礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境定量評價的FAHP與可變模糊集模型

徐 佳

(山西財貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院信息工程系，山西 太原 030006)

由于礦產(chǎn)資源長期處于高強度無序開發(fā)狀態(tài)，礦區(qū)及其鄰區(qū)地質(zhì)環(huán)境遭到了嚴重破壞，大大影響了礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。隨著“綠色礦山”理念的提出，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護得到了政府、企業(yè)、高校及科研院所的高度重視，對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行準確評價，對于進一步制定妥善的處理措施至關(guān)重要[1-3]。近年來，學術(shù)界對此進行了大量研究，涌現(xiàn)出了如GIS空間數(shù)據(jù)疊加分析法、模糊綜合評價法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、廣義線性理論等方法[4-7]。其中，GIS空間數(shù)據(jù)疊加分析法主要基于網(wǎng)格法、矢量多邊形法、緩沖區(qū)法，通過空間分析及屬性計算進行地質(zhì)環(huán)境評價[8-10]，但基于網(wǎng)格法的GIS空間數(shù)據(jù)疊加分析法不易操作，易受評價者個人經(jīng)驗影響，誤差較大；基于矢量多邊形法的GIS空間數(shù)據(jù)疊加分析法難以有效預(yù)測礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境變化趨勢；基于緩沖區(qū)法的GIS空間數(shù)據(jù)疊加分析法難以體現(xiàn)較多的信息量，評價結(jié)果與礦區(qū)實際情況吻合度不高。模糊綜合評價法的隸屬函數(shù)需要人為選取，易增加評價的主觀性以及增大計算工作量。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法以大量樣本為基礎(chǔ)，在應(yīng)用中易受到礦區(qū)客觀條件限制而難以獲取大量有代表性的樣本數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致評價結(jié)果準確性不高[11-13]。為對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行定量評價，本研究將模糊層次分析法(FAHP)與可變模糊集相結(jié)合[14-15]，以寧夏某地區(qū)為例，對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境定量評價模型進行構(gòu)建。

1 研究區(qū)概況

寧夏某地區(qū)各類礦山共有291座，其中能源類礦山44座(多數(shù)為煤礦，其他少部分為銅礦)，建材及其他非金屬類礦山127座，冶金輔助原料非金屬類礦山116座，化工原料非金屬礦山4座。區(qū)內(nèi)地形總體屬于低中山溶蝕地貌，地形切割較大，附近為單面山形態(tài)，構(gòu)造內(nèi)無較大斷層，局部地段見小褶曲和小斷裂。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，基本為單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)屬于亞熱帶季風氣候。

該區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題最為顯著的礦山為煤礦，其次為灰?guī)r礦。該區(qū)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的主要問題包括礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害、占用和破壞土地資源、水土污染及大氣污染等。其中，礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要包括地面坍陷、地面沉降、冒頂、突水、突泥、礦坑水污染等。該區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害種類多、發(fā)生頻率高、分布廣。由于礦山采掘活動導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害共有54處，其中崩塌3處，滑坡5處，地裂縫15處，地面塌陷14處，礦坑突水10處，泥石流4處。該區(qū)由于礦業(yè)開發(fā)占用和破壞的土地面積共計44.34 km2，約占全省礦山總破壞土地面積的45%。該區(qū)沿山分布的硅石礦因不規(guī)范開采，導(dǎo)致整個山體滿目瘡痍，嚴重破壞了地貌景觀；煤礦開采由于經(jīng)常將礦坑廢水、廢渣等隨意向附近溝谷排放，導(dǎo)致地表水受到極大污染[16]。

2 FAHP與可變模糊集模型評價

2.1 評價指標體系構(gòu)建

結(jié)合實地調(diào)研，本研究將礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合評價指標體系分為4個子系統(tǒng)，即：①礦山地質(zhì)背景(P1)，包括工程地質(zhì)條件(I1)、地形地貌(I2)、水文氣象(I3)、人類活動強度(I4)等二級指標；②地質(zhì)災(zāi)害(P2)，包括人員傷亡(I5)、經(jīng)濟損失(I6)、災(zāi)害類型(I7)、災(zāi)害規(guī)模(I8)、發(fā)生頻率(I9)等二級指標；③資源毀壞(P3)，包括礦產(chǎn)資源破壞與浪費(I10)、土地壓占與破壞(I11)、水資源破壞(I12)等二級指標；④環(huán)境污染(P4)，包括粉塵污染(I13)、噪音污染(I14)、水污染(I15)、土壤污染(I16)等二級指標。結(jié)合實地調(diào)研數(shù)據(jù)以及專家打分結(jié)果，將各指標值進行了量化處理，并據(jù)此將各指標劃分為Ⅰ級(優(yōu))、Ⅱ級(良)、Ⅲ級(中)、Ⅳ級(差)、Ⅴ級(極差)(表1)。

表1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價指標量值及評價等級

結(jié)合表1及區(qū)內(nèi)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，確定了各指標的特征值，結(jié)果見表2。

表2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價指標特征值

2.2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價

依據(jù)礦區(qū)實際情況，對一級子系統(tǒng)以及二級評估指標兩兩進行了重要性比較，獲得一級子系統(tǒng)以及二級評估指標的模糊互補判斷矩陣Q。按照可變模糊集模型對各評價指標的權(quán)重進行了計算，結(jié)果見表3。

表3 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價指標權(quán)重

對Q進行一致性檢測[17]獲得了該矩陣的一級相容性指標，即：IQ=0.09、IP1=0.08、IP2=0.068、IP3=0.048、IP4=0.035，均小于0.1，可見本研究權(quán)重計算結(jié)果(表3)符合實際需求。

對P1、P2、P3、P4指標對應(yīng)的綜合相對隸屬度矩陣進行了求解，并按照級別特征計算公式[18-19]，計算了各一級指標對應(yīng)的礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境等級特征值，即HP1=2.45，HP2=2.46，HP3=2.65，HP4=2.24。在此基礎(chǔ)上，按照下式對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合評價等級特征值進行計算，

式中，r為一級指標數(shù)量；wr為各個一級指標對應(yīng)的權(quán)重;Hpr為各一級指標對應(yīng)的礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境等級特征值。

經(jīng)計算，

H=2.45×0.258 2+2.46×0.104 7+2.65×

0.420 1+2.24×0.217 0≈2.489.

按照本研究等級劃分標準(H∈(1.0,1.5]時，等級為I級；H∈(1.5,2.5]時，等級屬于Ⅱ級；H∈(2.5,3.5]時，等級為Ⅲ級；H∈(3.5,4.5]時，等級為Ⅳ級；H∈(4.5,5]時，等級為Ⅴ級)，可知研究區(qū)綜合地質(zhì)環(huán)境等級為II級，區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境總體良好。進一步分析可知，礦區(qū)地質(zhì)背景、地質(zhì)災(zāi)害以及環(huán)境污染的評價等級屬于II級較好水平，而資源毀壞評價等級為Ⅲ級，處于預(yù)警狀態(tài)，表明該礦區(qū)資源毀壞程度較嚴重，與該礦區(qū)礦產(chǎn)資源、土地資源破壞以及水資源污染現(xiàn)象普遍存在的實際情況較吻合，建議該區(qū)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理的重點是減少礦產(chǎn)資源浪費，減少土地毀壞以及降低水資源污染。

3 結(jié) 語

以寧夏某地區(qū)為例，針對該區(qū)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征，將模糊層次分析法(FAHP)與可變模糊集相結(jié)合，構(gòu)建了一種礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境定量評價模型。評價結(jié)果表明：該區(qū)最突出的地質(zhì)環(huán)境問題是資源毀壞，區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源、土地資源浪費較嚴重，水資源污染較突出，應(yīng)為該區(qū)下一步地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理的工作重點。

[1] Wang Z.Application of green bio-mining technology for coal under villages in environmental protection[J].Journal of Chemical & Pharmaceutical Research,2014(23):258-264.

[2] Favas P J C,Pratas J,Gomes M E P,et al.Selective chemical extraction of heavy metals in tailings and soils contaminated by mining activity:environmental implications[J].Journal of Geochemical Exploration,2011(3):160-171.

[3] 劉曉龍，劉占寧.礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價方法研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2014(3)：49-55.

Liu Xiaolong,Liu Zhanning.Study on comprehensive evaluation method of mine geological environment[J].Geological Hazards and Environmental Protection,2014(3):49-55.

[4] 孫小飛，邵懷勇，肖禮曉，等.基于突變理論的紅格釩鈦磁鐵礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評價[J].有色金屬：礦山部分，2017， 69(1)：40-43.

Sun Xiaofei,Shao Huaiyong,Xiao Lixiao，et al.Evaluation of mine geological environment of red-vanadium-titanium magnetite mine based on catastrophe theory[J].Nonferrous Metals:Mining Section,2017,69(1):40-43.

[5] 王 洋，馬施民.變權(quán)模糊綜合法在礦山地質(zhì)環(huán)境評價中的應(yīng)用——以潞安礦區(qū)為例[J].安全與環(huán)境學報，2016， 16(4)：353-358.

Wang Yang，Ma Shimin.Application of variable weight fuzzy comprehensive method in evaluation of mine geological environment:taking Lu'an mining area as an example[J].Journal of Safety and Environment,2016,16(4):353-358.

[6] 吳安兵，郭 科，柳炳利.基于灰色-模糊理論的礦產(chǎn)資源地質(zhì)勘查評價——以藏中地區(qū)為例[J].金屬礦山，2015(3)：133-137.

Wang Aanbin,Guo Ke,Liu Bingli.Geological prospecting evaluation of mineral resources based on gray-fuzzy theory:taking the middle area of Tibet as an example[J].Metal Mine,2015(3):133-137.

[7] 唐朝暉，劉 楠，柴 波，等.合山市礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2012，39(6)：124-130.

Tang Chaohui,Liu Nnan,Chai Bo,et al.Study on geological environmental impact assessment of mine in Heshan City[J].Hydrogeological Engineering Geology,2012,39(6):124-130.

[8] 王海慶.基于GIS和RS的礦山地質(zhì)環(huán)境評價方法比選[J].國土資源遙感，2010(3)：92-96.

Wang Haiqing.Measurement of mine geological environment evaluation method based on GIS and RS[J].Remote Sensing for Land and Resources,2010(3):92-96.

[9] 楊青華，李 藝，杜 軍.基于GIS和RS的黃石市礦山地質(zhì)環(huán)境定量評價[J].長江科學院院報，2010，27(8)：70-73.

Yang Qinghua,Li Yi,Du Jun.Quantitative evaluation of mine geological environment in Huangshi City based on GIS and RS[J].Chinese Journal of Yangtze River Science,2010,27(8):70-73.

[10] 袁素鳳，李 鑫，楊亞慧.基于GIS的青海高寒區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度模糊評價[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2016， 27(1)：91-97.

Yuan Sufeng,Li Xin,Yang Yahui.Fuzzy evaluation of mine geological environment impact degree in Qinghai alpine region based on GIS[J].Geological Hazards and Environmental Protection,2016,27(1):91-97.

[11] 李 東，周可法，孫衛(wèi)東，等.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVM在礦山環(huán)境評價中的應(yīng)用分析[J].干旱區(qū)地理，2015，38(1)：128-134.

Li Dong,Zhou Kefa，Sun Weidong,et al.Application of BP neural network and SVM in mine environmental assessment[J].Arid Land Geography,2015,38(1):128-134.

[12] Wang W C,Xu D M,Chau K W,et al.Assessment of river water quality based on theory of variable fuzzy sets and fuzzy binary comparison method[J].Water Resources Management,2014,28(12):4183-4200.

[13] Kengpol A,Rontlaong P,Tuominen M.A decision support system for selection of solar power plant locations by applying fuzzy AHP and TOPSIS:an empirical study[J].Journal of Software Engineering & Applications,2013(9):470-481.

[14] 倪 峰，唐霧婺，徐石明，等.基于FAHP-模糊綜合評判的充換電站火災(zāi)風險分析[J].消防科學與技術(shù)，2015(5)：662-665.

Ni Feng,Tang Wuwu,Xu Shiming,et al.Fir risk analysis of power station based on FAHP-Fuzzy Comprehensive evaluation[J].Fire Science and Technology,2015(5):662-665.

[15] Chen S Y.Theory of variable fuzzy sets and variable model sets[J].Mathematics in Practice & Theory,2008,18(18):146-153.

[16] 尚 慧，倪萬魁，王慧妮.石嘴山市礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價[J].西安科技大學學報，2011，31(6)：836-841.

Shang Hui,Ni Wankui,Wang Huini.Comprehensive evaluation of the mine geological environment in Shizuishan City[J].Journal of Xi'an University of Science and Technology,2011,31(6):836-841.

[17] 柯麗娜，王權(quán)明，李永化，等.基于可變模糊集理論的海島可持續(xù)發(fā)展評價模型——以遼寧省長海縣為例[J].自然資源學報，2013，28(5)：832-843.

Ke Lina，Wang Quanming,Li Yonghua,et al.Evaluation model of island sustainable development based on variable fuzzy set theory:a case study of Changhai County,Liaoning Province[J].Journal of Natural Resources,2013,28(5):832-843.

[18] Liu D，Zou Z.Water quality evaluation based on improved fuzzy matter-element method[J].Journal of Environmental Sciences，2012,24(7):1210-1216.

[19] 鄭德鳳，張 卓，姜俊超.基于熵權(quán)的模糊物元模型在水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學與管理，2016(6)：184-187.

Zheng Defeng,Zhang Zhuo,Jiang Junchao.Application of fuzzy matter-element model based on entropy weight for water environment quality assessment[J].Environmental Science and Management,2016(6):184-187.