采煤預塌陷區超前復墾適宜性評價及復墾方向劃定

趙會順，胡振琪,2，陳 超，孫楊楊

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采煤預塌陷區超前復墾適宜性評價及復墾方向劃定

趙會順1，胡振琪1,2※，陳 超3，孫楊楊1

（1. 中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2. 中國礦業大學環境與測繪工程學院，徐州 221116；3. 河南工程學院土木工程學院，鄭州 451191）

為有效指導礦區復墾規劃設計與復墾工程施工，從表征地形地貌、區位條件、土壤條件和人文條件的4個方面選取10項指標構建了土地復墾適宜性評價體系，基于ArcGIS柵格分析功能，系統運用三角模糊層次分析法、灰色關聯度法和改進的極限綜合評價法，以趙固一礦為例，實現了對采煤塌陷地超前復墾適宜性評價，并在此基礎上對各復墾方向進行等級劃定。結果表明：1）將塌陷地按照宜耕、宜園、宜林3個復墾方向，分別劃分為4個適宜等級：高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜。不同復墾方向對生態環境的適宜程度存在差別，主要表現為林地>園地>耕地；2）基于GIS將研究區劃分為屬性基本一致的102個評價單元，綜合考慮適宜性評價結果及區域自然經濟和基礎設施條件，將研究區劃分為4個復墾分區，10個分區等級：其中耕地適宜區面積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；園地適宜區面積為16.29 hm2，占比0.79%，零星散布于輕中度損毀區；林地適宜區面積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起伏較大的區域；不適宜區面積57.15 hm2，占總面積的2.78%，主要集中分布在中部重度積水區北側邊緣區域。該文的評價方法兼顧了不同復墾方向評價指標的貢獻度差異和評價者的主觀模糊性，采用GIS技術減弱了人為干擾，使評價單元劃分更加合理，較傳統評價方法具有更好的適用性，評價結果更加科學、可靠。

采礦；復墾；塌陷地；復墾方向；三角模糊層次分析法；極限綜合評價法；趙固一礦

0 引 言

煤炭資源的大規模開采，為中國國民經濟的高速發展提供了充足的能源儲備，但也造成土地資源和生態環境的嚴重破壞[1-2]。據統計，中國累積采煤沉陷面積已達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，使得礦區農地資源嚴重不足，嚴重影響社會經濟的健康發展，為謀求礦區社會-經濟-生態協調發展，加強礦區土地復墾工作力度尤為必要。

土地復墾適宜性評價是礦區開展土地復墾工作的核心環節和項目決策的依據，要實現土地的有效復墾及復墾土地的合理利用，必須加強對土地復墾適宜性評價的研究[3]。目前，國內學者的研究熱點主要集中在對礦區挖損、壓占土地和工礦廢棄地的復墾適宜性研究[4-6]，單純針對采煤塌陷地適宜性的研究有待進一步加強[7-8]；從時空尺度看，現有研究大都是針對已經損毀（挖損、壓占、塌陷）穩定后土地進行的復墾適宜性研究[6,9-10]，而對未來將要損毀或未穩沉土地的超前復墾適宜性研究較少；從評價方法看，多采用極限條件法[11]、指數和法[12]、可拓法[7,13]、決策樹法[14]和模糊綜合評判法[15]等，目前尚沒有形成統一、全面的理論體系，各評價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偏低，指數和法主觀性較強，可拓法體系不夠完善等；從指標賦權方法看，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]和熵權法[1,20]等，未能兼顧評價者確權時的主觀模糊性。從評價單元劃分看，評價單元的適宜性是多種因素疊加作用的結果，學者們往往在進行評價前將某一或多個因素疊加得到的同質單元作為評價單元[1,5,21]，這種方法主觀先驗性較強，劃分結果難以準確反映實地條件。此外，也有學者將GIS技術引入到礦區土地的復墾適宜性研究[22-23]，在很大程度上減弱了人為干擾，更加高效、科學地實現了礦區土地合理配置。

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上，采用三角模糊層次分析法分別從宜耕、宜園和宜林3個復墾方向實現了評價指標的差異化賦權，并基于GIS柵格分析和多元空間統計功能，系統運用灰色關聯度法和改進的極限綜合評價法對各復墾方向進行超前適宜性分析，在此基礎上從柵格數據集層面進行評價單元劃分，進一步提高了評價結果的精度和等級分區劃分的準確性。以期通過對趙固一礦塌陷地的超前復墾適宜性研究，判定塌陷地復墾適宜方向，為礦區后續復墾規劃設計和復墾工程提供更加明確、可靠的指導，避免復墾工作出現“反復”和“爛尾”現象，節約復墾成本。同時提供一種新的思路，進一步充實土地復墾適宜性評價理論和實踐體系。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

趙固一礦位于焦作煤田東部，太行山南麓的趙固礦區內，隸屬于河南省輝縣市，地理坐標為113°33′00″－113°43′39″E，35°23′09″－35°28′00″N，井田走向長2.0～5.5 km，傾斜寬約15 km，總面積8 158.08 hm2。該區域屬于暖溫帶大陸性季風氣候，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。礦區主采煤層為二1煤層，其設計總儲量為37 349萬噸，平均煤層厚度為5.29 m，設計生產規模為240萬噸/年。由于煤炭的高強度開采，導致地表出現較大面積的沉陷，截止至2018年，礦區沉陷面積為1 192.19 hm2，最大塌陷深度達3.4 m，地表部分區域出現塌陷積水，對農業生產造成了影響。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 數據來源

本研究數據來源如下：1）土地利用數據和行政區劃數據來源于輝縣市土地變更調查數據（2016年）；2）數字高程模型（DEM）下載于美國地質勘探局（USGS）官網（https://earthexplorer.usgs.gov/），空間分辨率為30 m；3）土壤條件數據來源于輝縣市第二次土壤普查數據（《輝縣土壤》）；4）礦山開采接續計劃圖、礦區水文地質圖、井田地質勘探報告、環境影響報告、壓煤村莊搬遷規劃、搬遷新區規劃圖由趙固一礦提供；5）人口和社會經濟數據來源于《2016年輝縣統計年鑒》。

2 研究方法

2.1 土地損毀預測分析

礦區土地復墾適宜性評價的對象大多是將來要損毀的土地，復墾工作實施的目標也是面向未來狀況的土地。趙固一礦是處于正常生產狀態的礦山，針對該區沉陷地的復墾適宜性評價是為確定將來擬損毀土地的復墾方向，因而對擬損毀土地的預計是現階段進行復墾適宜性評價的基礎。常用的沉陷預計方法有概率積分法、典型曲線法和負指數函數法等，當煤層傾角<45°時，以概率積分法最為常用[24]。據悉趙固一礦在服務年限內開采煤層傾角均小于40°，故本研究采用概率積分法模型。依據礦山開采接續計劃和儲量報告，了解趙固一礦工作面布設情況，提取各工作面拐點的坐標、坐標、坐標（采深）、角點個數和煤層厚度，并結合礦山提供的地質報告、建井報告、土地復墾方案等相關資料，重點參照礦區實測地表移動數據，確定趙固一礦井田下沉系數為0.91、主要影響角正切tan為1.6、水平移動系數為0.3、影響傳播角為90-0.6、拐點偏移距為0.05（為煤層傾角，為采深）。然后基于中國礦業大學研發的開采沉陷預計系統MSPS，對趙固一礦西三盤區地表移動變形情況進行模擬預測，生成塌陷區下沉盆地等值線。在此基礎上運用ArcGIS的3D分析功能將塌陷區等值線轉化成TIN，再由TIN生成空間分辨率為1×1 m的塌陷區預計下沉DEM數據。

根據國土部門提供的2016年土地利用數據將研究區土地重分類為9種類型：耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、設施農用地、水域及水利設施用地、風景名勝用地及特殊用地、城鎮村及工礦用地。然后在ArcGIS10.3中以2016年Google Earth高分辨率影像為底圖，與土地利用數據進行地理配準后，在塌陷地范圍內隨機均勻選取92個測試樣點，經驗證分類結果一致的數據點有81 個，總體精度達到 88.04%，滿足土地利用分類現狀信息提取工作的精度要求，可以進行后續研究。結合趙固一礦潛水位和實地損毀情況，將預測結果劃分為輕度損毀（10～1 000 mm）、中度損毀（1 000～3 000 mm）和重度損毀（>3 000 mm）塌陷地，累計損毀面積達3 126.60 hm2。預計開采計劃完成后趙固一礦最終土地損毀情況如圖2所示。

圖2 趙固一礦開采計劃結束后預計土地損毀情況

2.2 評價對象及復墾方向

根據趙固一礦《礦山地質環境保護與土地復墾方案》（以下簡稱《方案》）設計，在礦山開采結束后擬采用挖深墊淺方式對塌陷地進行工程復墾，考慮到水下取土難度較高，能夠挖取的土方量有限，故僅在重度積水區的一定深度范圍內（常為水下1 m）進行水下取土，將取出的土方量回填至輕度和中度損毀區進行復墾。可見復墾前后塌陷地水陸布局不會發生變化，且由于挖取土方量相對于塌陷地復墾范圍明顯不足，故可以忽略工程復墾對塌陷地地形、地勢造成的影響。

根據土地復墾適宜性評價因地制宜、農用地優先原則，土地利用受周圍環境條件制約，土地利用方式必須與環境特征相適應[25]。塌陷地原農用地類型為耕地、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，根據土地復墾工程施工經驗及相關研究[26-28]，交通運輸用地（鐵路，公路）和輕中度損毀的水域及水利設施用地（河流水面，坑塘水面，內陸灘涂，溝渠，水工建筑用地）、設施農用地、風景名勝及特殊用地在復墾工程設計中均保留原用地類型，故從評價范圍內剔除，不再對其做適宜性分析，剔除區面積為140.31 hm2。在此基礎上，根據損毀前后區域基礎設施條件，因地制宜，揚長避短，宜農則農、宜林則林、宜園則園、宜漁則漁。參照塌陷地損毀前原土地類型，將塌陷地的復墾方向初步定為宜耕、宜園、宜林、宜漁4個方向。但由于重度損毀區塌陷深度較大，積水嚴重，不再適合規劃耕、園、林等農業用地，根據工程施工經驗及相關研究[3,29-30]，擬將重度損毀區規劃為大水面養殖用地，故本文將重度損毀區作為宜漁區，面積為927.27 hm2，不再對其進行適宜性分析。

綜上所述，本文的評價對象（研究區）為塌陷地范圍扣除重度損毀區（宜漁區）和保留原地類評價剔除區后的面積，總計2 059.02 hm2。

2.3 評價指標體系構建及數據處理

2.3.1 評價指標選取

土地復墾適宜性評價是一種預測性的土地適宜性評價，是依據土地利用總體規劃及相關規劃，按照因地制宜原則，在充分尊重土地權益人意愿的前提下，根據原土地利用類型、土地損毀情況、公眾參與意見，在經濟可行、技術合理條件下，確定擬復墾土地的最佳利用方向[31-32]。與常規評價對象是已經損毀（挖損、壓占、塌陷）穩定后的土地不同，本研究是針對未來將要損毀或未穩沉土地的超前復墾適宜性研究，所以評價時必須綜合考慮破壞前原地類的情況和地表穩沉后擬破壞情況對塌陷地的影響，選取其中的主導因素納入土地復墾適宜性評價指標體系。在實地調研的基礎上，根據塌陷地地形地貌特點和水文地質條件，參考《農用地質量分等規程》（GB/T 28407-2012）、《耕地后備資源調查與評價技術規程》（TD/T_1007-2003）和前人研究經驗[12,33-34]，從表征地形地貌、區位條件、土壤條件和人文條件4個方面選取10項指標構建評價指標體系，如表1所示。

表1 趙固一礦土地復墾適宜性評價指標體系

注：塌陷地內的居民點在礦山開采計劃完成前都要進行搬遷，故研究中距居民點距離是指距離塌陷地外的村莊、建制鎮、城市以及搬遷新區的距離；損毀前人均耕地面積越大，公眾復墾成耕地的意愿越強，復墾成園、林地的意愿越弱；反之，復墾成耕地的意愿越弱，復墾成園、林地的意愿越強，可見人均耕地面積對耕地適宜性是正向指標，對園、林地適宜性是負向指標。

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 數據處理

塌陷地DEM數據是通過兩部分數據復合而成，一部分是從美國地質勘探局（USGS）官網（https://earthexplorer.usgs.gov/）獲取的30 m分辨率DEM數據，另一部分是依據礦山提供的開采接續計劃，采用概率積分法進行沉陷預計，然后基于ArcGis10.3平臺的3D分析功能，生成塌陷區預計下沉DEM數據，借助柵格計算器實現對塌陷地兩部分DEM數據的疊加復合。最后基于復合DEM數據提取出相應的坡度、坡向地形因子，來反映塌陷地損毀后地形地貌情況。其中坡度是影響土地適宜性的關鍵因子，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；坡向是反映土地的向光性指標，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地表造成損毀程度的指標，這里用概率積分法預計出的下沉DEM數據經柵格計算器取其絕對值表示；將排灌條件等效為研究區距河流的距離，通常情況下，距河流越近，排灌條件越好，反之越差；同理將道路通達性、距居民點距離分別等效為距主干道的距離和距塌陷地外村莊、建制鎮和城市的距離，并借助ArcGIS10.3歐式距離分析功能實現相應圖層輸出。并將土壤質地、有機質含量、人均GDP和人均耕地面積分別以塌陷地村域為單元進行屬性賦值，其中土壤質地按照《國際制土壤質地分級標準》將研究區分為中壤、輕壤、重壤和砂壤，分別賦值為4、3、2、1。最終基于ArcGIS10.3將所有空間數據統一轉化為柵格數據，Gauss Kruger投影，Xian 1980坐標系，30m分辨率，如圖3所示。

2.3.3 評價指標標準化

土地復墾適宜性評價指標體系是一個由多因素構成的復合系統，各評價指標的計量單位不同，數據差異大，不具有可比性。為方便評價指標間的比較，消除指標間量綱差異，必須對所有指標數據進行無量綱化處理。本文借助ArcGIS10.3柵格計算器功能，采用多元標準化方法，來消除原始數據的量綱差異。公式如下：

當指標X具有正效應時

當指標X具有負效應時

當指標X具有適宜范圍時

圖3 趙固一礦土地復墾適宜性評價指標空間分布

2.4 評價方法

2.4.1 三角模糊層次分析法確權

三角模糊層次分析法（TF-AHP）是將層次分析法與三角模糊數理論相結合，通過引入三角模糊數（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，即以區間的形式對指標的重要性程度進行兩兩比較[35-36]。充分考慮評價者思維的主觀模糊性，使評價指標權重的判斷結果更加準確、可靠。

1）構建三角模糊判斷矩陣。首先基于層次分析法（AHP）構建評價指標層次結構模型，分別向本領域4位專家和2位地方國土管理部門領導發送電子問卷，采用T.L.Saaty1-9標度法，以三角模糊數r=(l,m,u)的形式來表示同一要素層第個指標對第個指標的相對重要性，分別對各評價指標的重要性程度進行兩兩比較。然后基于均值化公式

3）模糊綜合值計算。令D表示模糊判斷矩陣的第個評價指標相對于所有指標的綜合重要性程度。計算公式如下

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

式中W為第個指標的層次總排序權重，W為準則層第個指標單排序權重（父層），W為指標層第個指標單排序權重（子層）。進而分別求得各評價指標在宜耕、宜園、宜林不同復墾方向下的權重分布情況，如表2所示。

表2 趙固一礦土地復墾適宜性評價指標理想值和權重分布

2.4.2 灰色關聯度法

灰色關聯度評價法是利用各方案與最優方案之間關聯度的大小來描述因素間關系的強弱、大小和次序，且對樣本量沒有嚴格的要求，不要求服從任何分布[38-39]。本文通過ArcGIS10.3平臺柵格計算功能實現對各評價指標圖層灰色關聯度指數的計算，主要步驟如下：

1）確定比較數列和參考數列。假定評價對象有個，評價指標有個，

則比較數列為：

X={′()|=1,2,3,…,}=1,2,3,…,

參考數列為

0={0()|=1,2,3,…,}

2）計算關聯系數()

其中，()表示第個指標的關聯系數，′()表示第個指標的標準化值，0()表示第個指標理想值，為分辨系數，∈[0,1]，本文取=0.5。

3）加權關聯度計算

式中W()表示第個評價對象第個評價指標權重，Cd表示參考數列和比較數列的關聯度，反映了評價對象與最優狀態之間相互接近程度，Cd值越大說明第個評價對象與最優狀態相互接近程度越高，故可以對各個評價指標進行優劣排序和級別劃分。

2.4.3 極限綜合評價法

基于上述研究，本文對傳統的極限綜合評價法進行了改進。其基本思路：將由公式（10）得到的3個復墾方向適宜性分布圖（宜耕、宜園、宜林）采用ArcGIS中自然斷點模塊劃分為高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜4個等級，并分別賦值為1，2，3，4。所謂自然斷點法是一種根據數值統計分布規律進行分級、分類的統計方法，即根據統計數列本身存在的自然轉折點、特征點將研究的對象分成性質相似的群組，并使類與類之間的區別最大化[40-41]。在扣除宜漁區和評價剔除區后進行柵格轉點處理，并將3個復墾方向處理結果與研究區土地利用現狀疊加。然后在疊加后圖層屬性表中將所得到的結果按照地類編碼、宜耕、宜園、宜林的順序進行組合，得到一個五位或六位評價綜合值，其結果既能反映評價單元土地利用現狀，又能反映該單元對不同復墾方向的適宜程度，從而便于后續進行各復墾單元地類設計。公式如下

式中表示評價單元的綜合評價結果；表示第二次全國土地調查地類編碼；表示評價單元的宜耕級別；表示評價單元的宜林級別；表示評價單元的宜林級別。、、值越小表示相應地類適宜性越好；反之，適宜性越差。

3 結果與分析

3.1 單一復墾方向適宜性評價

不同土地利用類型對生態環境的適宜或限制性程度存在差別，從而決定對某一評價單元進行適宜性分析時，必須進行多個復墾方向的優化選擇。本研究通過公式（8）、（9）和（10）分別得到宜耕、宜園、宜林3個復墾方向適宜性分布情況，并采用自然斷點法將其劃分為高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜4個等級。各復墾方向適宜性分布情況如圖4和表3所示。

表3 趙固一礦各復墾方向適宜性評價結果

根據圖4和表3可知，宜耕適宜性評價中主要以中度適宜和勉強適宜為主，面積達1 468.53 hm2，占研究區總面積的71.32%。其中中度適宜區面積最大，面積為756.27 hm2，總面積的36.73%，主要分布在研究區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；其次是勉強適宜區，面積為712.26 hm2，占研究區總面積的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邊緣地帶；高度適宜區面積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邊緣地帶。

宜園適宜性評價中高度和中度適宜面積較宜耕適宜性有所增加，面積達1 220.94 hm2，占總面積的59.30%，表明園地對環境的適宜性相對于耕地有所提升。其中仍舊以中度適宜區面積最大，達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部分區域；勉強適宜區面積為637.65 hm2，占總面積的30.97%，其面積分布和耕地勉強適宜區相似；不適宜區面積為200.43 hm2，占比9.37%，較耕地不適宜區有所下降，主要分布在中部重度損毀區邊緣地帶。

相比耕地和園地，林地對環境的適宜性更強，在宜林適宜性評價中，高度和中度適宜區的面積增加，分別達到440.82和899.46 hm2，其中以中度適宜區變化最大，所占比重增加到43.68%；勉強適宜區保持浮動，面積為643.59 hm2，占比為31.26%；不適宜區大幅度減少，面積僅為75.15 hm2，占比3.65%，分布于中部重度損毀區北側邊緣區域。

3.2 復墾適宜性綜合評價

3.2.1 評價單元劃分和復墾方向確定

基于上述單一復墾方向的適宜性分析，在ArcGis10.3平臺中將3種復墾方向適宜性分布圖分別進行柵格轉點處理，并將處理結果與土地利用現狀圖進行多重疊加，在其屬性表中基于公式（11）求得研究區多適宜性綜合評價結果，通過以為融合字段最終將研究區劃分102個多點集合，然后運用點轉柵格功能將處理結果轉為柵格圖層，生成102個柵格集，即將研究區劃分成102個評價單元。每一個評價單元在土地利用現狀、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價單元的主觀性干擾。通過對評價單元的綜合分析，將各評價單元土地利用現狀和耕、園、林適宜性等級進行對比分析，結合研究區損毀前后自然、經濟、基礎設施條件，根據因地制宜、耕地優先原則，揚長避短，宜農則農、宜園則園、宜林則林，最終確定各評價單元土地復墾最終方向如表4所示。

圖4 趙固一礦各復墾方向適宜性分布

表4 趙固一礦各評價單元土地復墾最終方向確定

注：總計有102個評價單元，出于篇幅考慮，此處僅隨機選出30個評價單元；表示評價單元的綜合評價結果；、、分別表示評價單元的宜耕、宜園、宜林級別。

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 評價結果

根據以上分析結果，參考《農用地質量分等規程》（GB/T 28407-2012）和《土地復墾質量控制標準》（TD/T 1036-2013）將研究區劃分為4個復墾分區，10個分區等級：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 趙固一礦土地復墾適宜性分布

耕地適宜區：該適宜區主要分布在中西部塌陷地輕中度損毀地帶，沉陷深度相對較淺，多小于2.5 m，面積達1 296.09 hm2，占研究區總面積的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域，地勢平坦，土壤水肥條件好，基礎設施條件基本完善，且距居民點較近，只需采用簡單的土地平整和堵裂縫等工程措施即可恢復原耕種條件；二等地面積569.34 hm2，占宜耕區面積的43.93%，相對一等地，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，部分區域需進行客土改良方可恢復耕種；三等地面積為372.42 hm2，相對于二等地，沉陷深度更深，多介于1.5～2.5 m，區域地表破壞和土壤水肥條件流失嚴重，土壤質地較差，對農業生產有較多限制。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、生物復墾等，而且還應采取相應的保護措施，防止發生退化。

園地適宜區：該區域主要零星分布于輕中度損毀區，沉陷深度大多小于1.5 m，規模相對較小，總面積僅為16.29 hm2，占研究區的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墾，面積達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，分別占宜園區總面積的9.94%、2.21%。

林地適宜區：該適宜區主要分布于中東部塌陷地輕中度損毀地勢起伏較大的區域，由于水熱條件適宜林木生長，地形坡度大，土層薄，不宜農耕，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，土壤條件相對較好，對林木生長沒有限制；二等地面積344.88 hm2，占宜林區面積的50.02%，主要分布在中部和東部塌陷地輕中損毀區域，集中連片性好，對林木生產有一定的限制；宜林三等地面積為169.56 hm2，占宜林區面積的24.59%，主要集中連片分布在中部塌陷地重度積水區南側，地表沉陷較為嚴重，土壤水土條件遭到破壞，對林業生產限制條件較多，極易發生退化。

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

4 結 論

本研究從表征地形地貌、區位條件、土壤條件和人文條件的4個方面選取10項指標構建了土地復墾適宜性評價體系，基于ArcGIS10.3平臺，系統運用三角模糊層次分析法、灰色關聯度法和一種改進的極限綜合評價法，從柵格數據層面實現了對趙固一礦采煤塌陷地超前復墾適宜性分析，并在此基礎上對各復墾方向進行了等級劃分。研究結論如下：

1）基于三角模糊層次分析法和灰色關聯度法構建趙固一礦采煤塌陷地土地復墾適宜性評價體系，將塌陷地按照宜耕、宜園、宜林3個復墾方向，分別劃分為4個等級：高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜。通過對各復墾方向適宜性的分析，表明不同土地利用類型對同一生態環境的適宜程度存在差別，主要表現為林地>園地>耕地。

2）通過引入一種改進的極限綜合評價法，基于ArcGIS10.3柵格分析功能，將研究區劃分為在土地利用現狀、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個評價單元。并基于適宜性評價結果和區域自然經濟和基礎設施條件，最終將研究區劃分為4個復墾分區，10個分區等級：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墾方向評價指標的貢獻度差異和評價者的主觀模糊性，并采用GIS技術減弱了人為干擾，使評價單元劃分更加準確、合理，為基于挖深墊淺模式復墾或預復墾的塌陷地復墾適宜性評價工作提供了一種新的技術思路，并驗證了該方法的適用性和合理性。但由于本研究是一種預測性評價，對礦山后續開采計劃具有較強的依賴性，鑒于遠期開采計劃的不定性和人為干擾因素，難以準確無誤地模擬實地沉陷，且也未能體現出挖深墊淺的復墾工藝，這也是后續有待進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

國家自然科學基金資助項目（41771542）；國家自然科學基金煤炭聯合基金重點項目（U1361203）

趙會順，主要從事土地復墾與生態重建研究。Email：zhs523edu@126.com

胡振琪，教授，博士生導師，主要從事土地復墾與生態修復研究。Email：huzq@cumtb.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.029

TD88

A

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

趙會順，胡振琪，陳 超，孫楊楊. 采煤預塌陷區超前復墾適宜性評價及復墾方向劃定[J]. 農業工程學報，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