基于可拓法的高潛水位礦區復墾潛力評價

何廳廳 趙艷玲 石娟娟 王亞云 劉亞萍 冉艷艷

（中國礦業大學（北京）土地復墾與生態重建研究所，北京市海淀區，100083）

我國土地資源緊缺，大量礦產資源開采、非農業生產等造成了大量土地資源的占用和破壞，這種現象在我國東部高潛水位平原礦區尤為嚴重，采礦塌陷土地積水周期長、水位深，加劇了土地資源嚴重不足的緊張局面。為了恢復高潛水位礦區土壤的可耕作性，促進礦區經濟與環境協調發展，土地復墾研究勢在必行。目前，國內外的土地復墾技術研究主要集中在破壞后土地治理技術方面，對土地復墾潛力的研究較少。傳統的土地復墾潛力評價方法有層次分析法和模糊綜合評價法，這些方法是將評價指標硬性分類，再根據決策者的經驗判斷給予數量化，劃分出的等級也帶有模糊性。近年來物元模型已成功運用到地質、工業、農業、經濟等領域實際對象的評價和識別中，但應用于礦區復墾潛力評價的研究較少。本文以我國東部高潛水位平原某礦區為例，針對其塌陷土地積水嚴重的特點，構建了基于可拓法的高潛水位礦區復墾潛力評價模型。

1 基于可拓法原理

1.1 可拓法原理

可拓學是用形式化的工具，從定性和定量的兩個角度去研究和解決矛盾問題的規律和方法?？赏胤ㄊ且环N以可拓學中物元模型、可拓集合和關聯函數為基礎的系統理論方法，通過建立多指標參數的綜合評判模型來描述矛盾問題，通過建立關聯度函數對事物質變和量變進行定量描述，并以定量的數值表示評定結果，從而能較完整的反映事物質量的綜合水平。

1.2 可拓法基本步驟

1.2.1 確定待評物元

給定事物的名稱N，它關于特征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，簡稱物元。若事物N有n個特征對應有n個量值則可以表示為：

設事物N有m個評定等級（以j＝1，2，3，…m表示），則相應的事物特征和評定等級的標準量值范圍組成的物元矩陣稱為經典域，記為R0；由經典物元加上可以轉化為經典物元的事物及其特征和此特征相應拓廣了的量值范圍而組成的矩陣稱為節域RP。

式中：cn——物元特征；

αji——經典物元特征量值的上限值；

βji——經典物元特征量值的下限值；

αpi——節域物元特征量值的上限值；

βpi——節域物元特征量值的下限值。

1.2.2 求權系數

權系數是對評價指標重要程度的量化系數，它的大小直接影響評價結果的精確性。常用的權系數求解方法有濃度超標法、專家打分法、層次分析法、因子污染貢獻率法和關聯函數法等。根據實際情況可以選用不同的計算方法，本文權系數計算公式：

式中：wij——第i個指標關于等級j的權系數；

vij——第i個指標關于等級j的臨界值。

1.2.3 計算關聯度

由關聯函數可以得到待分類對象N第i個特征值vi關于等級j的關聯度為：

式中：Sij——有界區間的模；

P（vi，Sij）——點到區間的距離。

待分類對象N關于等級j的關聯度為：

由此算得待分類對象N關于不同等級的關聯度 ｛K1，K2，K3，…，Km｝，根據最大關聯度原則，即可確定待分類對象的所屬等級，且其定量值可以反映待分類對象屬于該等級的程度。

2 實例分析

2.1 礦區概述

該礦區位于山東省西南部，地處黃淮海平原，屬于東部高潛水位地區，潛水位埋深約為2 m，該礦區地形平坦，地勢略呈西高東低，地面標高41.60～45.38 m，自然坡度為0°～2.5°，以緩平坡地面積最大。礦區歷年平均降水量為694.7 mm，降雨多集中在7－8月份。礦區面積為67.19 km2，利用MSPS沉陷預計軟件和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，季節性積水面積為1.23 km2，常年積水面積為0.97 km2。假設其他因素在預測期內變化幅度不大，結合預計塌陷數據對該煤礦2025年的塌陷地進行耕地復墾潛力評價。

2.2 評價因子的選擇

由于潛水位埋深較高，采煤塌陷會造成土地常年積水或季節性積水，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，在塌陷區邊緣地帶形成坡地，導致水土流失加劇。所以在確定高潛水位采煤塌陷地復墾成耕地的潛力影響因子時，除了考慮一般地區的影響因子，還應包含能夠反映高潛水位塌陷地破壞特征的指標。根據礦區的實際情況，參照《耕地后備資源調查與評價技術規程》，結合已有研究成果，將礦區塌陷地復墾潛力影響因子分為兩級，一級影響因子選取地形改造條件、土壤條件、水文地理條件、社會經濟條件。一級影響因子所包含的二級影響因子及其評價等級劃分標準見表1。

表1 復墾潛力等級評價標準

2.3 數據處理

由于各指標的量化值所在區間存在一定差異，有的評價指標數值越小代表復墾潛力越大，有的則是數值越大代表復墾潛力越小，且各指標的單位不盡相同，為統一量綱，采用標準區間法對各評價指標分級標準進行無量鋼化，結果見表2。

表2 標準化后的復墾潛力等級標準

2.4 建立物元矩陣

根據經典域和節域定義，由表2可得高潛水位礦區復墾潛力分級標準物元矩陣

待評單元T1的數據如下：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，土壤質地為砂壤，有機質含量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%，地理位于沿海農村，降雨量為694.7 mm／a，灌溉條件較好，人均耕地1.8畝。待評單位經無量鋼化后物元矩陣為：

根據公式（4），求得各指標的權重系數，見表3。根據公式（5）和公式（6）算得各評價單元與不同評價等級間的多指標綜合關聯度，根據關聯度最大原則，確定各評價單元的復墾潛力等級，見表4。

從表4中可以看出，評價單元T1的關聯度最大值為－0.008，復墾潛力等級II。分析其參評指標可知，I級指標占15%，II級62%，III級23%，因此，將其土地復墾潛力定為II級合理。對5個評價單元的關聯度比較可知，各關聯度最大值與1的差距均很大，說明5個評價單元的指標值與對應級別的標準下限較接近。根據關聯度值可以確定5個評價單位耕地復墾潛力大小為：T3＞T1＞T2＞T4＞T5。為驗證該方法在土地復墾潛力評價中的可行性，應用傳統的模糊綜合法對該礦區進行土地復墾潛力評價，結果見表4，比較兩種評價方法，結果保持一致。表明可拓法應用于高潛水位礦區復墾評價是可行的，且結果更符合實際情況。

表3 權系數

表4 評價單元的關聯度

3 結論

（1）可拓法計算簡便、結果直觀，是一種操作性很強的系統評價方法。針對我國東部礦區高潛水位，塌陷土地嚴重積水的情況，構建評價指標體系，引入可拓法對其進行土地復墾潛力評價，并與傳統的模糊綜合法比較，結果具有一致性，表明可拓法在高潛水位礦區復墾潛力評價中，不僅適用，且結果更加科學合理。

（2）礦區土地復墾潛力評價結果顯示，1個評價單元的土地復墾潛力等級為I級，其他4個土地復墾潛力等級均為II級，且T3、T4、T5的綜合關聯度靠近I級，有向I級發展的趨勢，因此，可以認為該礦區塌陷土地復墾成耕地的潛力大，在進行土地復墾時復墾方向應多傾向于耕地。

［1］付薇.礦區生態環境綜合治理協同機制與對策研究［D］.中國地質大學（北京），2010

［2］許軍，李笑一，孫彩敏.我國礦區土地復墾的主要問題及其對策 ［J］.中國煤炭，2010（12）

［3］王歡.基于金屬礦山土地復墾適宜性評價系統的研究與開發 ［D］.中南林業科技大學，2010

［4］劉文生，韓彩娟.模糊綜合評價法在礦區塌陷土地復墾潛力評估中的應用 ［J］.環境工程學報，2008（12）

［5］張紅濤，毛罕平.四種客觀權重確定方法在糧蟲可拓分類中的應用比較 ［J］.農業工程學報，2009（1）

［6］袁金麗，吉海彥，郭志濤.可拓工程方法在儲糧害蟲分類識別中的應用研究 ［J］.農業工程學報，2004（5）

［7］黃祥志，佘成學.基于可拓理論的圍巖穩定分類方法的研究 ［J］.巖土力學，2006（10）

［8］艾英旭.建筑設計創新可拓優度評價方法 ［J］.北京工業大學學報，2010（7）

［9］李映紅，陶占盛，秦喜文等.基于組合賦權法的地質災害可拓學評價模型研究 ［J］.哈爾濱工業大學學報，2011（11）

［10］蔡文.可拓學概述 ［J］.系統工程理論與實踐，1998（1）

［11］吳迪，趙華，李鋼.江蘇省徐州市工礦廢棄地復墾潛力評價研究 ［J］.中國煤炭，2013（8）

［12］蔡利平，李鋼，孫久運等.采煤塌陷區土地復墾適宜性評價單元劃分研究 ［J］.中國煤炭，2011（12）