“煤–水–环”绿色协调发展评价指标体系构建与应用-以寺河井田为例

2022-05-08王庆伟

煤田地质与勘探 2022年4期

王庆伟，郭彪，宋梅，闫强

(1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南郑州 450045；2.中国矿业大学(北京)管理学院，北京 100083；3.中国地质科学院全球矿产资源研究中心，北京 100037；4.中国地质科学院矿产研究所，北京 100037)

煤炭开采需要消耗一定的水，开采过程中措施不当也会造成水资源的破坏[1-3]。因而，煤炭资源的开发除受开采地质条件限制之外，也受水资源的约束，开采过程中措施不当会对生态环境产生影响甚而造成生态环境破坏[3-4]。所以，煤炭资源的绿色开发就是要求在煤炭开发过程中，注重生态承载能力和水资源承载力，使煤炭资源对环境的影响控制在生态系统的可持续“承载力”范围之内[5]。具体而言是指人类活动对其所在区域环境产生一定程度影响，但是这种影响程度不能破坏环境的良性循环，即某一环境区域内对人类活动造成影响的最大容纳量[6]。

煤炭开采所造成的影响只有控制在最大环境容纳量之下才能实现绿色开发。杨少华[7]分析了煤炭开采对水环境的影响，并对水环境的评价进行了初步探讨；张俊虎[8]针对采煤对水环境的影响提出了预防措施；任自选[9]根据山西省煤炭开采矿井水的环境保护管理要求，阐述了煤矿建设中矿井水环境保护管理的重点。但前人指标体系的确定与取值多采取专家打分的形式进行，在指标的筛选和赋值方面存在一定的随意性。而且，开采技术手段、行业技术标准及资源开发理念是变化的，在指标的选择上需要考虑行业规范及技术标准的变化。然而，如何客观科学地评价环境承载力并将之与煤炭开采有机结合起来，仍是目前亟待解决的问题。

为此，笔者拟从系统论原理出发，以煤炭安全开发为目的，并将开采技术条件、水资源及生态环境等因素作为综合考量，从行业规范、技术标准及环境保护理念的变化出发，构建一系列指标，引入灰色系统理论剔除一些关联性不大的或负相关指标，构建出“煤-水-环”绿色可持续发展评价指标体系，以期为煤炭资源绿色科学有序开发提供参考。

1 评价指标体系构建

1.1 指标构建原理

指标体系的构建是基于系统论的整体性和层次性原理，每个指标都隶属于目标层且与目标层有一定的关联度[10]，这是本文指标体系构建的准则。

系统论的整体性是把研究和处理的不同要素建立关联，构建成一个整体。本次“煤-水-环”绿色协调发展指标体系必须能够全面反映矿区发展与生态环境之间的关系，各层指标间不是简单相加，而是一个层次分明且紧密联系的整体。

系统论中的层次性是指在复杂问题中，影响目标实现的准则可能有很多，即：有些是主要准则，有些是隶属于主要准则的次准则(指标)。要根据这些关系将准则元素分成不同层次和组，即：上一层元素由下一层元素构成，并对下一层元素起支配作用，同一层元素形成若干组，同组元素性质相近，一般隶属于同一个上一层元素(受上一层元素支配)，不同组元素性质不同，一般隶属于不同的上一层元素[11]。

基于前述分析，本文从系统论中的整体性和层次性两大原理出发，围绕“煤-水-环”绿色协调发展这一目标，进行绿色评价指标体系构建。

为体现指标体系的科学性，引入灰色系统理论对指标进行重要度量化分析筛选，利用层次分析法来具体实现系统论中的层次性[12]。最终参考相关文献[13-15]，构建出“煤-水-环”绿色协调发展指标体系(表1)。

表1 “煤-水-环”绿色协调发展指标体系Table 1 “Coal-water-environment”coordinated development index system

1.2 指标标准化

煤炭开采中的环境影响评价是一项十分复杂的工作，需要大量定性和定量指标予以提炼方可进行综合反映[16]。指标选取是否科学，关系到系统的整体性是否得到体现，也更影响到问题能否简化且易于操作。指标太多，不便于操作，且会削弱关键指标；指标太少则会影响整体性的实现。

指标是指研究客观事物的一种手段，通过抽象出来的数据或符号来用于表达事物的内在本质。如何使复杂的问题简单化，关系到指标的科学合理性。所选取的指标应具有简洁、概括性强、所代表信息量大、容易获取的特点，避免元素之间的交叉与重复。此外，指标的选取还应尽可能地满足可比性的要求，即每一条指标都应该是确定的、可以比较的，包括横向比较和纵向比较，能够反映矿区发展对环境影响在时间和空间尺度上变化。围绕“煤-水-环”绿色协调发展这一目标，建立海量的相关指标，然后通过算子作用去度量各个指标的科学合理性，从而剔除绝对影响较小及存在矛盾的指标，保留影响较大且具代表性的科学指标[17-18]。

指标确定后，要对指标进行标准化处理，本文采用极差变换法[19-21]。同时，为了符合综合评价法的判定标准，将指标取值范围由原来的[0,1] 按照比例缩放转换为100 分制，即[0,100]。在不能获得指标的上限值和下限值时，采用叠图法直接赋值。指标分值根据最新的法规、技术标准或科技论文成果为依据获得，具体方法见表2。

表2 指标分值及标准化表达式Table 2 Index scores and standardized expressions

1.3 指标权重的确定

本文采用层次分析法计算指标权重[23]，其权重的量化方法采用专家打分法，使指标赋值更具有可操作性[24-25]。需要说明的是，这里仍然是以灰色系统理论中的关联度强弱以及系统论中的层次性进行划分，同时也参考专家反馈意见进行修改整合。

如针对同一个井田或矿区，因专家观察视角或掌握的信息不同，对各项指标的打分也就不同。为了避免一个或多个专家打分偏差过大而掩蔽真实情况，需要对专家的打分进行一致性检验，如果检验值CR 超过许可范围，则要对明显偏差过大的专家打分进行剔除，最终实现专家打分符合一致性检验要求。表3 为某位专家对指标打分的判断矩阵，并参考判断矩阵这种检验方法形成的判断矩阵，然后对所有专家打分进行一致性检验调整[25]，指标权重计算过程参考文献[18]，最终得出权重结果与检验结果见表4。这样既保证了指标选择的可操作性和灵活性，也用灰色关联度度量了指标选取的关联性和科学性。

表3 某专家打分判断矩阵Table 3 An expert’s scoring judgment matrix

表4 层次计算权向量及检验结果Table 4 Hierarchical calculation weight vector and test result table

2 实例分析

2.1 基本概况

山西寺河井田地处沁水盆地南缘，气候为典型的内陆季风性气候，四季分明。为低山-丘陵型地貌，风化剥蚀造成地形破碎、沟谷发育。植被类型主要由农业用地、林地和草地3 种植被类型构成。寺河井田构造形态为一倾向西北的单斜构造，构造简单。区域内各主要充水含水层含水性受裂隙、岩溶发育程度影响，在构造裂隙或小断裂及岩溶陷落柱发育区域可能存在局部水文地质条件较复杂化地段[26,27]，但总体而言，水文地质条件较为简单。且本区煤炭资源丰富，累计探获地质储量15 亿t。开采方式为综合机械化开采，矿井生产能力为1 080 万t/a，是晋城煤业集团首个千万吨级矿井[27]。

2.2 指标量化

本次选定的指标经过灰色系统理论论证判断，体现了逻辑性和科学性。同时，这些指标依据国家法规或行业技术标准转换而成，具有很强的操作性，大多数指标可通过调研及实测方式获取。指标值能够体现国家或行业法规和技术规程，可直接查阅取值。部分指标需参考最新文献观点和方法技术，如植被生产力，本文以其为例进行探讨，具体如下。

植被生产力的取值方法是结合遥感技术，针对不同植被类型采用与之相匹配的生产力评价模型。

林地生产力模型参照郑元润等[28]建立的净第一生产力模型：

草地生产力模型参照黄敬峰等[29]创立的指数法y=Aexp (Bx)来模拟山地草地的生产力：

耕地则采用黄秉维[30]提出的农业生产力潜力模型：

其中：T=n/360，W=E/r。

式中：Pa为农业生产力，kg/hm2，乘以因子0.4，即为经济产量；T为温度有效系数；n为无霜天数，d；W为水分有效系数；E为蒸发量，mm；r为降水量，mm；S为土壤有效系数，取值参考王洪波等[31]的不同土地因数组合类型。

通过上述几种方法，得到评价区的森林净初级生产力，其中有林地55.81 t/(hm2·a)，灌木林地21.20 t/(hm2·a)；草地生产力为：450.5l kg/hm2；耕地生产力为：旱田5 039 kg/hm2、水浇地8 025 kg/hm2。

结合前文中植被覆盖程度以及土地构成进行比例累加再求均值的方法，得到本区植被生产力为5 030 kg/hm2。

为验证植被平均生产力数值的正确性，引入迈阿密模型[32]，其计算公式为：

式中：NPPt 为根据年均气温计算的净第一性生产力，g/(m2·a)；t为年均气温，℃；NPPr 为根据年降水量计算的净第一性生产力，g/(m2·a)；r为年均降水量，mm。

寺河井田所处区位多年平均气温11.7℃，多年平均降水量580.1 mm，代入公式中计算得到NPPt 为1 563.2 g/(m2·a)，NPPr 为959.028 6 g/(m2·a)。

根据Lieth 理论，某个地区最终的生产力是取温度和降水二者计算的生产力中的最小值[33]。所以，在寺河井田区块降水应该是影响该区净第一性生产力的主要因素，由此得到评价区最终自然生态系统净第一性生产力为959.028 6 g/(m2·a)，折合为9 590.77 kg/hm2。

考虑寺河井田所处的地貌形态为低山丘陵地貌，地表水对土壤侵蚀能力比较强，再加上矿山开采造成的沉陷对土地影响，单纯利用整体面积获得的自然生态系统净第一性生产力9 590.77 kg/hm2显得过于理想化，可能与实际不符；应将基岩裸露区域剔除，采用地块单元累加的方式来求取寺河井田所处范围的植被生产力，经计算应调整为5 030 kg/hm2。

2.3 评价结果

综合前述分析，并参考临近研究区资料，得到寺河井田煤-水-环协调发展评价指标体系各项指标(表5)。同时，为加强横向同类井田“煤-水-环”绿色协调发展实际情形的可对比性，运用如上方法对沁水盆地东南部成庄井田进行了评价，评价结果见表5。

表5 寺河和成庄井田“煤-水-环”协调发展总体评价结果Table 5 Overall evaluation results of“coal-water-environment”coordinated development in Sihe and Chengzhuang Minefields

从目标层结果而言，二者评价结果基本相近，寺河井田64.48、成庄井田64.41，实现了同区域范围内不同井田“煤-水-环”绿色协调发展程度的对比，可为矿产规划部门提供参考。但是，二者准则层分值差异较大，寺河井田在绿色可持续开发方面整体较好，在矿井水复用率、污水复用率、噪声达标等方面指标值表现相较于成庄井田(表5)较有优势，但在储采比及植被覆盖度方面，指标分值与同区域内的其他矿井相比优势不足。而成庄井田在资源承载能力方面虽不如寺河井田，但由于成庄井田所处区域相对平坦，耕地面积占比较大，在环境污染与防治及生态保护与恢复方面较寺河井田有优势。

对于寺河井田，由于井田范围内地势起伏大，沟壑纵横、水土流失严重，加之煤炭开采造成土地资源不足。今后寺河井田在开采过程中要加强耕地保护，在开采沉陷区要提高土地复垦率，减少水土流失，增加植被覆盖率，避免植被退化。