基于框架模型的煤层气开发生态效应评价

2015-02-03裴亚托张凌坤何金昆笪鹏陈京生

油气田环境保护 2015年1期

裴亚托张凌坤何金昆笪鹏陈京生

（1.中国石油华北油田采油工程研究院；2.中国石油华北油田油田公司质量安全环保处；3.中国石油天然气管道局管道技术研发工场；4.中海石油（中国）有限公司天津分公司；5.中国石油华北油田采油一厂）

基于框架模型的煤层气开发生态效应评价

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针对山西煤层气生态系统特征，运用“压力-状态-响应”（PSR）评价模型，构建了煤层气生态系统评价框架和评价指标体系，采用层次法对其进行了评价。评价结果表明：煤层气开发排放的煤层采出水和钻井废液、建设过程产生的废弃土方、植被破坏对生态环境影响较大。应及时采取有效措施保护煤层气开发的生态环境。

PSR评价模型；生态系统；评价指标体系

0 引言

近年来随着煤层气的大量开采带来了诸多益处，但是对生态环境也产生一定负面影响。本文以山西煤层气为例，应用PSR评价模型对其生态效应进行评价，对煤层气生态效应的评价和完善具有应用价值［1-2］。

1 PSR评价模型建立

PSR模型具有非常清晰的因果关系［1］，即人类活动对环境施加了一定的压力，环境状态发生了一定的变化，人类社会应对环境状态的变化作出反应，减轻、改变或者预防消极的环境影响，以恢复环境质量或者防止环境退化。本文借鉴此思路，根据煤层气开发的生态环境特点，形成了煤层气开发生态效应评价指标体系的框架，见图1。

图1 PSR模型框架

2 生态效应评价指标体系的建立

根据指标选取系统性与全面性、稳定性与动态性、独立性与相关性及可获得性等原则［2］，并根据PSR框架模型及煤层气开发状况进行了资料收集与实地调研。

本文主要从资源能源的消耗与利用、污染物排放及治理等角度对煤层气开发的生态影响进行定量研究［3］。该指标体系包含准则层A层级压力、状态、响应3个指标，资源消耗利用、污染物产生、自然资源现状等9个准则层B层级，及其指标层的26个指标，其中：压力层面包含7个指标，分别从资源消耗利用、污染物产生等两个方面反映煤层气开发对环境产生的压力；状态层面包含13个指标，分别从自然资源现状、土壤质量、地表水水质、生态系统变化等4个方面反映煤层气开发活动对环境产生的影响；响应层面包含6个指标，分别从废物综合利用、生态环境治理及环境管理措施等方面反映企业、政府等为应对和消除煤层气开发活动的负面影响作出的响应［4］。

3 煤层气开发的生态效应评价

3.1 AHP评价方法简介

层次分析法（TheAnalyticalHierarchProcess，AHP）是一种定性判断与定量分析相结合的多目标决策分析方法。AHP法将复杂问题的各个因素划分为相互联系的有序层次，然后客观判断同级同一组内的因子两两之间的相对重要性，确定各层评价因子的权重，AHP法大体包含以下步骤：建立评价对象评价指标体系；通过向专家咨询得出评价指标的相对值，构造判断矩阵，并计算相对权重；通过一致性检验来验证结果的科学性，进行总和评价。该方法在多目标决策及环境质量评价中被广泛应用［3-4］，是目前系统工程处理定性与定量相结合问题的比较简便而又行之有效的方法。

3.2 评价指标权重的确定

不同的评价因素其重要程度以及对评价结果所作的贡献不同，因此，需要给各指标分别赋予一个权重，使其能体现各自的重要性，由此得到诸因素的权重分配集W＝｛w1，w2，w3，……wi｝。本文采用层次分析法确定煤层气开发对环境影响的各指标的权重，其主要步骤如下：

建立层次结构模型

建立的层次结构模型如图1所示。

构造判断矩阵

这是进行层次分析的一个关键步骤。在每一层次上，对该层指标进行逐对比较，按照规定的9标度方法，构造数值判断矩阵。本研究采用专家打分法对层次结构中各个指标进行重要性的单排序，然后进行一致性检验。利用方根法计算判断矩阵的最大特征值和特征向量。

层次单排序的一致性检验

根据专家打分法构造的判断矩阵，计算对于上一层某因子而言，本层次与之有联系的所有因素的权重。

为度量判断矩阵偏离一致性的程度，引入判断矩阵最大特征值以外的其余特征根的负平均值CI：

式中，λmax为判断矩阵的最大特征根，n为指标的数目。当判断矩阵具有完全一致性时，CI＝0。CI愈大，矩阵的一致性愈差。

为度量不同判断矩阵是否有满意的一致性，引进平均随机一致性指标RI。RI值见表1。计算随机一致性比率CR＝CI／RI。当CR＜0.10时，矩阵具有满意的一致性，否则应重新构造判断矩阵，直到具有满意的一致性为止。

表1 平均随机一致性指标RI

层次总排序

利用同一层次中所有层次单排序的结果，可以计算出针对最高层（目标层）而言的本层次所有元素的重要性权重值，这就称为层次总排序。层次总排序需要从上到下逐层顺序进行，对目标层而言，层次单排序就是总排序。

层次总排序的一致性检验

层次总排序即利用同一层次中所有层次单排序的结果，以及上层次所有元素的权重，来计算针对总目标而言本层次所有因素权重值的过程。层次总排序一致性比率为：

当CR＜0.10时，层次总排序结果是满意的。基于以上步骤，计算出各评价指标的权重值，见表2。对层次单排序的一致性检验和层次总排序的一致性检验表明，结果是满意的。

4 评价结果分析

根据煤层气开发的生态效应评价指标权重分析，压力指标共筛选出4种生态负效应影响较大的因素，并将其在压力指标层进行排序，其中对煤层气开发生态效应影响最大的因子是煤层气采出水的产生，其次是钻井废液，植被破坏面积和开发过程产生的废弃土次之；状态指标共筛选出4种状态指标，即分别为水土流失、土壤中As和Fe含量、植被覆盖度，表明煤层气开发对这4个状态指标影响较大；响应指标共筛选出4种响应措施，即分别是植被恢复率、生态环境污染治理、钻井废液处理率和煤层气采出水处理。

通过煤层气开发生态效应评价结果的分析，得知：煤层气开发排放的煤层气采出水和钻井废液、建设过程产生的废弃土方、植被破坏对生态环境影响较大。主要影响土壤中的As和Fe含量、植被覆盖度，加剧水土流失，这有助于更好地采取有针对性的处理和防护措施。因此，要从源头上减少钻井废液和煤层气的产生量，尽量减少井场、集气站等建设工程的临时占地，减少对植被的破坏面积和废弃土方量；从而保护煤层气开发的生态环境，实现煤层气开发的经济效益、环境效益、社会效益最大化［5-6］。

［1］赵伟，谢德体.基于PSR的重庆市“一小时经济圈”生态环境评价研究［J］.长江流域资源与环境，2009，18（6）：568-571.

［2］邓志，杭艳红，徐智.基于PSR模型的齐齐哈尔市土地集约利用评价研究［J］.国土资源科技管理，2011，28（1）：62-66.

［3］吴刚，魏晶，张萍，等.三峡库区农林复合生态系统的效益评价［J］.生态学报，2002，22（2）：233-239.