南水北调中线京石段工程临时占地复垦适宜性评价方法研究

杨亚伦 ，戴 梅

（1.华中科技大学，武汉 430074；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

南水北调中线京石段工程临时占地复垦适宜性评价方法研究

杨亚伦1，2，戴 梅2

（1.华中科技大学，武汉 430074；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

南水北调中线京石段工程实施中，对临时占地均遵循规定采取了不同的复垦措施，目前复垦已基本完成。开展临时占地复垦适宜性评价，有助于全面了解该工程实施中占用农、林地的复垦情况和复垦效果，并根据实际情况及时提出完善措施，以切实保护土地，实现和谐发展、可持续发展。文中对临时占地复垦适宜性评价的多种方法进行了比较，探讨了人工神经网络评介法的特点，并采用ANN方法对南水北调中线工程典型临时占地复垦进行了适宜性评价，认为该方法可以为科学管理、提高土地生产力提供有效的技术参考。

南水北调；临时占地；复垦；评价；方法

土地复垦是指对在工程建设过程中，因挖损、塌陷、占压等造成破坏的土地，采取工程、生物等整治措施，使其恢复到可供利用状态的活动。临时占地复垦是在工程建设过程中，因交通运输、施工生活、生产加工、取土、开挖、弃土（泥、渣）等临时用地对土地造成了破坏，通过采取整治措施，使其恢复到可利用状态的活动。

南水北调中线工程土地复垦是指临时占地，占压类型为工程进场道路占地、施工辅道占地、取土料场占地、渠道开挖临时堆土占地、弃土弃渣占地、施工工区中混凝土拌合场和生活区占地等。该渠段临时占地中耕地园地约为临时占地总面积的88.41%，这些农用地已均按原规模、原标准、恢复原功能的原则，结合工程施工的特点和不同临时占地类型，划分单元，提出了不同的复垦措施和设计。目前该段工程已接近竣工验收，临时占地复垦也已基本完成。因此对南水北调中线临时占地复垦进行适宜性评价，将有助于全面了解南水北调中线京石段应急供水工程实施中占用农、林地的复垦情况和复垦效果，并根据实际情况及时提出完善措施，以切实保护土地，实现和谐发展、可持续发展。

1 京石段项目区自然环境概况

南水北调中线京石段应急供水工程起自石家庄古运河枢纽，止于北拒马河中支南，途径石家庄市新华区、正定、新乐，保定市的曲阳、定州、唐县、顺平、满城、徐水、易县、涞水和涿州12个县（市、区），渠段总长227.391km。工程占地合计总征地面积为7820.60hm2，临时占地为4474.07hm2，其中耕地、园地约为临时占地总面积的88.41%。

项目区地理位置为东经114°25′～115°47°， 北纬38°06′～39°30′，大体为南北向狭长地带地形西高东低，南高北低，南北地面高程在90～60m范围，西侧为太行山迎风山区，东侧为山前平原或坡水区。属北温带季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季秋高气爽，冬季寒冷少雪。石家庄至唐县以南及南拒马河以北渠段为倾斜平原地貌区；唐县以北至南拒马河渠段为丘陵地貌区。有耕地、林地、园地、其他农用地（坑、塘）、建设用地（砖窑）等。土壤类型多数为黄土状壤土。

2 土地复垦评价的技术路线

2.1 复垦评价原理

复垦评价就是对土地复垦综合因素进行定量、定性评述。定量评价必须以国家规定的土地复垦标准为依据，将土地复垦的评价因素转化为定量的可比数值进行评价。定性评价是指土地复垦对生态环境、社会影响及国民经济发展等方面作用的评估［2］。

复垦评价体系是由许多要素组成的综合体。可能涉及水、土壤、植物和动物等组成的自然体，涉及人口、工业、农业、交通、公共设施和住宅等组成的社会体。这个综合体不是水、土壤、工业、农业和其他组成要素的简单总和，而是相互发生关系的有机组合。因此，土地复垦评价属于多因素综合评价，是一项难度很大的系统工程，并与土地、工业、农业、水保、环境、管理和经济等诸多科学领域的知识相关联。

2.2 复垦评价程序

复垦评价一般应贯穿于土地复垦工程的始终，按时间顺序可划分为复垦前的土地破坏状况评价、复垦过程中的土地复垦技术评价、复垦后的土地复垦效果（适宜性）评价和效益评估。土地复垦评价程序见图1。

图1 土地复垦评价程序图

2.3 复垦评价单元的划分

项目区内待复垦土地适宜性评价单元的划分，一般以生产地段和地块作为评价单元。南水北调中线工程临时占地土地复垦可按道路占地、施工辅道占地、取土料场占地、渠道开挖临时堆土占地、弃土弃渣占地、施工工区中混凝土拌合场和生活区占地等划分为7类评价单元。

3 临时占地复垦适宜性评价方法

基于土地复垦评价这一系统工程的复杂性、可操作性和工程实际需求，对南水北调中线工程情况深入分析认为，京石段应急供水工程临时占地破坏不同于矿区塌陷、露天采矿等工程，临时占地具有点多、面小、污染轻微、复垦分散，基本不涉及各市县区域内气候、生物、动物、畜牧和区域社会环境等特点，遵循复垦原则和技术，保证复垦质量与耕种效果，及时退还占地是其关键线路。临时占地复垦后的土层厚度、坡度及土壤的结构及其侵蚀能力、污染度、有机质、pH值和耕作灌溉条件等因素基本决定了重新耕种的适宜性。所以，南水北调中线京石段应急供水工程临时占地复垦评价宜按上述土地复垦评价程序做出简化，并以多因子适宜性效果综合评价为目标，取得实用性的评价效果。

3.1 复垦适宜性评价方法比选

临时占地复垦多因子适宜性综合评价，目前可借鉴的评价方法主要有专家评价法、经验判断指数和法、极限条件法、多因素模糊综合评价法等。

3.1.1 专家评价法

专家评价法是以评价者的主观判断为基础的一种评价方法，是将专家们作为索取信息的对象，组织相关学科领域的专家使用专业经验和理论对综合环境要素进行评价的方法。其最大特点在于对一些难以用数学模型定量化的因素，在缺乏足够统计数据和原始资料的情况下，可以做出半定量估计。但这种方法必须反复征求多个专家的意见，过程拖延的时间较长。

3.1.2 经验判断指数和法

经验判断指数和法是根据经验去判断参评因素权重，并进行土地评价的一种方法。其评价步骤是以调查访问和当地多年生产经验为依据选定参评因素，并确定各参评因素的权重。然后按土地评价单元累加各参评因素的指数获得指数和。最后再对照事先设定的不同土地等级指数范围，评定各土地评价单元的土地适宜性等级。这种方法要求评价人员具有丰富的经验。

3.1.3 极限条件法

极限条件法是基于系统工程中“木桶原理”即分类单元的最终质量取决于条件最差的因子的质量。模型为：

式中 Yi为第i个评价单元的最终分值；Yij为第i个因素中第j参评因子的分值。

这种方法在进行土地复垦的适宜性效果评价时具有一定的局限性，土地复垦在一定程度上就是对这些限制因素的改进，使其适宜作物的生长。

3.1.4 多因素模糊综合评价法

模糊综合评判法是模糊数学中最基本的数学方法之一，该方法是以隶属度来描述模糊界限的。由于评价因素的复杂性、评价对象的层次性、评价标准中存在的模糊性及评价影响因素的模糊性或不确定性、定性指标难以定量化等一系列问题，使人们难以用绝对的“非此即彼”来准确描述客观现实，经常存在着“亦此亦彼”的模糊现象，其描述也多用自然语言来表达，而自然语言的最大特点是模糊性，且这种模糊性很难用经典数学模型加以统一量度。因此，建立在模糊集合基础上的模糊综合评判方法，从多个指标对被评价事物隶属等级状况进行综合性评判，把被评判事物的变化区间做出划分，一方面可以顾及对象的层次性，使得评价标准、影响因素的模糊性得以体现；另一方面在评价中又可以充分发挥人的经验，使评价结果更客观，符合实际情况。模糊综合评判可以做到定性和定量因素相结合，扩大信息量，使评价数度得以提高，评价结论可信。

3.1.5 人工神经网络（ANN）评价法

人工神经网络是基于模仿生物大脑的结构和功能而构成的一种信息处理系统或计算机，简称神经网络，简写为ANN（Artificial Neural Network）。人工神经网络的基本构架是模仿生物的神经细胞，分为输入层、隐含层和输出层3层。每一层包括若干代表处理单元的点。输入层的节点负责接收外在信息（如图1）不同于人脑的输入，人工神经网络所接收的输入信息是各种变量的数量化信息，一个输入变量对应一个输入节点。隐含层的节点负责处理输入层传来的信息，并转化为中间结果传递给输出层。而输出层的节点就以隐含层传来的信息与门槛值比较后，得到系统的最后结果，并将结果输出。

与传统的统计方法相比，人工神经网络具有以下特点：

（1）具有自我组织与学习能力；

（2）可以描述输入资料中变量间的非线性关系；

（3）可以依据样本和环境的变化进行动态调整。

由于南水北调中线工程临时占地复垦往往存在着非线性关系，因此人工神经网络比较适用于南水北调中线工程临时占地复垦适用性评价。

3.2 人工神经网络模型的建立

3.2.1 人工神经元模型概念

神经网络系统是由大量的、同时也是很简单的处理单元（或称神经元）广泛地互相连接而形成的复杂网络系统。它反映了人脑功能的基本特性：学习、归纳和分类。但它并不是人脑神经网络系统的真实写照，而只是对其作某种简化、抽象和模拟，这也是现实情况所能做到的，是目前神经网络研究的基本出发点。神经元是神经网络中最基本的处理单元。从神经元的特性和功能可以知道，神经元是一个多输入单输出的信息处理单元，而且，它对信息的处理是非线性的。根据神经元的特性和功能，可以把神经元抽象为一个简单的数学模型。工程上用的人工神经元模型如图2所示。

图2 人工神经元结构图

图2中，X1，X2，……，Xn表示神经元的输入（是其他神经元的输出）；W1，W2，……，Wn表示想互联接的神经元之间的联接强度（或权重）；θ表示其阀值；y表示经过该神经元处理后的输出值。通常每个神经元的输出值只有一个，但可以联接到其他多个神经元，作为其他神经元的输入。神经元的这种输入输出关系可表示为：

3.2.2 人工神经网络的基本结构

人工神经网络是建立以权重描述变更与目标之间特殊的非线性回归分析。它的基本结构单元为神经元，神经元按层次结构的形式进行组织，每层上的神经元以加权方式与其他层上的神经元连接，构成神经网络，其特点是输入层与隐含层，隐含层与输出层每个节点的作用是相互的，这与常规的模式识别技术有本质不同［4］（如图3所示）。

图3 标准样本3层网络结构图

在神经网络模型中，其中最具代表意义和广泛用途的是BP神经网络模型。BP神经网络模型是由输入层、输出层和若干个隐含层组成的前向连接模型，同层各神经元互不连接，相邻层的神经元通过权连接。多层反向传播算法（BP算法）是常用的神经网络算法，其原理见有关的文献介绍，这里不再赘述。

4 ANN模型用于复垦土地适宜性评价

4.1 复垦土地适宜性分级标准的确定

根据人工神经网络（ANN）评价法原理，南水北调中线复垦土地适宜性评价系统选取坡度、有效土层厚、土壤流失量、有机质含量、全磷含量、阳离子交换量6个指标作为适宜性评价因子，并将土地适宜分为4级，见表1，同时给出了ANN标准样本对应于各分级的期望值。

表1 土地适宜性分级标准

4.2 网络标准样本的确定

将表1数据作为网络模型的标准样本。网络为3层结构，6个输入神经分别对应坡度、有效土层厚、土壤流失量、有机质含量、全磷含量和阳离子交换量，输出神经元为适宜性分级。图3是标准样本形成的3层网络结构图。设计参数为：各层节点6－5－1，学习步长0.6，动量项为0.8，允许误差≤0.0001。 计算时，将属于2级和3级的范围值，以上限值和下限值求得平均值后，经过线形交换，将原始数据标准化（－1～1）后输入网络。用标准样本的网络模型对表2样本数据进行计算，表2中右侧两列为模型的计算和评价结果。

表2 部分临时用土土壤特性调查和化学分析结果

4.3 模拟结果和实际情况对比

用标准样本的网络模型对表2的样本数据进行模拟计算，结果见表2中的右两列数据。从网络模型输出结果看出，对于10个临时用地点，5个样点土地适宜性为1级，2个样点土地适宜性接近2级，3个样点土地适宜性为3级，网络模型的模拟结果和实际情况基本一致。

5 结语

南水北调中线临时占地使用时间短，破坏不大，但点多、面小、分散，且涉及到的许多因素和因子具有很大的模糊性。采用ANN模型，依据分级标准对南水北调中线临时占地复垦进行适宜性评价，网络模拟结果和实际情况基本一致。因此采用该方法对土地复垦适宜性进行评价，可以

有效评价复垦效果，快速为科学管理提供技术参考。

［1］河北省水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程石家庄至北拒马河段弃土弃渣场地变更报告［R］.2007.

［2］陈龙乾.土地复垦评价探讨［J］.矿山测量，1996（1）.

［3］郭建一.矿山土地复垦技术与评价研究［D］.长春：东北大学，2009.

［4］袁曾任.人工神经元网络及其应用［M］.北京：清华大学出版社，1999.

［5］戴文站.基于三层BP网络的多指标综合评估方法及应用［J］.系统工程理论与实践，1999，19（5）.

［6］刘静，李建学.土地复垦整理可行性研究中的土地适宜性评价［J］.陕西农业科学，2007（1）.

［7］张静，寥铁军.土地整理中的土地适宜性评价研究［J］.西南农业大学学报，2009（4）.

［8］张红日，牛兴丽，石潇，等.横河矿区沉陷土地复垦利用的模糊综合评价［J］.山东科学大学报，2008（5）.

［9］潘大丰，李群.人工智能网络多指标评价方法研究［J］.农业系统科学与综合研究，1999，15（2）.

［10］楼顺天.基于MATLAB系统分析与设计－神经网络［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1998.

The Middle Route of the South－to－North Water Transfer Project Temporary Occupying Land Area Reclamation Appraisal Method Studying

YANG Ya－lun1，2，DAI Mei2
（1.Huazhong University of Science ＆ Technology，Wuhan 430074， China；2.Hebei Research Institute of Investigation ＆Design of Water Conservancy ＆ Hydropower，Tianjin 300250， China）

The middle route of the South－to－North water transfer project， follow the rules for temporary covers all adopted different reclamation measures， currently reclamation has been completed.Carry out temporary covers an area of reclamation the suitability， conduce to the overall understanding of the implementation of the project occupying farming， forest land reclamation and reclamation of results，and according to the actual situation of the propose timely perfect measures to effectively protect land， the realization of harmonious development and sustainable development.In the paper， the temporary covers an area of reclamation suitability of various methods are compared，and discusses the artificial neural network in land reclamation suitability of characteristics， and by using the method of Ann south－to－north water transfer project covers the typical temporary reclaimed the suitability， think this method can rapidly for scientific management， improve the land productivity provide effective technical reference.

South－to－North Water Transfer Project；temporary land use；land reclamation；evaluation；methods

TV212.5

A

1672-9900（2011）01-0048-04

2010－12－15

杨亚伦（1962－），男（汉族），河北石家庄人，正高级工程师，主要从事非传统水资源、工程移民、绿色能源和水利水电工程设计研究工作，（Tel）022－26327689。