南水北調中線京石段工程臨時占地復墾適宜性評價方法研究

楊亞倫 ，戴 梅

（1.華中科技大學，武漢 430074；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

南水北調中線京石段工程臨時占地復墾適宜性評價方法研究

楊亞倫1，2，戴 梅2

（1.華中科技大學，武漢 430074；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

南水北調中線京石段工程實施中，對臨時占地均遵循規定采取了不同的復墾措施，目前復墾已基本完成。開展臨時占地復墾適宜性評價，有助于全面了解該工程實施中占用農、林地的復墾情況和復墾效果，并根據實際情況及時提出完善措施，以切實保護土地，實現和諧發展、可持續發展。文中對臨時占地復墾適宜性評價的多種方法進行了比較，探討了人工神經網絡評介法的特點，并采用ANN方法對南水北調中線工程典型臨時占地復墾進行了適宜性評價，認為該方法可以為科學管理、提高土地生產力提供有效的技術參考。

南水北調；臨時占地；復墾；評價；方法

土地復墾是指對在工程建設過程中，因挖損、塌陷、占壓等造成破壞的土地，采取工程、生物等整治措施，使其恢復到可供利用狀態的活動。臨時占地復墾是在工程建設過程中，因交通運輸、施工生活、生產加工、取土、開挖、棄土（泥、渣）等臨時用地對土地造成了破壞，通過采取整治措施，使其恢復到可利用狀態的活動。

南水北調中線工程土地復墾是指臨時占地，占壓類型為工程進場道路占地、施工輔道占地、取土料場占地、渠道開挖臨時堆土占地、棄土棄渣占地、施工工區中混凝土拌合場和生活區占地等。該渠段臨時占地中耕地園地約為臨時占地總面積的88.41%，這些農用地已均按原規模、原標準、恢復原功能的原則，結合工程施工的特點和不同臨時占地類型，劃分單元，提出了不同的復墾措施和設計。目前該段工程已接近竣工驗收，臨時占地復墾也已基本完成。因此對南水北調中線臨時占地復墾進行適宜性評價，將有助于全面了解南水北調中線京石段應急供水工程實施中占用農、林地的復墾情況和復墾效果，并根據實際情況及時提出完善措施，以切實保護土地，實現和諧發展、可持續發展。

1 京石段項目區自然環境概況

南水北調中線京石段應急供水工程起自石家莊古運河樞紐，止于北拒馬河中支南，途徑石家莊市新華區、正定、新樂，保定市的曲陽、定州、唐縣、順平、滿城、徐水、易縣、淶水和涿州12個縣（市、區），渠段總長227.391km。工程占地合計總征地面積為7820.60hm2，臨時占地為4474.07hm2，其中耕地、園地約為臨時占地總面積的88.41%。

項目區地理位置為東經114°25′～115°47°， 北緯38°06′～39°30′，大體為南北向狹長地帶地形西高東低，南高北低，南北地面高程在90～60m范圍，西側為太行山迎風山區，東側為山前平原或坡水區。屬北溫帶季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季秋高氣爽，冬季寒冷少雪。石家莊至唐縣以南及南拒馬河以北渠段為傾斜平原地貌區；唐縣以北至南拒馬河渠段為丘陵地貌區。有耕地、林地、園地、其他農用地（坑、塘）、建設用地（磚窯）等。土壤類型多數為黃土狀壤土。

2 土地復墾評價的技術路線

2.1 復墾評價原理

復墾評價就是對土地復墾綜合因素進行定量、定性評述。定量評價必須以國家規定的土地復墾標準為依據，將土地復墾的評價因素轉化為定量的可比數值進行評價。定性評價是指土地復墾對生態環境、社會影響及國民經濟發展等方面作用的評估［2］。

復墾評價體系是由許多要素組成的綜合體。可能涉及水、土壤、植物和動物等組成的自然體，涉及人口、工業、農業、交通、公共設施和住宅等組成的社會體。這個綜合體不是水、土壤、工業、農業和其他組成要素的簡單總和，而是相互發生關系的有機組合。因此，土地復墾評價屬于多因素綜合評價，是一項難度很大的系統工程，并與土地、工業、農業、水保、環境、管理和經濟等諸多科學領域的知識相關聯。

2.2 復墾評價程序

復墾評價一般應貫穿于土地復墾工程的始終，按時間順序可劃分為復墾前的土地破壞狀況評價、復墾過程中的土地復墾技術評價、復墾后的土地復墾效果（適宜性）評價和效益評估。土地復墾評價程序見圖1。

圖1 土地復墾評價程序圖

2.3 復墾評價單元的劃分

項目區內待復墾土地適宜性評價單元的劃分，一般以生產地段和地塊作為評價單元。南水北調中線工程臨時占地土地復墾可按道路占地、施工輔道占地、取土料場占地、渠道開挖臨時堆土占地、棄土棄渣占地、施工工區中混凝土拌合場和生活區占地等劃分為7類評價單元。

3 臨時占地復墾適宜性評價方法

基于土地復墾評價這一系統工程的復雜性、可操作性和工程實際需求，對南水北調中線工程情況深入分析認為，京石段應急供水工程臨時占地破壞不同于礦區塌陷、露天采礦等工程，臨時占地具有點多、面小、污染輕微、復墾分散，基本不涉及各市縣區域內氣候、生物、動物、畜牧和區域社會環境等特點，遵循復墾原則和技術，保證復墾質量與耕種效果，及時退還占地是其關鍵線路。臨時占地復墾后的土層厚度、坡度及土壤的結構及其侵蝕能力、污染度、有機質、pH值和耕作灌溉條件等因素基本決定了重新耕種的適宜性。所以，南水北調中線京石段應急供水工程臨時占地復墾評價宜按上述土地復墾評價程序做出簡化，并以多因子適宜性效果綜合評價為目標，取得實用性的評價效果。

3.1 復墾適宜性評價方法比選

臨時占地復墾多因子適宜性綜合評價，目前可借鑒的評價方法主要有專家評價法、經驗判斷指數和法、極限條件法、多因素模糊綜合評價法等。

3.1.1 專家評價法

專家評價法是以評價者的主觀判斷為基礎的一種評價方法，是將專家們作為索取信息的對象，組織相關學科領域的專家使用專業經驗和理論對綜合環境要素進行評價的方法。其最大特點在于對一些難以用數學模型定量化的因素，在缺乏足夠統計數據和原始資料的情況下，可以做出半定量估計。但這種方法必須反復征求多個專家的意見，過程拖延的時間較長。

3.1.2 經驗判斷指數和法

經驗判斷指數和法是根據經驗去判斷參評因素權重，并進行土地評價的一種方法。其評價步驟是以調查訪問和當地多年生產經驗為依據選定參評因素，并確定各參評因素的權重。然后按土地評價單元累加各參評因素的指數獲得指數和。最后再對照事先設定的不同土地等級指數范圍，評定各土地評價單元的土地適宜性等級。這種方法要求評價人員具有豐富的經驗。

3.1.3 極限條件法

極限條件法是基于系統工程中“木桶原理”即分類單元的最終質量取決于條件最差的因子的質量。模型為：

式中 Yi為第i個評價單元的最終分值；Yij為第i個因素中第j參評因子的分值。

這種方法在進行土地復墾的適宜性效果評價時具有一定的局限性，土地復墾在一定程度上就是對這些限制因素的改進，使其適宜作物的生長。

3.1.4 多因素模糊綜合評價法

模糊綜合評判法是模糊數學中最基本的數學方法之一，該方法是以隸屬度來描述模糊界限的。由于評價因素的復雜性、評價對象的層次性、評價標準中存在的模糊性及評價影響因素的模糊性或不確定性、定性指標難以定量化等一系列問題，使人們難以用絕對的“非此即彼”來準確描述客觀現實，經常存在著“亦此亦彼”的模糊現象，其描述也多用自然語言來表達，而自然語言的最大特點是模糊性，且這種模糊性很難用經典數學模型加以統一量度。因此，建立在模糊集合基礎上的模糊綜合評判方法，從多個指標對被評價事物隸屬等級狀況進行綜合性評判，把被評判事物的變化區間做出劃分，一方面可以顧及對象的層次性，使得評價標準、影響因素的模糊性得以體現；另一方面在評價中又可以充分發揮人的經驗，使評價結果更客觀，符合實際情況。模糊綜合評判可以做到定性和定量因素相結合，擴大信息量，使評價數度得以提高，評價結論可信。

3.1.5 人工神經網絡（ANN）評價法

人工神經網絡是基于模仿生物大腦的結構和功能而構成的一種信息處理系統或計算機，簡稱神經網絡，簡寫為ANN（Artificial Neural Network）。人工神經網絡的基本構架是模仿生物的神經細胞，分為輸入層、隱含層和輸出層3層。每一層包括若干代表處理單元的點。輸入層的節點負責接收外在信息（如圖1）不同于人腦的輸入，人工神經網絡所接收的輸入信息是各種變量的數量化信息，一個輸入變量對應一個輸入節點。隱含層的節點負責處理輸入層傳來的信息，并轉化為中間結果傳遞給輸出層。而輸出層的節點就以隱含層傳來的信息與門檻值比較后，得到系統的最后結果，并將結果輸出。

與傳統的統計方法相比，人工神經網絡具有以下特點：

（1）具有自我組織與學習能力；

（2）可以描述輸入資料中變量間的非線性關系；

（3）可以依據樣本和環境的變化進行動態調整。

由于南水北調中線工程臨時占地復墾往往存在著非線性關系，因此人工神經網絡比較適用于南水北調中線工程臨時占地復墾適用性評價。

3.2 人工神經網絡模型的建立

3.2.1 人工神經元模型概念

神經網絡系統是由大量的、同時也是很簡單的處理單元（或稱神經元）廣泛地互相連接而形成的復雜網絡系統。它反映了人腦功能的基本特性：學習、歸納和分類。但它并不是人腦神經網絡系統的真實寫照，而只是對其作某種簡化、抽象和模擬，這也是現實情況所能做到的，是目前神經網絡研究的基本出發點。神經元是神經網絡中最基本的處理單元。從神經元的特性和功能可以知道，神經元是一個多輸入單輸出的信息處理單元，而且，它對信息的處理是非線性的。根據神經元的特性和功能，可以把神經元抽象為一個簡單的數學模型。工程上用的人工神經元模型如圖2所示。

圖2 人工神經元結構圖

圖2中，X1，X2，……，Xn表示神經元的輸入（是其他神經元的輸出）；W1，W2，……，Wn表示想互聯接的神經元之間的聯接強度（或權重）；θ表示其閥值；y表示經過該神經元處理后的輸出值。通常每個神經元的輸出值只有一個，但可以聯接到其他多個神經元，作為其他神經元的輸入。神經元的這種輸入輸出關系可表示為：

3.2.2 人工神經網絡的基本結構

人工神經網絡是建立以權重描述變更與目標之間特殊的非線性回歸分析。它的基本結構單元為神經元，神經元按層次結構的形式進行組織，每層上的神經元以加權方式與其他層上的神經元連接，構成神經網絡，其特點是輸入層與隱含層，隱含層與輸出層每個節點的作用是相互的，這與常規的模式識別技術有本質不同［4］（如圖3所示）。

圖3 標準樣本3層網絡結構圖

在神經網絡模型中，其中最具代表意義和廣泛用途的是BP神經網絡模型。BP神經網絡模型是由輸入層、輸出層和若干個隱含層組成的前向連接模型，同層各神經元互不連接，相鄰層的神經元通過權連接。多層反向傳播算法（BP算法）是常用的神經網絡算法，其原理見有關的文獻介紹，這里不再贅述。

4 ANN模型用于復墾土地適宜性評價

4.1 復墾土地適宜性分級標準的確定

根據人工神經網絡（ANN）評價法原理，南水北調中線復墾土地適宜性評價系統選取坡度、有效土層厚、土壤流失量、有機質含量、全磷含量、陽離子交換量6個指標作為適宜性評價因子，并將土地適宜分為4級，見表1，同時給出了ANN標準樣本對應于各分級的期望值。

表1 土地適宜性分級標準

4.2 網絡標準樣本的確定

將表1數據作為網絡模型的標準樣本。網絡為3層結構，6個輸入神經分別對應坡度、有效土層厚、土壤流失量、有機質含量、全磷含量和陽離子交換量，輸出神經元為適宜性分級。圖3是標準樣本形成的3層網絡結構圖。設計參數為：各層節點6－5－1，學習步長0.6，動量項為0.8，允許誤差≤0.0001。 計算時，將屬于2級和3級的范圍值，以上限值和下限值求得平均值后，經過線形交換，將原始數據標準化（－1～1）后輸入網絡。用標準樣本的網絡模型對表2樣本數據進行計算，表2中右側兩列為模型的計算和評價結果。

表2 部分臨時用土土壤特性調查和化學分析結果

4.3 模擬結果和實際情況對比

用標準樣本的網絡模型對表2的樣本數據進行模擬計算，結果見表2中的右兩列數據。從網絡模型輸出結果看出，對于10個臨時用地點，5個樣點土地適宜性為1級，2個樣點土地適宜性接近2級，3個樣點土地適宜性為3級，網絡模型的模擬結果和實際情況基本一致。

5 結語

南水北調中線臨時占地使用時間短，破壞不大，但點多、面小、分散，且涉及到的許多因素和因子具有很大的模糊性。采用ANN模型，依據分級標準對南水北調中線臨時占地復墾進行適宜性評價，網絡模擬結果和實際情況基本一致。因此采用該方法對土地復墾適宜性進行評價，可以

有效評價復墾效果，快速為科學管理提供技術參考。

［1］河北省水利水電勘測設計研究院.南水北調中線京石段應急供水工程石家莊至北拒馬河段棄土棄渣場地變更報告［R］.2007.

［2］陳龍乾.土地復墾評價探討［J］.礦山測量，1996（1）.

［3］郭建一.礦山土地復墾技術與評價研究［D］.長春：東北大學，2009.

［4］袁曾任.人工神經元網絡及其應用［M］.北京：清華大學出版社，1999.

［5］戴文站.基于三層BP網絡的多指標綜合評估方法及應用［J］.系統工程理論與實踐，1999，19（5）.

［6］劉靜，李建學.土地復墾整理可行性研究中的土地適宜性評價［J］.陜西農業科學，2007（1）.

［7］張靜，寥鐵軍.土地整理中的土地適宜性評價研究［J］.西南農業大學學報，2009（4）.

［8］張紅日，牛興麗，石瀟，等.橫河礦區沉陷土地復墾利用的模糊綜合評價［J］.山東科學大學報，2008（5）.

［9］潘大豐，李群.人工智能網絡多指標評價方法研究［J］.農業系統科學與綜合研究，1999，15（2）.

［10］樓順天.基于MATLAB系統分析與設計－神經網絡［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1998.

The Middle Route of the South－to－North Water Transfer Project Temporary Occupying Land Area Reclamation Appraisal Method Studying

YANG Ya－lun1，2，DAI Mei2
（1.Huazhong University of Science ＆ Technology，Wuhan 430074， China；2.Hebei Research Institute of Investigation ＆Design of Water Conservancy ＆ Hydropower，Tianjin 300250， China）

The middle route of the South－to－North water transfer project， follow the rules for temporary covers all adopted different reclamation measures， currently reclamation has been completed.Carry out temporary covers an area of reclamation the suitability， conduce to the overall understanding of the implementation of the project occupying farming， forest land reclamation and reclamation of results，and according to the actual situation of the propose timely perfect measures to effectively protect land， the realization of harmonious development and sustainable development.In the paper， the temporary covers an area of reclamation suitability of various methods are compared，and discusses the artificial neural network in land reclamation suitability of characteristics， and by using the method of Ann south－to－north water transfer project covers the typical temporary reclaimed the suitability， think this method can rapidly for scientific management， improve the land productivity provide effective technical reference.

South－to－North Water Transfer Project；temporary land use；land reclamation；evaluation；methods

TV212.5

A

1672-9900（2011）01-0048-04

2010－12－15

楊亞倫（1962－），男（漢族），河北石家莊人，正高級工程師，主要從事非傳統水資源、工程移民、綠色能源和水利水電工程設計研究工作，（Tel）022－26327689。