基于可拓法的高潛水位礦區(qū)復(fù)墾潛力評(píng)價(jià)

何廳廳 趙艷玲 石娟娟 王亞云 劉亞萍 冉艷艷

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京市海淀區(qū)，100083）

我國(guó)土地資源緊缺，大量礦產(chǎn)資源開采、非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等造成了大量土地資源的占用和破壞，這種現(xiàn)象在我國(guó)東部高潛水位平原礦區(qū)尤為嚴(yán)重，采礦塌陷土地積水周期長(zhǎng)、水位深，加劇了土地資源嚴(yán)重不足的緊張局面。為了恢復(fù)高潛水位礦區(qū)土壤的可耕作性，促進(jìn)礦區(qū)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，土地復(fù)墾研究勢(shì)在必行。目前，國(guó)內(nèi)外的土地復(fù)墾技術(shù)研究主要集中在破壞后土地治理技術(shù)方面，對(duì)土地復(fù)墾潛力的研究較少。傳統(tǒng)的土地復(fù)墾潛力評(píng)價(jià)方法有層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，這些方法是將評(píng)價(jià)指標(biāo)硬性分類，再根據(jù)決策者的經(jīng)驗(yàn)判斷給予數(shù)量化，劃分出的等級(jí)也帶有模糊性。近年來物元模型已成功運(yùn)用到地質(zhì)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域?qū)嶋H對(duì)象的評(píng)價(jià)和識(shí)別中，但應(yīng)用于礦區(qū)復(fù)墾潛力評(píng)價(jià)的研究較少。本文以我國(guó)東部高潛水位平原某礦區(qū)為例，針對(duì)其塌陷土地積水嚴(yán)重的特點(diǎn)，構(gòu)建了基于可拓法的高潛水位礦區(qū)復(fù)墾潛力評(píng)價(jià)模型。

1 基于可拓法原理

1.1 可拓法原理

可拓學(xué)是用形式化的工具，從定性和定量的兩個(gè)角度去研究和解決矛盾問題的規(guī)律和方法?？赏胤ㄊ且环N以可拓學(xué)中物元模型、可拓集合和關(guān)聯(lián)函數(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)理論方法，通過建立多指標(biāo)參數(shù)的綜合評(píng)判模型來描述矛盾問題，通過建立關(guān)聯(lián)度函數(shù)對(duì)事物質(zhì)變和量變進(jìn)行定量描述，并以定量的數(shù)值表示評(píng)定結(jié)果，從而能較完整的反映事物質(zhì)量的綜合水平。

1.2 可拓法基本步驟

1.2.1 確定待評(píng)物元

給定事物的名稱N，它關(guān)于特征C的量值為V，以有序三元組R＝（N，C，V）作為描述事物的基本元，簡(jiǎn)稱物元。若事物N有n個(gè)特征對(duì)應(yīng)有n個(gè)量值則可以表示為：

設(shè)事物N有m個(gè)評(píng)定等級(jí)（以j＝1，2，3，…m表示），則相應(yīng)的事物特征和評(píng)定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)量值范圍組成的物元矩陣稱為經(jīng)典域，記為R0；由經(jīng)典物元加上可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)典物元的事物及其特征和此特征相應(yīng)拓廣了的量值范圍而組成的矩陣稱為節(jié)域RP。

式中：cn——物元特征；

αji——經(jīng)典物元特征量值的上限值；

βji——經(jīng)典物元特征量值的下限值；

αpi——節(jié)域物元特征量值的上限值；

βpi——節(jié)域物元特征量值的下限值。

1.2.2 求權(quán)系數(shù)

權(quán)系數(shù)是對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)重要程度的量化系數(shù)，它的大小直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的精確性。常用的權(quán)系數(shù)求解方法有濃度超標(biāo)法、專家打分法、層次分析法、因子污染貢獻(xiàn)率法和關(guān)聯(lián)函數(shù)法等。根據(jù)實(shí)際情況可以選用不同的計(jì)算方法，本文權(quán)系數(shù)計(jì)算公式：

式中：wij——第i個(gè)指標(biāo)關(guān)于等級(jí)j的權(quán)系數(shù)；

vij——第i個(gè)指標(biāo)關(guān)于等級(jí)j的臨界值。

1.2.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

由關(guān)聯(lián)函數(shù)可以得到待分類對(duì)象N第i個(gè)特征值vi關(guān)于等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度為：

式中：Sij——有界區(qū)間的模；

P（vi，Sij）——點(diǎn)到區(qū)間的距離。

待分類對(duì)象N關(guān)于等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度為：

由此算得待分類對(duì)象N關(guān)于不同等級(jí)的關(guān)聯(lián)度 ｛K1，K2，K3，…，Km｝，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則，即可確定待分類對(duì)象的所屬等級(jí)，且其定量值可以反映待分類對(duì)象屬于該等級(jí)的程度。

2 實(shí)例分析

2.1 礦區(qū)概述

該礦區(qū)位于山東省西南部，地處黃淮海平原，屬于東部高潛水位地區(qū)，潛水位埋深約為2 m，該礦區(qū)地形平坦，地勢(shì)略呈西高東低，地面標(biāo)高41.60～45.38 m，自然坡度為0°～2.5°，以緩平坡地面積最大。礦區(qū)歷年平均降水量為694.7 mm，降雨多集中在7－8月份。礦區(qū)面積為67.19 km2，利用MSPS沉陷預(yù)計(jì)軟件和MAPGIS軟件得到該礦2025年塌陷總面積為16.08 km2，其中塌陷無積水面積為10.67 km2，輕度積水面積為3.21 km2，季節(jié)性積水面積為1.23 km2，常年積水面積為0.97 km2。假設(shè)其他因素在預(yù)測(cè)期內(nèi)變化幅度不大，結(jié)合預(yù)計(jì)塌陷數(shù)據(jù)對(duì)該煤礦2025年的塌陷地進(jìn)行耕地復(fù)墾潛力評(píng)價(jià)。

2.2 評(píng)價(jià)因子的選擇

由于潛水位埋深較高，采煤塌陷會(huì)造成土地常年積水或季節(jié)性積水，形成封閉的湖泊或沼澤。在塌陷較淺的地方造成土壤鹽漬化，在塌陷區(qū)邊緣地帶形成坡地，導(dǎo)致水土流失加劇。所以在確定高潛水位采煤塌陷地復(fù)墾成耕地的潛力影響因子時(shí)，除了考慮一般地區(qū)的影響因子，還應(yīng)包含能夠反映高潛水位塌陷地破壞特征的指標(biāo)。根據(jù)礦區(qū)的實(shí)際情況，參照《耕地后備資源調(diào)查與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合已有研究成果，將礦區(qū)塌陷地復(fù)墾潛力影響因子分為兩級(jí)，一級(jí)影響因子選取地形改造條件、土壤條件、水文地理?xiàng)l件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件。一級(jí)影響因子所包含的二級(jí)影響因子及其評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 復(fù)墾潛力等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于各指標(biāo)的量化值所在區(qū)間存在一定差異，有的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值越小代表復(fù)墾潛力越大，有的則是數(shù)值越大代表復(fù)墾潛力越小，且各指標(biāo)的單位不盡相同，為統(tǒng)一量綱，采用標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無量鋼化，結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化后的復(fù)墾潛力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 建立物元矩陣

根據(jù)經(jīng)典域和節(jié)域定義，由表2可得高潛水位礦區(qū)復(fù)墾潛力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣

待評(píng)單元T1的數(shù)據(jù)如下：地面坡度2.6°，地面輕度積水，改造難度較小，土層厚度87.7 cm，土壤質(zhì)地為砂壤，有機(jī)質(zhì)含量3.4 g／kg，土壤水分含量19.5%，p H值為7.5，鹽漬化程度0.3%，地理位于沿海農(nóng)村，降雨量為694.7 mm／a，灌溉條件較好，人均耕地1.8畝。待評(píng)單位經(jīng)無量鋼化后物元矩陣為：

根據(jù)公式（4），求得各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，見表3。根據(jù)公式（5）和公式（6）算得各評(píng)價(jià)單元與不同評(píng)價(jià)等級(jí)間的多指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度，根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，確定各評(píng)價(jià)單元的復(fù)墾潛力等級(jí)，見表4。

從表4中可以看出，評(píng)價(jià)單元T1的關(guān)聯(lián)度最大值為－0.008，復(fù)墾潛力等級(jí)II。分析其參評(píng)指標(biāo)可知，I級(jí)指標(biāo)占15%，II級(jí)62%，III級(jí)23%，因此，將其土地復(fù)墾潛力定為II級(jí)合理。對(duì)5個(gè)評(píng)價(jià)單元的關(guān)聯(lián)度比較可知，各關(guān)聯(lián)度最大值與1的差距均很大，說明5個(gè)評(píng)價(jià)單元的指標(biāo)值與對(duì)應(yīng)級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)下限較接近。根據(jù)關(guān)聯(lián)度值可以確定5個(gè)評(píng)價(jià)單位耕地復(fù)墾潛力大小為：T3＞T1＞T2＞T4＞T5。為驗(yàn)證該方法在土地復(fù)墾潛力評(píng)價(jià)中的可行性，應(yīng)用傳統(tǒng)的模糊綜合法對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行土地復(fù)墾潛力評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4，比較兩種評(píng)價(jià)方法，結(jié)果保持一致。表明可拓法應(yīng)用于高潛水位礦區(qū)復(fù)墾評(píng)價(jià)是可行的，且結(jié)果更符合實(shí)際情況。

表3 權(quán)系數(shù)

表4 評(píng)價(jià)單元的關(guān)聯(lián)度

3 結(jié)論

（1）可拓法計(jì)算簡(jiǎn)便、結(jié)果直觀，是一種操作性很強(qiáng)的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。針對(duì)我國(guó)東部礦區(qū)高潛水位，塌陷土地嚴(yán)重積水的情況，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，引入可拓法對(duì)其進(jìn)行土地復(fù)墾潛力評(píng)價(jià)，并與傳統(tǒng)的模糊綜合法比較，結(jié)果具有一致性，表明可拓法在高潛水位礦區(qū)復(fù)墾潛力評(píng)價(jià)中，不僅適用，且結(jié)果更加科學(xué)合理。

（2）礦區(qū)土地復(fù)墾潛力評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，1個(gè)評(píng)價(jià)單元的土地復(fù)墾潛力等級(jí)為I級(jí)，其他4個(gè)土地復(fù)墾潛力等級(jí)均為II級(jí)，且T3、T4、T5的綜合關(guān)聯(lián)度靠近I級(jí)，有向I級(jí)發(fā)展的趨勢(shì)，因此，可以認(rèn)為該礦區(qū)塌陷土地復(fù)墾成耕地的潛力大，在進(jìn)行土地復(fù)墾時(shí)復(fù)墾方向應(yīng)多傾向于耕地。

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