露天采石場(chǎng)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)及應(yīng)用

王 銳, 秦婭青, 孫丹丹, 馬守臣

(1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院, 河南 焦作 454000; 2.國(guó)土資源部土地資源綜合監(jiān)測(cè) 與持續(xù)利用野外科學(xué)觀測(cè)研究基地, 河南 焦作 454000; 3.北京佰信藍(lán)圖科技股份公司, 北京100085)

礦產(chǎn)資源是發(fā)展之基，生產(chǎn)之要，礦產(chǎn)資源保護(hù)與合理開發(fā)利用事關(guān)國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)全局。隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)礦產(chǎn)資源蘊(yùn)藏著巨大的需求空間。而大規(guī)模露天開山取石的同時(shí)，采石場(chǎng)生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重惡化也不容忽視。山體破損、巖石裸露、植被破壞、土壤污染等造成地貌景觀支離破碎和極端的環(huán)境條件，限制了植物的生長(zhǎng)[1]，而且含水層破壞、水土環(huán)境污染、露天邊坡失穩(wěn)、滑坡、泥石流等地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害均直接威脅著區(qū)域居民正常的生產(chǎn)生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。改善礦山生態(tài)環(huán)境強(qiáng)有力的手段是進(jìn)行土地復(fù)墾和生態(tài)重建[2]。近年來(lái)，隨著中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的加強(qiáng)，倡導(dǎo)綠水青山就是金山銀山，對(duì)廢棄采石場(chǎng)土地綜合整治也越來(lái)越受到重視。

對(duì)露天采石場(chǎng)土地進(jìn)行復(fù)墾大多數(shù)是從生態(tài)復(fù)綠或景觀重建方面開展。國(guó)外露天采石場(chǎng)修復(fù)治理研究較早，如瑞士穆西塔(Musital)采石場(chǎng)、法國(guó)比維爾(Biville)采石場(chǎng)等都是從生態(tài)復(fù)綠和景觀重建著手修復(fù)治理[3-4]。國(guó)內(nèi)研究相對(duì)較晚，袁劍剛等[5]、張艷等[6]、張起風(fēng)等[7]對(duì)生態(tài)復(fù)綠模式下采石場(chǎng)邊坡植被恢復(fù)物種選擇和恢復(fù)治理措施等進(jìn)行了研究；劉青松等[8]、王瓊等[9]將生態(tài)復(fù)綠與景觀重建二者結(jié)合，運(yùn)用生態(tài)恢復(fù)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究，使采石場(chǎng)恢復(fù)后具備生物生產(chǎn)、環(huán)境服務(wù)和文化支持等基本功能。

隨著露天采石場(chǎng)復(fù)墾和生態(tài)治理的研究的深入，采石場(chǎng)復(fù)墾模式也不僅僅局限于生態(tài)復(fù)綠或景觀重建。國(guó)內(nèi)對(duì)露天采石場(chǎng)土地最適宜復(fù)墾模式的研究也在不斷發(fā)展?！度珖?guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃》(2016—2020)提出探索礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)和綜合治理與地產(chǎn)開發(fā)、旅游、養(yǎng)老療養(yǎng)、養(yǎng)殖、種植等產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。李春娟等[10]在對(duì)重慶市采石場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)治理研究中，根據(jù)距城市距離遠(yuǎn)近將修復(fù)區(qū)進(jìn)行最適宜功能規(guī)劃；馬東丹等[11]考慮到露天采石場(chǎng)現(xiàn)狀與周邊環(huán)境，提出將生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)與露天采石場(chǎng)相融合的規(guī)劃理念；陽(yáng)春花等[12]對(duì)國(guó)內(nèi)幾種土地復(fù)墾模式進(jìn)行優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比分析，認(rèn)為沒(méi)有哪一種模式能兼顧地區(qū)資源環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，須因地制宜制定投入相對(duì)較低、回報(bào)相對(duì)較高的復(fù)墾模式；鄒自力等[13]采用最小限制因素法對(duì)采石場(chǎng)進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，認(rèn)為進(jìn)行多宜性評(píng)價(jià)可以保證最佳土地開發(fā)利用方向。

因此，構(gòu)建科學(xué)合理的露天采石場(chǎng)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出有效可行的評(píng)價(jià)辦法，對(duì)指導(dǎo)采石場(chǎng)復(fù)墾模式的選擇有重要的理論和實(shí)踐意義。本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次分析法(analytic hierarchy process， AHP)構(gòu)建適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合評(píng)價(jià)不同土地復(fù)墾模式的適宜性，并以焦作北山采石場(chǎng)復(fù)墾為例進(jìn)行實(shí)證，以期為其他不同現(xiàn)狀條件下露天采石場(chǎng)確定最適宜利用模式提供參考。

1 露天采石場(chǎng)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)

1.1 土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)方法的選擇

土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)是土地復(fù)墾利用方向決策和改良途徑選擇的基礎(chǔ)，按照適宜性評(píng)價(jià)的結(jié)果來(lái)決定采石場(chǎng)復(fù)墾的土地開發(fā)利用方向。

由于不同的評(píng)價(jià)方法會(huì)對(duì)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性產(chǎn)生影響，考慮到露天采石場(chǎng)土地復(fù)墾的影響因子較多，本研究中土地復(fù)墾的適宜性評(píng)價(jià)選用層析分析法。該方法簡(jiǎn)潔實(shí)用、結(jié)果明確，其關(guān)鍵是將與決策有關(guān)的影響因素兩兩之間進(jìn)行相對(duì)重要性比較，多目標(biāo)綜合進(jìn)行評(píng)價(jià)，更為直接的根據(jù)主導(dǎo)因素或重要影響因素確定土地最適宜利用方向。

1.2 土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

當(dāng)前中國(guó)礦區(qū)土地復(fù)墾大多側(cè)重于生態(tài)復(fù)墾與復(fù)綠，土地利用相對(duì)單一，同時(shí)在實(shí)際復(fù)墾過(guò)程中也需要大量的資金投入以及長(zhǎng)期的管理維護(hù)，故采石場(chǎng)土地復(fù)墾完成后所能帶來(lái)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值也應(yīng)該包含在土地復(fù)墾模式的考慮之中。目前，露天采石場(chǎng)土地復(fù)墾主要有生態(tài)復(fù)綠和景觀重建2種模式。景觀重建復(fù)墾模式包括自然景觀和人文景觀的重建，自然景觀重建要素主要是指自然風(fēng)景，如山川、樹木、湖泊等；人文景觀重建要素主要有古跡遺址、園林、商業(yè)建筑等[8]。但一些新興模式也在不斷發(fā)展完善，如生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。生態(tài)農(nóng)業(yè)模式則包括農(nóng)業(yè)、林業(yè)和漁業(yè)等主要利用方式。

1.2.1 評(píng)價(jià)因子選取 評(píng)價(jià)因子選取依據(jù)主導(dǎo)性原則、綜合性原則、穩(wěn)定性原則和可獲取性原則確定，選擇地形條件、自然條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件3類因子作為適宜性評(píng)價(jià)因子。

(1) 地形條件。由于采石場(chǎng)土地破壞的特殊性，地形條件是采石場(chǎng)土地復(fù)墾的必要考慮因素。露天采石場(chǎng)邊坡由于其裸露巖石陡峭、光滑以及坡度不一致，缺少足夠的土壤基質(zhì)等植物生長(zhǎng)的基本物質(zhì)條件，致使其在采石場(chǎng)土地復(fù)墾中難度相對(duì)最大。在生態(tài)復(fù)綠工程中坡度一般以40°和70°為標(biāo)準(zhǔn)。40°以下坡度的復(fù)綠技術(shù)可以采用傳統(tǒng)的掛網(wǎng)噴草等經(jīng)驗(yàn)充足的技術(shù)，實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)單；40°～70°的生態(tài)復(fù)綠有相應(yīng)的難度，可以采用噴混植生技術(shù)；大于70°則只能選擇攀援植物，施工難度大，是采石場(chǎng)邊坡復(fù)墾中難度之最[14]。同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中，采石場(chǎng)巖壁的粗糙程度也會(huì)影響到植被的恢復(fù)與重建。故地形因素選取采場(chǎng)邊坡坡度及巖壁粗糙度2個(gè)指標(biāo)。

(2) 自然條件。露天采石場(chǎng)復(fù)墾前土壤條件以及氣候條件極大的影響植被的生長(zhǎng)發(fā)育、景觀重建，良好的養(yǎng)育條件更能保證植被、作物的良好生長(zhǎng)以及節(jié)約復(fù)墾成本。因此自然條件選擇植被覆蓋度、有效土層平均厚度以及年均降水量3個(gè)指標(biāo)。

(3) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件。對(duì)于露天采石場(chǎng)土地復(fù)墾模式的選擇，除地形和自然條件之外，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件也是非常重要的影響因素。其中地理位置的遠(yuǎn)近、交通情況的優(yōu)劣、區(qū)域多個(gè)采石場(chǎng)分布情況都會(huì)影響到土地利用方向及其復(fù)墾之后帶來(lái)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。故社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件選取社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平、距城市距離以及采石場(chǎng)集中連片度3個(gè)指標(biāo)。

1.2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 主要依據(jù)以下原則：將評(píng)價(jià)因子適宜性等級(jí)分為1等、2等、3等和4等，取值分別為100，80，60，40，分值高低根據(jù)評(píng)價(jià)因子優(yōu)劣程度來(lái)劃分[15]。

各個(gè)評(píng)價(jià)因子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選取依據(jù)為： ①采場(chǎng)邊坡坡度：根據(jù)陳法揚(yáng)等[14]研究成果，在對(duì)采石場(chǎng)邊坡進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般選用40°和70°作為標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)參考水土保持研究成果對(duì)邊坡坡度適宜性等級(jí)進(jìn)行選取劃分； ②采場(chǎng)巖壁粗糙度：根據(jù)巴頓表征節(jié)理面粗糙程度的參數(shù)JRC剖面圖進(jìn)行劃分，該方法雖有較強(qiáng)的主觀性，但可快捷方便判斷石壁粗糙程度，能滿足對(duì)邊坡復(fù)綠等工程的指導(dǎo)[16]； ③自然條件：參考《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)(TD/T 1036-2013)》[17]，降水量參考植被自然生長(zhǎng)需要的水量，結(jié)合自然資源區(qū)劃，分為4個(gè)劃分標(biāo)準(zhǔn)； ④社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件：參考研究結(jié)果結(jié)合實(shí)際情況確定。其中，距城市距離借鑒李春娟等[10]的研究結(jié)果，按距離大型居民點(diǎn)距離劃分為：<10 km，10～20 km，20～50 km，>50 km。

1.2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建 通過(guò)評(píng)價(jià)因子選取以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定，露天采石場(chǎng)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建如表1所示。

表1 露天采石場(chǎng)土地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)

2 露天采石場(chǎng)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)分析

2.1 層次分析法計(jì)算

采用層次分析法來(lái)確定各評(píng)價(jià)因子對(duì)各個(gè)復(fù)墾模式的權(quán)重。其主要計(jì)算步驟如下：

(1) 構(gòu)建判斷矩陣。判斷矩陣表示針對(duì)上一層次某因素,本層次與之有關(guān)因子之間相對(duì)重要性的比較。同時(shí)它的值反映了人們對(duì)各因素相對(duì)重要性(或優(yōu)劣、偏好、強(qiáng)度等)的認(rèn)識(shí)，一般采用1—9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法。當(dāng)相互比較因素的重要性能夠用具有實(shí)際意義的比值說(shuō)明時(shí)，判斷矩陣相應(yīng)元素的值則可以取這個(gè)比值。判斷矩陣的元素標(biāo)度及其含義見(jiàn)表2。

(2) 層次單排序及其一致性檢驗(yàn)。建立判斷矩陣B=(bij)n×n后,就可以求出各個(gè)因素的權(quán)值。采用和積法計(jì)算出各矩陣的最大特征根λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量W，并用一致性比率CR進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其具體計(jì)算方法如下：

表2 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

(1)

(2)

③計(jì)算比較矩陣最大特征根λmax

(3)

式中：B——由bij組成的判斷矩陣； (BW)i——向量BW的第i個(gè)元素。

④ 一致性檢驗(yàn)：

分別計(jì)算一致性指標(biāo)CI和一致性比率CR

(4)

式中：隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值見(jiàn)表3。當(dāng)CR<0.1認(rèn)為判斷矩陣的不一致程度在容許范圍內(nèi)；否則必須重新調(diào)整矩。

表3 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的值

2.2 各復(fù)墾模式中評(píng)價(jià)因子的權(quán)重確定

2.2.1 生態(tài)復(fù)綠復(fù)墾模式 首先構(gòu)建判斷矩陣如表4所示。利用層次分析法計(jì)算得：λmax=8.260 2；一致性比率CR=0.026 4<0.1，滿足一致性(表5)。

表4 生態(tài)復(fù)綠模式下各評(píng)價(jià)因子判斷矩陣

表5 生態(tài)復(fù)綠模式下各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值

2.2.2 景觀重建模式和生態(tài)農(nóng)業(yè)模式 同理如生態(tài)復(fù)綠復(fù)墾模式，通過(guò)層次分析法對(duì)景觀重建模式和生態(tài)農(nóng)業(yè)模式進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，兩模式判斷矩陣及評(píng)價(jià)因子權(quán)重如表6—7所示。

表6 景觀重建模式下各評(píng)價(jià)因子判斷矩陣及其權(quán)重值

表7 生態(tài)農(nóng)業(yè)模式下各評(píng)價(jià)因子判斷矩陣及其權(quán)重值

3 實(shí)例分析

3.1 縫山針復(fù)墾區(qū)概況

焦作市位于河南省西北部，地理坐標(biāo)為35°10′—35°21′N，113°4′—113°26′E。焦作市屬溫帶季風(fēng)氣候，市區(qū)北部為山地、丘崗，南部為平原。2016年，全市地區(qū)生產(chǎn)總值2 082億元,人均生產(chǎn)總值達(dá)到58 800元。焦作市北山露天采石場(chǎng)始建于20世紀(jì)70年代，是焦作城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)石材用料主要生產(chǎn)地。

20世紀(jì)80—90年代，該區(qū)有12處采石場(chǎng)，大量的采石場(chǎng)在采掘礦石的同時(shí)，地貌景觀和生態(tài)環(huán)境也受到顯著影響。開采之后的采石場(chǎng)坡高數(shù)米至近百米，除部分坡頂有工程造林措施進(jìn)行景觀改造外，大部分邊坡巖壁基石裸露。坡面形態(tài)受結(jié)構(gòu)面控制變化較大，坡度較陡，多在60°～90°之間，個(gè)別地段較緩，局部有反傾石壁，有數(shù)個(gè)深3～20 m不等的殘坑或廢棄凹地[18]。

3.2 縫山針復(fù)墾區(qū)適宜性評(píng)價(jià)

根據(jù)實(shí)地調(diào)研與測(cè)定，縫山針復(fù)墾區(qū)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)如表8所示。計(jì)算3種模式綜合評(píng)價(jià)得分見(jiàn)表9。

表8 縫山針復(fù)墾區(qū)評(píng)價(jià)因子現(xiàn)狀數(shù)值

表9 復(fù)墾區(qū)三種復(fù)墾模式綜合評(píng)分

根據(jù)表9可知，適宜度綜合評(píng)分最高的是景觀重建模式，而且此復(fù)墾區(qū)也是進(jìn)行景觀重建。北山露天采石場(chǎng)現(xiàn)建成縫山針國(guó)家礦山公園，該公園長(zhǎng)約1.5 km，寬約0.6 km，總面積0.9 km2。目前建有縫山公園大門、主題雕塑、廣場(chǎng)、飛瀑(陡峭邊坡改造而成)、觀光湖(采石坑改建)、兒童樂(lè)園(礦山排土排渣場(chǎng)改建)等一系列自然人文景觀。除此之外，生態(tài)復(fù)綠模式和生態(tài)農(nóng)業(yè)模式綜合評(píng)分相差不大，究其原因是相對(duì)于北山采石場(chǎng)復(fù)墾前立地條件，2種模式?jīng)]有能夠兼顧地區(qū)資源環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，故因地制宜制定的北山采石場(chǎng)的最佳土地復(fù)墾模式為景觀重建模式。

4 討論與結(jié)論

一般地，采石場(chǎng)土地復(fù)墾的目標(biāo)具有多宜性，也即恢復(fù)后的采石場(chǎng)可作為多種用途的土地。而采石場(chǎng)土地復(fù)墾的適宜性評(píng)價(jià)是對(duì)其廢棄土地利用的優(yōu)化配置以及科學(xué)合理的復(fù)墾方案制定的基礎(chǔ)。但是在實(shí)踐中缺乏簡(jiǎn)單易行的、科學(xué)有效的適宜性評(píng)價(jià)辦法。因此，在采石場(chǎng)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)中，因地制宜，考慮復(fù)墾區(qū)具體破壞特征、開采規(guī)模、地形地貌、氣候條件、地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及相關(guān)規(guī)劃等因素，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以及確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最為關(guān)鍵。指標(biāo)太少，雖然簡(jiǎn)單易于分析，但不能全面代表影響因素；而指標(biāo)太多則又往往構(gòu)成龐雜的指標(biāo)體系，指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取也增加難度。本研究選擇地形條件、自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件3方面共8個(gè)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用層次分析法對(duì)不同復(fù)墾模式下指標(biāo)因子權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)不同因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，得出不同模式的適宜性評(píng)價(jià)分值。通過(guò)焦作北山采石場(chǎng)復(fù)墾經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，二者具有很好的一致性，表明該適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有較好的科學(xué)性和可行性，可為其他露天采石場(chǎng)最佳復(fù)墾模式的選擇提供借鑒和參考。

當(dāng)然，對(duì)于指標(biāo)體系的構(gòu)建，所選指標(biāo)可能在不同具體實(shí)踐中仍需要優(yōu)化完善。如采石場(chǎng)規(guī)模對(duì)復(fù)墾模式的選擇也有一定的影響，由于石料種類多樣，其生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)不一，用破壞土地面積來(lái)衡量需要進(jìn)一步研究其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，露天采石場(chǎng)復(fù)墾模式方面，如上海松江“深坑酒店”等，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面選擇社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和距城市距離2個(gè)評(píng)價(jià)因子可能代表性不足，對(duì)于具體土地復(fù)墾利用方向的選擇，需要進(jìn)一步結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況因地制宜優(yōu)化。