基于模糊综合评价的矿山地质环境评价分析*

柳锐,张电吉,姬立杰,蒋琴琴,聂正

(武汉工程大学 资源与安全工程学院,湖北 武汉 430205)

0 引言

我国国民经济的发展离不开矿产资源,但矿产资源经过常年累月的过度开采,会导致矿山及周边地区的地质环境出现一系列问题[1]。

国外在20世纪70年代就已经运用多种评价方法来评价矿山地质环境。关于矿山地质环境综合评价,国内有关学者也进行多方面的研究。徐友宁等[2]在研究指标体系的时候,利用指标指数划分危害等级程度。吕文帅[3]采用模糊综合评价法研究了苍峄铁矿,并且对矿山的恢复规划提供了合理的建议。郁文等[4]利用层次分析法和模糊综合评价法对靖远县105座矿山的生态地质环境进行评价,应用效果良好。

本文以湖北宜昌某磷矿区为研究背景,研究区属以侵蚀构造为主的中山区,地形复杂,具有北东高南西低,且又有逆向陡峻、顺向较缓的特点。区域内矿产资源丰富,主要以磷矿为主,开采历史悠久,长期的矿山开采已对矿区内环境产生了不同程度的影响。

1 评价体系的建立与分级标准

1.1 矿山地质环境评价体系的建立

根据湖北宜昌某磷矿山地区的相关资料,以及参考专家对指标的选取[4],本文选取了4个一级指标(地质灾害、含水层破坏、地形地貌景观破坏和土地资源破坏)和14个二级指标,见表1。

表1 矿山地质环境评价体系

1.2 评价体系分级的标准

参考《全国矿山地质环境调查技术要求实施细则》《矿山地质环境调查评价规范》等相关标准规范要求,再结合湖北宜昌某磷矿的资料进行分级,划分为严重、较严重、较轻3 个等级[5],其分级标准见表2。

表2 分级标准

2 建立评价模型

2.1 利用层次分析法(AHP)确定权重

AHP[6]有着定性与定量相结合的特点,具有层次结构的优点,广泛应用于各类工程问题的分析。

2.1.1 建立层次结构

对矿井地质环境进行目标层评估。按属性的不同,把有关矿山地质环境的各种因素分解成几个层次,从上到下确定相互关系。同一个层面的因素,受下层因素的影响,同时也对上层因素产生影响。最下一层是措施层或方案层,也就是质量分级;中间层是指标层或准则层,也就是考核因素。

2.1.2 构建判断矩阵

依据表2的分级标准,对表示重要关系的两个要素选择1～9的比较标度法进行比较,见表3,进而构建判断矩阵。

表3 判断矩阵标度及其含义

2.1.3 确定权重

对于创建的判断矩阵A有AX=λmaxX,本文采用方根法计算λ的特征值和特征向量X。权重值便是特征向量X归一化后的分量。

2.1.4 层次单排序

相对上一层因素而言,对本层所有因素的相对重要性的排序称为层次单排序[7]。构建每个单级的判断矩阵,并计算其相应的权重,从而对单级排序进行一致性检查。验证判断矩阵需要一致性和随机性的检查,并检查通过判断矩阵所求的特征向量(权)是否合理,表4为8阶以内的RI指标值,n为阶数。

表4 平均随机一致性指标值

式中,CI为所求的一次性指标;CR为一致性比率,当CR＜0.1时,认为具有一致性,否则继续调整。

2.1.5 层次总排序

同单排序步骤一样,计算所有层的所有因素的相对重要性,再进行排序称为层次总排序[8]。要对等级分总排名计算结果的一致性进行评价,必须计算出与单次排名相似的检查量,见式(3)、式(4)、式(5)。

式中,W k为准则层中第k个因素的权重值;CI k为第k个因素的一致性指标值;RI k为第k个因素的随机一致性指标值。

2.2 模糊数学评价

矿山环境综合评价体系具有较大的不确定性和模糊性,涉及的因素多,复杂性也高。因此,选择模糊数学理论[9]进行评价分析是比较恰当的。

2.2.1 因子集评价集的建立

评价因子集合P={P1,P2,…,P m},其中m为评价指标的数量;评价等级集合Q={Q1,Q2,…,Q n},其中n为评价等级集的数量。

2.2.2 隶属度函数

虽然创建不同的函数会受到模糊概念的干扰,但是在某个模糊的评估中确定采用同样的函数,模糊这种思想就可以被体现出来,而且结果是科学合理的,因此,本文选取了相对适合的梯形隶属度函数g(x)A、g(x)B、g(x)C。式(6)为较轻隶属度标准,式(7)为较严重隶属度标准,式(8)为严重隶属度标准。

其中:

式中,x为实测值,随机抽取;x1、x3、x5为3个不同层次评定的标准值;x2和x4是集中过渡区间评估上限;@取值为0.5。

2.2.3 构建模糊矩阵

由以上方法得出各测评要素的隶属关系,代入式(11),即得到一个相应的模糊矩阵[10],为某个因素单独的模糊矩阵。

2.3 模糊综合评价

模糊综合评价[11]首先考虑某个单独的因素评价,考虑各个因素的影响与其相应权重,然后再进行综合考虑,通过权重向量和模糊矩阵的相乘运算得到评价结果,见式(12)。

式中,权重W由3.1中计算所得;R为式(11)所得;P是相乘后的综合评价结果,并且按照模糊数学法中最大隶属度来区分等级程度。

本文综合评价体系设置了两个层次,各要素的二级综合评价完成后,再对其进行一级综合评价。

3 实例分析

3.1 评价指标权重的计算

根据表1创建的指标体系,再通过专家打分和相关从业人员的建议,得出两两因素之间的比较矩阵,再通过SPSSPRO 软件计算,结果见表5至表9。表5至表9为单层次排序一致性检验,判断得出矩阵都符合一致性。

表5 目标层A 判断矩阵

表6 准则层B 1判断矩阵

表7 准则层B 2判断矩阵

表8 准则层B 3判断矩阵

表9 准则层B 4判断矩阵

将表5至表9统计,得到表10的总排序,并且检验其一致性。由公式(3)、式(4)、式(5)可算出:CI为0.0327;RI为0.8274;CR为0.0395。经检验,符合一致性。

3.2 模糊综合评判

根据上述建立的评价指标体系,可得出评价因子集B={B1、B2、B3、B4}、B1={C1、C2、C3、C4}、B2={C5、C6、C7、C8}、B3={C9、C10、C11}、B4={C12、C13、C14}。按照表2与章节2.2得到评价等级集V={较轻、较严重、更严重}。

本文以地质灾害中的规模大小指标因子为例,由式(6)至式(11)可得规模大小评鉴指标隶属度函数,见式(13)至式(15)。

较轻函数:

较严重函数:

严重函数

接着创建每个要素的模糊矩阵。R1、R2、R3、R4分别为地质灾害、含水层破坏、地形地貌景观、土地资源的模糊矩阵,见式(16)。

3.3 模糊综合评价及分析

表10中综合了所有的权重,进行综合计算后,可以得到相应的分析结果,模糊综合评价是用每个指标的权重向量乘以相应的模糊矩阵。

3.3.1 二级模糊综合评价

(1) 地质灾害评价及分析。P1=W1×R1=[0.67,0.265,0.065],由结果可得其隶属程度主要集中在较轻的等级,说明地质灾害影响研究区内的地质环境程度较低。据现场调查,该研究区属丘陵地带,地势平缓,植被覆盖良好,无崩塌、滑坡、泥石流等自然灾害,矿山目前主要存在以采空区地面塌陷为主的地质环境问题,矿山为深井开采,对地面破坏较小。矿区塌陷坑稳定后,对塌陷区南部区域进行了复垦,已整治为耕地,面积约4.49 hm2;而在塌陷区北部区域,当地村民在塌陷较浅区域种植农作物,此区域面积约2.18 hm2,其中林地0.34 hm2,水田0.54 hm2,草地0.98 hm2,村庄0.32 hm2。因此,该塌陷区现基本处于稳定状态,塌陷区无建筑及地面设施,对其他分散性居民危害较小。因此,研究区内因矿山地质环境引发的地质灾害总体上影响不大。

(2) 含水层破坏评价及分析。P2=W2×R2=[0.255,0.154,0.591],从结果来看,这一指标层的隶属程度主要集中为严重程度,表明含水层破坏对研究区矿山地质环境的影响程度较大。本区水文地质条件较复杂,涌水量的应对情况也复杂,但是矿山有足够的排水设备预防可能产生的问题。矿山处于地下水排泄区,地下水丰富,矿坑排水量较大,目前排水能力约为22 000 m3/d。随着矿山开采向深部延伸,根据2014年的“核实报告”中涌水量估算结果,未来矿坑排水量正常约为28 406 m3/d,最大34 287 m3/d,矿山疏干排水量增大后,不但影响附近居民供水水源减少或枯竭,同时会引起区域性水位持续下降,对含水层造成较大破坏,对区域水均衡有较大影响。当地居民生活用水主要为自来水供水,农田灌溉用水主要取自熊家湾水库,因此含水层破坏对周边居民用水的影响较小。受含水层破坏程度的影响总体上是严重的。

(3) 地形地貌景观破坏评价及分析。P3=W3×R3=[1,0,0],从结果来看,这一指标层的隶属程度主要集中在较轻的等级上,表明受地形地貌景观破坏影响程度较轻,目前已基本恢复正常,研究区内地表植物长势繁茂,植被覆盖良好。区内耕地面积小,主要种植玉米、棉花等旱作物,生态环境保持较好。矿山开采以井下开采为主,破坏程度较轻,对地形地貌景观造成损害较小。采空区地面塌陷对地形地貌景观造成一定破坏,但造成的影响不大,破坏程度也不大。对人文景观影响较小,对风景旅游区影响较小,对城市周边影响较大,对主要交通干线两侧影响较小。从总体上看,研究区内的矿山地质环境受地形地貌景观破坏影响较轻。

(4) 土地资源破坏评价及分析。P4=W4×R4=[0.068,0.661,0.271],从结果来看,指标层的隶属程度主要集中在等级较严重级别,表明土地资源破坏影响程度较大。究其原因,主要是采空区地面塌陷造成熊家湾矿段井下开采对土地资源的破坏,其次是工业场地压占、破坏土地造成3 个生产井口(1#、3#、5#)的破坏,此外还有矿山道路压占土地造成的破坏影响程度。矿山6#井硐已停产多年,其工业场地已进行地质灾害治理并已复垦。从总体上看,土地资源破坏对研究区矿山地质环境的冲击较大。

3.3.2 一级模糊综合评价

由式(16)和二级模糊综合评价计算可综合评价模型为:

评价模型评估结果表明,矿山地质环境隶属程度较轻,研究区矿山地质环境总体上状况较好。但含水层破坏对地质环境的影响相对较大,应引起重视。

4 结论

(1) 结合层次分析法(AHP)和模糊数学评价法对矿山地质环境进行综合评价,这种综合方法能避免人为主观因素的影响,定量化处理定性因子,使评价结果具有较好的客观性。

(2) 通过层次分析法(AHP)选取地质灾害、含水层破坏、地形地貌景观破坏、土地资源破坏等4个方面的14个因子,得出因子的权重值,再通过模糊数学进行二级模糊评价分析,最终对一级进行模糊综合评价分析。根据调查结果,并结合隶属严重程度破坏情况,本研究区的矿井地质环境等级综合评价结果为较轻;对地质灾害和地形地貌景观破坏情况评估为较轻等级;对土地资源破坏评估为较严重;对含水层破坏情况评估为严重。结果反映了本研究区域内的矿山地质环境影响,为今后矿山地质环境保护和恢复治理提供了依据。

(3) 基于模糊综合法的矿山地质环境综合评价,相对于其他的评价方法,具有简单易操作、科学合理的优点,对某些矿山的评价适用性比较高,验证了该评价模型的可行性。