基于AHP 和集對分析法的煤礦生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展評價模型*

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)。

1 集對分析方法

1.1 聯(lián)系度

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：

1.2 集對勢

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。

2 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

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

3 利用AHP 計算各指標(biāo)權(quán)重

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

4 工程實例應(yīng)用

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。

4.1 目標(biāo)層權(quán)重確定

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。

4.2 子目標(biāo)層權(quán)重計算

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：

4.3 聯(lián)系度分析

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。

4.4 集對勢探討

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。

4.5 不確定性分析

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。

5 結(jié)論

（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。