基于Yaahp的土地复垦效益量化及应用_刘立忠.pdf

基于 Yaahp 的土地复垦效益量化及应用 刘立忠1，2 （1. 华北理工大学 矿业工程学院， 河北 唐山 063009； 2. 中煤科工集团 唐山研究院有限公司， 河北 唐山 063012） ［摘 要］ 针对土地复垦效益难以完全量化的问题， 利用一处采煤沉陷地土地复垦示范区近十 年跟踪调查数据， 建立了针对东部中潜水位平原区土地复垦效益评价指标体系。 基于层次分析法软件 Yaahp 计算各评价指标的权重和判断矩阵的归一化， 确定了相应评价指标的隶属度和经济效益、 生态 效益及社会效益的分值， 按照比例一致性原则， 实现土地复垦效益的完全量化， 并结合实例对土地复 垦效益量化进行了研究， 并分析了投资成本和土地复垦效益随时间的变化关系。 ［关键词］ 土地复垦； 效益量化； 层次分析法； 指标体系； 隶属函数； 示范区 ［中图分类号］ S289 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-6225 （2016） 04-0090-05 Benefit Qualification and Application of Land Reclamation Based on Yaahp LIU Li-zhong1，2 （1. College of Mining Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063009， China； 2. CCTEG Tangshan Research Institute， Tangshan 063012， China） Abstract To the problems that benefit of land reclamation could not be qualification fully， on the basis of the investment data of re- cent ten years of land reclamation demonstration area of one mining subsidence area， the assessment indicator system of land reclama- tion located in plain area with middle phreatic level in the east was built. And the weighting value of all uation inds and normali- zation of judgment matrice were calculated based on software Yaahp， and the scores between membership degree of corresponding - uation index and economic benefit， and ecological benefit and social benefit were calculated， according ratio consistency principle， land reclamation benefit was qualified fully， benefit qualification of land reclamation was studied with example application， then the relationship of investment cost and benefit of land reclamation that changed with time was analyzed. Key words land reclamation； benefit qualification； analytic hierarchy processing； target system； membership function； demonstra- tion area ［收稿日期］ 2016-01-05［DOI］ 10. 13532/ j. cnki. cn11-3677/ td. 2016. 04. 024 ［基金项目］ 中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金项目 （2014MS036） ［作者简介］ 刘立忠 （1982-）， 男， 河北石家庄人， 助理研究员， 主要研究方向为开采损害防治与 “三下” 采煤、 地表与岩层移动、 矿山 地质环境保护。 ［引用格式］ 刘立忠 . 基于 Yaahp 的土地复垦效益量化及应用 ［J］ . 煤矿开采， 2016， 21 （4） 90-94. 通过对采煤沉陷地土地进行复垦， 可以取得巨 大的经济效益、 生态效益及社会效益［1］。 近年来， 我国学者对土地复垦效益及其评价进行了大量的研 究， 并取得了丰富的成果， 但现有的研究一般存在 如下两个问题 一是没有实现土地复垦效益的完全 量化， 多是对其中的经济效益进行了量化， 而生态 效益和社会效益只进行定性分析与描述； 二是三大 效益中经济效益所占的权重往往过大， 而现在生态 修复和社会环境改善越来越受到人们的重视。 通过跟踪调查唐山市古冶区的一处采煤沉陷地 土地复垦示范区近十年的变化， 针对示范区的实际 情况， 建立了土地复垦效益评价指标体系， 并基于 层次分析法软件 Yaahp 依次进行了建立层次结构模 型、 矩阵一致性判断和权重计算， 尤其是对权重分 布按照专家的意见进行了优化， 突出体现了生态效 益和社会效益的重要性。 在此基础上， 利用权重矩 阵、 隶属度矩阵、 评价标准分值函数矩阵可分别计 算出经济效益、 生态效益及社会效益的分值， 而经 济效益是容易量化的， 按照比例一致性原则， 可实 现生态效益及社会效益的量化， 从而实现土地复垦 效益的完全量化。 1 土地复垦效益及指标体系的建立 1. 1 土地复垦效益 土地复垦效益分为经济效益、 生态效益和社会 效益三方面， 三者之和为土地复垦综合效益。 所谓 土地复垦效益， 是指对于某特定区域， 由于土地复 垦工程的实施， 引起的经济、 生态、 社会三个方面 的促进效应， 数值上相当于土地复垦工程实施后某 一时间点的土地效益减去工程实施前该区域的土地 效益。 对于某特定区域， 土地复垦工程实施前， 该 区域的土地就有一定的生产力和产出， 即土地效 09 第 21 卷 第 4 期 （总第 131 期） 2016 年 8 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 4 （Series No. 131） August 2016 ChaoXing 益， 只是该土地效益一般较低； 工程实施后， 改善 了土地的状况， 该区域的土地效益将提高， 而提高 的这一部分效益就是土地复垦效益。 土地复垦工程 实施后， 土地的状况将逐渐改善， 因此， 土地复垦 效益是个逐渐显现的动态过程， 随着时间的推移而 逐渐增加到某一水平， 因此， 对于不同的时间点， 土地复垦效益是不同的。 1. 2 指标体系建立 土地复垦效益在指标选择时坚持代表性、 全面 性、 可操作性、 定性与定量相结合、 系统与层次相 结合等原则［1-5］。 基于以上原则， 针对该示范区的特点 （东部 中潜水位平原区）， 在总结分析前人研究成果的基 础上， 对土地复垦经济效益、 生态效益、 社会效益 的指标进行了筛选， 并征求了专家的建议， 最后汇 总而成整套评价指标体系。 其中经济效益的评价指 标包括农林牧副渔总产量、 耕地年产量、 复种指 数、 价格水平等 4 个； 生态效益的评价指标包括林 草覆盖率、 土壤状况、 水土流失治理率、 生物多样 性状况、 景观生态效果、 防护林布置等 6 个； 社会 效益的评价指标包括基础设施完善程度、 撂荒面 积、 耕地面积等 3 个， 见图 1。 图 1 土地复垦效益评价指标体系 2 指标权重的确定 各评价指标的权重采用层次分析法确定。 首先 请专家对指标体系中每一层的因子进行相对重要性 评价， 建立判断矩阵， 评价指标的取值按 TL Saa- tyd 的 1 ～ 9 标度法表示。 求出判断矩阵每一行元 素的几何平均值， 对所得的向量进行归一化处理， 即得到各层次因子的权重， 然后求解判断矩阵的最 大特征值， 检验是否具有满意的一致性。 按照评价指标体系中各指标结构关系， 根据古 冶区土地复垦的经验， 结合参与该示范区设计、 施 工的土地复垦、 土壤、 植物等学科专家的意见， 根 据 1 ～9 的标度确定各指标间的相对重要性， 建立 两两成对比较的判断矩阵， 然后利用层次分析法软 件 Yaahp 计算各评价指标的权重， 结果见表 1， 判 断矩阵一致性比例为 0. 0236。 经济效益的判断矩 阵一致性比例为 0. 0191， 对总目标的权重为 0. 2； 生态效益的判断矩阵一致性比例为 0. 0493， 对总 目标的权重为 0. 4； 社会效益的判断矩阵一致性比 例为 0， 对总目标的权重为 0. 4。 表 1 评价指标权重汇总 目标层准则层指标层权重 综合效益 U 经济效益 V1 农林牧副渔年总产量 W10. 0945 耕地年产量 W20. 0339 复种指数 W30. 0145 价格水平 W40. 0571 生态效益 V2 林草覆盖率 W50. 0920 土壤条件情况 W60. 0387 水土流失治理率 W70. 0307 生物多样性状况 W80. 1713 景观生态效果 W90. 0488 防护林布置 W100. 0184 社会效益 V3 基础设施完善程度 W110. 2286 撂荒面积 W120. 1143 耕地面积 W130. 0571 3 示范区概况及隶属度的确定 3. 1 示范区概况 唐山市古冶区属于中潜水位平原区， 长时间的 地 下 开 采， 造 成 该 区 采 煤 沉 陷 荒 废 土 地 2466. 7hm2， 其 中 沉 陷 水 面 1133. 3hm2， 形 成 6. 7hm2以上的水坑 33 个。 该区耕地土壤质地以砂 壤质为主， 通透性强， 养分分解快， 受积水和季节 性积水的影响， 耕地养分被迅速淋失， 造成目前耕 地土壤养分含量较低， 某些季节性积水区出现盐碱 化， 加大了治理难度。 古冶区有一处采煤沉陷地土 地复垦示范区， 总面积为 1100. 89hm2， 分为 4 个 片区， 2002 ～2003 年进行土地复垦工程分区施工， 之后， 2004 ～ 2009 年土地效益逐年提高， 2009 年 达到了一个基本稳定的水平， 跟踪调查至 2014 年， 土地复垦效益实现了基本稳定的输出和显现。 为评价示范区各年的土地复垦效益， 需要对各 评价 指 标 进 行 量 化 计 算， 并 和 复 垦 前 的 状 况 （2001 年） 进行对比， 示范区复垦前后的地类变化 见表 2。 工程完成后， 原有的塌陷斜坡旱地变成了 水浇地， 塌陷积水坑变成了养殖水面， 园地、 林 地、 沟渠、 道路重新进行了规划布置。 建设后的农 业示 范 区 耕 地 总 面 积 765. 44hm2， 新 增 耕 地 158. 06hm2， 新增林果用地 97. 31hm2（其中果园 19 刘立忠 基于 Yaahp 的土地复垦效益量化及应用2016 年第 4 期 ChaoXing 50. 87hm2， 经 济 林 46. 44hm2）， 建 设 养 殖 水 面 213. 34hm2， 土地利用情况详见表 3， 复垦后项目 区的部分状况见图 2 和图 3。 通过引用、 调查和计算， 各个评价指标在复垦 表 2 示范区复垦前后地类变化情况hm2 地类耕地果园林地交通用地沟渠坑塘沉陷地荒草地沙地其他未利用地合计 复垦前607. 3836. 041. 028. 0011. 89204. 33178. 0813. 194. 2636. 701100. 89 复垦后765. 4450. 8746. 4411. 4313. 37213. 3400001100. 89 增减变化158. 0614. 8345. 423. 431. 489. 01-178. 08-13. 19-4. 26-36. 700 表 3 示范区土地利用结构hm2 项目区耕地果园林地 交通用地 沟渠 养殖水面 合计 Ⅰ片区166. 81 33. 33 33. 312. 153. 2717. 33256. 20 Ⅱ片区182. 6703. 023. 364. 661. 77195. 48 Ⅲ片区184. 0704. 252. 853. 1722. 33216. 67 Ⅳ片区231. 89 17. 545. 863. 072. 27171. 91432. 54 总计765. 44 50. 87 46. 4411. 4313. 37213. 34 1100. 89 占总面积％ 69. 534. 624. 221. 041. 2119. 38100. 00 前和复垦后的情况见表 4， 表中的数据通过引用、 调查或计算而来， 资料来源为当地的经济统计年 鉴、 土壤资源和区划调查、 该示范区的设计验收报 告等； 农林牧副渔年总产量和耕地年产量用年产值 来衡量。 图 2 复垦后示范区耕地 图 3 复垦后示范区精养鱼塘 3. 2 隶属度的确定 根据评价指标隶属度的确定方法， 本次采用调 查问卷的方式， 将表 4 中的数据， 整理成调查问卷 反馈给各个专家 （19 位专家）， 请专家对于示范区 各指标复垦前后的状况分别进行 5 级评判 （优秀、 良好、 一般、 较差、 很差）， 然后根据各位专家的 评分， 做模糊统计分析计算， 得到各指标的隶属 度， 建立各评价指标隶属度矩阵。 复垦前评价指标隶属度矩阵见表 5， 复垦后评 价指标隶属度矩阵见表 6。 表 4 示范区复垦前后各效益评价指标情况 准则层评价指标 复垦前 （2001 年） 复垦后 （2010 年） 土地复 垦效益 经济 效益 农林牧副渔年总产量/ 万元173. 170776. 660603. 490 耕地年产量/ 万元153. 060450. 080297. 020 复种指数/ ％100. 000200. 000100. 000 价格水平1. 0001. 6060. 606 生 态 效 益 林草覆盖率/ ％4. 5648. 8394. 275 土 壤 状 况 有效土层厚度/ cm10. 00030. 00020. 000 土体结构A， C 两层O， A， C 三层O 层 有机质/ ％1. 5622. 0360. 474 全 N 含量/ ％0. 0680. 1370. 069 速效 P/ ％0. 000460. 005350. 00489 速效 K/ ％0. 008580. 0120. 00342 土壤侵蚀模数/ （tkm -2 a -1 ）3000. 0001000. 000 -2000. 000 容重/ （gcm -3 ）1. 4001. 350 -0. 050 质地壤土， 盐碱化严重壤土， 轻微盐碱化- 水土流失治理率/ ％39. 00064. 00025. 000 生物多样 性状况 植物多样性/ 种102. 000120. 00018. 000 动物多样性/ 种19. 00021. 0002. 000 微生物类群数量/ （105个克干土 -1 ）712. 550803. 71091. 160 景观生态效果--- 防护林布置/ hm20. 00021. 42021. 420 29 总第 131 期煤 矿 开 采2016 年第 4 期 ChaoXing 续表 4 准则层评价指标 复垦前 （2001 年） 复垦后 （2010 年） 土地复 垦效益 社会 效益 基 础 设 施 完 善 程 度 机井/ 眼进尺/ m9/189068/1603058/14140 输水管道/ km0. 00083. 46083. 460 变压器/ 台0. 00026. 00026. 000 高压线/ 低压线/ km0/07. 85/22. 147. 85/22. 14 田块规整程度不规则 21 块规整 53 个方形- 精养鱼塘/ 粗放养殖/ （个hm -2 ）0/057/213. 3457/213. 34 道路密度/ （kmhm -2 ）8. 00011. 4303. 430 沟渠密度/ （kmhm -2 ）23. 78026. 7402. 960 撂荒面积/ hm2232. 2300. 000232. 23 耕地面积/ hm2607. 380765. 440158. 06 表 5 复垦前评价指标隶属度矩阵 准则层优秀良好一般较差很差 Pv12001 0. 0000. 0000. 2630. 6840. 053 0. 0000. 0000. 2110. 6840. 105 0. 0000. 0000. 5260. 3680. 105 0. 0000. 1050. 6320. 2630. 000 Pv22001 0. 0000. 0000. 6840. 2630. 053 0. 0000. 0000. 7370. 2110. 053 0. 0000. 1580. 5260. 3160. 000 0. 2110. 5260. 2630. 0000. 000 0. 0000. 0000. 1580. 8420. 000 0. 0000. 0000. 0000. 1050. 895 Pv32001 0. 0000. 0000. 2110. 7370. 053 0. 0000. 0000. 0000. 1050. 895 0. 2630. 7370. 0000. 0000. 000 表 6 复垦后评价指标隶属度矩阵 准则层优秀良好一般较差很差 Pv12010 0. 0000. 5260. 3680. 1050. 000 0. 0000. 4740. 4740. 0530. 000 0. 4740. 5260. 0000. 0000. 000 0. 2110. 5790. 2110. 0000. 000 Pv22010 0. 6320. 2630. 1050. 0000. 000 0. 1050. 6320. 2630. 0000. 000 0. 2630. 7370. 0000. 0000. 000 0. 1050. 7370. 1580. 0000. 000 0. 6320. 3680. 0000. 0000. 000 0. 1050. 7370. 1580. 0000. 000 Pv32010 0. 2110. 7890. 0000. 0000. 000 0. 6840. 2630. 0530. 0000. 000 0. 1580. 8420. 0000. 0000. 000 4 评价模型及分值计算 根据前文已经计算出的各指标权重， 结合上述 各指标隶属度矩阵， 可建立经济效益、 生态效益、 社会效益的模糊综合评价模型， 并进行模糊运算。 为了便于对示范区复垦前后的土地效益进行比 较， 真实客观地反映土地复垦所产生的效益， 在运 用多层次模糊综合评价法对土地复垦效益从低层到 高层逐层进行评价， 得到各层次模糊运算结果的基 础上， 再引入等差法 （优秀、 良好、 一般、 较差、 很差） 设定工程评价分建立评价标准分值函数［1］ F ［f 1， f 2， f 3， f 4， f 5］ T ［100， 80， 60， 40， 20］T 然后运用 Yaahp 软件对土地复垦前后示范区内 的土地的经济效益、 生态效益、 社会效益进行计 算， 土地效益分值为权重矩阵隶属度矩阵评价 标准分值函数矩阵， 结果如下 复垦前 Qv120010.09450.03390.01450.0571［］Pv12001F9.553 Qv220010.09200.03870.03070.17130.04880.0174［］Pv22001 F24.701 Qv320010.22860.11430.0571［］Pv32001F17.261 复垦后 Qv120100.09450.03390.01450.0571［］Pv12010F14.651 Qv220100. 09200. 03870. 03070. 17130. 04880. 0174［］ Pv22010F33. 417 Qv320100. 22860. 11430. 0571［］Pv32010F34. 587 由上可知， 复垦前的土地效益分值为 51. 515， 属 “一 般” 级 别； 复 垦 后 的 土 地 效 益 分 值 为 82. 655， 属 “优秀” 级别。 2010 年度的土地复垦 效益即 2010 年的土地效益减去 2001 年的土地效 益 Q Q2010 - Q 2001 ［5. 098， 8. 716， 17. 326］， 即 2010 年度示范区土地复垦效益分值体现为经济 效益 5. 098， 生态效益 8. 716， 社会效益 17. 326， 综合效益 31. 14。 5 土地复垦效益分析 一般地， 生态效益和社会效益是无形的， 只可 以通过定性描述的方式对其衡量。 由于以上指标权 重都是相对于综合效益 U 选取的， 因此土地复垦 效益的分值可以作为经济效益、 生态效益、 社会效 益相对大小的参考， 因此可以通过计算经济效益的 方式来对生态效益和社会效益实现货币上的量化。 土地复垦经济效益的计算采用农林牧副渔年总 产量相对于复垦前的增量来进行。 通过跟踪调查数 据， 2004-2014 年的经济效益分别为 99. 351 万元、 39 刘立忠 基于 Yaahp 的土地复垦效益量化及应用2016 年第 4 期 ChaoXing 191. 895 万 元、 301. 552 万 元、 397. 465 万 元、 504. 228 万 元、 594. 865 万 元、 603. 490 万 元、 620. 552 万 元、 615. 337 万 元、 630. 856 万 元、 633. 428 万元， 即经济效益逐年递增， 在 2009 年 时 （即复垦工程完成后 6 年） 达到 594. 865 万元， 之后逐渐稳定。 按照比例一致性原则， 估算各年度 的生态效益、 社会效益和综合效益， 其结果见表 7 和图 4。 表 7 示范区各年度土地复垦效益万元 年度经济效益生态效益社会效益综合效益 200499. 351169. 86577. 31846. 52 2005191. 895328. 081115. 071635. 05 2006301. 552515. 561752. 282569. 39 2007397. 465679. 542309. 613386. 62 2008504. 228862. 072930. 004296. 30 2009594. 8651017. 033456. 685068. 57 2010603. 4901031. 783506. 805142. 06 2011620. 5521060. 953605. 945287. 44 2012615. 3371052. 033575. 645243. 01 2013630. 8561078. 573665. 825375. 24 2014633. 4281082. 963680. 765397. 15 图 4 年度土地复垦效益 该示范区建设总投资 2344. 21 万元 （国家拨款 和地方配套）， 其中， Ⅰ片区投资660. 86 万元， Ⅱ 片区投资 451. 51 万元， Ⅲ片区投资 532. 79 万元， Ⅳ片区投资 699. 05 万元。 各年度累计的土地复垦 经济效益、 综合效益与总投资之间的关系见图 5。 图 5 年度累计土地复垦效益 由图 5 可知， 从综合效益看， 该示范区复垦工 程在 2005 年即收回了投资成本； 从经济效益看， 到 2010 年收回投资成本， 资本回收期为 7a 左右。 2010 年之后， 土地复垦效益逐年以微弱的数值增 加或减少， 土地复垦效益逐年累计总和不断增加。 综上所述说明示范区土地复垦工程的实施， 为 当地带来了巨大的经济效益、 生态效益、 社会效 益， 该复垦工程的实施总体上是成功的， 随着时间 的推移， 复垦工程必将为当地带来更大的效益。 6 结论与展望 （1） 通过建立土地复垦效益评价指标体系、 确定指标权重和隶属度矩阵， 并引入评价标准分值 函数， 可以计算经济效益、 生态效益、 社会效益的 分值。 经济效益按照跟踪调查的农林牧副渔年总产 量相对于复垦前的增量来统计和计算， 按照比例一 致性原则可以实现土地复垦效益的完全量化。 （2） 土地复垦效益是一个逐渐显现的过程， 并逐步收回投资成本， 示范区内土地复垦效益 6a 达到稳定值， 资本回收期为 7a。 （3） 评价指标体系的建立、 指标权重的确定 等针对示范区的实际情况采用专家咨询和打分的方 式进行， 带有一定的主观性和地域限制性； 生态效 益、 社会效益的估算是基于三者比例基本稳定的基 础上进行的， 因此， 这种土地复垦效益量化方法的 精度和推广应用有待检验。 ［参考文献］ ［1］ 邹彦岐 . 矿区土地复垦效益评价研究 以平朔矿区为例 ［D］ . 北京 中国地质大学 （北京）， 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