基于 PVW-Voronoi 圖的工礦廢棄地復墾利用潛力評價
——以湖北省縣域為例

張冬妍，李江風，趙劍雄

（1.中國地質大學（武漢）公共管理學院， 湖北 武漢 430074；2.教育部長江三峽庫區地質災害研究中心， 湖北 武漢 430074）

基于 PVW-Voronoi 圖的工礦廢棄地復墾利用潛力評價
——以湖北省縣域為例

張冬妍1，李江風1，趙劍雄2

（1.中國地質大學（武漢）公共管理學院， 湖北 武漢 430074；2.教育部長江三峽庫區地質災害研究中心， 湖北 武漢 430074）

研究目的：加強對湖北省工礦廢棄地復墾成耕地進行利用的潛力及其空間分區格局的認識。研究方法： 懲罰變權模型（PVW模型）、加權Voronoi圖、層次分析法（AHP）。研究結果：（1）湖北省工礦廢棄地共7.19×104hm2，可分為4種類型；（2）PVW模型有利于提高對評價起限制作用的因素的重視程度；（3）復墾利用潛力處于中度可復墾成耕地利用（Ⅰ3）到臨界不可復墾成耕地利用（Ⅱ2）之間；（4）潛力大小從鄂中地區由高到低向周邊下降，在空間上呈現明顯地域特征。研究結論：湖北省工礦廢棄地復墾利用潛力水平總體偏低，但鄂中偏東地區潛力相對較優，其中包括復墾（耕地）空間集中連片度在內的5個指標成為制約全省潛力大小的因素。PVW-Voronoi圖能夠綜合多種因素實現動態調整，突破行政界限進行分區：潛力優勢區、內斂區、劣勢區及限制區，使結果更趨合理，具有針對性地指導中宏觀尺度上復墾利用的戰略制定。

土地整治；土地復墾；復墾潛力評價；PVW-Voronoi圖；工礦廢棄地；湖北省

Abstract:The purpose of this study is to strengthen the understanding of the potential of industrial and mining land reclamation as agricultural land for using and its spatial zoning in Hubei Province. Method: Punishment Variable Weight model（PVW model）, weight voronoi diagram and analytic hierarchy process（AHP）. The results show that: 1）Total area of the industrial and mining land of Hubei province of 71.87 thousand hm2, and it can be divided into four types. 2）It is be beneficial to improve the emphasis of limiting factor of evaluation by using PVW model. 3）The potential of land reclamation as agricultural land for using in Hubei province between mild reclamation as agricultural land forusing（Ⅰ3）and can not to be reclaimed as agricultural land for using（Ⅱ2）. 4）The potential of reclamation from east of Hubei province from high to low down to the surrounding area, it has obvious regional characteristics on the space. It is concluded that the potential of reclamation in Hubei Province was inferior as a whole, but the level of potential in the east of central of Hubei is more better. And there are 5 factors restricting the ability of the potential mainly are the improvement of capacity of food production in per unit area, spatial connectivity of industrial and mining land, and so on. PVW-Voronoi diagram can consider multiple factors going to achieve dynamic adjustment, break through the administrative boundaries, divide the whole province into 4 reclamation potential zones: the potential advantage zone, potential introverted zone, potential disadvantage zone and potential restricted zone, make the result more reasonable and provide a target-guidance for planning strategies of industrial and mining land reclamation in Hubei Province on the medium macroscopic scale.

Key words:land consolidation; land reclamation; evaluation of potential of reclamation; PVW-Voronoi diagram; the industrial and mining land; Hubei Province

1 引言

目前，中國工礦廢棄地尚無明確概念，本文結合已有研究[1]，認為工礦廢棄地是指在生產建設過程中，因挖損、塌陷、壓占造成損毀的土地和交通、水利基礎設施建設廢棄地的總和，包括歷史遺留的廢棄地在內。早在20世紀60年代開始，發達國家便逐步進入了礦區土地復墾時代，不僅土地復墾立法比較完善[2]，還對土地復墾技術[3]、土地復墾效益[4]、復墾適宜植被選擇[5]、露天采礦環境影響[6]、礦山固廢綜合利用、土壤重金屬去除[7]和生態環境評價等方面展開了大量研究，尤其對德國魯爾等多個資源枯竭型城市的轉型路徑和可持續發展有著豐富的成功經驗[8]。土地復墾的研究尺度以及研究內容都十分廣泛，國內學者從宏觀、微觀、行政層次等多個不同尺度深入探討學習,從研究進展[9]、復墾模式[10]、工藝技術[11]、監測和評價[12-13]、規劃設計、效益分析及問題對策[14]等多個方面推進土地復墾事業蓬勃發展。從1980年土地復墾萌芽到如今的快速發展，隨著《土地復墾條例》的實施，土地復墾管理工作及學術研究進入了一個多維度的發展空間。但中國在結合技術手段研究復墾和關于土地復墾評價、預測與監測的研究少有進展，今后需加強研究[15]。2015年8月國土資源部下發了《歷史遺留工礦廢棄地復墾利用試點管理辦法》，要求復墾需堅持以生態建設為導向，強調復墾后的土地不得改變農業用途，而《土地復墾條例》第四條同樣規定，復墾的土地應當優先用于農業。因此，本文把工礦廢棄地優先復墾成耕地利用作為前提條件（下文簡稱復墾利用），基于縣域中小尺度，結合PVW模型與加權Voronoi圖，揭示省域范圍的工礦廢棄地空間分布特征，為復墾的宏觀決策提供科學依據。

2 研究區概況與數據來源

2.1 研究區概況

湖北省位于長江中游地區，處于中國第二級階梯向第三級階梯過渡地帶， 2014年GDP為27379.22×108元，農村常住居民人均可支配收入10849元。全省地勢西高東低，總體呈三面高起、中間低平、向南敞開的不完整盆地，在進一步細化前人研究成果后[16]，將其劃分為8個地貌類型區，并通過實地調查，把工礦廢棄地分為4種類型：露天采礦挖毀地、地下采礦塌陷地、固廢堆放壓損地及基礎設施建設毀損地。截止2014年底，全省工礦廢棄地共7.19×104hm2，就總量而言，鄂城區最多達2.18×104hm2，大冶市次之，達1.86×104hm2，分別占工礦廢棄地總面積的30.28%和25.87%，分類型來看，全省損毀地以露天采礦挖毀地和地下采礦塌陷地為主。

2.2 數據來源

工礦廢棄地復墾數據主要來源于《湖北省土地整治規劃（2011—2020）》的基礎數據，湖北省土地利用現狀圖，社會經濟數據來源于《中國縣域統計年鑒（2015）》、《湖北統計年鑒（2015）》、各市州2015年統計年鑒、各市州2014年政府工作報告以及國民經濟和社會發展統計公報。本文以湖北省103個縣域為研究單元，考慮到復墾利用潛力評價是基于工礦廢棄地的存在而開展的，對于部分縣市數據的不可獲得性，適當剔除包括洪山區在內的32個縣市區，最終劃分出71個研究單元。

3 研究方法

3.1 PVW-Voronoi圖的構建

3.1.1 PVW模型 PVW模型即“懲罰型”變權模型，其變權思想是汪培莊教授首先提出的[17]，李洪興教授亦在文獻[18]中給出了“懲罰型”變權的公理化定義。PVW模型是通過“懲罰”特別差的指標，使其指標權重隨狀態值的減小而增大[19]，來克服常權的缺點。為了解決加權求和（亦稱常權綜合）因權重不變而導致對決策變量制約不均衡的問題，本文采用“懲罰型”變權方法，運用層次分析法（AHP）確定常權權重，構建工礦廢棄地復墾利用潛力綜合評價PVW模型。

（1）稱權重隨著指標狀態值的不同而變化為狀態變權向量，記為：

基于前人研究成果[20]，構造懲罰型局部狀態變權向量：

式（2）中，n表示指標標準化后可復墾成耕地和不可復墾成耕地利用的臨界線，亦稱為閾值（指標標準值），引進模糊數學的隸屬度概念，通過對比判斷法，工礦廢棄地可復墾成耕地利用界限n為0.75。當0≤≤n時，對應的權重增大，而的值較小，從而達到“懲罰”第j項指標的目的；當n＜≤1時，則對第j項指標不進行“懲罰”。m為懲罰因子，當m取值為0時，S（jX）=1，表示無懲罰效果；當m取值越大，對低于閾值的指標“懲罰”力度越重，出現“懲罰過度”現象。借鑒前人研究成果，取m = 0.8155[19-20]。

（2）工礦廢棄地復墾利用潛力常權綜合評價模型如下：

（3）結合變權思想構建復墾利用潛力PVW綜合評價模型如下：

式（4）中：

3.1.2 加權Voronoi圖 Voronoi圖由Georgy Voronoi提出，因其是一種空間剖分方法，近年來有許多學者將其用于城市空間影響范圍[21-22]、農村居民點分布[23]、功能分區[24]等研究，并取得一定的成果。常規Voronoi圖，僅將距離作為唯一影響因素，把空間目標視為等規模的觀念，但在具體問題中并未能考慮多個因素影響。加權Voronoi圖是常規理論的升華，將空間目標的規模（中心性強度）大小納入了Voronoi圖模型的變量中[24]。其定義為：

式（6）中，n=1，2，…，m，Pn=（P1，P2，…，Pm）為二維歐式空間上的m個點；μn=（μ1，μ2，…，μm）為給定的m個正實數，μn為Pn的權重，當m個μn相等時，加權Voronoi圖變為常規Voronoi圖。

3.1.3 PVW-Voronoi圖 將PVW模型與加權Voronoi圖相結合，把影響因子的綜合評價分值I視為權重μ，即：

由此構建PVW-Voronoi圖模型為：

3.2 復墾利用潛力綜合評價

3.2.1 評價指標功效標準化 將工礦廢棄地可復墾為耕地利用的區間認為是指標取值的最優區間，借鑒功效系數法原理分別對正向（越大越優型）和負向（越小越優型）指標進行標準化。

式（9）中，xj為指標狀態值，Lj為指標狀態值判別為可復墾成耕地利用與不可復墾成耕地利用的臨界線，即閾值（指標狀態值）。

3.2.2 復墾利用潛力綜合評價指標體系 結合已有研究成果[25-26]，眾多學者根據廢棄地類型及環境特點，選用土壤、地形改造、投資效益和社會經濟條件等多方因素構建指標體系。鑒于湖北省工礦廢棄地損毀類型多樣以及自身特點的不同，重點關注在縣域尺度下，能夠反映區域土地復墾潛力大小的指標，從土地損毀現狀、耕地生產情況、地區經濟水平3個角度，將工礦廢棄地復墾利用潛力評價指標體系劃為3個準則層和13個指標層，通過層次分析法（AHP）確定指標常權權重（表1）。

3.2.3 復墾利用潛力等級評判標準確定 本文以土地復墾潛力指數LRPI（0＜LRPI＜1）作為工礦廢棄地復墾利用潛力綜合評價分值來判別復墾利用潛力等級，當LRPI越接近于1時，表示復墾成耕地利用的潛力越大；當LRPI越接近于0時，表示復墾成其他地類利用的潛力越大。由于LRPI是綜合性指標，其數值的細微變化都會有巨大的差別，為了有利于在區間內進行復墾利用潛力大小的對比，以工礦廢棄地可復墾成耕地利用界限作為判別標準，將其劃分為9個等級（表2）。

4 結果與分析

4.1 工礦廢棄地復墾利用潛力綜合評價指標權重變化

通過計算得出71個研究單元指標的標準化值、變權權重及評分分值。鑒于文章篇幅有限，僅分析大冶市。對比指標常權與變權權重看出，C11、C13、C21、C234個指標的變權權重大于常權權重，其余指標則低于常權權重，尤其是C11，因損毀面積占比遠大于全省平均水平（閾值），在PVW模型作用下，變權權重增大，對指標進行“懲罰”；其中C22的常權和變權權重變化幅度較小，是由于本身常權權重較高，狀態值又與閾值十分貼近，而且調整各個指標之間的權重必須兼顧整體指標權重的變化差異，因此幾乎相等；此外，大冶市經濟類指標均超過閾值水平，在復墾資金方面有較大優勢。PVW在權重變化上考慮了指標狀態的均衡性，當決策變量發生改變時，起到良好的制約平衡作用，有利于提高對工礦廢棄地復墾利用潛力起限制作用的因素的重視程度。

表1 湖北省工礦廢棄地復墾利用潛力評價指標體系Tab.1 The evaluation index system of the potential of industrial and mining land reclamation as agricultural land for using in Hubei Province

表2 區域工礦廢棄地復墾利用潛力等級評判標準Tab.2 The potential criteria of industrial and mining land reclamation as agricultural land

4.2 工礦廢棄地復墾利用潛力評價結果

通過比較常權權重和變權權重下潛力綜合評價分值發現最終數值普遍減小，這是由于PVW作用，懲罰達不到理想狀態的指標，使指標權重隨狀態值減小而增大，差距越遠，懲罰力度越大，最終評分值越小，進而達到懲罰指標的效果，使結果更加合理。

湖北省工礦廢棄地復墾利用潛力綜合評價結果整體上是處于中度可復墾成耕地利用（Ⅰ3）到臨界不可復墾成耕地利用（Ⅱ2）之間，江夏區、新洲區、潛江市在內的10個地區的LRPI處于Ⅰ3，宣恩縣、長陽縣、咸豐縣等5個地區的LRPI處于Ⅱ2，其余地區均介于低度可復墾（Ⅰ4）到臨界可復墾（Ⅱ1）之間。其中，江夏區綜合評分值最高，為0.6983，這是由于該地區的經濟可行性子系統貢獻較多，復墾難易性和生產穩定性也處于較高水平的原因；神農架林區綜合評分值最低，為0.3576，主要因為該地區復墾經濟可行性不高，雖損毀面積占比低，但其90%以上的林地地貌導致復墾（耕地）空間集中連片度低，復墾難度增大，單位面積復墾成本增加。進一步分析發現，制約全省LRPI大小的主要是復墾難易性和生產穩定性子系統，復墾成耕地進行利用后地均產能無法提高，獲得的經濟效益不夠明顯，部分地區復墾（耕地）空間集中連片度較差，農業現代化水平落后，加上社會經濟發展水平不高等均成為制約復墾利用潛力提高的因素。

圖1 大冶市工礦廢棄地復墾利用潛力綜合評價指標權重對比二維坐標圖Fig.1 Two dimensional chart on contrast of index weight of industrial and mining land reclamation potential comprehensive evaluation in Daye County

綜上所述，湖北省工礦廢棄地復墾利用潛力評價結果不太理想，部分地區復墾成耕地利用的潛力較小，因此，復墾治理不宜盲目增加耕地面積，應因地制宜，同時也要提高自身農業現代化水平，以期恢復生態平衡，消除災害隱患，改善人們的生產生活條件。

4.3 工礦廢棄地復墾利用潛力空間區劃

圖2可以看出，無論是常權Voronoi圖還是PVW-Voronoi圖，其與縣域范圍（虛線）在空間上有較大的差異，這是考慮到中心強度對覆蓋范圍的影響，在空間擴展產生了作用，而差異則實際反映在邊界形態上，能夠看出復墾利用潛力不僅影響縣域內部，還輻射影響至周邊地區。進一步分析可見，常權Voronoi圖和PVW-Voronoi圖的復墾利用潛力影響范圍在總體分布格局上變化不大，這是由于Ⅰ值本身較小，通過變權后的Ⅰ值與常權權重下的Ⅰ值差異不大造成的，但變權后的Ⅰ值更為合理，是科學的勢力空間劃分方法。

采用表2劃分的等級，將影響范圍作為分界線，劃分潛力空間，分析空間分異及其關鍵性影響因素。總體上看，鄂中地區潛力明顯大于其他地區，LRPI從鄂中地區由高到低向周邊下降，尤其是中部地區的各級別潛力區由南邊較大地區向周圍擴散遞減分布。從局部上看，主要位于鄂南地區的工礦廢棄地復墾潛力呈現“W”型分布，該區潛力最大，結合《湖北省土地整治規劃（2011—2020）》中的耕地整治潛力分布圖來看，在整治耕地方面占據優勢，且處于江漢平原崗地區，地勢平坦，復墾（耕地）集中連片度高，復墾受限因素少，同時分布在該區域的縣（市、區）經濟能力較強，能夠提供充足的資金，應作為復墾重點區進行治理，因此，將該地區劃分為潛力優勢區。針對鄂中和鄂東地區，該區域復墾潛力較大，從全省的耕地分布來看，聚集了大片農田，結合《湖北省土地整治規劃（2011—2020）》中的湖北省土地整治分區圖來看，處于耕地保護重點和綜合統籌整治區內，但復墾潛力次于潛力優勢區，因此，將該地區劃分為潛力內斂區。另外，在鄂西和全省最東部均分布有復墾利用潛力較小，處于可復墾成耕地與不可復墾成耕地的臨界狀態之間的工礦廢棄地，它們多分布于山林間，耕地連片程度差，復墾難度大，限制條件多，因此，將該地區劃分為潛力劣勢區。除此之外，在湖北省西南方向及神農架林區的部分地區，復墾潛力最小，其地形地貌多以中高山為主，在復墾上受到限制，應依托土地利用特點和縣域發展戰略定位，優先將工礦廢棄地復墾成林地或其他用途地類，比如神農架林區已被列入世界遺產名錄，保護森林環境將作為未來發展的重點，因此，將該地區劃分為潛力限制區。

圖2 湖北省工礦廢棄地復墾利用潛力常權/PVW-Voronoi多邊形集合Fig.2 Voronoi diagram set of industrial and mining land reclamation potential in Hubei Province

圖3 湖北省工礦廢棄地復墾利用潛力區劃圖Fig.3 The map of distribution of industrial and mining land reclamation potential in Hubei Province

綜上所述，可以將復墾利用潛力劃為4個區（圖3）：潛力優勢區、潛力內斂區、潛力劣勢區及潛力限制區，以期更好地指導今后的土地整治工作。

5 結論與討論

本文結合PVW模型和加權Voronoi圖從省級層面動態分析了復墾利用潛力，是對國家層面相關研究成果的深入和完善。通過分析，有以下幾點結論：

（1）復墾潛力水平總體偏低。全省工礦廢棄地復墾利用潛力指數不高，處于中度可復墾成耕地利用（Ⅰ3）到臨界不可復墾成耕地利用（Ⅱ2）之間，其中，影響復墾利用潛力的主要因素有：地均產能提高量、復墾（耕地）空間集中連片度、農林牧漁業從業人員占比、地均GDP、地均財政總收入。（2）LRPI在空間上有明顯地域特征。從鄂中地區由高到低向周邊地區下降，可將全省分為4個潛力區：潛力優勢區、潛力內斂區、潛力劣勢區以及潛力限制區，其中潛力優勢區呈現“W”字型分布，復墾潛力最大，在明確復墾重點及各區優劣勢后，可以更加具有針對性地指導中宏觀尺度上工礦廢棄地復墾的戰略安排。（3）本研究在現有理論的基礎上，總結出PVW-Voronoi圖模型的一些性質和定理，并應用于實例。利用PVW均衡決策變量的優勢，通過變權Voronoi圖模型進行分區，不僅避免了常權Voronoi圖靜態化生成的局限性，更能根據實際情況綜合考慮多種影響因素，實現動態調整，使結果更趨于合理。（4）研究初步嘗試將PVW理論和加權Voronoi圖結合起來分析工礦廢棄地復墾利用潛力的空間格局，突破往常以行政區為界限的分區方法，實現對湖北省縣域內復墾利用潛力空間的動態分割。但局限于部分數據的不可獲取性和滯后性，從而對評價的結果造成一定偏差；在PVW-Voronoi模型中，構建更加合理的狀態變權向量和選取更加合適的指標要素有待探討；為了便于分析，將工礦廢棄地中心空間形態簡化成為點狀目標，在后續研究中會嘗試考慮其面狀形態。因此，在省級視角下以縣域為基本單位開展復墾利用潛力評價還有待進一步研究。

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（本文責編：陳美景）

Evaluation of Potential of the Industrial and Mining Land Reclamation based on PVW-Voronoi Diagram: A Case Study of Each County in Hubei Province

ZHANG Dong-yan1, LI Jiang-feng1, ZHAO Jian-xiong2
（1. School of Public Administration, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Three Gorgrs Research Center for geo-hazards, Ministry of Education, Wuhan 430074, China）

F301.2

A

1001-8158（2017）06-0079-09

10.11994/zgtdkx.20170622.143154

2017-01-06；

2017-05-11

中國地質大學（武漢）公共管理學院學生科技創新活動孵化基金（Y20161009）。

張冬妍（1992-），女，福建霞浦人，碩士研究生。主要研究方向為土地利用規劃和國土資源調查與評價。E-mail: dyzhang1225@126.com