基于熵權法-云模型保水開采生態(tài)環(huán)境評價研究

王佳奇，盧明銀，王慶雄，王旭鋒，李賢功，翟文睿

(1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221000；2.國能神東煤炭集團有限責任公司,陜西 神木 719315)

0 引 言

為解決西北干旱缺水礦區(qū)的煤礦開采與水資源保護相矛盾的生態(tài)環(huán)境問題，中國礦業(yè)大學的錢鳴高院士于2003年提出煤礦的保水開采技術[1]。自從保水開采這一技術概念提出后，近年來無論是在理論創(chuàng)新或實際應用方面的研究均已比較成熟。在理論創(chuàng)新方面：張兆威[2]將部分充填開采與保水開采技術相結合，對部分充填保水開采的機理、技術特征與充填工藝進行了分析；肖民[3]研究了將離層注漿技術運用到保水開采中，并對注漿離層的參數進行模擬分析。馬立強等[4]針對近距離煤層與極近距離淺表水下保水開采條件問題，研究解決了反復開采擾動區(qū)域覆巖導水裂隙協(xié)同控制與采掘面涌水災害監(jiān)測預警等難題；師本強[5]分析了影響保水開采的各種因素，提出陜北淺埋煤層礦區(qū)保水開采的區(qū)域劃分體系。而在保水開采技術應用方面：李猛等[6]以五溝煤礦CT101充填工作面為例，對以固體充填為主的保水開采方法進行了驗證；馬立強等[7]以神東礦區(qū)補連塔煤礦32202長壁工作面為例，論證了以快速推進工作面為核心的長壁工作面保水開采技術；呂廣羅等[8]以永隴礦區(qū)崔木煤礦為例，對巨厚砂礫巖含水層下特厚煤層保水開采進行分區(qū)與實踐研究。綜上分析可以看出，現階段針對保水開采的研究已經十分成熟，無論是在技術融合創(chuàng)新方面，或者實地礦區(qū)應用方面，均有大量文獻研究。而保水開采等一系列綠色開采技術提出的最終目的是解決煤炭開采與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境相矛盾的問題，但現階段的研究主要集中在保水開采技術下的煤炭如何實現高效安全開采，對保水開采下的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境研究幾乎沒有，忽略了對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的研究，或者是單一的研究礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況，未將保水開采技術與其聯(lián)系起來進行綜合考慮，具有片面性。

因此，從保水開采技術的角度出發(fā)，利用熵權法與云模型理論構建了一套保水開采生態(tài)環(huán)境評價模型，借此將保水開采技術與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境相結合，并選取神東礦區(qū)哈拉溝煤礦為例，對其礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況進行評價，驗證了本文構建模型的合理性，旨在利用本評價體系對保水開采技術實施后的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行客觀評價，得到礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的量化評價結果，借此說明保水開采技術的實施有助于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善，能夠減少開采對生態(tài)環(huán)境的破壞，為煤炭的合理開采與生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)提供科學的指導，實現煤礦產業(yè)的綠色發(fā)展。

1 熵權法和云模型理論

1.1 熵權法

熵權法是一種利用指標熵值來決定指標權重的賦權方法，它與傳統(tǒng)權重確定方法不同，能夠避免權重確定時主觀性過強的問題，其主要求解步驟如下[9]：

1)構建初始指標矩陣：設有m個評價對象，每個評價對象有n個評價指標，則可以得到初始的評價指標矩陣R=(rij)m×n(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)，其中rij為第i個評價對象的j類評價指標的評價數據。

2)計算指標熵值：根據評價數據，計算評價體系中第j項的熵值：

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3)指標權重的確定：根據所求熵值，計算第j項指標的差異性系數fj：fj=1-Hj，指標的差異性系數反映了指標包含的信息數據量，也就是指標的重要程度。其值越大，說明該指標包含的信息量也越大，重要程度就越高，反之則越低。因此，第j項指標的熵權為ωj=fj/∑fj，(j=1,2,…,n)，依次計算，就可得到整個評價指標體系的權重向量為W=(ω1,ω2,…,ωn)。

1.2 云模型

云模型主要是反映事物概念的模糊性與隨機性，構成定性和定量的相互映射關系，從而將二者集成起來。主要有Ex，En，He三個數字特征，通過它們可以反映所描述概念的模糊性與隨機性[10]。在云模型的數字特征中，Ex為該模糊對象的數學期望值；En為可反應該模糊對象“寬度”的熵值，熵值越大，則該模糊信息的不確定性的程度也就越高，在反映該模糊信息的云圖上表現為云的水平方向寬度越大；He為熵值En不確定性的超熵值，超熵值增大，模糊信息的離散程度與隨機性也隨之增高，云層越厚。

云模型中2個最重要的算法為正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器。正向云發(fā)生器在已知3個特征數字的情況下用來生成所需數量的云滴，逆向云發(fā)生器實現從給定的云滴樣本中反求出3個數字特征，從而實現對樣本數據的定性評價。下面給出2種算法的步驟[11]。

算法1：正向云發(fā)生器算法。

輸入：某個定性概念期望值(Ex)、熵(En)以及超熵(He)，并給定云滴數量N。

輸出：數域空間的N個云滴對應的定量位置以及云滴所表征的定性概念的確定度。

1)生成以En為期望，且以He為標準差的隨機數En′(正態(tài)分布)；

2)隨機生成以Ex為期望，En′為標準差的數值x；

3)將x作為定性概念的具體量化數值，即一個云滴；

4)定義y為x隸屬于該定性概念的確定度；

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5)通過(x，y)則能夠完整反映出定性定量之間轉換的所有內容；

6)重復步驟1)～ 5)來產生N個云滴。

算法2：逆向云發(fā)生器算法

輸入：N個云滴xi；

輸出：這N個云滴對應定性概念的期望Ex、熵En以及超熵He。

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(4)

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2 評價指標的選取與模型構建

2.1 保水開采生態(tài)環(huán)境評價指標選取

2.1.1 煤礦開采對生態(tài)環(huán)境影響

生態(tài)環(huán)境是一個關系到社會和經濟持續(xù)發(fā)展的復雜復合生態(tài)系統(tǒng)[12]，主要包括水資源、土地資源、生物資源與氣候資源。而生態(tài)環(huán)境問題則是指人類為了自身的生存和發(fā)展，在利用和改造自然過程中，對生態(tài)環(huán)境內的各種資源過度使用，致使生態(tài)環(huán)境遭到破壞的問題。煤礦的開采在給我們帶來巨大經濟利益的同時，也對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞，傳統(tǒng)的煤礦開采主要對礦區(qū)的土地、土壤、地質、巖層、植被等產生影響，以及對水資源、固體廢物、廢氣、噪聲等污染[13]。具體影響如圖1所示。

圖1 煤礦開采對生態(tài)環(huán)境影響

從圖1可以看出，煤礦開采對生態(tài)環(huán)境的影響十分嚴重，不僅對土地、植被、空氣、水體等均產生影響，還會導致各類煤礦事故的發(fā)生?？梢哉f，傳統(tǒng)的煤礦開采已經不適應現階段社會所倡導的“綠色發(fā)展”模式，未來的煤礦開采必須是在保護好生態(tài)環(huán)境的前提下開采，減少對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞。

2.1.2 保水開采技術

保水開采是綠色開采的主要技術之一，是指在采煤的過程中對地下水資源進行保護并對礦井排出的水資源進行資源化利用，主要通過含水層不破壞或破壞后能夠恢復的采煤技術與井下排水凈化循環(huán)技術來實現[14]。具體來講包含3方面的內涵：①實現采煤的安全高效；②保護采煤工作面下的水資源；③最大化地實現“煤水共采”[15-16]。其最終目的就是保證煤礦的安全開采并且使得采煤時對水質環(huán)境的擾動程度小于它的抗干擾程度。而保水開采技術的實施受多種因素影響[17]，既有不可控的自然地質因素，也有可以人為控制的生產技術因素。下面從自然因素和可控因素2個角度來分析保水開采的影響因素，如圖2所示。

圖2 保水開采影響因素

自然因素主要是指煤礦所在地區(qū)的地質水文等自然條件，主要包括基巖厚度等5個因素，不同礦區(qū)的自然條件會使煤礦保水開采時的導水裂隙帶發(fā)育情況不同[18]，因此一個礦區(qū)的自然環(huán)境是影響保水開采實施的關鍵因素。而可控因素是針對不同地質條件屬性而采取不同的開采方法、開采工藝、開采布局等這類因素，其綜合反映工作面超前支撐壓力和相鄰工作面?zhèn)认驓堄嘀瘟σ约肮ぷ髅嫦锏绹鷰r應力三部分采動影響應力的變化情況，這也會影響一個礦區(qū)保水開采的實施情況[19-20]。因此以上因素是每個礦區(qū)實施保水開采前必須研究的，不同的自然因素采取不同的開采技術就會對生態(tài)環(huán)境產生不同程度的擾動。

2.1.3 保水開采生態(tài)環(huán)境評價指標確定

參考煤礦開采對生態(tài)環(huán)境的影響表、保水開采影響因素，以及已有的井工煤礦生態(tài)環(huán)境評價類文獻基礎之上，提出了以總目標(G)、子目標(C)與指標(I)為結構的三層評價模型。評價體系見表1。

表1 保水開采生態(tài)環(huán)境評價指標體系

該評價指標體系是以生態(tài)環(huán)境度總目標，生態(tài)治理等5個子目標，以及20個指標組成的。其中生態(tài)環(huán)境度就是評價結果，其通過生態(tài)治理、環(huán)境保護、安全開采、資源保護與利用、社會經濟效益等5個方面實現，其中各個方面又分別包含了具體的指標。在所選取的20個指標當中，I2、I3、I4、I5、I6、I7、I10、I11是能夠反映保水開采技術的實施效果的指標，因為保水開采技術實施的核心就是要保證含水層的正常形態(tài)，實現水循環(huán)的高效利用與安全開采，因此通過土地塌陷情況以及礦井水的相關指標可以直接反映保水開采實施對生態(tài)環(huán)境的改善效果。而指標I14、I15、I16、I17、I19、I20是通過資源利用情況與礦區(qū)經濟效益方面來間接反映保水開采技術對生態(tài)環(huán)境的影響，因為保水開采技術的實施是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)，改善效果會通過多方面顯現，因此就需要一些間接性的指標來描述保水開采技術對生態(tài)環(huán)境的影響情況；其余指標是通過空氣、噪聲等不同角度來反映礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境水平。

在上述指標中，有些是可以量化評價的，如I1、I2、I3、I4、I6、I12、I14、I16、I18、I20等指標，可以根據實際數據來對其評價，準確度較高。但也存在某些指標如I5、I11、I15等指標，屬于定性指標，只能根據有經驗的專家來對其評價，具有較大的隨機性。

2.2 評價模型的構建

基于熵權法和云模型的理論，建立了一套熵權法-云模型的綜合評價體系。評價體系具體步驟如下：

1)確定因素集和評價集。首先確定待評價系統(tǒng)的基本指標，并將其細分為要素指標，組成因素集，建立指標體系。列出因素集U={U1,U2,…,Ui}，其中Ui是基本指標，確定基本指標下的各個屬性的評語，評語集合為V={V1,V2,…,Vj}，對每一個因素集中的因素分別依據評語集進行評價，假設有m位專家利用評語集合V對因素i進行評價，可得Ui={Ui1,Ui2,…,Uim}，集合中的元素分別為對于因素i的m位專家的評語集。

2)標準云的確定。在此基于黃金分割的模型驅動法，設定評價的標準云模型[21]。黃金分割思想的核心在于如何利用0.618這一數值，其計算云評價標度是根據相鄰云對應的熵和超熵值，使比較后數值更高者乘以0.618即可等于數值更低者，通過這種方式實現云評價標度的制定[22]。根據評價體系將評價將區(qū)間劃分為[0,10]，其對應為論域[Xmin，Xmax]，結合評價對象特點，將超熵值定為0.05，根據表2的運算規(guī)則來制定評價的標度。

表2 黃金分割法計算云評價標度

3)熵權法對因素集權重賦值。依據上文提出的熵權法計算權重的步驟，結合保水開采生態(tài)環(huán)境評價指標體系表，即可計算出指標權重值：W=(w1,w2,…,wi)。

5)相似性比較。進行相似性比較。把根據實際數據得到的綜合云模型和評價標準云模型中的每個評語的云模型進行比較，得到一個與之最為相似的標準評估云，這個評估云所對應的定性評語就是對這個指標因素的評價結果。

3 實例驗證

3.1 案例背景

以哈拉溝煤礦為例，哈拉溝煤礦位于神東礦區(qū)中部，核定生產能力1 600萬t/a，為神東煤炭集團千萬噸礦井群中的骨干礦井之一。地處干旱半干旱的毛烏蘇沙漠東南部與黃土高原北部接壤地帶，水資源匱乏，植被稀少，生態(tài)脆弱，傳統(tǒng)方法的開采已經對生態(tài)環(huán)境造成了極大破壞。為改善煤礦開采對生態(tài)環(huán)境的破壞情況，哈拉溝煤礦通過實施保水開采方法進行綠色礦山建設，現已被評為國家水土保持生態(tài)文明工程之一。

經過技術改造后的哈拉溝煤礦，根據2016年數據顯示，在資源利用方面，礦井采區(qū)回采率81.71%、原煤入洗率100%、礦井水綜合利用率81.6%、煤矸石綜合利用率100%，各項指標均在國內處于領先水平。在礦區(qū)環(huán)境方面，并沒有因大規(guī)模開發(fā)造成環(huán)境破壞，反而使原有脆弱生態(tài)環(huán)境實現正向演替，在荒漠化地區(qū)建成一片綠洲。在生態(tài)文明建設方面，規(guī)劃在哈拉溝沉陷區(qū)范圍內建設一個集水土保持、土地復墾、地質環(huán)境恢復治理、造林為一體的綜合性生態(tài)治理示范區(qū)，即哈拉溝山地公園，規(guī)劃面積17 km2。山地公園建成后，將使哈拉溝煤礦所在地大柳塔鎮(zhèn)達到綠地率為36%的全國園林城鎮(zhèn)標準，人均公共綠地面積達12 m2，提升礦區(qū)綠化水平。綜上分析可知，經技術改造后的哈拉溝煤礦開采并沒有對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成較大破壞，相反，由于該礦區(qū)重視生態(tài)環(huán)境的保護，通過多種手段來促進生態(tài)的恢復，還對生態(tài)環(huán)境的演替起到了積極的作用。

3.2 評價模型的構建

3.2.1 因素集與評語集確定

根據保水開采生態(tài)環(huán)境評價指標體系，確定因素集為U={I1,I2,…,I20}，依據之前云評價標度中將區(qū)間劃分為[0,10]，其對應為論域[Xmin，Xmax]，可得評語集V={V1,V2,V3,V4,V5}，其中V1=[0,2)、差，V2=[2,4)、較差，V3=[4,6)、中，V4=[6,8)、良，V5=[8,10]、優(yōu)。

3.2.2 標準云與指標權重確定

根據表2的運算規(guī)則，可計算得到云評價的標度(表3)。

表3 標準云數字特征

在云圖的設計中，通常將該評價值的確定度設置為坐標軸系的縱坐標，將評價值設置為坐標系的橫坐標，當云滴數為200時的云評價標度如圖3所示。

圖3 云評價標度

根據因素集與評價集，選取5位哈拉溝煤礦的保水開采技術實施專家依據保水開采生態(tài)環(huán)境評價指標體系進行評價，以此獲取初始評價數據。再按照熵權法的原理，根據初始評價數據，在Matlab中進行計算，即可得如表4所示的各個指標權重值。

表4 評價指標權重

3.2.3 實際云模型構建

將初始評價數據帶入到逆向云發(fā)生器，即可得到各個指標對應的云參數值，見表5。

表5 各評價指標云參數

通過計算可以得到綜合評價結果的云參數為(7.787 5,0.928 3,0.243 6)。根據云模型理論，云滴數越多則誤差越小，因此盡可能選取較多云滴數來進行模擬。在此將云滴數定為2 000，然后利用正向云發(fā)生器，生成綜合評價結果的云圖，再放置于標準云圖中進行比較，即可得出綜合評價云圖，如圖4所示。

圖4 評價結果云圖

3.2.4 評價結果分析

從評價云圖中可以看出，實際云模型的云圖主要處于E1良和E2優(yōu)的兩個標準云圖之間，說明實施保水開采技術后的哈拉溝煤礦的整體生態(tài)環(huán)境處于較好水平。仔細觀察實際云模型的云滴位置可知，實際云模型的云滴只有約10粒散落在E0的評語集內，沒有一粒云滴處于E-2的中，大部分云滴位于E1或E2內，說明實際云模型的一致度較高，從而反映出哈拉溝煤礦的生態(tài)環(huán)境處于較優(yōu)的水準，應繼續(xù)保持。但通過實際云參數還可以看出，雖然總體評價效果較好，但云參數中的熵值與超熵值均較大，從云圖也可以看出，實際云圖的云滴分布較廣，云圖較“寬”，說明了評價結果的不確定較高，從而說明哈拉溝煤礦的生態(tài)環(huán)境水平雖處于較高水準，但還存在不足，應重點放在均值較低的三級指標上，如塌陷面積和塌陷深度等方面，通過技術方法來降低整體的不確定性，提高哈拉溝煤礦的生態(tài)環(huán)境水平。

4 結 論

1)通過保水開采生態(tài)環(huán)境評價模型的構建，能夠以量化的形式客觀清晰地反映礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的狀況，解決了實際評價時無法對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境量化評價的問題。

2)在對礦區(qū)保水開采生態(tài)環(huán)境量化評價研究的基礎之上，表明保水開采等綠色開采技術確實有助于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復，能夠解決礦區(qū)經濟效益與生態(tài)環(huán)境發(fā)展相矛盾的問題，推動保水開采等綠色開采技術的廣泛應用。

3)本評價模型可以解決不同礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況橫向比較的問題，給出不同礦區(qū)的量化評價結果，并可根據量化評價結果針對性地提出礦區(qū)后期生態(tài)環(huán)境的改善意見。

4)本評價模型還能夠引起專家學者對綠色開采礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價方面的理論研究，保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，實現煤礦開采的綠色發(fā)展。