基于 PVW-Voronoi 图的工矿废弃地复垦利用潜力评价——以湖北省县域为例

张冬妍，李江风，赵剑雄

（1.中国地质大学（武汉）公共管理学院， 湖北 武汉 430074；2.教育部长江三峡库区地质灾害研究中心， 湖北 武汉 430074）

基于 PVW-Voronoi 图的工矿废弃地复垦利用潜力评价
——以湖北省县域为例

张冬妍1，李江风1，赵剑雄2

（1.中国地质大学（武汉）公共管理学院， 湖北 武汉 430074；2.教育部长江三峡库区地质灾害研究中心， 湖北 武汉 430074）

研究目的：加强对湖北省工矿废弃地复垦成耕地进行利用的潜力及其空间分区格局的认识。研究方法： 惩罚变权模型（PVW模型）、加权Voronoi图、层次分析法（AHP）。研究结果：（1）湖北省工矿废弃地共7.19×104hm2，可分为4种类型；（2）PVW模型有利于提高对评价起限制作用的因素的重视程度；（3）复垦利用潜力处于中度可复垦成耕地利用（Ⅰ3）到临界不可复垦成耕地利用（Ⅱ2）之间；（4）潜力大小从鄂中地区由高到低向周边下降，在空间上呈现明显地域特征。研究结论：湖北省工矿废弃地复垦利用潜力水平总体偏低，但鄂中偏东地区潜力相对较优，其中包括复垦（耕地）空间集中连片度在内的5个指标成为制约全省潜力大小的因素。PVW-Voronoi图能够综合多种因素实现动态调整，突破行政界限进行分区：潜力优势区、内敛区、劣势区及限制区，使结果更趋合理，具有针对性地指导中宏观尺度上复垦利用的战略制定。

土地整治；土地复垦；复垦潜力评价；PVW-Voronoi图；工矿废弃地；湖北省

Abstract:The purpose of this study is to strengthen the understanding of the potential of industrial and mining land reclamation as agricultural land for using and its spatial zoning in Hubei Province. Method: Punishment Variable Weight model（PVW model）, weight voronoi diagram and analytic hierarchy process（AHP）. The results show that: 1）Total area of the industrial and mining land of Hubei province of 71.87 thousand hm2, and it can be divided into four types. 2）It is be beneficial to improve the emphasis of limiting factor of evaluation by using PVW model. 3）The potential of land reclamation as agricultural land for using in Hubei province between mild reclamation as agricultural land forusing（Ⅰ3）and can not to be reclaimed as agricultural land for using（Ⅱ2）. 4）The potential of reclamation from east of Hubei province from high to low down to the surrounding area, it has obvious regional characteristics on the space. It is concluded that the potential of reclamation in Hubei Province was inferior as a whole, but the level of potential in the east of central of Hubei is more better. And there are 5 factors restricting the ability of the potential mainly are the improvement of capacity of food production in per unit area, spatial connectivity of industrial and mining land, and so on. PVW-Voronoi diagram can consider multiple factors going to achieve dynamic adjustment, break through the administrative boundaries, divide the whole province into 4 reclamation potential zones: the potential advantage zone, potential introverted zone, potential disadvantage zone and potential restricted zone, make the result more reasonable and provide a target-guidance for planning strategies of industrial and mining land reclamation in Hubei Province on the medium macroscopic scale.

Key words:land consolidation; land reclamation; evaluation of potential of reclamation; PVW-Voronoi diagram; the industrial and mining land; Hubei Province

1 引言

目前，中国工矿废弃地尚无明确概念，本文结合已有研究[1]，认为工矿废弃地是指在生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占造成损毁的土地和交通、水利基础设施建设废弃地的总和，包括历史遗留的废弃地在内。早在20世纪60年代开始，发达国家便逐步进入了矿区土地复垦时代，不仅土地复垦立法比较完善[2]，还对土地复垦技术[3]、土地复垦效益[4]、复垦适宜植被选择[5]、露天采矿环境影响[6]、矿山固废综合利用、土壤重金属去除[7]和生态环境评价等方面展开了大量研究，尤其对德国鲁尔等多个资源枯竭型城市的转型路径和可持续发展有着丰富的成功经验[8]。土地复垦的研究尺度以及研究内容都十分广泛，国内学者从宏观、微观、行政层次等多个不同尺度深入探讨学习,从研究进展[9]、复垦模式[10]、工艺技术[11]、监测和评价[12-13]、规划设计、效益分析及问题对策[14]等多个方面推进土地复垦事业蓬勃发展。从1980年土地复垦萌芽到如今的快速发展，随着《土地复垦条例》的实施，土地复垦管理工作及学术研究进入了一个多维度的发展空间。但中国在结合技术手段研究复垦和关于土地复垦评价、预测与监测的研究少有进展，今后需加强研究[15]。2015年8月国土资源部下发了《历史遗留工矿废弃地复垦利用试点管理办法》，要求复垦需坚持以生态建设为导向，强调复垦后的土地不得改变农业用途，而《土地复垦条例》第四条同样规定，复垦的土地应当优先用于农业。因此，本文把工矿废弃地优先复垦成耕地利用作为前提条件（下文简称复垦利用），基于县域中小尺度，结合PVW模型与加权Voronoi图，揭示省域范围的工矿废弃地空间分布特征，为复垦的宏观决策提供科学依据。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

湖北省位于长江中游地区，处于中国第二级阶梯向第三级阶梯过渡地带， 2014年GDP为27379.22×108元，农村常住居民人均可支配收入10849元。全省地势西高东低，总体呈三面高起、中间低平、向南敞开的不完整盆地，在进一步细化前人研究成果后[16]，将其划分为8个地貌类型区，并通过实地调查，把工矿废弃地分为4种类型：露天采矿挖毁地、地下采矿塌陷地、固废堆放压损地及基础设施建设毁损地。截止2014年底，全省工矿废弃地共7.19×104hm2，就总量而言，鄂城区最多达2.18×104hm2，大冶市次之，达1.86×104hm2，分别占工矿废弃地总面积的30.28%和25.87%，分类型来看，全省损毁地以露天采矿挖毁地和地下采矿塌陷地为主。

2.2 数据来源

工矿废弃地复垦数据主要来源于《湖北省土地整治规划（2011—2020）》的基础数据，湖北省土地利用现状图，社会经济数据来源于《中国县域统计年鉴（2015）》、《湖北统计年鉴（2015）》、各市州2015年统计年鉴、各市州2014年政府工作报告以及国民经济和社会发展统计公报。本文以湖北省103个县域为研究单元，考虑到复垦利用潜力评价是基于工矿废弃地的存在而开展的，对于部分县市数据的不可获得性，适当剔除包括洪山区在内的32个县市区，最终划分出71个研究单元。

3 研究方法

3.1 PVW-Voronoi图的构建

3.1.1 PVW模型 PVW模型即“惩罚型”变权模型，其变权思想是汪培庄教授首先提出的[17]，李洪兴教授亦在文献[18]中给出了“惩罚型”变权的公理化定义。PVW模型是通过“惩罚”特别差的指标，使其指标权重随状态值的减小而增大[19]，来克服常权的缺点。为了解决加权求和（亦称常权综合）因权重不变而导致对决策变量制约不均衡的问题，本文采用“惩罚型”变权方法，运用层次分析法（AHP）确定常权权重，构建工矿废弃地复垦利用潜力综合评价PVW模型。

（1）称权重随着指标状态值的不同而变化为状态变权向量，记为：

基于前人研究成果[20]，构造惩罚型局部状态变权向量：

式（2）中，n表示指标标准化后可复垦成耕地和不可复垦成耕地利用的临界线，亦称为阈值（指标标准值），引进模糊数学的隶属度概念，通过对比判断法，工矿废弃地可复垦成耕地利用界限n为0.75。当0≤≤n时，对应的权重增大，而的值较小，从而达到“惩罚”第j项指标的目的；当n＜≤1时，则对第j项指标不进行“惩罚”。m为惩罚因子，当m取值为0时，S（jX）=1，表示无惩罚效果；当m取值越大，对低于阈值的指标“惩罚”力度越重，出现“惩罚过度”现象。借鉴前人研究成果，取m = 0.8155[19-20]。

（2）工矿废弃地复垦利用潜力常权综合评价模型如下：

（3）结合变权思想构建复垦利用潜力PVW综合评价模型如下：

式（4）中：

3.1.2 加权Voronoi图 Voronoi图由Georgy Voronoi提出，因其是一种空间剖分方法，近年来有许多学者将其用于城市空间影响范围[21-22]、农村居民点分布[23]、功能分区[24]等研究，并取得一定的成果。常规Voronoi图，仅将距离作为唯一影响因素，把空间目标视为等规模的观念，但在具体问题中并未能考虑多个因素影响。加权Voronoi图是常规理论的升华，将空间目标的规模（中心性强度）大小纳入了Voronoi图模型的变量中[24]。其定义为：

式（6）中，n=1，2，…，m，Pn=（P1，P2，…，Pm）为二维欧式空间上的m个点；μn=（μ1，μ2，…，μm）为给定的m个正实数，μn为Pn的权重，当m个μn相等时，加权Voronoi图变为常规Voronoi图。

3.1.3 PVW-Voronoi图 将PVW模型与加权Voronoi图相结合，把影响因子的综合评价分值I视为权重μ，即：

由此构建PVW-Voronoi图模型为：

3.2 复垦利用潜力综合评价

3.2.1 评价指标功效标准化 将工矿废弃地可复垦为耕地利用的区间认为是指标取值的最优区间，借鉴功效系数法原理分别对正向（越大越优型）和负向（越小越优型）指标进行标准化。

式（9）中，xj为指标状态值，Lj为指标状态值判别为可复垦成耕地利用与不可复垦成耕地利用的临界线，即阈值（指标状态值）。

3.2.2 复垦利用潜力综合评价指标体系 结合已有研究成果[25-26]，众多学者根据废弃地类型及环境特点，选用土壤、地形改造、投资效益和社会经济条件等多方因素构建指标体系。鉴于湖北省工矿废弃地损毁类型多样以及自身特点的不同，重点关注在县域尺度下，能够反映区域土地复垦潜力大小的指标，从土地损毁现状、耕地生产情况、地区经济水平3个角度，将工矿废弃地复垦利用潜力评价指标体系划为3个准则层和13个指标层，通过层次分析法（AHP）确定指标常权权重（表1）。

3.2.3 复垦利用潜力等级评判标准确定 本文以土地复垦潜力指数LRPI（0＜LRPI＜1）作为工矿废弃地复垦利用潜力综合评价分值来判别复垦利用潜力等级，当LRPI越接近于1时，表示复垦成耕地利用的潜力越大；当LRPI越接近于0时，表示复垦成其他地类利用的潜力越大。由于LRPI是综合性指标，其数值的细微变化都会有巨大的差别，为了有利于在区间内进行复垦利用潜力大小的对比，以工矿废弃地可复垦成耕地利用界限作为判别标准，将其划分为9个等级（表2）。

4 结果与分析

4.1 工矿废弃地复垦利用潜力综合评价指标权重变化

通过计算得出71个研究单元指标的标准化值、变权权重及评分分值。鉴于文章篇幅有限，仅分析大冶市。对比指标常权与变权权重看出，C11、C13、C21、C234个指标的变权权重大于常权权重，其余指标则低于常权权重，尤其是C11，因损毁面积占比远大于全省平均水平（阈值），在PVW模型作用下，变权权重增大，对指标进行“惩罚”；其中C22的常权和变权权重变化幅度较小，是由于本身常权权重较高，状态值又与阈值十分贴近，而且调整各个指标之间的权重必须兼顾整体指标权重的变化差异，因此几乎相等；此外，大冶市经济类指标均超过阈值水平，在复垦资金方面有较大优势。PVW在权重变化上考虑了指标状态的均衡性，当决策变量发生改变时，起到良好的制约平衡作用，有利于提高对工矿废弃地复垦利用潜力起限制作用的因素的重视程度。

表1 湖北省工矿废弃地复垦利用潜力评价指标体系Tab.1 The evaluation index system of the potential of industrial and mining land reclamation as agricultural land for using in Hubei Province

表2 区域工矿废弃地复垦利用潜力等级评判标准Tab.2 The potential criteria of industrial and mining land reclamation as agricultural land

4.2 工矿废弃地复垦利用潜力评价结果

通过比较常权权重和变权权重下潜力综合评价分值发现最终数值普遍减小，这是由于PVW作用，惩罚达不到理想状态的指标，使指标权重随状态值减小而增大，差距越远，惩罚力度越大，最终评分值越小，进而达到惩罚指标的效果，使结果更加合理。

湖北省工矿废弃地复垦利用潜力综合评价结果整体上是处于中度可复垦成耕地利用（Ⅰ3）到临界不可复垦成耕地利用（Ⅱ2）之间，江夏区、新洲区、潜江市在内的10个地区的LRPI处于Ⅰ3，宣恩县、长阳县、咸丰县等5个地区的LRPI处于Ⅱ2，其余地区均介于低度可复垦（Ⅰ4）到临界可复垦（Ⅱ1）之间。其中，江夏区综合评分值最高，为0.6983，这是由于该地区的经济可行性子系统贡献较多，复垦难易性和生产稳定性也处于较高水平的原因；神农架林区综合评分值最低，为0.3576，主要因为该地区复垦经济可行性不高，虽损毁面积占比低，但其90%以上的林地地貌导致复垦（耕地）空间集中连片度低，复垦难度增大，单位面积复垦成本增加。进一步分析发现，制约全省LRPI大小的主要是复垦难易性和生产稳定性子系统，复垦成耕地进行利用后地均产能无法提高，获得的经济效益不够明显，部分地区复垦（耕地）空间集中连片度较差，农业现代化水平落后，加上社会经济发展水平不高等均成为制约复垦利用潜力提高的因素。

图1 大冶市工矿废弃地复垦利用潜力综合评价指标权重对比二维坐标图Fig.1 Two dimensional chart on contrast of index weight of industrial and mining land reclamation potential comprehensive evaluation in Daye County

综上所述，湖北省工矿废弃地复垦利用潜力评价结果不太理想，部分地区复垦成耕地利用的潜力较小，因此，复垦治理不宜盲目增加耕地面积，应因地制宜，同时也要提高自身农业现代化水平，以期恢复生态平衡，消除灾害隐患，改善人们的生产生活条件。

4.3 工矿废弃地复垦利用潜力空间区划

图2可以看出，无论是常权Voronoi图还是PVW-Voronoi图，其与县域范围（虚线）在空间上有较大的差异，这是考虑到中心强度对覆盖范围的影响，在空间扩展产生了作用，而差异则实际反映在边界形态上，能够看出复垦利用潜力不仅影响县域内部，还辐射影响至周边地区。进一步分析可见，常权Voronoi图和PVW-Voronoi图的复垦利用潜力影响范围在总体分布格局上变化不大，这是由于Ⅰ值本身较小，通过变权后的Ⅰ值与常权权重下的Ⅰ值差异不大造成的，但变权后的Ⅰ值更为合理，是科学的势力空间划分方法。

采用表2划分的等级，将影响范围作为分界线，划分潜力空间，分析空间分异及其关键性影响因素。总体上看，鄂中地区潜力明显大于其他地区，LRPI从鄂中地区由高到低向周边下降，尤其是中部地区的各级别潜力区由南边较大地区向周围扩散递减分布。从局部上看，主要位于鄂南地区的工矿废弃地复垦潜力呈现“W”型分布，该区潜力最大，结合《湖北省土地整治规划（2011—2020）》中的耕地整治潜力分布图来看，在整治耕地方面占据优势，且处于江汉平原岗地区，地势平坦，复垦（耕地）集中连片度高，复垦受限因素少，同时分布在该区域的县（市、区）经济能力较强，能够提供充足的资金，应作为复垦重点区进行治理，因此，将该地区划分为潜力优势区。针对鄂中和鄂东地区，该区域复垦潜力较大，从全省的耕地分布来看，聚集了大片农田，结合《湖北省土地整治规划（2011—2020）》中的湖北省土地整治分区图来看，处于耕地保护重点和综合统筹整治区内，但复垦潜力次于潜力优势区，因此，将该地区划分为潜力内敛区。另外，在鄂西和全省最东部均分布有复垦利用潜力较小，处于可复垦成耕地与不可复垦成耕地的临界状态之间的工矿废弃地，它们多分布于山林间，耕地连片程度差，复垦难度大，限制条件多，因此，将该地区划分为潜力劣势区。除此之外，在湖北省西南方向及神农架林区的部分地区，复垦潜力最小，其地形地貌多以中高山为主，在复垦上受到限制，应依托土地利用特点和县域发展战略定位，优先将工矿废弃地复垦成林地或其他用途地类，比如神农架林区已被列入世界遗产名录，保护森林环境将作为未来发展的重点，因此，将该地区划分为潜力限制区。

图2 湖北省工矿废弃地复垦利用潜力常权/PVW-Voronoi多边形集合Fig.2 Voronoi diagram set of industrial and mining land reclamation potential in Hubei Province

图3 湖北省工矿废弃地复垦利用潜力区划图Fig.3 The map of distribution of industrial and mining land reclamation potential in Hubei Province

综上所述，可以将复垦利用潜力划为4个区（图3）：潜力优势区、潜力内敛区、潜力劣势区及潜力限制区，以期更好地指导今后的土地整治工作。

5 结论与讨论

本文结合PVW模型和加权Voronoi图从省级层面动态分析了复垦利用潜力，是对国家层面相关研究成果的深入和完善。通过分析，有以下几点结论：

（1）复垦潜力水平总体偏低。全省工矿废弃地复垦利用潜力指数不高，处于中度可复垦成耕地利用（Ⅰ3）到临界不可复垦成耕地利用（Ⅱ2）之间，其中，影响复垦利用潜力的主要因素有：地均产能提高量、复垦（耕地）空间集中连片度、农林牧渔业从业人员占比、地均GDP、地均财政总收入。（2）LRPI在空间上有明显地域特征。从鄂中地区由高到低向周边地区下降，可将全省分为4个潜力区：潜力优势区、潜力内敛区、潜力劣势区以及潜力限制区，其中潜力优势区呈现“W”字型分布，复垦潜力最大，在明确复垦重点及各区优劣势后，可以更加具有针对性地指导中宏观尺度上工矿废弃地复垦的战略安排。（3）本研究在现有理论的基础上，总结出PVW-Voronoi图模型的一些性质和定理，并应用于实例。利用PVW均衡决策变量的优势，通过变权Voronoi图模型进行分区，不仅避免了常权Voronoi图静态化生成的局限性，更能根据实际情况综合考虑多种影响因素，实现动态调整，使结果更趋于合理。（4）研究初步尝试将PVW理论和加权Voronoi图结合起来分析工矿废弃地复垦利用潜力的空间格局，突破往常以行政区为界限的分区方法，实现对湖北省县域内复垦利用潜力空间的动态分割。但局限于部分数据的不可获取性和滞后性，从而对评价的结果造成一定偏差；在PVW-Voronoi模型中，构建更加合理的状态变权向量和选取更加合适的指标要素有待探讨；为了便于分析，将工矿废弃地中心空间形态简化成为点状目标，在后续研究中会尝试考虑其面状形态。因此，在省级视角下以县域为基本单位开展复垦利用潜力评价还有待进一步研究。

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（本文责编：陈美景）

Evaluation of Potential of the Industrial and Mining Land Reclamation based on PVW-Voronoi Diagram: A Case Study of Each County in Hubei Province

ZHANG Dong-yan1, LI Jiang-feng1, ZHAO Jian-xiong2
（1. School of Public Administration, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Three Gorgrs Research Center for geo-hazards, Ministry of Education, Wuhan 430074, China）

F301.2

A

1001-8158（2017）06-0079-09

10.11994/zgtdkx.20170622.143154

2017-01-06；

2017-05-11

中国地质大学（武汉）公共管理学院学生科技创新活动孵化基金（Y20161009）。

张冬妍（1992-），女，福建霞浦人，硕士研究生。主要研究方向为土地利用规划和国土资源调查与评价。E-mail: dyzhang1225@126.com