基于模糊綜合評價法的王莊礦土地復墾適宜性評價

關 騰，時澤龍，郭圣文

(1.中國煤炭地質總局第一勘探局地質勘查院，河北 邯鄲 056004；2.河北工程大學 地球科學與工程學院，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資源，大量土地被眾多礦區所占據[1]，實現土地資源可持續利用的重要措施就是土地復墾，它的作用在于能夠有效的擴增土地面積[2]，其意義在于經濟結構得以調整、人地矛盾得以緩解，實現國民經濟的健康發展。適宜性評價是土地復墾研究中最具有重要意義的內容，為了避免盲目性和破壞性的開墾，使之更具有科學性和現實性[3]，土地適宜利用類型和結構可以通過適宜性評價來確定，從而科學的規劃設計土地復墾工作。

本文以王莊礦為例，通過模糊綜合評價法[4]對其進行適宜性評價并確定復墾方向，且充分考慮權重的隨機性、相對性、模糊性，運用可拓學理論的層次分析法[5-6]對適宜性評價指標的權重進行合理分配，保證了評價結果客觀性和準確性。

1 礦區概況

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標高。地勢起伏不均勻，北高南低，相對高差為135 m左右。礦區南部地貌為山前斜坡，黃土沖溝在礦區北部較發育，局部地區可見基巖，第四系黃土覆蓋整個礦區，評價區面積約為10 264 hm2。

目前王莊煤礦主要土地破壞類型是采礦工業場地、矸石山占用、生活區占用以及由于開挖引起的地表采空塌陷和積水區，總面積達3 025.22 hm2，預測破壞土地面積約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 王莊煤礦土地復墾適宜性評價

2.1 構建評價指標體系

根據王莊煤礦實際情況，參照多個復墾實例[7]以及《土地復墾質量控制標準》(TD/T1036-2013)等，將王莊煤礦評價單元分為Ⅰ和Ⅱ兩級，Ⅰ級評價單元為礦山工業場地、塌陷采空區、積水區和矸石山；Ⅱ級評價單元為Ⅰ級評價單元以外的區域，包括黃土旱地、有林地、園地、未利用地分布區。選取地面坡度、有效土層厚度、土壤質地、土壤有機質含量、灌溉條件、排水條件和田面平整度作為評價因子。確定評價指標體系由目標層“土地適宜性評價”、要素層“地形條件、土壤條件、農田基本建設條件”以及指標層“地面坡度、有效土層厚度、土壤質地、土壤有機質含量、灌溉條件、排水條件和田面平整度”構成。王莊煤礦土地適宜性評價指標，如表2所示。

表2 王莊煤礦土地適宜性評價指標Table 2 Land suitability evaluation indexes in Wangzhuang Mine

2.2 評價指標分級和賦值

結合王莊煤礦土地損毀情況及自然、社會、經濟等因素，以宜耕、宜園、宜林、宜漁四類作為初步土地復墾方向，不同復墾方向選取適合的評價指標。王莊煤礦不同復墾方向的適宜性評價指標如表3所示。

表3 王莊煤礦不同復墾方向的適宜性評價指標Table 3 Suitability evaluation indexes of different reclamation ways in Wangzhuang Mine

注：表中“√”代表各土地適宜類對應的評價指標

適宜性評價指標數值標準化。 在評價指標確定的基礎上，參照國內外相關成果，確定適宜性評價等級標準為：一級(高度適宜)、二級(中度適宜)、三級(勉強適宜)、四級(不適宜)。

結合研究區實際情況對四種復墾適宜方向的適宜性評價指標進行定量化分級。王莊煤礦原始數據極差標準化后數據結果。王莊煤礦評價指標標準值，如表4所示。

表4 王莊煤礦評價指標標準值Table 4 Standard values of evaluation indexes in Wangzhuang Mine

2.3 基于可拓學的層次分析法確定權值

2.3.1 關聯函數概念

在可拓學理論中可以通過初等關聯函數明確的判斷出某個指標對某個等級的關聯程度，故而每個評價指標都可以按照重要性進行排序。本文把適宜性評價等級劃分為四個等級，土地復墾的適宜性影響程度最大的指標就是關聯適宜性等級最高的。

整個實數軸都是關聯函數的取值范圍，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。由于礦區土地復墾適宜性評價體系中各評價指標在不同等級的取值是一個正域有限區間，故選用可拓集合為正域有限區間的關聯函數：

設x屬于正域有限區間(a,b)，x∈(-∞,+∞),M∈x,

(1)

當M=a時，

(2)

當M=b時，

(3)

2.3.2 研究區關聯度的計算及排序

以宜耕地面坡度為例計算指標關聯度，其地面坡度標準值為0.84，宜耕適宜性等級區間為[0.88，1)，[0.72，0.88)，[0.4，0.72)，[0，0.4)，因此地面坡度關聯度K計算為：

宜耕、宜園、宜林、宜漁評價指標關聯度計算結果如表5所示。

表5 宜耕、宜園、宜林、宜漁評價指標關聯度Table 5 Correlation of suitability evaluation indexes of cultivated land, garden, woodland and fishery

從表中可知，橫向上相同指標的關聯度對不同的適宜性等級是不相同的，而縱向上，對于相同等級的相關性，不同的指標是不一樣的；對于同一適宜性等級，對應著多個最大關聯度，但最大相關值或相同或不同，關聯值相同說明評價指標對于復墾適宜性的影響程度相同，關聯值不同則說明對復墾為耕地的適宜性，評價指標的重要性有差異。各指標重要性排序如下：

宜耕：灌溉條件=土壤質地=排水條件>有效土層厚度>田面平整度>地面坡度>有機質含量；

宜園：灌溉條件=土壤質地=排水條件>地面坡度>田面平整度；

宜林：土壤質地>地面坡度>有機質含量；

宜漁：灌溉條件=土壤質地>地面坡度。

2.3.3 指標權重的確定

依據各適宜性評價指標關聯度使用AHP構造判斷矩陣，確定各指標的權值，并進行一致性判斷檢驗，檢驗結果<0.1，具有很好的一致性。各評價指標權值如表6所示。

表6 各評價指標權值Table 6 Weights of evaluation indexes

2.4 適宜性的模糊綜合評價

根據隸屬度理論,將受多種因素制約的研究對象在模糊數學的基礎上定量評價的一種綜合評標方法稱為模糊綜合評價,其結果清晰、系統性強,針對模糊的、難以量化的問題易于解決。基本步驟如下:

1)構建評價指標集(U),即目標事物各個評價指標的集合:

U={u1,u2,u3,…,un} .

2)構建評價等級集(V),按照上述分析,高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜四個適宜性評價等級用如下集合表示:

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

3)構建權重向量(W),即各個評價指標權重的集合:

W={w1,w2,w3,…,wn} .

4)構建模糊關系評價矩陣(R)。

5)求出模糊評價結果集(F)后作歸一化處理得出結果集(F′),按照最大隸屬度原則判斷評價目標的等級。

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

(4)

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

(5)

哪個等級vi值與計算出的H的值相近,那么評價等級即為i級。

適宜性評價結果及分析。文中選擇“梯形”隸屬函數來計算王莊礦土地適宜性指標的隸屬度,以宜耕適宜性評價的模糊關系矩陣R1為例構建評價模型:

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,

對評判結果進行歸一化處理得:F′=[0.448,0.466,0.076,0.009].

根據最大隸屬原則,max(0.448,0.466,0.076,0.009)=0.466,于是研究區宜耕適應性等級為中度適宜。

改進后:

設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上,HGeng數值最靠近3,故而宜耕復墾的適宜性等級為“中度適宜”;HYuan數值最靠近3,因此宜園復墾的適宜性等級為“中度適宜”;HLin數值介于3與4之間,但更靠近4,從而宜林復墾的適宜性等級為“高度適宜”。HYu數值介于3與4之間,但更靠近4,所以宜漁復墾的適宜性等級為“高度適宜”。王莊煤礦土地復墾適宜性評價結果如表7所示和王莊煤礦土地復墾適宜性評價結果見圖1。

表7 王莊煤礦土地復墾適宜性評價結果Table 7 Evaluation results of land reclamation suitability in Wangzhuang Mine

綜上，評價結果中度適宜的是耕地和園地，高度適宜的是林地和漁業，也就是說，林地、漁業是評價區土地復墾優先考慮的方向，其次可以考慮復墾為耕地和園地；對宜耕方向來說，評判結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。為遵循農用地優先原則，實現區域經濟全面發展以達到社會、經濟和環境的最佳效益，可以通過工程措施的改善以達到高度適宜的目的；采煤塌陷地坑洼不平，塌陷程度不同，且研究區內積水區面積很大，因此可以將塌陷深度較大的片區及塌陷積水區復墾為高度適宜的漁業用地；其余土地在做土地復墾時，包括黃土旱地、有林地、園地、未利用地分布區，可優先考慮恢復為高度適宜的林地及中度適宜的耕地和園地。

圖1 王莊煤礦土地復墾適宜性評價結果Fig.1 Results of suitability evaluation of land reclamation in Wangzhuang Mine

3 結論

從礦區土地破壞現狀出發，研究并建立了土地復墾適宜性評價指標體系，運用可拓學理論和模糊數學對王莊礦進行了土地復墾適宜性評價。主要結論如下：

1)根據王莊礦土地破壞情況，從宜耕、宜園、宜林、宜漁四個方向建立了研究區土地復墾適宜性評價指標體系及評價等級。

2)運用可拓學理論的關聯函數，進行各個評價指標關聯度的計算。得出了各評價指標對相應復墾方向的影響程度。

3)通過AHP確定各評價指標的權重，再選擇梯形分布的隸屬函數來計算指標的隸屬度，引用模糊數學理論構建了王莊礦土地復墾適宜性評價模型。

4)研究區耕地、園地復墾的適宜性評價結果同為中度適宜，林地、漁業復墾為高度適宜；對于塌陷深度較大的片區及塌陷積水區采用漁業復墾；對于其他土地，結合原土地利用類型，土地復墾時可優先考慮林地、耕地和園地。