基于连通性分析的采煤塌陷地复垦利用潜力评价

2021-11-19苏学武张绍良侯湖平杨永均唐立羽顾春芬

中国矿业 2021年11期

苏学武，张绍良，侯湖平，杨永均，唐立羽，张统，顾春芬，纵博

(1.矿山生态修复教育部工程研究中心，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116；3.徐州市自然资源和规划局，江苏徐州 221018)

现代农业对农地条件的要求越来越高，也给采煤塌陷地复垦规划提出了新的课题。传统的采煤塌陷地复垦将塌陷区作为复垦焦点，根据“因地制宜”原则规划复垦利用方向，较少考虑未塌陷区域的土地利用，导致地块连通性差，破碎度增大，降低了现代农业效率。如何高效利用采煤塌陷地周边的自然和区位条件，发掘采煤塌陷地复垦利用潜力，构建科学合理的现代规模农业发展格局，成为采煤塌陷地科学合理复垦的关键。

徐州市曾是全国十大煤炭生产基地，江苏省唯一煤炭生产基地，但到2016年底，其贾汪区、铜山区两大生产基地矿区全部关闭，为系统治理开发全区域采煤塌陷地创造了条件。历史上，采煤造成了大面积的土地破坏，村镇迁址、良田废弃、塌陷积水、土质下降，成为制约矿区乡村振兴，扶贫攻坚的顽疾[1,2]。徐州市先后对九里湖、潘安湖等各类塌陷地进行治理和景观开发，走出了一条具有徐州特色道路的采煤塌陷地复垦利用模式[3-5]。徐州矿区主要的复垦方向有耕地、水产养殖地、林地、建设用地等[6]，约20%的塌陷湖主要进行人工湿地开发。截至2019年底，徐州市共计修复采煤塌陷地16 754.22 hm2，但是复垦的焦点主要针对土地利用现状存在的问题，缺少考虑未来可能的扰动和冲击[7]，缺乏考虑与周边土地的利用[8]，导致部分复垦区的农业设施荒废、果园废弃、鱼塘干涸，少数复垦土地出现次生盐渍化，引起了学者对现有复垦理论和方法的全面反思。

近年来，矿山景观恢复新技术和恢复力理论也受到了越来越多的关注。在矿区土地复垦适宜性评价中，有很多学者进行了研究并提出许多评价方法和指标体系。在评价方法上，矿区土地复垦适宜性评价多采用多目标评价方法[9-11]；在指标选取上，土地质量评价是矿区土地复垦适宜性评价一个重要的指标[12]；在不适宜复垦为耕地的区域，矿区土地还可以复垦为草地[13]。治理后的矿山生态系统是否可持续也是研究的一个关键问题，复垦区不同复垦年限土壤的理化性质可以反映土地复垦后的土壤演替规律和耕地生态系统的可持续性[14-15]。另外，恢复力思维在矿区土地复垦及可持续利用中也越来越受到关注[16]。未来耕地的规模化经营既是生产力发展的必然要求，也是实现农业现代化的现实选择，然而以往的矿区土地复垦适宜性评价主要针对地块条件，较少考虑连通性对农业发展格局的优化作用。为此，本文以江苏省徐州关闭矿山采煤塌陷区为例，以耕地为复垦方向，提出一种基于连通性的复垦利用潜力评价方法，以期为采煤塌陷地复垦利用规划和决策提供方法论。

1 研究区概况

徐州市位于江苏省西北部，是全国著名的十大煤炭生产基地之一。2016年，随着贾汪区旗山煤矿的关闭，徐州贾汪和铜山两个矿区所有煤矿全部关闭，目前仅有沛县大屯5对矿井在生产。徐州现存未修复采煤塌陷地11 121.27 hm2，分布在丰县、沛县、铜山区、鼓楼区、泉山区和贾汪区6个区县。本文将徐州市采煤塌陷区划分为三个片区，分别为丰沛片区、铜山片区、贾汪片区，如图1所示。

图1 研究区位置

徐州采煤塌陷区的主要特点有三方面。①塌陷面积大。一般全国煤矿区平均万吨塌陷率为3亩(1)1亩=666.67 m2。/万t，但徐州矿区平均达到6.49亩/万t，尤其张双楼、垞城、张集、三河尖等煤矿超过10亩/万t。②地表积水严重。徐州矿区属于高潜水位矿区，塌陷后地表积水，常年积水区占整个塌陷区的30%左右。③稳定时间长。徐州矿区一般需要1.5～2.0 a才能停止沉陷。因此，徐州采煤塌陷区塌陷情况复杂，土地损毁程度相较其他地区更为严重，修复难度更大。

2 研究方法

2.1 采煤塌陷地景观连接度

采煤塌陷地复垦需要用整体性的思维统筹考虑采煤塌陷地及周边条件，构建采煤塌陷地在生态系统中的节点关系，降低景观破碎程度。为了表示潜力评价问题中待修复区域与周边区域的关系，本文引入景观连接度的概念。景观连接度是描述景观中斑块、廊道和基质在空间上如何连接和延续的一种测定指标[18]。目前，景观连接度指标被广泛运用到城市土地适宜性评价、公园景观评价、城市生态源地识别、生态保护空间识别、城市生态网络优化等相关研究中[19-23]。然而，结合景观特征的矿区土地生态修复潜力评价的研究较少。仅有学者引入了景观连接度指数作为评价指标，评价了工矿废弃地复垦空间的集中连片度和复垦利用为林地的优先度[24-25]。景观连通性指数可以定量分析每一个斑块对维持景观连接度的贡献，进一步评价斑块的重要性[26-28]。在徐州市采煤塌陷地复垦利用问题中，林地、草地面积相对于耕地面积可以忽略，未来采煤塌陷地复垦方向也主要是耕地。因此，本文重点考虑采煤塌陷地与周边耕地斑块的连通性问题。本文从徐州市土地利用现状数据中提取出采煤塌陷地周边500 m范围内的耕地，采用Pascual-Hortal和Saura的景观功能连接度指数：整体连通性指数(IIC)和可能连通性指数(PC)来对采煤塌陷地斑块复垦利用重要性进行排序[24,29]。

1) 整体连通性指数，计算公式见式(1)。

(1)

2) 可能连通性指数，计算公式见式(2)。

(2)

式中：I，Pc∈[0,1]，I，Pc=0时各斑块间无连接；I，Pc=1时表示整个景观均为生境斑块；ai和aj分别为斑块i和j的面积；lij为斑块i和j的连接状态，pij*为斑块i和j间所有路径概率乘积的最大值；n为斑块个数；AL为研究区总面积。

2.2 潜力评价方法

采煤塌陷地复垦利用潜力是指塌陷地能够复垦为可供利用土地的潜在能力，与周边土地利用密切相关。因此，首先根据塌陷地周边土地利用状况，通过连通性分析，确定塌陷地“生态记忆”的可能土地用途；然后，根据该用途所需的土地条件，包括社会经济条件，对塌陷地复垦利用潜力的相对大小进行排序和等级划分；最后确定利用潜力。

2.2.1 指标体系及权重

根据《全国土地整治规划(2016—2020年)》《关于加快建设绿色矿山的实施意见》和《关于加强生态修复城市修补工作的指导意见》，采煤塌陷地复垦利用需结合周边环境，以城市规划为基础，以改善塌陷地质量、景观生态现状和提高土地经济密度为目标，在调查评价基础上，统筹场地现状，对采煤塌陷地进行合理复垦利用。因此，采煤塌陷地复垦利用既需结合周边区位环境，也需结合场地生态和塌陷地现状，并基于城市发展规划和政策措施确定治理时序。本文采用层次分析法分析采煤塌陷地复垦利用潜力。层次分析法是将定性问题半定量化的决策分析方法，具有层次化、系统化的特点。结合徐州市采煤塌陷地的实际情况，本研究从损毁程度、土壤条件、耕作条件、农业区位条件、社会经济条件5个方面选取8个评价指标构建采煤塌陷地生态修复潜力评价指标体系，见表1。其中，指标权重由中国矿业大学和徐州市自然资源与规划局10名相关领域的专家依据各指标因子的相对重要性来确定，并对各指标因子权重值进行一致性检验。

表1 采煤塌陷地复垦利用潜力评价指标体系及权重

2.2.2 评价指标分级

评价指标的等级划分与赋值依据各指标对采煤塌陷地复垦利用的效果、难度来确定，见表2。评价因子等级从1级至5级依次赋予100分、80分、60分、40分、20分。由于数据来源限制，塌陷深度、人均耕地面积两个评价指标采用1级至3级进行划分，依次赋予100分、70分、40分。

表2 采煤塌陷地复垦利用潜力评价因子分级

2.3 潜力评价等级计算及等级划分

潜力评价等级通过层次分析法计算求取评价单元综合值，单元综合评价值F依据式(3)求取。其中，Ci为评价单元第i指标的得分值；Xi为第i指标的指标权重。根据得到的综合值按大小排序，采用自然间断点法，划分等级标准范围，确定潜力等级。

(3)

2.4 数据来源

本文研究对象为徐州市采煤塌陷区的未治理修复区域。采煤塌陷区数据来源于徐州市采煤塌陷区数据库，包括总塌陷区域和已治理修复区域；土地利用现状数据来源于徐州市土地利用现状数据库(2018年)；土壤数据来自徐州市地质调查成果；地形数据来源于遥感解译图；相关社会经济数据来自《徐州统计年鉴(2018)》。

3 结果与分析

3.1 采煤塌陷地景观连通性评价

徐州市采煤塌陷地复垦为耕地的景观连通性评价结果见图2。将采煤塌陷地地块复垦为耕地对耕地生态网络结构的贡献程度由高到低划分为1级到5级。

图2 徐州市采煤塌陷地复垦为耕地的景观连通性

由图2可以看出，整体上丰沛、铜山、贾汪三片区的采煤塌陷地复垦为耕地后对耕地生态网络结构的贡献程度均较高，实现现代规模农业的条件较好，三片区1级至3级占采煤塌陷地总面积均超过98%。其主要原因是采煤塌陷主要发生在耕地上，塌陷发生前的用地类型以耕地居多，且塌陷区周边耕地分布最为广泛。贾汪片区采煤塌陷地复垦为耕地对耕地网络的贡献程度为1级的面积占比最高，地块面积为1 426.71 hm2，占贾汪片区采煤塌陷地总面积的50.45%，从连通性的角度来看复垦为耕地的潜力最高；丰沛片区和铜山片区连通性等级分布较为均衡，贡献程度为2级的面积占比最高，分别为46.82%和67.88%；景观连通性差的区域多为采煤塌陷地的边缘和零散破碎的区域，这些区域复垦后对耕地网络影响较小，因此复垦利用潜力要低于集中连片区域。

3.2 采煤塌陷地复垦耕地潜力

徐州市采煤塌陷区属于高潜水位矿区，塌陷形成的积水区不适宜复垦为耕地。本文主要对塌陷未积水区域进行以耕地为复垦导向的潜力评价。表3是各片区塌陷积水区和塌陷未积水区的面积统计。徐州市共有未修复采煤塌陷地11 121.27 hm2，其中，有27.35%的区域属于塌陷积水区，塌陷积水区中有52.09%分布在丰沛片区，主要原因是在丰沛片区靠近微山湖的区域，地下水位要高于其他区域，塌陷积水情况更易发生(图3)。

表3 徐州市采煤塌陷地统计

徐州市采煤塌陷地塌陷未积水区面积为8 079.78 hm2，其中，耕地景观连通性良好的面积为7 906.22 hm2，占比97.85%。表4是徐州市采煤塌陷地以耕地为复垦导向的潜力评价结果。整体来看，徐州市采煤塌陷地塌陷未积水区复垦利用潜力等级在3级以上的塌陷地面积为6 060.57 hm2，占比76.65%，有很大的复垦利用潜力；其中，丰沛片区采煤塌陷地复垦利用潜力面积占比以1级和2级居多，分别为27.62%和35.56%，复垦利用潜力最高；铜山片区采煤塌陷地复垦利用潜力面积占比以2级和3级居多，分别为33.57%和27.79%，复垦利用潜力其次；而贾汪片区采煤塌陷地复垦利用潜力面积占比以3级和4级居多，分别为25.89%和27.28%，复垦利用潜力最差。

表4 徐州市塌陷未积水区复垦利用潜力评价结果

徐州市采煤塌陷地复垦利用潜力评价结果见图3。整体来看，复垦利用潜力高的区域都是集中连片区域，而潜力低的区域一般都是零散破碎区域。在丰沛片区，采煤塌陷地复垦利用潜力最高的区域为张双楼矿区的西侧，以1级为主；三河尖矿区西侧采煤塌陷地面积范围大，分布集中连片，景观连通性高，复垦利用潜力以2级和3级为主；在龙固、龙东、姚桥和徐庄矿区，由于靠近微山湖，塌陷积水严重，不适宜复垦为耕地。铜山片区的采煤塌陷地在各个矿区均有分布，塌陷积水区主要分布在庞庄、王庄、义安、九里等矿区内，分布较为分散；塌陷未积水区主要分布在张集、夹河、张小楼和柳新等矿区，其中柳新矿区虽然塌陷地面积较小，未修复采煤塌陷地集中在中部区域，但复垦利用潜力最高，以1级和2级为主；张集、夹河和张小楼等矿区未修复采煤塌陷地集中分布在西部区域，塌陷面积大，复垦利用潜力以2级和3级为主。贾汪矿区的未修复塌陷积水区分布零散破碎，在各个矿区均有分布，整体来看复垦利用潜力低于丰沛片区和铜山片区；未修复采煤塌陷地主要分布在西北和东南两侧，其中，唐庄、新湖、董庄等矿区分布较为集中且复垦利用潜力最高，以1级和2级为主；旗山矿区采煤塌陷地复垦利用潜力其次，以2级和3级为主；韩桥矿区、南庄矿区未修复塌陷地分布分散且复垦利用潜力较低，不适宜复垦为耕地。