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      基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的王莊礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)

      2019-01-24 08:27:20時(shí)澤龍郭圣文
      山西煤炭 2018年6期
      關(guān)鍵詞:王莊關(guān)聯(lián)度中度

      關(guān) 騰,時(shí)澤龍,郭圣文

      (1.中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院,河北 邯鄲 056004;2.河北工程大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038)

      中國人口眾多但土地利用率很低,人地矛盾是我國目前所面臨的主要矛盾之一。在我們國家有豐富的礦產(chǎn)資源,大量土地被眾多礦區(qū)所占據(jù)[1],實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用的重要措施就是土地復(fù)墾,它的作用在于能夠有效的擴(kuò)增土地面積[2],其意義在于經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)得以調(diào)整、人地矛盾得以緩解,實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。適宜性評(píng)價(jià)是土地復(fù)墾研究中最具有重要意義的內(nèi)容,為了避免盲目性和破壞性的開墾,使之更具有科學(xué)性和現(xiàn)實(shí)性[3],土地適宜利用類型和結(jié)構(gòu)可以通過適宜性評(píng)價(jià)來確定,從而科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計(jì)土地復(fù)墾工作。

      本文以王莊礦為例,通過模糊綜合評(píng)價(jià)法[4]對(duì)其進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)并確定復(fù)墾方向,且充分考慮權(quán)重的隨機(jī)性、相對(duì)性、模糊性,運(yùn)用可拓學(xué)理論的層次分析法[5-6]對(duì)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行合理分配,保證了評(píng)價(jià)結(jié)果客觀性和準(zhǔn)確性。

      1 礦區(qū)概況

      王莊煤礦井田南北長20 km,東西寬8 m,井田面積7 968.06 hm2,開采深度由+880 m至+350 m標(biāo)高。地勢(shì)起伏不均勻,北高南低,相對(duì)高差為135 m左右。礦區(qū)南部地貌為山前斜坡,黃土沖溝在礦區(qū)北部較發(fā)育,局部地區(qū)可見基巖,第四系黃土覆蓋整個(gè)礦區(qū),評(píng)價(jià)區(qū)面積約為10 264 hm2。

      目前王莊煤礦主要土地破壞類型是采礦工業(yè)場(chǎng)地、矸石山占用、生活區(qū)占用以及由于開挖引起的地表采空塌陷和積水區(qū),總面積達(dá)3 025.22 hm2,預(yù)測(cè)破壞土地面積約1426.32 hm2。王莊煤礦已破壞土地面積,如表1所示。

      表1 王莊煤礦已破壞土地面積Table 1 Destroyed land area in Wangzhuang Mine

      2 王莊煤礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)

      2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

      根據(jù)王莊煤礦實(shí)際情況,參照多個(gè)復(fù)墾實(shí)例[7]以及《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(TD/T1036-2013)等,將王莊煤礦評(píng)價(jià)單元分為Ⅰ和Ⅱ兩級(jí),Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)單元為礦山工業(yè)場(chǎng)地、塌陷采空區(qū)、積水區(qū)和矸石山;Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)單元為Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)單元以外的區(qū)域,包括黃土旱地、有林地、園地、未利用地分布區(qū)。選取地面坡度、有效土層厚度、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、灌溉條件、排水條件和田面平整度作為評(píng)價(jià)因子。確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由目標(biāo)層“土地適宜性評(píng)價(jià)”、要素層“地形條件、土壤條件、農(nóng)田基本建設(shè)條件”以及指標(biāo)層“地面坡度、有效土層厚度、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、灌溉條件、排水條件和田面平整度”構(gòu)成。王莊煤礦土地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo),如表2所示。

      表2 王莊煤礦土地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Land suitability evaluation indexes in Wangzhuang Mine

      2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)和賦值

      結(jié)合王莊煤礦土地?fù)p毀情況及自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等因素,以宜耕、宜園、宜林、宜漁四類作為初步土地復(fù)墾方向,不同復(fù)墾方向選取適合的評(píng)價(jià)指標(biāo)。王莊煤礦不同復(fù)墾方向的適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3所示。

      表3 王莊煤礦不同復(fù)墾方向的適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Suitability evaluation indexes of different reclamation ways in Wangzhuang Mine

      注:表中“√”代表各土地適宜類對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

      適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化。 在評(píng)價(jià)指標(biāo)確定的基礎(chǔ)上,參照國內(nèi)外相關(guān)成果,確定適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:一級(jí)(高度適宜)、二級(jí)(中度適宜)、三級(jí)(勉強(qiáng)適宜)、四級(jí)(不適宜)。

      結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況對(duì)四種復(fù)墾適宜方向的適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量化分級(jí)。王莊煤礦原始數(shù)據(jù)極差標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)結(jié)果。王莊煤礦評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值,如表4所示。

      表4 王莊煤礦評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Table 4 Standard values of evaluation indexes in Wangzhuang Mine

      2.3 基于可拓學(xué)的層次分析法確定權(quán)值

      2.3.1 關(guān)聯(lián)函數(shù)概念

      在可拓學(xué)理論中可以通過初等關(guān)聯(lián)函數(shù)明確的判斷出某個(gè)指標(biāo)對(duì)某個(gè)等級(jí)的關(guān)聯(lián)程度,故而每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都可以按照重要性進(jìn)行排序。本文把適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為四個(gè)等級(jí),土地復(fù)墾的適宜性影響程度最大的指標(biāo)就是關(guān)聯(lián)適宜性等級(jí)最高的。

      整個(gè)實(shí)數(shù)軸都是關(guān)聯(lián)函數(shù)的取值范圍,x屬于某一可拓集合M的程度用K(x)>0來表示,不屬于可拓集合M的程度用K(x)<0表示,x既屬于集合M又不屬于集合M則用K(x)=0表示。由于礦區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同等級(jí)的取值是一個(gè)正域有限區(qū)間,故選用可拓集合為正域有限區(qū)間的關(guān)聯(lián)函數(shù):

      設(shè)x屬于正域有限區(qū)間(a,b),x∈(-∞,+∞),M∈x,

      (1)

      當(dāng)M=a時(shí),

      (2)

      當(dāng)M=b時(shí),

      (3)

      2.3.2 研究區(qū)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算及排序

      以宜耕地面坡度為例計(jì)算指標(biāo)關(guān)聯(lián)度,其地面坡度標(biāo)準(zhǔn)值為0.84,宜耕適宜性等級(jí)區(qū)間為[0.88,1),[0.72,0.88),[0.4,0.72),[0,0.4),因此地面坡度關(guān)聯(lián)度K計(jì)算為:

      宜耕、宜園、宜林、宜漁評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果如表5所示。

      表5 宜耕、宜園、宜林、宜漁評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度Table 5 Correlation of suitability evaluation indexes of cultivated land, garden, woodland and fishery

      從表中可知,橫向上相同指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度對(duì)不同的適宜性等級(jí)是不相同的,而縱向上,對(duì)于相同等級(jí)的相關(guān)性,不同的指標(biāo)是不一樣的;對(duì)于同一適宜性等級(jí),對(duì)應(yīng)著多個(gè)最大關(guān)聯(lián)度,但最大相關(guān)值或相同或不同,關(guān)聯(lián)值相同說明評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于復(fù)墾適宜性的影響程度相同,關(guān)聯(lián)值不同則說明對(duì)復(fù)墾為耕地的適宜性,評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性有差異。各指標(biāo)重要性排序如下:

      宜耕:灌溉條件=土壤質(zhì)地=排水條件>有效土層厚度>田面平整度>地面坡度>有機(jī)質(zhì)含量;

      宜園:灌溉條件=土壤質(zhì)地=排水條件>地面坡度>田面平整度;

      宜林:土壤質(zhì)地>地面坡度>有機(jī)質(zhì)含量;

      宜漁:灌溉條件=土壤質(zhì)地>地面坡度。

      2.3.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

      依據(jù)各適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度使用AHP構(gòu)造判斷矩陣,確定各指標(biāo)的權(quán)值,并進(jìn)行一致性判斷檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果<0.1,具有很好的一致性。各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值如表6所示。

      表6 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值Table 6 Weights of evaluation indexes

      2.4 適宜性的模糊綜合評(píng)價(jià)

      根據(jù)隸屬度理論,將受多種因素制約的研究對(duì)象在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上定量評(píng)價(jià)的一種綜合評(píng)標(biāo)方法稱為模糊綜合評(píng)價(jià),其結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng),針對(duì)模糊的、難以量化的問題易于解決。基本步驟如下:

      1)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)集(U),即目標(biāo)事物各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合:

      U={u1,u2,u3,…,un} .

      2)構(gòu)建評(píng)價(jià)等級(jí)集(V),按照上述分析,高度適宜、中度適宜、勉強(qiáng)適宜和不適宜四個(gè)適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)用如下集合表示:

      V={v1,v2,v3,v4} .

      3)構(gòu)建權(quán)重向量(W),即各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的集合:

      W={w1,w2,w3,…,wn} .

      4)構(gòu)建模糊關(guān)系評(píng)價(jià)矩陣(R)。

      5)求出模糊評(píng)價(jià)結(jié)果集(F)后作歸一化處理得出結(jié)果集(F′),按照最大隸屬度原則判斷評(píng)價(jià)目標(biāo)的等級(jí)。

      F=WR={f1,f2,f3,f4} .

      (4)

      在最終評(píng)判集綜合評(píng)分時(shí),設(shè)V={v1,v2,v3,v4}中v1,v2,v3,v4分別等于4、3、2、1。

      (5)

      哪個(gè)等級(jí)vi值與計(jì)算出的H的值相近,那么評(píng)價(jià)等級(jí)即為i級(jí)。

      適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果及分析。文中選擇“梯形”隸屬函數(shù)來計(jì)算王莊礦土地適宜性指標(biāo)的隸屬度,以宜耕適宜性評(píng)價(jià)的模糊關(guān)系矩陣R1為例構(gòu)建評(píng)價(jià)模型:

      F1=W1·R1=(0.060,0.188,0.194,0.035,0.207,0.220,0.095)·R.

      同理:

      f2=0.888,f3=0.145,f4=0.017,

      對(duì)評(píng)判結(jié)果進(jìn)行歸一化處理得:F′=[0.448,0.466,0.076,0.009].

      根據(jù)最大隸屬原則,max(0.448,0.466,0.076,0.009)=0.466,于是研究區(qū)宜耕適應(yīng)性等級(jí)為中度適宜。

      改進(jìn)后:

      設(shè)V={v1,v2,v3,v4}中v1,v2,v3,v4分別等于4、3、2、1.

      得:HGeng=0.448×4+0.466×3+0.076×2+0.009×1=3.351.

      同理:HYuan=0.474×4+0.492×3+0.034×2+0×1=3.44.

      HLin=0.461×4+0.459×3+0.053×2+0.267×1=3.59.

      HYu=0.508×4+0.493×3+0×2+0×1=3.511.

      在符合最大隸屬度原則的基礎(chǔ)上,HGeng數(shù)值最靠近3,故而宜耕復(fù)墾的適宜性等級(jí)為“中度適宜”;HYuan數(shù)值最靠近3,因此宜園復(fù)墾的適宜性等級(jí)為“中度適宜”;HLin數(shù)值介于3與4之間,但更靠近4,從而宜林復(fù)墾的適宜性等級(jí)為“高度適宜”。HYu數(shù)值介于3與4之間,但更靠近4,所以宜漁復(fù)墾的適宜性等級(jí)為“高度適宜”。王莊煤礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示和王莊煤礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果見圖1。

      表7 王莊煤礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 7 Evaluation results of land reclamation suitability in Wangzhuang Mine

      綜上,評(píng)價(jià)結(jié)果中度適宜的是耕地和園地,高度適宜的是林地和漁業(yè),也就是說,林地、漁業(yè)是評(píng)價(jià)區(qū)土地復(fù)墾優(yōu)先考慮的方向,其次可以考慮復(fù)墾為耕地和園地;對(duì)宜耕方向來說,評(píng)判結(jié)果中高度適宜和中度適宜的隸屬度相差無幾,高度適宜0.448,中度適宜0.446。為遵循農(nóng)用地優(yōu)先原則,實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)全面發(fā)展以達(dá)到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的最佳效益,可以通過工程措施的改善以達(dá)到高度適宜的目的;采煤塌陷地坑洼不平,塌陷程度不同,且研究區(qū)內(nèi)積水區(qū)面積很大,因此可以將塌陷深度較大的片區(qū)及塌陷積水區(qū)復(fù)墾為高度適宜的漁業(yè)用地;其余土地在做土地復(fù)墾時(shí),包括黃土旱地、有林地、園地、未利用地分布區(qū),可優(yōu)先考慮恢復(fù)為高度適宜的林地及中度適宜的耕地和園地。

      圖1 王莊煤礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.1 Results of suitability evaluation of land reclamation in Wangzhuang Mine

      3 結(jié)論

      從礦區(qū)土地破壞現(xiàn)狀出發(fā),研究并建立了土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,運(yùn)用可拓學(xué)理論和模糊數(shù)學(xué)對(duì)王莊礦進(jìn)行了土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)。主要結(jié)論如下:

      1)根據(jù)王莊礦土地破壞情況,從宜耕、宜園、宜林、宜漁四個(gè)方向建立了研究區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)等級(jí)。

      2)運(yùn)用可拓學(xué)理論的關(guān)聯(lián)函數(shù),進(jìn)行各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算。得出了各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)相應(yīng)復(fù)墾方向的影響程度。

      3)通過AHP確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,再選擇梯形分布的隸屬函數(shù)來計(jì)算指標(biāo)的隸屬度,引用模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建了王莊礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)模型。

      4)研究區(qū)耕地、園地復(fù)墾的適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果同為中度適宜,林地、漁業(yè)復(fù)墾為高度適宜;對(duì)于塌陷深度較大的片區(qū)及塌陷積水區(qū)采用漁業(yè)復(fù)墾;對(duì)于其他土地,結(jié)合原土地利用類型,土地復(fù)墾時(shí)可優(yōu)先考慮林地、耕地和園地。

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