丘陵山區煤炭采空影響區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.外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042；2.重慶市地質災害自動化監測工程技術研究中心(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042)

土地適宜性評價是指在對土地各構成要素進行全面分析的基礎上，以土地合理利用為目標，根據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特定的需求和優先級，或對某些活動的預測，來確定將來土地利用的合理空間分布和模式[2-3]。隨著煤炭等礦產資源大肆開采引發的環境問題逐漸顯現，我國開始重視礦區的生態環境及可持續發展問題，煤炭采空區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復墾適宜性評價指標體系進行了數值仿真[4]，張南等運用GIS對鴨池鎮典型的喀斯特山區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的土地利用適宜性評價單元[6]。在丘陵山區，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，多數土地被撂荒，閑置未利用現象普遍存在，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，實現未利用土地資源節約集約利用的最有效方式。

重慶市巴南區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，受區域地質及巖溶影響，喀斯特地貌特征較為顯著。地下煤炭開采擾動，導致地表區域性缺水嚴重，從而引起土地利用結構改變。本研究擬以豐盛一礦采空影響區的未利用地為評價對象，通過構建評價指標體系，采用Delphi法對未利用地進行宜耕、宜林、宜建的適宜性評價，為采空影響區土地的優化利用及農業產業結構調整提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概括

雙河口鎮位于巴南區東北部，是豐盛一礦的主要采空影響區，介于E105°13′～110°18′、N28°06′～32°19′之間。羊鹿片區(北隘口村、塘灣村)位于雙河口鎮東南部，面積18.7 km2，是受采空影響最為嚴重的區域。研究區屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，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、嘉陵江組石灰巖，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，也是評價中獲取數據的基礎工作單元。采空影響區環境復雜，且受開采活動的持續影響，礦區土地性質變化大、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、穩定性、差異性、獨立性、易獲取性等原則，通過綜合分析手段，構建基于特爾菲法(Delphi)的專家征詢系統，綜合應用多個行業權威專家的知識與經驗實現影響因子的篩選與優化。

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為專家總人數(m=5)；ai為第i位專家的評分值；δ2為方差。

根據評價目標的不同，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，針對未利用地開發實際，進一步采用Delphi法對確立的14個評價指標構建分級標準并確定其對應的等級指數，詳見表2。具體處理過程為：①基于煤炭采空影響區調查數據，界定評價指標的分值范圍；②設計討論問卷，請專家對初步的分值范圍及等級指數進行討論；③確定分級標準及對應的等級指數。

1.2.4 確定權重

權重是表征評價因子對評價對象影響程度或貢獻率的指標，是使評價結果符合實際評價過程中不可缺少的環節[8]。評價因子權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，依據所求特征值向量進行層次總排序；對結果進行一致性檢驗，利用同一層中所有層次排序的結果，計算針對上一層次而言的本層中所有因子的重要性權重；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；(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，根據所構建的矩陣階數，取1.12。

當Q<0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權數分配合理。評價指標權重賦值結果見表3。

表3 評價指標權重賦值

1.2.5 綜合評價

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

(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；Bi為第i個評價因子的權重；n為評價因子的總數；t為評價單元的總數。

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與相應權重的乘積進行加和，得到評價單元的綜合分值，進而根據各評價單元綜合分值的頻數分布直方圖來確定目標評價方向的適宜性等級。結合丘陵山區未利用地現狀及專家綜合意見，Cj值結果處理見表4。

表4 適宜性評價結果處理

1.3 數據來源

研究數據來自巴南區2015年土地利用變更調查數據庫、DEM影像圖、水系分布圖和地質災害中、高易發區分布圖?；诂F場調查、室內分析測試和ArcGIS

10.2軟件，獲取評價指標的屬性數據，并建立相應的空間數據庫，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、土地利用現狀圖進行疊置，篩選出研究區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數據顯示， 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，且分值呈現同高同低現象，與指標因子選取關系一致。根據評價結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)、有機質含量(X2)低分是拉低綜合評價總得分的主要限制因素。結合表4評價，根據Cj值評價結果，得出如下評價結果(表6)。

表6 土地適宜性評價結果處理一覽

各地塊適宜的地類情況匯總見表7。

表7 適宜性評價結果匯總

分析表7可知，在對32個評價單元進行農用地適宜評價中，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。遵循土地開發利用優先復墾為耕地的原則，建議32個待開發利用單元中，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，占評價單元總數的21.88%；石板-503可作為建設用地，占評價單元總數的3.13%。

2.2 評價結果驗證

在對32個評價單元的現狀利用情況和評價結果進行逐一對比后發現： 由于區內有琵琶洞和大茶園山，通過旅游帶動當地農業生產發展，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個已被當地農民恢復為耕地，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。經與當地農業服務技術人員交流，認為只要農產品有銷路，同時政府出資將生產路連接到田間，通過大戶流轉，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達到10 cm，另有2處由業主種植黑麥草作為梅花鹿的草料。

適宜作為建設用地的石板503地塊，經現場查看，目前生長著茅草。

3 結 語

研究區未利用地整體條件較好，24處可以復墾為耕地，16處可以復墾為建設用地，既適合復墾為耕地又適合復墾為建設用地的有15處，全部單元均可復墾為林地，且現場回訪結果與適宜性評價結果表現一致，表明本研究提出的土地優化利用評價指標體系基本反映了采煤沉陷區的特征，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，從而使土地資源得到合理利用。