引黄河泥沙充填复垦盐碱涝洼地空间分布特征及其影响因素

时间：2024-07-28

吴媛婧胡振琪多玲花武文红张炳庆

（1.中国矿业大学（北京）土地复垦与生态重建研究所，北京100083；2.德州市水利局，山东德州253014）

黄河下游地区地势平坦，渠道坡降平缓，从黄河中游携带的大量泥沙进入灌区，如果处理不当，将会引起泥沙淤积于下游沿途的渠道，从而造成河床抬升，极易形成洪水威胁，同时泥沙的淤积也带来了土地的次生盐碱化［1］。随着人口的增加以及城市建设对耕地的占用，黄河沿线地区农村人均耕地正逐渐减少。与此同时，黄河堤防两岸存在着大量盐碱涝洼地，不仅经济效益低下，而且对当地生态环境和人畜的饮水安全产生了影响［2］。利用黄河泥沙进行盐碱涝洼地充填复垦，一方面能够增加耕地资源，缓解耕地矛盾，改善当地生态环境；另一方面能够减缓黄河泥沙在渠道淤积引起的河床抬升，减少洪水威胁［3］。

我国煤炭开采在促进经济发展的同时，也给土地和生态环境带来了危害［4］。特别是在平原高潜水位矿区，井下煤炭开采导致地面沉陷形成了季节性或常年性积水，致使耕地质量下降甚至无法耕种，因此对采煤沉陷地进行复垦研究势在必行。目前，我国矿区土地复垦常采用的方法有疏排法、挖深垫浅法、平整土地法、矸石粉煤灰充填复垦法等［5-6］，该类方法在具体实践中存在复垦效果不理想或二次污染等问题。由于我国相当一部分矿区分布于距离黄河较近的区域，将黄河泥沙作为充填材料充填复垦采煤沉陷地，不仅可以恢复大量耕地，也有助于减轻黄河泥沙淤积压力［7-8］。近年来，大量学者对此进行的研究主要侧重于复垦技术工艺以及复垦后土地的土壤理化性质分析方面［9-13］，而对于复垦地的空间分布特征及其影响因素的研究涉及较少。本研究以山东省德州市齐河县潘庄干渠为例，采用Voronoi图、GIS空间分析以及数据统计方法，分别从复垦盐碱涝洼地的内外部结构、密度、聚集度等方面进行综合分析，探讨其空间分布特征及其形成的影响因素，为进一步利用黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地提供借鉴。

1 研究区概况

齐河县位于山东省德州市最南端，境内沿黄河62.5 km，有引黄闸4座、干渠17条，年均引黄量3.5亿m3。该县地下分布有丰富的矿产资源（煤炭、石油、石英等），温泉覆盖全县总面积的85%，森林覆盖率达到47.2%，有“黄河水乡、生态齐河”的美誉。潘庄引黄干渠闸口位于齐河县马集乡潘庄村附近，自此始，途径马集乡、赵官镇、仁里集镇、胡官屯镇、潘店镇最后穿出齐河县。潘庄引黄干渠在大量引进黄河水进行灌溉的同时也引进了大量泥沙，使用黄河泥沙进行周边县镇盐碱涝洼地的充填复垦已成为处理泥沙淤积以及同时进行复垦耕地的重要方式。本研究引黄充填复垦盐碱涝洼地所涉及的县镇包括马集乡、赵官镇、仁里集镇以及潘店镇（图1）。

研究数据主要为2015—2017齐河县潘庄干渠引黄河泥沙充填复垦盐碱涝洼地的信息，包括复垦地位置坐标、复垦年份、复垦地所属乡镇、复垦地面积、复垦地前后地类等信息，数据来源于山东省德州市水利局。将获取的数据按所属乡镇以及复垦年份进行分类统计后，应用ArcGIS软件Voronoi图工具对分类数据进行分析。

2 复垦盐碱涝洼地分布特征

2.1 研究方法

采用Voronoi图的变异系数（Cv值）对引黄河泥沙充填复垦盐碱涝洼地的空间分布类型进行分析。平面上离散点集合可表示为

以任意点Pi为中心点的Voronoi图可表示为［14-16］

式中，x为以Pi为中心点的Voronoi图中的任意一点，x∈X；X为所有与Pi点的距离小于其与Pj点距离的点集；d(x,Pi)为x点与Pi点的距离；d(x,Pj)为x点与Pj点的距离。

由所有离散点组成的Voronoi图可以定义为

一般以变异系数（Cv值）作为衡量某种现象在空间上相对变化程度的指标。Voronoi图的Cv值可表示为Voronoi多边形面积的标准差与其平均值之比［17］。空间上均匀分布的点集，其Voronoi多边形面积的可变性小，多边形面积的离散程度较低，标准差小，因此Cv值也较小；空间上集群分布的点集，其Voronoi多边形中一部分多边形面积较小，而另一部分多边形面积较大，Voronoi多边形面积的可变性大，多边形面积的离散程度较高，标准差大，因而Cv值较大。但是，规则的周期结构和周期性重复出现的集群分布也会形成较高的Cv值［18-19］。当点集为均匀分布时，Cv为29%（包括小于33%的值）；当点集为随机分布时，Cv为57%（包括33%～64%的值）；当点集为集群分布时，Cv为92%（包括大于64%的值）［20］，3类空间分布的典型Voronoi图如图2所示。

本研究以复垦盐碱涝洼地质心作为Voronoi图生成元Pi来研究复垦地的空间分布特征，以生成Voronoi图的Cv值作为衡量复垦盐碱涝洼地分布集群度的有效指标。根据Cv值的大小将复垦盐碱涝洼地的空间分布类型划分为均匀型、随机型和集群型。其中，均匀型体现了各待复垦地资源条件的均匀性及在复垦的先后顺序上的同等性，随机型分布表明不受自然及人为因素的影响随机选取复垦地并进行复垦，集群型分布表明在复垦地选址时受到某些因素的影响而集中选择某些位置进行复垦。

2.2 分布特征

根据齐河县潘庄干渠2015—2017年引黄河泥沙充填复垦盐碱涝洼地的空间分布特征，以乡镇为单位划分了复垦地，并绘制了Voronoi图（图3），相关统计结果见表1。分析图3、表1可知：乡镇尺度下的潘庄干渠引黄河泥沙充填复垦盐碱涝洼地的空间分布类型为聚集型，各乡镇在复垦总面积、复垦地斑块数、复垦地平均面积等方面存在显著差异，即该类数据随着乡镇距潘庄干渠引黄闸口距离的增加而降低。

以时间为单位划分了复垦地，并绘制了如图4所示的Voronoi图，相关统计数据见表2。分析图4、表2可知：时间尺度下的潘庄干渠引黄河泥沙充填复垦盐碱涝洼地的空间分布类型也为聚集型，各乡镇复垦总面积、复垦地斑块数、复垦地平均面积随着时间的变化略有改变但基本差异较小，Cv值随着时间的推移有增加的趋势，表现为复垦地的空间分布集群度随着时间的推移而增大。

3 复垦盐碱涝洼地分布的影响因素

无论是在乡镇尺度还是在时间尺度下，研究区复垦地都呈现聚集型分布特征，该特征是多种影响因素共同作用的结果，主要可以分为自然环境因素和社会经济因素，前者是进行引黄充填复垦的基础，后者则是复垦地选址的重要驱动力。

3.1 复垦区与引黄干渠及其闸口距离

利用ArcGIS10.2软件将齐河县潘庄引黄干渠2015—2017年充填涝洼地的空间分布图与潘庄干渠矢量图进行叠加分析，发现复垦盐碱涝洼地整体沿潘庄干渠两岸分布。本研究所有复垦盐碱涝洼地中距离引黄干渠最远的距离为1.56 km，为此，对潘庄引黄干渠依次建立了0.5，1，1.5，2 km的缓冲区（图5）。由图5可知：潘庄引黄干渠0.5 km缓冲区以内包含复垦盐碱涝洼地23块，占总数的52.27%，复垦总面积为30.73 hm2，占复垦总面积的60.06%，平均复垦面积为1.34 hm2；0.5～1 km缓冲区内包含复垦盐碱涝洼地15块，占总数的34.09%，复垦总面积为10.56 hm2，占复垦总面积的20.64%，平均复垦面积为0.71 hm2；1～1.5 km缓冲区内包含复垦盐碱涝洼地4块，占总数的9.09%，复垦总面积为4.24 hm2，占复垦总面积的8.29%，平均复垦面积为1.06 hm2；1.5～2 km缓冲区内包含复垦盐碱涝洼地2块，占总数的4.55%，复垦总面积为5.63 hm2，占复垦总面积的11.01%，平均复垦面积为2.82 hm2。总体上，随着复垦区与引黄干渠距离的增加，复垦盐碱涝洼地总面积以及复垦地斑块数呈现不断减小的趋势，而平均复垦面积则不受该规律的影响，导致该分布特征的主要影响因素为引黄输沙技术与经济成本。

44块复垦地中与引黄闸口的最大距离为27.14km，以13.57 km为划分界限进行分析可知，距闸口13.57 km内分布了31块复垦地，占总数的70.45%，总复垦面积为46.86 hm2，占复垦总面积的91.59%，平均复垦面积为1.51 hm2，距闸口13.57 km以外区域分布了13块复垦地，占总数的29.55%，总复垦面积为4.30 hm2，占复垦总面积的8.41%，平均复垦面积仅为0.33 hm2。可见，研究区复垦地的分布受到复垦地与引黄闸口距离的影响，越靠近引黄闸口黄河泥沙量越大，越能够充分满足充填复垦对于泥沙量的需求。

3.2 农村居民点分布

将潘庄干渠引黄充填复垦盐碱涝洼地的空间分布图与涉及乡镇的居民点分布图进行了叠加分析，结果如图6所示。由图6可知：居民点辐射范围500 m以内包含了32块复垦地，占复垦地总数的72.73%，所有复垦地均分布于居民地辐射范围1 000 m以内的区域，是由于在利用黄河泥沙进行充填复垦时，复垦后的土地大多用作耕地，因此需要充分参考农民意见，同时考虑到农民耕作成本等因素，农村居民点附近的盐碱涝洼地便成为首要充填复垦对象。1 000 m缓冲区内包含复垦地的村庄共有16座（表3）。由表3可知：复垦地主要分布于济北王村、前刘堂村、靖庄村、大辛村、西屯村、西腰站村附近，6座村庄附近分布了27块复垦地，占复垦地总数的61.36%，这6座村庄在空间上与其他村庄相比更靠近潘庄干渠。

3.3 道路交通

对研究区内各复垦地与道路之间的距离进行了统计，结果表明：复垦地与道路的最小距离为8 m，最大距离为1 245 m，平均距离为284.71 m；复垦地集中分布于距离道路200 m以内的区域，该范围内分布有29块复垦地，占总数的65.91%，距离道路600 m以内的区域分布有40块复垦地，占总数的90.91%，仅有4块复垦地分布于距离道路600 m以外的区域。总体上，研究区内复垦地基本分布于道路附近区域，有助于加快施工进度并取得最佳的充填复垦效果；尽管研究区内有4块复垦地与道路之间的距离相对较大，但该类复垦地与潘庄干渠的距离较小，在直接输沙成本上有一定的优势。