基于层次分析法的矿山水文地质条件评价研究

2021-01-25

世界有色金属 2020年20期

（江西省核工业地质局二六八大队，江西上饶 334000）

矿产资源的过度开发使得人类活动对矿山地质环境的作用以及影响不断加深，同时人类当前面临的环境生态问题日益突出也是过度开采的必然结果。水文地质条件评价是在矿山开采项目中一项十分重要的环节，在具体施工之前，应当充分了解所在区域的周围环境特征，通过水文地质勘查的方式，获取其水文地质条件及类型，从而预测该区域在开采过程中或未来可能出现的地质灾害问题。通过水文地质条件评价得出的结果可以实现对矿山开采的预见性，以此为后续各项工作的实施提供先导性的有力支撑[1]。由于矿山地下水是在不同运动的，因此水位会不断发生改变，受到多种因素的影响，从而导致施工方法发生改变，影响施工的整体结构。采用传统的矿山水文地质条件评价方法，在实际应用中会造成评价结果不准确，进一步影响施工的安全性与稳定性，从而对矿山开采及工程施工造成严重的负面影响[2]。层次分析法能将复杂的事件分解为很多因子，再通过两两比较的方式对各个因子进行判断，这种方法在实际应用中具有综合性强、分析结果可靠的优势。因此，本文针对当前传统水文地质条件评价方法中存在的问题，开展基于层次分析法的矿山水文地质条件评价研究。

1 矿山水文地质条件评价勘查重点分析

在进行矿山水文地质条件进行评价时，评价的主要内容时根据矿山的具体地理条件因素，对矿山周围的水文及地形、地貌特征进行勘查。其中水文特征是指在矿山区域内，气候特征以及降水量等；地形、地貌特征是指矿山周围的矿产开采区域中地质受侵蚀的程度特征以及岩土具体表现。由水文特征和地形、地貌特征共同形成矿山水文地质条件。除此之外，部分条件较为特殊的矿山周围还具有含水层和隔离层等不同结构特征。在这样的矿山进行水文地质条件评价时，地下水会被覆盖，因此评价复杂性较高，除对特定的评价特征进行评价以外，还需要对水层的具体厚度、深度以及水位的具体变化情况进行勘查和评价。同时，部分矿山的土层当中也存在含水层和隔离层，因此在对水文地质条件进行评价前，需要充分了解该矿山的各个结构和特征，从而采取更加合理的测量手段以及评价方法对其条件等级进行评价。

2 基于层次分析法的矿山水文地质条件评价方法设计

2.1 基于层次分析法构建水文地质条件评价结构模型

图1 基于层次分析法构建水文地质条件评价结构模型

通过本文上述对矿山水文地质条件勘查重点分析得出，由于矿山水文地质条件会受到矿山开采以及矿山施工等活动的影响，因此在构建水文地质条件评价结构模型时，本文结合层次分析方法，对影响矿山水文地质条件的多个因素分层次进行分析。图1为基于层次分析法构建水文地质条件评价结构模型示意图。

由图1可以看出，本文根据评价条件的需要，共划分三个层次结构的评价指标，将水文地质条件作为第一层评价指标A；选择矿山开采区域中的资源补给条件、地表径流条件以及排泄条件作为二层评价指标B；选择雨季平均降水量、雨水渗透系数、雨水补给系数、人工给水量、水库存水量、地下水掩埋深度作为第三层评价指标C。按照图1中的连接方式，三个不同层次指标之间均存在某种特定的关联。利用层次分析法当中的判断矩阵，在矿山水文地质中，主要受到三个条件因素的影响，而这三个决定因素之间又分别存在不同的子决定因素，通过对上一层决定因素与本层子决定因素之间重要性的比较，完成对判断矩阵的构建[3]。在判断过程中，假设不同T1和T2、T3为三种不同评价指标，则当T1＞T2=T3时，从经验判断T1比T2和T3重要；当T1=T2时，两种决定要素对于矿山水文地质条件的评价具有同样的贡献作用；当T1=T3时，同样证明两种决定要素对于矿山水文地质条件的评价具有同样的贡献作用。

2.2 矿山水文地质条件评价决定因子权重值计算

在确定基于层次分析法构建水文地质条件评价结构模型中的决定因子后，利用相关测量仪器和测量技术，对其具体数值进行测量与分析。利用层次分析法与专家评价综合对各决定因子进行分析，并将其分析结果作为理论基础，对所有评价因子的重要性进行打分，设置分值的具体波动范围在0～100之间，根据打分结果给出水文地质条件评价决定因子的权重值。决定因子权重值计算公式为：

公式（1）中，C表示为水文地质条件评价决定因子权重值；d表示为待计算的评价指标通过仪器得出的测定结果数据；µ表示为评价决定因子专家打分结果；τ表示为层次分析法打分结果；f表示为评价结构模型中决定因子数量。通过公式（1）计算得出的数据，将其作为依据划分层次单排序顺序，在同一层次当中的每个决定因子对于上一层次结构中的决定因子得到相对重要性也可通过计算得出。为保证层次总排序与评价模型的结果达成一致，还需要通过如下公式，计算三个层次结构中决定因子的一致度：

公式（2）中，ε表示为三个层次结构中决定因子的一致度；T1、T2和T3分别为三个层次结构当中的决定因子测定数值。按照上述公式，将所有决定因子每三个作为一组，完成一致度计算。根据上文计算的指标实际值和权重值，运用评价函数公式（3），计算出水文地质条件等级：

公式（3）中，E表示为矿山水文地质条件等级；g表示为评价等级；σ表示为通过上述计算得出的矿山水文地质评价指标实际值总和。通过上述公式（3）完成对矿山水文地质条件的等级计算，以此更进一步了解在矿山开采及施工前阶段和施工阶段，水文地质条件的好坏，从而通过得出的评价结果，给出具体的防治措施。

3 实验论证分析

为验证此次设计评价方法的可行性和适用性，设计一组对比实验，实验选取五个不同水文地质条件复杂程度的矿山作为实验对象，利用此次设计方法与传统方法对该五个矿山水文地质条件进行评价。利用公式（1）计算出选取的各个评价指标决定因子权重值，具体权重值如下表所示。

表1 评价指标权重值

实验中对两种方法的评价数据进行记录，根据评价结果与实际值相比较，利用残差方程式计算出评价残差，残差值范围在0～1之间，数值越接近1则评价结果的准确性越低，可信度越低；如果残差值越接近0则说明评价结果的准确性越高，可信度越高。实验以两种方法的残差值作为实验结果，对两种方法比较，实验结果如下表所示。

表2 两种方法评价结果残差值对比/δ

从上表中可以看出，此次设计方法残差值基本可以控制在0.1δ以下，而传统方法残差值均在0.5δ以上，设计方法残差低于传统方法，且接近0δ，证明基于层次分析法的矿山水文地质条件评价方法准确性较高，更适用于矿山水文地质条件评价。同时，利用本文提出的评价方法对实验对象进行评价的过程中，根据不同矿山环境对水文地质风险因素大小的普遍性认识以及判断思维，结合层次分析法使其结果更加具有代表性和可行性。