GIS支持下的工礦廢棄地復(fù)墾利用方案決策研究——以湖北省黃石市陽新縣七約山礦區(qū)為例

彭玉玲, 林愛文, 王 珂, 劉鳳蓮, 趙 琮, 楊 倩

(1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430079; 2.教育部地理信息系統(tǒng)重點實驗室,

湖北 武漢 430079; 3.測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 430079)

GIS支持下的工礦廢棄地復(fù)墾利用方案決策研究——以湖北省黃石市陽新縣七約山礦區(qū)為例

彭玉玲1,2, 林愛文1,2, 王 珂3, 劉鳳蓮1,2, 趙 琮1,2, 楊 倩1,2

(1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430079; 2.教育部地理信息系統(tǒng)重點實驗室,

湖北 武漢 430079; 3.測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 430079)

摘要：[目的] 探討土地復(fù)墾評價及其方案決策方法。[方法] 在借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對工礦廢棄地復(fù)墾利用的特點，將特爾斐法、層次分析法(AHP)與GIS技術(shù)相結(jié)合，選擇湖北省黃石市陽新縣七約山礦區(qū)進行實證研究。[結(jié)果] 界定了工礦廢棄地的內(nèi)涵，建立了試驗區(qū)數(shù)字高程模型，提出了評價的指標(biāo)體系，確定了宜耕、宜園、宜林、宜草的復(fù)墾方向，較好地解決了以往土地復(fù)墾研究中較難克服的由于數(shù)據(jù)精度引起的決策偏差等問題。[結(jié)論] 該研究數(shù)據(jù)時效性和精度較高，研究模型簡單實用，研究結(jié)果通過實際操作證實誤差較小，研究方法具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：工礦廢棄地; 復(fù)墾利用; 方案決策; 適宜性評價; GIS

廢棄地復(fù)墾有利于我國土地資源的保護和合理利用，有利于改善生態(tài)環(huán)境，提升土地資源的綜合承載能力。土地適宜性評價主要評定土地對于某種利用方式的適宜程度，它是進行土地利用決策和確定土地利用方向的基礎(chǔ)和依據(jù)。目前，一些學(xué)者對土地復(fù)墾評價及其方案決策進行了多方面的探討。以土地復(fù)墾為主題的研究主要圍繞基礎(chǔ)理論研究[1-2]、重金屬污染評價[3]、土壤質(zhì)量評價[4]、生態(tài)景觀變化研究[5]、復(fù)墾模式研究[6]、評價方法研究[7]等內(nèi)容開展；以工礦廢棄地為主題的研究主要圍繞重金屬污染評價[8]、生態(tài)修復(fù)與重建研究[9-10]、復(fù)墾利用評價[11]等內(nèi)容開展；以土地復(fù)墾適宜性評價為主題的研究主要圍繞評價方法的選擇[12]、評價模型的構(gòu)建[13]等內(nèi)容開展；以土地復(fù)墾方案決策為主題的研究主要圍繞理論研究[14]等內(nèi)容開展；此外，還包括一些具體案例的應(yīng)用等研究[15]；在研究內(nèi)容上已初步形成了較完整的理論體系。研究方法上，也逐步向與GIS結(jié)合的動態(tài)模型化與空間決策化方向發(fā)展[16]。但目前針對GIS與傳統(tǒng)方法相結(jié)合應(yīng)用于工礦廢棄地復(fù)墾利用適宜性評價，并用以指導(dǎo)復(fù)墾方案決策的研究較少[17]，且缺乏針對工礦廢棄地的特色開展的研究，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精度和時效性仍有待提高，研究方法的實用性和研究結(jié)果的精確性也有待進一步檢驗。

工礦廢棄地的概念目前沒有較統(tǒng)一的界定。張麗芳，濮勵杰，涂小松等[18]認為，廢棄地是在各種類型土地的利用過程中，隨著人類活動的停止而使得已經(jīng)使用或開發(fā)的土地目前處于閑置、遺棄或未被完全使用的特殊狀態(tài)，且該類土地需要經(jīng)過一定的治理才能投入將來的再次使用；王笑峰，蔡體久，張思沖等[8]認為，工礦廢棄地是指在工業(yè)生產(chǎn)和礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程所形成的固體廢棄物排放場以及廢棄的采礦場；王向榮，任京燕等[19]認為，工業(yè)廢棄地指曾為工業(yè)生產(chǎn)用地和與工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的交通、運輸、倉儲用地，后來廢置不用的地段，如廢棄的礦山、采釘場、工廠、鐵路站場、碼頭、工業(yè)廢料傾倒場等等。本研究認為，工礦廢棄地是在工業(yè)生產(chǎn)和礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程中由于壓占、塌陷、挖損、污染等損毀形成的閑置和廢棄土地，包括露天采場、排土場、廢石場、矸石場、尾礦場、廢渣堆、塌陷區(qū)、地面沉降變形區(qū)、重金屬污染損毀地以及交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施廢棄地。

工礦廢棄地復(fù)墾利用，是將歷史遺留的工礦廢棄地以及交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施廢棄地加以復(fù)墾，在治理改善礦山環(huán)境基礎(chǔ)上，與新增建設(shè)用地相掛鉤，盤活和合理調(diào)整建設(shè)用地，確保建設(shè)用地總量不增加，耕地面積不減少、質(zhì)量有提高的措施。

在工礦廢棄地復(fù)墾利用決策研究中，需要統(tǒng)籌考慮表土層質(zhì)地、表土層厚度、有機質(zhì)含量、水分條件、地形坡度、土地污染程度、損毀程度、復(fù)墾難易程度之間密切的聯(lián)系。為了科學(xué)客觀地進行工礦廢棄地復(fù)墾利用適宜性評價和復(fù)墾方案決策，本研究將特爾斐法和層次分析法(AHP)相結(jié)合，提出一種能描述各評價因子復(fù)雜組織關(guān)系的數(shù)學(xué)模型與計算方法。GIS方法的應(yīng)用將使數(shù)據(jù)的分析和處理更方便快捷，也使復(fù)墾方案的制定和表達更精準(zhǔn)、更清晰。多種方法的交叉應(yīng)用能同時定性、定量、定位地評估、比較和判斷工礦廢棄地復(fù)墾利用的適宜性，并便于準(zhǔn)確合理地進行規(guī)劃方案的決策。

1研究區(qū)概況

七約山礦區(qū)位于湖北省黃石市陽新縣金海煤炭開發(fā)管理區(qū)內(nèi)，行政區(qū)劃屬陽新縣管轄。礦區(qū)中心地理位置位于東經(jīng)115°11′22.5″，北緯30°05′20″。研究區(qū)工礦廢棄地總面積為282.77 hm2，其中主要包括由于歷史原因無法確定土地復(fù)墾義務(wù)人的工礦廢棄地，國有礦山企業(yè)遺留的工礦廢棄地，因礦產(chǎn)資源開采受到嚴(yán)重影響的損毀地，閑置工礦用地，交通、水利設(shè)施廢棄地。

2數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于陽新縣國土資源局提供的2009年陽新縣第二次全國土地調(diào)查(簡稱“二調(diào)”)數(shù)據(jù)，2011年陽新縣統(tǒng)計年鑒，2011年陽新縣土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，2012年研究區(qū)實測地形數(shù)據(jù)，2013年研究區(qū)補測地形數(shù)據(jù)以及陽新縣土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)，陽新縣城市總體發(fā)展規(guī)劃(2011—2015年)等相關(guān)規(guī)劃數(shù)據(jù)。研究區(qū)現(xiàn)狀圖測量精度為1∶2 000，制圖比例尺為1∶5 000。對照“土地利用現(xiàn)狀分類(過渡期)”與“土地利用現(xiàn)狀分類(二調(diào))”的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將研究區(qū)域土地利用類型重新劃分為耕地、園地、林地、其他農(nóng)用地、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點、其他建設(shè)用地、水域、未利用地共9類，并將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為5 m×5 m 的柵格數(shù)據(jù)，基于ArcGIS 9.3，MapGIS 6.7，Surfer 10等工作平臺進行數(shù)據(jù)處理與空間分析。

3研究方法

工礦廢棄地復(fù)墾項目規(guī)劃設(shè)計應(yīng)在區(qū)域土地開發(fā)整理專項規(guī)劃和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境規(guī)劃的指導(dǎo)下開展，其基本內(nèi)容包括土地適宜性評價、項目規(guī)劃、設(shè)計與實施后評價等。本研究運用GIS的方法，通過對2009—2013年最新研究資料的收集和整理，以及對數(shù)據(jù)的分析和標(biāo)準(zhǔn)化處理，為研究提供準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并根據(jù)國家土地開發(fā)整理編制規(guī)程和土地復(fù)墾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工礦廢棄地特點，運用特爾斐法與層次分析法確定評價的因子、權(quán)重和等級，建立評價模型，運用研究區(qū)數(shù)字高程模型(digital elevation model， DEM)輔助評價和決策，并將評價結(jié)果用于指導(dǎo)規(guī)劃設(shè)計方案決策，本研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1　工礦廢棄地復(fù)墾利用方案決策技術(shù)路線

3.1　研究區(qū)DEM生成

利用研究區(qū)1∶2 000地形圖(1980年北京坐標(biāo)系，高斯克里格投影，等高距1 m)及最新補測高程數(shù)據(jù)，將地形圖中的等高線和高程點數(shù)據(jù)進行柵格化處理(柵格單元為5 m×5 m)，生成研究區(qū)數(shù)字高程模型，并將其與研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)疊加生成土地利用現(xiàn)狀三維效果圖，為研究區(qū)工礦廢棄地復(fù)墾利用適宜性評價、規(guī)劃設(shè)計方案決策以及工程量計算等提供依據(jù)。

3.2　待復(fù)墾土地評價單元劃分

考慮工礦廢棄地現(xiàn)狀、礦山生產(chǎn)進度以及土地損毀類型和程度，對礦區(qū)擬復(fù)墾土地的適宜性評價單元劃分為露天采場、矸石場、廢渣場、塌陷區(qū)、地面沉降變形區(qū)5種類型，并分別對5個單元的宜耕、宜園、宜林以及宜草地的等級進行定量評定。

3.3　參評因子的選擇

根據(jù)我國土地復(fù)墾相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的各類技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)量狀況，并針對工礦廢棄地復(fù)墾利用的特點，確定土地復(fù)墾適宜性評價中耕地方向、園地方向、林地方向和草地方向的影響因素分別為： (1) 耕地復(fù)墾方向。參評因子有：表土層質(zhì)地、表土層厚度、有機質(zhì)含量、水分條件、地形坡度、土地污染程度、損毀程度以及復(fù)墾難易程度。耕地復(fù)墾對土壤質(zhì)地的要求是評價耕地適宜性的重要指標(biāo)，土地的有害元素含量必須符合《農(nóng)、林、牧生產(chǎn)用地污染控制標(biāo)準(zhǔn)》。 (2) 園地復(fù)墾方向。參評因子包括：表土層質(zhì)地，有機質(zhì)含量，地形坡度，土地污染程度，損毀程度以及復(fù)墾難易程度等。 (3) 林地復(fù)墾方向。參評因子有：表土層條件，地形坡度，土地污染程度、損毀程度以及復(fù)墾難易程度等。 (4) 草地復(fù)墾方向。參評因子包括：表土層條件、有機質(zhì)含量、損毀程度以及復(fù)墾難易程度等作為主要參評因子。

3.4　評價因子權(quán)重確定與評價等級劃分

運用特爾斐法，通過多輪專家打分，進行各指標(biāo)相對重要性比較，并對各指標(biāo)權(quán)重值進行一致性檢驗，確定評價因子權(quán)重。根據(jù)《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)(TD/T1036—2013)》等相關(guān)規(guī)定要求，將土地復(fù)墾適宜性評價等級數(shù)劃分為3級，分別為：一級(比較適宜)、二級(勉強適宜)、三級(不適宜)。二級和三級兩等級之間反映的是復(fù)墾土地的利用方向之間的質(zhì)變過程，決定復(fù)墾土地的利用方向；一級、二級之間反映的是復(fù)墾土地的量變過程，決定復(fù)墾土地利用方向的優(yōu)劣。等級劃分的分值區(qū)間分別為：一級(評價分值在80～100分)，二級(評價分值在50～79.99分)，三級(評價分值在0～49.99分)。各評價因素的具體等級標(biāo)準(zhǔn)目前國內(nèi)外尚無精確的劃分值，由于二級和三級之間是復(fù)墾方向的質(zhì)變過程，其兩等級間各個評價因子的評價標(biāo)準(zhǔn)主要參考國家《農(nóng)、林、牧生產(chǎn)用地污染控制標(biāo)準(zhǔn)》及《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)(TD/T1 036—2013)》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)來確定。各復(fù)墾方向評價因子、權(quán)重及等級詳見表1—4。

3.5　評價模型建立

根據(jù)確定的各因素、因子不同級別的得分值A(chǔ)與權(quán)重B，建立評價土地質(zhì)量綜合分值的數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：C——適宜性評價的綜合得分值； Ai——某單元第i參評因子分值； Bi——第i參評因子權(quán)重； n——評價因素因子的個數(shù)。

表1　耕地復(fù)墾方向的參評因子、權(quán)重及等級

表2　園地復(fù)墾方向的參評因子、權(quán)重及等級

表3　林地復(fù)墾方向的參評因子、權(quán)重及等級

表4　草地復(fù)墾方向的參評因子、權(quán)重及等級

4評價結(jié)果與方案決策

利用ArcGIS的重分類功能，根據(jù)《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)(TD/T1036—2013)》和《農(nóng)、林、牧生產(chǎn)用地污染控制標(biāo)準(zhǔn)》等有關(guān)規(guī)定要求，將土地復(fù)墾適宜性評價結(jié)果劃分為3級，根據(jù)級別標(biāo)準(zhǔn)，選擇最優(yōu)者為各評價單元土地復(fù)墾適宜方向，研究區(qū)工礦廢棄地復(fù)墾利用適宜方向統(tǒng)計結(jié)果詳見表5。由表5可以看出，5個評價單元復(fù)墾方向分別為：露天采場復(fù)墾為耕地，面積為21.07 hm2；矸石場復(fù)墾為耕地、園地、林地，面積分別為233.47，6.25，11.55 hm2；廢渣場復(fù)墾為耕地，面積為10.23 hm2；塌陷區(qū)復(fù)墾為耕地，面積為0.10 hm2；地面沉降變形區(qū)復(fù)墾為耕地，面積為0.10 hm2。研究區(qū)工礦廢棄地復(fù)墾方向以耕地為主，共計264.97 hm2，主要布局在地勢較平坦、水分和土壤條件較好，且損毀程度小、復(fù)墾難度較小的地區(qū)，可通過簡單的工程措施、物理措施、化學(xué)措施和生物措施等改良方法，改善土壤條件，提高研究區(qū)工礦廢棄地復(fù)墾利用效果。

表5　研究區(qū)工礦廢棄地復(fù)墾利用方向

項目規(guī)劃設(shè)計和方案決策就是要通過規(guī)劃改善各區(qū)域的主要限制性因素，以提高整個項目區(qū)的土地復(fù)墾效益。從土地平整工程、農(nóng)田水利工程、田間道路工程、其他工程共4個方面考慮方案的決策，制定研究區(qū)總體規(guī)劃布置最優(yōu)方案。

(1) 土地平整工程。根據(jù)適宜性評價結(jié)果，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀DEM，選擇平整方案并計算平整土方量。研究區(qū)5個評價單元最終復(fù)墾耕地總面積為264.97 hm2，通過ArcGIS進行數(shù)據(jù)分析和計算，得出研究區(qū)水平格田內(nèi)部平整土方量為3.15×105m3。

(2) 農(nóng)田水利工程。研究區(qū)共修復(fù)灌排合一渠219.14 m，修復(fù)斗溝3 223.86 m，新建斗溝1 456.02 m，新建農(nóng)溝13 485.32 m，新建農(nóng)渠3 741.01 m。

(3) 田間道路工程。根據(jù)地形變化情況，部分道路適當(dāng)彎曲，減緩縱向坡度，統(tǒng)一協(xié)調(diào)規(guī)劃，保證各級道路連接通暢，使各級道路形成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。研究區(qū)共規(guī)劃田間道18.54 km，生產(chǎn)路12.67 km。

(4) 其他工程。為了防止道路路基水土流失，增加生態(tài)景觀生態(tài)效應(yīng)，沿修復(fù)、新建田間道兩側(cè)種植護路林。研究區(qū)共種植楊樹9 268棵，種植樟樹124棵。

5結(jié) 論

在已有研究成果的基礎(chǔ)上，嘗試對工礦廢棄地的概念進行了界定，并針對工礦廢棄地的特色建立了復(fù)墾利用適宜性評價的指標(biāo)體系和數(shù)學(xué)模型，綜合考慮了各層次各因素對評價結(jié)果的影響，并將特爾斐法、層次分析法以及GIS方法等交叉應(yīng)用于適宜性評價的過程，使該模型與研究區(qū)現(xiàn)狀DEM及土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，定性、定量、定位地對復(fù)墾利用適宜性進行了分析，更直觀地對研究區(qū)工礦廢棄地復(fù)墾利用方向進行了表達，從而為復(fù)墾利用方案決策提供了更加完善合理的理論和技術(shù)支持。決策方案的實際應(yīng)用情況表明，本研究能為工礦廢棄地復(fù)墾利用提供方便、快速、準(zhǔn)確的決策依據(jù)與數(shù)據(jù)支持，研究數(shù)據(jù)時效性和精度較高，研究模型簡單實用，研究結(jié)果通過實際操作證實誤差較小，研究方法具有很好的應(yīng)用前景。

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GIS-based Program Decision-making in Reclamation and Utilization of Industrial and Mining Wasteland

-A Case Study at Qiyueshan Mining Area of Yangxin County, Huangshi City, Hubei Province

PENG Yuling1,2, LIN Aiwen1,2, WANG Ke3, LIU Fenglian1,2, ZHAO Cong1,2, YANG Qian1,2

(1.SchoolofResourceandEnvironmentScience,WuhanUniversity,Wuhan，Hubei430079,China; 2.KeyLaboratoryofGeographicInformationSystem,MinistryofEducation,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430079,China; 3.StateKeyLaboratoryofInformationEngineeringinSurveying,MappingandRemoteSensing,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430079,China)

Abstract：[Objective] This article aim to find a suitable method for the evaluation and decision-making of land reclamation. [Methods] Based on existing evaluation methods and experiences in the domestic and abroad, we used Delphi, AHP(analytic hierarchy process) and GIS tools to conduct the empirical research in the Qiyueshan mining area, Yangxin County, Huangshi City, Hubei Province. [Results] We defined the connotation of industrial and mining wasteland, established the digital elevation model for the experimental area, presented the evaluation index system, determined the direction for different land-use types(arable land, garden, woodland, and grassland) of reclaimed industrial and mining wasteland, and addressed the decision bias problem caused by data accuracy.[Conclusion] The study provided high accuracy and timeliness data, and simple and practical model. The results are proved as accurate enough, which will be useful for further application.

Keywords:industrial and mining wasteland; reclamation and utilization; program decision-making; suitability evaluation; GIS

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)02-0297-05

中圖分類號：F301.24

通信作者：林愛文(1963—),男(漢族),湖北省黃岡市人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事區(qū)域發(fā)展與土地利用、資源環(huán)境遙感與GIS應(yīng)用研究。E-mail:awlin@whu.edu.cn。

收稿日期：2014-01-21修回日期：2014-03-20
資助項目：國家自然科學(xué)基金項目“農(nóng)業(yè)干旱和水文干旱對氣象干旱的預(yù)警響應(yīng)模擬研究”(41301586)
第一作者：彭玉玲(1986—),女(漢族),河南省洛陽市人,博士研究生,研究方向為GIS在土地研究中的應(yīng)用。E-mail:yulingpeng@whu.edu.cn。