基于ANP和指標權重敏感性分析的礦區(qū)生態(tài)安全評價

史紅偉，田 磊

(1.水利部建設管理與質量安全中心 水利工程管理處， 北京 100038；2.北京市南水北調團城湖管理處，北京 100195)

隨著全球生態(tài)環(huán)境問題的日益嚴峻，對生態(tài)安全的研究已經成為國內外研究的熱點[1]。我國對生態(tài)安全的研究起步于20世紀90年代，目前研究主要集中在區(qū)域水平上[2]，在城市生態(tài)系統(tǒng)[3-5]、水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)[6-8]和土地資源[9-10]等方面作了大量的研究和探索，但對礦區(qū)生態(tài)安全的研究尤其是定量化評價和分析相對較少。礦區(qū)是由資源、經濟、環(huán)境和社會等子系統(tǒng)構成的復合生態(tài)系統(tǒng)，近年來，隨著礦產資源開發(fā)利用程度的加大，以資源開采為原動力的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題已逐漸成為影響區(qū)域社會經濟發(fā)展和人民生活最突出、最嚴重的問題之一[11]，因此，了解礦區(qū)的生態(tài)安全狀況對礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展就顯得尤為重要。

生態(tài)安全評價即對生態(tài)安全狀況進行定性或定量描述，是進行生態(tài)安全研究的基礎，而權重的確定則是綜合評價問題的核心。層次分析法(The Analytic Hierarchy Process, AHP)是一種應用十分廣泛的權重確定方法，但是AHP法未能考慮指標間的依存關系，只是將復雜的問題進行系統(tǒng)化以進行評價[12]，而在AHP法基礎上提出的網絡層次分析法(The Analytic Network Process, ANP)能較好地解決指標間存在較強聯(lián)系時權重的計算問題。本文以山西省長治市潞安王莊礦區(qū)為例，利用“壓力-狀態(tài)-響應”(Press-State-Response, PSR)模型結合網絡層次分析法確定生態(tài)安全的評價指標體系及權重，并對評價結果進行權重的敏感性分析以研究各因子對生態(tài)安全的影響程度。通過評價分析礦區(qū)2006—2010年的生態(tài)安全狀況，為促進礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供重要的理論依據，并為今后礦區(qū)生態(tài)安全評價指標體系構建和評價方法的研究提供依據。

1 研究區(qū)域概況

王莊煤礦(113°02′19″—113°09′51″E，35°52′45″—35°57′00″N)始建于1958年，1966年12月正式投產。礦區(qū)位于我國規(guī)劃的13個大型煤炭基地之一的晉東南基地潞安礦區(qū)內，沁水煤田東部邊緣中段，總面積79.68 km2，包括井田和后備區(qū)，其中井田南北長11 km，東西寬4.6 km，面積51 km2；后備區(qū)南北長6.3 km，東西寬4.6 km，面積28.68 km2。礦區(qū)內四季分明，年平均氣溫9.5 ℃，平均降雨量678 mm，多集中在夏季，全年無霜期148 d。王莊礦區(qū)探明的可采儲量4.01億t，年核定安全生產能力達到710萬t以上。多年的煤炭持續(xù)開采在促進當地社會、經濟發(fā)展的同時，也給礦區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來了多方面、不同程度的破壞，產生了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。近年來，礦區(qū)逐步實施了多項生態(tài)環(huán)境治理工程，形成了較為完善的生態(tài)環(huán)境綜合治理體系。目前，礦區(qū)污染物排放得到初步有效控制，總體環(huán)境質量有所好轉[11，13]。

2 研究數據及方法

本研究的指標數據來源于2006至2010年度王莊煤礦企業(yè)環(huán)境統(tǒng)計報表以及礦區(qū)社會經濟調查統(tǒng)計結果。

2.1 礦區(qū)生態(tài)安全評價指標體系構建

PSR模型按照事物發(fā)展的因果邏輯來確定評價的指標體系：人類活動對系統(tǒng)造成壓力，改變了環(huán)境的狀況，而環(huán)境狀況的改變影響人類的生存和發(fā)展，并驅使人類對這種變化采取相應對策來調整自身行為[14]。該模型能夠深刻地反映生態(tài)系統(tǒng)、自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)三者之間的相互作用機理，注重指標之間的因果聯(lián)系，具有較高的綜合性和靈活性，被廣泛承認和使用[15]。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是典型的社會-經濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)，在進行生態(tài)安全評價時必須充分考慮礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性和社會屬性[16]，因此，較適合采用PSR模型框架來建立評價指標體系。

按照PSR模型以礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)為對象建立生態(tài)安全評價指標體系，應當能較為全面地反映礦區(qū)生態(tài)安全的基本狀況和主要特征。以潞安王莊礦區(qū)為例，王莊煤礦經過多年的發(fā)展，產量和規(guī)模不斷擴大，煤礦開采主要引起的生態(tài)與環(huán)境問題有：廢棄物占壓土地(主要是矸石山占壓土地)、大氣環(huán)境污染問題、水環(huán)境污染問題等等[11]。礦區(qū)發(fā)展的壓力主要有人口壓力、經濟增長壓力以及主要由煤矸石堆積產生的生態(tài)環(huán)境壓力，在這些壓力的影響下，生態(tài)安全狀態(tài)發(fā)生改變，最突出地體現(xiàn)在生態(tài)環(huán)境狀況和礦區(qū)居民生活狀況的改變上，具體表現(xiàn)在礦區(qū)的空氣質量、地表水質量、職業(yè)病等方面的變化。針對礦區(qū)的經濟、社會發(fā)展壓力和生態(tài)環(huán)境問題，王莊煤礦近年來采取了多項響應措施，包括提高“三廢”的處理率、降低能耗和水耗、對矸石山進行植被恢復等。遵循系統(tǒng)評價的完整性、科學性、可操作性等基本原則，建立基于PSR模型的礦區(qū)生態(tài)安全評價指標體系(圖1)。

圖1 ANP結構的生態(tài)安全指標體系

2.2 指標權重的確定

傳統(tǒng)的層次分析法(AHP)將復雜的系統(tǒng)問題進行層次化，同一層次的元素彼此獨立，只考慮上層元素對下層元素的支配作用，且不相鄰的兩層次中的元素也不存在支配和從屬關系，而在處理實際問題時，系統(tǒng)中的每個元素都有可能影響其它元素，這使得AHP法的應用存在一定的局限性。在AHP基礎上提出的網絡層次分析法(ANP)不僅考慮了系統(tǒng)中各層次之間的聯(lián)系，還考慮了各層元素之間的相互影響，在解決系統(tǒng)問題時更加科學、合理[17-19]。根據上文分析，在利用PSR模型框架建立的生態(tài)安全指標體系中，依據因果邏輯關系建立的壓力、狀態(tài)和響應指標之間聯(lián)系較強，所以本文采用ANP法來確定各生態(tài)安全指標的權重。

ANP結構中包含控制層和網絡層，控制層包含問題的目標及決策準則，網絡層為控制層支配的元素。控制層中可以沒有決策準則，但至少有一個控制目標，網絡層中各元素之間通過對比間接優(yōu)勢度來反映相互之間的聯(lián)系。間接優(yōu)勢度即給出一個評判準則，另兩個元素在這一準則下對第三個元素的影響程度進行比較。ANP法確定各生態(tài)安全指標權重的計算過程如下：

(3)在生態(tài)安全準則下，對各指標集Cj的重要性進行比較，求得加權矩陣A。對超矩陣W的元素進行加權，即W′=A·W，W′為加權超矩陣。

(4)計算加權超矩陣W′的極限矩陣W∞，其特征向量即為各指標權重。

ANP模型的計算方法較為復雜，具體計算過程參考文獻[19]，本文利用Expert Choice公司開發(fā)的Super Decision2.0軟件建立評價建模，通過矩陣計算，求得各指標權重。

2.3 指標數據的標準化

生態(tài)安全評價指標體系中存在效益型指標(數值越大越安全的指標，例如人均綠化面積)和經濟型指標(數值越小越安全的指標，例如資源超強度開采率)，采用最小-最大規(guī)范化方法對指標進行處理，所有指標標準化后的得分將介于[0,1]之間。

對于效益型指標，標準化公式為：

對于成本型指標，標準化公式為：

式中：xij為指標實際值，xmax和xmin分別為各指標參考標準的最大值和最小值。xmax和xmin的確定主要依據來源于四個方面[20]：(1)國家、行業(yè)和地方規(guī)定的標準；(2)區(qū)域背景和本底標準；(3)類比標準，選取未受到干擾的相似生態(tài)系統(tǒng)作為類比標準；(4)科學研究已判定的標準。參考相關國家標準和文獻[20-23]確定各指標的標準值如下表：

表1 生態(tài)安全指標評價體系及其標準

2.3.1 生態(tài)安全綜合指數的計算

生態(tài)安全綜合指數的計算如下：

式中：fi為指標實際值標準化后的數值，wi為相應指標的權重。

綜合指數越大，生態(tài)安全狀況越好，根據生態(tài)安全指數將生態(tài)安全狀態(tài)劃分為5個等級(表2)：

表2 生態(tài)安全水平等級標準

2.3.2 評價結果的敏感性分析

敏感性分析是在投資項目評價和企業(yè)經營管理決策中常用的一種不確定分析方法[24]。敏感性分析用于研究因素變化對目標的影響程度，并以分析決策的風險大小。對礦區(qū)的生態(tài)安全評價結果進行敏感性分析，能夠找出影響礦區(qū)生態(tài)安全的關鍵因素，分析生態(tài)安全變化趨勢并預測生態(tài)風險，為礦區(qū)生態(tài)建設和可持續(xù)發(fā)展提出科學的理論指導。敏感性分析方法包括指標屬性值和權重的敏感性分析，本文采用權重的敏感性分析，以敏感性系數來表征指標的敏感性大小[24]，礦區(qū)生態(tài)安全評價的權重的敏感性分析計算過程如下：

(1)指標最小權重變化量的計算

fa和fb分別為同一指標不同年份中的指標標準化值。

(2)指標敏感性系數的計算

在同一指標的所有年份的兩兩比較結果中，取D=min{|hi,j,k|}，設F=1/D,F即為指標的敏感性系數，F(xiàn)值越大，綜合值變化對指標權重變化的敏感程度越高，該指標也越敏感，敏感性系數的計算在Excel 2010軟件中進行。

3 評價結果及分析

3.1 王莊礦區(qū)生態(tài)安全評價指標權重計算

在Super Decision 2.0軟件中以生態(tài)安全為目標層，以各具體壓力、狀態(tài)、響應指標為網絡層建立網絡層次分析模型,通過輸入指標間的間接優(yōu)勢度矩陣來計算各指標權重，再對個別權重進行微調整后，最終計算結果如表3?？梢钥闯觯珿DP增長率和人均綠化面積的權重較大，說明這兩個指標分別是主要的壓力驅動和狀態(tài)指示因子。

表3 生態(tài)安全評價指標權重

3.2 王莊礦區(qū)生態(tài)安全綜合評價

利用各年份標準化后的指標數據及權重，對壓力、狀態(tài)、響應指數及生態(tài)安全綜合指數進行計算，計算結果如圖2：

圖2 2006—2010年王莊礦區(qū)生態(tài)安全狀況

(1)壓力綜合指數

從圖2可以看出，王莊礦區(qū)的生態(tài)安全壓力綜合指數在最近5年的得分介于0.450～0.700之間，平均值為0.571，除2009年外，總體得分有所下降，表明礦區(qū)目前面臨的生態(tài)安全壓力相對較小，但存在著壓力負荷略有加重的趨勢。人口增長、資源超強度開采和GDP增長是生態(tài)安全壓力增加的主要原因，其中，礦區(qū)的煤炭資源開發(fā)一直處于超強度生產的狀態(tài)，超強度開采率在2006年僅為3%，而到2010年已達到15.52%，超額定生產能力110萬t，長期的超強度開采雖然促進了GDP的持續(xù)增長，但也給礦區(qū)生態(tài)安全帶來了很大的壓力，如單位GDP固廢的排放量一直處于較高的水平。圖2所反應的情況與王莊礦區(qū)目前所面臨的實際的生態(tài)安全狀況是一致的。

(2)狀態(tài)綜合指數

生態(tài)安全狀態(tài)指數從2006年的0.324上升到2010年的0.582，年均增長率為15.77%，說明礦區(qū)生態(tài)安全現(xiàn)狀不斷好轉。狀態(tài)指標中，人均綠化面積的增幅最大，由11 m2/人增加到20.4 m2/人，主要得益于礦區(qū)內兩座主要矸石山之一的西矸石山在2008年后得到生態(tài)重建和景觀恢復。區(qū)域內環(huán)境質量狀況良好，礦區(qū)及生活區(qū)后4年的大氣和地表水環(huán)境質量都分別達到了《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—1996)和《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中的二級標準。礦區(qū)通過各種有效措施，在不斷改善生態(tài)環(huán)境狀況的同時還實現(xiàn)了良好的經濟、社會效益，具體表現(xiàn)在人均壽命增加、人均年收入的持續(xù)增長和職業(yè)病發(fā)病率的有效控制等方面。

(3)響應指數

響應指數也呈逐年上升趨勢，從2006年的0.583增加到2010年的0.831，年均增長率為9.25%，主要原因是近年來礦區(qū)在生態(tài)修復和節(jié)能減排等方面的投入力度的不斷加大：投入生態(tài)建設的資金比例由2006年的零投入到2010年的0.26%；廢水循環(huán)利用率增幅較大，由2006年的37.00%增加到2010年的68.61%；工業(yè)三廢處理方面，固廢和廢氣處理率接近100%，廢水處理率在2010年時也達到81%。

(4)生態(tài)安全綜合指數

總體上，在2006—2010年間，王莊礦區(qū)生態(tài)安全綜合指數總體上呈上升趨勢，從2006年的0.512上升到2010年的0.644，生態(tài)安全狀況得到不斷改善，2009年以前礦區(qū)的生態(tài)安全狀態(tài)都處于一般水平，而2009年以后已經處于比較安全的水平。礦區(qū)所采取的一系列響應措施取得了良好的效果，到2010年，除個別指標(單位GDP固排放量等)得分較低外，其余指標均已處于較高水平，壓力是制約生態(tài)安全狀況進一步改善的主要原因。

3.3 指標權重的敏感性分析

對礦區(qū)生態(tài)安全的評價結果進行權重敏感性分析，分析結果如表4：

表 4 指標敏感性分析結果

敏感性分析的結果表明，影響王莊礦區(qū)生態(tài)安全綜合指數變化的敏感性因子是GDP增長率、廢水循環(huán)利用率、人均綠化面積等9個指標，而其余11個指標權重在[0，1]之間變化時，生態(tài)安全綜合指數排序并不發(fā)生改變，表現(xiàn)出相對不敏感性。從總體上看，壓力指標對綜合指數的影響最大，其次是響應指標，狀態(tài)指標最小。敏感性系數最大的指標是GDP增長率，這與該指標的權重及變化規(guī)律有關，王莊礦區(qū)近幾年GDP都保持了高速的增長，但在2009年增長速度出現(xiàn)驟減，大大地增加了指標權重的敏感性。資源超強度開采率和人口密度的變化趨勢與綜合指數相反，是這兩個壓力指標表現(xiàn)出敏感性的主要原因，礦區(qū)應當根據這些具體情況采取相應措施以減小所面臨的生態(tài)安全壓力，例如合理的控制人口增長速度和經濟發(fā)展速度，避免出現(xiàn)煤礦的超強度開采現(xiàn)象等。響應指標中，有3個指標都表現(xiàn)出敏感性且敏感性系數較高，這說明礦區(qū)針對生態(tài)安全現(xiàn)狀做出了積極的響應，在生態(tài)建設、工業(yè)廢水處理、廢水循環(huán)利用三個方面投入的力度越來越大。狀態(tài)指標中只有人均綠化面積這一指標具有敏感性，主要由于該指標的權重和變化幅度最大，而其余指標變化幅度均不大。指標得分變化幅度不大，可能使指標表現(xiàn)出相對不敏感性，例如壓力指標中的單位GDP COD排放量、單位GDP SO2排放量，響應指標中的單位GDP能耗、單位GDP水耗和工業(yè)廢氣處理率得分一直處于較高水平，而狀態(tài)指標中人均年收入增長率則穩(wěn)定在較低水平，對于這些指標應當引起重視并采取相應措施加以改善。

4 結論

1)本文基于PSR模型結合王莊礦區(qū)實際情況建立礦區(qū)生態(tài)安全綜合評價指標體系，定量計算并分析了礦區(qū)最近幾年的生態(tài)安全狀況，評價結果與實際情況基本相符，為礦區(qū)這一特殊區(qū)域的生態(tài)安全評價提供了很好的借鑒。由于數據搜集的原因，本文提出的指標體系忽略了一些因素如地表塌陷、地下水狀況等，這些因素對礦區(qū)生態(tài)安全同樣具有重要的影響，在今后的評價過程中不容忽視。另外，從王莊礦區(qū)評價結果可以看出，礦區(qū)生態(tài)安全的壓力主要來源于人為的自然資源超強度開采，節(jié)能減排和生態(tài)恢復措施是實現(xiàn)礦區(qū)經濟效益、生態(tài)效益和社會效益平衡的有效手段。

2)根據PSR模型的特點，考慮系統(tǒng)內部各個因素之間的相互影響，采用網絡層次分析法確定各指標的權重，更加真實地反映了礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的特征，與傳統(tǒng)的層次分析法確定權重相比更加科學合理。然而網絡層次分析法本身的原理及運算過程較為復雜，雖然利用相關軟件解決了超矩陣計算的問題，但是在構造比較矩陣時，依然存在著主觀性強和指標較多引起的比較次數過多的缺點，本文對20個指標采用1～9標度法進行了上百次的指標間接優(yōu)勢度主觀比較，不僅十分繁瑣，所得結果與實際情況也出現(xiàn)了不可避免的偏差。