基于可拓法的高潜水位矿区复垦潜力评价

何厅厅 赵艳玲 石娟娟 王亚云 刘亚萍 冉艳艳

（中国矿业大学（北京）土地复垦与生态重建研究所，北京市海淀区，100083）

我国土地资源紧缺，大量矿产资源开采、非农业生产等造成了大量土地资源的占用和破坏，这种现象在我国东部高潜水位平原矿区尤为严重，采矿塌陷土地积水周期长、水位深，加剧了土地资源严重不足的紧张局面。为了恢复高潜水位矿区土壤的可耕作性，促进矿区经济与环境协调发展，土地复垦研究势在必行。目前，国内外的土地复垦技术研究主要集中在破坏后土地治理技术方面，对土地复垦潜力的研究较少。传统的土地复垦潜力评价方法有层次分析法和模糊综合评价法，这些方法是将评价指标硬性分类，再根据决策者的经验判断给予数量化，划分出的等级也带有模糊性。近年来物元模型已成功运用到地质、工业、农业、经济等领域实际对象的评价和识别中，但应用于矿区复垦潜力评价的研究较少。本文以我国东部高潜水位平原某矿区为例，针对其塌陷土地积水严重的特点，构建了基于可拓法的高潜水位矿区复垦潜力评价模型。

1 基于可拓法原理

1.1 可拓法原理

可拓学是用形式化的工具，从定性和定量的两个角度去研究和解决矛盾问题的规律和方法。可拓法是一种以可拓学中物元模型、可拓集合和关联函数为基础的系统理论方法，通过建立多指标参数的综合评判模型来描述矛盾问题，通过建立关联度函数对事物质变和量变进行定量描述，并以定量的数值表示评定结果，从而能较完整的反映事物质量的综合水平。

1.2 可拓法基本步骤

1.2.1 确定待评物元

给定事物的名称N，它关于特征C的量值为V，以有序三元组R＝（N，C，V）作为描述事物的基本元，简称物元。若事物N有n个特征对应有n个量值则可以表示为：

设事物N有m个评定等级（以j＝1，2，3，…m表示），则相应的事物特征和评定等级的标准量值范围组成的物元矩阵称为经典域，记为R0；由经典物元加上可以转化为经典物元的事物及其特征和此特征相应拓广了的量值范围而组成的矩阵称为节域RP。

式中：cn——物元特征；

αji——经典物元特征量值的上限值；

βji——经典物元特征量值的下限值；

αpi——节域物元特征量值的上限值；

βpi——节域物元特征量值的下限值。

1.2.2 求权系数

权系数是对评价指标重要程度的量化系数，它的大小直接影响评价结果的精确性。常用的权系数求解方法有浓度超标法、专家打分法、层次分析法、因子污染贡献率法和关联函数法等。根据实际情况可以选用不同的计算方法，本文权系数计算公式：

式中：wij——第i个指标关于等级j的权系数；

vij——第i个指标关于等级j的临界值。

1.2.3 计算关联度

由关联函数可以得到待分类对象N第i个特征值vi关于等级j的关联度为：

式中：Sij——有界区间的模；

P（vi，Sij）——点到区间的距离。

待分类对象N关于等级j的关联度为：

由此算得待分类对象N关于不同等级的关联度 ｛K1，K2，K3，…，Km｝，根据最大关联度原则，即可确定待分类对象的所属等级，且其定量值可以反映待分类对象属于该等级的程度。

2 实例分析

2.1 矿区概述

该矿区位于山东省西南部，地处黄淮海平原，属于东部高潜水位地区，潜水位埋深约为2 m，该矿区地形平坦，地势略呈西高东低，地面标高41.60～45.38 m，自然坡度为0°～2.5°，以缓平坡地面积最大。矿区历年平均降水量为694.7 mm，降雨多集中在7－8月份。矿区面积为67.19 km2，利用MSPS沉陷预计软件和MAPGIS软件得到该矿2025年塌陷总面积为16.08 km2，其中塌陷无积水面积为10.67 km2，轻度积水面积为3.21 km2，季节性积水面积为1.23 km2，常年积水面积为0.97 km2。假设其他因素在预测期内变化幅度不大，结合预计塌陷数据对该煤矿2025年的塌陷地进行耕地复垦潜力评价。

2.2 评价因子的选择

由于潜水位埋深较高，采煤塌陷会造成土地常年积水或季节性积水，形成封闭的湖泊或沼泽。在塌陷较浅的地方造成土壤盐渍化，在塌陷区边缘地带形成坡地，导致水土流失加剧。所以在确定高潜水位采煤塌陷地复垦成耕地的潜力影响因子时，除了考虑一般地区的影响因子，还应包含能够反映高潜水位塌陷地破坏特征的指标。根据矿区的实际情况，参照《耕地后备资源调查与评价技术规程》，结合已有研究成果，将矿区塌陷地复垦潜力影响因子分为两级，一级影响因子选取地形改造条件、土壤条件、水文地理条件、社会经济条件。一级影响因子所包含的二级影响因子及其评价等级划分标准见表1。

表1 复垦潜力等级评价标准

2.3 数据处理

由于各指标的量化值所在区间存在一定差异，有的评价指标数值越小代表复垦潜力越大，有的则是数值越大代表复垦潜力越小，且各指标的单位不尽相同，为统一量纲，采用标准区间法对各评价指标分级标准进行无量钢化，结果见表2。

表2 标准化后的复垦潜力等级标准

2.4 建立物元矩阵

根据经典域和节域定义，由表2可得高潜水位矿区复垦潜力分级标准物元矩阵

待评单元T1的数据如下：地面坡度2.6°，地面轻度积水，改造难度较小，土层厚度87.7 cm，土壤质地为砂壤，有机质含量3.4 g／kg，土壤水分含量19.5%，p H值为7.5，盐渍化程度0.3%，地理位于沿海农村，降雨量为694.7 mm／a，灌溉条件较好，人均耕地1.8亩。待评单位经无量钢化后物元矩阵为：

根据公式（4），求得各指标的权重系数，见表3。根据公式（5）和公式（6）算得各评价单元与不同评价等级间的多指标综合关联度，根据关联度最大原则，确定各评价单元的复垦潜力等级，见表4。

从表4中可以看出，评价单元T1的关联度最大值为－0.008，复垦潜力等级II。分析其参评指标可知，I级指标占15%，II级62%，III级23%，因此，将其土地复垦潜力定为II级合理。对5个评价单元的关联度比较可知，各关联度最大值与1的差距均很大，说明5个评价单元的指标值与对应级别的标准下限较接近。根据关联度值可以确定5个评价单位耕地复垦潜力大小为：T3＞T1＞T2＞T4＞T5。为验证该方法在土地复垦潜力评价中的可行性，应用传统的模糊综合法对该矿区进行土地复垦潜力评价，结果见表4，比较两种评价方法，结果保持一致。表明可拓法应用于高潜水位矿区复垦评价是可行的，且结果更符合实际情况。

表3 权系数

表4 评价单元的关联度

3 结论

（1）可拓法计算简便、结果直观，是一种操作性很强的系统评价方法。针对我国东部矿区高潜水位，塌陷土地严重积水的情况，构建评价指标体系，引入可拓法对其进行土地复垦潜力评价，并与传统的模糊综合法比较，结果具有一致性，表明可拓法在高潜水位矿区复垦潜力评价中，不仅适用，且结果更加科学合理。

（2）矿区土地复垦潜力评价结果显示，1个评价单元的土地复垦潜力等级为I级，其他4个土地复垦潜力等级均为II级，且T3、T4、T5的综合关联度靠近I级，有向I级发展的趋势，因此，可以认为该矿区塌陷土地复垦成耕地的潜力大，在进行土地复垦时复垦方向应多倾向于耕地。

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