CN116090623A - 矿区生态修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿区生态修复方法，该方法包括：建立层次结构模型，所述层次结构模型用于表征矿区生态的综合评价指标体系；建立判断矩阵，并根据所述判断矩阵确定所述层次结构模型中各指标的权重；根据所述各指标的权重，确定适宜修复所述矿区生态的各项措施；综合各项措施，得到多个候选方案；综合评价各指标，从所述候选方案中选出最优方案；利用所述最优方案对所述矿区生态进行修复。利用本发明方案，可以使矿区生态修复措施遴选的过程更加客观规范，更具有科学性和参考性。
Description
技术领域
本发明涉及生态恢复工程技术领域，具体涉及一种矿区生态修复方法。
背景技术
随着经济的发展，对矿产资源的开发和利用力度不断增加。矿山开采不仅会造成水土流失、山体滑坡等地质灾害，还会破坏自然生态和景观。目前采用的矿山生态修复方法主要包括生态重建的前期处理和后期植被重建两个阶段。而矿山生态修复前期处理措施种类繁多，选择过程缺乏客观性，参考价值较低。因此，如何建立一种客观规范的方法遴选修复措施，是当前亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明提供一种矿区生态修复方法，以使矿区生态修复措施遴选的过程更加客观规范，更具有科学性和参考性。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种矿区生态修复方法，所述方法包括：
建立层次结构模型，所述层次结构模型用于表征矿区生态的综合评价指标体系；
建立判断矩阵，并根据所述判断矩阵确定所述层次结构模型中各指标的权重；
根据所述各指标的权重，确定适宜修复所述矿区生态的各项措施；
综合各项措施，得到多个候选方案；
综合评价各指标，从所述候选方案中选出最优方案；
利用所述最优方案对所述矿区生态进行修复。
可选地，所述层次结构模型包括：目标层、准则层、指标层及方案层；
所述目标层用于表征矿区生态修复措施；
所述准则层用于表征矿区环境因素，所述环境因素包括以下任意一种或多种：地形因素、土壤因素和植被因素；
所述指标层用于表征生态指标；
所述方案层用于表征修复方案。
可选地，所述地形因素包括：相对高度、坡向、坡度；所述土壤因素包括：土壤质量综合评价得分；所述植被因素包括：植被覆盖度。
可选地，所述修复方案包括以下任意一种或多种：覆坑平整、表土回填、土地整治、土壤培肥、坡改梯、修建水平沟、修建鱼鳞坑、退田还湿、湿地封育、封山育林、退耕还林还草、人工造林、恢复植被、设置挡土墙、设置草方格沙障、客土喷播。
可选地，所述建立判断矩阵包括：分别建立准则层判断矩阵和指标层判断矩阵。
可选地，所述建立准则层判断矩阵包括：根据同一目标层下不同准则之间的关系建立准则层判断矩阵。
可选地，所述建立指标层判断矩阵包括：根据同一准则层下不同指标之间的关系建立指标层判断矩阵。
可选地，所述根据所述判断矩阵确定所述层次结构模型中各指标的权重包括：
根据所述准则层判断矩阵确定环境因素的重要性排序为：地形因素>土壤因素>植被因素；
根据所述指标层判断矩阵确定生态指标的重要性排序为：相对高度>坡度>坡向；
根据各指标的重要性设置其权重，重要性越高，权重越大。
可选地，所述根据所述各指标的权重，确定适宜修复所述矿区生态的各项措施包括：
确定对应各指标的各项措施；
综合不同指标的措施，得到适宜修复所述矿区生态的各项措施。
可选地，所述综合各项措施，得到多个候选方案包括：
根据地形因素的组合确定多种不同的措施组合；
根据土壤因素和植被因素补充措施；
根据补充后的措施，得到多个候选方案。
本发明提供的矿区生态修复方法，通过建立层次结构模型：由地形因素、土壤因素以及植被因素所构成的准则层和相对高度、坡向、坡度、土壤质量综合评价得分以及植被覆盖度所构成的指标层，综合评价各指标，确定矿山修复最适宜的措施，填补了矿山生态修复措施遴选方法上的空白，为矿山生态修复措施的遴选提供了有效的参考。
附图说明
图1是本发明实施例提供的矿区生态修复方法的一种流程图；
图2是本发明实施例中选出最优方案的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
针对现有的矿区生态修复问题，本发明提供一种矿区生态修复方法，以使矿区生态修复措施遴选的过程更加客观规范，更具有科学性和参考性。
如图1所示，是本发明实施例提供的矿区生态修复方法的一种流程图，包括以下步骤：
步骤101，建立层次结构模型，所述层次结构模型用于表征矿区生态的综合评价指标体系。
所述层次结构模型包括：目标层、准则层、指标层及方案层。其中：
所述目标层用于表征矿区生态修复措施。
所述准则层用于表征矿区环境因素，所述环境因素包括但不限于以下任意一种或多种：地形因素、土壤因素和植被因素。其中，所述地形因素包括：相对高度、坡向、坡度；所述土壤因素包括：土壤质量综合评价得分；所述植被因素包括：植被覆盖度。
所述指标层用于表征生态指标，所述生态指标包括但不限于以下任意一种或多种：地形因素、土壤质量综合评价得分、植被覆盖度。
所述方案层用于表征修复方案，所述修复方案包括但不限于以下任意一种或多种：覆坑平整、表土回填、土地整治、土壤培肥、坡改梯、修建水平沟、修建鱼鳞坑、退田还湿、湿地封育、封山育林、退耕还林还草、人工造林、恢复植被、设置挡土墙、设置草方格沙障、客土喷播，其中恢复植被分为乔木林、灌木林、乔灌混交林、灌草混交林、乔灌草混交林，疏林草地等类型。
步骤102，建立判断矩阵，并根据所述判断矩阵确定所述层次结构模型中各指标的权重。
在本发明实施例中，主要是建立准则层判断矩阵和指标层判断矩阵。
具体地，可以根据同一目标层下不同准则之间的关系建立准则层判断矩阵。所述准则层判断矩阵可以采用如下表1所示的结构形式：
表1
| A | B1 | B2 | B3 | ...... | Bn |
| B1 | B11 | B12 | B13 | ...... | B1n |
| B2 | B21 | B22 | B23 | ...... | B2n |
| B3 | B31 | B32 | B33 | ...... | B3n |
| ...... | ...... | ...... | ...... | ...... | ...... |
| Bn | Bn1 | Bn2 | Bn3 | ...... | Bnn |
其中，A是指目标层；B指准则层，Bij为环境因素Bi与Bj的重要性之比。该准则层判断矩阵是比较A之下，B1、B2...Bn之间的关系。
具体地，可以根据同一准则层下不同指标之间的关系建立指标层判断矩阵。所述指标层判断矩阵可以采用如下表2所示的结构形式：
表2
| B | C1 | C2 | C3 | ...... | Cn |
| C1 | C11 | C12 | C13 | ...... | C1n |
| C2 | C21 | C22 | C23 | ...... | C2n |
| C3 | C31 | C32 | C33 | ...... | C3n |
| ...... | ...... | ...... | ...... | ...... | ...... |
| Cn | Cn1 | Cn2 | Cn3 | ...... | Cnn |
其中，B指准则层；C指指标层，Cij为指标Ci与Cj的重要性之比。
在本发明实施例中，可以采用表3所示方法对上述准则层和指标层中各指标进行标度，即引用1～9及其倒数的标度方法，并确定每一个元素对上一层次的相对重要性，然后构造各判断矩阵。
表3
根据上述表3所示的标度方法，可以得到准则层判断矩阵(A-B)如下表4所示：
表4
| 修复措施 | B1地形因素 | B2土壤因素 | B3植被因素 |
| B1地形因素 | 1 | 1/5 | 1/7 |
| B2土壤因素 | 5 | 1 | 1/3 |
| B3植被因素 | 7 | 3 | 1 |
根据该准则层判断矩阵，可以得到相应指标的重要性排序为：地形因素>土壤因素>植被因素。
类似地，根据上述表3所示的标度方法，可以得到指标层判断矩阵(B1-C)如下表5所示：
表5
| B1地形因素 | C1相对高度 | C2坡向 | C3坡度 |
| C1相对高度 | 1 | 1/5 | 1/3 |
| C2坡向 | 5 | 1 | 5/3 |
| C3坡度 | 3 | 3/5 | 1 |
根据该指标层判断矩阵，可以得到相应指标的重要性排序为：评价优先级：相对高度>坡度>坡向。
最终得到各指标的重要性排序为：
目标层-准则层：地形因素>土壤因素>植被因素；
准则层(地形因素)-指标层：相对高度>坡度>坡向。
在具体应用中，根据各指标的重要性设置其权重，重要性越高，权重越大。
步骤103，根据所述各指标的权重，确定适宜修复所述矿区生态的各项措施。
具体地，通过准则层和指标层确定土地适宜进行修复的方法和技术。
1、地形因素包括相对高度、坡向和坡度。
利用数字正射影像图(Digital Orthophoto Map，DOM)提取数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，运用ArcGIS软件进行相对高度、坡向、坡度等地形因子的提取和分析。
(1)相对高度：
相对高度较高时，通常采取的措施为土壤培肥、退耕还林还草、恢复植被-灌草混交林；
相对高度较低时，通常采取的措施为退田还湿、湿地封育、恢复植被-乔灌混交林、建造人工湖。
(2)坡向：
坡向为阳坡时，通常采取的措施为湿地封育、人工造林、恢复植被-种植阳生植物；
坡向为阴坡时，通常采取的措施为湿地封育、退田还湿、人工造林、恢复植被-种植阴生植物。
(3)坡度：
坡度为0-15°时，通常采取的措施为覆坑平整、表土回填、湿地封育、恢复植被-乔木林、设置挡土墙、设置草方格沙障；
坡度为15°-25°时，通常采取的措施为退耕还林还草、坡改梯、修建水平沟、恢复植被-乔灌混交林、设置草方格沙障；
坡度为25°以上时，通常采取的措施为退耕还林还草、修建鱼鳞坑、恢复植被-灌草混交林、客土喷播。
2、土壤因素
(1)计算各评价指标权重：
土壤质量各指标用客观赋权法中的相关系数法进行赋权。构造相关矩阵，相关矩阵也叫相关系数矩阵，是由矩阵各列间的相关系数构成的。也就是说，相关矩阵第i行第j列的元素是原矩阵第i列和第j列的相关系数，相关系数可以利用SPSS或Excel软件计算得出。
表6相关系数矩阵表
| M1 | M2 | M3 | M4 | ...... | Mn | |
| M1 | M11 | M12 | M13 | M14 | M1n | |
| M2 | M21 | M22 | M23 | M24 | M2n | |
| M3 | M31 | M32 | M33 | M34 | M3n | |
| M4 | M41 | M42 | M43 | M44 | M4n | |
| ...... | ||||||
| Mn | Mn1 | Mn2 | Mn3 | Mn4 | Mnn |
注：Mij为指标Mi和Mj的相关系数。
通过相关矩阵确定各指标间的相关系数，求某项评价指标与其它评价指标之间相关系数的平均值并根据该平均值占所有评价指标相关系数平均值总和的比，作为该单项评价指标在表征土壤质量中的贡献，即为该指标的权重Ri。
各指标权重：
(2)计算各评价指标隶属度：
隶属度函数分为正相关S型隶属度函数、负相关S型隶属度函数和梯形隶属度函数，正相关S型隶属度函数是值越大越好，负相关S型隶属度函数是值越小越好，而梯形隶属度函数是中间某个范围为最佳范围，越远离这个最佳范围其效果越差。
对于土壤质量评价指标，含水率、有效磷、碱解氮、速效钾、有机质等指标属于正相关S型隶属度函数，而pH、电导率等指标属于梯形隶属度函数。根据经验确定各指标隶属度函数类型和转折点，得到各指标在各点的隶属度值。
(3)计算土壤质量综合评价得分：
计算得到各指标的权重和各点的隶属度值后，将其相乘并累加，得到各点的土壤质量综合评价得分。该评价得分越大，说明该点土壤质量越好。
土壤质量综合评价得分：
土壤质量综合评价得分为0-0.3时，通常采取的措施为土地整治、土壤培肥、退耕还林还草、恢复植被-疏林草地、客土喷播；
土壤质量综合评价得分为0.3-0.6时，通常采取的措施为土壤培肥、表土回填、退耕还林还草、恢复植被-灌草混交林；
土壤质量综合评价得分为0.6-1.0时，通常采取的措施为封山育林、湿地封育、恢复植被-乔灌混交林。
3、植被因素
在地理空间数据云网站下载Landsat 8卫星数据，通过ENVI软件计算植被覆盖度，结合ArcGIS软件出图得到设计区域的植被覆盖度图。
计算波段，近红外波段减去红外波段的差除以近红外波段与红外波段的和即为植被覆盖度。
植被覆盖度：
NDVI＝[float(b5)-float(b4)]÷[float(b5)+float(b4)]；
其中，b4表示Landsat 8卫星数据中红外波段；b5表示Landsat 8卫星数据中近红外波段。
为了使数据方便观察和分析，将植被覆盖度NDVI数据映射到0-1之间，通常将NDVI累积百分率小于5％时，定义为0；累积百分率大于95％时定义为1；累积百分率在5％和95％之间的NDVI数据进行拉伸变换。最终得到归一化植被覆盖度FVC。
归一化植被覆盖度：
FVC＝(b lt n)×0+(b gt m)×1+(b ge n and b le m)×(b-n)÷
(m-n)；
其中，各参数的含义如下：
b表示该点的NDVI值；
m表示累积百分率为95％时的NDVI值；
n表示累积百分率为5％时的NDVI值。
通常认为，植被覆盖度大于50％为植被覆盖度较高，小于50％为植被覆盖度较低。
植被覆盖度较高时，通常采取的措施为湿地封育、退田还湿、恢复植被-乔灌混交林；
植被覆盖度较低时，通常采取的措施为土地整治、土壤培肥、覆坑平整、表土回填、湿地封育、退耕还林还草、恢复植被-疏林草地、客土喷播。
步骤104，综合各项措施，得到多个候选方案。
1、为使结果表现更直观，可以给指标层及其分类编号如下：
相对高度为A，其中，相对高度较高为A1，相对高度较低为A2；
坡向为B，其中，坡向阳坡为B1，坡向阴坡为B2；
坡度为C，其中，坡度0-15°为C1，坡度15°-25°为C2，坡度25°以上为C3；
土壤质量综合评价得分为D，其中，土壤质量综合评价得分0-0.3为D1,0.3-0.6为D2,0.6以上为D3；
植被覆盖度为E，其中，植被覆盖度较高为E1，植被覆盖度较低为E2。
2、由于准则层评价优先级为地形因素＞土壤因素＞植被因素，故先根据地形因素(相对高度、坡度和坡向)的组合确定六种不同的措施组合，组合以字母和数字表示，如A1B1C1指相对高度较高、坡向为阳坡且坡度0-15°，如表7所示。
表7地形因素确定的措施
3、再根据土壤因素和植被因素补充措施，如表8所示。
表8土壤因素和植被因素确定的补充措施
注:表中H指阳生植物(heliophyte)；S指阴生植物(shade plant)。
地形因素组合含B1种植阳生植物，含B2种植阴生植物。
步骤105，综合评价各指标，从所述候选方案中选出最优方案。
具体地，参照图2，可以根据指标层优先级，先考虑相对高度确定的措施1，坡度确定的措施2与相对高度确定的措施1进行比较，其中，矛盾的部分舍弃，不矛盾的部分则同时实施，此时，得到的措施为措施1’2；再将坡向确定的措施3与上述措施1’2进行比较，矛盾的部分舍弃，不矛盾的部分则同时实施，得到措施12’3；同理，共进行四次比较，得到措施12345，即最优方案。
步骤106，利用所述最优方案对所述矿区生态进行修复。
本发明实施例提供的矿区生态修复方法，通过建立层次结构模型：由地形因素、土壤因素以及植被因素所构成的准则层和相对高度、坡向、坡度、土壤质量综合评价得分以及植被覆盖度所构成的指标层，综合评价各指标，确定矿山修复最适宜的措施，填补了矿山生态修复措施遴选方法上的空白，为矿山生态修复措施的遴选提供了有效的参考。
神东矿区位于黄土高原丘陵沟壑区与原毛乌素沙漠边缘的过渡地带，地处晋陕蒙交界处。矿区属温带干旱、半干旱大陆性季风气候，春冬干旱，夏季多暴雨，年平均降雨量为560mm左右，年际变化较大，年蒸发量是年降雨量的6-7倍。矿区以风沙地貌为主，兼有覆沙梁地及黄土丘，土壤以黄土和风沙为主，土壤贫瘠，有机质含量低，极易沙化，抗蚀性弱。地表原生植被种类单调，以耐旱、耐寒的沙生植物、旱生植物为主，呈稀疏灌丛景观，平均植被覆盖率仅3-11％。矿区内主要河流有窟野河、乌兰木伦河，河流特点为径流量季节变化幅度大、夏季洪峰较多，且含沙量较高。作为我国典型的干旱、半干旱的荒漠化矿区，神东矿区具有生态稳定性弱、环境敏感度高、整体可塑性差的特点。
利用上述本发明实施例提供的方案，可以得到如下表9所示的修复措施。
表9神东矿区生态修复措施
以神东矿区布尔台矿的部分区域为例，该区域位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，其经度范围为109.998°E-110.024°E，纬度范围为39.476°N-39.488°N，占地面积约为2600亩。
从高程分析图可以看出该区域海拔范围为1307米-1370米，相对高度较低；从坡向分析图可以看出，该区域阴坡和阳坡分布较为集中，阳坡占比59.85％，阴坡占比40.15％；从坡度分析图可以看出该区域坡度大部分为15°以下，占比90.76％。故对该区域地形因子进行分析，属于A2B1C1/A2B2C1,根据表，确定适宜的措施为覆坑平整、表土回填、退田还湿、湿地封育、恢复植被、建造人工湖、设置挡土墙、设置草方格沙障，其中，恢复植被类型为乔灌混交林，阳坡种植阳生植物，阴坡种植阴生植物。
利用ENVI和ArcGIS软件提取区域植被覆盖度，计算土壤质量综合评价得分，在地形因素确定的措施基础上，根据土壤因素和植被因素补充修复措施,最终得到该区域不同条件下适宜的修复措施。
本发明实施例提供的矿区生态修复方法，具有以下特点及有益效果：
(1)本发明的方法分层次构件指标体系，有利于明确目的和指标的关系，降低复杂程度，同时通过分层次的方法可以从各个角度判断区域适合修复的措施，便于做出评价结果的分析和汇总；
(2)本发明方法将定量计算和定性分析相结合遴选神东矿区生态修复措施，更具有科学性和客观性；
(3)本发明方法能从地形因素、土壤因素以及植被因素三个方面为选择合适的矿山生态修复措施的遴选提供科学依据，大大提高评价工作的准确性和效率；
(4)本发明方法适用性强，可适用于各种矿区生态修复措施的选择。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。而且，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块和单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个网络单元上，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及系统，其仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修复、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种矿区生态修复方法，其特征在于，所述方法包括：
建立层次结构模型，所述层次结构模型用于表征矿区生态的综合评价指标体系；
建立判断矩阵，并根据所述判断矩阵确定所述层次结构模型中各指标的权重；
根据所述各指标的权重，确定适宜修复所述矿区生态的各项措施；
综合各项措施，得到多个候选方案；
综合评价各指标，从所述候选方案中选出最优方案；
利用所述最优方案对所述矿区生态进行修复。
2.根据权利要求1所述的矿区生态修复方法，其特征在于，所述层次结构模型包括：目标层、准则层、指标层及方案层；
所述目标层用于表征矿区生态修复措施；
所述准则层用于表征矿区环境因素，所述环境因素包括以下任意一种或多种：地形因素、土壤因素和植被因素；
所述指标层用于表征生态指标；
所述方案层用于表征修复方案。
3.根据权利要求2所述的矿区生态修复方法，其特征在于，
所述地形因素包括：相对高度、坡向、坡度；
所述土壤因素包括：土壤质量综合评价得分；
所述植被因素包括：植被覆盖度。
4.根据权利要求2所述的矿区生态修复方法，其特征在于，所述修复方案包括以下任意一种或多种：覆坑平整、表土回填、土地整治、土壤培肥、坡改梯、修建水平沟、修建鱼鳞坑、退田还湿、湿地封育、封山育林、退耕还林还草、人工造林、恢复植被、设置挡土墙、设置草方格沙障、客土喷播。
5.根据权利要求1所述的矿区生态修复方法，其特征在于，所述建立判断矩阵包括：
分别建立准则层判断矩阵和指标层判断矩阵。
6.根据权利要求1所述的矿区生态修复方法，其特征在于，所述建立准则层判断矩阵包括：
根据同一目标层下不同准则之间的关系建立准则层判断矩阵。
7.根据权利要求6所述的矿区生态修复方法，其特征在于，所述建立指标层判断矩阵包括：
根据同一准则层下不同指标之间的关系建立指标层判断矩阵。
8.根据权利要求1所述的矿区生态修复方法，其特征在于，所述根据所述判断矩阵确定所述层次结构模型中各指标的权重包括：
根据所述准则层判断矩阵确定环境因素的重要性排序为：地形因素>土壤因素>植被因素；
根据所述指标层判断矩阵确定生态指标的重要性排序为：相对高度>坡度>坡向；
根据各指标的重要性设置其权重，重要性越高，权重越大。
9.根据权利要求1至8任一项所述的矿区生态修复方法，其特征在于，所述根据所述各指标的权重，确定适宜修复所述矿区生态的各项措施包括：
确定对应各指标的各项措施；
综合不同指标的措施，得到适宜修复所述矿区生态的各项措施。
10.根据权利要求9所述的矿区生态修复方法，其特征在于，所述综合各项措施，得到多个候选方案包括：
根据地形因素的组合确定多种不同的措施组合；
根据土壤因素和植被因素补充措施；
根据补充后的措施，得到多个候选方案。
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