内邱县矿区土地复垦的物元模型研究.pdf
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1、第!卷第#期!$%年#月农 业 工 程 学 报&()*(+,-.)*./,0 12 3 456.7 8!9.8#4:;8!$%内邱县矿区土地复垦的物元模型研究曾晖 北京?土地复垦与生态重建研究所=北京$#!8河北经贸大学工商管理学院=石家庄$A$B 北京?土地科学技术学院=北京$#?摘要C针对矿区土地复垦方案设计问题=该文提出了基于物元特性的规划方案设计方法D在分析物元特性C发散E可扩E相关E共轭的基础上构建了矿区土地复垦的物元模型=该物元模型的特征值包括C自然状况E地质构造E复垦工艺E沉陷状况E开采状况E资金E政策措施以及保护意识D首先根据物元特性=对物元三要素C事物E特征E量值进行物元变换
2、=得到多个物元模型=建立复垦方案集=并依据实测特征量值获得复垦初选方案进一步建立以土地生产值E生产成本E农民人均增加收入E生态系统稳定性E生物多样性E景观多样性为特征值的物元模型=对初选方案建立关联函数=通过评价初选方案的优化程度获得最终方案D以项目区的冯村沉陷地块复垦为例=介绍了采用物元模型和优化程度评价方法进行矿区土地复垦规划的过程=体现该方法的推演性和逻辑性D关键词C物元模型矿区土地土地复垦中图分类号CF&G#文献标识码C4文章编号C$!H B#!$%?#H$#?C$%M#?C$%M -)2 0-)1*1X-,05);7-*0(R*,(+,?收稿日期C!$B H$%H Y$%$%=Y$Y
3、%北京?土地复垦与生态重建研究所=$#D5 U(-7 C Z 1);0:-R B 8+.U引言矿区在向社会提供大量煤炭资源的同时=自身的土地资源承受着严重的破坏D在人地矛盾突出的煤矿区=开展土地复垦规划研究工作显得异常重要=已经成为制约煤矿区可持续发展中的一项必不可少的任务D目前多数学者应用线性规划E多目标规划E灰色系统E模糊数学等方法进行矿区土地复垦方案的设计=主要体现的是对现有规划方案的优化配置但对于如何建立矿区土地复垦的方案集=研究很少=矿区土地复垦设计的诸多因素关系复杂=甚至是相互矛盾的J _?是可拓学理论的逻辑细胞J A=B LD给定事物的名称=它关于特征a的量值为b=以有序三元组_
4、c =a=b?作为描述事物的基本元=简称为物元D物元具有可拓性dd物元的发散性E相关性E可扩性和共轭性D 8 发散性物元的发散性即e一物多征=一征多物=一值多物f=是人类进行发散性思维的依据D根据物元发散性=由某一物元_c$=a$=b$?=从三要素$=a$=b$之一或其中两个出发进行发散=可以得到多个物元D土地复垦的发散性很容易理解=例如C !?同一矿区的土地沉陷状况对应不同的采煤方法和顶板管理方式=不同的采煤方法和顶板管理方式对沉陷区的进一步发展有直接影响=从而影响到选择复垦方案=表现出e一征多物f?积水沉陷区的复垦=在积水水质符合养殖标准的情况下=可以选择不同的鱼类=表现出e一值多物f D
5、 8 g相关性一个事物与其他事物关于某特征量值之间=或者同一事物关于某些特征的量值之间=如果存在一定的依赖hh h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h%$万方数据关系!称之为相关#$%土地复垦的物元模型中!地质构造&开采状况&沉陷状况之间呈现出显著的相关性自然状况的具体特征之间也存在相关性!如坡度跟土壤质地呈现逆相关土壤质地与植被覆盖度正相关植被覆盖度与土壤动物
6、数量&土壤动物丰富度指数&土壤动物物种多样性指数和群落均匀度指数均呈极显著正相关植物群落生物量与土壤动物数量&土壤动物丰富度指数&土壤动物多样性指数和群落均匀度指数也呈极显著正相关关系土壤动物丰富度指数与植物群落物种丰富度指数&土壤动物物种多样性指数与植物物种多样性指数以及土壤动物群落均匀度指数与植物均匀度指数之间均呈极显著正相关关系%这些特性对复垦方案选择有着深刻的影响%()*可扩性事物的可扩性是指事物可以结合与分解的可能性#$%矿区土地复垦要立足于经济和生态效益统一的原则!既要考虑经济效益!又要考虑生态上的恢复与重建%因此!复垦方案要兼顾生态&环境&社会经济指标三方面特征%()+共轭性从事
7、物的潜显&实虚等物性描述事物的构成!称为事物的共轭性#$%矿区土地复垦主要考虑复垦区的自然状况&地质构造&沉陷区状况&开采方式&区域社会经济状况,资金-和人们对资源环境的保护意识%除后两者的影响是潜在的!其它是显现部分!即./0,显$1!自然状况2/!3/-.40,显$1!地质构造24!34-.50,显$1!复垦工艺25!35-.60,显$1!沉陷状况26!36-.#0,显$1!开采方式2#!3#-.70,潜$1!资金27!37-.80,潜$1!保护意识28!38-%矿区土地复垦不仅是政府部门的责任!而且关系到煤炭企业和个人%在资源环境保护中!前者表现为实部作用!后者体现的则是虚部作用!即9.
8、:0,实$保护资源环境!政府部门!保护意识-.;0,虚$保护资源环境!煤炭企业或个人!保护意识-%矿区土地复垦物元模型中的潜显&实虚体现了其共轭特性%矿区土地复垦的物元模型?:其中自然状况所包含特征较多!实际应用过程中需要具体化!详细的特征将在下文的实例部分列出%要设计所需复垦方案1!由土地复垦.0,1!A!B-这一物元!根据图/所示的土地复垦物元模型得出复垦方案集C!CD E./!.4!.5!.6!.#!F!.GH!根据图4所示的步骤!得到初选方案%图/矿区土地复垦物元模型I J K)/LM N N O PO Q O RO S N RT U O Q T V RJ S OQ M S UP O
9、W Q M RM N J T S图4复垦方案设计过程I J K)4 X P T W O O U J S KT V Q M S UP O W Q M RM N J T SU O Y J K S J S K:Z/农业工程学报4 Z Z 8年 万方数据!方案优选根据设计要求#按照上述步骤#初步得到了$种设计方案在实际工程应用中都是可行的#然后对可行方案进行优化程度评价#最终选取一种较为理想的方案作为最终的复垦方案%本文主要选用以下因素#来进一步对初步的复垦方案进行优选%项目的优选采用的物元模型如下&(复垦方案)土地生产值*+,+生产成本*-,-农民人均增加收入*.,.生态系统稳定性*/,/生物多样性
10、*0,0景观多样性*1,23451复垦区的生态系统是典型的人工生态系统#系统稳定性的评价指标参考文献6 7 8的方法测算9生物多样性采用文献6+:8的方法测算#计算;?指数9景观多样性采用文献6+8的方法#进行亲和度分析#计算平均亲和度%上述特征的权重确定#采用层次分析 ABC D方法#进行一致性检验#最终利用ABC中的和积法求得各特征的权重E6+-8&E(:-0 1#:+F G#:+.F#:+.F#:+-#:+F-D建立方案关联函数HI(JI#KID分别为可行方案关于不同特征*I所规定的量值范围#即所取的数据范围经典域%则可行方案)L关于*I的关联函数M)L*IDM)L*ID(N ,I#HI
11、DO HIO(KIP JID Q-P O,IP KIR JID Q-OO KIP JIOL(+#-#S#$#I(+#-#S#T+D式中N ,I#HID UU点,I与有限区间HI(JI#KID的距6 0 89,IUU特征*I的实测值9JI#KIUU特征*I的经典域上V下范围值%依次类推#可以得到可行方案集合关于所有特征*的关联函数矩阵MM(W M)L*+D#M)L*-D#S#M)L*ID XL(+#-#S#$9 I(+#-#S#T-D采用规范化公式#得到规范化后可行方案集合关于所有特征*的关联函数矩阵MYMY(M)+*+DZ=O M)L*+D OM)+*-DZ=O M)L*-D OSM)+*TD
12、Z=O M)L*TD OM)-*+DZ=O M)L*+D OM)-*-DZ=O M)L*-D OSM)-*TDZ=O M)L*TD OSSSSM)$*+DZ=O M)L*+D OM)$*-DZ=O M)L*-D OSM)$*TDZ=O M)L*T_aD O式中Z=b D UU表示取最大值%计算可行方案集合的优化程度矩阵cc dLD(MY eEf式中dLUU可行方案)L的优化程度#L(+#-#S#$%最终选取Z=dLD所对应的方案%g物元模型在内邱县沉陷区土地复垦中的应用g h项目区概况内邱县大孟村镇沉陷区项目#位于河北省邢台市内邱县的南部#系太行山山麓洪积平原#平均海拔在7 7 i+:Z之间#
13、属暖温带大陆性季风气候#年平均气温+-.j#年平均降水量0+1ZZ#无霜期约-:k#县境东部有小马河V李阳河#西部山区有白鹿角河#均为季节性河流%其土壤类型为褐土#质地以壤质与沙壤质为主#土层较厚#其地基承载力为-G:l C=%项目区地下为东庞煤矿的采煤区#+:多年前由于采煤引起本项目区地面上不规则的沉陷#其地形总趋势为西北高东南低%项目区大致以十方村为界#该村以西为山前浅丘区#煤系的下优地层出露较好#有供水意义的有震旦亚界长城系V下古生界寒武系及奥陶系中V下统D 9该村以东为洪冲积平原区#有供水意义的主要为第四系#它与煤系地层呈不整合接触%本区位于赞皇隆起东侧#构造形态属单斜构造9与京广铁路
14、斜交的V呈北北西向 mmnD的V通过本区西部十方村的内邱U邢台百泉强扭性正断裂为本区控制性断裂%经技术部门监测#现项目区范围内地面沉陷已停止#地质情况稳定#不会出现再次沉陷现象%g !项目区复垦规划该项目区复垦规划#以发散树思维为主线#结合o p;技术#采用Aq r st u v平台#首先将该区土地利用现状图+w0:D V土壤图+w0:D V地形图+w0:D等基础图件数字化#建立空间数据库9属性数据采用实际调查方法#土壤属性数据通过实地调查#并以地块为单元#用多点采样的方法采集土壤样品#分析其主要物理V化学指标%结合项目区土地沉陷V破坏程度及施工机械的规格#将复垦区划分为大小不同的复垦地块%以
15、项目区内一处村庄沉陷冯村D的复垦地块为例#说明物元模型应用的具体过程%第一步#按照图+所示创建物元模型#构造不同特征*I所取的数据范围经典域#建立复垦方案集%第二步#按照图-所示的方案选择过程#选择可行方案9经过初选#得到两个方案#方案一)+&将该沉陷地7:+第G期曾晖等&内邱县矿区土地复垦的物元模型研究 万方数据块复垦规划为果园!方案二#$将该沉陷地块复垦规划为牧草地%果园和牧草两个物元模型中&自然状况的具体特征及数据范围的经典域见表(表#)根据河北省无公害农业生产标准及多数煤矿区实测统计资料*%需要指出$)*考虑到自然状况特征的量化及项目区实地特性&略去所述土地复垦物元相关性分析中提到的部
16、分特征!)#*由于评价特征中年均气温(无霜期(土壤质地(有机表+果园物元模型特征值的经典域,-./0 1/-2 2 3 45 3 0/67 5 7 8 4 9-8 6:-;0 80/0:0 *?A B?=无霜期=6C?D?E降水状况?#B?=土壤质地=)=F*)G?:颗粒物*?A A E?坡度=)*?H?镉=:I JKC H L?铬=:I JKCD H?#?B?汞=:I JKC?A AH?砷=:I JKCE#?A?铜=:I JKC L?A?锌=:I JKCL#A A?B?铅=:I JKC#L?=有机质含量=)=F*H H H H?=全氮含量=)=F*A A A A E#B?=速效钾=K J:I
17、C?H H?=速效磷=K J:IC?H H?表M牧草物元模型特征值的经典域,-./0#1/-2 2 3 45 3 0/67 5 I 8-2 2/-6:-;0 80/0:0 *?D?A B=无霜期=6C?D?L降水状况?#B?=土 壤 质 地)=F*)G?:颗粒物*?坡度=)*?B?镉=:I JKC H L?#?铬=:I JKCD H?#?#?汞=:I JKC?A AB?砷=:I JKCE#?L?铜=:I JKC L?L?锌=:I JKCL#A A?#B?铅=:I JKC#L?#?=有机质含量=)=F*H H H H?#?=全氮含量=)=F*A A A A E?H?=速效钾=K J:IC?H H
18、B?=速效磷=K J:IC?H H?B?质含量(全氮含量(速效磷(速效钾是数值越大&质量越好&而重金属元素的含量越小&说明土壤质量越好&为使指标达到一致性&便于计算&因此取年均气温(无霜期(土壤质地(有机质含量(全氮含量(速效磷(速效钾的特征值的倒数值作为物元特征值的经典域!)H*降水程度是考虑降水集中程度及降水量两个方面$降水量小但比较集中或者降水量大但比较分散&对土地的自然状况都有影响&因此&结合相关专家意见将两方面对复垦方案的综合影响&用一个无量纲数值即降水状况反应降水特征%表N沉陷区土地自然状况实测值,-./0H O.2 0 8 P 0 6P-/Q 0 27 5 2-:R/0*?L =
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- 邱县 矿区 土地 复垦 模型 研究
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