天津矿山复垦土地地质环境质量评价方法

杨耀栋，孙占中，陈丽伟，王子艺

（1.国土资源部天津矿产资源监督检测中心，天津 300191；2.天津市国土资源和房屋管理局，天津 300042）

天津矿山复垦土地地质环境质量评价方法

杨耀栋1，孙占中2，陈丽伟2，王子艺1

（1.国土资源部天津矿产资源监督检测中心，天津 300191；2.天津市国土资源和房屋管理局，天津 300042）

针对天津矿山地质环境恢复治理现状及土地复垦生态重建的目标，筛选出19个评价因子，构建了一套由地质条件、土壤物理、土壤化学、土壤重金属组成的矿山复垦土地地质环境质量评价指标体系和分级标准。本研究采用五级划分，即分为：I级（好）、II级（较好）、III级（中等）、IV级（差）、V级（很差），并在此基础上依据天津市地质环境背景，以往工作成果以及相关技术标准，对影响矿山复垦土地地质环境的因子进行量化分级。提出了利用层次分析法（AHP）和模糊综合评判法来确定矿山复垦土地地质环境质量的评价方法，为矿山土地复垦监管、验收提供了更为科学、具体的评价方法。

矿山土地复垦；地质环境质量；AHP-模糊综合评价法

1 引言

矿山土地复垦是指对矿山在生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土地，采取整治措施，以达到再生利用和恢复生态系统的目的[1]。我国矿山土地复垦工作起步晚[2]，以往工作中对复垦土地地质环境质量状况重视不足，复垦后的土地仍可能存在地质环境质量问题，如复垦后仍然受到地质灾害的威胁，复垦土壤中重金属含量超标，利用建筑垃圾、生活垃圾回填复垦，严重污染地下水环境。就复垦评价而言，我国现阶段矿山土地复垦评价体系侧重复垦前的土地适应性、潜力等评价，而缺乏复垦后的评价研究。随着矿山土地复垦生态恢复工作的深入开展，政府主管部门在废弃矿山地质环境治理项目和在建矿山土地复垦的监管、验收方面也需要更具体，更科学的方法。本文针对天津矿山地质环境恢复治理现状及土地复垦生态重建的目标，提出完整、客观的评价指标体系，并计算确定各指标比较合理的权重值；根据模糊数学原理，采用层次分析法和模糊综合评价法建立矿山土地复垦地质环境质量多层次模糊综合评价模型，为矿山土地复垦的监督管理、验收提供科学决策依据。

2 矿山复垦土地地质环境质量评价指标的选取及分级

2.1 评价指标的选取

合理选择对评价目标起主导作用、比较稳定、可量化表示的参评因子是评价工作的关键[3]。在实际操作中尽量考虑到各因子间的相互独立性和可比性，必须从研究区域的客观实际出发，在对地质环境因素的全面综合分析与主导因素的重点分析的基础上，确定出相应的评价因子。根据天津矿山废弃土地类型及破坏的特殊性，结合区域地质环境背景特点及矿山水土环境调查成果[4]，选用地质条件（地形坡度、地貌形态、高程、地质灾害）、土壤物理（土壤容重、土壤厚度）、土壤化学（土壤pH值、土壤有机质、碱解N、速效K、速效P）、土壤重金属（镉、汞、砷、铅、铬、锌、铜、镍）4方面19项指标构建天津复垦土地地质环境质量评价指标体系。

2.2 评价指标的分级

本研究采用五级划分，即分为：I级（好）、II级（较好）、III级（中等）、IV级（差）、V级（很差），并在此基础上依据天津市地质环境背景，以往工作成果

以及相关技术标准，对影响矿山复垦土地地质环境的因子进行量化分级。分级标准见表1。

3 多层次模糊综合评价模型的建立

首先运用层次分析法建立评价指标体系，得出各指标的权重，然后对定性指标和定量指标依据相应的判断标准进行量化分级，最后运用模糊综合评价法层层得出隶属度关系，直至判断出目标层的隶属度，即矿山复垦土地地质环境质量等级。

3.1 层次分析法确定评价因子的权重

表1 天津矿山复垦土地地质环境质量评价指标体系分级标准Table 1 Geological environmental quality evaluation index system and grading standard of the mine reclamation land in Tianjin.

层次分析法简称AHP法。该方法的基本原理是把所要研究的复杂问题看做一个大系统，通过对系统多个因素的分析，划分出各因素间相互联系的有序层次；再请专家对每一层次的各因素进行较客观的判断后，给出相对重要的定量表示；进而建立数学模型，计算出全部因素的相对重要性的权值；最后进行评价指标权系数的确定。尽管这种数学赋权方法中也存在主观性的成分，但由于数学本身的逻辑性而可以对确定的权数进行“滤波”和“修复”处理，以剔除主观成分，符合客观现实，而且这

种多层次赋权可避免大量指标同时赋权过程中出现的混乱和失误，从而大大提高评价的准确性[5]。

图1 评价层次结构模型图Fig.1 Evaluation hierarchical structure model

表2 天津市矿山复垦土地地质环境质量评价指标及其权重Table 2 Geological environmental quality evaluation index and its weights of the mine reclamation land in Tianjin

因此本文按照评价体系中各指标层次结构关系，根据AHP法的基本原理和步骤，应用YAAHP软件绘出评价层次结构模型（图1），构造判断矩阵，由专家对各层次中的指标进行判断比较；进行判断矩阵一致性检验，计算判断矩阵的一致性指标CI与平均随机一致性指标RI之比称为随机一致性比率，记为CR，当CR＜0.1时或在0.1左右时，则认为判断矩阵具有满意的一致性，否则需要把判断矩阵表反馈专家手里重新调整。计算出各指标的权重，见表2。

3.2 评价因子隶属度的确定

3.2.1 定性指标隶属度的确定方法

地貌形态、地质灾害为定性指标，其取值是离散的，采用等级比重法确定隶属度[6]。该方法是直接将被评价对象的评价结果进行百分比统计并将

结果作为该指标的隶属度，例如，邀请20位专家对矿区的“地质灾害”进行等级评价，有8位专家认为“I级”，除以专家总数后得到“I级”的隶属度0.4；有4位认为“II级”，则“II级”的隶属度为0.2；有6位认为“III级”，则“III级”的隶属度为0.3；有2位认为“IV级”，则“IV级”的隶属度为0.1；“V级”的隶属度为0。汇总得到地质灾害的模糊评价矩阵为[0.4 0.2 0.3 0.1 0.0]。

3.2.2 定量指标隶属度的确定方法

对于定量指标，其取值是连续变化的，隶属函数采用公式法确定。针对地质环境质量影响因素特征，采用构造半梯形分布函数。与矿山复垦土地地质环境质量正相关的指标，采用升半梯形隶属函数；负相关的指标，采用降半梯形的隶属度函数。

（1）地质条件指标中地形坡度（C1）、高程（C3）对5个等级的隶属度函数分别为：

（2）土壤物理指标中土壤容重（C5）、土壤厚度（C6）对5个等级的隶属度函数分别为：

（3）土壤化学指标中土壤pH值（C7）、土壤有机质（C8）、土壤碱解N（C9）、土壤速效K（C10）、土壤速效P（C11）对5个等级的隶属度函数分别为：

（4）土壤重金属指标中Cd（C12）、Hg（C13）、As（C14）、Pb（C15）、Cr（C16）、Zn（C17）、Cu（（C18）、Ni（C19）对5个等级的隶属度函数分别为：

3.3 多层次模糊综合评价模型的建立

模糊综合评价就是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原则，对一些边界不清，不易定量的因素定量化，进行综合评价的一种方法。该方法是通过构造等级模糊子集把反映被评事物的模糊指标进行量化（即确定隶属度），然后利用模糊变换原理对各指标综合[7]。由于影响矿山复垦土地地质环境质量的因素很多，评价因素与环境质量等级之间的关系又很模糊，所以本文采用多级模糊综合评判的方法，在进行两层次评判的基础上建立模糊综合评价模型，得出矿山复垦土地地质环境质量的评判结果。

3.3.1 确定评价对象集

P=天津矿山复垦土地地质环境质量

3.3.2 建立评价要素集

根据评价模型，建立综合评价要素集U，U={u1，u2，u3，u4}={地质条件指标，土壤物理指标，土壤化学指标，土壤重金属指标}。

地质条件要素集u1：地形坡度C1、地貌形态C2、高程C3、地质灾害C4；

土壤物理指标要素集u2：土壤容重C5、土层厚度C6；

土壤化学指标要素集u3：pH值C7、有机质C8、碱

解氮C9、速效钾C10、速效磷C11；

土壤重金属指标要素集u4：镉C12、汞C13、砷C14、铅C15、铬C16、锌C17、铜C18、镍C19。

最后参评要素集U={u1，u2，u3，u4}。

要素集U中的参评因子：

3.3.3 建立评语等级

即构成评语集V={}

v1，v2，…，v5，在二层模糊综合评价模型中，两个层次评判单元的最终归属都应该属于评语集V。依据天津市地质环境背景和以往工作成果，本文将矿山复垦土地地质环境质量综合评价分为五个标准（表3），即V={} v1，v2，…，v5={I级（理想），II级（良好），III级（一般），IV级（差），V级（恶劣）}。

3.3.4 建立单因素评价矩阵及计算二层评判结果

根据各因子的隶属度函数和隶属度确定方法，第二层因子的隶属度确定后，即得到各因子的评价矩阵Ri，结合各因子的权重得到第二层的评价结果Bi，4个要素评价结果Bi则自动构成第一层综合评价的评价矩阵R。

（R1，R2，R3，R4）是各因子对要素集的二级模糊向量矩阵。

根据AHP法计算出的评价因子的权重，进行二层评判：

其中bij表示第i个评价指标隶属与第j个评语等级的隶属度。并进行二层评判结果的归一化处理。

3.3.5 计算矿山复垦土地地质环境质量评价结果

有了各要素集的模糊向量矩阵R和权重模糊集W，将其进行复合运算即可得到集合B。所以第一层评价结果即矿山复垦土地地质环境质量评价计算结果。

表3 矿山复垦土地地质环境质量判别标准Table 3 Geological environmental quality discrimination standard of the mine reclamation land

3.4 实例分析

天津市蓟县北部山区某非金属露天开采矿山进行矿山地质环境恢复治理工作，复垦土地一处，总体地形坡度4.2°，地貌形态属于缓坡小块，高程120 m，复垦土地周围斜坡有零星崩塌、规模小，易发生但不易造成伤害，经过现场调查及取样分析测试，土壤物理化学及重金属指标值见表4。

第一步：根据上述条件，通过邀请10位专家对定性指标（地貌形态、斜坡稳定性）进行评定，得到地貌形态的评价矩阵为[0.0 0.2 0.6 0.2 0.0]，斜坡稳定性的评价矩阵为[0.2 0.2 0.5 0.1 0.0]。其余定量指标利用隶属度函数求得模糊向量关系矩阵如下：

各指标的权重如下：

进行二级模糊变换：

表4 北部山区某矿山复垦土地土壤物理化学及重金属指标Table 4 Northern mountainous land reclamation of a mine soil physical and chemical indicators of heavy metal

由此得出一级模糊关系矩阵：

第二步：进行一级模糊变换

根据最大隶属度原则，天津市蓟县北部山区某非金属露天开采矿山经地质环境生态恢复治理后，复垦土地地质环境质量为II级。评估结果显示：本矿山复垦土地地质环境系统进行了基本性的恢复重建，系统结构和功能尚完整，地质环境问题不显著，地质灾害少。

4 结语

本文提出的利用AHP和模糊综合评判法建立天津矿山复垦土地地质环境质量多层次模糊综合评价模型，进一步完善了我国关于土地复垦的评价体系，增加了土地复垦后的地质环境质量评价，为土地复垦项目的验收提供了一个更为科学的技术平台。为政府部门进行矿山土地复垦监管、验收方面提供了理论和方法依据，可避免验收时作出模糊、定性评价的现象，希望能促进矿山复垦土地验收的规范化和统一化，从而推动矿区地质环境生态恢复治理工作的进行。

[1]赵世亮.鞍山铁矿山土地复垦评价体系研究[D]：硕士学位论文.北京：中国地质大学,2011.

[2]张国良.矿区环境与土地复垦[M].北京：中国矿业大学出版社,1997.

[3]周爱国,孙自永等.地质环境评价[M].武汉：中国地质大学出版社,2008.

[4]曹淑萍,侯佳渝等.天津市水土环境地球化学调查成果报告[R].天津：天津市地质调查研究院,2009.

[5]许树柏.层次分析法原理[M].天津：天津大学出版社,1988.

[6]刘斌.模糊综合评价法在矿山土地复垦可行性分析中的应用[J].广东土地科学,2009,8（1）：44-48.

[7]刘林.应用模糊数学[M].西安：陕西科学技术出版社, 1997.

Study on Geological Environment Quality Evaluation for the Mine Reclamation Land in Tianjin

YANG Yao-dong1，SUN Zhan-zhong2，CHEN Li-wei2，WANG Zi-yi1
(1.Tianjin Testing and Quality Supervision Center for Geological and Mineral Products，The Ministry of Land and Resources，Tianjin,300191，China；2.Tianjin Municipal Bureau of Land Resources and HousingAdministration Portal，Tianjin,300042，China)

According to the situation of the geological environment of the mine area and ecological reconstruction goal of land reclamation in Tianjin,the authors screened out 19 evaluation factors,constructed a set of geological environmental quality evaluation index system and grading standards including of the geological conditions,soil physics,soil chemistry,soil heavy metal of land reclamation.They propose to use the AHP and the Fuzzy Comprehensive Evaluation to determine the quality of mine land reclamation geological environment evaluation method，which provides more scientific,specific evaluation methods for the mine land reclamation supervision.

mine land reclamation;geological environment quality;AHP-fuzzy comprehensive evaluation

X141

A

1672－4135（2013）04－0068-09

2013-12-16

天津市国土房管局科技项目

杨耀栋（1982－），男（汉族），高级工程师，2006年中国矿业大学（徐州）硕士研究生毕业，主要从事水文地质、工程地质与矿山环境方面的工作，E-mail：fivess@139.com。