引黃河泥沙充填復(fù)墾鹽堿澇洼地空間分布特征及其影響因素

吳媛婧 胡振琪 多玲花 武文紅 張炳慶

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京100083；2.德州市水利局，山東德州253014）

黃河下游地區(qū)地勢平坦，渠道坡降平緩，從黃河中游攜帶的大量泥沙進入灌區(qū)，如果處理不當，將會引起泥沙淤積于下游沿途的渠道，從而造成河床抬升，極易形成洪水威脅，同時泥沙的淤積也帶來了土地的次生鹽堿化［1］。隨著人口的增加以及城市建設(shè)對耕地的占用，黃河沿線地區(qū)農(nóng)村人均耕地正逐漸減少。與此同時，黃河堤防兩岸存在著大量鹽堿澇洼地，不僅經(jīng)濟效益低下，而且對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和人畜的飲水安全產(chǎn)生了影響［2］。利用黃河泥沙進行鹽堿澇洼地充填復(fù)墾，一方面能夠增加耕地資源，緩解耕地矛盾，改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境；另一方面能夠減緩黃河泥沙在渠道淤積引起的河床抬升，減少洪水威脅［3］。

我國煤炭開采在促進經(jīng)濟發(fā)展的同時，也給土地和生態(tài)環(huán)境帶來了危害［4］。特別是在平原高潛水位礦區(qū)，井下煤炭開采導(dǎo)致地面沉陷形成了季節(jié)性或常年性積水，致使耕地質(zhì)量下降甚至無法耕種，因此對采煤沉陷地進行復(fù)墾研究勢在必行。目前，我國礦區(qū)土地復(fù)墾常采用的方法有疏排法、挖深墊淺法、平整土地法、矸石粉煤灰充填復(fù)墾法等［5-6］，該類方法在具體實踐中存在復(fù)墾效果不理想或二次污染等問題。由于我國相當一部分礦區(qū)分布于距離黃河較近的區(qū)域，將黃河泥沙作為充填材料充填復(fù)墾采煤沉陷地，不僅可以恢復(fù)大量耕地，也有助于減輕黃河泥沙淤積壓力［7-8］。近年來，大量學(xué)者對此進行的研究主要側(cè)重于復(fù)墾技術(shù)工藝以及復(fù)墾后土地的土壤理化性質(zhì)分析方面［9-13］，而對于復(fù)墾地的空間分布特征及其影響因素的研究涉及較少。本研究以山東省德州市齊河縣潘莊干渠為例，采用Voronoi圖、GIS空間分析以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，分別從復(fù)墾鹽堿澇洼地的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、密度、聚集度等方面進行綜合分析，探討其空間分布特征及其形成的影響因素，為進一步利用黃河泥沙充填復(fù)墾采煤沉陷地提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

齊河縣位于山東省德州市最南端，境內(nèi)沿黃河62.5 km，有引黃閘4座、干渠17條，年均引黃量3.5億m3。該縣地下分布有豐富的礦產(chǎn)資源（煤炭、石油、石英等），溫泉覆蓋全縣總面積的85%，森林覆蓋率達到47.2%，有“黃河水鄉(xiāng)、生態(tài)齊河”的美譽。潘莊引黃干渠閘口位于齊河縣馬集鄉(xiāng)潘莊村附近，自此始，途徑馬集鄉(xiāng)、趙官鎮(zhèn)、仁里集鎮(zhèn)、胡官屯鎮(zhèn)、潘店鎮(zhèn)最后穿出齊河縣。潘莊引黃干渠在大量引進黃河水進行灌溉的同時也引進了大量泥沙，使用黃河泥沙進行周邊縣鎮(zhèn)鹽堿澇洼地的充填復(fù)墾已成為處理泥沙淤積以及同時進行復(fù)墾耕地的重要方式。本研究引黃充填復(fù)墾鹽堿澇洼地所涉及的縣鎮(zhèn)包括馬集鄉(xiāng)、趙官鎮(zhèn)、仁里集鎮(zhèn)以及潘店鎮(zhèn)（圖1）。

研究數(shù)據(jù)主要為2015—2017齊河縣潘莊干渠引黃河泥沙充填復(fù)墾鹽堿澇洼地的信息，包括復(fù)墾地位置坐標、復(fù)墾年份、復(fù)墾地所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)、復(fù)墾地面積、復(fù)墾地前后地類等信息，數(shù)據(jù)來源于山東省德州市水利局。將獲取的數(shù)據(jù)按所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及復(fù)墾年份進行分類統(tǒng)計后，應(yīng)用ArcGIS軟件Voronoi圖工具對分類數(shù)據(jù)進行分析。

2 復(fù)墾鹽堿澇洼地分布特征

2.1 研究方法

采用Voronoi圖的變異系數(shù)（Cv值）對引黃河泥沙充填復(fù)墾鹽堿澇洼地的空間分布類型進行分析。平面上離散點集合可表示為

以任意點Pi為中心點的Voronoi圖可表示為［14-16］

式中，x為以Pi為中心點的Voronoi圖中的任意一點，x∈X；X為所有與Pi點的距離小于其與Pj點距離的點集；d(x,Pi)為x點與Pi點的距離；d(x,Pj)為x點與Pj點的距離。

由所有離散點組成的Voronoi圖可以定義為

一般以變異系數(shù)（Cv值）作為衡量某種現(xiàn)象在空間上相對變化程度的指標。Voronoi圖的Cv值可表示為Voronoi多邊形面積的標準差與其平均值之比［17］。空間上均勻分布的點集，其Voronoi多邊形面積的可變性小，多邊形面積的離散程度較低，標準差小，因此Cv值也較?。豢臻g上集群分布的點集，其Voronoi多邊形中一部分多邊形面積較小，而另一部分多邊形面積較大，Voronoi多邊形面積的可變性大，多邊形面積的離散程度較高，標準差大，因而Cv值較大。但是，規(guī)則的周期結(jié)構(gòu)和周期性重復(fù)出現(xiàn)的集群分布也會形成較高的Cv值［18-19］。當點集為均勻分布時，Cv為29%（包括小于33%的值）；當點集為隨機分布時，Cv為57%（包括33%～64%的值）；當點集為集群分布時，Cv為92%（包括大于64%的值）［20］，3類空間分布的典型Voronoi圖如圖2所示。

本研究以復(fù)墾鹽堿澇洼地質(zhì)心作為Voronoi圖生成元Pi來研究復(fù)墾地的空間分布特征，以生成Voronoi圖的Cv值作為衡量復(fù)墾鹽堿澇洼地分布集群度的有效指標。根據(jù)Cv值的大小將復(fù)墾鹽堿澇洼地的空間分布類型劃分為均勻型、隨機型和集群型。其中，均勻型體現(xiàn)了各待復(fù)墾地資源條件的均勻性及在復(fù)墾的先后順序上的同等性，隨機型分布表明不受自然及人為因素的影響隨機選取復(fù)墾地并進行復(fù)墾，集群型分布表明在復(fù)墾地選址時受到某些因素的影響而集中選擇某些位置進行復(fù)墾。

2.2 分布特征

根據(jù)齊河縣潘莊干渠2015—2017年引黃河泥沙充填復(fù)墾鹽堿澇洼地的空間分布特征，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位劃分了復(fù)墾地，并繪制了Voronoi圖（圖3），相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果見表1。分析圖3、表1可知：鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度下的潘莊干渠引黃河泥沙充填復(fù)墾鹽堿澇洼地的空間分布類型為聚集型，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在復(fù)墾總面積、復(fù)墾地斑塊數(shù)、復(fù)墾地平均面積等方面存在顯著差異，即該類數(shù)據(jù)隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)距潘莊干渠引黃閘口距離的增加而降低。

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以時間為單位劃分了復(fù)墾地，并繪制了如圖4所示的Voronoi圖，相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。分析圖4、表2可知：時間尺度下的潘莊干渠引黃河泥沙充填復(fù)墾鹽堿澇洼地的空間分布類型也為聚集型，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)復(fù)墾總面積、復(fù)墾地斑塊數(shù)、復(fù)墾地平均面積隨著時間的變化略有改變但基本差異較小，Cv值隨著時間的推移有增加的趨勢，表現(xiàn)為復(fù)墾地的空間分布集群度隨著時間的推移而增大。

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3 復(fù)墾鹽堿澇洼地分布的影響因素

無論是在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度還是在時間尺度下，研究區(qū)復(fù)墾地都呈現(xiàn)聚集型分布特征，該特征是多種影響因素共同作用的結(jié)果，主要可以分為自然環(huán)境因素和社會經(jīng)濟因素，前者是進行引黃充填復(fù)墾的基礎(chǔ)，后者則是復(fù)墾地選址的重要驅(qū)動力。

3.1 復(fù)墾區(qū)與引黃干渠及其閘口距離

利用ArcGIS10.2軟件將齊河縣潘莊引黃干渠2015—2017年充填澇洼地的空間分布圖與潘莊干渠矢量圖進行疊加分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)墾鹽堿澇洼地整體沿潘莊干渠兩岸分布。本研究所有復(fù)墾鹽堿澇洼地中距離引黃干渠最遠的距離為1.56 km，為此，對潘莊引黃干渠依次建立了0.5，1，1.5，2 km的緩沖區(qū)（圖5）。由圖5可知：潘莊引黃干渠0.5 km緩沖區(qū)以內(nèi)包含復(fù)墾鹽堿澇洼地23塊，占總數(shù)的52.27%，復(fù)墾總面積為30.73 hm2，占復(fù)墾總面積的60.06%，平均復(fù)墾面積為1.34 hm2；0.5～1 km緩沖區(qū)內(nèi)包含復(fù)墾鹽堿澇洼地15塊，占總數(shù)的34.09%，復(fù)墾總面積為10.56 hm2，占復(fù)墾總面積的20.64%，平均復(fù)墾面積為0.71 hm2；1～1.5 km緩沖區(qū)內(nèi)包含復(fù)墾鹽堿澇洼地4塊，占總數(shù)的9.09%，復(fù)墾總面積為4.24 hm2，占復(fù)墾總面積的8.29%，平均復(fù)墾面積為1.06 hm2；1.5～2 km緩沖區(qū)內(nèi)包含復(fù)墾鹽堿澇洼地2塊，占總數(shù)的4.55%，復(fù)墾總面積為5.63 hm2，占復(fù)墾總面積的11.01%，平均復(fù)墾面積為2.82 hm2?？傮w上，隨著復(fù)墾區(qū)與引黃干渠距離的增加，復(fù)墾鹽堿澇洼地總面積以及復(fù)墾地斑塊數(shù)呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，而平均復(fù)墾面積則不受該規(guī)律的影響，導(dǎo)致該分布特征的主要影響因素為引黃輸沙技術(shù)與經(jīng)濟成本。

44塊復(fù)墾地中與引黃閘口的最大距離為27.14km，以13.57 km為劃分界限進行分析可知，距閘口13.57 km內(nèi)分布了31塊復(fù)墾地，占總數(shù)的70.45%，總復(fù)墾面積為46.86 hm2，占復(fù)墾總面積的91.59%，平均復(fù)墾面積為1.51 hm2，距閘口13.57 km以外區(qū)域分布了13塊復(fù)墾地，占總數(shù)的29.55%，總復(fù)墾面積為4.30 hm2，占復(fù)墾總面積的8.41%，平均復(fù)墾面積僅為0.33 hm2?？梢?，研究區(qū)復(fù)墾地的分布受到復(fù)墾地與引黃閘口距離的影響，越靠近引黃閘口黃河泥沙量越大，越能夠充分滿足充填復(fù)墾對于泥沙量的需求。

3.2 農(nóng)村居民點分布

將潘莊干渠引黃充填復(fù)墾鹽堿澇洼地的空間分布圖與涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的居民點分布圖進行了疊加分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：居民點輻射范圍500 m以內(nèi)包含了32塊復(fù)墾地，占復(fù)墾地總數(shù)的72.73%，所有復(fù)墾地均分布于居民地輻射范圍1 000 m以內(nèi)的區(qū)域，是由于在利用黃河泥沙進行充填復(fù)墾時，復(fù)墾后的土地大多用作耕地，因此需要充分參考農(nóng)民意見，同時考慮到農(nóng)民耕作成本等因素，農(nóng)村居民點附近的鹽堿澇洼地便成為首要充填復(fù)墾對象。1 000 m緩沖區(qū)內(nèi)包含復(fù)墾地的村莊共有16座（表3）。由表3可知：復(fù)墾地主要分布于濟北王村、前劉堂村、靖莊村、大辛村、西屯村、西腰站村附近，6座村莊附近分布了27塊復(fù)墾地，占復(fù)墾地總數(shù)的61.36%，這6座村莊在空間上與其他村莊相比更靠近潘莊干渠。

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3.3 道路交通

對研究區(qū)內(nèi)各復(fù)墾地與道路之間的距離進行了統(tǒng)計，結(jié)果表明：復(fù)墾地與道路的最小距離為8 m，最大距離為1 245 m，平均距離為284.71 m；復(fù)墾地集中分布于距離道路200 m以內(nèi)的區(qū)域，該范圍內(nèi)分布有29塊復(fù)墾地，占總數(shù)的65.91%，距離道路600 m以內(nèi)的區(qū)域分布有40塊復(fù)墾地，占總數(shù)的90.91%，僅有4塊復(fù)墾地分布于距離道路600 m以外的區(qū)域?？傮w上，研究區(qū)內(nèi)復(fù)墾地基本分布于道路附近區(qū)域，有助于加快施工進度并取得最佳的充填復(fù)墾效果；盡管研究區(qū)內(nèi)有4塊復(fù)墾地與道路之間的距離相對較大，但該類復(fù)墾地與潘莊干渠的距離較小，在直接輸沙成本上有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

運用Voronoi圖對齊河縣潘莊干渠引黃河泥沙充填復(fù)墾鹽堿澇洼地的空間分布特征及其影響因素進行了分析。研究表明：區(qū)內(nèi)引黃河泥沙充填復(fù)墾鹽堿澇洼地在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度以及時間尺度下均呈聚集型分布特征，復(fù)墾地空間分布的影響因素主要為復(fù)墾區(qū)與引黃干渠及其閘口的距離、農(nóng)村居民點分布以及道路交通。