露天采场土地复垦适宜性评价的FAHP-Entropy赋权法

2018-11-30唐明杰王大国李莎莎

金属矿山 2018年11期

余晨唐明杰王大国李莎莎

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083；2.四川省土地统征整理事务中心，四川成都610045；3.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳621010）

露天采矿对土地破坏尤为严重，通过土地复垦适宜性评价可以确定因采矿活动造成损毁土地的利用方向，为矿山企业可持续发展提供重要保障［1］。土地复垦适宜性评价是土地复垦工作前的中心环节［2］，是确定因人为或自然因素损毁土地利用方向的前提和基础，它为合理利用损毁土地资源提供了科学方案，对土地复垦工作起着指导作用。

土地复垦适宜性评价的主要研究内容包括评价指标体系的建立和评价方法的探索。在评价指标体系的建立中，崔艳等［3］选取了坡度、地表组成物质、覆土厚度、灌溉条件、排水条件等指标对露天矿区农用地进行了复垦适宜性评价；王世东等［4］对鹤壁市第八煤矿进行土地复垦适宜性评价时，指标体系选取了地面坡度、破坏程度、土壤质地、土源保证率、灌溉条件、交通条件等6个评价指标；刘文锴等［5］对徐州贾汪区的煤矿进行土地复垦适宜性评价时，选取了积水状况、排灌状况、坡度、土壤条件、区位条件等5个评价指标建立指标体系。从现有的研究来看，矿山土地复垦适宜性评价指标的选取主要考虑了地形、水利和土壤方面的因素，没有考虑原始土地利用方式，其中土壤因素的指标值是依据土地破坏后，由还未覆土前的土壤条件确定。

在土地复垦适宜性评价方法的探索中，胡振琪等［6］用层次分析法（AHP）对山东某矿采煤塌陷地进行了可垦性分析，确定了待复垦区域的可垦性，为土地复垦提供参考；冯涛［7］用熵值法（Entropy）结合模糊综合评判法对万隆硅砂矿进行了土地复垦适宜性评价；施开放等［8］则采用AHP-Entropy法，建立熵组合模型对农村居民点复垦现实潜力进行估算。在其它研究方法中，王璐等［9］提出FAHP-Entropy赋权法，并对高速公路改扩建方案进行了优选。该方法优化了AHPEntropy法中判断矩阵的构造方式，解决了判断矩阵一致性不易通过的问题，使计算步骤更简便，且相较于其它方法，FAHP-Entropy法将主客观权重相互融合，既降低了人为主观影响，又考虑了所有指标的特征，使得评价结果更加准确合理，符合工程实际。

本研究以天生坝铁矿露天采场为例，建立了露天采场土地复垦适宜性评价指标体系，用FAHP-Entropy法计算指标权重后，对露天采场进行了土地复垦适宜性评价。

1 评价指标体系

在现有的研究中［10-13］，露天采场土地复垦适宜性评价指标，主要有地形因素中的地形坡度、地面平整度；水利因素中的排水条件、灌溉条件；土壤因素中的地表组成物质、有效土层厚度、土壤污染、土壤有机质含量和土体容重等指标，其指标值是根据土壤破坏后，由还未复垦前的土壤条件决定。依据土地利用总体规划，按照因地制宜的原则，添加了原始土地利用方式和周围土地利用现状等指标。因露天采场表土已经被破坏，土壤因素方面除了土壤污染外，其它指标应根据覆土来源的土壤特征选取，如预期覆土厚度、预期覆土容重、预期土壤有机质含量等。根据以上情况，建立了一套如图1所示的露天采场土地复垦适宜性评价指标体系。

依据《中国1∶100万土地资源图》中主要限制因素的评价等级标准，将评价指标划分为适宜、较适宜、临界适宜、不适宜4个等级，详见表1。

2 FAHP-Entropy赋权法评价模型

2.1 指标数据的标准化

假设评价单元有m个复垦方向，每个复垦方向有n个评价指标，采用Min-max法［14］对指标数据进行标准化处理。

对数值越大越好的指标：

对数值越小越好的指标：

式中，xij为评价指标值；min(xij)为评价指标的最小值；max(xij)为评价指标的最大值；rij为评价指标的标准值。

得到标准化矩阵 R=[rij]m×n，1≤i≤m，1≤j≤n，rij∈[0,1]。

2.2 建立评价模型

建立FAHP-Entropy赋权法模型的步骤如下。

（1）利用FAHP法［15］计算各指标的主观权重 w'j，j=1,2,…,n 。

（2）利用Entropy法计算各指标的客观权重w''j，j=1,2,…,n 。

（3）将主观权重w'j和客观权重w''j相互耦合，便得到FAHP-Entropy赋权法［11］的权重 wj（ j=1,2,…,n）。不同的赋权法计算出来的权重不同，但他们反应的均是同一个问题，所以w'j和w''j应尽可能地接近，故可采用最优加权法，即相对熵原理［16］耦合权重：

注：1表示土地复垦适宜性为适宜；2表示较适宜；3表示临界适宜；4表示不适宜。

采用拉格朗日乘子法解最优化问题，得最优解：

其最优解wj即为FAHP-Entropy赋权法的权重W=(w1,w2,…,wn)。

2.3 土地复垦适宜性指数

由指标的标准值和FAHP-Entropy赋权法确定的权重，采用综合评价法可计算出土地复垦适宜性指数，计算公式为：

式中，Z为土地复垦适宜性指数。

3 评价模型的应用

3.1 评价区域概况

天生坝铁矿露天采场位于四川省会理县，受矿体分布的影响，采场分为东西2个采坑，本研究以天生坝露天采场东采坑为例进行土地复垦适宜性评价。东采坑最高开采标高为2 120 m，坑底标高为1 970 m，原始土地利用类型为有林地和其它草地。根据当地土壤垂直规律分布，土壤类型主要为黄红壤和幼年红壤，土壤质地以壤质为主，容重较高，有机质含量较丰富。其表土堆场内的表土，加上其他来源的表土，总共有6.7万m3，经过土平衡分析，露天采场平台及坑底的预期覆土厚度约为30 cm。

3.2 评价单元划分

基于地貌类型的不同，可将露天采场划分为平台、边坡和坑底3个评价单元［17］。表2给出了各评价单元的原始特征值。

3.3 数据标准化

基于表1评价指标的等级标准和表2评价单元原始特征值，得到天生坝露天采场评价单元各指标的评定等级，采用式（1）和式（2）进行标准化处理，标准化值见表3。

3.4 权重计算

根据式（4）计算各指标的FAHP-Entropy赋权法的权重，计算结果见表4。

3.5 计算土地复垦适宜性指数

由式（5）计算得天生坝铁矿露天采场各评价单元的适宜性指数，计算结果见表4。由评价指标标准值分布在［0，1］之间的情况，可将土地复垦适宜性等级按表5标准划分［18］。

3.6 评价结果与分析

根据表4和表5给出的土地复垦适宜性指数和适宜性等级划分，得到天生坝铁矿露天采场土地复垦适宜性评价结果，见表6。

3.6.1 平台

由表6可知，露天采场平台适宜复垦为林地和草地。结合图2可知，预期土层厚度、预期覆土容重、原始土地利用方式和周围土地利用现状等指标对适宜性评价的影响较大。项目区周围土地利用现状和原始土地利用方式均为林地和草地，与耕地差距较大；表土资源有限，使平台覆土厚度只有30 cm，不利于农作物的耕作；覆土来源于采矿所剥离的表土，容重较高，限制了农作物和草本植物的生长，导致耕地和草地的土地复垦适宜性评价指数比林地低。

3.6.2 边坡

由表6可知，露天采场边坡适宜复垦为林地和草地。结合图3可知，影响适宜性评价的主要指标为地形坡度、地面平整度、预期土层厚度和周围土地利用方式。地形坡度较大，地面不平整，且对露天采场边坡覆土不理想，使得边坡复垦为耕地的难度较大。对于草地而言，其适宜性指数低于林地，表明该评价单元应优先复垦为林地。

3.6.3 坑底

由表6可知，露天采场坑底较适宜复垦为林地和草地。结合图4可知，影响适宜性评价的主要指标为：排水条件和对外交通条件。其中排水条件的权重达到了0.39，结合矿山实际情况可知，坑底是该凹陷露天采场的最低处，其排水条件较差，加上覆土来源的土壤容重较高，导致坑底不宜复垦为耕地。且复垦为林地方向的适宜性指数大于草地的适宜性指数，表明坑底的土壤条件更适宜复垦为林地。