舒仕海,任建軍,阮毅,劉昌祥
(1.興義民族師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院,貴州 興義市 562400;2.貴州盤江土城煤業(yè)有限公司,貴州 盤州市 553531)
在2019 年我國能源消費結(jié)構(gòu)分布中,煤炭占57.7%,說明我國仍以煤炭為主要消費能源,但煤炭開采會引起大氣污染、水體污染、土壤污染、地表塌陷、工程占地等生態(tài)環(huán)保問題。生態(tài)文明建設(shè)的要求對煤炭開采、加工、利用的約束作用日益增大[1]。
目前關(guān)于生態(tài)環(huán)境影響因素的評價方法主要有模糊評價法、灰色聚類法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等[2?3],但針對煤礦的生態(tài)環(huán)境評價鮮有報道,因為煤礦生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理是一個比較系統(tǒng)且復(fù)雜的過程,建立符合煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展特征的評價體系是非常重要的。關(guān)于煤礦生態(tài)影響指標(biāo)體系,暫無明確標(biāo)準(zhǔn)可參考,其模糊性和不確定性給研究者帶來了困擾[4]。為了提高煤礦企業(yè)安全高效發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)煤炭生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展勢在必行[5]。因此,利用AHP 耦合集對分析模型對煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行評價研究具有重大的實際意義。本文以貴州某煤礦為實例研究,研究結(jié)果可為煤礦環(huán)境保護(hù)和治理提供指導(dǎo)。
集對分析理論是由趙克勤在1989 年初次提出,集對分析實質(zhì)上是一種處理系統(tǒng)不確定性問題的統(tǒng)計方法[6?7],已在水資源承載、信息預(yù)測、頂板水害預(yù)測、泵送堵管等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[8?13]。關(guān)于要處理的問題,建立集對P=(H,R),其中H和R是兩個具有一定關(guān)聯(lián)度的集合。分析該集對的特性,得出其有N個特性,S為兩個集合的同一特性數(shù),Q為兩個集合的對立特性數(shù),F(xiàn)=N?S?Q,則有F個特性是兩個集合既非共同所有,也非互相對立。定義S/N表示P(H,R)的同一度a,定義F/N表示P(H,R)的差異度b,Q/N表示P(H,R)的對立度c。用μ來表示兩個集合的聯(lián)系度如下:
式中,i為差異度系數(shù)(i∈[?1, 1]);j為對立度系數(shù)(j=?1),是指Q/N和S/N互相對立;若i=?1 時,差異度演變?yōu)閷α⒍?;若i=1 時,差異度演變?yōu)橥欢?;?dāng)i∈(?1, 1)時,則由差異度演變的同一度與差異度演變的對立度各占相應(yīng)的比例;a,b,c∈[0,1],且a+b+c=1。
采用同異反矩陣模型可以更簡便地計算指標(biāo)權(quán)重的聯(lián)系度μ,其表達(dá)式為:
若a>c,則兩個集合表現(xiàn)為同勢;若a=c,則兩個集合表現(xiàn)為均勢;若a<c,則兩個集合表現(xiàn)為反勢;同勢指兩個集合有相同的趨勢,反勢指兩個集合有對立的趨勢,均勢指這兩個集合顯示比較平均。利用對集對勢的計算和分析,可以得出研究問題的不確定性程度,這對開展系統(tǒng)性問題研究意義重大。
為了對某煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展做出評判,筆者進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研并搜集瀏覽了大量文獻(xiàn)資料,征求煤礦環(huán)境評估專家意見,構(gòu)建了指標(biāo)體系模型,子目標(biāo)層有生態(tài)制約因素、環(huán)境污染因素、開采影響因素,指標(biāo)層有地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀、水土流失、植被和生物多樣性、固體廢棄物、地形地貌、氣候氣象、大氣、土壤、噪聲、地表水、地下水、環(huán)境衛(wèi)生狀況、地表塌陷、工程占地和資源損失量等指標(biāo)因子,如圖1 所示。
圖1 煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系模型
層次分析法(AHP)是一種定性和定量相結(jié)合的研究方法[14?15]。其步驟如下。
(1)建立判斷矩陣G。采用1-9 標(biāo)度法或其對應(yīng)倒數(shù)對判斷矩陣因子進(jìn)行賦值,判斷矩陣相互比較的標(biāo)度意義見表1。
表1 判斷矩陣相互比較的標(biāo)度意義
判斷矩陣為:
式中,gij是指標(biāo)因素Gi和Gj重要度比較賦值。
判斷矩陣G具有的性質(zhì)如下:gij>0,gij=1/gji,gii=1(i,j=1, 2, 3…,m)。
(2)對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計算并排序。
(3)一致性檢驗。
式中,λmax為最大的特征值;m為判斷矩陣的階數(shù);RI為平均隨機一致性指標(biāo)[16],其參考值見表2。
表2 RI 參考值
貴州某煤礦2011 年 5 月開工建設(shè),2014 年7 月建設(shè)完工,經(jīng)整合后其礦井生產(chǎn)能力為30 萬t/a。井田面積 1.0335 km2,服務(wù)年限 12.8 a。參考實地調(diào)研情況和煤礦環(huán)境評估專家意見,提出煤礦生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系。研究影響煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的各個因素,并對煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展作出系統(tǒng)的評價。
目標(biāo)層判斷矩陣F:
以上得出煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展評價目標(biāo)層矩陣權(quán)重排序結(jié)果具備滿意的一致性。
生態(tài)制約因素判斷矩陣:
通過利用AHP 確定模型各層指標(biāo)的權(quán)重,并根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研反饋與該煤礦環(huán)境評價報告書,得出的煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的實際評價結(jié)果見表3,將這兩者構(gòu)成兩個集合,采用集對分析理論對這兩個集合組成的集對進(jìn)行討論。由上面計算得到的目標(biāo)層的權(quán)重構(gòu)成向量矩陣Z,結(jié)合實際情況,按良好、一般和較差3 個等級展開評價,對評價結(jié)果進(jìn)行歸一化處理可得到同異反向量矩陣Y。
表3 煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展評價各層指標(biāo)權(quán)重及評價結(jié)果
由式(2)可知某煤礦的生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展評價結(jié)果為:
當(dāng)i=0.5 時,μ=0.639,表明該煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展處于良好狀態(tài);當(dāng)i=0 時,μ=0.416,表明該煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展處于良好狀態(tài);當(dāng)i=?0.5 時,μ=0.193,表明該煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展處于一般狀態(tài)。即由特殊值法可得出該煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展處于相對良好的狀態(tài)。故認(rèn)為該煤礦井工開采對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成的影響較小,與現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果和該煤礦環(huán)境評價報告書的結(jié)論相吻合。
由聯(lián)系度表達(dá)式μ=0.484+0.446i+0.068j,可知a,b,c的值分別為0.484,0.446,0.068。從a>b>c,得出該系統(tǒng)的集對勢為同勢,即系統(tǒng)有相同的趨勢存在。同一度a=0.484,表明指標(biāo)體系評價以良好狀態(tài)為主,但由于差異度的存在,部分指標(biāo)可能會向一般甚至較差的趨勢轉(zhuǎn)變,所以該煤礦需進(jìn)一步加強環(huán)境管理,完善和保障相關(guān)設(shè)施的穩(wěn)定運行,使得煤礦生態(tài)環(huán)境始終處于良好可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài),避免指標(biāo)有惡化的趨勢。
差異度b對影響該煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的所有因素的不確定性大小有決定性作用,b值增大,則系統(tǒng)的不確定性也在增大,由于b=0.446,表明該研究系統(tǒng)有相應(yīng)程度的不確定性存在。
(1)針對煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的影響因素構(gòu)建其指標(biāo)評價體系,利用AHP 確定各指標(biāo)權(quán)重。實例分析證明,固體廢棄物、地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀、氣候氣象、水土流失是對煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展影響最大的4 個因素。在今后生產(chǎn)過程中,需借鑒國內(nèi)外煤礦開采和生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理的經(jīng)典模式,采取相應(yīng)措施加強生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理,促進(jìn)該煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。
(2)通過對i取特殊值,可以初步判斷煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài),i取值不同,則系統(tǒng)在同一、對立和不確定項間進(jìn)行轉(zhuǎn)變,探討良好狀態(tài)、一般狀態(tài)等模糊語言所隱藏的不利因素,從而找出影響源,為煤礦生態(tài)環(huán)境管理工作提供科學(xué)指導(dǎo)。
(3)運用AHP 耦合集對分析模型對貴州某煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行評價,其評價結(jié)果為相對良好狀態(tài),該結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)研的實際情況和該煤礦環(huán)境評價報告書中的結(jié)論相符合,表明基于AHP耦合集對分析模型對煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行評價是可行的,其結(jié)果為實現(xiàn)煤礦綠色開采、促進(jìn)煤炭生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)合理的決策方案。