露天采場土地復(fù)墾適宜性評價的FAHP-Entropy賦權(quán)法

余 晨 唐明杰 王大國 李莎莎

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083；2.四川省土地統(tǒng)征整理事務(wù)中心，四川成都610045；3.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽621010）

露天采礦對土地破壞尤為嚴(yán)重，通過土地復(fù)墾適宜性評價可以確定因采礦活動造成損毀土地的利用方向，為礦山企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供重要保障［1］。土地復(fù)墾適宜性評價是土地復(fù)墾工作前的中心環(huán)節(jié)［2］，是確定因人為或自然因素?fù)p毀土地利用方向的前提和基礎(chǔ)，它為合理利用損毀土地資源提供了科學(xué)方案，對土地復(fù)墾工作起著指導(dǎo)作用。

土地復(fù)墾適宜性評價的主要研究內(nèi)容包括評價指標(biāo)體系的建立和評價方法的探索。在評價指標(biāo)體系的建立中，崔艷等［3］選取了坡度、地表組成物質(zhì)、覆土厚度、灌溉條件、排水條件等指標(biāo)對露天礦區(qū)農(nóng)用地進(jìn)行了復(fù)墾適宜性評價；王世東等［4］對鶴壁市第八煤礦進(jìn)行土地復(fù)墾適宜性評價時，指標(biāo)體系選取了地面坡度、破壞程度、土壤質(zhì)地、土源保證率、灌溉條件、交通條件等6個評價指標(biāo)；劉文鍇等［5］對徐州賈汪區(qū)的煤礦進(jìn)行土地復(fù)墾適宜性評價時，選取了積水狀況、排灌狀況、坡度、土壤條件、區(qū)位條件等5個評價指標(biāo)建立指標(biāo)體系。從現(xiàn)有的研究來看，礦山土地復(fù)墾適宜性評價指標(biāo)的選取主要考慮了地形、水利和土壤方面的因素，沒有考慮原始土地利用方式，其中土壤因素的指標(biāo)值是依據(jù)土地破壞后，由還未覆土前的土壤條件確定。

在土地復(fù)墾適宜性評價方法的探索中，胡振琪等［6］用層次分析法（AHP）對山東某礦采煤塌陷地進(jìn)行了可墾性分析，確定了待復(fù)墾區(qū)域的可墾性，為土地復(fù)墾提供參考；馮濤［7］用熵值法（Entropy）結(jié)合模糊綜合評判法對萬隆硅砂礦進(jìn)行了土地復(fù)墾適宜性評價；施開放等［8］則采用AHP-Entropy法，建立熵組合模型對農(nóng)村居民點復(fù)墾現(xiàn)實潛力進(jìn)行估算。在其它研究方法中，王璐等［9］提出FAHP-Entropy賦權(quán)法，并對高速公路改擴(kuò)建方案進(jìn)行了優(yōu)選。該方法優(yōu)化了AHPEntropy法中判斷矩陣的構(gòu)造方式，解決了判斷矩陣一致性不易通過的問題，使計算步驟更簡便，且相較于其它方法，F(xiàn)AHP-Entropy法將主客觀權(quán)重相互融合，既降低了人為主觀影響，又考慮了所有指標(biāo)的特征，使得評價結(jié)果更加準(zhǔn)確合理，符合工程實際。

本研究以天生壩鐵礦露天采場為例，建立了露天采場土地復(fù)墾適宜性評價指標(biāo)體系，用FAHP-Entropy法計算指標(biāo)權(quán)重后，對露天采場進(jìn)行了土地復(fù)墾適宜性評價。

1 評價指標(biāo)體系

在現(xiàn)有的研究中［10-13］，露天采場土地復(fù)墾適宜性評價指標(biāo)，主要有地形因素中的地形坡度、地面平整度；水利因素中的排水條件、灌溉條件；土壤因素中的地表組成物質(zhì)、有效土層厚度、土壤污染、土壤有機(jī)質(zhì)含量和土體容重等指標(biāo)，其指標(biāo)值是根據(jù)土壤破壞后，由還未復(fù)墾前的土壤條件決定。依據(jù)土地利用總體規(guī)劃，按照因地制宜的原則，添加了原始土地利用方式和周圍土地利用現(xiàn)狀等指標(biāo)。因露天采場表土已經(jīng)被破壞，土壤因素方面除了土壤污染外，其它指標(biāo)應(yīng)根據(jù)覆土來源的土壤特征選取，如預(yù)期覆土厚度、預(yù)期覆土容重、預(yù)期土壤有機(jī)質(zhì)含量等。根據(jù)以上情況，建立了一套如圖1所示的露天采場土地復(fù)墾適宜性評價指標(biāo)體系。

依據(jù)《中國1∶100萬土地資源圖》中主要限制因素的評價等級標(biāo)準(zhǔn)，將評價指標(biāo)劃分為適宜、較適宜、臨界適宜、不適宜4個等級，詳見表1。

2 FAHP-Entropy賦權(quán)法評價模型

2.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化

假設(shè)評價單元有m個復(fù)墾方向，每個復(fù)墾方向有n個評價指標(biāo)，采用Min-max法［14］對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

對數(shù)值越大越好的指標(biāo)：

對數(shù)值越小越好的指標(biāo)：

式中，xij為評價指標(biāo)值；min(xij)為評價指標(biāo)的最小值；max(xij)為評價指標(biāo)的最大值；rij為評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。

得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣 R=[rij]m×n，1≤i≤m，1≤j≤n，rij∈[0,1]。

2.2 建立評價模型

建立FAHP-Entropy賦權(quán)法模型的步驟如下。

（1）利用FAHP法［15］計算各指標(biāo)的主觀權(quán)重 w'j，j=1,2,…,n 。

（2）利用Entropy法計算各指標(biāo)的客觀權(quán)重w''j，j=1,2,…,n 。

（3）將主觀權(quán)重w'j和客觀權(quán)重w''j相互耦合，便得到FAHP-Entropy賦權(quán)法［11］的權(quán)重 wj（ j=1,2,…,n）。不同的賦權(quán)法計算出來的權(quán)重不同，但他們反應(yīng)的均是同一個問題，所以w'j和w''j應(yīng)盡可能地接近，故可采用最優(yōu)加權(quán)法，即相對熵原理［16］耦合權(quán)重：

注：1表示土地復(fù)墾適宜性為適宜；2表示較適宜；3表示臨界適宜；4表示不適宜。

采用拉格朗日乘子法解最優(yōu)化問題，得最優(yōu)解：

其最優(yōu)解wj即為FAHP-Entropy賦權(quán)法的權(quán)重W=(w1,w2,…,wn)。

2.3 土地復(fù)墾適宜性指數(shù)

由指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值和FAHP-Entropy賦權(quán)法確定的權(quán)重，采用綜合評價法可計算出土地復(fù)墾適宜性指數(shù)，計算公式為：

式中，Z為土地復(fù)墾適宜性指數(shù)。

3 評價模型的應(yīng)用

3.1 評價區(qū)域概況

天生壩鐵礦露天采場位于四川省會理縣，受礦體分布的影響，采場分為東西2個采坑，本研究以天生壩露天采場東采坑為例進(jìn)行土地復(fù)墾適宜性評價。東采坑最高開采標(biāo)高為2 120 m，坑底標(biāo)高為1 970 m，原始土地利用類型為有林地和其它草地。根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥来怪币?guī)律分布，土壤類型主要為黃紅壤和幼年紅壤，土壤質(zhì)地以壤質(zhì)為主，容重較高，有機(jī)質(zhì)含量較豐富。其表土堆場內(nèi)的表土，加上其他來源的表土，總共有6.7萬m3，經(jīng)過土平衡分析，露天采場平臺及坑底的預(yù)期覆土厚度約為30 cm。

3.2 評價單元劃分

基于地貌類型的不同，可將露天采場劃分為平臺、邊坡和坑底3個評價單元［17］。表2給出了各評價單元的原始特征值。

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3.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

基于表1評價指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)和表2評價單元原始特征值，得到天生壩露天采場評價單元各指標(biāo)的評定等級，采用式（1）和式（2）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化值見表3。

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3.4 權(quán)重計算

根據(jù)式（4）計算各指標(biāo)的FAHP-Entropy賦權(quán)法的權(quán)重，計算結(jié)果見表4。

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3.5 計算土地復(fù)墾適宜性指數(shù)

由式（5）計算得天生壩鐵礦露天采場各評價單元的適宜性指數(shù)，計算結(jié)果見表4。由評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值分布在［0，1］之間的情況，可將土地復(fù)墾適宜性等級按表5標(biāo)準(zhǔn)劃分［18］。

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3.6 評價結(jié)果與分析

根據(jù)表4和表5給出的土地復(fù)墾適宜性指數(shù)和適宜性等級劃分，得到天生壩鐵礦露天采場土地復(fù)墾適宜性評價結(jié)果，見表6。

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3.6.1 平 臺

由表6可知，露天采場平臺適宜復(fù)墾為林地和草地。結(jié)合圖2可知，預(yù)期土層厚度、預(yù)期覆土容重、原始土地利用方式和周圍土地利用現(xiàn)狀等指標(biāo)對適宜性評價的影響較大。項目區(qū)周圍土地利用現(xiàn)狀和原始土地利用方式均為林地和草地，與耕地差距較大；表土資源有限，使平臺覆土厚度只有30 cm，不利于農(nóng)作物的耕作；覆土來源于采礦所剝離的表土，容重較高，限制了農(nóng)作物和草本植物的生長，導(dǎo)致耕地和草地的土地復(fù)墾適宜性評價指數(shù)比林地低。

3.6.2 邊坡

由表6可知，露天采場邊坡適宜復(fù)墾為林地和草地。結(jié)合圖3可知，影響適宜性評價的主要指標(biāo)為地形坡度、地面平整度、預(yù)期土層厚度和周圍土地利用方式。地形坡度較大，地面不平整，且對露天采場邊坡覆土不理想，使得邊坡復(fù)墾為耕地的難度較大。對于草地而言，其適宜性指數(shù)低于林地，表明該評價單元應(yīng)優(yōu)先復(fù)墾為林地。

3.6.3 坑底

由表6可知，露天采場坑底較適宜復(fù)墾為林地和草地。結(jié)合圖4可知，影響適宜性評價的主要指標(biāo)為：排水條件和對外交通條件。其中排水條件的權(quán)重達(dá)到了0.39，結(jié)合礦山實際情況可知，坑底是該凹陷露天采場的最低處，其排水條件較差，加上覆土來源的土壤容重較高，導(dǎo)致坑底不宜復(fù)墾為耕地。且復(fù)墾為林地方向的適宜性指數(shù)大于草地的適宜性指數(shù)，表明坑底的土壤條件更適宜復(fù)墾為林地。

3.6.4 各評價單元最終復(fù)墾方向

評價單元的最終復(fù)墾方向要根據(jù)適宜性評價結(jié)果和項目區(qū)實際情況而定，使復(fù)墾方案具有可行性，復(fù)墾后的土地利用結(jié)構(gòu)更合理、功能更有效。故復(fù)墾的最終方向如下。

（1）平臺。根據(jù)適宜性評價結(jié)果，平臺宜復(fù)墾為林地。考慮現(xiàn)有的復(fù)墾條件和土地復(fù)墾效率，可在平臺上層覆0.3 m表土，坑植矮小灌木，將其復(fù)墾為灌木林地。

（2）邊坡。根據(jù)適宜性評價結(jié)果，邊坡宜復(fù)墾為林地。根據(jù)邊坡的地形情況，可在邊坡坡角處栽植爬山虎等藤木植物覆蓋邊坡，同時邊坡坡面可以撒零星的爬山虎種子，將邊坡復(fù)墾為灌木林地。

（3）坑底。根據(jù)適宜性評價結(jié)果，其坑底應(yīng)復(fù)墾為林地，結(jié)合露天采場實際情況，坑底處于封閉圈以下，不易排水，易形成較深的天然水坑。可使坑底在不覆土、自然蓄水的情況下，形成自然水文景觀，將原用于該部分的表土用于其它地方。

綜上，各評價單元最終復(fù)墾方向見表7。

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4 結(jié)論

（1）選取評價指標(biāo)時，依據(jù)土地利用總體規(guī)劃，按照因地制宜的原則，添加原始土地利用方式和周圍土地利用現(xiàn)狀等評價指標(biāo)，并針對礦山露天采場的實際情況改善了土壤因素方面評價指標(biāo)的選取方式，建立了一套針對露天采場的適宜性評價指標(biāo)體系。

（2）基于評價指標(biāo)體系，結(jié)合FAHP-Entropy賦權(quán)法，建立了針對露天采場的土地復(fù)墾適宜性評價模型，該評價模型在天生壩鐵礦露天采場東采坑的應(yīng)用表明：平臺、邊坡和坑底均應(yīng)復(fù)墾為林地。

（3）結(jié)合土地復(fù)墾適宜性評價結(jié)果和天生壩露天采場東采坑的實際情況，可知露天采場平臺和邊坡應(yīng)復(fù)墾為灌木林地，坑底由于不易排水而復(fù)墾為天然水坑。