采煤預(yù)塌陷區(qū)超前復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)及復(fù)墾方向劃定

趙會(huì)順，胡振琪,2，陳 超，孫楊楊

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采煤預(yù)塌陷區(qū)超前復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)及復(fù)墾方向劃定

趙會(huì)順1，胡振琪1,2※，陳 超3，孫楊楊1

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，徐州 221116；3. 河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，鄭州 451191）

為有效指導(dǎo)礦區(qū)復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)與復(fù)墾工程施工，從表征地形地貌、區(qū)位條件、土壤條件和人文條件的4個(gè)方面選取10項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建了土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)體系，基于ArcGIS柵格分析功能，系統(tǒng)運(yùn)用三角模糊層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法和改進(jìn)的極限綜合評(píng)價(jià)法，以趙固一礦為例，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤塌陷地超前復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)各復(fù)墾方向進(jìn)行等級(jí)劃定。結(jié)果表明：1）將塌陷地按照宜耕、宜園、宜林3個(gè)復(fù)墾方向，分別劃分為4個(gè)適宜等級(jí)：高度適宜、中度適宜、勉強(qiáng)適宜和不適宜。不同復(fù)墾方向?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的適宜程度存在差別，主要表現(xiàn)為林地>園地>耕地；2）基于GIS將研究區(qū)劃分為屬性基本一致的102個(gè)評(píng)價(jià)單元，綜合考慮適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果及區(qū)域自然經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施條件，將研究區(qū)劃分為4個(gè)復(fù)墾分區(qū)，10個(gè)分區(qū)等級(jí)：其中耕地適宜區(qū)面積1 296.09 hm2，占總面積的62.95%，主要分布在中西部塌陷地輕中度損毀地帶；園地適宜區(qū)面積為16.29 hm2，占比0.79%，零星散布于輕中度損毀區(qū)；林地適宜區(qū)面積689.49 hm2，占總面積的33.48%，主要分布于中東部塌陷地輕中度損毀地勢(shì)起伏較大的區(qū)域；不適宜區(qū)面積57.15 hm2，占總面積的2.78%，主要集中分布在中部重度積水區(qū)北側(cè)邊緣區(qū)域。該文的評(píng)價(jià)方法兼顧了不同復(fù)墾方向評(píng)價(jià)指標(biāo)的貢獻(xiàn)度差異和評(píng)價(jià)者的主觀模糊性，采用GIS技術(shù)減弱了人為干擾，使評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐指雍侠?，較傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法具有更好的適用性，評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)、可靠。

采礦；復(fù)墾；塌陷地；復(fù)墾方向；三角模糊層次分析法；極限綜合評(píng)價(jià)法；趙固一礦

0 引 言

煤炭資源的大規(guī)模開采，為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展提供了充足的能源儲(chǔ)備，但也造成土地資源和生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)累積采煤沉陷面積已達(dá)135萬hm2，并以每年7萬hm2的速度遞增，大面積的土地破壞和退化，使得礦區(qū)農(nóng)地資源嚴(yán)重不足，嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展，為謀求礦區(qū)社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展，加強(qiáng)礦區(qū)土地復(fù)墾工作力度尤為必要。

土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)是礦區(qū)開展土地復(fù)墾工作的核心環(huán)節(jié)和項(xiàng)目決策的依據(jù)，要實(shí)現(xiàn)土地的有效復(fù)墾及復(fù)墾土地的合理利用，必須加強(qiáng)對(duì)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)的研究[3]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究熱點(diǎn)主要集中在對(duì)礦區(qū)挖損、壓占土地和工礦廢棄地的復(fù)墾適宜性研究[4-6]，單純針對(duì)采煤塌陷地適宜性的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)[7-8]；從時(shí)空尺度看，現(xiàn)有研究大都是針對(duì)已經(jīng)損毀（挖損、壓占、塌陷）穩(wěn)定后土地進(jìn)行的復(fù)墾適宜性研究[6,9-10]，而對(duì)未來將要損毀或未穩(wěn)沉土地的超前復(fù)墾適宜性研究較少；從評(píng)價(jià)方法看，多采用極限條件法[11]、指數(shù)和法[12]、可拓法[7,13]、決策樹法[14]和模糊綜合評(píng)判法[15]等，目前尚沒有形成統(tǒng)一、全面的理論體系，各評(píng)價(jià)方法也或多或少存在一定的不足，如極限條件法適宜性等級(jí)偏低，指數(shù)和法主觀性較強(qiáng)，可拓法體系不夠完善等；從指標(biāo)賦權(quán)方法看，多采用層次分析法（AHP法）[16-17]、專家打分法（Delphi法）[17]、主成分分析法[18-19]和熵權(quán)法[1,20]等，未能兼顧評(píng)價(jià)者確權(quán)時(shí)的主觀模糊性。從評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐挚?，評(píng)價(jià)單元的適宜性是多種因素疊加作用的結(jié)果，學(xué)者們往往在進(jìn)行評(píng)價(jià)前將某一或多個(gè)因素疊加得到的同質(zhì)單元作為評(píng)價(jià)單元[1,5,21]，這種方法主觀先驗(yàn)性較強(qiáng)，劃分結(jié)果難以準(zhǔn)確反映實(shí)地條件。此外，也有學(xué)者將GIS技術(shù)引入到礦區(qū)土地的復(fù)墾適宜性研究[22-23]，在很大程度上減弱了人為干擾，更加高效、科學(xué)地實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)土地合理配置。

鑒于此，本文在基于概率積分法模擬趙固一礦采煤塌陷地的基礎(chǔ)上，采用三角模糊層次分析法分別從宜耕、宜園和宜林3個(gè)復(fù)墾方向?qū)崿F(xiàn)了評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異化賦權(quán)，并基于GIS柵格分析和多元空間統(tǒng)計(jì)功能，系統(tǒng)運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法和改進(jìn)的極限綜合評(píng)價(jià)法對(duì)各復(fù)墾方向進(jìn)行超前適宜性分析，在此基礎(chǔ)上從柵格數(shù)據(jù)集層面進(jìn)行評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?，進(jìn)一步提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的精度和等級(jí)分區(qū)劃分的準(zhǔn)確性。以期通過對(duì)趙固一礦塌陷地的超前復(fù)墾適宜性研究，判定塌陷地復(fù)墾適宜方向，為礦區(qū)后續(xù)復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)和復(fù)墾工程提供更加明確、可靠的指導(dǎo)，避免復(fù)墾工作出現(xiàn)“反復(fù)”和“爛尾”現(xiàn)象，節(jié)約復(fù)墾成本。同時(shí)提供一種新的思路，進(jìn)一步充實(shí)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)理論和實(shí)踐體系。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

趙固一礦位于焦作煤田東部，太行山南麓的趙固礦區(qū)內(nèi)，隸屬于河南省輝縣市，地理坐標(biāo)為113°33′00″－113°43′39″E，35°23′09″－35°28′00″N，井田走向長(zhǎng)2.0～5.5 km，傾斜寬約15 km，總面積8 158.08 hm2。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，年平均降水量580～600 mm，其中雨季（7－8月）降水量約占全年降水量的70%以上，土壤以潮土和砂疆黑土為主。礦區(qū)主采煤層為二1煤層，其設(shè)計(jì)總儲(chǔ)量為37 349萬噸，平均煤層厚度為5.29 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為240萬噸/年。由于煤炭的高強(qiáng)度開采，導(dǎo)致地表出現(xiàn)較大面積的沉陷，截止至2018年，礦區(qū)沉陷面積為1 192.19 hm2，最大塌陷深度達(dá)3.4 m，地表部分區(qū)域出現(xiàn)塌陷積水，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了影響。趙固一礦地理位置示意圖如圖1所示。

圖1 趙固一礦地理位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源如下：1）土地利用數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于輝縣市土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)（2016年）；2）數(shù)字高程模型（DEM）下載于美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）官網(wǎng)（https://earthexplorer.usgs.gov/），空間分辨率為30 m；3）土壤條件數(shù)據(jù)來源于輝縣市第二次土壤普查數(shù)據(jù)（《輝縣土壤》）；4）礦山開采接續(xù)計(jì)劃圖、礦區(qū)水文地質(zhì)圖、井田地質(zhì)勘探報(bào)告、環(huán)境影響報(bào)告、壓煤村莊搬遷規(guī)劃、搬遷新區(qū)規(guī)劃圖由趙固一礦提供；5）人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《2016年輝縣統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 研究方法

2.1 土地?fù)p毀預(yù)測(cè)分析

礦區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)的對(duì)象大多是將來要損毀的土地，復(fù)墾工作實(shí)施的目標(biāo)也是面向未來狀況的土地。趙固一礦是處于正常生產(chǎn)狀態(tài)的礦山，針對(duì)該區(qū)沉陷地的復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)是為確定將來擬損毀土地的復(fù)墾方向，因而對(duì)擬損毀土地的預(yù)計(jì)是現(xiàn)階段進(jìn)行復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。常用的沉陷預(yù)計(jì)方法有概率積分法、典型曲線法和負(fù)指數(shù)函數(shù)法等，當(dāng)煤層傾角<45°時(shí)，以概率積分法最為常用[24]。據(jù)悉趙固一礦在服務(wù)年限內(nèi)開采煤層傾角均小于40°，故本研究采用概率積分法模型。依據(jù)礦山開采接續(xù)計(jì)劃和儲(chǔ)量報(bào)告，了解趙固一礦工作面布設(shè)情況，提取各工作面拐點(diǎn)的坐標(biāo)、坐標(biāo)、坐標(biāo)（采深）、角點(diǎn)個(gè)數(shù)和煤層厚度，并結(jié)合礦山提供的地質(zhì)報(bào)告、建井報(bào)告、土地復(fù)墾方案等相關(guān)資料，重點(diǎn)參照礦區(qū)實(shí)測(cè)地表移動(dòng)數(shù)據(jù)，確定趙固一礦井田下沉系數(shù)為0.91、主要影響角正切tan為1.6、水平移動(dòng)系數(shù)為0.3、影響傳播角為90-0.6、拐點(diǎn)偏移距為0.05（為煤層傾角，為采深）。然后基于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的開采沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)MSPS，對(duì)趙固一礦西三盤區(qū)地表移動(dòng)變形情況進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，生成塌陷區(qū)下沉盆地等值線。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用ArcGIS的3D分析功能將塌陷區(qū)等值線轉(zhuǎn)化成TIN，再由TIN生成空間分辨率為1×1 m的塌陷區(qū)預(yù)計(jì)下沉DEM數(shù)據(jù)。

根據(jù)國(guó)土部門提供的2016年土地利用數(shù)據(jù)將研究區(qū)土地重分類為9種類型：耕地、園地、林地、草地、交通運(yùn)輸用地、設(shè)施農(nóng)用地、水域及水利設(shè)施用地、風(fēng)景名勝用地及特殊用地、城鎮(zhèn)村及工礦用地。然后在ArcGIS10.3中以2016年Google Earth高分辨率影像為底圖，與土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行地理配準(zhǔn)后，在塌陷地范圍內(nèi)隨機(jī)均勻選取92個(gè)測(cè)試樣點(diǎn)，經(jīng)驗(yàn)證分類結(jié)果一致的數(shù)據(jù)點(diǎn)有81 個(gè)，總體精度達(dá)到 88.04%，滿足土地利用分類現(xiàn)狀信息提取工作的精度要求，可以進(jìn)行后續(xù)研究。結(jié)合趙固一礦潛水位和實(shí)地?fù)p毀情況，將預(yù)測(cè)結(jié)果劃分為輕度損毀（10～1 000 mm）、中度損毀（1 000～3 000 mm）和重度損毀（>3 000 mm）塌陷地，累計(jì)損毀面積達(dá)3 126.60 hm2。預(yù)計(jì)開采計(jì)劃完成后趙固一礦最終土地?fù)p毀情況如圖2所示。

圖2 趙固一礦開采計(jì)劃結(jié)束后預(yù)計(jì)土地?fù)p毀情況

2.2 評(píng)價(jià)對(duì)象及復(fù)墾方向

根據(jù)趙固一礦《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾方案》（以下簡(jiǎn)稱《方案》）設(shè)計(jì)，在礦山開采結(jié)束后擬采用挖深墊淺方式對(duì)塌陷地進(jìn)行工程復(fù)墾，考慮到水下取土難度較高，能夠挖取的土方量有限，故僅在重度積水區(qū)的一定深度范圍內(nèi)（常為水下1 m）進(jìn)行水下取土，將取出的土方量回填至輕度和中度損毀區(qū)進(jìn)行復(fù)墾?？梢姀?fù)墾前后塌陷地水陸布局不會(huì)發(fā)生變化，且由于挖取土方量相對(duì)于塌陷地復(fù)墾范圍明顯不足，故可以忽略工程復(fù)墾對(duì)塌陷地地形、地勢(shì)造成的影響。

根據(jù)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)因地制宜、農(nóng)用地優(yōu)先原則，土地利用受周圍環(huán)境條件制約，土地利用方式必須與環(huán)境特征相適應(yīng)[25]。塌陷地原農(nóng)用地類型為耕地、園地、林地和草地，但由于草地面積較少，不將其作為適宜地類。此外，根據(jù)土地復(fù)墾工程施工經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究[26-28]，交通運(yùn)輸用地（鐵路，公路）和輕中度損毀的水域及水利設(shè)施用地（河流水面，坑塘水面，內(nèi)陸灘涂，溝渠，水工建筑用地）、設(shè)施農(nóng)用地、風(fēng)景名勝及特殊用地在復(fù)墾工程設(shè)計(jì)中均保留原用地類型，故從評(píng)價(jià)范圍內(nèi)剔除，不再對(duì)其做適宜性分析，剔除區(qū)面積為140.31 hm2。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)損毀前后區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施條件，因地制宜，揚(yáng)長(zhǎng)避短，宜農(nóng)則農(nóng)、宜林則林、宜園則園、宜漁則漁。參照塌陷地?fù)p毀前原土地類型，將塌陷地的復(fù)墾方向初步定為宜耕、宜園、宜林、宜漁4個(gè)方向。但由于重度損毀區(qū)塌陷深度較大，積水嚴(yán)重，不再適合規(guī)劃耕、園、林等農(nóng)業(yè)用地，根據(jù)工程施工經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究[3,29-30]，擬將重度損毀區(qū)規(guī)劃為大水面養(yǎng)殖用地，故本文將重度損毀區(qū)作為宜漁區(qū)，面積為927.27 hm2，不再對(duì)其進(jìn)行適宜性分析。

綜上所述，本文的評(píng)價(jià)對(duì)象（研究區(qū)）為塌陷地范圍扣除重度損毀區(qū)（宜漁區(qū)）和保留原地類評(píng)價(jià)剔除區(qū)后的面積，總計(jì)2 059.02 hm2。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及數(shù)據(jù)處理

2.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)是一種預(yù)測(cè)性的土地適宜性評(píng)價(jià)，是依據(jù)土地利用總體規(guī)劃及相關(guān)規(guī)劃，按照因地制宜原則，在充分尊重土地權(quán)益人意愿的前提下，根據(jù)原土地利用類型、土地?fù)p毀情況、公眾參與意見，在經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)合理?xiàng)l件下，確定擬復(fù)墾土地的最佳利用方向[31-32]。與常規(guī)評(píng)價(jià)對(duì)象是已經(jīng)損毀（挖損、壓占、塌陷）穩(wěn)定后的土地不同，本研究是針對(duì)未來將要損毀或未穩(wěn)沉土地的超前復(fù)墾適宜性研究，所以評(píng)價(jià)時(shí)必須綜合考慮破壞前原地類的情況和地表穩(wěn)沉后擬破壞情況對(duì)塌陷地的影響，選取其中的主導(dǎo)因素納入土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)塌陷地地形地貌特點(diǎn)和水文地質(zhì)條件，參考《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》（GB/T 28407-2012）、《耕地后備資源調(diào)查與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》（TD/T_1007-2003）和前人研究經(jīng)驗(yàn)[12,33-34]，從表征地形地貌、區(qū)位條件、土壤條件和人文條件4個(gè)方面選取10項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 趙固一礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

注：塌陷地內(nèi)的居民點(diǎn)在礦山開采計(jì)劃完成前都要進(jìn)行搬遷，故研究中距居民點(diǎn)距離是指距離塌陷地外的村莊、建制鎮(zhèn)、城市以及搬遷新區(qū)的距離；損毀前人均耕地面積越大，公眾復(fù)墾成耕地的意愿越強(qiáng)，復(fù)墾成園、林地的意愿越弱；反之，復(fù)墾成耕地的意愿越弱，復(fù)墾成園、林地的意愿越強(qiáng)，可見人均耕地面積對(duì)耕地適宜性是正向指標(biāo)，對(duì)園、林地適宜性是負(fù)向指標(biāo)。

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 數(shù)據(jù)處理

塌陷地DEM數(shù)據(jù)是通過兩部分?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)合而成，一部分是從美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）官網(wǎng)（https://earthexplorer.usgs.gov/）獲取的30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，另一部分是依據(jù)礦山提供的開采接續(xù)計(jì)劃，采用概率積分法進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)，然后基于ArcGis10.3平臺(tái)的3D分析功能，生成塌陷區(qū)預(yù)計(jì)下沉DEM數(shù)據(jù)，借助柵格計(jì)算器實(shí)現(xiàn)對(duì)塌陷地兩部分DEM數(shù)據(jù)的疊加復(fù)合。最后基于復(fù)合DEM數(shù)據(jù)提取出相應(yīng)的坡度、坡向地形因子，來反映塌陷地?fù)p毀后地形地貌情況。其中坡度是影響土地適宜性的關(guān)鍵因子，隨著坡度的增加，土壤肥力和土層厚度降低，土壤的限制性增強(qiáng)；坡向是反映土地的向光性指標(biāo)，本研究將平地作為坡向最佳方向，賦值為10，朝南，東南和西南，東和西，東北和西北，北向分別賦值9、7、5、3、1；地表沉陷深度是用來表征煤炭開采對(duì)地表造成損毀程度的指標(biāo)，這里用概率積分法預(yù)計(jì)出的下沉DEM數(shù)據(jù)經(jīng)柵格計(jì)算器取其絕對(duì)值表示；將排灌條件等效為研究區(qū)距河流的距離，通常情況下，距河流越近，排灌條件越好，反之越差；同理將道路通達(dá)性、距居民點(diǎn)距離分別等效為距主干道的距離和距塌陷地外村莊、建制鎮(zhèn)和城市的距離，并借助ArcGIS10.3歐式距離分析功能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)圖層輸出。并將土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、人均GDP和人均耕地面積分別以塌陷地村域?yàn)閱卧M(jìn)行屬性賦值，其中土壤質(zhì)地按照《國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》將研究區(qū)分為中壤、輕壤、重壤和砂壤，分別賦值為4、3、2、1。最終基于ArcGIS10.3將所有空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，Gauss Kruger投影，Xian 1980坐標(biāo)系，30m分辨率，如圖3所示。

2.3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是一個(gè)由多因素構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)量單位不同，數(shù)據(jù)差異大，不具有可比性。為方便評(píng)價(jià)指標(biāo)間的比較，消除指標(biāo)間量綱差異，必須對(duì)所有指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。本文借助ArcGIS10.3柵格計(jì)算器功能，采用多元標(biāo)準(zhǔn)化方法，來消除原始數(shù)據(jù)的量綱差異。公式如下：

當(dāng)指標(biāo)X具有正效應(yīng)時(shí)

當(dāng)指標(biāo)X具有負(fù)效應(yīng)時(shí)

當(dāng)指標(biāo)X具有適宜范圍時(shí)

圖3 趙固一礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)空間分布

2.4 評(píng)價(jià)方法

2.4.1 三角模糊層次分析法確權(quán)

三角模糊層次分析法（TF-AHP）是將層次分析法與三角模糊數(shù)理論相結(jié)合，通過引入三角模糊數(shù)（可能值下限、最可能值、可能值上限）代替層次分析法中的判斷數(shù)，即以區(qū)間的形式對(duì)指標(biāo)的重要性程度進(jìn)行兩兩比較[35-36]。充分考慮評(píng)價(jià)者思維的主觀模糊性，使評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的判斷結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。

1）構(gòu)建三角模糊判斷矩陣。首先基于層次分析法（AHP）構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型，分別向本領(lǐng)域4位專家和2位地方國(guó)土管理部門領(lǐng)導(dǎo)發(fā)送電子問卷，采用T.L.Saaty1-9標(biāo)度法，以三角模糊數(shù)r=(l,m,u)的形式來表示同一要素層第個(gè)指標(biāo)對(duì)第個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性，分別對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性程度進(jìn)行兩兩比較。然后基于均值化公式

3）模糊綜合值計(jì)算。令D表示模糊判斷矩陣的第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于所有指標(biāo)的綜合重要性程度。計(jì)算公式如下

4）去模糊化。設(shè)M(l,m,u)和M(l,m,u)是三角模糊數(shù)，則M≥M的可能度用三角模糊函數(shù)定義為

式中W為第個(gè)指標(biāo)的層次總排序權(quán)重，W為準(zhǔn)則層第個(gè)指標(biāo)單排序權(quán)重（父層），W為指標(biāo)層第個(gè)指標(biāo)單排序權(quán)重（子層）。進(jìn)而分別求得各評(píng)價(jià)指標(biāo)在宜耕、宜園、宜林不同復(fù)墾方向下的權(quán)重分布情況，如表2所示。

表2 趙固一礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)理想值和權(quán)重分布

2.4.2 灰色關(guān)聯(lián)度法

灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)法是利用各方案與最優(yōu)方案之間關(guān)聯(lián)度的大小來描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和次序，且對(duì)樣本量沒有嚴(yán)格的要求，不要求服從任何分布[38-39]。本文通過ArcGIS10.3平臺(tái)柵格計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)圖層灰色關(guān)聯(lián)度指數(shù)的計(jì)算，主要步驟如下：

1）確定比較數(shù)列和參考數(shù)列。假定評(píng)價(jià)對(duì)象有個(gè)，評(píng)價(jià)指標(biāo)有個(gè)，

則比較數(shù)列為：

X={′()|=1,2,3,…,}=1,2,3,…,

參考數(shù)列為

0={0()|=1,2,3,…,}

2）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)()

其中，()表示第個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，′()表示第個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，0()表示第個(gè)指標(biāo)理想值，為分辨系數(shù)，∈[0,1]，本文取=0.5。

3）加權(quán)關(guān)聯(lián)度計(jì)算

式中W()表示第個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，Cd表示參考數(shù)列和比較數(shù)列的關(guān)聯(lián)度，反映了評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)狀態(tài)之間相互接近程度，Cd值越大說明第個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)狀態(tài)相互接近程度越高，故可以對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)劣排序和級(jí)別劃分。

2.4.3 極限綜合評(píng)價(jià)法

基于上述研究，本文對(duì)傳統(tǒng)的極限綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行了改進(jìn)。其基本思路：將由公式（10）得到的3個(gè)復(fù)墾方向適宜性分布圖（宜耕、宜園、宜林）采用ArcGIS中自然斷點(diǎn)模塊劃分為高度適宜、中度適宜、勉強(qiáng)適宜和不適宜4個(gè)等級(jí)，并分別賦值為1，2，3，4。所謂自然斷點(diǎn)法是一種根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律進(jìn)行分級(jí)、分類的統(tǒng)計(jì)方法，即根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)列本身存在的自然轉(zhuǎn)折點(diǎn)、特征點(diǎn)將研究的對(duì)象分成性質(zhì)相似的群組，并使類與類之間的區(qū)別最大化[40-41]。在扣除宜漁區(qū)和評(píng)價(jià)剔除區(qū)后進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)處理，并將3個(gè)復(fù)墾方向處理結(jié)果與研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀疊加。然后在疊加后圖層屬性表中將所得到的結(jié)果按照地類編碼、宜耕、宜園、宜林的順序進(jìn)行組合，得到一個(gè)五位或六位評(píng)價(jià)綜合值，其結(jié)果既能反映評(píng)價(jià)單元土地利用現(xiàn)狀，又能反映該單元對(duì)不同復(fù)墾方向的適宜程度，從而便于后續(xù)進(jìn)行各復(fù)墾單元地類設(shè)計(jì)。公式如下

式中表示評(píng)價(jià)單元的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果；表示第二次全國(guó)土地調(diào)查地類編碼；表示評(píng)價(jià)單元的宜耕級(jí)別；表示評(píng)價(jià)單元的宜林級(jí)別；表示評(píng)價(jià)單元的宜林級(jí)別。、、值越小表示相應(yīng)地類適宜性越好；反之，適宜性越差。

3 結(jié)果與分析

3.1 單一復(fù)墾方向適宜性評(píng)價(jià)

不同土地利用類型對(duì)生態(tài)環(huán)境的適宜或限制性程度存在差別，從而決定對(duì)某一評(píng)價(jià)單元進(jìn)行適宜性分析時(shí)，必須進(jìn)行多個(gè)復(fù)墾方向的優(yōu)化選擇。本研究通過公式（8）、（9）和（10）分別得到宜耕、宜園、宜林3個(gè)復(fù)墾方向適宜性分布情況，并采用自然斷點(diǎn)法將其劃分為高度適宜、中度適宜、勉強(qiáng)適宜和不適宜4個(gè)等級(jí)。各復(fù)墾方向適宜性分布情況如圖4和表3所示。

表3 趙固一礦各復(fù)墾方向適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)圖4和表3可知，宜耕適宜性評(píng)價(jià)中主要以中度適宜和勉強(qiáng)適宜為主，面積達(dá)1 468.53 hm2，占研究區(qū)總面積的71.32%。其中中度適宜區(qū)面積最大，面積為756.27 hm2，總面積的36.73%，主要分布在研究區(qū)東部塌陷地邊緣地帶及中部和西南部塌陷地輕中度損毀交界地帶；其次是勉強(qiáng)適宜區(qū)，面積為712.26 hm2，占研究區(qū)總面積的34.59%，主要分布在中部塌陷地輕中度損毀交界地帶和東部塌陷地重度損毀區(qū)邊緣地帶；高度適宜區(qū)面積358.29 hm2，占總面積的17.40%，主要在西南部塌陷地和中東部塌陷地部分邊緣地帶；不適宜區(qū)面積最少，為232.20 hm2，占總面積的11.28%，主要分布在中部塌陷地重度損毀區(qū)邊緣地帶。

宜園適宜性評(píng)價(jià)中高度和中度適宜面積較宜耕適宜性有所增加，面積達(dá)1 220.94 hm2，占總面積的59.30%，表明園地對(duì)環(huán)境的適宜性相對(duì)于耕地有所提升。其中仍舊以中度適宜區(qū)面積最大，達(dá)809.10 hm2，占總面積的39.30%，主要分布在西南部、中部和中東部塌陷地邊緣地帶；高度適宜面積相比宜耕高度適宜有所增加，達(dá)到總面積的20.00%，主要分布在中西部、中東部塌陷地和東北部塌陷地東側(cè)部分區(qū)域；勉強(qiáng)適宜區(qū)面積為637.65 hm2，占總面積的30.97%，其面積分布和耕地勉強(qiáng)適宜區(qū)相似；不適宜區(qū)面積為200.43 hm2，占比9.37%，較耕地不適宜區(qū)有所下降，主要分布在中部重度損毀區(qū)邊緣地帶。

相比耕地和園地，林地對(duì)環(huán)境的適宜性更強(qiáng)，在宜林適宜性評(píng)價(jià)中，高度和中度適宜區(qū)的面積增加，分別達(dá)到440.82和899.46 hm2，其中以中度適宜區(qū)變化最大，所占比重增加到43.68%；勉強(qiáng)適宜區(qū)保持浮動(dòng)，面積為643.59 hm2，占比為31.26%；不適宜區(qū)大幅度減少，面積僅為75.15 hm2，占比3.65%，分布于中部重度損毀區(qū)北側(cè)邊緣區(qū)域。

3.2 復(fù)墾適宜性綜合評(píng)價(jià)

3.2.1 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐趾蛷?fù)墾方向確定

基于上述單一復(fù)墾方向的適宜性分析，在ArcGis10.3平臺(tái)中將3種復(fù)墾方向適宜性分布圖分別進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)處理，并將處理結(jié)果與土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行多重疊加，在其屬性表中基于公式（11）求得研究區(qū)多適宜性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，通過以為融合字段最終將研究區(qū)劃分102個(gè)多點(diǎn)集合，然后運(yùn)用點(diǎn)轉(zhuǎn)柵格功能將處理結(jié)果轉(zhuǎn)為柵格圖層，生成102個(gè)柵格集，即將研究區(qū)劃分成102個(gè)評(píng)價(jià)單元。每一個(gè)評(píng)價(jià)單元在土地利用現(xiàn)狀、耕地適宜性、園地適宜性和林地適宜性屬性上完全一致，從而減弱了人為劃分評(píng)價(jià)單元的主觀性干擾。通過對(duì)評(píng)價(jià)單元的綜合分析，將各評(píng)價(jià)單元土地利用現(xiàn)狀和耕、園、林適宜性等級(jí)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合研究區(qū)損毀前后自然、經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施條件，根據(jù)因地制宜、耕地優(yōu)先原則，揚(yáng)長(zhǎng)避短，宜農(nóng)則農(nóng)、宜園則園、宜林則林，最終確定各評(píng)價(jià)單元土地復(fù)墾最終方向如表4所示。

圖4 趙固一礦各復(fù)墾方向適宜性分布

表4 趙固一礦各評(píng)價(jià)單元土地復(fù)墾最終方向確定

注：總計(jì)有102個(gè)評(píng)價(jià)單元，出于篇幅考慮，此處僅隨機(jī)選出30個(gè)評(píng)價(jià)單元；表示評(píng)價(jià)單元的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果；、、分別表示評(píng)價(jià)單元的宜耕、宜園、宜林級(jí)別。

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 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)以上分析結(jié)果，參考《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》（GB/T 28407-2012）和《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》（TD/T 1036-2013）將研究區(qū)劃分為4個(gè)復(fù)墾分區(qū)，10個(gè)分區(qū)等級(jí)：宜耕一等地、宜耕二等地、宜耕三等地、宜園一等地、宜園二等地、宜園三等地、宜林一等地、宜林二等地、宜林三等地和不適宜，如圖5所示。

圖5 趙固一礦土地復(fù)墾適宜性分布

耕地適宜區(qū)：該適宜區(qū)主要分布在中西部塌陷地輕中度損毀地帶，沉陷深度相對(duì)較淺，多小于2.5 m，面積達(dá)1 296.09 hm2，占研究區(qū)總面積的62.95%。其中一等地面積354.33 hm2，主要分布在塌陷地邊緣部分區(qū)域，地勢(shì)平坦，土壤水肥條件好，基礎(chǔ)設(shè)施條件基本完善，且距居民點(diǎn)較近，只需采用簡(jiǎn)單的土地平整和堵裂縫等工程措施即可恢復(fù)原耕種條件；二等地面積569.34 hm2，占宜耕區(qū)面積的43.93%，相對(duì)一等地，沉陷深度略深，多介于0.5～1.5 m，土壤水肥條件略有下降，整體而言，破壞程度不深，通過土地平整、填堵裂縫，部分區(qū)域需進(jìn)行客土改良方可恢復(fù)耕種；三等地面積為372.42 hm2，相對(duì)于二等地，沉陷深度更深，多介于1.5～2.5 m，區(qū)域地表破壞和土壤水肥條件流失嚴(yán)重，土壤質(zhì)地較差，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有較多限制。治理難度較大，需要采取多種整治措施，如挖深墊淺、客土改良、生物復(fù)墾等，而且還應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，防止發(fā)生退化。

園地適宜區(qū)：該區(qū)域主要零星分布于輕中度損毀區(qū)，沉陷深度大多小于1.5 m，規(guī)模相對(duì)較小，總面積僅為16.29 hm2，占研究區(qū)的0.79%。其中以宜園一等地為主，面積為14.31 hm2，占比87.85%，主要來源于損毀耕地的復(fù)墾，面積達(dá)11.97 hm2，占宜園一等地面積的83.65%；其次為宜園二等地、宜園三等地，面積為1.62和0.36 hm2，分別占宜園區(qū)總面積的9.94%、2.21%。

林地適宜區(qū)：該適宜區(qū)主要分布于中東部塌陷地輕中度損毀地勢(shì)起伏較大的區(qū)域，由于水熱條件適宜林木生長(zhǎng)，地形坡度大，土層薄，不宜農(nóng)耕，面積為689.49 hm2，占總面積的33.48%。其中一等地面積175.05 hm2，占宜林區(qū)面積的25.39%，主要分布在東部塌陷地，沉陷深度主要集中在0.5～2 m之間，土壤條件相對(duì)較好，對(duì)林木生長(zhǎng)沒有限制；二等地面積344.88 hm2，占宜林區(qū)面積的50.02%，主要分布在中部和東部塌陷地輕中損毀區(qū)域，集中連片性好，對(duì)林木生產(chǎn)有一定的限制；宜林三等地面積為169.56 hm2，占宜林區(qū)面積的24.59%，主要集中連片分布在中部塌陷地重度積水區(qū)南側(cè)，地表沉陷較為嚴(yán)重，土壤水土條件遭到破壞，對(duì)林業(yè)生產(chǎn)限制條件較多，極易發(fā)生退化。

不適宜區(qū)：該區(qū)域主要分布在中部重度積水區(qū)北側(cè)邊緣區(qū)域，呈集中連片分布，面積為57.15 hm2，占研究區(qū)總面積的2.78%。區(qū)域地表沉陷較深，破壞較為嚴(yán)重，由于臨近積水區(qū)，土壤水肥條件遭到破壞，部分區(qū)域成為沼澤地，土壤限制性較為嚴(yán)重，在現(xiàn)行的技術(shù)和成本下難以改變其立地條件，不適宜進(jìn)行植被種植。

4 結(jié) 論

本研究從表征地形地貌、區(qū)位條件、土壤條件和人文條件的4個(gè)方面選取10項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建了土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)體系，基于ArcGIS10.3平臺(tái)，系統(tǒng)運(yùn)用三角模糊層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法和一種改進(jìn)的極限綜合評(píng)價(jià)法，從柵格數(shù)據(jù)層面實(shí)現(xiàn)了對(duì)趙固一礦采煤塌陷地超前復(fù)墾適宜性分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)各復(fù)墾方向進(jìn)行了等級(jí)劃分。研究結(jié)論如下：

1）基于三角模糊層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度法構(gòu)建趙固一礦采煤塌陷地土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)體系，將塌陷地按照宜耕、宜園、宜林3個(gè)復(fù)墾方向，分別劃分為4個(gè)等級(jí)：高度適宜、中度適宜、勉強(qiáng)適宜和不適宜。通過對(duì)各復(fù)墾方向適宜性的分析，表明不同土地利用類型對(duì)同一生態(tài)環(huán)境的適宜程度存在差別，主要表現(xiàn)為林地>園地>耕地。

2）通過引入一種改進(jìn)的極限綜合評(píng)價(jià)法，基于ArcGIS10.3柵格分析功能，將研究區(qū)劃分為在土地利用現(xiàn)狀、耕地適宜性、園地適宜性和林地適宜性屬性上完全一致的102個(gè)評(píng)價(jià)單元。并基于適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果和區(qū)域自然經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施條件，最終將研究區(qū)劃分為4個(gè)復(fù)墾分區(qū)，10個(gè)分區(qū)等級(jí)：宜耕一等地、宜耕二等地、宜耕三等地、宜園一等地、宜園二等地、宜園三等地、宜林一等地、宜林二等地、宜林三等地和不適宜地。

本研究兼顧了不同復(fù)墾方向評(píng)價(jià)指標(biāo)的貢獻(xiàn)度差異和評(píng)價(jià)者的主觀模糊性，并采用GIS技術(shù)減弱了人為干擾，使評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐指訙?zhǔn)確、合理，為基于挖深墊淺模式復(fù)墾或預(yù)復(fù)墾的塌陷地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)工作提供了一種新的技術(shù)思路，并驗(yàn)證了該方法的適用性和合理性。但由于本研究是一種預(yù)測(cè)性評(píng)價(jià)，對(duì)礦山后續(xù)開采計(jì)劃具有較強(qiáng)的依賴性，鑒于遠(yuǎn)期開采計(jì)劃的不定性和人為干擾因素，難以準(zhǔn)確無誤地模擬實(shí)地沉陷，且也未能體現(xiàn)出挖深墊淺的復(fù)墾工藝，這也是后續(xù)有待進(jìn)一步研究和探討的方向。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41771542）；國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U1361203）

趙會(huì)順，主要從事土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究。Email：zhs523edu@126.com

胡振琪，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)研究。Email：huzq@cumtb.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.029

TD88

A

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

趙會(huì)順，胡振琪，陳 超，孫楊楊. 采煤預(yù)塌陷區(qū)超前復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)及復(fù)墾方向劃定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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