趙固二礦采煤塌陷土地復(fù)墾適宜性評價

曹 瑜 嚴(yán)鵬飛 胡振琪 袁冬竹 孫楊楊

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所， 北京市海淀區(qū)，100083；2. 焦作煤業(yè)(集團)新鄉(xiāng)能源有限公司，河南省新鄉(xiāng)市，453000)

煤炭開采易造成大面積土地塌陷，更為嚴(yán)重的將造成土地常年性積水，導(dǎo)致大量土地資源的浪費，大量耕地減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)，嚴(yán)重?fù)p害了農(nóng)民的利益，并將進(jìn)一步加劇日益突出的人地資源的矛盾。土地復(fù)墾作為修復(fù)采煤塌陷地的一種手段，能夠有效地將部分損毀的土地轉(zhuǎn)化成耕地、園地或者林地，提高土地的利用效率。

近年來，越來越多的學(xué)者都在進(jìn)行礦區(qū)塌陷土地進(jìn)行適宜性評價的研究，通過借鑒目前應(yīng)用較為廣泛的指數(shù)和法等成熟的評價方法并結(jié)合趙固二礦的實際情況，采用二級土地適宜性評價體系，創(chuàng)新性地將極限綜合法和土地適宜性評價結(jié)果相結(jié)合，并引入了差積法對限制性因素進(jìn)行了分析。本文旨在通過對本礦區(qū)的土地復(fù)墾適宜性評價，為后續(xù)復(fù)墾工程的實施和土地改良提供參考。

1 研究區(qū)概況

趙固二礦位于河南省輝縣市，西面與焦作市相距55 km，東南與新鄉(xiāng)市相距37 km，東北與輝縣市相距10 km，屬溫暖帶大陸性季風(fēng)氣候，雨水十分充足。土壤以褐土為主，主要植被以農(nóng)業(yè)植被群落和栽培的落葉闊葉樹種為主，也是當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢作物群落。小麥、玉米是當(dāng)?shù)氐闹饕Z食品種。從2010年開采至今，長期的采煤活動導(dǎo)致大量土地的塌陷，甚至積水，嚴(yán)重破壞了寶貴的農(nóng)用地資源。

2 開采沉陷損毀預(yù)測

根據(jù)趙固二礦的實際開采接續(xù)計劃，結(jié)合開采沉陷預(yù)計軟件(MSPS)預(yù)測土地?fù)p毀情況，并針對實際搜集的當(dāng)?shù)赝恋乩矛F(xiàn)狀情況及相關(guān)圖件信息，利用ARCGIS制作了土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，2018-2038年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見表1。利用土地轉(zhuǎn)移矩陣直觀地表現(xiàn)了土地利用情況的變化，進(jìn)而對采煤驅(qū)動影響下的土地利用變化情況進(jìn)行分析。

除交通運輸用地和水域及水利設(shè)施用地外，其他所有利用類型的土地面積都在減少，主要為向水域及水利設(shè)施用地的轉(zhuǎn)移，其主要原因為在煤炭采動的影響下，導(dǎo)致土地塌陷的程度嚴(yán)重，致使土地下沉低于煤礦區(qū)潛水位，形成大面積積水，大量寶貴的土地資源轉(zhuǎn)變?yōu)樗?。其中耕地面積減少最多，大量耕地減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)，其次是城鎮(zhèn)村工礦用地，大量房屋受煤炭采動影響，損毀嚴(yán)重。而水域及水利設(shè)施用地極劇增加，從開采前的45.46 hm2增加到628.22 hm2，水域在總塌陷面積中的占比由之前的2.84%驟增至39.37%。由此看出煤炭開采導(dǎo)致超過三分之一的土地塌陷下沉到水中，而水域的轉(zhuǎn)變80%是通過耕地轉(zhuǎn)化而來的。由此分析，煤炭的開采對耕地的損毀比較嚴(yán)重。

表1 2018-2038年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

土地利用信息熵的變化可以反映土地利用的有序度和均衡度，公式見(1):

(1)

式中:H(x)——采煤塌陷土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵;

Pi——某種土地利用類型的面積占總面積的比例。

根據(jù)公式(1)并結(jié)合土地利用變化的數(shù)據(jù)計算，得出2018-2038年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵由0.61上升到0.97。2018-2038年在采煤驅(qū)動下，大量耕地轉(zhuǎn)化為水域及水利設(shè)施用地，其余土地面積變化較小，使得采煤塌陷地占比較大的兩種地類面積差距縮小，采煤塌陷地土地利用結(jié)構(gòu)信息熵緩慢增加，隨著熵值的不斷增加，采煤塌陷土地系統(tǒng)的無序度降低。

根據(jù)趙固二礦提供的土地利用現(xiàn)狀圖，通過沉陷預(yù)計軟件獲得未來塌陷數(shù)據(jù)，并結(jié)合輝縣市的統(tǒng)計年鑒獲取研究區(qū)的土地環(huán)境特征、水文經(jīng)濟數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云中的復(fù)墾現(xiàn)狀區(qū)的30 m分辨率的DEM高程遙感影像。結(jié)合Arcgis平臺的疊置分析、緩沖區(qū)分析和屬性分析等工具，并利用自然斷點法的方式劃分宜耕、宜園和宜林這3種復(fù)墾方向上的4個適宜性程度等級。

3 評價體系的建立

3.1 評價原則

進(jìn)行復(fù)墾土地適宜性評價要在符合土地適宜性評價原則的情況下，綜合考慮采煤塌陷地的現(xiàn)狀和預(yù)測結(jié)果。土地適宜性評價的原則主要有以下幾點：一是因地制宜原則，二是土地持續(xù)利用原則，三是綜合分析和主導(dǎo)因素分析相結(jié)合，四是經(jīng)濟效益可行性。

3.2 評價指標(biāo)指標(biāo)及權(quán)重的分配

由于不同地區(qū)、不同塌陷程度的土地的特點也有很大差異，而且在塌陷過程中，不同的自然條件以及基礎(chǔ)設(shè)施等各個指標(biāo)對適宜性評價的貢獻(xiàn)值也是不一樣的，因此在綜合考慮本礦實際土地?fù)p毀土地的特點，參考之前復(fù)墾方案中指標(biāo)的情況下咨詢相關(guān)專業(yè)人士，進(jìn)一步篩選出了幾個相互獨立和補充的評價指標(biāo)，分別是地表坡度、土地利用現(xiàn)狀、土地?fù)p毀程度、水土污染程度、灌排條件、土壤類型和耕地管理半徑，由于開采損毀后其他因素的變化都會間接導(dǎo)致土壤有機質(zhì)的變化，因此不再對土壤有機質(zhì)因素進(jìn)行單獨分析。在參考土地復(fù)墾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和之前相關(guān)復(fù)墾方案中的評價對這8個指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值的量化。損毀土地復(fù)墾適宜性評價指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)值表2。

土地復(fù)墾適宜性評價因子的權(quán)重的確定是結(jié)合相關(guān)專家對不同指標(biāo)中重要性的比較，通過Yaahp軟件構(gòu)建判斷矩陣，分別求出宜耕、宜園和宜林這3個不同評價方向上的以上七個評價指標(biāo)的權(quán)重，適宜性評價因素指標(biāo)權(quán)重見表3。

表2 損毀土地復(fù)墾適宜性評價指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)值

表3 適宜性評價因素指標(biāo)權(quán)重

3.3 評價單元的劃分

在適宜性評價單元劃分的方法中，常常用到的有根據(jù)行政單元、土地資源的類型、土地利用現(xiàn)狀圖斑、網(wǎng)格單元劃分同質(zhì)單元或者通過利用不同評價因素的進(jìn)行疊置，進(jìn)而劃分的評價單元。

由于采礦造成的塌陷會造成土地很多要素特點的改變，適宜性評價需要建立在不同要素變化特點基礎(chǔ)上，因此根據(jù)采礦損毀復(fù)墾的特殊性，采取疊置法劃分評價單元，在Arcgis平臺上將不同的圖層進(jìn)行疊加，但是通過疊置法會出現(xiàn)很多面積較小并且分散的斑塊，因此需要借助Arcgis中的model和dissolve工具進(jìn)行小斑塊的按屬性合并，將面積較小的斑塊根據(jù)屬性合并到相似的同質(zhì)單元中，既能夠簡化處理而且還能夠保持評價單元內(nèi)部的均一性和相似性，又能夠保證不同評價單元之間的差異性和可比性。根據(jù)疊置法以及對細(xì)碎斑塊的合并，一共劃分出了110個評價單元。針對合并后的評價單元，計算合并后整個單元的最終分值見式(2)：

(2)

式中：G——合并后單元的總分值；

Sm和Sn——分別為合并之前的m和n的面積，hm2；

Gm和Gn——分別為合并之前的m和n的分值，hm2。

3.4 評價模型

本文采取極限條件法和指數(shù)和法對不同評價單元進(jìn)行適宜性評價綜合分值的計算。進(jìn)而根據(jù)宜耕、宜園和宜林不同評價方向內(nèi)適宜性分?jǐn)?shù)的劃分區(qū)間進(jìn)行適宜性程度的判定，實現(xiàn)了對整體的綜合評價。指數(shù)和法采用公式(3)進(jìn)行計算：

(3)

式中：Grt——評價單元r在評價方向t上的總分；

brst——評價單元r第s個因子在評價方向t上的得分；

crst——評價單元r第s個因子在評價方向t上的權(quán)重。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同評價方向的適宜性程度分級

根據(jù)構(gòu)建的評價體系，通過指數(shù)和法計算出各個評價單元的的分值，不同復(fù)墾方向適宜性程度等級統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 不同復(fù)墾方向(宜耕，宜園，宜林)適宜性程度等級統(tǒng)計結(jié)果

由表4分析得出，從分值可以看出，宜耕、宜園和宜林這3個不同的復(fù)墾方向上，宜林在4個適宜性程度評價等級的得分相比之下較大，其次是宜園，得分最低的是宜耕。宜耕復(fù)墾方向上所占面積最大和最小的分別是不適宜區(qū)和高度適宜區(qū)；宜園復(fù)墾方向上所占面積最大和最小的分別是一般適宜區(qū)和高度適宜區(qū)；宜林復(fù)墾方向上所占面積最大和最小的分別是勉強適宜區(qū)和一般適宜區(qū)。在高度適宜中，面積占比最大的是宜林方向，面積占比最小是宜耕方向；在一般適宜中，面積占比最大的是宜林方向，面積占比最小的是宜耕方向；在勉強適宜中，面積占比最大的是宜園方向，面積占比最小的是宜林方向；在不適宜等級中，面積占比最大的是宜耕方向，面積占比最小的是宜林方向。由于塌陷下沉至低于地表潛水位會使土地的生產(chǎn)能力基本喪失，因此采用極限條件法，在3種評價方向上直接劃分為不適宜。不同復(fù)墾方向適宜性程度等級空間分布如圖1所示。

4.2 基于綜合評價法的評價結(jié)果的分類

由于隨著采煤造成的地面塌陷程度的加深，會使得地表低于潛水位，造成大面積的積水，最大塌陷深度達(dá)到5.4 m，因此在預(yù)測過程中的對大面積積水的重度積水區(qū)的適宜性評價將其統(tǒng)一歸并為宜漁。

根據(jù)對不同評價單元的不同復(fù)墾方向適宜性程度等級的劃分，創(chuàng)新性地引入了一種綜合評價法，此方法主要是對宜耕、宜園和宜林的3個方向分別賦值1、2、3，并按照宜耕、宜園、宜林的順序進(jìn)行組合，構(gòu)成一個類似于四進(jìn)制的三位數(shù)，計算公式見式(4)：

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

(4)

式中：MLS——綜合評價的結(jié)果的量化值；

a——宜耕的適宜性評價結(jié)果；

b——宜園的適宜性評價結(jié)果；

c——宜林的適宜性評價結(jié)果。

高度適宜、一般適宜、勉強適宜分別量化值為1、2、3。

通過這個3位數(shù)能夠直觀反映每個評價單元在不同復(fù)墾方向上的適宜性程度。對所有評價單元(重度塌陷積水區(qū)的評價單元除外)的MSL值的統(tǒng)計見表5。

圖1 不同復(fù)墾方向適宜性程度等級空間分布

評價單元序號詳見圖1中的標(biāo)注。

表5 各評價單元MLS統(tǒng)計表

4.3 勉強適宜區(qū)限制因子分析

評價單元適宜型的程度往往受到許多評價因素的共同影響，勉強適宜的不適宜性往往是由于一個或幾個因素的不適宜性造成的。本文利用差積法對不同評價單元的勉強適宜區(qū)限制因子進(jìn)行分析，見式(5)：

Srst=(arst-Fk)×brst

(5)

式中：Srst——評價單元r在評價方向s上的因素的得分相對于Fk的相對值；

arst——評價單元r在評價方向s上的因素t的得分；

Fk——評價方向s上一般適宜區(qū)的評價單元得分的最低值；

brst——評價單元r在評價方向s上的因素t的權(quán)重。

4.3.1 宜耕方向

宜耕評價單元評價因素相對值分布如圖2所示。

圖2 宜耕評價單元評價因素相對值分布

由圖2可以看出，宜耕方向的勉強性適宜區(qū)中的水土污染因素的相對值較大，不存在限制性，土地?fù)p毀程度因素在評價單元17、19和51的相對值為-1.21限制性較小，但在其余評價單元的相對值較小，為-2.06，是主要的限制因素；灌排條件因素的相對值都為負(fù)值，但在4、7、21、25、26、28、29、33、35和38的評價單元中相對值為-0.26，限制性相對較小，在其他評價單元處相對值達(dá)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處相對值為-2.52，是主要的限制因素，在其他評價單元處相對值為-0.27，限制性較??；土地利用現(xiàn)狀因素在3、4和16處不存在限制性，在其他評價單元中的相對值為-0.52，限制性較??；土壤類型因素在7、11、35和51處不存在限制性，在其他評價單元中的相對值為-0.63，限制性較小。因此在宜耕方向上，為了提高勉強適宜區(qū)的適宜性程度，應(yīng)當(dāng)通過改善排灌條件，并通過適當(dāng)措施進(jìn)行田面平整理等措施，盡可能地降低坡度因素的限制性。

4.3.2 宜園方向

宜園評價單元評價因素相對值分布如圖3所示。

圖3 宜園評價單元評價因素相對值分布

由圖3可以看出，地表坡度因素在評價單元3、10、13、17、23、27、30、33、34、47、48、59、61和69的相對值為-0.26，限制性較小，其余評價單元的相對值均在0.65～0.99之間變化，不存在限制性；水土污染因素在評價單元5、23、73和74處的相對值-0.53，限制性較小，其余評價單元的相對值較大，不存在限制性；土地?fù)p毀程度因素在評價單元3～5、33和72處相對值較小，為-2.13，限制性較大；土地利用現(xiàn)狀因素在評價單元3～5、72相對值為-1.54，限制性較大，其余評價單元的相對值為0.35，不存在限制性；土壤類型因素在所有評價單元的相對值比較接近于0，因此基本沒有限制；灌排條件因素在評價單元8、10、13、17、33和72處相對值為-0.56，限制性較小，其余評價單元內(nèi)相對值較大，不存在限制性。因此，由于土地利用現(xiàn)狀和損毀這兩大限制性因素不易發(fā)生人為改變，因此應(yīng)當(dāng)著力從限制性較小的因素方面進(jìn)行改善，如水土污染、灌排條件。

4.3.3 宜林方向

宜林評價單元評價因素相對值分布如圖4所示。

圖4 宜林評價單元評價因素相對值分布

由圖4可以看出，地表坡度因素在評價單元33、40、67、72、74和78相對值是為-0.77，限制性較小，在其他評價單元內(nèi)地表坡度的最低分值都高于綜合評價總分的最小值，不存在限制性；土地?fù)p毀程度因素僅在評價單元29、33、57、64和65具有限制性，但限制性較小，相對值為-0.24；水土污染程度因素在評價單元51、57和64相對值為-1.10，限制性較大，在其他評價單元內(nèi)不具有限制性；灌排條件因素僅在在評價單元4和78相對值較小，為-3和-2，限制性較大，是主要限制因素；土地利用現(xiàn)狀因素在評價單元28、29和33相對值為-0.11，限制性較小，在其他評價單元內(nèi)沒有限制性；土壤類型因素在評價單元28、29、33、65和67具有較小的限制性，相對值為-0.81。因此，可以通過提高灌排條件和減輕水土污染狀況促進(jìn)勉強適宜區(qū)向一般適宜區(qū)甚至是高度適宜區(qū)的轉(zhuǎn)化。

5 結(jié)論

通過對未來采煤塌陷情況的預(yù)測，結(jié)果表明開采后水域的面積將會急劇擴大，由45.46 hm2增加到628.22 hm2。

利用指數(shù)和法，借助Arcgis軟件的空間分析的功能，對趙固二礦損毀土地進(jìn)行了不同復(fù)墾方向的適宜性評價，在宜林方向上高度適宜區(qū)所占面積比例為19.9%，一般適宜區(qū)面積比例為32.9%，宜林方向上高度適宜和一般適宜區(qū)面積所占比例高于宜耕和宜園，宜林不適宜的面積較小為30.7%，綜合認(rèn)為較為適宜的復(fù)墾方向為宜林。

通過差積法對不同復(fù)墾方向上的勉強適宜區(qū)的評價因素的限制性進(jìn)行了分析，提出了通過工程措施如改善排水條件等以改善勉強適宜區(qū)限制性因素的適宜性程度的建議。通過土地的適宜性評價為后續(xù)優(yōu)化土地復(fù)墾方向的選擇提供了可能。