丘陵山區(qū)煤炭采空影響區(qū)未利用地多目標適宜性評價研究

李妍均，周 川，鄭杰炳，孫 靜

(1.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042；2.重慶市地質(zhì)災害自動化監(jiān)測工程技術(shù)研究中心(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042)

土地適宜性評價是指在對土地各構(gòu)成要素進行全面分析的基礎(chǔ)上，以土地合理利用為目標，根據(jù)特定的目的或針對一定的土地用途對土地的屬性進行鑒定，并闡述土地的適宜性及適宜程度的過程[1]。廣義上說，土地適宜性分析是根據(jù)特定的需求和優(yōu)先級，或?qū)δ承┗顒拥念A測，來確定將來土地利用的合理空間分布和模式[2-3]。隨著煤炭等礦產(chǎn)資源大肆開采引發(fā)的環(huán)境問題逐漸顯現(xiàn)，我國開始重視礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展問題，煤炭采空區(qū)土地適宜性評價見諸文獻：朱紫薇等運用MATLAB對皖北煤電集團采煤沉陷區(qū)復墾適宜性評價指標體系進行了數(shù)值仿真[4]，張南等運用GIS對鴨池鎮(zhèn)典型的喀斯特山區(qū)進行了土地適宜性評價[5]，蔡利平等運用疊置法得到了適合于采煤沉陷區(qū)的土地利用適宜性評價單元[6]。在丘陵山區(qū)，因坡度大、土層薄、肥力低、耕作困難等因素，加之煤炭采空擾動，多數(shù)土地被撂荒，閑置未利用現(xiàn)象普遍存在，造成土地資源嚴重浪費。以閑置未利用地為研究對象，進行土地多目標適宜性評價，是因地制宜、科學合理利用土地，實現(xiàn)未利用土地資源節(jié)約集約利用的最有效方式。

重慶市巴南區(qū)豐盛一礦位于川東平行嶺谷向南傾斜與盆地南緣山地交接地帶，地形起伏，溝壑縱橫，受區(qū)域地質(zhì)及巖溶影響，喀斯特地貌特征較為顯著。地下煤炭開采擾動，導致地表區(qū)域性缺水嚴重，從而引起土地利用結(jié)構(gòu)改變。本研究擬以豐盛一礦采空影響區(qū)的未利用地為評價對象，通過構(gòu)建評價指標體系，采用Delphi法對未利用地進行宜耕、宜林、宜建的適宜性評價，為采空影響區(qū)土地的優(yōu)化利用及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概括

雙河口鎮(zhèn)位于巴南區(qū)東北部，是豐盛一礦的主要采空影響區(qū)，介于E105°13′～110°18′、N28°06′～32°19′之間。羊鹿片區(qū)(北隘口村、塘灣村)位于雙河口鎮(zhèn)東南部，面積18.7 km2，是受采空影響最為嚴重的區(qū)域。研究區(qū)屬亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫18 ℃左右，冬季最低氣溫6～8 ℃，夏季平均氣溫27～29 ℃，冬暖夏熱，無霜期長、雨量充沛、溫潤多陰、雨熱同季，年均降水量1 000～1 400 mm，春夏之交夜雨較多。地貌以丘陵為主，出露地層為三疊系須家河組厚砂巖、嘉陵江組石灰?guī)r，土壤以水稻土和黃色石灰土為主。

1.2 多目標適宜性評價

1.2.1 劃分評價單元

評價單元是土地自然質(zhì)量性狀基本一致的獨立土地單元，它既是完整反映自身特性的最基本地塊，也是評價中獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)工作單元。采空影響區(qū)環(huán)境復雜，且受開采活動的持續(xù)影響，礦區(qū)土地性質(zhì)變化大、速率快，且各地塊變化情況各異。本研究評價單元劃分采用多因素疊置法[7]，將土壤圖、坡度圖、土地利用現(xiàn)狀圖進行疊置，對面積過小，不具有實際物理意義的圖斑進行歸并，形成的閉合圖斑即為一個評價單元。

1.2.2 指標選取

遵循主導因素、穩(wěn)定性、差異性、獨立性、易獲取性等原則，通過綜合分析手段，構(gòu)建基于特爾菲法(Delphi)的專家征詢系統(tǒng)，綜合應用多個行業(yè)權(quán)威專家的知識與經(jīng)驗實現(xiàn)影響因子的篩選與優(yōu)化。

指標按照選取到強烈建議不選取的原則進行賦值(從5分到0分)。運用Delphi法對評價指標進行篩選。篩去得分平均值較小且方差較大(專家爭議較大)的指標，具體公式為

(1)

(2)

式中：E為指標評分平均值；m為專家總?cè)藬?shù)(m=5)；ai為第i位專家的評分值；δ2為方差。

根據(jù)評價目標的不同，選取了不同的評價指標，詳見表1。

表1 評價因子匯總

1.2.3 指標分級

為提高適宜性評價的科學性和可靠性，針對未利用地開發(fā)實際，進一步采用Delphi法對確立的14個評價指標構(gòu)建分級標準并確定其對應的等級指數(shù)，詳見表2。具體處理過程為：①基于煤炭采空影響區(qū)調(diào)查數(shù)據(jù)，界定評價指標的分值范圍；②設(shè)計討論問卷，請專家對初步的分值范圍及等級指數(shù)進行討論；③確定分級標準及對應的等級指數(shù)。

1.2.4 確定權(quán)重

權(quán)重是表征評價因子對評價對象影響程度或貢獻率的指標，是使評價結(jié)果符合實際評價過程中不可缺少的環(huán)節(jié)[8]。評價因子權(quán)重確定的主要步驟為：匯集專家意見，對指標的重要程度進行兩兩比較并逐層平方，構(gòu)建判斷矩陣；對矩陣進行歸一化處理，求解該判

表2 評價指標分級標準及得分

斷矩陣的特征向量和最大特征值，依據(jù)所求特征值向量進行層次總排序；對結(jié)果進行一致性檢驗，利用同一層中所有層次排序的結(jié)果，計算針對上一層次而言的本層中所有因子的重要性權(quán)重；對判斷矩陣進行一致性檢驗和隨機性檢驗，縮小誤差，檢驗公式為

Q=(Umax-N)/[D×(N-1)]

(3)

式中：Q為判斷矩陣的隨機一致性比率；Umax為判斷矩陣的最大特征根；N為判斷矩陣的階數(shù)；(Umax-N)為判斷矩陣的一致性指標；D為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，根據(jù)所構(gòu)建的矩陣階數(shù)，取1.12。

當Q<0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權(quán)數(shù)分配合理。評價指標權(quán)重賦值結(jié)果見表3。

表3 評價指標權(quán)重賦值

1.2.5 綜合評價

根據(jù)以上確定的各參評因子權(quán)重及各因子分級的等級指數(shù)，建立目標評價方向的適宜性評價綜合分值數(shù)學計算模型

(4)

式中：Cj為第j個評價單元的綜合分值；Aji為第j個評價單元第i個因子的等級指數(shù)；Bi為第i個評價因子的權(quán)重；n為評價因子的總數(shù)；t為評價單元的總數(shù)。

基于上式，以獨立的單個地類圖斑為評價單元，借助GIS平臺，對評價單元的各個因子的等級指數(shù)與相應權(quán)重的乘積進行加和，得到評價單元的綜合分值，進而根據(jù)各評價單元綜合分值的頻數(shù)分布直方圖來確定目標評價方向的適宜性等級。結(jié)合丘陵山區(qū)未利用地現(xiàn)狀及專家綜合意見，Cj值結(jié)果處理見表4。

表4 適宜性評價結(jié)果處理

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來自巴南區(qū)2015年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫、DEM影像圖、水系分布圖和地質(zhì)災害中、高易發(fā)區(qū)分布圖。基于現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)分析測試和ArcGIS

10.2軟件，獲取評價指標的屬性數(shù)據(jù)，并建立相應的空間數(shù)據(jù)庫，通過空間疊加獲取評價單元分值，對不同目標下未利用地的適宜性程度進行判定劃分。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價體系模擬

采用疊置法將土壤圖、坡度圖、土地利用現(xiàn)狀圖進行疊置，篩選出研究區(qū)32個未利用地評價單元，見圖1。

圖1 適宜性評價單元示意

基于上述指標因子體系，分別對評價單元進行宜耕、宜林、宜建的適宜性獨立評價，評價綜合得分詳見表5。

表5數(shù)據(jù)顯示， 宜耕評價綜合得分介于3.86～

表5 適宜性評價綜合得分匯總

7.46之間，宜林評價綜合得分介于4.10～8.52之間，且分值呈現(xiàn)同高同低現(xiàn)象，與指標因子選取關(guān)系一致。根據(jù)評價結(jié)果返回單元各項因子探析得分差異，綜合得分低的原因：一是距離水源較遠，多數(shù)單元距離水源在400 m以上，分級得分1分，單個因子得分0.08；二是地表裂縫較大，<3、3～6、>6 mm/m的各一處，分級得分6、2、0，單個因子得分0.48、0.16、0.08；三是塌陷坑面積大，塌陷坑面積<10、10～20、>20 m2的各一處，分級得分6、4、1，單個因子得分0.36、0.24、0.06。部分有機質(zhì)含量低于12 g/kg，分級得分1，綜合得分0.16。宜耕、宜林園適宜性評價中，塌陷坑面積(X4)、裂縫(X5)、到水源距離(X6)、有機質(zhì)含量(X2)低分是拉低綜合評價總得分的主要限制因素。結(jié)合表4評價，根據(jù)Cj值評價結(jié)果，得出如下評價結(jié)果(表6)。

表6 土地適宜性評價結(jié)果處理一覽

各地塊適宜的地類情況匯總見表7。

表7 適宜性評價結(jié)果匯總

分析表7可知，在對32個評價單元進行農(nóng)用地適宜評價中，有24個單元適宜復墾為耕地。在16個適宜復墾為建設(shè)用地的單元中，包含15個同時適宜復墾為耕地的單元，僅僅適宜作為建設(shè)用地的單元只有1個。32個評價單元均適宜作為林地，扣除同時適宜復墾為耕地的24個單元和1個適宜復墾為林地的單元，適宜復墾為林地的單元為7個，其中3處基礎(chǔ)條件稍差，建議輔以必要的工程措施用以填補塌陷坑、裂縫，后可選種耐瘠耐旱的灌木。遵循土地開發(fā)利用優(yōu)先復墾為耕地的原則，建議32個待開發(fā)利用單元中，羊鹿口-1119、堡上-575等24個單元復墾為耕地，占評價單元總數(shù)的75.00%；桂花-891、雙魚塘-544等7個單元復墾為林地，占評價單元總數(shù)的21.88%；石板-503可作為建設(shè)用地，占評價單元總數(shù)的3.13%。

2.2 評價結(jié)果驗證

在對32個評價單元的現(xiàn)狀利用情況和評價結(jié)果進行逐一對比后發(fā)現(xiàn)： 由于區(qū)內(nèi)有琵琶洞和大茶園山，通過旅游帶動當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，除主井口和辦公樓仍然保留外，其他附屬用地及零星荒草地中24個適宜復墾為耕地的單元中，有13個已被當?shù)剞r(nóng)民恢復為耕地，種植的作物包括蔬菜、大豆、鮮食糯玉米、脆李，6個單元生長著約2米高的灌木，另有5個單元因面積偏小(<50 m2)，零星分散，目前生長著茅草。經(jīng)與當?shù)剞r(nóng)業(yè)服務(wù)技術(shù)人員交流，認為只要農(nóng)產(chǎn)品有銷路，同時政府出資將生產(chǎn)路連接到田間，通過大戶流轉(zhuǎn)，這11塊土地恢復為耕地是完全可能的。

7個適宜復墾為林地的單元中，5個生長著茂密的松樹，一些松樹胸徑甚至已經(jīng)達到10 cm，另有2處由業(yè)主種植黑麥草作為梅花鹿的草料。

適宜作為建設(shè)用地的石板503地塊，經(jīng)現(xiàn)場查看，目前生長著茅草。

3 結(jié) 語

研究區(qū)未利用地整體條件較好，24處可以復墾為耕地，16處可以復墾為建設(shè)用地，既適合復墾為耕地又適合復墾為建設(shè)用地的有15處，全部單元均可復墾為林地，且現(xiàn)場回訪結(jié)果與適宜性評價結(jié)果表現(xiàn)一致，表明本研究提出的土地優(yōu)化利用評價指標體系基本反映了采煤沉陷區(qū)的特征，提出的評價指標科學合理，評價方法也是可行的，可以此評價指標體系確定最佳土地利用方案，進行土地利用分區(qū)，從而使土地資源得到合理利用。