天津礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

楊耀棟，孫占中，陳麗偉，王子藝

（1.國(guó)土資源部天津礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心，天津 300191；2.天津市國(guó)土資源和房屋管理局，天津 300042）

天津礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

楊耀棟1，孫占中2，陳麗偉2，王子藝1

（1.國(guó)土資源部天津礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心，天津 300191；2.天津市國(guó)土資源和房屋管理局，天津 300042）

針對(duì)天津礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理現(xiàn)狀及土地復(fù)墾生態(tài)重建的目標(biāo)，篩選出19個(gè)評(píng)價(jià)因子，構(gòu)建了一套由地質(zhì)條件、土壤物理、土壤化學(xué)、土壤重金屬組成的礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。本研究采用五級(jí)劃分，即分為：I級(jí)（好）、II級(jí)（較好）、III級(jí)（中等）、IV級(jí)（差）、V級(jí)（很差），并在此基礎(chǔ)上依據(jù)天津市地質(zhì)環(huán)境背景，以往工作成果以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)影響礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境的因子進(jìn)行量化分級(jí)。提出了利用層次分析法（AHP）和模糊綜合評(píng)判法來(lái)確定礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法，為礦山土地復(fù)墾監(jiān)管、驗(yàn)收提供了更為科學(xué)、具體的評(píng)價(jià)方法。

礦山土地復(fù)墾；地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量；AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法

1 引言

礦山土地復(fù)墾是指對(duì)礦山在生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中，因挖損、塌陷、壓占等造成破壞的土地，采取整治措施，以達(dá)到再生利用和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的目的[1]。我國(guó)礦山土地復(fù)墾工作起步晚[2]，以往工作中對(duì)復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量狀況重視不足，復(fù)墾后的土地仍可能存在地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題，如復(fù)墾后仍然受到地質(zhì)災(zāi)害的威脅，復(fù)墾土壤中重金屬含量超標(biāo)，利用建筑垃圾、生活垃圾回填復(fù)墾，嚴(yán)重污染地下水環(huán)境。就復(fù)墾評(píng)價(jià)而言，我國(guó)現(xiàn)階段礦山土地復(fù)墾評(píng)價(jià)體系側(cè)重復(fù)墾前的土地適應(yīng)性、潛力等評(píng)價(jià)，而缺乏復(fù)墾后的評(píng)價(jià)研究。隨著礦山土地復(fù)墾生態(tài)恢復(fù)工作的深入開(kāi)展，政府主管部門(mén)在廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境治理項(xiàng)目和在建礦山土地復(fù)墾的監(jiān)管、驗(yàn)收方面也需要更具體，更科學(xué)的方法。本文針對(duì)天津礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理現(xiàn)狀及土地復(fù)墾生態(tài)重建的目標(biāo)，提出完整、客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并計(jì)算確定各指標(biāo)比較合理的權(quán)重值；根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理，采用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法建立礦山土地復(fù)墾地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型，為礦山土地復(fù)墾的監(jiān)督管理、驗(yàn)收提供科學(xué)決策依據(jù)。

2 礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取及分級(jí)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

合理選擇對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)起主導(dǎo)作用、比較穩(wěn)定、可量化表示的參評(píng)因子是評(píng)價(jià)工作的關(guān)鍵[3]。在實(shí)際操作中盡量考慮到各因子間的相互獨(dú)立性和可比性，必須從研究區(qū)域的客觀實(shí)際出發(fā)，在對(duì)地質(zhì)環(huán)境因素的全面綜合分析與主導(dǎo)因素的重點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，確定出相應(yīng)的評(píng)價(jià)因子。根據(jù)天津礦山廢棄土地類(lèi)型及破壞的特殊性，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景特點(diǎn)及礦山水土環(huán)境調(diào)查成果[4]，選用地質(zhì)條件（地形坡度、地貌形態(tài)、高程、地質(zhì)災(zāi)害）、土壤物理（土壤容重、土壤厚度）、土壤化學(xué)（土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)、堿解N、速效K、速效P）、土壤重金屬（鎘、汞、砷、鉛、鉻、鋅、銅、鎳）4方面19項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建天津復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)

本研究采用五級(jí)劃分，即分為：I級(jí)（好）、II級(jí)（較好）、III級(jí)（中等）、IV級(jí)（差）、V級(jí)（很差），并在此基礎(chǔ)上依據(jù)天津市地質(zhì)環(huán)境背景，以往工作成果

以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)影響礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境的因子進(jìn)行量化分級(jí)。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

3 多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立

首先運(yùn)用層次分析法建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，得出各指標(biāo)的權(quán)重，然后對(duì)定性指標(biāo)和定量指標(biāo)依據(jù)相應(yīng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化分級(jí)，最后運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法層層得出隸屬度關(guān)系，直至判斷出目標(biāo)層的隸屬度，即礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)。

3.1 層次分析法確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重

表1 天津礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Geological environmental quality evaluation index system and grading standard of the mine reclamation land in Tianjin.

層次分析法簡(jiǎn)稱(chēng)AHP法。該方法的基本原理是把所要研究的復(fù)雜問(wèn)題看做一個(gè)大系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)多個(gè)因素的分析，劃分出各因素間相互聯(lián)系的有序?qū)哟?；再?qǐng)專(zhuān)家對(duì)每一層次的各因素進(jìn)行較客觀的判斷后，給出相對(duì)重要的定量表示；進(jìn)而建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出全部因素的相對(duì)重要性的權(quán)值；最后進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)系數(shù)的確定。盡管這種數(shù)學(xué)賦權(quán)方法中也存在主觀性的成分，但由于數(shù)學(xué)本身的邏輯性而可以對(duì)確定的權(quán)數(shù)進(jìn)行“濾波”和“修復(fù)”處理，以剔除主觀成分，符合客觀現(xiàn)實(shí)，而且這

種多層次賦權(quán)可避免大量指標(biāo)同時(shí)賦權(quán)過(guò)程中出現(xiàn)的混亂和失誤，從而大大提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性[5]。

圖1 評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型圖Fig.1 Evaluation hierarchical structure model

表2 天津市礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重Table 2 Geological environmental quality evaluation index and its weights of the mine reclamation land in Tianjin

因此本文按照評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，根據(jù)AHP法的基本原理和步驟，應(yīng)用YAAHP軟件繪出評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型（圖1），構(gòu)造判斷矩陣，由專(zhuān)家對(duì)各層次中的指標(biāo)進(jìn)行判斷比較；進(jìn)行判斷矩陣一致性檢驗(yàn)，計(jì)算判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI之比稱(chēng)為隨機(jī)一致性比率，記為CR，當(dāng)CR＜0.1時(shí)或在0.1左右時(shí)，則認(rèn)為判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性，否則需要把判斷矩陣表反饋專(zhuān)家手里重新調(diào)整。計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重，見(jiàn)表2。

3.2 評(píng)價(jià)因子隸屬度的確定

3.2.1 定性指標(biāo)隸屬度的確定方法

地貌形態(tài)、地質(zhì)災(zāi)害為定性指標(biāo)，其取值是離散的，采用等級(jí)比重法確定隸屬度[6]。該方法是直接將被評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行百分比統(tǒng)計(jì)并將

結(jié)果作為該指標(biāo)的隸屬度，例如，邀請(qǐng)20位專(zhuān)家對(duì)礦區(qū)的“地質(zhì)災(zāi)害”進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，有8位專(zhuān)家認(rèn)為“I級(jí)”，除以專(zhuān)家總數(shù)后得到“I級(jí)”的隸屬度0.4；有4位認(rèn)為“II級(jí)”，則“II級(jí)”的隸屬度為0.2；有6位認(rèn)為“III級(jí)”，則“III級(jí)”的隸屬度為0.3；有2位認(rèn)為“IV級(jí)”，則“IV級(jí)”的隸屬度為0.1；“V級(jí)”的隸屬度為0。匯總得到地質(zhì)災(zāi)害的模糊評(píng)價(jià)矩陣為[0.4 0.2 0.3 0.1 0.0]。

3.2.2 定量指標(biāo)隸屬度的確定方法

對(duì)于定量指標(biāo)，其取值是連續(xù)變化的，隸屬函數(shù)采用公式法確定。針對(duì)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響因素特征，采用構(gòu)造半梯形分布函數(shù)。與礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量正相關(guān)的指標(biāo)，采用升半梯形隸屬函數(shù)；負(fù)相關(guān)的指標(biāo)，采用降半梯形的隸屬度函數(shù)。

（1）地質(zhì)條件指標(biāo)中地形坡度（C1）、高程（C3）對(duì)5個(gè)等級(jí)的隸屬度函數(shù)分別為：

（2）土壤物理指標(biāo)中土壤容重（C5）、土壤厚度（C6）對(duì)5個(gè)等級(jí)的隸屬度函數(shù)分別為：

（3）土壤化學(xué)指標(biāo)中土壤pH值（C7）、土壤有機(jī)質(zhì)（C8）、土壤堿解N（C9）、土壤速效K（C10）、土壤速效P（C11）對(duì)5個(gè)等級(jí)的隸屬度函數(shù)分別為：

（4）土壤重金屬指標(biāo)中Cd（C12）、Hg（C13）、As（C14）、Pb（C15）、Cr（C16）、Zn（C17）、Cu（（C18）、Ni（C19）對(duì)5個(gè)等級(jí)的隸屬度函數(shù)分別為：

3.3 多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立

模糊綜合評(píng)價(jià)就是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原則，對(duì)一些邊界不清，不易定量的因素定量化，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的一種方法。該方法是通過(guò)構(gòu)造等級(jí)模糊子集把反映被評(píng)事物的模糊指標(biāo)進(jìn)行量化（即確定隸屬度），然后利用模糊變換原理對(duì)各指標(biāo)綜合[7]。由于影響礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的因素很多，評(píng)價(jià)因素與環(huán)境質(zhì)量等級(jí)之間的關(guān)系又很模糊，所以本文采用多級(jí)模糊綜合評(píng)判的方法，在進(jìn)行兩層次評(píng)判的基礎(chǔ)上建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，得出礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)判結(jié)果。

3.3.1 確定評(píng)價(jià)對(duì)象集

P=天津礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量

3.3.2 建立評(píng)價(jià)要素集

根據(jù)評(píng)價(jià)模型，建立綜合評(píng)價(jià)要素集U，U={u1，u2，u3，u4}={地質(zhì)條件指標(biāo)，土壤物理指標(biāo)，土壤化學(xué)指標(biāo)，土壤重金屬指標(biāo)}。

地質(zhì)條件要素集u1：地形坡度C1、地貌形態(tài)C2、高程C3、地質(zhì)災(zāi)害C4；

土壤物理指標(biāo)要素集u2：土壤容重C5、土層厚度C6；

土壤化學(xué)指標(biāo)要素集u3：pH值C7、有機(jī)質(zhì)C8、堿

解氮C9、速效鉀C10、速效磷C11；

土壤重金屬指標(biāo)要素集u4：鎘C12、汞C13、砷C14、鉛C15、鉻C16、鋅C17、銅C18、鎳C19。

最后參評(píng)要素集U={u1，u2，u3，u4}。

要素集U中的參評(píng)因子：

3.3.3 建立評(píng)語(yǔ)等級(jí)

即構(gòu)成評(píng)語(yǔ)集V={}

v1，v2，…，v5，在二層模糊綜合評(píng)價(jià)模型中，兩個(gè)層次評(píng)判單元的最終歸屬都應(yīng)該屬于評(píng)語(yǔ)集V。依據(jù)天津市地質(zhì)環(huán)境背景和以往工作成果，本文將礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分為五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（表3），即V={} v1，v2，…，v5={I級(jí)（理想），II級(jí)（良好），III級(jí)（一般），IV級(jí)（差），V級(jí)（惡劣）}。

3.3.4 建立單因素評(píng)價(jià)矩陣及計(jì)算二層評(píng)判結(jié)果

根據(jù)各因子的隸屬度函數(shù)和隸屬度確定方法，第二層因子的隸屬度確定后，即得到各因子的評(píng)價(jià)矩陣Ri，結(jié)合各因子的權(quán)重得到第二層的評(píng)價(jià)結(jié)果Bi，4個(gè)要素評(píng)價(jià)結(jié)果Bi則自動(dòng)構(gòu)成第一層綜合評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)矩陣R。

（R1，R2，R3，R4）是各因子對(duì)要素集的二級(jí)模糊向量矩陣。

根據(jù)AHP法計(jì)算出的評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，進(jìn)行二層評(píng)判：

其中bij表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬與第j個(gè)評(píng)語(yǔ)等級(jí)的隸屬度。并進(jìn)行二層評(píng)判結(jié)果的歸一化處理。

3.3.5 計(jì)算礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

有了各要素集的模糊向量矩陣R和權(quán)重模糊集W，將其進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算即可得到集合B。所以第一層評(píng)價(jià)結(jié)果即礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果。

表3 礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量判別標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Geological environmental quality discrimination standard of the mine reclamation land

3.4 實(shí)例分析

天津市薊縣北部山區(qū)某非金屬露天開(kāi)采礦山進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工作，復(fù)墾土地一處，總體地形坡度4.2°，地貌形態(tài)屬于緩坡小塊，高程120 m，復(fù)墾土地周?chē)逼掠辛阈潜浪?、?guī)模小，易發(fā)生但不易造成傷害，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及取樣分析測(cè)試，土壤物理化學(xué)及重金屬指標(biāo)值見(jiàn)表4。

第一步：根據(jù)上述條件，通過(guò)邀請(qǐng)10位專(zhuān)家對(duì)定性指標(biāo)（地貌形態(tài)、斜坡穩(wěn)定性）進(jìn)行評(píng)定，得到地貌形態(tài)的評(píng)價(jià)矩陣為[0.0 0.2 0.6 0.2 0.0]，斜坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)矩陣為[0.2 0.2 0.5 0.1 0.0]。其余定量指標(biāo)利用隸屬度函數(shù)求得模糊向量關(guān)系矩陣如下：

各指標(biāo)的權(quán)重如下：

進(jìn)行二級(jí)模糊變換：

表4 北部山區(qū)某礦山復(fù)墾土地土壤物理化學(xué)及重金屬指標(biāo)Table 4 Northern mountainous land reclamation of a mine soil physical and chemical indicators of heavy metal

由此得出一級(jí)模糊關(guān)系矩陣：

第二步：進(jìn)行一級(jí)模糊變換

根據(jù)最大隸屬度原則，天津市薊縣北部山區(qū)某非金屬露天開(kāi)采礦山經(jīng)地質(zhì)環(huán)境生態(tài)恢復(fù)治理后，復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量為II級(jí)。評(píng)估結(jié)果顯示：本礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行了基本性的恢復(fù)重建，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能尚完整，地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題不顯著，地質(zhì)災(zāi)害少。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的利用AHP和模糊綜合評(píng)判法建立天津礦山復(fù)墾土地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型，進(jìn)一步完善了我國(guó)關(guān)于土地復(fù)墾的評(píng)價(jià)體系，增加了土地復(fù)墾后的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，為土地復(fù)墾項(xiàng)目的驗(yàn)收提供了一個(gè)更為科學(xué)的技術(shù)平臺(tái)。為政府部門(mén)進(jìn)行礦山土地復(fù)墾監(jiān)管、驗(yàn)收方面提供了理論和方法依據(jù)，可避免驗(yàn)收時(shí)作出模糊、定性評(píng)價(jià)的現(xiàn)象，希望能促進(jìn)礦山復(fù)墾土地驗(yàn)收的規(guī)范化和統(tǒng)一化，從而推動(dòng)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境生態(tài)恢復(fù)治理工作的進(jìn)行。

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Study on Geological Environment Quality Evaluation for the Mine Reclamation Land in Tianjin

YANG Yao-dong1，SUN Zhan-zhong2，CHEN Li-wei2，WANG Zi-yi1
(1.Tianjin Testing and Quality Supervision Center for Geological and Mineral Products，The Ministry of Land and Resources，Tianjin,300191，China；2.Tianjin Municipal Bureau of Land Resources and HousingAdministration Portal，Tianjin,300042，China)

According to the situation of the geological environment of the mine area and ecological reconstruction goal of land reclamation in Tianjin,the authors screened out 19 evaluation factors,constructed a set of geological environmental quality evaluation index system and grading standards including of the geological conditions,soil physics,soil chemistry,soil heavy metal of land reclamation.They propose to use the AHP and the Fuzzy Comprehensive Evaluation to determine the quality of mine land reclamation geological environment evaluation method，which provides more scientific,specific evaluation methods for the mine land reclamation supervision.

mine land reclamation;geological environment quality;AHP-fuzzy comprehensive evaluation

X141

A

1672－4135（2013）04－0068-09

2013-12-16

天津市國(guó)土房管局科技項(xiàng)目

楊耀棟（1982－），男（漢族），高級(jí)工程師，2006年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（徐州）碩士研究生畢業(yè)，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)與礦山環(huán)境方面的工作，E-mail：fivess@139.com。