采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐盅芯浚?/h1>
2011-12-02 06:02:20蔡利平孫久運(yùn)陳國(guó)良
中國(guó)煤炭 2011年12期
蔡利平 李 鋼，3 孫久運(yùn) 陳國(guó)良
（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；3.徐州市國(guó)土資源局，江蘇省徐州市，221006）
采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐盅芯浚?/p>
蔡利平1，2李 鋼1，2，3孫久運(yùn)1，2陳國(guó)良1，2
（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；3.徐州市國(guó)土資源局，江蘇省徐州市，221006）
針對(duì)采煤塌陷地的特點(diǎn)和目前采煤塌陷區(qū)土地利用適宜性評(píng)價(jià)的不足，在初次劃分的采煤塌陷區(qū)基本評(píng)價(jià)因素同質(zhì)評(píng)價(jià)單元的基礎(chǔ)上，疊置采煤引起的各種因素得到采煤塌陷地評(píng)價(jià)單元。根據(jù)評(píng)價(jià)單元之間帶權(quán)重的歐氏距離，依次將面積較小而不具有實(shí)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(quán)重計(jì)算合并后的單元的因素評(píng)分值，得到適合于采煤塌陷區(qū)的土地利用適宜性評(píng)價(jià)單元。
適宜性評(píng)價(jià) 多因素疊置 合并單元 采煤塌陷地
對(duì)于塌陷區(qū)土地復(fù)墾，需要建立在土地適宜性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，其中評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐謱?duì)于評(píng)價(jià)過(guò)程起著關(guān)鍵性作用。目前，土地評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐诸?lèi)型有土壤類(lèi)型單元、土地資源類(lèi)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(shè)用地，其環(huán)境復(fù)雜，且受開(kāi)采活動(dòng)動(dòng)態(tài)和長(zhǎng)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(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?，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?jiǎng)澐诸?lèi)型都不能很好地滿(mǎn)足采煤塌陷地的變化特點(diǎn)。而網(wǎng)格單元主要應(yīng)用于城鎮(zhèn)土地單元?jiǎng)澐?；多因素疊置形成的同質(zhì)單元嚴(yán)格地滿(mǎn)足了土地評(píng)價(jià)單元的同質(zhì)性要求，但評(píng)價(jià)單元極不規(guī)則，部分單元面積太小，不具有任何實(shí)際物理意義。因此，本文針對(duì)多因素疊置形成的同質(zhì)單元為評(píng)價(jià)對(duì)象，計(jì)算同質(zhì)單元的相似度，合并不滿(mǎn)足面積要求的同質(zhì)單元，并進(jìn)行同質(zhì)單元的屬性合并，獲取滿(mǎn)足實(shí)際復(fù)墾需求的適宜性評(píng)價(jià)。
1 采煤對(duì)土地的主要影響
1.1 地表裂縫對(duì)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(kāi)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(jià)值。開(kāi)采沉陷引起的地表裂縫有的非常細(xì)小，有的上口寬度可達(dá)1～2m，深度可達(dá)20m。根據(jù)開(kāi)采沉陷引起的地表裂縫的特點(diǎn)以及所處自然環(huán)境，可將地表裂縫引起的侵蝕分為細(xì)溝侵蝕、溝蝕和重力侵蝕。不同的侵蝕情況造成的復(fù)墾難度各異，因此，地表裂縫作為土地適宜性評(píng)價(jià)因子時(shí)，把地表裂縫因子劃分為細(xì)溝侵蝕區(qū)、溝蝕區(qū)、重力侵蝕區(qū)和無(wú)侵蝕區(qū)。
1.2 開(kāi)采沉陷對(duì)建筑物的影響
開(kāi)采沉陷在水平方向產(chǎn)生水平移動(dòng)、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(yīng)變，建筑物受到損壞。建筑物受開(kāi)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(dòng)變形的能力。在礦區(qū)，建筑物保護(hù)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(kāi)采之后，沒(méi)達(dá)到下沉的最大值時(shí)，不能確定建筑物的受損程度，只能按照一定的間隔取點(diǎn)預(yù)計(jì)地表的移動(dòng)變形值，按照建筑物損壞等級(jí)表，預(yù)計(jì)各點(diǎn)的損壞等級(jí)，構(gòu)建整個(gè)區(qū)域的損壞等級(jí)模型，繪制損壞等級(jí)圖。建筑物損壞等級(jí)作為土地適宜性評(píng)價(jià)因子時(shí)，用損壞等級(jí)圖與其他評(píng)價(jià)因子的同質(zhì)單元疊置，得到具有建筑物損壞等級(jí)因素的評(píng)價(jià)因子圖。
1.3 開(kāi)采沉陷對(duì)水體的影響
開(kāi)采煤炭資源時(shí)，可能出現(xiàn)的水體問(wèn)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(lái)嚴(yán)重影響。在分析開(kāi)采沉陷對(duì)水體的影響時(shí)，應(yīng)說(shuō)明對(duì)主要水體的開(kāi)采沉陷影響程度、最優(yōu)的防治對(duì)策；對(duì)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(duì)策；防治水體受開(kāi)采沉陷影響的費(fèi)用估算。把積水因素作為土地適宜性評(píng)價(jià)因子時(shí)，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(wú)積水塌陷地。
1.4 重金屬污染對(duì)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(chǎng)周?chē)耐寥兰暗叵滤艿轿廴?，重金屬?duì)土壤產(chǎn)生的污染很難得到改善。進(jìn)入土壤的重金屬很難通過(guò)自然過(guò)程從土壤環(huán)境中消失或稀釋?zhuān)瑢?duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響以及對(duì)生物體的危害不容易恢復(fù)，直接或間接地對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生危害。
在采煤塌陷區(qū)進(jìn)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(gè)適合于土地適宜性評(píng)價(jià)的等級(jí)，按照一定的規(guī)則，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)值型因素評(píng)分值，并制作采煤塌陷地的污染等級(jí)圖。
2 基于同質(zhì)因素的評(píng)價(jià)單元的二次劃分
2.1 評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)因素表達(dá)
土地評(píng)價(jià)單元是土地評(píng)價(jià)對(duì)象的最小單元。根據(jù)采煤對(duì)土地的影響可以劃分出同質(zhì)因素圖及同質(zhì)評(píng)價(jià)單元。土地評(píng)價(jià)單元實(shí)體具有對(duì)應(yīng)于土地影響的各種屬性和關(guān)系，因此可以將整個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域的土地單元信息存放在一個(gè)n維數(shù)組中。
2.2 同質(zhì)單元的疊置
通常土地評(píng)價(jià)單元的基本類(lèi)型有3種：土壤分類(lèi)單元、土地資源分類(lèi)單元和土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)單元。這些方法都不能解決評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)具有較大的變化問(wèn)題，多因素疊置形成的同質(zhì)單元能夠綜合考慮到評(píng)價(jià)區(qū)域的復(fù)雜性，能夠包含評(píng)價(jià)所需的各種因子，解決評(píng)價(jià)區(qū)域較大變化的問(wèn)題。同質(zhì)單元是根據(jù)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的因子，分別將各個(gè)評(píng)價(jià)因子制作成圖，利用GIS的空間疊置功能進(jìn)行疊置得到。
土地質(zhì)量指標(biāo)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(jìn)行采煤塌陷地評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐謺r(shí)，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(jí)圖，得到包含所有影響采煤塌陷地適宜性評(píng)價(jià)的因素的同質(zhì)評(píng)價(jià)單元圖。評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)因素疊置示意圖如圖1。
圖1 疊置示意圖
3 評(píng)價(jià)單元綜合
通過(guò)以上疊置得到的部分同質(zhì)評(píng)價(jià)單元一方面是完全疊置計(jì)算得到的，沒(méi)有參照實(shí)際情況；另一方面面積較小，不具有實(shí)際應(yīng)用意義。因此，選取較小的同質(zhì)單元依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析合并到相鄰的同質(zhì)單元中。合并步驟如下：①量化、標(biāo)準(zhǔn)化處理各個(gè)因素評(píng)分值；②根據(jù)同質(zhì)單元的面積，進(jìn)行從小到大的順序排列；③選擇最小的同質(zhì)單元，計(jì)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(lǐng)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(fù)②至⑤的步驟，直到最小的同質(zhì)單元的面積滿(mǎn)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(jì)算
評(píng)價(jià)單元之間的相似度是衡量單元?jiǎng)澐值闹饕笜?biāo)。但評(píng)價(jià)單元的各個(gè)影響因素值表示方式不一樣，各個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理。
根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)因素的特性，通過(guò)量綱化方法或無(wú)量綱化方法，把各個(gè)因素評(píng)分值轉(zhuǎn)化到統(tǒng)一的區(qū)間[0，100]。
對(duì)評(píng)價(jià)因素的評(píng)分值量化之后，采用標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行規(guī)格化變換，變換公式為：
式中：xik——原始因素評(píng)分值；
Xik——標(biāo)準(zhǔn)化后的因素評(píng)分值；
xk——第k個(gè)屬性值得平均值，即：
式中：sk為第k個(gè)因素評(píng)分值的標(biāo)準(zhǔn)差，即：
通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差變換后，每個(gè)因素評(píng)分值的平均值為0，方差為1。
評(píng)價(jià)單元之間的相似程度轉(zhuǎn)化為評(píng)價(jià)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(chǔ)上，根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)因素的重要性，每一個(gè)因素評(píng)分值的距離加上權(quán)重，得到一個(gè)帶權(quán)重的歐幾里得距離。其計(jì)算公式如下：
式中：Xik和Xjk——分別表示第i個(gè)同質(zhì)單元和相鄰的第j個(gè)同質(zhì)單元的第k個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差變換后的因素評(píng)分值；
dij——表示第i個(gè)同質(zhì)單元和相鄰的第j個(gè)同質(zhì)單元之間的距離；
Wk——為第k個(gè)評(píng)價(jià)因素權(quán)重值，Wk∈[0，1]，W1＋W2＋……＋Wm＝1。
3.2 因素評(píng)分值計(jì)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(gè)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(gè)評(píng)價(jià)因素的表達(dá)形式，采取不同的方法進(jìn)行融合。根據(jù)評(píng)價(jià)因素的特性，在屬性信息合并過(guò)程中，采用以下兩種方法：
（1）評(píng)價(jià)因素的表達(dá)形式為數(shù)值型，以面積為權(quán)重，根據(jù)要合并的2個(gè)單元的面積，計(jì)算得到的加權(quán)平均值為合并后的單元的因素評(píng)分值。計(jì)算公式如下：
式中：X1k，X2k——分別為要合并的2個(gè)單元的第k個(gè)評(píng)價(jià)因素的值；
X合k——合并后的單元的因素評(píng)分值；
Area1和Area2——要合并的2個(gè)單元的面積。
（2）評(píng)價(jià)因素評(píng)分值的表達(dá)形式為等級(jí)型（如污染等級(jí)）或枚舉類(lèi)型（如土壤質(zhì)地），比較要合并的2個(gè)單元的面積，合并后的單元的因素評(píng)分值為合并前較大面積單元的因素評(píng)分值。
式中：X1k，X2k——分別為要合并的2個(gè)單元的第k個(gè)評(píng)價(jià)因素的值；
X合k——合并后的單元的因素評(píng)分值；
Area1和Area2——要合并的2個(gè)單元的面積。
另外，為了更能夠體現(xiàn)2個(gè)單元的綜合特性，可以對(duì)該因素評(píng)分值進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)化為數(shù)值，按照數(shù)值型的方式計(jì)算合并后的單元的因素評(píng)分值。
4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
從一個(gè)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(gè)同質(zhì)評(píng)價(jià)單元），如圖3左圖所示，同質(zhì)單元中具有9個(gè)評(píng)價(jià)因素，包括土地評(píng)價(jià)的一般因素（灌溉條件、排水條件、坡度級(jí)別、土層厚度、pH值和有機(jī)質(zhì)含量）和采煤引起的因素（裂縫深度、污染級(jí)別和塌陷深度）。表1為根據(jù)各種規(guī)則量化后的因素評(píng)分值，表2為按照公式（1）、（2）、（3）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的因素評(píng)分值。
表1 量化后的土地因素評(píng)分值
表2 標(biāo)準(zhǔn)化后的土地因素評(píng)分值
表3 各個(gè)評(píng)價(jià)因素權(quán)重
在土地適宜性評(píng)價(jià)中，計(jì)算評(píng)價(jià)因素的權(quán)重時(shí)，層次分析法應(yīng)用比較廣泛，也比較成熟。因此，本文采用層次分析法計(jì)算評(píng)價(jià)因素權(quán)重，表3為按照層次分析法得到的各個(gè)因素的權(quán)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(hào)單元，與1號(hào)單元相鄰的單元有5個(gè)單元（2、3、8、5、9單元）按照公式（4）計(jì)算得到1號(hào)單元與相鄰單元的歐式距離如表4?？梢钥闯?號(hào)單元與3號(hào)單元的距離最小，則與3號(hào)單元最相似，即把1號(hào)單元和3號(hào)單元合并得到新的單元1－3。
表4 1號(hào)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?yàn)?號(hào)單元和3號(hào)單元合并，2號(hào)單元和7號(hào)單元合并，4號(hào)單元與2－7號(hào)單元合并，5號(hào)單元和9號(hào)單元合并。最后合并的結(jié)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(shí)，按照公式（5）或（6）合并同質(zhì)單元的各個(gè)因素評(píng)分值。表5為合并后的土地評(píng)價(jià)因素評(píng)分值，從表5中可以看出，合并后的因素評(píng)分值不是評(píng)價(jià)因素的原始值，而是量化值，能夠很好地在土地適宜性評(píng)價(jià)中使用。
表5 合并后的土地因素評(píng)分值
整個(gè)合并過(guò)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(mǎn)足面積閾值要求的相鄰?fù)|(zhì)單元中，一部分同質(zhì)單元合并到不滿(mǎn)足面積閾值要求的相鄰?fù)|(zhì)單元中；一部分是合并到之前通過(guò)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(jié)論
在采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾中，由于受開(kāi)采活動(dòng)及其后續(xù)影響造成的土質(zhì)變化的動(dòng)態(tài)性與持續(xù)性，使對(duì)其適宜性評(píng)價(jià)不能采用常用土地單元?jiǎng)澐址椒?。本文?yīng)用多因素疊置形成同質(zhì)單元，并針對(duì)其初始劃分方法不具有實(shí)際應(yīng)用意義的實(shí)際問(wèn)題。利用加權(quán)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(lǐng)域單元上，并以面積為權(quán)重綜合同質(zhì)單元的因素評(píng)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(shí)際物理意義的評(píng)價(jià)單元，又保證了同一評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。
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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(guó)土資源部公益專(zhuān)項(xiàng)基金（201211011－02）
蔡利平（1987－），男，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院在讀碩士，主要研究方向：GIS原理與應(yīng)用、土地復(fù)墾。
（責(zé)任編輯 孫英浩）
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蔡利平 李 鋼，3 孫久運(yùn) 陳國(guó)良
（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；3.徐州市國(guó)土資源局，江蘇省徐州市，221006）
采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐盅芯浚?/p>
蔡利平1，2李 鋼1，2，3孫久運(yùn)1，2陳國(guó)良1，2
（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；3.徐州市國(guó)土資源局，江蘇省徐州市，221006）
針對(duì)采煤塌陷地的特點(diǎn)和目前采煤塌陷區(qū)土地利用適宜性評(píng)價(jià)的不足，在初次劃分的采煤塌陷區(qū)基本評(píng)價(jià)因素同質(zhì)評(píng)價(jià)單元的基礎(chǔ)上，疊置采煤引起的各種因素得到采煤塌陷地評(píng)價(jià)單元。根據(jù)評(píng)價(jià)單元之間帶權(quán)重的歐氏距離，依次將面積較小而不具有實(shí)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(quán)重計(jì)算合并后的單元的因素評(píng)分值，得到適合于采煤塌陷區(qū)的土地利用適宜性評(píng)價(jià)單元。
適宜性評(píng)價(jià) 多因素疊置 合并單元 采煤塌陷地
對(duì)于塌陷區(qū)土地復(fù)墾，需要建立在土地適宜性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，其中評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐謱?duì)于評(píng)價(jià)過(guò)程起著關(guān)鍵性作用。目前，土地評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐诸?lèi)型有土壤類(lèi)型單元、土地資源類(lèi)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(shè)用地，其環(huán)境復(fù)雜，且受開(kāi)采活動(dòng)動(dòng)態(tài)和長(zhǎng)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(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?，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?jiǎng)澐诸?lèi)型都不能很好地滿(mǎn)足采煤塌陷地的變化特點(diǎn)。而網(wǎng)格單元主要應(yīng)用于城鎮(zhèn)土地單元?jiǎng)澐?；多因素疊置形成的同質(zhì)單元嚴(yán)格地滿(mǎn)足了土地評(píng)價(jià)單元的同質(zhì)性要求，但評(píng)價(jià)單元極不規(guī)則，部分單元面積太小，不具有任何實(shí)際物理意義。因此，本文針對(duì)多因素疊置形成的同質(zhì)單元為評(píng)價(jià)對(duì)象，計(jì)算同質(zhì)單元的相似度，合并不滿(mǎn)足面積要求的同質(zhì)單元，并進(jìn)行同質(zhì)單元的屬性合并，獲取滿(mǎn)足實(shí)際復(fù)墾需求的適宜性評(píng)價(jià)。
1 采煤對(duì)土地的主要影響
1.1 地表裂縫對(duì)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(kāi)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(jià)值。開(kāi)采沉陷引起的地表裂縫有的非常細(xì)小，有的上口寬度可達(dá)1～2m，深度可達(dá)20m。根據(jù)開(kāi)采沉陷引起的地表裂縫的特點(diǎn)以及所處自然環(huán)境，可將地表裂縫引起的侵蝕分為細(xì)溝侵蝕、溝蝕和重力侵蝕。不同的侵蝕情況造成的復(fù)墾難度各異，因此，地表裂縫作為土地適宜性評(píng)價(jià)因子時(shí)，把地表裂縫因子劃分為細(xì)溝侵蝕區(qū)、溝蝕區(qū)、重力侵蝕區(qū)和無(wú)侵蝕區(qū)。
1.2 開(kāi)采沉陷對(duì)建筑物的影響
開(kāi)采沉陷在水平方向產(chǎn)生水平移動(dòng)、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(yīng)變，建筑物受到損壞。建筑物受開(kāi)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(dòng)變形的能力。在礦區(qū)，建筑物保護(hù)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(kāi)采之后，沒(méi)達(dá)到下沉的最大值時(shí)，不能確定建筑物的受損程度，只能按照一定的間隔取點(diǎn)預(yù)計(jì)地表的移動(dòng)變形值，按照建筑物損壞等級(jí)表，預(yù)計(jì)各點(diǎn)的損壞等級(jí)，構(gòu)建整個(gè)區(qū)域的損壞等級(jí)模型，繪制損壞等級(jí)圖。建筑物損壞等級(jí)作為土地適宜性評(píng)價(jià)因子時(shí)，用損壞等級(jí)圖與其他評(píng)價(jià)因子的同質(zhì)單元疊置，得到具有建筑物損壞等級(jí)因素的評(píng)價(jià)因子圖。
1.3 開(kāi)采沉陷對(duì)水體的影響
開(kāi)采煤炭資源時(shí)，可能出現(xiàn)的水體問(wèn)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(lái)嚴(yán)重影響。在分析開(kāi)采沉陷對(duì)水體的影響時(shí)，應(yīng)說(shuō)明對(duì)主要水體的開(kāi)采沉陷影響程度、最優(yōu)的防治對(duì)策；對(duì)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(duì)策；防治水體受開(kāi)采沉陷影響的費(fèi)用估算。把積水因素作為土地適宜性評(píng)價(jià)因子時(shí)，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(wú)積水塌陷地。
1.4 重金屬污染對(duì)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(chǎng)周?chē)耐寥兰暗叵滤艿轿廴?，重金屬?duì)土壤產(chǎn)生的污染很難得到改善。進(jìn)入土壤的重金屬很難通過(guò)自然過(guò)程從土壤環(huán)境中消失或稀釋?zhuān)瑢?duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響以及對(duì)生物體的危害不容易恢復(fù)，直接或間接地對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生危害。
在采煤塌陷區(qū)進(jìn)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(gè)適合于土地適宜性評(píng)價(jià)的等級(jí)，按照一定的規(guī)則，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)值型因素評(píng)分值，并制作采煤塌陷地的污染等級(jí)圖。
2 基于同質(zhì)因素的評(píng)價(jià)單元的二次劃分
2.1 評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)因素表達(dá)
土地評(píng)價(jià)單元是土地評(píng)價(jià)對(duì)象的最小單元。根據(jù)采煤對(duì)土地的影響可以劃分出同質(zhì)因素圖及同質(zhì)評(píng)價(jià)單元。土地評(píng)價(jià)單元實(shí)體具有對(duì)應(yīng)于土地影響的各種屬性和關(guān)系，因此可以將整個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域的土地單元信息存放在一個(gè)n維數(shù)組中。
2.2 同質(zhì)單元的疊置
通常土地評(píng)價(jià)單元的基本類(lèi)型有3種：土壤分類(lèi)單元、土地資源分類(lèi)單元和土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)單元。這些方法都不能解決評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)具有較大的變化問(wèn)題，多因素疊置形成的同質(zhì)單元能夠綜合考慮到評(píng)價(jià)區(qū)域的復(fù)雜性，能夠包含評(píng)價(jià)所需的各種因子，解決評(píng)價(jià)區(qū)域較大變化的問(wèn)題。同質(zhì)單元是根據(jù)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的因子，分別將各個(gè)評(píng)價(jià)因子制作成圖，利用GIS的空間疊置功能進(jìn)行疊置得到。
土地質(zhì)量指標(biāo)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(jìn)行采煤塌陷地評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐謺r(shí)，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(jí)圖，得到包含所有影響采煤塌陷地適宜性評(píng)價(jià)的因素的同質(zhì)評(píng)價(jià)單元圖。評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)因素疊置示意圖如圖1。
圖1 疊置示意圖
3 評(píng)價(jià)單元綜合
通過(guò)以上疊置得到的部分同質(zhì)評(píng)價(jià)單元一方面是完全疊置計(jì)算得到的，沒(méi)有參照實(shí)際情況；另一方面面積較小，不具有實(shí)際應(yīng)用意義。因此，選取較小的同質(zhì)單元依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析合并到相鄰的同質(zhì)單元中。合并步驟如下：①量化、標(biāo)準(zhǔn)化處理各個(gè)因素評(píng)分值；②根據(jù)同質(zhì)單元的面積，進(jìn)行從小到大的順序排列；③選擇最小的同質(zhì)單元，計(jì)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(lǐng)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(fù)②至⑤的步驟，直到最小的同質(zhì)單元的面積滿(mǎn)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(jì)算
評(píng)價(jià)單元之間的相似度是衡量單元?jiǎng)澐值闹饕笜?biāo)。但評(píng)價(jià)單元的各個(gè)影響因素值表示方式不一樣，各個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理。
根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)因素的特性，通過(guò)量綱化方法或無(wú)量綱化方法，把各個(gè)因素評(píng)分值轉(zhuǎn)化到統(tǒng)一的區(qū)間[0，100]。
對(duì)評(píng)價(jià)因素的評(píng)分值量化之后，采用標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行規(guī)格化變換，變換公式為：
式中：xik——原始因素評(píng)分值；
Xik——標(biāo)準(zhǔn)化后的因素評(píng)分值；
xk——第k個(gè)屬性值得平均值，即：
式中：sk為第k個(gè)因素評(píng)分值的標(biāo)準(zhǔn)差，即：
通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差變換后，每個(gè)因素評(píng)分值的平均值為0，方差為1。
評(píng)價(jià)單元之間的相似程度轉(zhuǎn)化為評(píng)價(jià)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(chǔ)上，根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)因素的重要性，每一個(gè)因素評(píng)分值的距離加上權(quán)重，得到一個(gè)帶權(quán)重的歐幾里得距離。其計(jì)算公式如下：
式中：Xik和Xjk——分別表示第i個(gè)同質(zhì)單元和相鄰的第j個(gè)同質(zhì)單元的第k個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差變換后的因素評(píng)分值；
dij——表示第i個(gè)同質(zhì)單元和相鄰的第j個(gè)同質(zhì)單元之間的距離；
Wk——為第k個(gè)評(píng)價(jià)因素權(quán)重值，Wk∈[0，1]，W1＋W2＋……＋Wm＝1。
3.2 因素評(píng)分值計(jì)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(gè)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(gè)評(píng)價(jià)因素的表達(dá)形式，采取不同的方法進(jìn)行融合。根據(jù)評(píng)價(jià)因素的特性，在屬性信息合并過(guò)程中，采用以下兩種方法：
（1）評(píng)價(jià)因素的表達(dá)形式為數(shù)值型，以面積為權(quán)重，根據(jù)要合并的2個(gè)單元的面積，計(jì)算得到的加權(quán)平均值為合并后的單元的因素評(píng)分值。計(jì)算公式如下：
式中：X1k，X2k——分別為要合并的2個(gè)單元的第k個(gè)評(píng)價(jià)因素的值；
X合k——合并后的單元的因素評(píng)分值；
Area1和Area2——要合并的2個(gè)單元的面積。
（2）評(píng)價(jià)因素評(píng)分值的表達(dá)形式為等級(jí)型（如污染等級(jí)）或枚舉類(lèi)型（如土壤質(zhì)地），比較要合并的2個(gè)單元的面積，合并后的單元的因素評(píng)分值為合并前較大面積單元的因素評(píng)分值。
式中：X1k，X2k——分別為要合并的2個(gè)單元的第k個(gè)評(píng)價(jià)因素的值；
X合k——合并后的單元的因素評(píng)分值；
Area1和Area2——要合并的2個(gè)單元的面積。
另外，為了更能夠體現(xiàn)2個(gè)單元的綜合特性，可以對(duì)該因素評(píng)分值進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)化為數(shù)值，按照數(shù)值型的方式計(jì)算合并后的單元的因素評(píng)分值。
4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
從一個(gè)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(gè)同質(zhì)評(píng)價(jià)單元），如圖3左圖所示，同質(zhì)單元中具有9個(gè)評(píng)價(jià)因素，包括土地評(píng)價(jià)的一般因素（灌溉條件、排水條件、坡度級(jí)別、土層厚度、pH值和有機(jī)質(zhì)含量）和采煤引起的因素（裂縫深度、污染級(jí)別和塌陷深度）。表1為根據(jù)各種規(guī)則量化后的因素評(píng)分值，表2為按照公式（1）、（2）、（3）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的因素評(píng)分值。
表1 量化后的土地因素評(píng)分值
表2 標(biāo)準(zhǔn)化后的土地因素評(píng)分值
表3 各個(gè)評(píng)價(jià)因素權(quán)重
在土地適宜性評(píng)價(jià)中，計(jì)算評(píng)價(jià)因素的權(quán)重時(shí)，層次分析法應(yīng)用比較廣泛，也比較成熟。因此，本文采用層次分析法計(jì)算評(píng)價(jià)因素權(quán)重，表3為按照層次分析法得到的各個(gè)因素的權(quán)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(hào)單元，與1號(hào)單元相鄰的單元有5個(gè)單元（2、3、8、5、9單元）按照公式（4）計(jì)算得到1號(hào)單元與相鄰單元的歐式距離如表4?？梢钥闯?號(hào)單元與3號(hào)單元的距離最小，則與3號(hào)單元最相似，即把1號(hào)單元和3號(hào)單元合并得到新的單元1－3。
表4 1號(hào)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?yàn)?號(hào)單元和3號(hào)單元合并，2號(hào)單元和7號(hào)單元合并，4號(hào)單元與2－7號(hào)單元合并，5號(hào)單元和9號(hào)單元合并。最后合并的結(jié)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(shí)，按照公式（5）或（6）合并同質(zhì)單元的各個(gè)因素評(píng)分值。表5為合并后的土地評(píng)價(jià)因素評(píng)分值，從表5中可以看出，合并后的因素評(píng)分值不是評(píng)價(jià)因素的原始值，而是量化值，能夠很好地在土地適宜性評(píng)價(jià)中使用。
表5 合并后的土地因素評(píng)分值
整個(gè)合并過(guò)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(mǎn)足面積閾值要求的相鄰?fù)|(zhì)單元中，一部分同質(zhì)單元合并到不滿(mǎn)足面積閾值要求的相鄰?fù)|(zhì)單元中；一部分是合并到之前通過(guò)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(jié)論
在采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾中，由于受開(kāi)采活動(dòng)及其后續(xù)影響造成的土質(zhì)變化的動(dòng)態(tài)性與持續(xù)性，使對(duì)其適宜性評(píng)價(jià)不能采用常用土地單元?jiǎng)澐址椒?。本文?yīng)用多因素疊置形成同質(zhì)單元，并針對(duì)其初始劃分方法不具有實(shí)際應(yīng)用意義的實(shí)際問(wèn)題。利用加權(quán)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(lǐng)域單元上，并以面積為權(quán)重綜合同質(zhì)單元的因素評(píng)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(shí)際物理意義的評(píng)價(jià)單元，又保證了同一評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。
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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(guó)土資源部公益專(zhuān)項(xiàng)基金（201211011－02）
蔡利平（1987－），男，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院在讀碩士，主要研究方向：GIS原理與應(yīng)用、土地復(fù)墾。
（責(zé)任編輯 孫英浩）
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