采煤塌陷区土地复垦适宜性评价单元划分研究

开采沉陷在水平方向产生水平移动、拉伸与压 缩变形，垂直方向产生下沉、倾斜、曲率和扭曲， 以及地表平面产生剪应变，建筑物受到损坏。建筑 物受开采影响的损坏程度取决于地表变形值的大小 和建筑物本身抵抗采动变形的能力。在矿区，建筑 物保护 煤 柱 允 许 地 表 变 形 值 为： 倾 斜 值ｉ＝ ±３ ｍｍ／ｍ，曲率 Ｋ＝ ±０．２×１０－３／ｍ， 水 平 变 形ε＝ ±２ ｍｍ／ｍ。
图 ２ 单 元 合 并 流 程 图
３．１ 相 似 度 计 算 评价单元之间的相似度是衡量单元划分的主要
指标。但评价单元的各个影响因素值表示方式不一 样，各个影响因素值的量纲和数量大小很不一致， 变化幅度也不相同，因此，需要对数据进行规格化 处理。
根据各个评价因素的特性，通过量纲化方法或 １０６
无量纲化方法，把各个因素评分值转化到统一的区
的同质单元合并到相邻的最相似单元中，并以单元的面积为权重计算合并后的单元的因素评
分值，得到适合于采煤塌陷区的土地利用适宜性评价单元。
关键词 适宜性评价 多因素叠置 合并单元 采煤塌陷地
中 图 分 类 号 ＴＤ８８ 文 献 标 识 码 Ｂ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｂｏｕｔ ｕｎｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｒｅａ
中 国 煤 炭 第 ３７ 卷 第 １２ 期 ２０１１ 年 １２ 月
并，获取满足实际复垦需求的适宜性评价。
１ 采 煤 对 土 地 的 主 要 影 响
１．１ 地 表 裂 缝 对 土 地 的 影 响 随着地表沉陷的发展，在塌陷盆地内的部分区
域产生地表裂缝。地表裂缝的产生取决于采空区上 方表层土壤的物理性质和地表沉陷的发展。开采沉 陷引起的 地 表 裂 缝 在 自 然 作 用 下， 加 速 了 土 壤 侵 蚀，造成水、 土 壤、 母 质 的 损 失， 降 低 土 壤 的 肥 力，影响农作物的产量，降低土地的价值。开采沉 陷引起的地表裂缝有的非常细小，有的上口宽度可 达１～２ｍ，深度可达２０ ｍ。根 据 开 采 沉 陷 引 起 的 地表裂缝的特点以及所处自然环境，可将地表裂缝 引起的侵蚀分为细沟侵蚀、沟蚀和重力侵蚀。不同 的侵蚀情况造成的复垦难度各异，因此，地表裂缝 作为土地适宜性评价因子时，把地表裂缝因子划分 为细沟侵蚀区、沟蚀区、重力侵蚀区和无侵蚀区。 １．２ 开 采 沉 陷 对 建 筑 物 的 影 响
采煤塌陷区土地复垦适宜性评价单元划分研究＊
水体受开采沉陷影响的费用估算。把积水因素作为 土地适宜性评价因子时，根据积水状态，把塌陷地 分为积水塌陷地、季节性积水塌陷地和无积水塌陷 地。 １．４ 重 金 属 污 染 对 土 地 的 影 响
由于矿区废弃物和矿井水排放，煤矿废弃物中 含有多种重金属元素，很容易使煤矸石、粉煤灰充 填的塌陷区、煤矸石堆和排石场周围的土壤及地下 水受到污染，重金属对土壤产生的污染很难得到改 善。进入土壤的重金属很难通过自然过程从土壤环 境中消失或稀释，对土壤生态系统结构与功能的影 响以及对生物体的危害不容易恢复，直接或间接地 对人类产生危害。
＊基金项目：国土资源部公益专 项 基 金 （２０１２１１０１１－ ０２）
１０４
快，且各地块变化情况各异。因此常用的土地评价 单元划分，除网格单元和多因素叠置形成的同质单 元外，其他几种单元划分类型都不能很好地满足采 煤塌陷地的变化特点。而网格单元主要应用于城镇 土地单元划分；多因素叠置形成的同质单元严格地 满足了土地评价单元的同质性要求，但评价单元极 不规则，部分单元面积太小，不具有任何实际物理 意义。因此，本文针对多因素叠置形成的同质单元 为评价对象，计算同质单元的相似度，合并不满足 面积要求 的 同 质 单 元， 并 进 行 同 质 单 元 的 属 性 合
土地质量指标选取主要考虑影响土地质量的主 要因素和区域的限制性因素。采煤塌陷地除了具有 一般土地的属性之外，还包括采煤塌陷产生的各种 影响土地质量的因素。进行采煤塌陷地评价单元划 分时，叠置土地基本属性同质单元图和采煤引起的 影响因素等级图，得到包含所有影响采煤塌陷地适
１０５
宜性评价的因素的同质评价单元图。评价单元的评 价 因 素 叠 置 示 意 图 如 图 １。
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
间 ［０，１００］。
对评价因素的评分值量化之后，采用标准差进
行规格化变换，变换公式为：
－
Ｘｉｋ
＝
ｘｉｋ －ｘｋ ｓｋ
（ｉ＝０，１，２，…，ｎ；ｋ ＝１，２，…，ｍ）
式 中 ：ｘｉ ｋ ——— 原 始 因 素 评 分 值 ；
Ｘｉ ｋ ——— 标 准 化 后 的 因 素 评 分 值 ；
ｘｋ———第ｋ 个属性值得平均值，即：
ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｌａｎｄ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ Ｘｕｚｈｏｕ，Ｘｕｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２１００６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ 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 ｄｉｓ－ ｔａｎｃｅ 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．
在采煤塌陷区进行采样，分析土壤中的重金属 含量，根据土壤中重金属的浓度，将重金属污染程 度划分为几个适合于土地适宜性评价的等级，按照 一定的规则，转化为相应的数值型因素评分值，并 制作采煤塌陷地的污染等级图。
２ 基 于 同 质 因 素 的 评 价 单 元 的 二 次 划 分
２．１ 评 价 单 元 的 评 价 因 素 表 达 土地评价单元是土地评价对象的最小单元。根
∑ －
ｘｋ
＝
ｎ
１ ｎ
ｘｉｋ
ｉ＝０
式中：ｓｋ为第ｋ 个因素评分值的标准差，即：
（１） （２）
槡 ∑ ｓｋ ＝ｎFra bibliotek１ ｎ－１ｉ＝０
－
（ｘｉｋ －ｘｋ）２
（３）
通过标准差变换后，每个因素评分值的平均值
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅ ｏｖｅｒｌａｙ，ｍｅｒｇｉｎｇ ｕｎｉｔ，ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄ－ ｅｎｃｅ ａｒｅａ
对于塌陷区土地复垦，需要建立在土地适宜性 评价基础上，其中评价单元划分对于评价过程起着 关键性作用。目前，土地评价单元划分类型有土壤 类型单元、土地资源类型单元、土地利用现状图斑 单元、行政单元、网格单元，以及多因素叠置形成 的同质单元。然而，采煤塌陷区不同于一般的建设 用地，其环境复杂，且受开采活动动态和长期持续 的破坏 影 响， 矿 区 的 土 地 性 质 变 化 较 大、 变 化 较
开采煤炭资源时，可能出现的水体问题有地表 积水、径流变化、水质污染；地下水流失、深度下 降、透水突水事故、水质污染等。水体受到破坏之 后，给矿区的生活、生产带来严重影响。在分析开 采沉陷对水体的影响时，应说明对主要水体的开采 沉陷影响程度、最优的防治对策；对生产、生活用 水的影响及防治措施；地表积水的可能性、范围、 影响及防治方法；矿井水患的可能性及对策；防治
据采煤对土地的影响可以划分出同质因素图及同质 评价单元。土地评价单元实体具有对应于土地影响 的各种属性和关系，因此可以将整个评价区域的土 地单元信息存放在一个ｎ 维数组中。 ２．２ 同 质 单 元 的 叠 置
通常土地评价单元的基本类型有３种：土壤分 类单元、土地资源分类单元和土地利用现状分类单 元。这些方法都不能解决评价区域内具有较大的变 化问题，多因素叠置形成的同质单元能够综合考虑 到评价区域的复杂性，能够包含评价所需的各种因 子，解决评价区域较大变化的问题。同质单元是根 据评价目的要求，选取地貌、耕层厚度、土壤、气 候、海拔、坡度、ｐＨ 值 等 影 响 土 地 评 价 的 因 子， 分别将各 个 评 价 因 子 制 作 成 图， 利 用 ＧＩＳ 的 空 间 叠置功能进行叠置得到。