基于突變級數(shù)法的開采區(qū)土地復(fù)墾綜合評價

任睆遐，陳 翔

(常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 常德 415000)

礦產(chǎn)資源開發(fā)在促進經(jīng)濟發(fā)展的同時，也對土地資源造成一定程度的破壞[1]，對土壤的理化性質(zhì)和生態(tài)環(huán)境造成一定影響[2]。土地復(fù)墾是緩解這一矛盾的有效途徑[3]。土地復(fù)墾的概念涉及如何獲得更具生產(chǎn)力用途的土地[4]。土地復(fù)墾適宜性評價是通過研究土地復(fù)墾項目區(qū)土地的自然、經(jīng)濟和社會屬性，對土地復(fù)墾后所需某種利用方式的適宜性及其利用程度等進行綜合性評價，目的是確定土地復(fù)墾最佳方案，達到土地可持續(xù)利用及生態(tài)環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展的目的，這也是解決工程建設(shè)和土地破壞之間矛盾的最有效途徑[5]。

土地復(fù)墾適宜性評價是確定土地復(fù)墾方向、制定復(fù)墾技術(shù)和復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)的基本依據(jù)，能有效避免土地復(fù)墾時的盲目性和二次破壞，達到最大限度合理利用土地的目的。因而，土地復(fù)墾適宜性評價也是確定受損土地復(fù)墾規(guī)劃的前提和基礎(chǔ)[6]，它為復(fù)墾土地再利用方向、改善措施選擇和土地利用規(guī)劃的決策提供了依據(jù)[7]。為此，學(xué)者們在這一領(lǐng)域進行了大量卓有成效的探索和研究。

WANG等[8]通過研究比較了不同的適宜性評價方法后，提出并采用極限綜合條件法對某礦區(qū)復(fù)墾土地適宜性進行了評價。ZHOU等[9]針對某露天礦土地復(fù)墾的實際情況構(gòu)建評價指標(biāo)體系，結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法計算指標(biāo)權(quán)重，提出了一種基于多屬性決策理論的土地復(fù)墾適宜性評價方法。CHENG等[10]采用綜合指數(shù)法和差積法，對某煤礦周邊受損土地復(fù)墾適宜性進行了評價，不僅給出了適宜復(fù)墾方向的結(jié)果，還指出了制約復(fù)墾適宜度的因素，為受損土地復(fù)墾決策和改良方案提供理論支持。AMIRSHENAVA等[11]認(rèn)為礦區(qū)土地復(fù)墾適宜性評估是復(fù)墾規(guī)劃中的一個關(guān)鍵步驟，可確保采礦后土地利用的可持續(xù)性，為此提出了一種基于2D評估矩陣的通用半定量土地復(fù)墾適宜性評價方法。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，采用突變級數(shù)法對煤礦開采區(qū)土地復(fù)墾為耕地的適宜性進行評價，并通過工程實例驗證該方法的可行性和可靠性，為土地復(fù)墾適宜性綜合評價的數(shù)量化方法研究提供新的思路和途徑。

1 研究區(qū)概況

湖南省邵東縣牛馬司礦區(qū)處于白馬山至龍山東西向古隆起的南側(cè)，祁陽弧形構(gòu)造的北翼，位于北東-南西向不對稱向斜的褶皺群之中。該區(qū)地貌特征簡單，主要為微丘陵地區(qū)，土壤以黏性土為主。該礦區(qū)為湖南省優(yōu)質(zhì)主焦煤重要產(chǎn)地，主要有斗秈、水井頭、麻園村、鐵箕山等4個工區(qū)，總面積約36 km2，煤炭資源現(xiàn)近枯竭。該礦區(qū)在對地下煤層進行深層次、大范圍開采以后，地表沉降在空間上呈大面積、連續(xù)、平緩的特征，煤礦生活區(qū)的房屋都有不同程度的開裂和變形?，F(xiàn)地表沉降基本穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的塌陷。調(diào)查表明，該礦區(qū)周邊分布近80座小煤窯，對該區(qū)土地資源及環(huán)境產(chǎn)生較大破壞。

本文針對該礦區(qū)因小煤窯開采對土地的破壞，復(fù)墾為耕地的適宜性進行綜合評價。

1.1 評價指標(biāo)

煤礦開采區(qū)土地復(fù)墾方向主要為耕地、林地、草地、園地等[12-13]。由于邵東縣人均耕地面積少，在確定該礦區(qū)土地復(fù)墾方向時，主要考慮復(fù)墾為耕地。參考相關(guān)研究[12-13]，確定該礦區(qū)土地復(fù)墾為耕地的適宜性評價指標(biāo)主要考慮3方面的因素：土地質(zhì)量、土壤養(yǎng)分和工程適宜性。選擇地形坡度、有效土層厚度、土壤母質(zhì)質(zhì)地、土壤污染情況、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、有效鉀、地面塌陷情況、地面破壞程度和灌溉及排水條件等11個參數(shù)作為評價指標(biāo)，各評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土地復(fù)墾為耕地適宜性評價指標(biāo)及分類標(biāo)準(zhǔn)

1.2 研究區(qū)土地測量項目及結(jié)果

1)土地質(zhì)量指標(biāo)中，地形坡度和有效土層厚度2個指標(biāo)為定量指標(biāo)，可由工程技術(shù)人員現(xiàn)場確定，土壤母質(zhì)質(zhì)地指標(biāo)在實地確定，根據(jù)具體情況按表1賦值，土壤污染情況主要根據(jù)有無污染源進行確定，根據(jù)具體情況按表1賦值。

2)土壤養(yǎng)分指標(biāo)都為定量指標(biāo)，可通過實地土壤采樣，然后分別測定有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、有效鉀等含量。土壤采樣時，應(yīng)首先選出能充分反映土壤特征的地塊，采樣深度一般為20 cm以內(nèi)。有機質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法測定，堿解氮采用康惠皿法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定，有效鉀含量采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定。

3)工程適宜性指標(biāo)為定性指標(biāo)，請相關(guān)方面的工程技術(shù)人員實地評定，根據(jù)具體情況按表1賦值。

根據(jù)上述11個指標(biāo)及相應(yīng)測定方法，對水井頭工區(qū)總計約1.3 km2的4塊土地進行測評，結(jié)果見表2。

表2 水井頭工區(qū)土地測評結(jié)果

2 評價方法

2.1 突變級數(shù)法

本文采用突變級數(shù)法對表2中的4個土地樣本進行評價。

根據(jù)突變級數(shù)法的基本思想，建立煤礦開采區(qū)土地復(fù)墾為耕地的適宜性綜合評價的突變級數(shù)模型，該模型包括以下幾個方面：

1)評價對象

評價對象即評價總目標(biāo)，該評價總目標(biāo)設(shè)為“A”。

2)遞階評價指標(biāo)體系

對于煤礦開采區(qū)土地復(fù)墾為耕地的適宜性評價，其一級評價指標(biāo)為：土地質(zhì)量指標(biāo)、土壤養(yǎng)分指標(biāo)和工程適宜性指標(biāo)?？煞謩e設(shè)為“B1”、“B2”和“B3”。

對一級指標(biāo)再行分解，組成二級指標(biāo)體系。其中“B1”的二級指標(biāo)體系為：地形坡度、有效土層厚度、土壤母質(zhì)質(zhì)地、土壤污染情況，分別設(shè)為：“C1”、“C2”、“C3”和“C4”?！癇2”的二級指標(biāo)體系為：有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、有效鉀，分別設(shè)為：“C5”、“C6”、“C7”和“C8”?！癇3”的二級指標(biāo)體系為：地面塌陷情況、地面破壞程度和灌溉及排水條件，分別設(shè)為：“C9”、“C10”、“C11”。

3)歸一化處理

歸一化處理包括2個方面：一是原始數(shù)據(jù)的無量綱化處理；二是根據(jù)相應(yīng)突變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對各級控制變量進行歸一化計算，再計算突變隸屬函數(shù)值。原始數(shù)據(jù)的無量綱化處理方法可參見文獻[14]。

根據(jù)遞階指標(biāo)體系，遞階層次結(jié)構(gòu)構(gòu)成以下突變系統(tǒng)：1)C1、C2、C3、C4與B1，C5、C6、C7、C8與B2分別組成蝴蝶突變系統(tǒng)；2)C9、C10、C11與B3組成燕尾突變系統(tǒng)；3)B1、B2、B3與A組成燕尾突變系統(tǒng)。

4)訓(xùn)練樣本

土地復(fù)墾適宜性評價本質(zhì)上是模式識別問題，即將土地復(fù)墾適宜性評價指標(biāo)體系的實際測評結(jié)果與評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)進行比較，與實際測評結(jié)果構(gòu)成的數(shù)組最為接近的標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)組所對應(yīng)的等級即為土地復(fù)墾適宜性的等級，也即是本文的突變級數(shù)法的識別結(jié)果。

本文根據(jù)表1評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)，利用Matlab軟件在每級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的數(shù)組之間，根據(jù)正態(tài)分布原則生成800個總樣本(每等級200個樣本)，其中600個作為訓(xùn)練樣本，200個作為測試樣本。

5)突變級數(shù)判據(jù)

根據(jù)訓(xùn)練樣本的突變級數(shù)值和分級，得出各狀態(tài)等級的突變級數(shù)值的范圍，即煤礦區(qū)土地復(fù)墾為耕地的適宜性突變級數(shù)判據(jù)：1)當(dāng)x≥0.960 0時為“適宜”；2)當(dāng)0.880 0≤x<0.960 0時為“中等適宜”；3)當(dāng)0.790 0≤x<0.880 0時為“不太適宜”；4)當(dāng)x<0.790 0時為“不適宜”。

利用上述突變級數(shù)判據(jù)對測試樣本進行識別，通過與期望結(jié)果進行比較后發(fā)現(xiàn)兩者完全一致，說明該判據(jù)可用于本文的土地復(fù)墾適宜性評價。

2.2 突變級數(shù)判據(jù)的驗證

為了驗證上述判據(jù)的有效性，以文獻[13]中的土地復(fù)墾適宜性評價實例進行分析，并將評價結(jié)果與該文獻和實際情況中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評判結(jié)果進行了對比分析。

該文獻提供了共20個土壤樣本。提供計算各樣本的突變級數(shù)值，從而可識別其適宜性等級，結(jié)果與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及實際情況一致，從而驗證了本文方法的可行性和可靠性。

2.3 研究區(qū)土地復(fù)墾適宜性評價

根據(jù)上述突變級數(shù)模型對表2中的4個土地樣本進行識別，綜合評價其適宜性級別。首先對表2中的定性指標(biāo)進行賦值，突變級數(shù)值計算結(jié)果見表3。根據(jù)突變級數(shù)值，4塊土地樣本的識別結(jié)果為：1#～3#土地的適宜性等級為“中等適宜”，4#土地為“不適宜”。

表3 水井頭工區(qū)土地復(fù)墾為耕地適宜性評價結(jié)果

此外，通過分析突變級數(shù)值可得到：1#和3#土地的突變級數(shù)值基本相同，說明其適宜性等級基本一致，而2#土地樣本的突變級數(shù)值大于1#和3#土地，說明其適宜性更好。4#土地由于不適宜復(fù)墾為耕地，可考慮復(fù)墾為林地或做其他用途。這說明突變級數(shù)法不僅能進行土地復(fù)墾適宜性評價，還可對適宜性程度進行綜合比較。

3 結(jié)論

1)突變級數(shù)法能較好地評價待復(fù)墾土地的適宜性狀況，有利于人們進一步認(rèn)識和掌握待復(fù)墾土地的土地質(zhì)量、土壤養(yǎng)分以及復(fù)墾工程適宜性等方面的屬性。

2)突變級數(shù)法的理論基礎(chǔ)是突變理論與模糊數(shù)學(xué)理論，它對樣本數(shù)據(jù)分布沒有特殊要求，且不需要對評價指標(biāo)進行賦權(quán)，提高了評價結(jié)果的客觀性，以及與不同算法的分類結(jié)果之間的可比性。

3)樣本突變級數(shù)值計算方法和過程簡便，可更精確地定量描述評價指標(biāo)特征值的級別屬性，能較好地對土地復(fù)墾適宜性狀況進行數(shù)量化的綜合評價。

4)突變級數(shù)法需要根據(jù)確定的分類組數(shù)、評價指標(biāo)相對應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建突變級數(shù)模型，盡管突變級數(shù)值的計算結(jié)果是客觀的，但分類組數(shù)是人為給定的，且到目前為止尚無統(tǒng)一的土地復(fù)墾適宜性評價指標(biāo)和分類標(biāo)準(zhǔn)，因此該方法的前提帶有一定的主觀性。