基于复杂系统理论的徐州九里煤矿区土地复垦项目持续性后评价

徐占军，张绍良，侯湖平，余健，张建

(1.山西农业大学 资源环境学院，山西太谷 030801；2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221008；3.安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖 241003；4.北京华夏至信土地科学有限公司，北京 100000 )

土地复垦项目可持续性后评价是研究土地复垦项目所取得的效果及有益影响是否能够在评价时点以后的时间里能够持续上升或维持现有水平，研究实现复垦项目目标和效益所需的必要条件以及存在的风险，为实现其目标提出相应的对策措施。土地复垦项目可持续性后评价重点是研究土地复垦所取得效果的持续性。如何评价一项土地复垦工程在项目竣工后项目的持续性，一直是有关学者关心的问题。虽然国内外在矿区土地复垦评价领域都做了相关研究，在理论与实践方面取得了大量成果[1～14]，但研究土地复垦项目可持续性后评价的文献并不多见。本文将复杂系统理论引入煤矿区土地复垦项目持续性后评价，从土地复垦可持续性后评价概念模型、指标选取、评价方法等方面进行了讨论，并以徐州九里土地复垦项目为例进行了持续性后评价。

1 基于复杂系统理论的土地复垦系统可持续性后评价概念模型

将土地复垦项目视为一个复杂系统。依据系统理论其主要包括经济、环境、生态、社会等子系统以及各子系统之间的物质、能量、价值和信息的输入输出转换。土地复垦项目的可持续状态不是由某个系统(因素)单独决定的，而是受多种因素的影响，是多因素、多系统综合作用的结果。要维持土地复垦项目系统的可持续发展，必须保证该复合系统内各子系统实现结构优化、系统稳定和动态调节性，系统必须是“发展度、协调度、持续度”的综合反映，如概念模型(图1)。

图1 可持续发展状态评价模型Fig.1 Model of sustainable development state

发展度就是发展的程度，体现了复合系统的发展水平，越接近于承载力，其限制因子的作用力越强，发展度也就越小；协调度体现了各子系统间相互协调程度，因为当各子系统间协调一致时，系统产生整体协同放大效应，总体功能效益大于各子系统功能效益的简单加和；持续度取决于某一阶段所面临的风险，对于土地复垦项目效果的持续性必须关注其所面临的各类风险对其影响，风险越大，其持续度越低[15]。土地复垦系统持续发展的系统理论概念模型[16]表示如下：

S=f(X1,X2,X3,X4,C,R)

Xi=f(Xi1,Xi2,…,Xin,S,T)i=1，2，3，4

Xi≥Ni,Xij≥Nij，j=1，2，…，n

式中，S表示项目复合系统可持续度；X1表示项目区经济子系统可持续发展度；X2表示项目区生态环境子系统可持续发展度；X3表示项目社会子系统可持续发展度；X4表示项目区资源子系统可持续发展度；C表示项目各子系统的协调度；R表示系统内外部所面临的风险；B表示项目区域的综合承载力；Ni表示各子系统可持续发展的阈值，低于此值的子系统为不可持续；Nij表示各子系统的影响因素可持续发展的阈值。

2 土地复垦项目可持续性后评价指标选取

根据复杂系统构成理论，土地复垦项目的可持续状态不是由某个系统(因素)单独决定的，而是多因素、多系统综合作用的结果。系统内任何一个因素崩溃，都会严重地降低土地复垦项目的可持续发展的综合能力。综合土地复垦项目的特征及复杂系统可持续性评价的内容，影响土地复垦项目可持续性的主要因素包括经济因素、环境因素、资源因素、社会因素[17,18]等。

(1)经济因素。土地复垦项目投资的目标之一是恢复项目区的土地生产力，提高当地居民的收入水平。对于农业生产来说，土地生产力是耕地产量水平的基础，而维持复垦项目所取得效果，需要有足够的资金不断地向农业生产系统中投入，使农业生产系统能够有持续稳定的产出支持资金的不断投入，形成一种良性循环体系。

(2)环境因素。可持续的土地复垦项目是生态、环境、景观保护与项目区经济发展之间的合理平衡，是在不破坏环境及不损害后代人利益的条件下的发展。因此，能否合理地保护资源，维持或改善项目区域生态环境系统及其景观审美度，提高项目区生态环境系统的稳定性和均衡性，是判断土地复垦项目复合系统持续性的重要因素。

(3)资源因素。资源是支撑可持续发展的基础，资源的过度利用及枯竭会导致系统的崩溃。对于土地复垦项目来说，水资源及土地资源是最重要的资源，这两类资源属于可更新资源，如合理开发使用系统会产生协同放大的效果。

(4)社会因素。公平的利用资源、承担风险和分配收益，促进社会经济平衡发展是土地复垦项目所追求的目标之一，也是土地复垦项目复杂系统可持续的重要条件。土地复垦项目区群众的环保意识、对复垦后项目区的治理和保护能力，以及复垦项目是否有利于消除贫困等社会问题，是影响土地复垦项目可持续性的重要因素。

土地复垦项目可持续性指标的选取应该注意其实用性、可操作性、简洁性、完整性等原则。指标体系应该具有层次性，即指标体系可以分为不同层次的指标或指标体系。高层的指标体系在不同类型土地复垦项目可持续性评价中具有通用性，低层次指标体系只反映不同项目的特点，属于项目专用指标，从不同方向、不同范围、不同层次上反映各种类型的土地复垦项目的可持续程度。煤矿区土地复垦项目持续性后评价指标体系见表1。

表1 土地复垦项目可持续性评价指标体系

3 土地复垦项目可持续评价方法

土地复垦项目区是一个经济、社会、资源、环境复合系统，其可持续水平取决于各个子系统自身的发展、内外部所面临的威胁和系统间相互协调水平。

为了科学衡量各影响因素，用XE、XS、XR、XEN分别表示经济、社会、资源、环境的发展水平，BE、BS、BR、BEN分别表示经济、社会容许度及资源、环境承载力水平。显然，XE、XS、XR、XEN的确定是在各子系统指标群的基础上获取的，而BE、BS、BR、BEN是通过各类指标所能达到的上下界极值函数获取。

用SD(x)表示土地复垦项目效果的综合可持续性状态，DI(x)表示发展度，CI(x)表示协调度，AI(x)表示持续度，那么SD(x)=f(Wx,DI(x),CI(x),AI(x))。f(x)是评价发展度、协调度、持续度的大小的度量，要满足0≤f(x)≤1，0≤DI(x)≤1，0≤CI(x)≤1，0≤AI(x)≤1，可以应用发展度、协调度、持续度的几何均值表示可持续发展状态SD，SD取值越大，表示可持续程度越高：

SD=(DI×AI×CI)1/3

3.1 发展度DI(x)与协调度CI(x)的求取模型

假设评价经济子系统发展水平有L个指标(XE1、XE2…XEL)，社会子系统发展水平有K个指标(XS1、XS2…XSK)，资源子系统发展水平有M个指标(XR1、XR2…XRM)，环境子系统发展水平有N个指标(XEN1、XEN2…XENN)。为了便于衡量，需计算各子系统的有序效用值 ，计算公式[19]为：

(1)

(2)

式中，X表示各子系统指标值，a1、a2分别表示子系统指标的产生影响的边界。式(1)用于表示指标参数X具有正功效的情况，即指标值越大，系统向有序方向发展的趋势越强；式(2)用于表示指标参数具有负功效的情况，即指标值X越大，系统向有序方向发展的趋势越弱。

由于发展度是评价复垦后各子系统的状态和其承载能力间的距离的函数，而承载力则通过效用函数定义为0，距离承载力越远，则系统的发展空间度越大，因此通过线性加权模型计算系统的综合发展度如公式(3)，Wi为各子系统的权重：

(3)

协调度CI体现了各子系统间相互协调程度，子系统I和子系统J之间的协调度Cij可采用相对Haming距离[20]计算。计算公式为：

(4)

Cij成为两系统i,j的静态协调度。

复合系统协调度CI可通过对两子系统协调度的线性加权求和计算，aij为各子系统的权重：

(5)

3.2 持续度AI(x)的求取模型

持续度取决于某一阶段所面临的风险[15]，风险性越大，其持续度就越低。能够威胁土地复垦项目效益(效果)的已有的或潜在的、危险的因素都应该考虑。风险性既与不利事件发生的概率有关，又与其发生所引起的危害后果相关。因此单因素风险值R=P×C，多因素风险值则用线性加权模型，即：

(6)

式中：Wi表示第i个指标权重，Pi表示第i个指标发生的概率；Ci则表示第i个指标引发的危害强度，要求0

因此可将风险值分级，首先将发生概率和后果严重性分为5级(用1～5表示)，然后将发生概率级别和后果严重性级别相乘，将计算结果分为5级，则风险值分别与其级别相对应，如表2[15]所示。R值越大，其持续度越低，因此持续度可以应用风险值与1的差值表示：AI=1-R。

表2 风险分级表

4 实例分析：徐州九里土地复垦项目持续性后评价

九里区土地复垦区位于徐州市九里区庞庄办事处境内，距徐州市中心8公里，是由顺堤河、拾屯河、拾新河、香山河围成的菱形区域，如图2所示。

图2 土地复垦项目区位置图Fig.2 Sampling point in jiuli reclamation area

复垦区内有庞庄矿、张小楼矿、宝应矿3个生产矿井，区内涉及3个行政村(张小楼村、拾东村、拾西村)，复垦前总人口9830人，人均收入2473元。复垦项目实施前由煤炭开采引发的土地沉陷导致地面积水严重，大部分农地由于常年及季节性积水导致抛荒，常年积水区内平均深4.5 m，最深处可达7 m，桥涵断裂、房屋倒塌、道路沉陷、交通破坏,严重影响当地居民的生活和生产。九里煤矿区土地复垦项目利用塌陷区发展大规模养殖业,在大面积深水塌陷区水面发展网箱养鱼，在较浅塌陷区水面建设精养鱼塘，用煤矸石填埋塌陷区覆土造田获得的耕地种植蔬菜和农作物，用煤矸石填埋塌陷区获得的建筑用地建设养殖场,发展畜牧养殖业，在复垦区内取得了良好生态、经济和社会效益。在徐州九里土地复垦项目完成3年后对其进行持续性后评价，评价其土地复垦项目的生态、经济和社会效益的可持续性。

首先，本文3.1节列出的发展度DI(x)与协调度CI(x)的求取模型计算项目区该项目完成后的项目区内的发展度DI(x)与协调度CI(x)。应用层次分析法，对九里复垦区发展度、协调度各指标的权重进行量化，并根据复垦项目实地调查资料的收集整理，确定土地复垦区发展度和协调度的效用值Y，结果如表3。

表3 复垦区各指标效用值

应用公式(3)，计算九里土地复垦区的发展度为0.74。

应用公式(4)计算各子系统间的协调度，结果(C1表示经济子系统、C2表示环境子系统、C3表示资源子系统、C4表示社会子系统)如表4。

表4 各子系统间协调度

将各子系统间的协调度设定相同权重，则综合协调度CI=0.89。

其次，依据本文3.2节列出的持续度AI(x)的求取模型计算项目区该项目完成后的项目区内的持续度AI(x)。计算九里复垦区各风险等级评价因子的权重和风险等级，结果如表5。

应用本文3.2节求取系统持续度的公式，计算九里土地复垦区可持续度影响因素潜在综合风险值R=0.65，则系统持续度AI=0.35。

表5 九里复垦区持续性风险等级计算

最后，综合以上求取的发展度DI、协调度CI和持续度AI，计算九里土地复垦区可持续发展状态。

评价土地复垦可持续性标准：SD<0.6为不可持续，0.6≤SD≤0.8为基本可持续，SD>0.8为强可持续。

九里土地复垦区的可持续性评价结果为基本可持续，SD取值0.613，已经非常接近于不可持续状态上限。可能是因为复垦后土地持续性的风险极大，其中复垦后出现土壤污染，二次沉陷的影响，复垦区依然受到矿山开采的影响，复垦区周围有两座矸石山，对复垦的成果影响比较大。由于防涝设计标准较低，导致复垦区内防灾减灾的能力较弱，遇到强洪涝灾害，则复垦区会出现严重的干扰，有可能直接摧毁复垦的农业设施。此外，本次复垦区位于郊区，靠近最近规划的九里湖旅游区，由于复垦后未划入基本农田范围，受到利益驱动力影响农用地转用风险很高。当然复垦也取得了一定成绩，由于当地农业比较优势明显，农业的适宜性较高，且经济、环境、社会、资源系统间协调性非常好，出现系统协同放大效果，最终评价结果为基本可持续。

5 结论

有关矿区开采沉陷土地复垦的研究文献很多，但大部分是从复垦技术角度对塌陷地复垦工程方法进行的研究，从全过程对土地复垦项目后评价的研究不多。本文在已有研究成果的基础上，结合徐州九里煤矿区的土地复垦项目后评价得出结论：

(1) 将土地复垦项目视为一个复杂系统。土地复垦项目的可持续状态不是由某个系统(因素)单独决定的，而是受多种因素的影响，是多因素、多系统综合作用的结果。要维持土地复垦项目系统的可持续发展，必须保证该复合系统内各子系统实现结构优化、系统稳定和动态调节性，系统必须是“发展度、协调度、持续度”的综合反映。

(2)利用复杂系统理论对徐州九里煤矿区土地复垦项目的持续性进行后评价，评价结果反映徐州九里煤矿区土地复垦项目持续性的实际情况。

(3)土地复垦项目持续性后评价环节的引入，有助于分析和研究项目预计建设目标与实际建设目标的偏差，为今后进一步改进项目管理工作积累了经验，同时改变了以往土地复垦项目评价重复垦现实结果，轻复垦项目持续性评价的模式，进一步完善了土地复垦项目评价的现有理论及方法体系。

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