礦山環境正效應開發利用適宜性評價理論與方法

武 強 ， 張守成 ， 劉宏磊 ， 曾一凡

(1.中國礦業大學(北京) 國家煤礦水害防治工程技術研究中心, 北京 100083；2.中國礦業大學(北京)內蒙古研究院, 內蒙古 鄂爾多斯 017000；3.礦山水防治與資源化利用國家礦山安全監察局重點實驗室, 北京 100083)

依據能源資源稟賦，我國能源資源呈現富煤貧油少氣的特點[1]。隨著能源結構的優化升級，煤炭作為我國能源的壓艙石，雖然消費量占比呈逐年走低的趨勢，但近5 a 原煤產量不斷增長，煤炭資源的消費總量并未降低[2]。在礦業供給側結構性改革背景下[3]，一些中小型礦山面臨政策性閉礦，根據全國礦產資源規劃(2016—2020 年)，礦山數量較規劃基期減少3.3 萬座，其中小型礦山減少2.8 萬座，全國采礦權由49 063個降低為32 536 個[4]，若這些礦山的直接關閉，不僅難以避免二次誘發礦山環境負效應[5]，而且會造成礦山環境正效應資源浪費[6]。

“礦山環境正效應”的概念由筆者在文獻[5]提出，指出礦產資源開采對礦山生態環境產生作用，有些會對礦山環境產生如地質災害、土地資源損毀、地下水均衡破壞、污染與浪費等負效應[7-8]，這些負效應在西部水資源匱乏、生態環境脆弱地區[9-10]表現更為顯著；但有些負效應在加以開發利用后可轉化為地下采掘空間、地表土地資源、礦井水與熱資源[11]、礦山科學研究、文化科普、旅游觀光及休閑娛樂立地資源等，這些正效應資源在科學系統規劃和實施后，能夠給礦山及周邊區域發展帶來良好的經濟、生態及社會效益。從開發利用的具體途徑來講，分為儲藏效應、資源效應等11 類正效應，從開發利用的屬性來看，歸納為資源、能源、科普文娛、生態服務4 類正效應開發利用目標[5,12]。自2016 年以來，我國開始探索構建“開發式治理、市場化運作”的礦山環境修復治理[13]，不過修復治理和開發利用目標仍相對單一，比如側重開發利用礦山殘留資源，側重開發利用礦山風、光、水等正效應資源，在注重單一資源開發利用的情況下，忽視了其他正效應資源開發利用，尚未形成系統的環境正效應開發利用理論體系。根據礦山空間(包含地上、地表、地下空間)、礦產、水等資源的多維屬性，礦山環境正效應開發利用也應具備多維屬性，如廢棄礦山往往具有“地下、地表、地上”空間資源、殘留礦產資源、水資源、生態服務資源[14-15]，某些特殊礦山還具備科普文娛資源，但在開發利用過程中未能充分研究、利用，造成了正效應資源的埋沒。筆者在文獻[12]的研究基礎上，開展正效應開發利用目標、子目標的適宜性評價，為遴選礦山環境正效應資源開發利用模式及項目提供評價理論和依據支撐。

1 科學內涵和關鍵路徑

1.1 科學內涵

“礦山環境正效應開發利用”旨在充分挖掘礦山環境中地上空間資源、地表土地資源、地下空間資源、殘留礦產資源、礦山水資源等，運用理學、工學、農學、經濟學、管理學及交叉學科等學科門類的專業知識，統籌區域產業規劃、礦山轉型利用方向、服務終端范圍等因素，科學、合理制定礦山正效應開發利用目標，在治理礦山環境負效應的基礎上，全面開展正效應的開發利用，使礦山環境正效應資源得以充分利用。其本質是通過科學合理規劃、設計、實施、監測等手段，使礦區修復治理后的土地和環境所產生的價值高于礦區開采前的價值，變廢棄礦山為金山銀山，實現礦業資源開發和生態環境協調發展。

礦山環境正效應開發利用研究具有整體性、系統性、多維性、多向性、互適性、約束性6 種特性，是在解析、總結國內、外礦山環境修復治理和開發利用案例的基礎上，凝練提出的礦山環境正效應資源的開發利用理論與實踐研究，是礦山環境保護與修復治理3.0 階段的必經之路[5,12]。

1.2 關鍵路徑

正效應開發利用目標可歸納為4 類：資源正效應、能源正效應、科普文娛正效應、以及生態服務正效應[12]。其中，根據正效應資源的屬性，資源正效應開發利用目標可歸納為礦山土地、空間、殘留資源3 類子目標；根據開發利用能源的類型，能源正效應開發利用目標有電力能源和熱力能源2 類子目標；根據開發利用的方向和功能，科普文娛正效應開發利用目標分為科學研究和文旅娛樂開發2 類子目標；根據土地恢復利用方向，生態服務正效應開發利用目標包含生態服務功能和碳匯服務功能2 類子目標。各子目標又可分為不同的實施項目，礦山環境正效應開發利用目標、子目標、實施項目關系如圖1 所示。

圖1 礦山環境正效應開發利用目標及實施項目關系Fig.1 Relationship between goals and implementation projects for the development and utilization of positive effects in mine environments

礦山環境正效應開發利用的特性決定了開發利用目標規劃時有多種組合，即單目標、雙目標、多目標及全目標(圖1)。按照“目標導向→目標分解→實施項目劃分→評價指標體系構建→單目標適宜性評價理論→實施項目集構建→多目標融合適宜性評價理論”的思路，厘定出適宜的子目標[5,12]，劃定清晰的實施項目，構建科學、完善的評價指標體系，提出基于定量、定性計算的單目標評價模型，評價實施項目適宜性及排序，構建多向性的實施項目集，并基于經濟、生態、社會效益的定量化模型，建立多目標評價理論，確定礦山環境正效應開發利用最優目標組合及實施項目集，為礦山環境正效應開發利用模式構成研究提供基礎支撐(圖2)。圖2 中，Tn為正效應開發利用4 類目標，n=1, 2, 3, 4；Tni為正效應開發利用4 類目標下的子目標；pj為正效應開發利用4 類目標下的具體實施項目，j=1, 2, …, 18；Ij為實施項目pj單目標評價指標集。

圖2 礦山環境正效應開發利用實施路線Fig.2 Implementation route for the development and utilization of positive effects in mine environments

2 正效應開發利用評價指標體系

2.1 評價原理

依據礦山資源多維屬性及開發利用的特性，厘定子目標對應的實施項目，并剖析開發利用各實施項目約束因素，提出針對實施項目適宜性評價的指標體系與標準，形成單目標評價理論和多目標融合評價理論，系統構建開發利用評價原理框架(圖3)，為礦山環境正效應開發利用目標及實施項目的規劃提供理論支撐。

圖3 礦山環境正效應開發利用評價原理框架Fig.3 Framework of principles for evaluating the development and utilization of positive effects in mine environments

2.2 “供給-需求-開發”約束條件

根據礦山環境正效應開發利用的內涵、關鍵路徑及特性，約束礦山環境正效應開發利用目標及方向的因素應包括礦山稟賦、自然條件、地質環境、外在需求、開發技術以及經濟可行性等[16-17]。據此，建立起基于“供給(Supply)-需求(Demand)-開發(Development)”的SDD 約束結構體系(圖4)，共包含6 類一級約束因素，38 個二級約束因子。

圖4 礦山環境正效應開發利用目標評價約束體系Fig.4 Target evaluation constraint system for the development and utilization of positive effects in mine environments

供給層是礦山環境正效應開發利用的基礎，體現了礦山的本體條件，分為礦山稟賦、自然條件及地質環境3 類約束條件，為后續礦山正效應開發利用實施項目提供本體供給評價。

需求層反映了礦山環境正效應開發外部因素約束，關系到實施項目完工后續礦山可持續發展，為后續礦山正效應開發利用實施項目提供需求評價。

開發層反映了礦山環境正效應開發技術和經濟因素的約束，其中經濟可行性是目標確定的關鍵約束條件之一，一般為綜合效益最優是開發利用目標和實施項目評價的標準。此外，由于個別開發利用目標中技術的復雜程度決定了能否實施，例如礦山地下空間被用來儲存核廢料、二氧化碳和能源時，對項目開發實施提出了重大的技術挑戰，因此技術因素也是確定開發利用目標的約束條件之一。

2.3 正效應開發利用實施項目評價指標集

礦山環境正效應開發利用實施項目具有多目標、多選擇性，為探究最優開發利用目標，需構建項目評價指標集I，厘定項目單目標評價體系。針對厘定的18 類實施項目(表1)，從評價約束體系中的礦山稟賦、自然條件、地質環境、外在約束條件及開發條件5 類一級約束中的35 個二級約束中構建了62 個對應的評價指標(表2)。

表1 正效應開發利用實施項目單目標評價指標集IjTable 1 Single-goal evaluation indicator set Ij for the implementation of positive effects development and utilization projects

表2 礦山環境正效應開發項目評價指標集ITable 2 Evaluation indicator set I for the development of positive effects in mine environments

2.4 實施項目單目標評價指標集構建

通過目標導向，分析礦山本體特征基礎條件、外部需求情況及實施項目開發技術現狀，確定實施項目可行性的主控因素，從評價指標集中構建18 類實施項目單目標評價指標集Ij(表1)。

3 正效應開發利用單目標適宜性評價理論

3.1 模型構建

因礦山具有空間、資源、環境、技術、管理等多維屬性，其開發利用目標存在多向性，構建開發利用單目標適宜性評價模型是礦山環境正效應開發利用目標篩選、決策的關鍵，是實現礦山資源開發與生態環境協調發展的基礎。依據不同實施項目評價指標集(表1)，根據適宜性評價指標取值標準(表3)，定性、定量確定各指標分值ti，選擇權重確定方法并求取各評價指標權重wi，計算礦山環境正效應開發利用實施項目適宜性指數S：

表3 礦山環境正效應開發利用實施項目適宜性評價指標評分標準Table 3 Scoring criteria for the suitability evaluation indicators of implementation projects for the development and utilization of positive effects in mine environments

式中，n為實施項目pj單目標評價指標集Ij中的評價指標數量，i=1, 2, …,n。

3.2 單目標適宜性評價指標評分標準

遵循國家、行業、地方、行政法規等現有規范、文件，結合實施項目SDD 約束條件，以定量為主、定性為輔的評價原則，對實施項目評價指標進行等級劃定及賦分，其中適宜性評價指標評分標準劃分為3 個等級和4 個等級，由專業人員依據評分標準對研究礦山進行賦分(表3)。

3.3 評價指標權重

實施項目適宜性評價指標集Ij構成指標數量不同，且各指標對項目適宜性的影響程度不一。由于礦山環境正效應開發利用受礦山稟賦條件、區域自然條件、地質環境條件、外在約束條件、開發技術條件的多種限制因素影響，且不同類型礦山評價指標影響程度具有模糊性，因此在計算權重過程中，引入三角模糊數表示指標權重的評價結果，構建模糊判斷矩陣，將主觀判斷的模糊語言評價映射為定量的三角模糊數以計算各指標權重系數[21]。設N=(l,m,u)，其中u≥m≥l，其隸屬函數為

其中，l、m、u分別為三角模糊數N的下限值、中值和上限制，l、u用來表示模糊度，u-l差值越大，則判斷的x值模糊度越大[22]。運用三角模糊數對《Satty9 級標度法》進行改善，構建模糊標度，克服兩兩指標主觀評判的模糊性。計算步驟如下：

(1)構建實施項目評價指標集，見表2。

(2)構建模糊標度。對指標集中的兩兩指標進行主觀對比，評判采用“同等重要”“稍微重要”“較為重要”“強烈重要”“絕對重要”等定性語言描述，同時依據模糊標度表，映射得到三角模糊數和三角模糊倒數，見表4。

表4 模糊標度及其映射表Table 4 Fuzzy scale and its mapping table

(3)構建模糊判斷矩陣。評價人員對實施項目評價指標集中n個指標因素兩兩依次主觀對比判斷，得到n×n模糊判斷矩陣A，即

式中，aij=(lij,mij,uij)、aji=(1/uij,1/mij,1/lij)為三角模糊數值，具體數值根據表4 確定。

(4)模糊判斷矩陣一致性檢驗。對于模糊判斷矩陣A取其三角模糊數中值構成的矩陣Am進行一致性檢驗，當Am滿足一致性條件時，相應的模糊判斷矩陣A也滿足一致性條件。設矩陣Am的最大特征根λmax，則模糊判斷矩陣一致性比例CR為

其中，IR為相容性指標修正值，與矩陣Am維數有關，可參考表5。若CR≤0.1，可認定為模糊判斷矩陣滿足一致性要求，否則需評價人員重新評判。

表5 相容性指標修正值IRTable 5 Compatibility indicator adjustment value

(5)確定模糊權重。由于模糊判斷矩陣考慮了主觀判斷模糊性，因此評價效率和準確度得到了提高，若有T位評價專家進行評判，其判斷矩陣AT=(aijT)n×n=[(lijT,mijT,uijT)]n×n，取平均值，常見的平均值有算數平均值、加權平均值、幾何平均值等，平均值選取取決于專家權重，本文假定為專家權重基本一致，取算數平均值，即

(5)權重去模糊化。對wi進行去模糊化，使三角模糊數轉換為標準權重值S(wi)，去模糊化公式為

α的取值由評價問題環境及評價專家偏好因素決定，當α=0.5 時，表示評價中立型，當α≠0.5 時，表示評價保守型或激進型。

(6)標準權重歸一化。對S(wi)進行歸一化處理，計算每個評價指標的最終權重wF,i，公式為

3.4 單目標實施項目適宜性評價

根據礦山本體供給、實施項目外部需求及開發技術約束條件，依據適宜性評價指標評分標準(表4)，對礦山環境正效應開發利用單目標實施項目適宜性評價指標評分；運用三角模糊數確定各評價指標權重；通過評價模型式(1)計算實施項目適宜性得分，按照表6 評定單目標實施項目適宜程度，并依據適宜分值高低進行適宜性排序。

表6 正效應開發利用單目標實施項目適宜程度分級Table 6 Grading of suitability level for single-goal implementation projects in the development and utilization of mine environmental positive effects

4 正效應開發利用多目標評價理論

礦山環境資源多維屬性，決定礦山環境正效應開發利用目標的多目標性；科學、合理的多目標融合評價理論是礦山環境正效應充分開發利用的關鍵，它是建立在單目標適宜性評價結果上，對滿足正效應開發利用“適宜”和“較適宜”的實施項目集中具備組合開發的項目進行組合，結合礦山開發層約束體系中的經濟、生態及社會效益，構建多目標線性規劃效益模型，通過求解約束條件下的目標函數最大化，確定礦山環境正效應開發利用最優目標及實施項目組合(圖5)。

圖5 礦山環境正效應開發利用多目標評價理論框架Fig.5 Framework of multi-goals evaluation theory for the development and utilization of positive effects in mine environments

4.1 實施項目集的構建

(1)實施項目維度劃分。依據實施項目空間維度，對18 類實施項目進行劃分(表7)。

表7 礦山環境正效應開發利用實施項目pj 維度劃分Table 7 Dimension division of implementation project pj in multi-goals evaluation theory for the development and utilization of positive effects in mine environments

(2)實施項目集構建。根據單目標適宜性評價結果，對“適宜”和“較適宜”的實施項目進行匯總，依據項目實施邏輯相互關系(表8)，構建實施項目集P={Pn}，其中Pn={pj}，j=1,2,…,18，Pn為實施項目集子集(子項目pj存在互斥關系時候的不同子項目的組合集，即Pn中不能含有互斥關系的pj子項目)，{pj}為滿足項目實施邏輯關系且單目標適宜性評價為“適宜”和“較適宜”的pj子項目集合。

表8 項目實施邏輯關系Table 8 Logical relationship of project implementation

4.2 經濟效益評估

經濟效益可概括為直接經濟效益和間接經濟效益，直接經濟效益一般為直接產品產生的效益，間接經濟效益是除項目直接產品產生的效益后的對社會產生的其他經濟效益[23]，構建實施項目產品經濟效益與規劃面積的效益評估算式(表9)。

表9 經濟效益評估計算Table 9 Economic benefit evaluation calculation table

4.3 生態效益評估

礦山環境治理生態評估一般從治理措施與生態問題的關聯性、生態脅迫因子消除程度、生態系統質量改善及生態系統服務提升等方面內容進行評價，對此筆者選取了植被覆蓋度增加、土地石漠化/荒漠化/鹽漬化面積減少、水源涵養、水土保持、防風固沙、洪水調蓄、固碳釋氧、生物多樣性8 個方面指標并進行定量評估，構建實施項目生態效益與規劃面積的效益評估算式(表10)。其中治理措施費用已作為經濟效益包含的項目實施投資費用(Cp)中，生態效益評估計算中不再扣除Cp費用。

表10 生態效益評估計算Table 10 Ecological benefit evaluation calculation

4.4 社會效益評估

礦山環境正效應開發利用項目社會效益具有潛在性、間接性、長久性等特點，與經濟效益、生態效益緊密關聯、相互依存[30]，其評估內容一般包括新增就業崗位、人居環境改善、本地居民參與度、滿意度、后期管護及可持續影響，其內涵是項目對當地社會生產、生活的影響程度；筆者選取新增就業人數、改善人居環境、增加地區上下游產業消費3 個方面指標并進行定量評估，構建實施項目社會效益與規劃面積的效益評估算式(表11)。

表11 社會效益評估計算Table 11 Social benefit evaluation calculation table

4.5 多目標線性規劃模型構建

(1)變量構建。依據表7，設置實施項目集P中各子項目pj的變量xj、yj，xj、yj分別表示實施項目pj的地表占地面積和地下占地面積，計算過程中注意pj面積單位的統一。

(2)目標函數確定。礦山環境正效應開發利用多目標線性規劃的目標是使經濟、生態、社會效益最佳，為此構建經濟、生態、社會效益的目標函數，其目標函數系數基于效益評估表9～11，具體見表12，經濟效益目標函數f1(x)+f1(y) 、環境效益目標函數f2(x)+f2(y) 、社會效益目標函數f3(x)+f3(y)構建如下：

表12 決策變量及目標函數系數的構建Table 12 Construction of decision variables and objective function coefficients

2)土地利用及項目用地規劃約束。對礦山實施區域及影響區域的土地利用狀況開展調查，調查至二級地類，構建土地利用面積集F={Af}，Af={Af,s}，其中，Af為調查區土地利用為f一級類的土地面積；Af,s為調查區土地利用為f一級類(f=01、02、…、12、20)、s為二級類的面積，s指f一級類下面的二級類編碼。依據國土空間規劃、相關專項規劃及行政法規規定，開展礦山環境正效應開發利用實施項目規劃土地利用約束。

3)地下空間約束。開采地下空間正效應開發利用實施項目受區域位置、地質條件、圍巖特征、空間位置、環境特點等條件的限制，具有特定的邏輯約束，依據項目邏輯關系表(表8)，對地下空間維度上的實施項目進行邏輯關系劃分，構建地下空間開發利用實施項目集B(表13)。

表13 地下空間開發利用邏輯約束實施項目集B 構建Table 13 The setting of implementation project B under the logic constraint of underground space development and utilization

依據地下空間開發利用邏輯約束實施項目集B，構建地下空間約束。

式中，j∈B表示j為地下空間開發利用邏輯約束實施項目集B的子集(子項目)；yj表示j子項目占用的地下空間面積；Su為地下空間可開發利用面積。

4.6 多目標線性規劃求解

通過上述方法，求解出經濟、生態、社會效益達到最優時候的組合形式，根據理想點法或式(14)，得到礦山環境正效應開發利用最優目標、實施項目組合及相應規劃面積，以此為決策者提供技術支撐。

5 結 論

我國現階段登記采礦權超3 萬個，面積近30 萬km2，充分挖掘礦產資源在開發過程中的礦山環境正效應資源，化害為利，實現綠色、低碳、零碳、負碳開采，是響應“雙碳”戰略目標的內在要求。隨著開發利用技術的進步，以及工業多源物聯網感知數據等技術的成熟，礦山環境正效應開發利用研究仍有巨大的進步空間，特別是指向區域性和差異性的礦山環境正效應資源開發利用模式體系將愈加完善，實現礦業轉型、城市發展、流域可持續以及市場化道路等方面的礦業綠色發展新格局。

(1)綠色礦業高質量發展?！半p碳”戰略目標的實施，倒逼礦山企業升級發展，開展礦業工程活動“源頭綠色開采、過程低碳排放、末端固碳實施”是礦山綠色轉型發展的必由之路，通過礦山環境正效應開發利用評價理論，評估、確定正效應開發利用目標和實施方案，為礦山“低碳、零碳”開采提供環境方面支持。此外，正效應開發利用理論能夠為礦山綠色、可持續發展提供精準規劃，尤其是礦產資源開發利用、地質環境保護與修復治理、礦山土地修復等前期精準規劃以及中、后期礦山環境修復治理等，通過礦山環境治理開發，構建礦區多能互補綜合系統及生態服務碳匯系統，是實現煤炭全生命周期“低碳、零碳”開采的重要技術手段。

(2)資源型城市轉型發展。建國以來，作為能源、資源戰略保障的資源型城市，為國家經濟建設持續發展做出巨大貢獻的同時，隨著資源枯竭，面臨著經濟衰退、社會問題突出及生態環境惡化等困境；擺脫資源依賴、創新產業發展、培內生發展動力是轉型發展的導向；借助資源開采后的礦山環境正效應資源，全力挖掘并充分開發利用，在解決生態環境問題的基礎上，開發綠色、低碳、可持續發展產業，對資源型城市轉型發展具有重要的示范效應。

(3)黃河流域礦區歷史遺留廢棄礦山環境正效應開發利用。黃河流域中上游地區氣候類型主要是干旱半干旱，生態環境脆弱，而我國現有的14 個大型煤炭生產基地中，有9 個分布在黃河流域，如何在保障國家能源安全的同時又促進區域綠色、高質量、可持續發展具有重大意義；基于礦山環境正效應開發利用理論，評估和利用黃河流域歷史遺留廢棄礦山修復治理后的土地、空間、遺留資源、光能、風能等正效應資源，構建生態碳匯產品模式、“清潔能源+農牧”產業模式、科普文旅開發模式、運動娛樂開發模式等綠色、可持續性產品，在修復和保護流域內礦山環境的同時，實現生態優先、綠色發展的可持續性發展。

(4)廢棄礦山市場化運作模式。為緩解礦山生態修復資金不足問題，我國開展了“開發式治理、市場化運作”修復模式，通過資源使用權、耕地指標及資金等方面的激勵，鼓勵社會資金參與；政策措施的實施雖取得了一定成果，但缺乏對礦山環境整體性、系統性的認識，重視開發式治理中的遺留礦產資源、土地指標資源等吹糠見米的利益，缺少對空間、生態等隱形資源深謀遠猷的規劃，甚至出現了以生態修復名義違法采礦、破壞生態等現象。礦山環境正效應開發利用理論以整體性、系統性、多維性、多向性的思維方式，挖掘蘊含在礦山中的正效應資源，依據評價理論方法，評價及規劃礦山正效應開發利用最優目標及實施項目配置，為廢棄礦山市場化運作提供方向和理論支撐。