、林适宜性等级进行对比分析，结合研究区损毁前后自然、经济、基础设施条件，根据因地制宜、耕地优先原则，扬长避短，宜农则农、宜园则园、宜林则林，最终确定各评价单元土地复垦最终方向如表4所示。

图4 赵固一矿各复垦方向适宜性分布

表4 赵固一矿各评价单元土地复垦最终方向确定

注：总计有102个评价单元，出于篇幅考虑，此处仅随机选出30个评价单元；表示评价单元的综合评价结果；、、分别表示评价单元的宜耕、宜园、宜林级别。

Note: There are a total of 102 evaluation units, for the sake of simplicity of the article, only 30 evaluation units are randomly selected here;is the comprehensive evaluation result of each evaluation unit；,, andrefer to the suitability level of cultivated land, garden land and woodland for each evaluation unit.

3.2.2 评价结果

根据以上分析结果，参考《农用地质量分等规程》（GB/T 28407-2012）和《土地复垦质量控制标准》（TD/T 1036-2013）将研究区划分为4个复垦分区，10个分区等级：宜耕一等地、宜耕二等地、宜耕三等地、宜园一等地、宜园二等地、宜园三等地、宜林一等地、宜林二等地、宜林三等地和不适宜，如图5所示。

图5 赵固一矿土地复垦适宜性分布

耕地适宜区：该适宜区主要分布在中西部塌陷地轻中度损毁地带，沉陷深度相对较浅，多小于2.5 m，面积达1 296.09 hm2，占研究区总面积的62.95%。其中一等地面积354.33 hm2，主要分布在塌陷地边缘部分区域，地势平坦，土壤水肥条件好，基础设施条件基本完善，且距居民点较近，只需采用简单的土地平整和堵裂缝等工程措施即可恢复原耕种条件；二等地面积569.34 hm2，占宜耕区面积的43.93%，相对一等地，沉陷深度略深，多介于0.5～1.5 m，土壤水肥条件略有下降，整体而言，破坏程度不深，通过土地平整、填堵裂缝，部分区域需进行客土改良方可恢复耕种；三等地面积为372.42 hm2，相对于二等地，沉陷深度更深，多介于1.5～2.5 m，区域地表破坏和土壤水肥条件流失严重，土壤质地较差，对农业生产有较多限制。治理难度较大，需要采取多种整治措施，如挖深垫浅、客土改良、生物复垦等，而且还应采取相应的保护措施，防止发生退化。

园地适宜区：该区域主要零星分布于轻中度损毁区，沉陷深度大多小于1.5 m，规模相对较小，总面积仅为16.29 hm2，占研究区的0.79%。其中以宜园一等地为主，面积为14.31 hm2，占比87.85%，主要来源于损毁耕地的复垦，面积达11.97 hm2，占宜园一等地面积的83.65%；其次为宜园二等地、宜园三等地，面积为1.62和0.36 hm2，分别占宜园区总面积的9.94%、2.21%。

林地适宜区：该适宜区主要分布于中东部塌陷地轻中度损毁地势起伏较大的区域，由于水热条件适宜林木生长，地形坡度大，土层薄，不宜农耕，面积为689.49 hm2，占总面积的33.48%。其中一等地面积175.05 hm2，占宜林区面积的25.39%，主要分布在东部塌陷地，沉陷深度主要集中在0.5～2 m之间，土壤条件相对较好，对林木生长没有限制；二等地面积344.88 hm2，占宜林区面积的50.02%，主要分布在中部和东部塌陷地轻中损毁区域，集中连片性好，对林木生产有一定的限制；宜林三等地面积为169.56 hm2，占宜林区面积的24.59%，主要集中连片分布在中部塌陷地重度积水区南侧，地表沉陷较为严重，土壤水土条件遭到破坏，对林业生产限制条件较多，极易发生退化。

不适宜区：该区域主要分布在中部重度积水区北侧边缘区域，呈集中连片分布，面积为57.15 hm²，占研究区总面积的2.78%。区域地表沉陷较深，破坏较为严重，由于临近积水区，土壤水肥条件遭到破坏，部分区域成为沼泽地，土壤限制性较为严重，在现行的技术和成本下难以改变其立地条件，不适宜进行植被种植。

4 结 论

本研究从表征地形地貌、区位条件、土壤条件和人文条件的4个方面选取10项指标构建了土地复垦适宜性评价体系，基于ArcGIS10.3平台，系统运用三角模糊层次分析法、灰色关联度法和一种改进的极限综合评价法，从栅格数据层面实现了对赵固一矿采煤塌陷地超前复垦适宜性分析，并在此基础上对各复垦方向进行了等级划分。研究结论如下：

1）基于三角模糊层次分析法和灰色关联度法构建赵固一矿采煤塌陷地土地复垦适宜性评价体系，将塌陷地按照宜耕、宜园、宜林3个复垦方向，分别划分为4个等级：高度适宜、中度适宜、勉强适宜和不适宜。通过对各复垦方向适宜性的分析，表明不同土地利用类型对同一生态环境的适宜程度存在差别，主要表现为林地>园地>耕地。

2）通过引入一种改进的极限综合评价法，基于ArcGIS10.3栅格分析功能，将研究区划分为在土地利用现状、耕地适宜性、园地适宜性和林地适宜性属性上完全一致的102个评价单元。并基于适宜性评价结果和区域自然经济和基础设施条件，最终将研究区划分为4个复垦分区，10个分区等级：宜耕一等地、宜耕二等地、宜耕三等地、宜园一等地、宜园二等地、宜园三等地、宜林一等地、宜林二等地、宜林三等地和不适宜地。

本研究兼顾了不同复垦方向评价指标的贡献度差异和评价者的主观模糊性，并采用GIS技术减弱了人为干扰，使评价单元划分更加准确、合理，为基于挖深垫浅模式复垦或预复垦的塌陷地复垦适宜性评价工作提供了一种新的技术思路，并验证了该方法的适用性和合理性。但由于本研究是一种预测性评价，对矿山后续开采计划具有较强的依赖性，鉴于远期开采计划的不定性和人为干扰因素，难以准确无误地模拟实地沉陷，且也未能体现出挖深垫浅的复垦工艺，这也是后续有待进一步研究和探讨的方向。

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Suitability evaluation and reclamation objectives for advanced land reclamation in coal mining pre-subsidence area

Zhao Huishun1, Hu Zhenqi1,2※, Chen Chao3, Sun Yangyang1

(1.,(),100083; 2.,,221116,; 3.,,451191,)

The suitability evaluation of land reclamation in coal mining subsidence area is helpful to carry out land reclamation work scientifically in mining areas. In this manuscript, Zhaogu 1stMine was used as an example, and ten indicators were selected from four aspects of topography, location conditions, soil conditions and human conditions to construct the land reclamation suitability evaluation system, and constructing the spatial dataset of evaluation indicators from the spatial level based on ArcGIS grid analysis function. At the same time, the triangular fuzzy analytic hierarchy process (TF-AHP) was used to empower the evaluation indicators from the suitability of cultivated land, garden and woodland. This method takes into account the subjective ambiguity of the evaluator, thereby improving the accuracy of weight distribution. Then, the weighted superposition of the spatial data of each index was realized by grey correlation analysis, and the suitability distribution of the three reclamation directions was obtained by the natural breakpoint module in ArcGIS. On this basis, we introduced an improved comprehensive extreme evaluation method for suitability analysis, which combined the order of land code of the second national land survey, suitability level of cultivated land, garden and woodland to obtain a five or six evaluation integrated value (MLS). The results can reflect the status of land use of the evaluation unit, and also reflect the suitability level of the unit for different reclamation directions. The research area was divided into 102 evaluation units by using MLS as the fusion field. And according to the principle of “adapting to local conditions, prioritizing cultivated land and reclaiming into the most suitable land type”, the direction of reclamation of each reclamation unit was determined. Finally, the evaluation of the suitability of reclamation in coal mining subsidence area was realized, and the suitability level of each reclamation direction was delimited. The results showed that there are differences in the suitability of different reclamation directions in the study area, mainly manifested as woodland > garden > cultivated land. Based on GIS, the study area was divided into 102 evaluation units with consistent or similar attributes. With comprehensively considering the results of suitability evaluation and natural and economic conditions and infrastructure conditions, the study area was finally divided into four reclamation sub-areas, and 10 sub-division levels: the suitable area of cultivated land was 1 296.09 hm2, accounting for 62.95% of the total area, mainly distributed in the light and moderate damage zone of the central and western subsidence area. The suitable area of the garden was 16.29 hm2, accounting for 0.79%, scattered in the light and moderate damage zone. The suitable area of forest land was 689.49 hm2, accounting for 33.48% of the total area, mainly distributed in the middle-eastern subsidence which had a large terrain relief. The unsuitable area was 57.15 hm2, accounting for 2.78% of the total area, mainly concentrated in the northern edge area of the central severe damage area. The evaluation method of this manuscript took into account the difference of the contribution degree of the evaluation indicators of different reclamation directions and the subjective ambiguity of the evaluator. The use of GIS reduced human interference and made the evaluation unit division more objective. And which has better application than the traditional evaluation method and makes the evaluation results more scientific and reliable.

mining; reclamation; subsidence; reclamation objectives; triangular fuzzy analytic hierarchy process; comprehensive extreme evaluation method; Zhaogu 1stMine

2018-12-26

2019-05-20

国家自然科学基金资助项目（41771542）；国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目（U1361203）

赵会顺，主要从事土地复垦与生态重建研究。Email：zhs523edu@126.com

胡振琪，教授，博士生导师，主要从事土地复垦与生态修复研究。Email：huzq@cumtb.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.029

TD88

A

1002-6819(2019)-11-0245-11

赵会顺，胡振琪，陈 超，孙杨杨. 采煤预塌陷区超前复垦适宜性评价及复垦方向划定[J]. 农业工程学报，2019，35(11)：245－255. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.029 http://www.tcsae.org

Zhao Huishun, Hu Zhenqi, Chen Chao, Sun Yangyang. Suitability evaluation and reclamation objectives for advanced land reclamation in coal mining pre-subsidence area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 245－255. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.029 http://www.tcsae.org