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      丘陵山區(qū)煤炭采空影響區(qū)未利用地多目標適宜性評價研究

      2018-10-15 11:09:08李妍均鄭杰炳
      中國水土保持 2018年10期
      關鍵詞:分值矩陣土地

      李妍均,周 川,鄭杰炳,孫 靜

      (1.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室(重慶地質礦產研究院),重慶 400042;2.重慶市地質災害自動化監(jiān)測工程技術研究中心(重慶地質礦產研究院),重慶 400042)

      土地適宜性評價是指在對土地各構成要素進行全面分析的基礎上,以土地合理利用為目標,根據(jù)特定的目的或針對一定的土地用途對土地的屬性進行鑒定,并闡述土地的適宜性及適宜程度的過程[1]。廣義上說,土地適宜性分析是根據(jù)特定的需求和優(yōu)先級,或對某些活動的預測,來確定將來土地利用的合理空間分布和模式[2-3]。隨著煤炭等礦產資源大肆開采引發(fā)的環(huán)境問題逐漸顯現(xiàn),我國開始重視礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展問題,煤炭采空區(qū)土地適宜性評價見諸文獻:朱紫薇等運用MATLAB對皖北煤電集團采煤沉陷區(qū)復墾適宜性評價指標體系進行了數(shù)值仿真[4],張南等運用GIS對鴨池鎮(zhèn)典型的喀斯特山區(qū)進行了土地適宜性評價[5],蔡利平等運用疊置法得到了適合于采煤沉陷區(qū)的土地利用適宜性評價單元[6]。在丘陵山區(qū),因坡度大、土層薄、肥力低、耕作困難等因素,加之煤炭采空擾動,多數(shù)土地被撂荒,閑置未利用現(xiàn)象普遍存在,造成土地資源嚴重浪費。以閑置未利用地為研究對象,進行土地多目標適宜性評價,是因地制宜、科學合理利用土地,實現(xiàn)未利用土地資源節(jié)約集約利用的最有效方式。

      重慶市巴南區(qū)豐盛一礦位于川東平行嶺谷向南傾斜與盆地南緣山地交接地帶,地形起伏,溝壑縱橫,受區(qū)域地質及巖溶影響,喀斯特地貌特征較為顯著。地下煤炭開采擾動,導致地表區(qū)域性缺水嚴重,從而引起土地利用結構改變。本研究擬以豐盛一礦采空影響區(qū)的未利用地為評價對象,通過構建評價指標體系,采用Delphi法對未利用地進行宜耕、宜林、宜建的適宜性評價,為采空影響區(qū)土地的優(yōu)化利用及農業(yè)產業(yè)結構調整提供科學依據(jù)。

      1 數(shù)據(jù)與方法

      1.1 研究區(qū)概括

      雙河口鎮(zhèn)位于巴南區(qū)東北部,是豐盛一礦的主要采空影響區(qū),介于E105°13′~110°18′、N28°06′~32°19′之間。羊鹿片區(qū)(北隘口村、塘灣村)位于雙河口鎮(zhèn)東南部,面積18.7 km2,是受采空影響最為嚴重的區(qū)域。研究區(qū)屬亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū),年平均氣溫18 ℃左右,冬季最低氣溫6~8 ℃,夏季平均氣溫27~29 ℃,冬暖夏熱,無霜期長、雨量充沛、溫潤多陰、雨熱同季,年均降水量1 000~1 400 mm,春夏之交夜雨較多。地貌以丘陵為主,出露地層為三疊系須家河組厚砂巖、嘉陵江組石灰?guī)r,土壤以水稻土和黃色石灰土為主。

      1.2 多目標適宜性評價

      1.2.1 劃分評價單元

      評價單元是土地自然質量性狀基本一致的獨立土地單元,它既是完整反映自身特性的最基本地塊,也是評價中獲取數(shù)據(jù)的基礎工作單元。采空影響區(qū)環(huán)境復雜,且受開采活動的持續(xù)影響,礦區(qū)土地性質變化大、速率快,且各地塊變化情況各異。本研究評價單元劃分采用多因素疊置法[7],將土壤圖、坡度圖、土地利用現(xiàn)狀圖進行疊置,對面積過小,不具有實際物理意義的圖斑進行歸并,形成的閉合圖斑即為一個評價單元。

      1.2.2 指標選取

      遵循主導因素、穩(wěn)定性、差異性、獨立性、易獲取性等原則,通過綜合分析手段,構建基于特爾菲法(Delphi)的專家征詢系統(tǒng),綜合應用多個行業(yè)權威專家的知識與經驗實現(xiàn)影響因子的篩選與優(yōu)化。

      指標按照選取到強烈建議不選取的原則進行賦值(從5分到0分)。運用Delphi法對評價指標進行篩選。篩去得分平均值較小且方差較大(專家爭議較大)的指標,具體公式為

      (1)

      (2)

      式中:E為指標評分平均值;m為專家總人數(shù)(m=5);ai為第i位專家的評分值;δ2為方差。

      根據(jù)評價目標的不同,選取了不同的評價指標,詳見表1。

      表1 評價因子匯總

      1.2.3 指標分級

      為提高適宜性評價的科學性和可靠性,針對未利用地開發(fā)實際,進一步采用Delphi法對確立的14個評價指標構建分級標準并確定其對應的等級指數(shù),詳見表2。具體處理過程為:①基于煤炭采空影響區(qū)調查數(shù)據(jù),界定評價指標的分值范圍;②設計討論問卷,請專家對初步的分值范圍及等級指數(shù)進行討論;③確定分級標準及對應的等級指數(shù)。

      1.2.4 確定權重

      權重是表征評價因子對評價對象影響程度或貢獻率的指標,是使評價結果符合實際評價過程中不可缺少的環(huán)節(jié)[8]。評價因子權重確定的主要步驟為:匯集專家意見,對指標的重要程度進行兩兩比較并逐層平方,構建判斷矩陣;對矩陣進行歸一化處理,求解該判

      表2 評價指標分級標準及得分

      斷矩陣的特征向量和最大特征值,依據(jù)所求特征值向量進行層次總排序;對結果進行一致性檢驗,利用同一層中所有層次排序的結果,計算針對上一層次而言的本層中所有因子的重要性權重;對判斷矩陣進行一致性檢驗和隨機性檢驗,縮小誤差,檢驗公式為

      Q=(Umax-N)/[D×(N-1)]

      (3)

      式中:Q為判斷矩陣的隨機一致性比率;Umax為判斷矩陣的最大特征根;N為判斷矩陣的階數(shù);(Umax-N)為判斷矩陣的一致性指標;D為判斷矩陣的平均隨機一致性指標,根據(jù)所構建的矩陣階數(shù),取1.12。

      當Q<0.1時,認為判斷矩陣具有滿意的一致性,說明權數(shù)分配合理。評價指標權重賦值結果見表3。

      表3 評價指標權重賦值

      1.2.5 綜合評價

      根據(jù)以上確定的各參評因子權重及各因子分級的等級指數(shù),建立目標評價方向的適宜性評價綜合分值數(shù)學計算模型

      (4)

      式中:Cj為第j個評價單元的綜合分值;Aji為第j個評價單元第i個因子的等級指數(shù);Bi為第i個評價因子的權重;n為評價因子的總數(shù);t為評價單元的總數(shù)。

      基于上式,以獨立的單個地類圖斑為評價單元,借助GIS平臺,對評價單元的各個因子的等級指數(shù)與相應權重的乘積進行加和,得到評價單元的綜合分值,進而根據(jù)各評價單元綜合分值的頻數(shù)分布直方圖來確定目標評價方向的適宜性等級。結合丘陵山區(qū)未利用地現(xiàn)狀及專家綜合意見,Cj值結果處理見表4。

      表4 適宜性評價結果處理

      1.3 數(shù)據(jù)來源

      研究數(shù)據(jù)來自巴南區(qū)2015年土地利用變更調查數(shù)據(jù)庫、DEM影像圖、水系分布圖和地質災害中、高易發(fā)區(qū)分布圖?;诂F(xiàn)場調查、室內分析測試和ArcGIS

      10.2軟件,獲取評價指標的屬性數(shù)據(jù),并建立相應的空間數(shù)據(jù)庫,通過空間疊加獲取評價單元分值,對不同目標下未利用地的適宜性程度進行判定劃分。

      2 結果與分析

      2.1 評價體系模擬

      采用疊置法將土壤圖、坡度圖、土地利用現(xiàn)狀圖進行疊置,篩選出研究區(qū)32個未利用地評價單元,見圖1。

      圖1 適宜性評價單元示意

      基于上述指標因子體系,分別對評價單元進行宜耕、宜林、宜建的適宜性獨立評價,評價綜合得分詳見表5。

      表5數(shù)據(jù)顯示, 宜耕評價綜合得分介于3.86~

      表5 適宜性評價綜合得分匯總

      7.46之間,宜林評價綜合得分介于4.10~8.52之間,且分值呈現(xiàn)同高同低現(xiàn)象,與指標因子選取關系一致。根據(jù)評價結果返回單元各項因子探析得分差異,綜合得分低的原因:一是距離水源較遠,多數(shù)單元距離水源在400 m以上,分級得分1分,單個因子得分0.08;二是地表裂縫較大,<3、3~6、>6 mm/m的各一處,分級得分6、2、0,單個因子得分0.48、0.16、0.08;三是塌陷坑面積大,塌陷坑面積<10、10~20、>20 m2的各一處,分級得分6、4、1,單個因子得分0.36、0.24、0.06。部分有機質含量低于12 g/kg,分級得分1,綜合得分0.16。宜耕、宜林園適宜性評價中,塌陷坑面積(X4)、裂縫(X5)、到水源距離(X6)、有機質含量(X2)低分是拉低綜合評價總得分的主要限制因素。結合表4評價,根據(jù)Cj值評價結果,得出如下評價結果(表6)。

      表6 土地適宜性評價結果處理一覽

      各地塊適宜的地類情況匯總見表7。

      表7 適宜性評價結果匯總

      分析表7可知,在對32個評價單元進行農用地適宜評價中,有24個單元適宜復墾為耕地。在16個適宜復墾為建設用地的單元中,包含15個同時適宜復墾為耕地的單元,僅僅適宜作為建設用地的單元只有1個。32個評價單元均適宜作為林地,扣除同時適宜復墾為耕地的24個單元和1個適宜復墾為林地的單元,適宜復墾為林地的單元為7個,其中3處基礎條件稍差,建議輔以必要的工程措施用以填補塌陷坑、裂縫,后可選種耐瘠耐旱的灌木。遵循土地開發(fā)利用優(yōu)先復墾為耕地的原則,建議32個待開發(fā)利用單元中,羊鹿口-1119、堡上-575等24個單元復墾為耕地,占評價單元總數(shù)的75.00%;桂花-891、雙魚塘-544等7個單元復墾為林地,占評價單元總數(shù)的21.88%;石板-503可作為建設用地,占評價單元總數(shù)的3.13%。

      2.2 評價結果驗證

      在對32個評價單元的現(xiàn)狀利用情況和評價結果進行逐一對比后發(fā)現(xiàn): 由于區(qū)內有琵琶洞和大茶園山,通過旅游帶動當?shù)剞r業(yè)生產發(fā)展,除主井口和辦公樓仍然保留外,其他附屬用地及零星荒草地中24個適宜復墾為耕地的單元中,有13個已被當?shù)剞r民恢復為耕地,種植的作物包括蔬菜、大豆、鮮食糯玉米、脆李,6個單元生長著約2米高的灌木,另有5個單元因面積偏小(<50 m2),零星分散,目前生長著茅草。經與當?shù)剞r業(yè)服務技術人員交流,認為只要農產品有銷路,同時政府出資將生產路連接到田間,通過大戶流轉,這11塊土地恢復為耕地是完全可能的。

      7個適宜復墾為林地的單元中,5個生長著茂密的松樹,一些松樹胸徑甚至已經達到10 cm,另有2處由業(yè)主種植黑麥草作為梅花鹿的草料。

      適宜作為建設用地的石板503地塊,經現(xiàn)場查看,目前生長著茅草。

      3 結 語

      研究區(qū)未利用地整體條件較好,24處可以復墾為耕地,16處可以復墾為建設用地,既適合復墾為耕地又適合復墾為建設用地的有15處,全部單元均可復墾為林地,且現(xiàn)場回訪結果與適宜性評價結果表現(xiàn)一致,表明本研究提出的土地優(yōu)化利用評價指標體系基本反映了采煤沉陷區(qū)的特征,提出的評價指標科學合理,評價方法也是可行的,可以此評價指標體系確定最佳土地利用方案,進行土地利用分區(qū),從而使土地資源得到合理利用。

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