采煤塌陷區(qū)土地復墾適宜性評價單元劃分研究＊

蔡利平 李 鋼，3 孫久運 陳國良

（1.中國礦業(yè)大學江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇省徐州市，221116；3.徐州市國土資源局，江蘇省徐州市，221006）

采煤塌陷區(qū)土地復墾適宜性評價單元劃分研究＊

蔡利平1，2李 鋼1，2，3孫久運1，2陳國良1，2

（1.中國礦業(yè)大學江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇省徐州市，221116；3.徐州市國土資源局，江蘇省徐州市，221006）

針對采煤塌陷地的特點和目前采煤塌陷區(qū)土地利用適宜性評價的不足，在初次劃分的采煤塌陷區(qū)基本評價因素同質(zhì)評價單元的基礎上，疊置采煤引起的各種因素得到采煤塌陷地評價單元。根據(jù)評價單元之間帶權重的歐氏距離，依次將面積較小而不具有實際意義的同質(zhì)單元合并到相鄰的最相似單元中，并以單元的面積為權重計算合并后的單元的因素評分值，得到適合于采煤塌陷區(qū)的土地利用適宜性評價單元。

適宜性評價 多因素疊置 合并單元 采煤塌陷地

對于塌陷區(qū)土地復墾，需要建立在土地適宜性評價基礎上，其中評價單元劃分對于評價過程起著關鍵性作用。目前，土地評價單元劃分類型有土壤類型單元、土地資源類型單元、土地利用現(xiàn)狀圖斑單元、行政單元、網(wǎng)格單元，以及多因素疊置形成的同質(zhì)單元。然而，采煤塌陷區(qū)不同于一般的建設用地，其環(huán)境復雜，且受開采活動動態(tài)和長期持續(xù)的破壞影響，礦區(qū)的土地性質(zhì)變化較大、變化較快，且各地塊變化情況各異。因此常用的土地評價單元劃分，除網(wǎng)格單元和多因素疊置形成的同質(zhì)單元外，其他幾種單元劃分類型都不能很好地滿足采煤塌陷地的變化特點。而網(wǎng)格單元主要應用于城鎮(zhèn)土地單元劃分；多因素疊置形成的同質(zhì)單元嚴格地滿足了土地評價單元的同質(zhì)性要求，但評價單元極不規(guī)則，部分單元面積太小，不具有任何實際物理意義。因此，本文針對多因素疊置形成的同質(zhì)單元為評價對象，計算同質(zhì)單元的相似度，合并不滿足面積要求的同質(zhì)單元，并進行同質(zhì)單元的屬性合并，獲取滿足實際復墾需求的適宜性評價。

1 采煤對土地的主要影響

1.1 地表裂縫對土地的影響

隨著地表沉陷的發(fā)展，在塌陷盆地內(nèi)的部分區(qū)域產(chǎn)生地表裂縫。地表裂縫的產(chǎn)生取決于采空區(qū)上方表層土壤的物理性質(zhì)和地表沉陷的發(fā)展。開采沉陷引起的地表裂縫在自然作用下，加速了土壤侵蝕，造成水、土壤、母質(zhì)的損失，降低土壤的肥力，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低土地的價值。開采沉陷引起的地表裂縫有的非常細小，有的上口寬度可達1～2m，深度可達20m。根據(jù)開采沉陷引起的地表裂縫的特點以及所處自然環(huán)境，可將地表裂縫引起的侵蝕分為細溝侵蝕、溝蝕和重力侵蝕。不同的侵蝕情況造成的復墾難度各異，因此，地表裂縫作為土地適宜性評價因子時，把地表裂縫因子劃分為細溝侵蝕區(qū)、溝蝕區(qū)、重力侵蝕區(qū)和無侵蝕區(qū)。

1.2 開采沉陷對建筑物的影響

開采沉陷在水平方向產(chǎn)生水平移動、拉伸與壓縮變形，垂直方向產(chǎn)生下沉、傾斜、曲率和扭曲，以及地表平面產(chǎn)生剪應變，建筑物受到損壞。建筑物受開采影響的損壞程度取決于地表變形值的大小和建筑物本身抵抗采動變形的能力。在礦區(qū)，建筑物保護煤柱允許地表變形值為：傾斜值i＝±3 mm／m，曲率K＝±0.2×10－3／m，水平變形ε＝±2mm／m。

在開采之后，沒達到下沉的最大值時，不能確定建筑物的受損程度，只能按照一定的間隔取點預計地表的移動變形值，按照建筑物損壞等級表，預計各點的損壞等級，構建整個區(qū)域的損壞等級模型，繪制損壞等級圖。建筑物損壞等級作為土地適宜性評價因子時，用損壞等級圖與其他評價因子的同質(zhì)單元疊置，得到具有建筑物損壞等級因素的評價因子圖。

1.3 開采沉陷對水體的影響

開采煤炭資源時，可能出現(xiàn)的水體問題有地表積水、徑流變化、水質(zhì)污染；地下水流失、深度下降、透水突水事故、水質(zhì)污染等。水體受到破壞之后，給礦區(qū)的生活、生產(chǎn)帶來嚴重影響。在分析開采沉陷對水體的影響時，應說明對主要水體的開采沉陷影響程度、最優(yōu)的防治對策；對生產(chǎn)、生活用水的影響及防治措施；地表積水的可能性、范圍、影響及防治方法；礦井水患的可能性及對策；防治水體受開采沉陷影響的費用估算。把積水因素作為土地適宜性評價因子時，根據(jù)積水狀態(tài)，把塌陷地分為積水塌陷地、季節(jié)性積水塌陷地和無積水塌陷地。

1.4 重金屬污染對土地的影響

由于礦區(qū)廢棄物和礦井水排放，煤礦廢棄物中含有多種重金屬元素，很容易使煤矸石、粉煤灰充填的塌陷區(qū)、煤矸石堆和排石場周圍的土壤及地下水受到污染，重金屬對土壤產(chǎn)生的污染很難得到改善。進入土壤的重金屬很難通過自然過程從土壤環(huán)境中消失或稀釋，對土壤生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的影響以及對生物體的危害不容易恢復，直接或間接地對人類產(chǎn)生危害。

在采煤塌陷區(qū)進行采樣，分析土壤中的重金屬含量，根據(jù)土壤中重金屬的濃度，將重金屬污染程度劃分為幾個適合于土地適宜性評價的等級，按照一定的規(guī)則，轉(zhuǎn)化為相應的數(shù)值型因素評分值，并制作采煤塌陷地的污染等級圖。

2 基于同質(zhì)因素的評價單元的二次劃分

2.1 評價單元的評價因素表達

土地評價單元是土地評價對象的最小單元。根據(jù)采煤對土地的影響可以劃分出同質(zhì)因素圖及同質(zhì)評價單元。土地評價單元實體具有對應于土地影響的各種屬性和關系，因此可以將整個評價區(qū)域的土地單元信息存放在一個n維數(shù)組中。

2.2 同質(zhì)單元的疊置

通常土地評價單元的基本類型有3種：土壤分類單元、土地資源分類單元和土地利用現(xiàn)狀分類單元。這些方法都不能解決評價區(qū)域內(nèi)具有較大的變化問題，多因素疊置形成的同質(zhì)單元能夠綜合考慮到評價區(qū)域的復雜性，能夠包含評價所需的各種因子，解決評價區(qū)域較大變化的問題。同質(zhì)單元是根據(jù)評價目的要求，選取地貌、耕層厚度、土壤、氣候、海拔、坡度、pH值等影響土地評價的因子，分別將各個評價因子制作成圖，利用GIS的空間疊置功能進行疊置得到。

土地質(zhì)量指標選取主要考慮影響土地質(zhì)量的主要因素和區(qū)域的限制性因素。采煤塌陷地除了具有一般土地的屬性之外，還包括采煤塌陷產(chǎn)生的各種影響土地質(zhì)量的因素。進行采煤塌陷地評價單元劃分時，疊置土地基本屬性同質(zhì)單元圖和采煤引起的影響因素等級圖，得到包含所有影響采煤塌陷地適宜性評價的因素的同質(zhì)評價單元圖。評價單元的評價因素疊置示意圖如圖1。

圖1 疊置示意圖

3 評價單元綜合

通過以上疊置得到的部分同質(zhì)評價單元一方面是完全疊置計算得到的，沒有參照實際情況；另一方面面積較小，不具有實際應用意義。因此，選取較小的同質(zhì)單元依據(jù)統(tǒng)計分析合并到相鄰的同質(zhì)單元中。合并步驟如下：①量化、標準化處理各個因素評分值；②根據(jù)同質(zhì)單元的面積，進行從小到大的順序排列；③選擇最小的同質(zhì)單元，計算該同質(zhì)單元和其相鄰的同質(zhì)單元的相似系數(shù)；④把最小同質(zhì)單元合并到和該單元最相似的領域單元中；⑤把合并后的新單元排列到已經(jīng)排列好的順序中；⑥重復②至⑤的步驟，直到最小的同質(zhì)單元的面積滿足規(guī)定的要求。合并流程圖如圖2所示。

圖2 單元合并流程圖

3.1 相似度計算

評價單元之間的相似度是衡量單元劃分的主要指標。但評價單元的各個影響因素值表示方式不一樣，各個影響因素值的量綱和數(shù)量大小很不一致，變化幅度也不相同，因此，需要對數(shù)據(jù)進行規(guī)格化處理。

根據(jù)各個評價因素的特性，通過量綱化方法或無量綱化方法，把各個因素評分值轉(zhuǎn)化到統(tǒng)一的區(qū)間[0，100]。

對評價因素的評分值量化之后，采用標準差進行規(guī)格化變換，變換公式為：

式中：xik——原始因素評分值；

Xik——標準化后的因素評分值；

xk——第k個屬性值得平均值，即：

式中：sk為第k個因素評分值的標準差，即：

通過標準差變換后，每個因素評分值的平均值為0，方差為1。

評價單元之間的相似程度轉(zhuǎn)化為評價單元之間的距離系數(shù)，距離越小，相似程度越大。本文在歐幾里得距離（Euclidean Distance）的基礎上，根據(jù)各個評價因素的重要性，每一個因素評分值的距離加上權重，得到一個帶權重的歐幾里得距離。其計算公式如下：

式中：Xik和Xjk——分別表示第i個同質(zhì)單元和相鄰的第j個同質(zhì)單元的第k個標準差變換后的因素評分值；

dij——表示第i個同質(zhì)單元和相鄰的第j個同質(zhì)單元之間的距離；

Wk——為第k個評價因素權重值，Wk∈[0，1]，W1＋W2＋……＋Wm＝1。

3.2 因素評分值計算

同質(zhì)單元的合并包括幾何信息合并和屬性信息合并。幾何信息合并只需將兩個同質(zhì)單元從形態(tài)上聯(lián)合到一起；屬性信息合并需要根據(jù)各個評價因素的表達形式，采取不同的方法進行融合。根據(jù)評價因素的特性，在屬性信息合并過程中，采用以下兩種方法：

（1）評價因素的表達形式為數(shù)值型，以面積為權重，根據(jù)要合并的2個單元的面積，計算得到的加權平均值為合并后的單元的因素評分值。計算公式如下：

式中：X1k，X2k——分別為要合并的2個單元的第k個評價因素的值；

X合k——合并后的單元的因素評分值；

Area1和Area2——要合并的2個單元的面積。

（2）評價因素評分值的表達形式為等級型（如污染等級）或枚舉類型（如土壤質(zhì)地），比較要合并的2個單元的面積，合并后的單元的因素評分值為合并前較大面積單元的因素評分值。

式中：X1k，X2k——分別為要合并的2個單元的第k個評價因素的值；

X合k——合并后的單元的因素評分值；

Area1和Area2——要合并的2個單元的面積。

另外，為了更能夠體現(xiàn)2個單元的綜合特性，可以對該因素評分值進行量化，轉(zhuǎn)化為數(shù)值，按照數(shù)值型的方式計算合并后的單元的因素評分值。

4 驗證實驗與結果分析

從一個疊置好的采煤塌陷區(qū)的同質(zhì)單元圖中截取一部分同質(zhì)單元（9個同質(zhì)評價單元），如圖3左圖所示，同質(zhì)單元中具有9個評價因素，包括土地評價的一般因素（灌溉條件、排水條件、坡度級別、土層厚度、pH值和有機質(zhì)含量）和采煤引起的因素（裂縫深度、污染級別和塌陷深度）。表1為根據(jù)各種規(guī)則量化后的因素評分值，表2為按照公式（1）、（2）、（3）進行標準化后的因素評分值。

表1 量化后的土地因素評分值

表2 標準化后的土地因素評分值

表3 各個評價因素權重

在土地適宜性評價中，計算評價因素的權重時，層次分析法應用比較廣泛，也比較成熟。因此，本文采用層次分析法計算評價因素權重，表3為按照層次分析法得到的各個因素的權重。

圖3左圖中，已經(jīng)按照同質(zhì)單元的面積排好序，最小單元為1號單元，與1號單元相鄰的單元有5個單元（2、3、8、5、9單元）按照公式（4）計算得到1號單元與相鄰單元的歐式距離如表4?？梢钥闯?號單元與3號單元的距離最小，則與3號單元最相似，即把1號單元和3號單元合并得到新的單元1－3。

表4 1號單元的歐氏距離

以30000m2的面積為閾值，按照合并流程，依次合并的順序為1號單元和3號單元合并，2號單元和7號單元合并，4號單元與2－7號單元合并，5號單元和9號單元合并。最后合并的結果如圖3中的右圖。

圖3 土地單元合并示意圖

在合并同質(zhì)單元幾何信息的同時，按照公式（5）或（6）合并同質(zhì)單元的各個因素評分值。表5為合并后的土地評價因素評分值，從表5中可以看出，合并后的因素評分值不是評價因素的原始值，而是量化值，能夠很好地在土地適宜性評價中使用。

表5 合并后的土地因素評分值

整個合并過程具有代表性，既有內(nèi)部的同質(zhì)單元被合并，又有邊緣的同質(zhì)單元被合并；一部分同質(zhì)單元合并到已經(jīng)滿足面積閾值要求的相鄰同質(zhì)單元中，一部分同質(zhì)單元合并到不滿足面積閾值要求的相鄰同質(zhì)單元中；一部分是合并到之前通過合并得到的同質(zhì)單元中，一部分是合并到?jīng)]和任何同質(zhì)單元合并的同質(zhì)單元中。

5 結論

在采煤塌陷區(qū)土地復墾中，由于受開采活動及其后續(xù)影響造成的土質(zhì)變化的動態(tài)性與持續(xù)性，使對其適宜性評價不能采用常用土地單元劃分方法。本文應用多因素疊置形成同質(zhì)單元，并針對其初始劃分方法不具有實際應用意義的實際問題。利用加權的歐氏距離分析同質(zhì)單元的相似性，將小于閾值的同質(zhì)單元合并到最相似的領域單元上，并以面積為權重綜合同質(zhì)單元的因素評分值，既綜合了幾何數(shù)據(jù)，也綜合了屬性數(shù)據(jù)。這樣既消除了因部分單元面積太小而不具有任何實際物理意義的評價單元，又保證了同一評價單元內(nèi)土地的基本屬性和土地質(zhì)量基本一致，提高了適宜性評價結果的實用性和準確性。

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[6] 吳侃，李亮，敖建鋒等.開采沉陷引起地表土體裂縫極限深度探討[J].煤炭科學技術，2010（6）

Research about unit of the reclamation suitability evaluation in coal mining subsidence area

Cai Liping1，2，Li Gang1，2，3，Sun Jiuyun1，2，Chen Guoliang1，2

（1.Key Laboratory for Land Environment and Disaster Monitoring of SBSM，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.College of Environment，Surveying and Mapping，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；3.Bureau of Land and Resources of Xuzhou，Xuzhou，Jiangsu 221006，China）

According to the characteristics of the coal mining subsidence area and the present land－use suitability assessment deficiencies in the coal mining subsidence area，based on the first divided homogeneous unit of evaluation factors in the coal mining subsidence area，overlay the factors caused by coal mining to obtain the evaluation unit.Based on the weighting euclidean distance between the evaluation units，turn the homogeneous unit，which is smaller and does not have practical significance，into the most similar adjacent unit，use weights of area to calculate the values about the factor of the combined unit，to get the land use suitability evaluation unit which is suitable for coal mining subsidence area.

suitability evaluation，multivariate overlay，merging unit，coal mining subsidence area

TD88

B

國土資源部公益專項基金（201211011－02）

蔡利平（1987－），男，中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院在讀碩士，主要研究方向：GIS原理與應用、土地復墾。

（責任編輯 孫英浩）