引黃河泥沙充填復墾鹽堿澇洼地空間分布特征及其影響因素

吳媛婧 胡振琪 多玲花 武文紅 張炳慶

（1.中國礦業大學（北京）土地復墾與生態重建研究所，北京100083；2.德州市水利局，山東德州253014）

黃河下游地區地勢平坦，渠道坡降平緩，從黃河中游攜帶的大量泥沙進入灌區，如果處理不當，將會引起泥沙淤積于下游沿途的渠道，從而造成河床抬升，極易形成洪水威脅，同時泥沙的淤積也帶來了土地的次生鹽堿化［1］。隨著人口的增加以及城市建設對耕地的占用，黃河沿線地區農村人均耕地正逐漸減少。與此同時，黃河堤防兩岸存在著大量鹽堿澇洼地，不僅經濟效益低下，而且對當地生態環境和人畜的飲水安全產生了影響［2］。利用黃河泥沙進行鹽堿澇洼地充填復墾，一方面能夠增加耕地資源，緩解耕地矛盾，改善當地生態環境；另一方面能夠減緩黃河泥沙在渠道淤積引起的河床抬升，減少洪水威脅［3］。

我國煤炭開采在促進經濟發展的同時，也給土地和生態環境帶來了危害［4］。特別是在平原高潛水位礦區，井下煤炭開采導致地面沉陷形成了季節性或常年性積水，致使耕地質量下降甚至無法耕種，因此對采煤沉陷地進行復墾研究勢在必行。目前，我國礦區土地復墾常采用的方法有疏排法、挖深墊淺法、平整土地法、矸石粉煤灰充填復墾法等［5-6］，該類方法在具體實踐中存在復墾效果不理想或二次污染等問題。由于我國相當一部分礦區分布于距離黃河較近的區域，將黃河泥沙作為充填材料充填復墾采煤沉陷地，不僅可以恢復大量耕地，也有助于減輕黃河泥沙淤積壓力［7-8］。近年來，大量學者對此進行的研究主要側重于復墾技術工藝以及復墾后土地的土壤理化性質分析方面［9-13］，而對于復墾地的空間分布特征及其影響因素的研究涉及較少。本研究以山東省德州市齊河縣潘莊干渠為例，采用Voronoi圖、GIS空間分析以及數據統計方法，分別從復墾鹽堿澇洼地的內外部結構、密度、聚集度等方面進行綜合分析，探討其空間分布特征及其形成的影響因素，為進一步利用黃河泥沙充填復墾采煤沉陷地提供借鑒。

1 研究區概況

齊河縣位于山東省德州市最南端，境內沿黃河62.5 km，有引黃閘4座、干渠17條，年均引黃量3.5億m3。該縣地下分布有豐富的礦產資源（煤炭、石油、石英等），溫泉覆蓋全縣總面積的85%，森林覆蓋率達到47.2%，有“黃河水鄉、生態齊河”的美譽。潘莊引黃干渠閘口位于齊河縣馬集鄉潘莊村附近，自此始，途徑馬集鄉、趙官鎮、仁里集鎮、胡官屯鎮、潘店鎮最后穿出齊河縣。潘莊引黃干渠在大量引進黃河水進行灌溉的同時也引進了大量泥沙，使用黃河泥沙進行周邊縣鎮鹽堿澇洼地的充填復墾已成為處理泥沙淤積以及同時進行復墾耕地的重要方式。本研究引黃充填復墾鹽堿澇洼地所涉及的縣鎮包括馬集鄉、趙官鎮、仁里集鎮以及潘店鎮（圖1）。

研究數據主要為2015—2017齊河縣潘莊干渠引黃河泥沙充填復墾鹽堿澇洼地的信息，包括復墾地位置坐標、復墾年份、復墾地所屬鄉鎮、復墾地面積、復墾地前后地類等信息，數據來源于山東省德州市水利局。將獲取的數據按所屬鄉鎮以及復墾年份進行分類統計后，應用ArcGIS軟件Voronoi圖工具對分類數據進行分析。

2 復墾鹽堿澇洼地分布特征

2.1 研究方法

采用Voronoi圖的變異系數（Cv值）對引黃河泥沙充填復墾鹽堿澇洼地的空間分布類型進行分析。平面上離散點集合可表示為

以任意點Pi為中心點的Voronoi圖可表示為［14-16］

式中，x為以Pi為中心點的Voronoi圖中的任意一點，x∈X；X為所有與Pi點的距離小于其與Pj點距離的點集；d(x,Pi)為x點與Pi點的距離；d(x,Pj)為x點與Pj點的距離。

由所有離散點組成的Voronoi圖可以定義為

一般以變異系數（Cv值）作為衡量某種現象在空間上相對變化程度的指標。Voronoi圖的Cv值可表示為Voronoi多邊形面積的標準差與其平均值之比［17］。空間上均勻分布的點集，其Voronoi多邊形面積的可變性小，多邊形面積的離散程度較低，標準差小，因此Cv值也較小；空間上集群分布的點集，其Voronoi多邊形中一部分多邊形面積較小，而另一部分多邊形面積較大，Voronoi多邊形面積的可變性大，多邊形面積的離散程度較高，標準差大，因而Cv值較大。但是，規則的周期結構和周期性重復出現的集群分布也會形成較高的Cv值［18-19］。當點集為均勻分布時，Cv為29%（包括小于33%的值）；當點集為隨機分布時，Cv為57%（包括33%～64%的值）；當點集為集群分布時，Cv為92%（包括大于64%的值）［20］，3類空間分布的典型Voronoi圖如圖2所示。

本研究以復墾鹽堿澇洼地質心作為Voronoi圖生成元Pi來研究復墾地的空間分布特征，以生成Voronoi圖的Cv值作為衡量復墾鹽堿澇洼地分布集群度的有效指標。根據Cv值的大小將復墾鹽堿澇洼地的空間分布類型劃分為均勻型、隨機型和集群型。其中，均勻型體現了各待復墾地資源條件的均勻性及在復墾的先后順序上的同等性，隨機型分布表明不受自然及人為因素的影響隨機選取復墾地并進行復墾，集群型分布表明在復墾地選址時受到某些因素的影響而集中選擇某些位置進行復墾。

2.2 分布特征

根據齊河縣潘莊干渠2015—2017年引黃河泥沙充填復墾鹽堿澇洼地的空間分布特征，以鄉鎮為單位劃分了復墾地，并繪制了Voronoi圖（圖3），相關統計結果見表1。分析圖3、表1可知：鄉鎮尺度下的潘莊干渠引黃河泥沙充填復墾鹽堿澇洼地的空間分布類型為聚集型，各鄉鎮在復墾總面積、復墾地斑塊數、復墾地平均面積等方面存在顯著差異，即該類數據隨著鄉鎮距潘莊干渠引黃閘口距離的增加而降低。

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以時間為單位劃分了復墾地，并繪制了如圖4所示的Voronoi圖，相關統計數據見表2。分析圖4、表2可知：時間尺度下的潘莊干渠引黃河泥沙充填復墾鹽堿澇洼地的空間分布類型也為聚集型，各鄉鎮復墾總面積、復墾地斑塊數、復墾地平均面積隨著時間的變化略有改變但基本差異較小，Cv值隨著時間的推移有增加的趨勢，表現為復墾地的空間分布集群度隨著時間的推移而增大。

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3 復墾鹽堿澇洼地分布的影響因素

無論是在鄉鎮尺度還是在時間尺度下，研究區復墾地都呈現聚集型分布特征，該特征是多種影響因素共同作用的結果，主要可以分為自然環境因素和社會經濟因素，前者是進行引黃充填復墾的基礎，后者則是復墾地選址的重要驅動力。

3.1 復墾區與引黃干渠及其閘口距離

利用ArcGIS10.2軟件將齊河縣潘莊引黃干渠2015—2017年充填澇洼地的空間分布圖與潘莊干渠矢量圖進行疊加分析，發現復墾鹽堿澇洼地整體沿潘莊干渠兩岸分布。本研究所有復墾鹽堿澇洼地中距離引黃干渠最遠的距離為1.56 km，為此，對潘莊引黃干渠依次建立了0.5，1，1.5，2 km的緩沖區（圖5）。由圖5可知：潘莊引黃干渠0.5 km緩沖區以內包含復墾鹽堿澇洼地23塊，占總數的52.27%，復墾總面積為30.73 hm2，占復墾總面積的60.06%，平均復墾面積為1.34 hm2；0.5～1 km緩沖區內包含復墾鹽堿澇洼地15塊，占總數的34.09%，復墾總面積為10.56 hm2，占復墾總面積的20.64%，平均復墾面積為0.71 hm2；1～1.5 km緩沖區內包含復墾鹽堿澇洼地4塊，占總數的9.09%，復墾總面積為4.24 hm2，占復墾總面積的8.29%，平均復墾面積為1.06 hm2；1.5～2 km緩沖區內包含復墾鹽堿澇洼地2塊，占總數的4.55%，復墾總面積為5.63 hm2，占復墾總面積的11.01%，平均復墾面積為2.82 hm2?？傮w上，隨著復墾區與引黃干渠距離的增加，復墾鹽堿澇洼地總面積以及復墾地斑塊數呈現不斷減小的趨勢，而平均復墾面積則不受該規律的影響，導致該分布特征的主要影響因素為引黃輸沙技術與經濟成本。

44塊復墾地中與引黃閘口的最大距離為27.14km，以13.57 km為劃分界限進行分析可知，距閘口13.57 km內分布了31塊復墾地，占總數的70.45%，總復墾面積為46.86 hm2，占復墾總面積的91.59%，平均復墾面積為1.51 hm2，距閘口13.57 km以外區域分布了13塊復墾地，占總數的29.55%，總復墾面積為4.30 hm2，占復墾總面積的8.41%，平均復墾面積僅為0.33 hm2?？梢?，研究區復墾地的分布受到復墾地與引黃閘口距離的影響，越靠近引黃閘口黃河泥沙量越大，越能夠充分滿足充填復墾對于泥沙量的需求。

3.2 農村居民點分布

將潘莊干渠引黃充填復墾鹽堿澇洼地的空間分布圖與涉及鄉鎮的居民點分布圖進行了疊加分析，結果如圖6所示。由圖6可知：居民點輻射范圍500 m以內包含了32塊復墾地，占復墾地總數的72.73%，所有復墾地均分布于居民地輻射范圍1 000 m以內的區域，是由于在利用黃河泥沙進行充填復墾時，復墾后的土地大多用作耕地，因此需要充分參考農民意見，同時考慮到農民耕作成本等因素，農村居民點附近的鹽堿澇洼地便成為首要充填復墾對象。1 000 m緩沖區內包含復墾地的村莊共有16座（表3）。由表3可知：復墾地主要分布于濟北王村、前劉堂村、靖莊村、大辛村、西屯村、西腰站村附近，6座村莊附近分布了27塊復墾地，占復墾地總數的61.36%，這6座村莊在空間上與其他村莊相比更靠近潘莊干渠。

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3.3 道路交通

對研究區內各復墾地與道路之間的距離進行了統計，結果表明：復墾地與道路的最小距離為8 m，最大距離為1 245 m，平均距離為284.71 m；復墾地集中分布于距離道路200 m以內的區域，該范圍內分布有29塊復墾地，占總數的65.91%，距離道路600 m以內的區域分布有40塊復墾地，占總數的90.91%，僅有4塊復墾地分布于距離道路600 m以外的區域。總體上，研究區內復墾地基本分布于道路附近區域，有助于加快施工進度并取得最佳的充填復墾效果；盡管研究區內有4塊復墾地與道路之間的距離相對較大，但該類復墾地與潘莊干渠的距離較小，在直接輸沙成本上有一定的優勢。

4 結語

運用Voronoi圖對齊河縣潘莊干渠引黃河泥沙充填復墾鹽堿澇洼地的空間分布特征及其影響因素進行了分析。研究表明：區內引黃河泥沙充填復墾鹽堿澇洼地在鄉鎮尺度以及時間尺度下均呈聚集型分布特征，復墾地空間分布的影響因素主要為復墾區與引黃干渠及其閘口的距離、農村居民點分布以及道路交通。