基于模糊综合评价法的王庄矿土地复垦适宜性评价

关 腾，时泽龙，郭圣文

(1.中国煤炭地质总局第一勘探局地质勘查院，河北 邯郸 056004；2.河北工程大学 地球科学与工程学院，河北 邯郸 056038)

中国人口众多但土地利用率很低，人地矛盾是我国目前所面临的主要矛盾之一。在我们国家有丰富的矿产资源，大量土地被众多矿区所占据[1]，实现土地资源可持续利用的重要措施就是土地复垦，它的作用在于能够有效的扩增土地面积[2]，其意义在于经济结构得以调整、人地矛盾得以缓解，实现国民经济的健康发展。适宜性评价是土地复垦研究中最具有重要意义的内容，为了避免盲目性和破坏性的开垦，使之更具有科学性和现实性[3]，土地适宜利用类型和结构可以通过适宜性评价来确定，从而科学的规划设计土地复垦工作。

本文以王庄矿为例，通过模糊综合评价法[4]对其进行适宜性评价并确定复垦方向，且充分考虑权重的随机性、相对性、模糊性，运用可拓学理论的层次分析法[5-6]对适宜性评价指标的权重进行合理分配，保证了评价结果客观性和准确性。

1 矿区概况

王庄煤矿井田南北长20 km，东西宽8 m，井田面积7 968.06 hm2，开采深度由+880 m至+350 m标高。地势起伏不均匀，北高南低，相对高差为135 m左右。矿区南部地貌为山前斜坡，黄土冲沟在矿区北部较发育，局部地区可见基岩，第四系黄土覆盖整个矿区，评价区面积约为10 264 hm2。

目前王庄煤矿主要土地破坏类型是采矿工业场地、矸石山占用、生活区占用以及由于开挖引起的地表采空塌陷和积水区，总面积达3 025.22 hm2，预测破坏土地面积约1426.32 hm2。王庄煤矿已破坏土地面积,如表1所示。

表1 王庄煤矿已破坏土地面积Table 1 Destroyed land area in Wangzhuang Mine

2 王庄煤矿土地复垦适宜性评价

2.1 构建评价指标体系

根据王庄煤矿实际情况，参照多个复垦实例[7]以及《土地复垦质量控制标准》(TD/T1036-2013)等，将王庄煤矿评价单元分为Ⅰ和Ⅱ两级，Ⅰ级评价单元为矿山工业场地、塌陷采空区、积水区和矸石山；Ⅱ级评价单元为Ⅰ级评价单元以外的区域，包括黄土旱地、有林地、园地、未利用地分布区。选取地面坡度、有效土层厚度、土壤质地、土壤有机质含量、灌溉条件、排水条件和田面平整度作为评价因子。确定评价指标体系由目标层“土地适宜性评价”、要素层“地形条件、土壤条件、农田基本建设条件”以及指标层“地面坡度、有效土层厚度、土壤质地、土壤有机质含量、灌溉条件、排水条件和田面平整度”构成。王庄煤矿土地适宜性评价指标，如表2所示。

表2 王庄煤矿土地适宜性评价指标Table 2 Land suitability evaluation indexes in Wangzhuang Mine

2.2 评价指标分级和赋值

结合王庄煤矿土地损毁情况及自然、社会、经济等因素，以宜耕、宜园、宜林、宜渔四类作为初步土地复垦方向，不同复垦方向选取适合的评价指标。王庄煤矿不同复垦方向的适宜性评价指标如表3所示。

表3 王庄煤矿不同复垦方向的适宜性评价指标Table 3 Suitability evaluation indexes of different reclamation ways in Wangzhuang Mine

注：表中“√”代表各土地适宜类对应的评价指标

适宜性评价指标数值标准化。 在评价指标确定的基础上，参照国内外相关成果，确定适宜性评价等级标准为：一级(高度适宜)、二级(中度适宜)、三级(勉强适宜)、四级(不适宜)。

结合研究区实际情况对四种复垦适宜方向的适宜性评价指标进行定量化分级。王庄煤矿原始数据极差标准化后数据结果。王庄煤矿评价指标标准值，如表4所示。

表4 王庄煤矿评价指标标准值Table 4 Standard values of evaluation indexes in Wangzhuang Mine

2.3 基于可拓学的层次分析法确定权值

2.3.1 关联函数概念

在可拓学理论中可以通过初等关联函数明确的判断出某个指标对某个等级的关联程度，故而每个评价指标都可以按照重要性进行排序。本文把适宜性评价等级划分为四个等级，土地复垦的适宜性影响程度最大的指标就是关联适宜性等级最高的。

整个实数轴都是关联函数的取值范围，x属于某一可拓集合M的程度用K(x)>0来表示，不属于可拓集合M的程度用K(x)<0表示，x既属于集合M又不属于集合M则用K(x)=0表示。由于矿区土地复垦适宜性评价体系中各评价指标在不同等级的取值是一个正域有限区间，故选用可拓集合为正域有限区间的关联函数：

设x属于正域有限区间(a,b)，x∈(-∞,+∞),M∈x,

(1)

当M=a时，

(2)

当M=b时，

(3)

2.3.2 研究区关联度的计算及排序

以宜耕地面坡度为例计算指标关联度，其地面坡度标准值为0.84，宜耕适宜性等级区间为[0.88，1)，[0.72，0.88)，[0.4，0.72)，[0，0.4)，因此地面坡度关联度K计算为：

宜耕、宜园、宜林、宜渔评价指标关联度计算结果如表5所示。

表5 宜耕、宜园、宜林、宜渔评价指标关联度Table 5 Correlation of suitability evaluation indexes of cultivated land, garden, woodland and fishery

从表中可知，横向上相同指标的关联度对不同的适宜性等级是不相同的，而纵向上，对于相同等级的相关性，不同的指标是不一样的；对于同一适宜性等级，对应着多个最大关联度，但最大相关值或相同或不同，关联值相同说明评价指标对于复垦适宜性的影响程度相同，关联值不同则说明对复垦为耕地的适宜性，评价指标的重要性有差异。各指标重要性排序如下：

宜耕：灌溉条件=土壤质地=排水条件>有效土层厚度>田面平整度>地面坡度>有机质含量；

宜园：灌溉条件=土壤质地=排水条件>地面坡度>田面平整度；

宜林：土壤质地>地面坡度>有机质含量；

宜渔：灌溉条件=土壤质地>地面坡度。

2.3.3 指标权重的确定

依据各适宜性评价指标关联度使用AHP构造判断矩阵，确定各指标的权值，并进行一致性判断检验，检验结果<0.1，具有很好的一致性。各评价指标权值如表6所示。

表6 各评价指标权值Table 6 Weights of evaluation indexes

2.4 适宜性的模糊综合评价

根据隶属度理论,将受多种因素制约的研究对象在模糊数学的基础上定量评价的一种综合评标方法称为模糊综合评价,其结果清晰、系统性强,针对模糊的、难以量化的问题易于解决。基本步骤如下:

1)构建评价指标集(U),即目标事物各个评价指标的集合:

U={u1,u2,u3,…,un} .

2)构建评价等级集(V),按照上述分析,高度适宜、中度适宜、勉强适宜和不适宜四个适宜性评价等级用如下集合表示:

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

3)构建权重向量(W),即各个评价指标权重的集合:

W={w1,w2,w3,…,wn} .

4)构建模糊关系评价矩阵(R)。

5)求出模糊评价结果集(F)后作归一化处理得出结果集(F′),按照最大隶属度原则判断评价目标的等级。

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

(4)

在最终评判集综合评分时,设V={v1,v2,v3,v4}中v1,v2,v3,v4分别等于4、3、2、1。

(5)

哪个等级vi值与计算出的H的值相近,那么评价等级即为i级。

适宜性评价结果及分析。文中选择“梯形”隶属函数来计算王庄矿土地适宜性指标的隶属度,以宜耕适宜性评价的模糊关系矩阵R1为例构建评价模型:

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,

对评判结果进行归一化处理得:F′=[0.448,0.466,0.076,0.009].

根据最大隶属原则,max(0.448,0.466,0.076,0.009)=0.466,于是研究区宜耕适应性等级为中度适宜。

改进后:

设V={v1,v2,v3,v4}中v1,v2,v3,v4分别等于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.

在符合最大隶属度原则的基础上,HGeng数值最靠近3,故而宜耕复垦的适宜性等级为“中度适宜”;HYuan数值最靠近3,因此宜园复垦的适宜性等级为“中度适宜”;HLin数值介于3与4之间,但更靠近4,从而宜林复垦的适宜性等级为“高度适宜”。HYu数值介于3与4之间,但更靠近4,所以宜渔复垦的适宜性等级为“高度适宜”。王庄煤矿土地复垦适宜性评价结果如表7所示和王庄煤矿土地复垦适宜性评价结果见图1。

表7 王庄煤矿土地复垦适宜性评价结果Table 7 Evaluation results of land reclamation suitability in Wangzhuang Mine

综上，评价结果中度适宜的是耕地和园地，高度适宜的是林地和渔业，也就是说，林地、渔业是评价区土地复垦优先考虑的方向，其次可以考虑复垦为耕地和园地；对宜耕方向来说，评判结果中高度适宜和中度适宜的隶属度相差无几，高度适宜0.448，中度适宜0.446。为遵循农用地优先原则，实现区域经济全面发展以达到社会、经济和环境的最佳效益，可以通过工程措施的改善以达到高度适宜的目的；采煤塌陷地坑洼不平，塌陷程度不同，且研究区内积水区面积很大，因此可以将塌陷深度较大的片区及塌陷积水区复垦为高度适宜的渔业用地；其余土地在做土地复垦时，包括黄土旱地、有林地、园地、未利用地分布区，可优先考虑恢复为高度适宜的林地及中度适宜的耕地和园地。

图1 王庄煤矿土地复垦适宜性评价结果Fig.1 Results of suitability evaluation of land reclamation in Wangzhuang Mine

3 结论

从矿区土地破坏现状出发，研究并建立了土地复垦适宜性评价指标体系，运用可拓学理论和模糊数学对王庄矿进行了土地复垦适宜性评价。主要结论如下：

1)根据王庄矿土地破坏情况，从宜耕、宜园、宜林、宜渔四个方向建立了研究区土地复垦适宜性评价指标体系及评价等级。

2)运用可拓学理论的关联函数，进行各个评价指标关联度的计算。得出了各评价指标对相应复垦方向的影响程度。

3)通过AHP确定各评价指标的权重，再选择梯形分布的隶属函数来计算指标的隶属度，引用模糊数学理论构建了王庄矿土地复垦适宜性评价模型。

4)研究区耕地、园地复垦的适宜性评价结果同为中度适宜，林地、渔业复垦为高度适宜；对于塌陷深度较大的片区及塌陷积水区采用渔业复垦；对于其他土地，结合原土地利用类型，土地复垦时可优先考虑林地、耕地和园地。