基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的王莊礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)

關(guān) 騰，時(shí)澤龍，郭圣文

(1.中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院，河北 邯鄲 056004；2.河北工程大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

中國人口眾多但土地利用率很低，人地矛盾是我國目前所面臨的主要矛盾之一。在我們國家有豐富的礦產(chǎn)資源，大量土地被眾多礦區(qū)所占據(jù)[1]，實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用的重要措施就是土地復(fù)墾，它的作用在于能夠有效的擴(kuò)增土地面積[2]，其意義在于經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)得以調(diào)整、人地矛盾得以緩解，實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。適宜性評(píng)價(jià)是土地復(fù)墾研究中最具有重要意義的內(nèi)容，為了避免盲目性和破壞性的開墾，使之更具有科學(xué)性和現(xiàn)實(shí)性[3]，土地適宜利用類型和結(jié)構(gòu)可以通過適宜性評(píng)價(jià)來確定，從而科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計(jì)土地復(fù)墾工作。

本文以王莊礦為例，通過模糊綜合評(píng)價(jià)法[4]對(duì)其進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)并確定復(fù)墾方向，且充分考慮權(quán)重的隨機(jī)性、相對(duì)性、模糊性，運(yùn)用可拓學(xué)理論的層次分析法[5-6]對(duì)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行合理分配，保證了評(píng)價(jià)結(jié)果客觀性和準(zhǔn)確性。

1 礦區(qū)概況

王莊煤礦井田南北長20 km，東西寬8 m，井田面積7 968.06 hm2，開采深度由+880 m至+350 m標(biāo)高。地勢起伏不均勻，北高南低，相對(duì)高差為135 m左右。礦區(qū)南部地貌為山前斜坡，黃土沖溝在礦區(qū)北部較發(fā)育，局部地區(qū)可見基巖，第四系黃土覆蓋整個(gè)礦區(qū)，評(píng)價(jià)區(qū)面積約為10 264 hm2。

目前王莊煤礦主要土地破壞類型是采礦工業(yè)場地、矸石山占用、生活區(qū)占用以及由于開挖引起的地表采空塌陷和積水區(qū)，總面積達(dá)3 025.22 hm2，預(yù)測破壞土地面積約1426.32 hm2。王莊煤礦已破壞土地面積,如表1所示。

表1 王莊煤礦已破壞土地面積Table 1 Destroyed land area in Wangzhuang Mine

2 王莊煤礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)

2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)王莊煤礦實(shí)際情況，參照多個(gè)復(fù)墾實(shí)例[7]以及《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(TD/T1036-2013)等，將王莊煤礦評(píng)價(jià)單元分為Ⅰ和Ⅱ兩級(jí)，Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)單元為礦山工業(yè)場地、塌陷采空區(qū)、積水區(qū)和矸石山；Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)單元為Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)單元以外的區(qū)域，包括黃土旱地、有林地、園地、未利用地分布區(qū)。選取地面坡度、有效土層厚度、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、灌溉條件、排水條件和田面平整度作為評(píng)價(jià)因子。確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由目標(biāo)層“土地適宜性評(píng)價(jià)”、要素層“地形條件、土壤條件、農(nóng)田基本建設(shè)條件”以及指標(biāo)層“地面坡度、有效土層厚度、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、灌溉條件、排水條件和田面平整度”構(gòu)成。王莊煤礦土地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表2所示。

表2 王莊煤礦土地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Land suitability evaluation indexes in Wangzhuang Mine

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)和賦值

結(jié)合王莊煤礦土地?fù)p毀情況及自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等因素，以宜耕、宜園、宜林、宜漁四類作為初步土地復(fù)墾方向，不同復(fù)墾方向選取適合的評(píng)價(jià)指標(biāo)。王莊煤礦不同復(fù)墾方向的適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3所示。

表3 王莊煤礦不同復(fù)墾方向的適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Suitability evaluation indexes of different reclamation ways in Wangzhuang Mine

注：表中“√”代表各土地適宜類對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化。 在評(píng)價(jià)指標(biāo)確定的基礎(chǔ)上，參照國內(nèi)外相關(guān)成果，確定適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：一級(jí)(高度適宜)、二級(jí)(中度適宜)、三級(jí)(勉強(qiáng)適宜)、四級(jí)(不適宜)。

結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況對(duì)四種復(fù)墾適宜方向的適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量化分級(jí)。王莊煤礦原始數(shù)據(jù)極差標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)結(jié)果。王莊煤礦評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，如表4所示。

表4 王莊煤礦評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Table 4 Standard values of evaluation indexes in Wangzhuang Mine

2.3 基于可拓學(xué)的層次分析法確定權(quán)值

2.3.1 關(guān)聯(lián)函數(shù)概念

在可拓學(xué)理論中可以通過初等關(guān)聯(lián)函數(shù)明確的判斷出某個(gè)指標(biāo)對(duì)某個(gè)等級(jí)的關(guān)聯(lián)程度，故而每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都可以按照重要性進(jìn)行排序。本文把適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為四個(gè)等級(jí)，土地復(fù)墾的適宜性影響程度最大的指標(biāo)就是關(guān)聯(lián)適宜性等級(jí)最高的。

整個(gè)實(shí)數(shù)軸都是關(guān)聯(lián)函數(shù)的取值范圍，x屬于某一可拓集合M的程度用K(x)>0來表示，不屬于可拓集合M的程度用K(x)<0表示，x既屬于集合M又不屬于集合M則用K(x)=0表示。由于礦區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同等級(jí)的取值是一個(gè)正域有限區(qū)間，故選用可拓集合為正域有限區(qū)間的關(guān)聯(lián)函數(shù)：

設(shè)x屬于正域有限區(qū)間(a,b)，x∈(-∞,+∞),M∈x,

(1)

當(dāng)M=a時(shí)，

(2)

當(dāng)M=b時(shí)，

(3)

2.3.2 研究區(qū)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算及排序

以宜耕地面坡度為例計(jì)算指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，其地面坡度標(biāo)準(zhǔn)值為0.84，宜耕適宜性等級(jí)區(qū)間為[0.88，1)，[0.72，0.88)，[0.4，0.72)，[0，0.4)，因此地面坡度關(guān)聯(lián)度K計(jì)算為：

宜耕、宜園、宜林、宜漁評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 宜耕、宜園、宜林、宜漁評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度Table 5 Correlation of suitability evaluation indexes of cultivated land, garden, woodland and fishery

從表中可知，橫向上相同指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度對(duì)不同的適宜性等級(jí)是不相同的，而縱向上，對(duì)于相同等級(jí)的相關(guān)性，不同的指標(biāo)是不一樣的；對(duì)于同一適宜性等級(jí)，對(duì)應(yīng)著多個(gè)最大關(guān)聯(lián)度，但最大相關(guān)值或相同或不同，關(guān)聯(lián)值相同說明評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于復(fù)墾適宜性的影響程度相同，關(guān)聯(lián)值不同則說明對(duì)復(fù)墾為耕地的適宜性，評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性有差異。各指標(biāo)重要性排序如下：

宜耕：灌溉條件=土壤質(zhì)地=排水條件>有效土層厚度>田面平整度>地面坡度>有機(jī)質(zhì)含量；

宜園：灌溉條件=土壤質(zhì)地=排水條件>地面坡度>田面平整度；

宜林：土壤質(zhì)地>地面坡度>有機(jī)質(zhì)含量；

宜漁：灌溉條件=土壤質(zhì)地>地面坡度。

2.3.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

依據(jù)各適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度使用AHP構(gòu)造判斷矩陣，確定各指標(biāo)的權(quán)值，并進(jìn)行一致性判斷檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果<0.1，具有很好的一致性。各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值如表6所示。

表6 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值Table 6 Weights of evaluation indexes

2.4 適宜性的模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)隸屬度理論,將受多種因素制約的研究對(duì)象在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上定量評(píng)價(jià)的一種綜合評(píng)標(biāo)方法稱為模糊綜合評(píng)價(jià),其結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng),針對(duì)模糊的、難以量化的問題易于解決。基本步驟如下:

1)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)集(U),即目標(biāo)事物各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合:

U={u1,u2,u3,…,un} .

2)構(gòu)建評(píng)價(jià)等級(jí)集(V),按照上述分析,高度適宜、中度適宜、勉強(qiáng)適宜和不適宜四個(gè)適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)用如下集合表示:

V={v1,v2,v3,v4} .

3)構(gòu)建權(quán)重向量(W),即各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的集合:

W={w1,w2,w3,…,wn} .

4)構(gòu)建模糊關(guān)系評(píng)價(jià)矩陣(R)。

5)求出模糊評(píng)價(jià)結(jié)果集(F)后作歸一化處理得出結(jié)果集(F′),按照最大隸屬度原則判斷評(píng)價(jià)目標(biāo)的等級(jí)。

F=WR={f1,f2,f3,f4} .

(4)

在最終評(píng)判集綜合評(píng)分時(shí),設(shè)V={v1,v2,v3,v4}中v1,v2,v3,v4分別等于4、3、2、1。

(5)

哪個(gè)等級(jí)vi值與計(jì)算出的H的值相近,那么評(píng)價(jià)等級(jí)即為i級(jí)。

適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果及分析。文中選擇“梯形”隸屬函數(shù)來計(jì)算王莊礦土地適宜性指標(biāo)的隸屬度,以宜耕適宜性評(píng)價(jià)的模糊關(guān)系矩陣R1為例構(gòu)建評(píng)價(jià)模型:

F1=W1·R1=(0.060,0.188,0.194,0.035,0.207,0.220,0.095)·R.

同理：

f2=0.888,f3=0.145,f4=0.017,

對(duì)評(píng)判結(jié)果進(jìn)行歸一化處理得:F′=[0.448,0.466,0.076,0.009].

根據(jù)最大隸屬原則,max(0.448,0.466,0.076,0.009)=0.466,于是研究區(qū)宜耕適應(yīng)性等級(jí)為中度適宜。

改進(jìn)后:

設(shè)V={v1,v2,v3,v4}中v1,v2,v3,v4分別等于4、3、2、1.

得:HGeng=0.448×4+0.466×3+0.076×2+0.009×1=3.351.

同理:HYuan=0.474×4+0.492×3+0.034×2+0×1=3.44.

HLin=0.461×4+0.459×3+0.053×2+0.267×1=3.59.

HYu=0.508×4+0.493×3+0×2+0×1=3.511.

在符合最大隸屬度原則的基礎(chǔ)上,HGeng數(shù)值最靠近3,故而宜耕復(fù)墾的適宜性等級(jí)為“中度適宜”;HYuan數(shù)值最靠近3,因此宜園復(fù)墾的適宜性等級(jí)為“中度適宜”;HLin數(shù)值介于3與4之間,但更靠近4,從而宜林復(fù)墾的適宜性等級(jí)為“高度適宜”。HYu數(shù)值介于3與4之間,但更靠近4,所以宜漁復(fù)墾的適宜性等級(jí)為“高度適宜”。王莊煤礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示和王莊煤礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果見圖1。

表7 王莊煤礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 7 Evaluation results of land reclamation suitability in Wangzhuang Mine

綜上，評(píng)價(jià)結(jié)果中度適宜的是耕地和園地，高度適宜的是林地和漁業(yè)，也就是說，林地、漁業(yè)是評(píng)價(jià)區(qū)土地復(fù)墾優(yōu)先考慮的方向，其次可以考慮復(fù)墾為耕地和園地；對(duì)宜耕方向來說，評(píng)判結(jié)果中高度適宜和中度適宜的隸屬度相差無幾，高度適宜0.448，中度適宜0.446。為遵循農(nóng)用地優(yōu)先原則，實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)全面發(fā)展以達(dá)到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的最佳效益，可以通過工程措施的改善以達(dá)到高度適宜的目的；采煤塌陷地坑洼不平，塌陷程度不同，且研究區(qū)內(nèi)積水區(qū)面積很大，因此可以將塌陷深度較大的片區(qū)及塌陷積水區(qū)復(fù)墾為高度適宜的漁業(yè)用地；其余土地在做土地復(fù)墾時(shí)，包括黃土旱地、有林地、園地、未利用地分布區(qū)，可優(yōu)先考慮恢復(fù)為高度適宜的林地及中度適宜的耕地和園地。

圖1 王莊煤礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.1 Results of suitability evaluation of land reclamation in Wangzhuang Mine

3 結(jié)論

從礦區(qū)土地破壞現(xiàn)狀出發(fā)，研究并建立了土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用可拓學(xué)理論和模糊數(shù)學(xué)對(duì)王莊礦進(jìn)行了土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)。主要結(jié)論如下：

1)根據(jù)王莊礦土地破壞情況，從宜耕、宜園、宜林、宜漁四個(gè)方向建立了研究區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)等級(jí)。

2)運(yùn)用可拓學(xué)理論的關(guān)聯(lián)函數(shù)，進(jìn)行各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算。得出了各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)相應(yīng)復(fù)墾方向的影響程度。

3)通過AHP確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，再選擇梯形分布的隸屬函數(shù)來計(jì)算指標(biāo)的隸屬度，引用模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建了王莊礦土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)模型。

4)研究區(qū)耕地、園地復(fù)墾的適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果同為中度適宜，林地、漁業(yè)復(fù)墾為高度適宜；對(duì)于塌陷深度較大的片區(qū)及塌陷積水區(qū)采用漁業(yè)復(fù)墾；對(duì)于其他土地，結(jié)合原土地利用類型，土地復(fù)墾時(shí)可優(yōu)先考慮林地、耕地和園地。