露天采石場土地復墾適宜性評價及應用

王 銳, 秦婭青, 孫丹丹, 馬守臣

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院, 河南 焦作 454000; 2.國土資源部土地資源綜合監測 與持續利用野外科學觀測研究基地, 河南 焦作 454000; 3.北京佰信藍圖科技股份公司, 北京100085)

礦產資源是發展之基，生產之要，礦產資源保護與合理開發利用事關國家現代化建設全局。隨著中國國民經濟的發展以及新型城鎮化進程的加快，基礎設施建設對礦產資源蘊藏著巨大的需求空間。而大規模露天開山取石的同時，采石場生態環境的嚴重惡化也不容忽視。山體破損、巖石裸露、植被破壞、土壤污染等造成地貌景觀支離破碎和極端的環境條件，限制了植物的生長[1]，而且含水層破壞、水土環境污染、露天邊坡失穩、滑坡、泥石流等地質環境災害均直接威脅著區域居民正常的生產生活和社會經濟的可持續發展。改善礦山生態環境強有力的手段是進行土地復墾和生態重建[2]。近年來，隨著中國生態文明建設的加強，倡導綠水青山就是金山銀山，對廢棄采石場土地綜合整治也越來越受到重視。

對露天采石場土地進行復墾大多數是從生態復綠或景觀重建方面開展。國外露天采石場修復治理研究較早，如瑞士穆西塔(Musital)采石場、法國比維爾(Biville)采石場等都是從生態復綠和景觀重建著手修復治理[3-4]。國內研究相對較晚，袁劍剛等[5]、張艷等[6]、張起風等[7]對生態復綠模式下采石場邊坡植被恢復物種選擇和恢復治理措施等進行了研究；劉青松等[8]、王瓊等[9]將生態復綠與景觀重建二者結合，運用生態恢復學、景觀生態學和生態系統服務功能等基礎理論進行研究，使采石場恢復后具備生物生產、環境服務和文化支持等基本功能。

隨著露天采石場復墾和生態治理的研究的深入，采石場復墾模式也不僅僅局限于生態復綠或景觀重建。國內對露天采石場土地最適宜復墾模式的研究也在不斷發展?！度珖V產資源規劃》(2016—2020)提出探索礦山地質環境恢復和綜合治理與地產開發、旅游、養老療養、養殖、種植等產業的融合發展。李春娟等[10]在對重慶市采石場生態恢復治理研究中，根據距城市距離遠近將修復區進行最適宜功能規劃；馬東丹等[11]考慮到露天采石場現狀與周邊環境，提出將生態農業園區與露天采石場相融合的規劃理念；陽春花等[12]對國內幾種土地復墾模式進行優劣勢對比分析，認為沒有哪一種模式能兼顧地區資源環境和社會經濟價值，須因地制宜制定投入相對較低、回報相對較高的復墾模式；鄒自力等[13]采用最小限制因素法對采石場進行適宜性評價，認為進行多宜性評價可以保證最佳土地開發利用方向。

因此，構建科學合理的露天采石場土地復墾適宜性評價指標體系，提出有效可行的評價辦法，對指導采石場復墾模式的選擇有重要的理論和實踐意義。本文擬在前人研究的基礎上，運用層次分析法(analytic hierarchy process， AHP)構建適宜性評價指標體系和評價標準，綜合評價不同土地復墾模式的適宜性，并以焦作北山采石場復墾為例進行實證，以期為其他不同現狀條件下露天采石場確定最適宜利用模式提供參考。

1 露天采石場土地復墾適宜性評價

1.1 土地復墾適宜性評價方法的選擇

土地復墾適宜性評價是土地復墾利用方向決策和改良途徑選擇的基礎，按照適宜性評價的結果來決定采石場復墾的土地開發利用方向。

由于不同的評價方法會對適宜性評價結果的準確性和科學性產生影響，考慮到露天采石場土地復墾的影響因子較多，本研究中土地復墾的適宜性評價選用層析分析法。該方法簡潔實用、結果明確，其關鍵是將與決策有關的影響因素兩兩之間進行相對重要性比較，多目標綜合進行評價，更為直接的根據主導因素或重要影響因素確定土地最適宜利用方向。

1.2 土地復墾適宜性評價指標體系構建

當前中國礦區土地復墾大多側重于生態復墾與復綠，土地利用相對單一，同時在實際復墾過程中也需要大量的資金投入以及長期的管理維護，故采石場土地復墾完成后所能帶來的社會、經濟價值也應該包含在土地復墾模式的考慮之中。目前，露天采石場土地復墾主要有生態復綠和景觀重建2種模式。景觀重建復墾模式包括自然景觀和人文景觀的重建，自然景觀重建要素主要是指自然風景，如山川、樹木、湖泊等；人文景觀重建要素主要有古跡遺址、園林、商業建筑等[8]。但一些新興模式也在不斷發展完善，如生態農業模式。生態農業模式則包括農業、林業和漁業等主要利用方式。

1.2.1 評價因子選取 評價因子選取依據主導性原則、綜合性原則、穩定性原則和可獲取性原則確定，選擇地形條件、自然條件、社會經濟條件3類因子作為適宜性評價因子。

(1) 地形條件。由于采石場土地破壞的特殊性，地形條件是采石場土地復墾的必要考慮因素。露天采石場邊坡由于其裸露巖石陡峭、光滑以及坡度不一致，缺少足夠的土壤基質等植物生長的基本物質條件，致使其在采石場土地復墾中難度相對最大。在生態復綠工程中坡度一般以40°和70°為標準。40°以下坡度的復綠技術可以采用傳統的掛網噴草等經驗充足的技術，實施相對簡單；40°～70°的生態復綠有相應的難度，可以采用噴混植生技術；大于70°則只能選擇攀援植物，施工難度大，是采石場邊坡復墾中難度之最[14]。同時在這個過程中，采石場巖壁的粗糙程度也會影響到植被的恢復與重建。故地形因素選取采場邊坡坡度及巖壁粗糙度2個指標。

(2) 自然條件。露天采石場復墾前土壤條件以及氣候條件極大的影響植被的生長發育、景觀重建，良好的養育條件更能保證植被、作物的良好生長以及節約復墾成本。因此自然條件選擇植被覆蓋度、有效土層平均厚度以及年均降水量3個指標。

(3) 社會經濟條件。對于露天采石場土地復墾模式的選擇，除地形和自然條件之外，社會經濟條件也是非常重要的影響因素。其中地理位置的遠近、交通情況的優劣、區域多個采石場分布情況都會影響到土地利用方向及其復墾之后帶來的社會、經濟效益。故社會經濟條件選取社會經濟水平、距城市距離以及采石場集中連片度3個指標。

1.2.2 評價標準 主要依據以下原則：將評價因子適宜性等級分為1等、2等、3等和4等，取值分別為100，80，60，40，分值高低根據評價因子優劣程度來劃分[15]。

各個評價因子評價標準的選取依據為： ①采場邊坡坡度：根據陳法揚等[14]研究成果，在對采石場邊坡進行工程設計時，一般選用40°和70°作為標準；同時參考水土保持研究成果對邊坡坡度適宜性等級進行選取劃分； ②采場巖壁粗糙度：根據巴頓表征節理面粗糙程度的參數JRC剖面圖進行劃分，該方法雖有較強的主觀性，但可快捷方便判斷石壁粗糙程度，能滿足對邊坡復綠等工程的指導[16]； ③自然條件：參考《土地復墾質量控制標準(TD/T 1036-2013)》[17]，降水量參考植被自然生長需要的水量，結合自然資源區劃，分為4個劃分標準； ④社會經濟條件：參考研究結果結合實際情況確定。其中，距城市距離借鑒李春娟等[10]的研究結果，按距離大型居民點距離劃分為：<10 km，10～20 km，20～50 km，>50 km。

1.2.3 評價指標體系構建 通過評價因子選取以及評價標準的確定，露天采石場土地復墾適宜性評價指標體系構建如表1所示。

表1 露天采石場土地適宜性評價指標體系及評價因子標準

2 露天采石場土地復墾適宜性評價分析

2.1 層次分析法計算

采用層次分析法來確定各評價因子對各個復墾模式的權重。其主要計算步驟如下：

(1) 構建判斷矩陣。判斷矩陣表示針對上一層次某因素,本層次與之有關因子之間相對重要性的比較。同時它的值反映了人們對各因素相對重要性(或優劣、偏好、強度等)的認識，一般采用1—9及其倒數的標度方法。當相互比較因素的重要性能夠用具有實際意義的比值說明時，判斷矩陣相應元素的值則可以取這個比值。判斷矩陣的元素標度及其含義見表2。

(2) 層次單排序及其一致性檢驗。建立判斷矩陣B=(bij)n×n后,就可以求出各個因素的權值。采用和積法計算出各矩陣的最大特征根λmax及其對應的特征向量W，并用一致性比率CR進行一致性檢驗。其具體計算方法如下：

表2 判斷矩陣標度及其含義

(1)

(2)

③計算比較矩陣最大特征根λmax

(3)

式中：B——由bij組成的判斷矩陣； (BW)i——向量BW的第i個元素。

④ 一致性檢驗：

分別計算一致性指標CI和一致性比率CR

(4)

式中：隨機一致性指標RI值見表3。當CR<0.1認為判斷矩陣的不一致程度在容許范圍內；否則必須重新調整矩。

表3 隨機一致性指標RI的值

2.2 各復墾模式中評價因子的權重確定

2.2.1 生態復綠復墾模式 首先構建判斷矩陣如表4所示。利用層次分析法計算得：λmax=8.260 2；一致性比率CR=0.026 4<0.1，滿足一致性(表5)。

表4 生態復綠模式下各評價因子判斷矩陣

表5 生態復綠模式下各評價因子的權重值

2.2.2 景觀重建模式和生態農業模式 同理如生態復綠復墾模式，通過層次分析法對景觀重建模式和生態農業模式進行權重計算，兩模式判斷矩陣及評價因子權重如表6—7所示。

表6 景觀重建模式下各評價因子判斷矩陣及其權重值

表7 生態農業模式下各評價因子判斷矩陣及其權重值

3 實例分析

3.1 縫山針復墾區概況

焦作市位于河南省西北部，地理坐標為35°10′—35°21′N，113°4′—113°26′E。焦作市屬溫帶季風氣候，市區北部為山地、丘崗，南部為平原。2016年，全市地區生產總值2 082億元,人均生產總值達到58 800元。焦作市北山露天采石場始建于20世紀70年代，是焦作城市基礎設施建設石材用料主要生產地。

20世紀80—90年代，該區有12處采石場，大量的采石場在采掘礦石的同時，地貌景觀和生態環境也受到顯著影響。開采之后的采石場坡高數米至近百米，除部分坡頂有工程造林措施進行景觀改造外，大部分邊坡巖壁基石裸露。坡面形態受結構面控制變化較大，坡度較陡，多在60°～90°之間，個別地段較緩，局部有反傾石壁，有數個深3～20 m不等的殘坑或廢棄凹地[18]。

3.2 縫山針復墾區適宜性評價

根據實地調研與測定，縫山針復墾區現狀數據如表8所示。計算3種模式綜合評價得分見表9。

表8 縫山針復墾區評價因子現狀數值

表9 復墾區三種復墾模式綜合評分

根據表9可知，適宜度綜合評分最高的是景觀重建模式，而且此復墾區也是進行景觀重建。北山露天采石場現建成縫山針國家礦山公園，該公園長約1.5 km，寬約0.6 km，總面積0.9 km2。目前建有縫山公園大門、主題雕塑、廣場、飛瀑(陡峭邊坡改造而成)、觀光湖(采石坑改建)、兒童樂園(礦山排土排渣場改建)等一系列自然人文景觀。除此之外，生態復綠模式和生態農業模式綜合評分相差不大，究其原因是相對于北山采石場復墾前立地條件，2種模式沒有能夠兼顧地區資源環境和社會經濟價值，故因地制宜制定的北山采石場的最佳土地復墾模式為景觀重建模式。

4 討論與結論

一般地，采石場土地復墾的目標具有多宜性，也即恢復后的采石場可作為多種用途的土地。而采石場土地復墾的適宜性評價是對其廢棄土地利用的優化配置以及科學合理的復墾方案制定的基礎。但是在實踐中缺乏簡單易行的、科學有效的適宜性評價辦法。因此，在采石場土地復墾適宜性評價中，因地制宜，考慮復墾區具體破壞特征、開采規模、地形地貌、氣候條件、地方社會經濟以及相關規劃等因素，構建評價指標體系以及確定評價標準最為關鍵。指標太少，雖然簡單易于分析，但不能全面代表影響因素；而指標太多則又往往構成龐雜的指標體系，指標數據獲取也增加難度。本研究選擇地形條件、自然條件和社會經濟條件3方面共8個指標構建評價指標體系，運用層次分析法對不同復墾模式下指標因子權重進行計算，根據不同因子的分級標準，得出不同模式的適宜性評價分值。通過焦作北山采石場復墾經驗進行驗證，二者具有很好的一致性，表明該適宜性評價指標體系具有較好的科學性和可行性，可為其他露天采石場最佳復墾模式的選擇提供借鑒和參考。

當然，對于指標體系的構建，所選指標可能在不同具體實踐中仍需要優化完善。如采石場規模對復墾模式的選擇也有一定的影響，由于石料種類多樣，其生產建設規模劃分標準不一，用破壞土地面積來衡量需要進一步研究其分級標準。同時，露天采石場復墾模式方面，如上海松江“深坑酒店”等，在社會經濟方面選擇社會經濟水平和距城市距離2個評價因子可能代表性不足，對于具體土地復墾利用方向的選擇，需要進一步結合當地實際情況因地制宜優化。