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.pdf
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1、第31卷 第6期2017年6月Vol.31 No.6Jun.,2017中 国 土 地 科 学China Land Sciencesdoi: 10.11994/zgtdkx.20170622.143154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 )摘要: 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Vor
2、onoi图、层次分析法 ( AHP) 。研究结果: ( 1) 湖北省工矿废弃地共7.19104hm2,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 ( 3) 到临界不可复垦成耕地利用 ( 2) 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
3、: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。关键词: 土地整治;土地复垦;复垦潜力评价;PVW-Voronoi图;工矿废弃地;湖北省中图分类号: F301.2 文献标识码: A 文章编号: 1001-8158( 2017) 06-0079-09Evaluation of Potential of the Industrial and Mining Land Reclamation based on PVW-Voronoi Diagram: A Case Study of Each County in Hubei ProvinceZHAN
4、G 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)Abstract: The purpose of this study is to strengthen the understanding
5、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 industr
6、ial 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 r
7、eclamation as agricultural land for 收稿日期: 2017-01-06; 修稿日期: 2017-05-11基金项目: 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) 。第一作者: 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: 万方数据 中国土地科学 2017年6月 第6期80using( 3) and can not to be reclaimed as agricultural land for using( 2) . 4) The pote
8、ntial 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 Hube
9、i 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 adj
10、ustment, 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 p
11、lanning 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 Province1 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
12、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、-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
14、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27379.22108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7.19104hm2,就总量而言,鄂城区最多达2.
15、18104hm2,大冶市次之,达1.86104hm2,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。万方数据81张冬妍等: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 ( 20112020 ) 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
16、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
17、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:S( X) =( S1( X*) , S2( X*) , Sm( X*) ( 1)式 ( 1) 中, X* =( x*1, x*2, x*m) 0,1m, x*为指标功效标准化后的指标标准值向量。基于前人研究成果20,构造惩罚型局部状态变权向量:Sj( X) =,e x nx n1( ) *m x njj*j- -)( 2)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
18、成耕地利用界限 n为0.75。当0 x*j n时, x*j对应的权重增大,而 x*j的值较小,从而达到“惩罚”第 j项指标的目的;当 n x*j1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, Sj( X) =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 = 0.815519-20。( 2) 工矿废弃地复垦利用潜力常权综合评价模型如下:I W x*j jjm1=( 3)( 3) 结合变权思想构建复垦利用潜力PVW综合评价模型如下:( )I W X x* *j jjm1=( 4)式 ( 4) 中:(
19、)( )( ( ), ( ), , ( )( )( )W Xw s xw s x w s x w s xw s xw s x* * *jj jjmm mj jjmj11 1 2 21= = = ( 5)式 ( 5) 中, I 为综合评价分值, x*j为指标功效标准化后的指标标准值, Wj为常权向量, Wj( X*) =( W1( X*) , W2( X*) , Wm( X*) (0 ( ) 1, ( ) )W X W X 1* *j jjm1 = 为变权向量。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
20、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:万方数据 中国土地科学 2017年6月 第6期82( , ) |( , ) ( , )V P Pd P P d P Pn n n knnkk = ( 6)式 ( 6) 中, n=1,2, m, Pn=( P1, P2, Pm) 为二维欧式空间上的 m个点; n=( 1,
21、2, m) 为给定的 m个正实数, n为 Pn的权重,当 m个 n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 ,即: ( )W X x* *j jjm1 =( 7)由此构建PVW-Voronoi图模型为:( , ) |( )( , )( )( , )V P PW X xd P PW X xd P P* * * *m n n n kn nmnk kmk1 1 = ) 3 ( 8)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
22、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。. ,. ,. ,. ,xLx LLxx LLxx LxLx L1 0 250 75 01 0 25 00 75jjj jjjj jjjj jjjj j -Z*( 9)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
23、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 LRPI1 ) 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
24、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
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