丁 佩，譚志祥

(1．邳州市規(guī)劃局，江蘇 邳州 221300;2．中國礦業(yè)大學 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

0 引言

截至到2004 年底旗山礦全井田采煤塌陷土地面積已達到12 km2，萬噸煤土地塌陷率為3．4 畝［1］。鑒于目前徐州礦區(qū)出現(xiàn)了越來越多的開采沉陷塌陷地，必須尋求適合高潛水位、平原地區(qū)的塌陷地土地治理方案，加快礦區(qū)塌陷地土地復墾進程，提高土地資源利用率，不僅關系到徐州礦區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，也關系到徐州這一資源城市經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展［2］。

1 旗山礦區(qū)自然地理概況

旗山煤礦位于徐州市東北約26 km處的賈汪區(qū)大吳鎮(zhèn)境內，206 國道從井田上方穿過，東至連云港市，在鹿莊附近與307 公路交匯［3］;礦區(qū)鐵路東起董莊煤礦，經(jīng)本礦向西經(jīng)權臺，青山泉煤礦，在前亭車站與京滬線接軌。京杭運河流經(jīng)井田南緣，雙樓煤港距礦約2 km，并有鐵路相通，水路運輸可達蘇南各地，交通運輸極為便利。

2 旗山礦開采沉陷預計

2．1 開采沉陷預計模型

根據(jù)徐州礦區(qū)地表移動規(guī)律研究成果表明，本區(qū)地表移動規(guī)律基本符合概率積分法模型［4］，因此本次地表移動和變形預計采用概率積分法預計模型。概率積分法數(shù)學模型為:

式中:r 為主要影響半徑。

地表任意點(x，y)下沉值W(x，y)為:

其中:

式中:W0(x)為走向主斷面下沉預測值;W0(y)為傾向主斷面下沉預測值;m 為采厚;q 為下沉系數(shù);a 為煤層傾角;r、r1、r2分別為走向、下山、上山的主要影響半徑;erf(x)為高斯誤差函數(shù)。

2．2 開采沉陷預計參數(shù)

本文參考徐州東部、西部及沛縣礦區(qū)部分開采沉陷預計參數(shù)資料［5］，結合本礦區(qū)的實際情況，確定了旗山礦開采沉陷預計參數(shù)，見表1。

表1 旗山礦開采沉陷預計參數(shù)Tab．1 Predicted parameters of mining subsidence in Qishan mine

本文選擇旗山礦二零六國道東部礦區(qū)作為研究區(qū)域，此區(qū)域共有15 個工作面，2006 年開采，2011 年結束。其開采工作面，如圖1 所示。

圖1 開采平面圖Fig．1 Mining plan

本文應用中國礦業(yè)大學開發(fā)的礦區(qū)沉陷預測預報系統(tǒng)(MSPS)進行開采沉陷預計。在對礦區(qū)土地破壞評價中，因選擇下沉值、水平變形、傾斜變形作為土地破壞評價因子，因此要對這些變形值進行預計。通過計算，得到最大變形值，如表2所示。

表2 開采沉陷預計最大變形值Tab．2 Maximum forecast deformation value of mining subsidence

2．3 評價模型

本文利用模糊數(shù)學綜合評價法對旗山礦區(qū)的開采塌陷地破壞程度進行評價。模糊綜合評價是運用模糊數(shù)學理論對系統(tǒng)進行評價的一種方法［6］。模糊綜合評判包括兩大部分:其一，按單個因素單獨評判;其二，對所有因素進行綜合評判。運用模糊綜合評價法進行評價的一般步驟為:

2．3．1 建立評價因素集合和評價集合

由各種影響因素構成的因素集合U:U = {u1，u2，u3，…，um}，其中ui為第i 個影響因素，m 為評價因子的數(shù)量;建立評價集合(被擇集合)V，V = {v1，v2，…，vn}，其中vi代表第i 個模糊評判結果，n 為總的評價結果。

2．3．2 建立隸屬函數(shù)

評價因素與模糊集合的隸屬程度可以通過隸屬函數(shù)計算得出。本文選用梯形分布函數(shù)來建立隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)用μA表示，則隸屬度為μA(x)。

當隸屬值域較小時可以建立隸屬函數(shù):

當隸屬值域較大時可以建立隸屬函數(shù):

在中間值域的隸屬函數(shù)可以表示為:

2．3．3 確定評價指標的權值

不同的評價指標對評價對象的影響作用不同，為了區(qū)分它們之間的重要程度和差異性，需要對各個因素賦予一個權值ai，其中i=1，2，…，m，通常要求ai滿足ai≥0，且，建立評價指標的權重集合A = (a1，a2，…，an)。

2．3．4 計算模糊綜合評價結果

模糊綜合評價結果的計算公式為:

這里“° ”表示A 與R 的一種合成方式，可以取最大最小合成子進行計算，則

式中:bj表示綜合考慮所有因素影響時，評判對象對評判備選集vj的隸屬度。

2．3．5 評判指標的處理

最大隸屬度法即取備選集V 中與maxbj最“相近”的元素v作為評判對象的最終評判結果:v = {vL:vL最接近maxbj}。

2．3．6 二級模糊評判

一級模糊評判是對各類中的每一個元素進行綜合評判，但是當評判因素較多且分為不同的類別時，這時需要在不同類別之間進行綜合評判，即二次模糊綜合評判［7］。設一級評判矩陣為R，二級評判矩陣為D，則:

在二級模糊評判中，因為類的重要程度也是有差別的，因此，也必須引進權A 對這種影響程度上的差異進行區(qū)分，通過合成計算可以得到二級評判指標:

其中，dk=∨(ai∧bik)，k = 1，2，…，p。dk表示在對按類對各因素進行評判時，評判對象相對于第k 個元素的隸屬度。如果可以對類再進行細分，則可以進行多級模糊評判，本文選用的評判模式為二級評判。

3 旗山礦塌陷地破壞綜合評價指標及分級標準

反映開采沉陷導致土地破壞程度的影響因素主要有地表變形(地表沉陷、水平變形、傾斜變形、曲率變形)、積水深度和潛水位埋深［8］。本文以礦區(qū)實際土地開采沉陷預測情況為依據(jù)，結合國內有關土地破壞評價標準等級劃分的研究資料，提出了高潛水位礦區(qū)土地破壞評價因素并進行分級，見表3 和表4。

4 旗山礦塌陷地破壞評價步驟

4．1 塌陷地破壞綜合評價指標隸屬函數(shù)

分別對地表下沉、水平變形、傾斜變形、積水深度和有機質含量評價指標建立隸屬函數(shù)，如表5 所示。

表3 礦區(qū)沉陷土地破壞等級屬性表現(xiàn)Tab．3 Attributes of damage levels of land subsidence in mine areas

表4 礦區(qū)土地破壞綜合評價指標選擇及級別分類Tab．4 Selection and classification of comprehensive evaluation index of land damage in mine area

表5 評價指標隸屬函數(shù)Tab．5 Subordinate function of evaluation index

對于定性指標，如污染程度也可以按照污染的嚴重級別進行隸屬度劃分，建立如下的隸屬函數(shù):

4．2 塌陷地綜合評價指標的隸屬度

本區(qū)域根據(jù)土地的塌陷程度進行分區(qū)評價，在不同的分區(qū)范圍內分別獲取各個評價指標值進行土地破壞程度的評價［9］。通過將地表下沉圖、積水深度圖、水平變形圖和傾斜變形圖進行疊加分析，獲取各個評價區(qū)域內具有代表意義的評價指標值。首先確定各分區(qū)范圍，以下沉差值400 mm為界劃分8 個區(qū)域(見表6):3347 ～3200 mm、3200 ～2800 mm、2800 ～2400 mm、2400 ～2000 mm、2000 ～1600 mm、1600 ～1200 mm、1200 ～500 mm、500 ～10 mm。

表6 各分區(qū)評價指標值Tab．6 Evaluation index values of each partition

根據(jù)上節(jié)內容所建立的塌陷地破壞綜合評價指標隸屬函數(shù)，根據(jù)表中各項評價指標值，計算各個分區(qū)評價指標值的隸屬度，表7 只列出前3 個評價區(qū)域的評價指標隸屬度。

表7 前3 個評價區(qū)域指標隸屬度Tab．7 Subordinate degree of evaluation index of the first three partition

綜合污染情況分析可以確定該礦區(qū)環(huán)境污染為中度污染。通過以上分析，可以確定土壤條件方面的評價指標值，如表8 所示。

表8 評價指標預測值Tab．8 Predicted value of evaluation index

土壤條件評價指標值為定性數(shù)值，通過上節(jié)內容所確定的隸屬函數(shù)，可以獲得土壤條件評價指標隸屬度，見表9。

表9 評價指標的隸屬度Tab．9 Subordinate degree of evaluation index

4．3 旗山礦塌陷地破壞綜合評價

以3347 ～3200 mm區(qū)域為例，介紹其評價過程。根據(jù)確定的隸屬函數(shù)計算3347 ～3200 mm區(qū)域各個評價因素的隸屬度，根據(jù)土地評價因素的隸屬度和權重值，可以得到土地破壞程度的模糊綜合評判模型，如表10 所示。

表10 第一分區(qū)土地破壞模糊綜合評價模型Tab．10 The fuzzy comprehensive evaluation model of land damage in the first partition

4．4 塌陷地破壞程度一級模糊綜合評價

在3347 ～3200 mm區(qū)域中，設定土地破壞要素集之一的沉陷破壞綜合評價結果為B1，因此可以得到沉陷破壞綜合評價結果為:

同樣設定土地破壞的要素集土壤條件的模糊綜合評價結果為B2，因此可以得到B2的評價結果:

4．5 塌陷地破壞程度二級模糊綜合評價

由B1和B2構成二級模糊評判矩陣R:

歸一化處理得(0．18，0．24，0．24，0．33)，按照最大隸屬度原則，3347 ～3200 mm區(qū)域的土地破壞程度為嚴重破壞。

根據(jù)上述評價方法和過程，對其他評價分區(qū)分別進行評價，可以得到各分區(qū)的評價結果，如表11 所示。各個分區(qū)土地破壞程度分布，如圖2 所示。

表11 各分區(qū)土地破壞評價結果Tab．11 Land damage assessment results of each partition

圖2 各分區(qū)土地破壞程度分布圖Fig．2 Distribution map of land damage degree of each partition

5 結論

通過前文的分析，筆者得出如下結論:

1)本文選取地表下沉、水平變形、傾斜變形、積水深度、有機質含量和污染狀態(tài)這6 個指標作為高潛水位礦區(qū)土地破壞評價的二級指標。進一步將其分成沉陷破壞和土壤條件這兩個一級指標。

2)通過模糊數(shù)學評價原理對礦區(qū)塌陷地破壞程度進行評價，通過一級模糊綜合評價和二級模糊綜合評價，按照最大隸屬度原則確定土地破壞程度。為提高研究區(qū)土地破壞程度評價的準確度，考慮到開采沉陷的程度在評價中起到主導作用，故根據(jù)開采沉陷的程度進行分區(qū)處理，分區(qū)的間隔高差為400 mm，分成8 個區(qū)域。通過分區(qū)進行評價，得到該研究區(qū)的土地破壞程度總體分布圖。

3)本文選擇主要的高潛水位土地評價因素來建立評價指標體系，其評價指標選擇的范圍和數(shù)量存在不完善的地方，高潛水位土地破壞評價指標體系需要進一步研究，以建立更加完善的評價指標體系。本文根據(jù)模糊數(shù)學原理利用二級綜合模糊評判進行土地破壞的評價，評級方法的優(yōu)劣直接影響到評價結果的準確性，因此需要進一步研究以確定更為科學、有效的評價理論，進行土地破壞程度的評級。

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