基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境分析

黃曉陽(yáng)，陳寶技，劉娜，桂維振，劉陽(yáng)

（1.山東科技大學(xué)，山東青島266590；2.山東汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司，山東濟(jì)寧272511；3.重慶地礦測(cè)繪院，重慶400042）

模糊綜合評(píng)價(jià)模型是一種基于模糊數(shù)學(xué)建立的具有較強(qiáng)功能的分析方法。該研究方法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞鞒鲆粋€(gè)總體評(píng)價(jià)。本文通過(guò)研究模糊綜合評(píng)價(jià)模型的提出，在此基礎(chǔ)上以義橋煤礦從建井投產(chǎn)至今的實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)與已有資料整理作為原始指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)所建立的模糊綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。實(shí)踐表明，此方法具有可行性，將模糊綜合評(píng)價(jià)模型引入礦區(qū)生態(tài)環(huán)境健康分析，對(duì)保護(hù)礦區(qū)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量和生活質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

1 礦區(qū)生態(tài)模糊綜合評(píng)價(jià)模型［1－2］

礦區(qū)生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層三個(gè)層次，故稱(chēng)為三層次模糊綜合評(píng)價(jià)法，步驟為：

1）建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層

將目標(biāo)A分為m個(gè)準(zhǔn)則Bi，i＝1，2，…，m。即：

式中，cij為第i個(gè)準(zhǔn)則的第j個(gè)指標(biāo)。

2）采用組合賦權(quán)法確定各層次權(quán)重值

權(quán)重值包括準(zhǔn)則層相對(duì)于總目標(biāo)層的權(quán)重集W1B和指標(biāo)層相對(duì)于準(zhǔn)則層的權(quán)重集W1C。

其中，ci＝（ci1，ci2，…，cimi）；mi為第i個(gè)準(zhǔn)則所含的指標(biāo)數(shù)。

3）將總目標(biāo)根據(jù)評(píng)價(jià)需要?jiǎng)澐譃閹讉€(gè)等級(jí)，建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

式中：sij為第i個(gè)指標(biāo)第j個(gè)等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；m為評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)。

4）根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)集V建立隸屬函數(shù)

5）根據(jù)隸屬函數(shù)和各個(gè)指標(biāo)的實(shí)際值建立模糊關(guān)系矩陣R

式中，Ri為第i個(gè)準(zhǔn)則的指數(shù)模糊關(guān)系矩陣［3］。

6）分層模糊評(píng)價(jià)

礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系共分為三層，因此可進(jìn)行兩層模糊評(píng)價(jià)，即指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層和準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的評(píng)價(jià)。

指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的模糊評(píng)價(jià)，第i準(zhǔn)則的模糊評(píng)價(jià)為：

其中：i＝1，2，…，m。

準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的模糊評(píng)價(jià)為：

式中，ai為對(duì)第i個(gè)等級(jí)的隸屬度［4］。

7）評(píng)價(jià)結(jié)果的處理

2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型在義橋礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例及分析

2.1 礦區(qū)生態(tài)模糊評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立

義橋煤礦位于山東省汶上縣，村下壓煤占礦井地質(zhì)儲(chǔ)量的三分之一，采用村下壓煤開(kāi)采對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了一定的影響。所構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［5－6］如表1所示。

表1 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Indicator system of mining area ecosystem health assessment

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取和整理

根據(jù)野外采集的相關(guān)原始指標(biāo)數(shù)據(jù)以及相關(guān)資料，經(jīng)過(guò)整理，對(duì)指標(biāo)體系中各指標(biāo)進(jìn)行辨識(shí)和賦值，選取2009年的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Basic data of assessment indicators

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重的確定

先用層次分析法（AHP）確定權(quán)系數(shù)，再通過(guò)嫡技術(shù)對(duì)確定的權(quán)系數(shù)進(jìn)行修正，得到各指標(biāo)的權(quán)系數(shù)［1］。

1）AHP確定指標(biāo)權(quán)系數(shù)

層次分析法是一種多目標(biāo)、多準(zhǔn)則的決策方法，其大概的確定過(guò)程如下：

（1）設(shè)計(jì)咨詢(xún)調(diào)查表，對(duì)專(zhuān)家進(jìn)行咨詢(xún)?cè)u(píng)估，將咨詢(xún)結(jié)果整理得A—B、B1—C、B2—C、B3—C、B4—C判斷矩陣R，計(jì)算R的特征根和特征向量，并檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性。

（2）求出C層各指標(biāo)對(duì)于總目標(biāo)A的權(quán)數(shù)。

2）應(yīng)用熵技術(shù)修正指標(biāo)權(quán)系數(shù)

AHP方法識(shí)別問(wèn)題的系統(tǒng)性強(qiáng)，可靠性相對(duì)較高，但會(huì)出現(xiàn)信息把握不準(zhǔn)和丟失部分信息等問(wèn)題，因此使用熵技術(shù)對(duì)AHP法確定的權(quán)系數(shù)進(jìn)行修正。

用熵技術(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)系數(shù)的修正值如表3所示，操作過(guò)程如下：

（1）將A—B、B1—C、B2—C、B3—C、B4—C判斷矩陣R各指標(biāo)進(jìn)行同度量化，得到矩陣ˉR。

（2）對(duì)構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行熵技術(shù)修正：

①歸一化處理：

③第j項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù)：

④信息權(quán)重系數(shù)：

⑤指標(biāo)權(quán)系數(shù)：

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)系數(shù)修正值Table 3 Correction values of assessment indicator weight coefficients

2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)義橋煤礦研究區(qū)域2009年的各指標(biāo)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各子系統(tǒng)與礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康程度之間的關(guān)系矩陣，確定結(jié)果如下：

其中RB為子系統(tǒng)各指標(biāo)與健康程度之間的關(guān)系矩陣，矩陣中的元素rij為各子系統(tǒng)中第i個(gè)指標(biāo)對(duì)第j級(jí)健康程度的隸屬度。

根據(jù)表3可知個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)系數(shù)分別為：

通過(guò)以上各子系統(tǒng)與礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康程度的關(guān)系矩陣分別與相應(yīng)的各子系統(tǒng)權(quán)系數(shù)相乘，可以得到研究礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀與其健康程度之間的關(guān)系矩陣R1，即：

上式中，R1為研究礦區(qū)各子系統(tǒng)與健康程度的關(guān)系矩陣，矩陣中的元素rij為第i個(gè)子系統(tǒng)對(duì)第j級(jí)健康程度的隸屬度。

據(jù)表3可知各子系統(tǒng)的權(quán)重為：

則研究礦區(qū)2009年生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)結(jié)果為：

從式（22）的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀與健康程度的關(guān)系矩陣R1得出：義橋煤礦生態(tài)環(huán)境保障度的健康現(xiàn)狀最差，其臨界狀態(tài)的隸屬度為0.56；其次是自然資源支持度和健康可持續(xù)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展度的健康程度最高，其對(duì)于健康程度的隸屬度達(dá)到了0.604。表明義橋礦區(qū)產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益，并應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)壞境的保護(hù)。

2）根據(jù)最大隸屬原則，從式（24）評(píng)價(jià)結(jié)果可知，義橋礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀屬于健康狀況，對(duì)臨界狀態(tài)的隸屬度為0.224，次于最大隸屬度0.492，一般疾病的隸屬度為0.047，結(jié)果表明義橋煤礦生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀屬于健康狀態(tài)。

3 結(jié)論

1）義橋礦區(qū)采用村下壓煤開(kāi)采對(duì)該礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成一定的影響，本文通過(guò)結(jié)合AHP和熵技術(shù)法確定礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)系數(shù)，去除了人為主觀因素的影響，使得該模型的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)具有一定的客觀性。并從生態(tài)環(huán)境、自然資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、健康可持續(xù)度四個(gè)方面建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，根據(jù)隸屬度理論將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，有利于研究礦區(qū)的生態(tài)演變規(guī)律，對(duì)保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量、改善居民與職工生活質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義，為礦區(qū)帶來(lái)一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

2）礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是由資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各方面因素相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)它的健康認(rèn)識(shí)既有精確性又有模糊性。在健康評(píng)價(jià)過(guò)程中，被評(píng)價(jià)的對(duì)象、主體和標(biāo)準(zhǔn)都有模糊和不確定性，而模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)分析具有一定的可靠性。

3）本文研究結(jié)果表明使用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變分析是一種有效的決策方法，該研究取得了良好的效果，評(píng)價(jià)模型具有可行性和科學(xué)性。

［1］ 王廣成，閆旭騫.礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估理論及其實(shí)證研究［M］.北京：經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社，2006：100－166.

［2］ 劉惠君，閆旭騫，林大澤.礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀模糊綜合評(píng)價(jià)方法［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19（12）：154－158.

［3］ 張中昱.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊綜合評(píng)價(jià)的環(huán)境分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)［D］.天津：天津大學(xué)，2006：40.

［4］ 肖辭源.工程模糊系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004：82.

［5］ 閆旭騫，張順堂，袁懷雨.礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的理論和方法［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（3）：351－355.

［6］ 張立寧.礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型研究［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（1）：28－32.