基于模糊綜合評價的礦山地質環境評價分析*

柳銳,張電吉,姬立杰,蔣琴琴,聶正

(武漢工程大學 資源與安全工程學院,湖北 武漢 430205)

0 引言

我國國民經濟的發展離不開礦產資源,但礦產資源經過常年累月的過度開采,會導致礦山及周邊地區的地質環境出現一系列問題[1]。

國外在20世紀70年代就已經運用多種評價方法來評價礦山地質環境。關于礦山地質環境綜合評價,國內有關學者也進行多方面的研究。徐友寧等[2]在研究指標體系的時候,利用指標指數劃分危害等級程度。呂文帥[3]采用模糊綜合評價法研究了蒼嶧鐵礦,并且對礦山的恢復規劃提供了合理的建議。郁文等[4]利用層次分析法和模糊綜合評價法對靖遠縣105座礦山的生態地質環境進行評價,應用效果良好。

本文以湖北宜昌某磷礦區為研究背景,研究區屬以侵蝕構造為主的中山區,地形復雜,具有北東高南西低,且又有逆向陡峻、順向較緩的特點。區域內礦產資源豐富,主要以磷礦為主,開采歷史悠久,長期的礦山開采已對礦區內環境產生了不同程度的影響。

1 評價體系的建立與分級標準

1.1 礦山地質環境評價體系的建立

根據湖北宜昌某磷礦山地區的相關資料,以及參考專家對指標的選取[4],本文選取了4個一級指標(地質災害、含水層破壞、地形地貌景觀破壞和土地資源破壞)和14個二級指標,見表1。

表1 礦山地質環境評價體系

1.2 評價體系分級的標準

參考《全國礦山地質環境調查技術要求實施細則》《礦山地質環境調查評價規范》等相關標準規范要求,再結合湖北宜昌某磷礦的資料進行分級,劃分為嚴重、較嚴重、較輕3 個等級[5],其分級標準見表2。

表2 分級標準

2 建立評價模型

2.1 利用層次分析法(AHP)確定權重

AHP[6]有著定性與定量相結合的特點,具有層次結構的優點,廣泛應用于各類工程問題的分析。

2.1.1 建立層次結構

對礦井地質環境進行目標層評估。按屬性的不同,把有關礦山地質環境的各種因素分解成幾個層次,從上到下確定相互關系。同一個層面的因素,受下層因素的影響,同時也對上層因素產生影響。最下一層是措施層或方案層,也就是質量分級;中間層是指標層或準則層,也就是考核因素。

2.1.2 構建判斷矩陣

依據表2的分級標準,對表示重要關系的兩個要素選擇1～9的比較標度法進行比較,見表3,進而構建判斷矩陣。

表3 判斷矩陣標度及其含義

2.1.3 確定權重

對于創建的判斷矩陣A有AX=λmaxX,本文采用方根法計算λ的特征值和特征向量X。權重值便是特征向量X歸一化后的分量。

2.1.4 層次單排序

相對上一層因素而言,對本層所有因素的相對重要性的排序稱為層次單排序[7]。構建每個單級的判斷矩陣,并計算其相應的權重,從而對單級排序進行一致性檢查。驗證判斷矩陣需要一致性和隨機性的檢查,并檢查通過判斷矩陣所求的特征向量(權)是否合理,表4為8階以內的RI指標值,n為階數。

表4 平均隨機一致性指標值

式中,CI為所求的一次性指標;CR為一致性比率,當CR＜0.1時,認為具有一致性,否則繼續調整。

2.1.5 層次總排序

同單排序步驟一樣,計算所有層的所有因素的相對重要性,再進行排序稱為層次總排序[8]。要對等級分總排名計算結果的一致性進行評價,必須計算出與單次排名相似的檢查量,見式(3)、式(4)、式(5)。

式中,W k為準則層中第k個因素的權重值;CI k為第k個因素的一致性指標值;RI k為第k個因素的隨機一致性指標值。

2.2 模糊數學評價

礦山環境綜合評價體系具有較大的不確定性和模糊性,涉及的因素多,復雜性也高。因此,選擇模糊數學理論[9]進行評價分析是比較恰當的。

2.2.1 因子集評價集的建立

評價因子集合P={P1,P2,…,P m},其中m為評價指標的數量;評價等級集合Q={Q1,Q2,…,Q n},其中n為評價等級集的數量。

2.2.2 隸屬度函數

雖然創建不同的函數會受到模糊概念的干擾,但是在某個模糊的評估中確定采用同樣的函數,模糊這種思想就可以被體現出來,而且結果是科學合理的,因此,本文選取了相對適合的梯形隸屬度函數g(x)A、g(x)B、g(x)C。式(6)為較輕隸屬度標準,式(7)為較嚴重隸屬度標準,式(8)為嚴重隸屬度標準。

其中:

式中,x為實測值,隨機抽取;x1、x3、x5為3個不同層次評定的標準值;x2和x4是集中過渡區間評估上限;@取值為0.5。

2.2.3 構建模糊矩陣

由以上方法得出各測評要素的隸屬關系,代入式(11),即得到一個相應的模糊矩陣[10],為某個因素單獨的模糊矩陣。

2.3 模糊綜合評價

模糊綜合評價[11]首先考慮某個單獨的因素評價,考慮各個因素的影響與其相應權重,然后再進行綜合考慮,通過權重向量和模糊矩陣的相乘運算得到評價結果,見式(12)。

式中,權重W由3.1中計算所得;R為式(11)所得;P是相乘后的綜合評價結果,并且按照模糊數學法中最大隸屬度來區分等級程度。

本文綜合評價體系設置了兩個層次,各要素的二級綜合評價完成后,再對其進行一級綜合評價。

3 實例分析

3.1 評價指標權重的計算

根據表1創建的指標體系,再通過專家打分和相關從業人員的建議,得出兩兩因素之間的比較矩陣,再通過SPSSPRO 軟件計算,結果見表5至表9。表5至表9為單層次排序一致性檢驗,判斷得出矩陣都符合一致性。

表5 目標層A 判斷矩陣

表6 準則層B 1判斷矩陣

表7 準則層B 2判斷矩陣

表8 準則層B 3判斷矩陣

表9 準則層B 4判斷矩陣

將表5至表9統計,得到表10的總排序,并且檢驗其一致性。由公式(3)、式(4)、式(5)可算出:CI為0.0327;RI為0.8274;CR為0.0395。經檢驗,符合一致性。

3.2 模糊綜合評判

根據上述建立的評價指標體系,可得出評價因子集B={B1、B2、B3、B4}、B1={C1、C2、C3、C4}、B2={C5、C6、C7、C8}、B3={C9、C10、C11}、B4={C12、C13、C14}。按照表2與章節2.2得到評價等級集V={較輕、較嚴重、更嚴重}。

本文以地質災害中的規模大小指標因子為例,由式(6)至式(11)可得規模大小評鑒指標隸屬度函數,見式(13)至式(15)。

較輕函數:

較嚴重函數:

嚴重函數

接著創建每個要素的模糊矩陣。R1、R2、R3、R4分別為地質災害、含水層破壞、地形地貌景觀、土地資源的模糊矩陣,見式(16)。

3.3 模糊綜合評價及分析

表10中綜合了所有的權重,進行綜合計算后,可以得到相應的分析結果,模糊綜合評價是用每個指標的權重向量乘以相應的模糊矩陣。

3.3.1 二級模糊綜合評價

(1) 地質災害評價及分析。P1=W1×R1=[0.67,0.265,0.065],由結果可得其隸屬程度主要集中在較輕的等級,說明地質災害影響研究區內的地質環境程度較低。據現場調查,該研究區屬丘陵地帶,地勢平緩,植被覆蓋良好,無崩塌、滑坡、泥石流等自然災害,礦山目前主要存在以采空區地面塌陷為主的地質環境問題,礦山為深井開采,對地面破壞較小。礦區塌陷坑穩定后,對塌陷區南部區域進行了復墾,已整治為耕地,面積約4.49 hm2;而在塌陷區北部區域,當地村民在塌陷較淺區域種植農作物,此區域面積約2.18 hm2,其中林地0.34 hm2,水田0.54 hm2,草地0.98 hm2,村莊0.32 hm2。因此,該塌陷區現基本處于穩定狀態,塌陷區無建筑及地面設施,對其他分散性居民危害較小。因此,研究區內因礦山地質環境引發的地質災害總體上影響不大。

(2) 含水層破壞評價及分析。P2=W2×R2=[0.255,0.154,0.591],從結果來看,這一指標層的隸屬程度主要集中為嚴重程度,表明含水層破壞對研究區礦山地質環境的影響程度較大。本區水文地質條件較復雜,涌水量的應對情況也復雜,但是礦山有足夠的排水設備預防可能產生的問題。礦山處于地下水排泄區,地下水豐富,礦坑排水量較大,目前排水能力約為22 000 m3/d。隨著礦山開采向深部延伸,根據2014年的“核實報告”中涌水量估算結果,未來礦坑排水量正常約為28 406 m3/d,最大34 287 m3/d,礦山疏干排水量增大后,不但影響附近居民供水水源減少或枯竭,同時會引起區域性水位持續下降,對含水層造成較大破壞,對區域水均衡有較大影響。當地居民生活用水主要為自來水供水,農田灌溉用水主要取自熊家灣水庫,因此含水層破壞對周邊居民用水的影響較小。受含水層破壞程度的影響總體上是嚴重的。

(3) 地形地貌景觀破壞評價及分析。P3=W3×R3=[1,0,0],從結果來看,這一指標層的隸屬程度主要集中在較輕的等級上,表明受地形地貌景觀破壞影響程度較輕,目前已基本恢復正常,研究區內地表植物長勢繁茂,植被覆蓋良好。區內耕地面積小,主要種植玉米、棉花等旱作物,生態環境保持較好。礦山開采以井下開采為主,破壞程度較輕,對地形地貌景觀造成損害較小。采空區地面塌陷對地形地貌景觀造成一定破壞,但造成的影響不大,破壞程度也不大。對人文景觀影響較小,對風景旅游區影響較小,對城市周邊影響較大,對主要交通干線兩側影響較小。從總體上看,研究區內的礦山地質環境受地形地貌景觀破壞影響較輕。

(4) 土地資源破壞評價及分析。P4=W4×R4=[0.068,0.661,0.271],從結果來看,指標層的隸屬程度主要集中在等級較嚴重級別,表明土地資源破壞影響程度較大。究其原因,主要是采空區地面塌陷造成熊家灣礦段井下開采對土地資源的破壞,其次是工業場地壓占、破壞土地造成3 個生產井口(1#、3#、5#)的破壞,此外還有礦山道路壓占土地造成的破壞影響程度。礦山6#井硐已停產多年,其工業場地已進行地質災害治理并已復墾。從總體上看,土地資源破壞對研究區礦山地質環境的沖擊較大。

3.3.2 一級模糊綜合評價

由式(16)和二級模糊綜合評價計算可綜合評價模型為:

評價模型評估結果表明,礦山地質環境隸屬程度較輕,研究區礦山地質環境總體上狀況較好。但含水層破壞對地質環境的影響相對較大,應引起重視。

4 結論

(1) 結合層次分析法(AHP)和模糊數學評價法對礦山地質環境進行綜合評價,這種綜合方法能避免人為主觀因素的影響,定量化處理定性因子,使評價結果具有較好的客觀性。

(2) 通過層次分析法(AHP)選取地質災害、含水層破壞、地形地貌景觀破壞、土地資源破壞等4個方面的14個因子,得出因子的權重值,再通過模糊數學進行二級模糊評價分析,最終對一級進行模糊綜合評價分析。根據調查結果,并結合隸屬嚴重程度破壞情況,本研究區的礦井地質環境等級綜合評價結果為較輕;對地質災害和地形地貌景觀破壞情況評估為較輕等級;對土地資源破壞評估為較嚴重;對含水層破壞情況評估為嚴重。結果反映了本研究區域內的礦山地質環境影響,為今后礦山地質環境保護和恢復治理提供了依據。

(3) 基于模糊綜合法的礦山地質環境綜合評價,相對于其他的評價方法,具有簡單易操作、科學合理的優點,對某些礦山的評價適用性比較高,驗證了該評價模型的可行性。