矿山环境正效应开发利用适宜性评价理论与方法

武 强 ， 张守成 ， 刘宏磊 ， 曾一凡

(1.中国矿业大学(北京) 国家煤矿水害防治工程技术研究中心, 北京 100083；2.中国矿业大学(北京)内蒙古研究院, 内蒙古 鄂尔多斯 017000；3.矿山水防治与资源化利用国家矿山安全监察局重点实验室, 北京 100083)

依据能源资源禀赋，我国能源资源呈现富煤贫油少气的特点[1]。随着能源结构的优化升级，煤炭作为我国能源的压舱石，虽然消费量占比呈逐年走低的趋势，但近5 a 原煤产量不断增长，煤炭资源的消费总量并未降低[2]。在矿业供给侧结构性改革背景下[3]，一些中小型矿山面临政策性闭矿，根据全国矿产资源规划(2016—2020 年)，矿山数量较规划基期减少3.3 万座，其中小型矿山减少2.8 万座，全国采矿权由49 063个降低为32 536 个[4]，若这些矿山的直接关闭，不仅难以避免二次诱发矿山环境负效应[5]，而且会造成矿山环境正效应资源浪费[6]。

“矿山环境正效应”的概念由笔者在文献[5]提出，指出矿产资源开采对矿山生态环境产生作用，有些会对矿山环境产生如地质灾害、土地资源损毁、地下水均衡破坏、污染与浪费等负效应[7-8]，这些负效应在西部水资源匮乏、生态环境脆弱地区[9-10]表现更为显著；但有些负效应在加以开发利用后可转化为地下采掘空间、地表土地资源、矿井水与热资源[11]、矿山科学研究、文化科普、旅游观光及休闲娱乐立地资源等，这些正效应资源在科学系统规划和实施后，能够给矿山及周边区域发展带来良好的经济、生态及社会效益。从开发利用的具体途径来讲，分为储藏效应、资源效应等11 类正效应，从开发利用的属性来看，归纳为资源、能源、科普文娱、生态服务4 类正效应开发利用目标[5,12]。自2016 年以来，我国开始探索构建“开发式治理、市场化运作”的矿山环境修复治理[13]，不过修复治理和开发利用目标仍相对单一，比如侧重开发利用矿山残留资源，侧重开发利用矿山风、光、水等正效应资源，在注重单一资源开发利用的情况下，忽视了其他正效应资源开发利用，尚未形成系统的环境正效应开发利用理论体系。根据矿山空间(包含地上、地表、地下空间)、矿产、水等资源的多维属性，矿山环境正效应开发利用也应具备多维属性，如废弃矿山往往具有“地下、地表、地上”空间资源、残留矿产资源、水资源、生态服务资源[14-15]，某些特殊矿山还具备科普文娱资源，但在开发利用过程中未能充分研究、利用，造成了正效应资源的埋没。笔者在文献[12]的研究基础上，开展正效应开发利用目标、子目标的适宜性评价，为遴选矿山环境正效应资源开发利用模式及项目提供评价理论和依据支撑。

1 科学内涵和关键路径

1.1 科学内涵

“矿山环境正效应开发利用”旨在充分挖掘矿山环境中地上空间资源、地表土地资源、地下空间资源、残留矿产资源、矿山水资源等，运用理学、工学、农学、经济学、管理学及交叉学科等学科门类的专业知识，统筹区域产业规划、矿山转型利用方向、服务终端范围等因素，科学、合理制定矿山正效应开发利用目标，在治理矿山环境负效应的基础上，全面开展正效应的开发利用，使矿山环境正效应资源得以充分利用。其本质是通过科学合理规划、设计、实施、监测等手段，使矿区修复治理后的土地和环境所产生的价值高于矿区开采前的价值，变废弃矿山为金山银山，实现矿业资源开发和生态环境协调发展。

矿山环境正效应开发利用研究具有整体性、系统性、多维性、多向性、互适性、约束性6 种特性，是在解析、总结国内、外矿山环境修复治理和开发利用案例的基础上，凝练提出的矿山环境正效应资源的开发利用理论与实践研究，是矿山环境保护与修复治理3.0 阶段的必经之路[5,12]。

1.2 关键路径

正效应开发利用目标可归纳为4 类：资源正效应、能源正效应、科普文娱正效应、以及生态服务正效应[12]。其中，根据正效应资源的属性，资源正效应开发利用目标可归纳为矿山土地、空间、残留资源3 类子目标；根据开发利用能源的类型，能源正效应开发利用目标有电力能源和热力能源2 类子目标；根据开发利用的方向和功能，科普文娱正效应开发利用目标分为科学研究和文旅娱乐开发2 类子目标；根据土地恢复利用方向，生态服务正效应开发利用目标包含生态服务功能和碳汇服务功能2 类子目标。各子目标又可分为不同的实施项目，矿山环境正效应开发利用目标、子目标、实施项目关系如图1 所示。

图1 矿山环境正效应开发利用目标及实施项目关系Fig.1 Relationship between goals and implementation projects for the development and utilization of positive effects in mine environments

矿山环境正效应开发利用的特性决定了开发利用目标规划时有多种组合，即单目标、双目标、多目标及全目标(图1)。按照“目标导向→目标分解→实施项目划分→评价指标体系构建→单目标适宜性评价理论→实施项目集构建→多目标融合适宜性评价理论”的思路，厘定出适宜的子目标[5,12]，划定清晰的实施项目，构建科学、完善的评价指标体系，提出基于定量、定性计算的单目标评价模型，评价实施项目适宜性及排序，构建多向性的实施项目集，并基于经济、生态、社会效益的定量化模型，建立多目标评价理论，确定矿山环境正效应开发利用最优目标组合及实施项目集，为矿山环境正效应开发利用模式构成研究提供基础支撑(图2)。图2 中，Tn为正效应开发利用4 类目标，n=1, 2, 3, 4；Tni为正效应开发利用4 类目标下的子目标；pj为正效应开发利用4 类目标下的具体实施项目，j=1, 2, …, 18；Ij为实施项目pj单目标评价指标集。

图2 矿山环境正效应开发利用实施路线Fig.2 Implementation route for the development and utilization of positive effects in mine environments

2 正效应开发利用评价指标体系

2.1 评价原理

依据矿山资源多维属性及开发利用的特性，厘定子目标对应的实施项目，并剖析开发利用各实施项目约束因素，提出针对实施项目适宜性评价的指标体系与标准，形成单目标评价理论和多目标融合评价理论，系统构建开发利用评价原理框架(图3)，为矿山环境正效应开发利用目标及实施项目的规划提供理论支撑。

图3 矿山环境正效应开发利用评价原理框架Fig.3 Framework of principles for evaluating the development and utilization of positive effects in mine environments

2.2 “供给-需求-开发”约束条件

根据矿山环境正效应开发利用的内涵、关键路径及特性，约束矿山环境正效应开发利用目标及方向的因素应包括矿山禀赋、自然条件、地质环境、外在需求、开发技术以及经济可行性等[16-17]。据此，建立起基于“供给(Supply)-需求(Demand)-开发(Development)”的SDD 约束结构体系(图4)，共包含6 类一级约束因素，38 个二级约束因子。

图4 矿山环境正效应开发利用目标评价约束体系Fig.4 Target evaluation constraint system for the development and utilization of positive effects in mine environments

供给层是矿山环境正效应开发利用的基础，体现了矿山的本体条件，分为矿山禀赋、自然条件及地质环境3 类约束条件，为后续矿山正效应开发利用实施项目提供本体供给评价。

需求层反映了矿山环境正效应开发外部因素约束，关系到实施项目完工后续矿山可持续发展，为后续矿山正效应开发利用实施项目提供需求评价。

开发层反映了矿山环境正效应开发技术和经济因素的约束，其中经济可行性是目标确定的关键约束条件之一，一般为综合效益最优是开发利用目标和实施项目评价的标准。此外，由于个别开发利用目标中技术的复杂程度决定了能否实施，例如矿山地下空间被用来储存核废料、二氧化碳和能源时，对项目开发实施提出了重大的技术挑战，因此技术因素也是确定开发利用目标的约束条件之一。

2.3 正效应开发利用实施项目评价指标集

矿山环境正效应开发利用实施项目具有多目标、多选择性，为探究最优开发利用目标，需构建项目评价指标集I，厘定项目单目标评价体系。针对厘定的18 类实施项目(表1)，从评价约束体系中的矿山禀赋、自然条件、地质环境、外在约束条件及开发条件5 类一级约束中的35 个二级约束中构建了62 个对应的评价指标(表2)。

表1 正效应开发利用实施项目单目标评价指标集IjTable 1 Single-goal evaluation indicator set Ij for the implementation of positive effects development and utilization projects

表2 矿山环境正效应开发项目评价指标集ITable 2 Evaluation indicator set I for the development of positive effects in mine environments

2.4 实施项目单目标评价指标集构建

通过目标导向，分析矿山本体特征基础条件、外部需求情况及实施项目开发技术现状，确定实施项目可行性的主控因素，从评价指标集中构建18 类实施项目单目标评价指标集Ij(表1)。

3 正效应开发利用单目标适宜性评价理论

3.1 模型构建

因矿山具有空间、资源、环境、技术、管理等多维属性，其开发利用目标存在多向性，构建开发利用单目标适宜性评价模型是矿山环境正效应开发利用目标筛选、决策的关键，是实现矿山资源开发与生态环境协调发展的基础。依据不同实施项目评价指标集(表1)，根据适宜性评价指标取值标准(表3)，定性、定量确定各指标分值ti，选择权重确定方法并求取各评价指标权重wi，计算矿山环境正效应开发利用实施项目适宜性指数S：

表3 矿山环境正效应开发利用实施项目适宜性评价指标评分标准Table 3 Scoring criteria for the suitability evaluation indicators of implementation projects for the development and utilization of positive effects in mine environments

式中，n为实施项目pj单目标评价指标集Ij中的评价指标数量，i=1, 2, …,n。

3.2 单目标适宜性评价指标评分标准

遵循国家、行业、地方、行政法规等现有规范、文件，结合实施项目SDD 约束条件，以定量为主、定性为辅的评价原则，对实施项目评价指标进行等级划定及赋分，其中适宜性评价指标评分标准划分为3 个等级和4 个等级，由专业人员依据评分标准对研究矿山进行赋分(表3)。

3.3 评价指标权重

实施项目适宜性评价指标集Ij构成指标数量不同，且各指标对项目适宜性的影响程度不一。由于矿山环境正效应开发利用受矿山禀赋条件、区域自然条件、地质环境条件、外在约束条件、开发技术条件的多种限制因素影响，且不同类型矿山评价指标影响程度具有模糊性，因此在计算权重过程中，引入三角模糊数表示指标权重的评价结果，构建模糊判断矩阵，将主观判断的模糊语言评价映射为定量的三角模糊数以计算各指标权重系数[21]。设N=(l,m,u)，其中u≥m≥l，其隶属函数为

其中，l、m、u分别为三角模糊数N的下限值、中值和上限制，l、u用来表示模糊度，u-l差值越大，则判断的x值模糊度越大[22]。运用三角模糊数对《Satty9 级标度法》进行改善，构建模糊标度，克服两两指标主观评判的模糊性。计算步骤如下：

(1)构建实施项目评价指标集，见表2。

(2)构建模糊标度。对指标集中的两两指标进行主观对比，评判采用“同等重要”“稍微重要”“较为重要”“强烈重要”“绝对重要”等定性语言描述，同时依据模糊标度表，映射得到三角模糊数和三角模糊倒数，见表4。

表4 模糊标度及其映射表Table 4 Fuzzy scale and its mapping table

(3)构建模糊判断矩阵。评价人员对实施项目评价指标集中n个指标因素两两依次主观对比判断，得到n×n模糊判断矩阵A，即

式中，aij=(lij,mij,uij)、aji=(1/uij,1/mij,1/lij)为三角模糊数值，具体数值根据表4 确定。

(4)模糊判断矩阵一致性检验。对于模糊判断矩阵A取其三角模糊数中值构成的矩阵Am进行一致性检验，当Am满足一致性条件时，相应的模糊判断矩阵A也满足一致性条件。设矩阵Am的最大特征根λmax，则模糊判断矩阵一致性比例CR为

其中，IR为相容性指标修正值，与矩阵Am维数有关，可参考表5。若CR≤0.1，可认定为模糊判断矩阵满足一致性要求，否则需评价人员重新评判。

表5 相容性指标修正值IRTable 5 Compatibility indicator adjustment value

(5)确定模糊权重。由于模糊判断矩阵考虑了主观判断模糊性，因此评价效率和准确度得到了提高，若有T位评价专家进行评判，其判断矩阵AT=(aijT)n×n=[(lijT,mijT,uijT)]n×n，取平均值，常见的平均值有算数平均值、加权平均值、几何平均值等，平均值选取取决于专家权重，本文假定为专家权重基本一致，取算数平均值，即

(5)权重去模糊化。对wi进行去模糊化，使三角模糊数转换为标准权重值S(wi)，去模糊化公式为

α的取值由评价问题环境及评价专家偏好因素决定，当α=0.5 时，表示评价中立型，当α≠0.5 时，表示评价保守型或激进型。

(6)标准权重归一化。对S(wi)进行归一化处理，计算每个评价指标的最终权重wF,i，公式为

3.4 单目标实施项目适宜性评价

根据矿山本体供给、实施项目外部需求及开发技术约束条件，依据适宜性评价指标评分标准(表4)，对矿山环境正效应开发利用单目标实施项目适宜性评价指标评分；运用三角模糊数确定各评价指标权重；通过评价模型式(1)计算实施项目适宜性得分，按照表6 评定单目标实施项目适宜程度，并依据适宜分值高低进行适宜性排序。

表6 正效应开发利用单目标实施项目适宜程度分级Table 6 Grading of suitability level for single-goal implementation projects in the development and utilization of mine environmental positive effects

4 正效应开发利用多目标评价理论

矿山环境资源多维属性，决定矿山环境正效应开发利用目标的多目标性；科学、合理的多目标融合评价理论是矿山环境正效应充分开发利用的关键，它是建立在单目标适宜性评价结果上，对满足正效应开发利用“适宜”和“较适宜”的实施项目集中具备组合开发的项目进行组合，结合矿山开发层约束体系中的经济、生态及社会效益，构建多目标线性规划效益模型，通过求解约束条件下的目标函数最大化，确定矿山环境正效应开发利用最优目标及实施项目组合(图5)。

图5 矿山环境正效应开发利用多目标评价理论框架Fig.5 Framework of multi-goals evaluation theory for the development and utilization of positive effects in mine environments

4.1 实施项目集的构建

(1)实施项目维度划分。依据实施项目空间维度，对18 类实施项目进行划分(表7)。

表7 矿山环境正效应开发利用实施项目pj 维度划分Table 7 Dimension division of implementation project pj in multi-goals evaluation theory for the development and utilization of positive effects in mine environments

(2)实施项目集构建。根据单目标适宜性评价结果，对“适宜”和“较适宜”的实施项目进行汇总，依据项目实施逻辑相互关系(表8)，构建实施项目集P={Pn}，其中Pn={pj}，j=1,2,…,18，Pn为实施项目集子集(子项目pj存在互斥关系时候的不同子项目的组合集，即Pn中不能含有互斥关系的pj子项目)，{pj}为满足项目实施逻辑关系且单目标适宜性评价为“适宜”和“较适宜”的pj子项目集合。

表8 项目实施逻辑关系Table 8 Logical relationship of project implementation

4.2 经济效益评估

经济效益可概括为直接经济效益和间接经济效益，直接经济效益一般为直接产品产生的效益，间接经济效益是除项目直接产品产生的效益后的对社会产生的其他经济效益[23]，构建实施项目产品经济效益与规划面积的效益评估算式(表9)。

表9 经济效益评估计算Table 9 Economic benefit evaluation calculation table

4.3 生态效益评估

矿山环境治理生态评估一般从治理措施与生态问题的关联性、生态胁迫因子消除程度、生态系统质量改善及生态系统服务提升等方面内容进行评价，对此笔者选取了植被覆盖度增加、土地石漠化/荒漠化/盐渍化面积减少、水源涵养、水土保持、防风固沙、洪水调蓄、固碳释氧、生物多样性8 个方面指标并进行定量评估，构建实施项目生态效益与规划面积的效益评估算式(表10)。其中治理措施费用已作为经济效益包含的项目实施投资费用(Cp)中，生态效益评估计算中不再扣除Cp费用。

表10 生态效益评估计算Table 10 Ecological benefit evaluation calculation

4.4 社会效益评估

矿山环境正效应开发利用项目社会效益具有潜在性、间接性、长久性等特点，与经济效益、生态效益紧密关联、相互依存[30]，其评估内容一般包括新增就业岗位、人居环境改善、本地居民参与度、满意度、后期管护及可持续影响，其内涵是项目对当地社会生产、生活的影响程度；笔者选取新增就业人数、改善人居环境、增加地区上下游产业消费3 个方面指标并进行定量评估，构建实施项目社会效益与规划面积的效益评估算式(表11)。

表11 社会效益评估计算Table 11 Social benefit evaluation calculation table

4.5 多目标线性规划模型构建

(1)变量构建。依据表7，设置实施项目集P中各子项目pj的变量xj、yj，xj、yj分别表示实施项目pj的地表占地面积和地下占地面积，计算过程中注意pj面积单位的统一。

(2)目标函数确定。矿山环境正效应开发利用多目标线性规划的目标是使经济、生态、社会效益最佳，为此构建经济、生态、社会效益的目标函数，其目标函数系数基于效益评估表9～11，具体见表12，经济效益目标函数f1(x)+f1(y) 、环境效益目标函数f2(x)+f2(y) 、社会效益目标函数f3(x)+f3(y)构建如下：

表12 决策变量及目标函数系数的构建Table 12 Construction of decision variables and objective function coefficients

2)土地利用及项目用地规划约束。对矿山实施区域及影响区域的土地利用状况开展调查，调查至二级地类，构建土地利用面积集F={Af}，Af={Af,s}，其中，Af为调查区土地利用为f一级类的土地面积；Af,s为调查区土地利用为f一级类(f=01、02、…、12、20)、s为二级类的面积，s指f一级类下面的二级类编码。依据国土空间规划、相关专项规划及行政法规规定，开展矿山环境正效应开发利用实施项目规划土地利用约束。

3)地下空间约束。开采地下空间正效应开发利用实施项目受区域位置、地质条件、围岩特征、空间位置、环境特点等条件的限制，具有特定的逻辑约束，依据项目逻辑关系表(表8)，对地下空间维度上的实施项目进行逻辑关系划分，构建地下空间开发利用实施项目集B(表13)。

表13 地下空间开发利用逻辑约束实施项目集B 构建Table 13 The setting of implementation project B under the logic constraint of underground space development and utilization

依据地下空间开发利用逻辑约束实施项目集B，构建地下空间约束。

式中，j∈B表示j为地下空间开发利用逻辑约束实施项目集B的子集(子项目)；yj表示j子项目占用的地下空间面积；Su为地下空间可开发利用面积。

4.6 多目标线性规划求解

通过上述方法，求解出经济、生态、社会效益达到最优时候的组合形式，根据理想点法或式(14)，得到矿山环境正效应开发利用最优目标、实施项目组合及相应规划面积，以此为决策者提供技术支撑。

5 结 论

我国现阶段登记采矿权超3 万个，面积近30 万km2，充分挖掘矿产资源在开发过程中的矿山环境正效应资源，化害为利，实现绿色、低碳、零碳、负碳开采，是响应“双碳”战略目标的内在要求。随着开发利用技术的进步，以及工业多源物联网感知数据等技术的成熟，矿山环境正效应开发利用研究仍有巨大的进步空间，特别是指向区域性和差异性的矿山环境正效应资源开发利用模式体系将愈加完善，实现矿业转型、城市发展、流域可持续以及市场化道路等方面的矿业绿色发展新格局。

(1)绿色矿业高质量发展。“双碳”战略目标的实施，倒逼矿山企业升级发展，开展矿业工程活动“源头绿色开采、过程低碳排放、末端固碳实施”是矿山绿色转型发展的必由之路，通过矿山环境正效应开发利用评价理论，评估、确定正效应开发利用目标和实施方案，为矿山“低碳、零碳”开采提供环境方面支持。此外，正效应开发利用理论能够为矿山绿色、可持续发展提供精准规划，尤其是矿产资源开发利用、地质环境保护与修复治理、矿山土地修复等前期精准规划以及中、后期矿山环境修复治理等，通过矿山环境治理开发，构建矿区多能互补综合系统及生态服务碳汇系统，是实现煤炭全生命周期“低碳、零碳”开采的重要技术手段。

(2)资源型城市转型发展。建国以来，作为能源、资源战略保障的资源型城市，为国家经济建设持续发展做出巨大贡献的同时，随着资源枯竭，面临着经济衰退、社会问题突出及生态环境恶化等困境；摆脱资源依赖、创新产业发展、培内生发展动力是转型发展的导向；借助资源开采后的矿山环境正效应资源，全力挖掘并充分开发利用，在解决生态环境问题的基础上，开发绿色、低碳、可持续发展产业，对资源型城市转型发展具有重要的示范效应。

(3)黄河流域矿区历史遗留废弃矿山环境正效应开发利用。黄河流域中上游地区气候类型主要是干旱半干旱，生态环境脆弱，而我国现有的14 个大型煤炭生产基地中，有9 个分布在黄河流域，如何在保障国家能源安全的同时又促进区域绿色、高质量、可持续发展具有重大意义；基于矿山环境正效应开发利用理论，评估和利用黄河流域历史遗留废弃矿山修复治理后的土地、空间、遗留资源、光能、风能等正效应资源，构建生态碳汇产品模式、“清洁能源+农牧”产业模式、科普文旅开发模式、运动娱乐开发模式等绿色、可持续性产品，在修复和保护流域内矿山环境的同时，实现生态优先、绿色发展的可持续性发展。

(4)废弃矿山市场化运作模式。为缓解矿山生态修复资金不足问题，我国开展了“开发式治理、市场化运作”修复模式，通过资源使用权、耕地指标及资金等方面的激励，鼓励社会资金参与；政策措施的实施虽取得了一定成果，但缺乏对矿山环境整体性、系统性的认识，重视开发式治理中的遗留矿产资源、土地指标资源等吹糠见米的利益，缺少对空间、生态等隐形资源深谋远猷的规划，甚至出现了以生态修复名义违法采矿、破坏生态等现象。矿山环境正效应开发利用理论以整体性、系统性、多维性、多向性的思维方式，挖掘蕴含在矿山中的正效应资源，依据评价理论方法，评价及规划矿山正效应开发利用最优目标及实施项目配置，为废弃矿山市场化运作提供方向和理论支撑。