新疆地區(qū)煤礦復墾為草地適宜性評價模型的建立及應用

張紫昭，管偉明，朱建華，周天生，鮮　全

(1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；3.新疆地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，新疆 烏魯木齊 830000；4.伊犁州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，新疆 伊寧 835000；5.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆地區(qū)煤礦復墾為草地適宜性評價模型的建立及應用

張紫昭1，2，管偉明1，朱建華3，周天生4，鮮全5

(1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；3.新疆地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，新疆 烏魯木齊 830000；4.伊犁州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，新疆 伊寧 835000；5.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830000)

摘要：本文結(jié)合新疆地域特點，在合理確定土地復墾適宜性評價指標體系的基礎上建立了新疆地區(qū)煤礦土地復墾為草地的適宜性評價模型。以新疆12處煤礦為研究背景，選取了待土地復墾單元土地損毀后的地面坡度、損毀土地深度或壓占區(qū)堆積物平整量、復墾土源保證率、土地損毀造成土地產(chǎn)量的降低、地面塌陷或挖損后地下潛水位埋深、土壤中粘粒含量、覆土厚度、礦區(qū)可供灌溉水量和土壤有機質(zhì)含量等9項因素作為評價因子，以12處煤礦的55個土地復墾單元作為學習樣本，建立了相應的土地復墾適宜性評價模型，采用回代估計方法對學習樣本逐一進行檢驗，正確率達98.2%，將該評價模型應用到伊犁一號煤礦礦井，對該煤礦的16個待土地復墾單元進行分析評價，評價結(jié)果理想，該評價模型可廣泛應用于新疆地區(qū)煤礦土地復墾適宜性評價工作中。

關(guān)鍵詞：土地復墾；評價指標體系；評價模型

新疆地區(qū)氣候干旱，生態(tài)環(huán)境脆弱，草地資源極其珍貴，而作為新疆的重要經(jīng)濟來源煤礦的大規(guī)模開采嚴重損毀了當?shù)氐耐恋刭Y源，損毀的土地類型主要為草地和裸地。為將土地損毀程度降到最低，根據(jù)"誰損毀、誰復墾"的原則，必須開展土地復墾工作，這就需要對煤礦已損毀和擬損毀的土地資源進行準確的土地復墾適宜性評價，確定最合理的土地復墾方向。適宜性評價是在考慮土地復墾措施之前進行的，只有將土地復墾適宜性做出合理評價，確定了土地復墾方向，這樣才能確定最終土地復墾措施。

新疆地區(qū)礦山土地復墾適宜性評價主要是按照《土地復墾質(zhì)量控制標準》規(guī)范相關(guān)內(nèi)容[1](表1)進行的，在實際評價過程中部分指標難以量化，考慮土地損毀嚴重程度內(nèi)容也較少，且規(guī)范規(guī)定的部分評價等級為2種，這樣的評價結(jié)果不利于指導開展后期土地復墾工作，不能確定將來土地復墾方向是草地還是裸地，最終只能結(jié)合原有土地類型、土地規(guī)劃、礦山實際等情況采用專家評價法來最終確定土地復墾方向。

近年來在地復墾適宜性評價實際工作中土主要是在現(xiàn)場調(diào)查的基礎上采用定性評價方法[2]，另外還有其它一些評價方案，如專家評價法[3]、模糊數(shù)學法[4]、GIS及遙感評價法[5-6]、聚類分析法[7]、層次分析法[8-9]、神經(jīng)網(wǎng)絡法[10]、指數(shù)和法[11]等，但上述分類方法一方面評價指標不符合新疆實際情況，另外評價方法自身也存在缺陷，如模糊數(shù)學方法在指標賦予權(quán)重時帶有主觀性，神經(jīng)網(wǎng)絡方法需要選擇模型和參數(shù)，存在收斂速度慢等弱點，而Fisher 判別分析方法對原始數(shù)據(jù)分布并無特殊要求，非常適合事先不知道樣本分布的情況，該方法已廣泛地應用到地質(zhì)和礦山領域[12-13]，但在土地復墾適宜性評價方面目前還沒有此方面研究，基于此，本文利用Fisher 判別分析理論，建立適合新疆地區(qū)煤礦復墾為草地的適宜性評價Fisher判別模型，并驗證該模型的可行性和可靠性。

1評價指標體系的建立

土地復墾適宜性評價工作的關(guān)鍵是評價指標的確定，此次選取評價指標主要考慮以下幾方面因素：一是可測性，即參評因子是可以測量并可用數(shù)值表示的；二是關(guān)聯(lián)性，即參評因子的增長和減少標志著待土地復墾單元質(zhì)量的提高或降低；三是不重疊性，即參評因子各個作用明確。基于以上要求，結(jié)合新疆地區(qū)礦山特有的地域特點，即礦山開采對土地復墾適宜性影響顯著，水資源比較匱乏，損毀土地類型主要為草地和裸地，土壤質(zhì)量相對較差，在指標的選取上主要從土地損毀的嚴重程度、土壤質(zhì)量及厚度、灌溉條件等方面來考慮。土地損毀方式包括土地挖損、壓占和塌陷，土地的損毀程度越嚴重，其土地復墾適宜性也就越差，土地損毀嚴重程度包括以下幾方面指標。①土地挖損、塌陷或壓占后地面坡度(°)X1：指挖損后地面主導坡度、塌陷后地面主導坡度或地面堆積物壓占后地面主導坡度，該指標可通過現(xiàn)場和地形圖量測以及相關(guān)的預測結(jié)果獲取，如可通過廢棄物的堆放量、堆放面積和堆放形式計算出堆積物壓占后地面主導坡度；塌陷、挖損深度(m)或壓占堆積物平整量(m3/m2)；②X2：塌陷或挖損地面相對于周圍地面的平均深度、單位面積上需經(jīng)工程平整主要是指煤矸石、廢石等堆積物數(shù)量，該指標可通過地質(zhì)環(huán)境保護方案、開發(fā)利用方案中相關(guān)的預測結(jié)果獲?。虎弁猎幢ＷC率(%)X3：指土地損毀后，對達到當?shù)夭莸匾坏鹊匾蟮挠行翆雍穸人柰练搅康臐M足程度，該指標主要是通過現(xiàn)場調(diào)查獲取，即經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)若當?shù)氐乇硗翆虞^厚且植被較發(fā)育，則礦區(qū)必須設表土堆放場，必須對表土厚的區(qū)域進行表土剝離，該指標直接取表土剝離后的土方量滿足程度；④生產(chǎn)力降低(%)X4：指因土地損毀后造成的草場其生產(chǎn)力降低幅度，主要指礦區(qū)土地挖損、廢棄物壓占和塌陷造成的生產(chǎn)力下降，例如主井工業(yè)廣場因設有煤礦堆放場、廠房等設施其對地表植被的破壞相對較嚴重，破壞面積占總面積一般可達80%以上，而副工業(yè)廣場因地面設施相對較少，其對地表植被的破壞相對較輕，破壞面積占總面積一般低于10%，該指標可通過實測、開發(fā)利用方案及地質(zhì)環(huán)境保護方案等相關(guān)資料獲取；⑤地面塌陷或挖損后地下潛水位埋深(m)X5：指土地塌陷或挖損后地下潛水位埋深，若預測開挖深度或塌陷深度達到地下水位以下則地下水位埋深為0，即認為有地下水出露，該指標可通過地質(zhì)報告、地質(zhì)環(huán)境保護方案預測結(jié)果獲取。土壤質(zhì)量及厚度主要考慮3個方面，即土壤中粘粒含量(%)X6、土壤有機質(zhì)(%)X7和土壤厚度(m)X8，3個指標可通過實測、相關(guān)實驗及成果報告獲取。因新疆地區(qū)氣候干旱，基本不會產(chǎn)生積水，因此不考慮排水條件，僅考慮灌溉條件，灌溉條件僅考慮一個因素即礦區(qū)及附近能用于灌溉的可供水量(m3/s)X9。

表1　新疆地區(qū)礦山土地復墾主要限制因素與農(nóng)林草地評級指標及等級

注：表中“1”表示土地復墾適宜性為最適宜，“2”級表示中等適宜，“3”級表示不太適宜，“N”表示不適宜。

新疆地區(qū)煤礦其損毀土地類型主要為草地和裸地，如果復墾為草地的適宜性評價為"不適宜"，那土地復墾方向即為裸地，所以此次土地復墾適宜性評價是評價復墾為草地的適宜性，評價結(jié)果為了與實際規(guī)范分類相對應也分為最適宜、中等適宜、不太適宜和不適宜4個等級。

2.1評價模型的建立

此次評價模型的建立采用的是Fisher判別分析方法， 按照Fisher判別分析方法的原理和計算步驟，以表2中的12處煤礦55個復墾單元為研究訓練對象；以上述9個土地復墾適宜性評價指標作為Fisher 判別因子(即自變量)；表2給出了兩種適宜性等級分類，一種是根據(jù)規(guī)范確定的類別，一種是綜合考慮礦區(qū)所在地土地規(guī)劃政策、生態(tài)政策、經(jīng)濟政策及礦區(qū)對土地資源損毀的嚴重程度等影響

表2　煤礦土地復墾適宜性評價樣本表

注：表中數(shù)據(jù)來源于實地考察測量、相關(guān)實驗、土地復墾報告、環(huán)評報告、礦山地質(zhì)報告、礦產(chǎn)資源開發(fā)利用方案、礦山地質(zhì)環(huán)境保護方案等綜合成果，適宜性分類中“1”代表最適宜，“2”代表中等適宜，“3”代表不太適宜，“4”代表不適宜。

因素后所確定的類別，因后一種土地復墾適宜性類型更符合實際情況且唯一，因此在建立模型的過程中使用后一種等級類別，即以實際適宜性等級結(jié)果為分組結(jié)果(即分組變量)，建立土地復墾適宜性評價的Fisher判別模型，由此得到了Fisher判別函數(shù)的各項系數(shù)，見表3所示。

根據(jù)表3中Fisher判別函數(shù)各項系數(shù)可以建立如式(1)～(3)所示三個判別函數(shù)表達式。

y1=-0.039X1+0.016X2+0.059X3-

0.049X4+0.032X5+0.056X6-0.057X7+

0.01X8+0.123X9-1.496

(1)

y2=-0.131X1+0.027X2+0.028X3

+0.041X4-0.074X5-0.029X6+0.109X7-

0.067X8+0.077X9+0.307

(2)

y3=-0.043X1+0.047X2-0.04X3

-0.008X4+0.085X5+0.053X6-0.141X7+

0.089X8-0.034X9+0.272

(3)

表3　典型判別式函數(shù)系數(shù)

表4所示為各典型判別函數(shù)在各組別的中心值，可以通過比較待判土地復墾單元樣本函數(shù)值與這4類組別的中心值的距離的平方來判別該復墾單元其復墾為草地的適宜性類別，即哪個值最小歸哪一類。

表4　典型判別函數(shù)在各類別的中心值

注：適宜性分類中“1”代表最適宜，“2”代表中等適宜，“3”代表不太適宜，“4”代表不適宜。

圖1所示為運用第1判別函數(shù)與第2判別函數(shù)進行分組的示意，由圖可以看出，第1、2類的全部及第3類的絕大部分樣本點聚集在各組質(zhì)心附近，分類效果好，而第4類樣本在其質(zhì)心附近的聚集程度較其它三組要差，在分組時有可能會誤判。

圖1　第1和第2判別函數(shù)的分組

2.2評價模型檢驗

用已建立的評價模型對55組學習樣本利用回代估計法進行檢驗，檢驗結(jié)果見表5。

由表5可以看出，55個土地復墾單元中只有1個其評價模型分類結(jié)果與實際分類不符，判別正確率達98.2%，出現(xiàn)誤判的為43號樣本，第43號樣本為主工業(yè)廣場，根據(jù)規(guī)范分類其分類結(jié)果為“3”或“4”，如果從土地損毀程度及復墾難度角度來考慮，因礦山開采產(chǎn)生的煤礦將堆放在主工業(yè)廣場內(nèi)，對土地的損毀程度較嚴重，其土地復墾適宜性評價結(jié)果應為“4”，但當時考慮因該煤礦損毀的土地類型為草地，為了盡量恢復其原始地類，最終將其定為“3”類。從圖1也可以看出43號樣本正好處于“3”類和“4”類的交界處，比較容易產(chǎn)生誤判。由此可見，該評價模型評價結(jié)果理想。

表5　評價模型分析檢驗結(jié)果

注： “*”為誤判樣品。

3評價模型的應用

利用上述建立的評價模型對伊犁一號礦井各土地復墾單元進行土地復墾適宜性評價。該煤礦位于察布查爾錫伯自治縣瓊博拉鄉(xiāng)，井田面積118.5km2，土壤類型主要為灰鈣土，因礦區(qū)面積較大，此次土地復墾適宜性評價將整個礦區(qū)劃分為16個土地復墾單元，其中地面塌陷區(qū)劃分為11個土地復墾單元，另外還有主井工業(yè)場地、副井工業(yè)場地、排矸場和取土場等土地復墾單元，各土地復墾單元具體實測指標見表6。

將表6中16個土地復墾單元的各指標數(shù)值分別代入第1判別式(式(1) ) 、第2判別式(式(2) )和第3判別式(式(3) )中，每個土地復墾單元分別可以求出三個判別函數(shù)值，然后分別計算各判別函數(shù)值到各類別中心值的距離的平方，哪個值小就歸哪一類，具體分類結(jié)果見表7，由表7可見，16個土地復墾單元的土地復墾適宜性評價分類結(jié)果與實際按規(guī)范分類結(jié)果相符，且分類結(jié)果唯一，結(jié)論更加精確，評價結(jié)果可直接指導礦山土地復墾工作。

4結(jié)論

1)首次將Fisher判別分析法應用到礦山土地復墾適宜性評價中，建立新疆地區(qū)煤礦復墾為草地的土地復墾適宜性評價模型，模型檢驗結(jié)果為55個土地復墾單元中只有1個其分類結(jié)果與實際分類不符，判別正確率達98.2%，經(jīng)實例應用，16個土地復墾單元的土地復墾適宜性評價分類結(jié)果與實際按規(guī)范分類結(jié)果相符，且分類結(jié)果唯一，該評價模型可為新疆地區(qū)煤礦土地復墾工作提供參考。

2)此次評價模型的建立選取了9個影響土地復墾適宜性評價指標進行分析，尤其是考慮了土地損毀程度對土地復墾適宜性的影響，選取的指標均可通過實測及相關(guān)報告、資料進行量化，而不需要確定權(quán)重和人為進行賦值，避免了人為因素對評價模型和評價結(jié)果的影響，評價結(jié)果更能準確地反映實際情況。

表6　伊犁一號井各土地復墾單元實測指標值

注：數(shù)據(jù)來源于實地考察測量、相關(guān)實驗、伊犁一號井土地復墾報告、環(huán)評報告、礦山地質(zhì)報告、礦產(chǎn)資源開發(fā)利用方案、礦山地質(zhì)環(huán)境保護方案等綜合成果。

表7　待檢土地復墾單元評價結(jié)果

3)新建立的評價模型其評價結(jié)果唯一且屬于規(guī)范所確定的復墾等級范圍，復墾方向明確，評價結(jié)果能更好地指導實際復墾工作。

4)此次評價模型的建立是針對新疆地區(qū)12個煤礦礦山55個土地復墾單元樣本進行分析，分析樣品數(shù)量有限，而分析樣本的數(shù)量和代表性對多元統(tǒng)計分析結(jié)果非常重要，因此在今后的研究中將廣泛

收集相關(guān)實際數(shù)據(jù)資料，增加樣本數(shù)量，不斷完善該判別模型。

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Establishment and application of the suitability evaluation model for reclamation of grassland of Xinjiang coal mine

ZHANG Zi-zhao1，2，GUAN Wei-ming1，ZHU Jian-hua3，ZHOU Tian-sheng4，XIAN Quan5

(1.School of Geological and Mining Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830000，China；2.School of Resource and Earth Science，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China;3.Xinjiang Institute of Geo-Environment Monitoring，Urumqi 830000，China;4.Yili Institute of Geo-Environment Monitoring，Yining 835000，China;5.No.1 Hydrogeology & Engineering Geology Exploration Team of Xinjiang Geology and Mineral Bureau，Urumqi 830000，China)

Abstract:This paper combined with the Xinjiang regional characteristics to establish the suitability evaluation model for reclamation of grassland for Xinjiang coal mine on the basis of reasonable index system of suitability evaluation for land reclamation.Taking 12coal mines in Xinjiang as the research background，the author selected 9 factors such as the slope of land reclamation unit after land destruction，the depth of land destruction or the amount of deposit of land occupancy，the guaranteed rate of soil for land reclamation，the reduced production of land by land destruction，the groundwater depth after land excavation or subsidence，groundwater depth the clay content in the soil，the thickness of topsoil，water for irrigation of mining area，the content of organic matter in soil as analyzing indexes.The suitability evaluation model for land reclamation of coal mines in Xinjiang was established by taking the 55 land reclamation units of 12 coal mines in Xinjiang as the training samples.Every sample was tested by using resubstitution method according，and the correct rate was equal to 98.2%.The evaluation model was applied to Yili No.1 Coal Mine and the evaluation results was ideal.The evaluation model can be widely used in suitability evaluation for land reclamation of coal mine in Xinjiang.

Key words：land reclamation；evaluation index system；evaluation model

收稿日期：2015-03-25

基金項目：中國地質(zhì)調(diào)查局項目資助(編號：1212011120477)

作者簡介：張紫昭(1981-)，男，副教授，博士研究生，主要從事礦山地質(zhì)環(huán)境保護和土地復墾方面的教學和科研工作。E-mail：253569481@qq.com。

中圖分類號：TD88；F311

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)02-0069-07