基于模糊綜合評價法的硫磺礦渣資源評價

魏友華，周祥全，張佳文，蔡劍輝，方景玲，劉 斌

(1．成都理工大學 數學地質四川省重點實驗室，四川 成都 610059；2．成都理工大學地球物理學院，四川 成都 610059；3．中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037)

基于模糊綜合評價法的硫磺礦渣資源評價

魏友華1,2，周祥全1，張佳文3，蔡劍輝3，方景玲3，劉 斌1

(1．成都理工大學 數學地質四川省重點實驗室，四川 成都 610059；2．成都理工大學地球物理學院，四川 成都 610059；3．中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037)

云南省昭通地區(qū)鎮(zhèn)雄縣的土法煉硫，對周邊環(huán)境造成了嚴重的污染；此外，其產生的硫磺礦渣中含有鐵、鈦等有用組分可回收。因此，開展硫磺礦渣綜合利用具有環(huán)境和資源雙重價值。文章采用模糊綜合評價法，構建硫磺礦渣資源可利用性評價體系，對鎮(zhèn)雄縣東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)進行了綜合評價。建立三層評價指標體系，選取面積、礦渣重量、礦渣密度等10個指標，構建比較矩陣，劃分標準，計算指標等級，最終得到6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的綜合評價值。結果表明：黑樹鎮(zhèn)在等級評價和綜合指數評價中均位列第一，與實際踏勘結果一致，可以作為下一步硫磺礦渣綜合利用具有資源優(yōu)勢的示范鄉(xiāng)。

硫磺礦渣資源；資源評價；評價指標體系；模糊綜合評價

云南省鎮(zhèn)雄縣東部的黑樹、坡頭等地堆置了過去數百年以來生產硫磺而廢棄的大量硫磺礦渣，這些礦渣污染土地和難以治理，導致了礦渣區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣，森林覆蓋率低。同時，硫磺礦渣占用了大量的耕地，其浸出液中有毒有害物質進入耕地和河流，土壤酸化嚴重，肥力低下，加劇了長江匯水區(qū)水質的污染[1]。硫磺礦渣含鐵豐富且粒度較細[2]，故很多國家都用它經過一系列選礦工藝處理生產鐵精粉，作為煉鐵原料[3]，同時硫磺礦渣中還含有鈦等有價元素。經中國地質科學院礦產資源研究所組織的初步研究發(fā)現鎮(zhèn)雄縣硫磺礦渣具有提煉鐵、鈦的潛力，可供再次綜合利用，這對當地經濟社會可持續(xù)發(fā)展和構建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要意義[4]。為此，對鎮(zhèn)雄縣境內的硫磺礦渣資源進行綜合評價，厘清鎮(zhèn)雄縣硫磺礦渣資源可用性，為硫磺礦渣二次資源綜合利用提供技術支持。

1 硫磺礦渣資源評價體系分析

1.1 硫磺礦渣資源綜合評價指標體系

硫磺礦渣資源綜合評價主要涉及硫磺礦渣資源數量、質量等。對硫磺礦渣資源進行綜合評價要從整體出發(fā)全方位考慮影響因素，按照層次性厘清因素之間的結構關系，并確保每一個指標的獨立性，以求用最少的指標反映最全面的問題[5]。另外，在確定指標體系的具體指標時還需要考慮數據采集難度，盡量避免難以采集到數據的指標[6]。根據以上原則選擇硫磺礦渣資源綜合評價指標，建立三層評價指標體系(圖1)。

圖1 硫磺礦渣資源評價指標體系

1.2 評價指標權重的確定

硫磺礦渣資源在國內尚屬于有待開發(fā)的二次資源，對影響其價值和有害性的因素認識還沒有形成統(tǒng)一的認識，并且硫磺礦渣資源受其原生礦品質影響較大。因此，作為主客觀相結合的層次分析法正好適用于硫磺礦渣這種多目標評價問題的權重確定。

層次分析法一般采用分層建立兩兩比較矩陣，通常采用T.L.Saaty教授提出的1-9標度表[7]，見表1。

表1 標度的含義

如果參與比較的后者比前者稍微重要，則用3的倒數1/3來刻畫，其余標度同理。

設某一個兩兩比較矩陣為A=(aij)，可采用矩陣A的n個列向量歸一化后的算術平均值作為近似權重[8]，即第j個指標的權重見式(1)。

(1)

表2 隨機一致性指標

2 模糊綜合評價

在實際中，常常需要對一個事物做出評價時要一般都涉及到多個因素(指標)，而這些指標往往具有一定的模糊性，例如硫磺礦渣資源中“礦渣重量”明顯是數據越大，評價結果就應該越好，但是評價結果“優(yōu)”與“良”的界限是模糊的。因此采用模糊綜合評價模型作為硫磺礦渣資源綜合評價模型。

設U={u1,u2,…,un}為研究對象的n個指標構成的指標集，V={v1,v2,…,vm}為諸指標的m種評價所構成的評價集，在硫磺礦渣資源綜合評價中選擇“優(yōu)”、“良”、“中”、“差”四個等級作為評價集。針對評價對象計算屬于各評價等級的隸屬度，記為B=(b1,b2,…,bm)，其中bi為評價對象對該評價等級vi的隸屬度。若bk=max(bi)(i=1,2,…,m)，則按照最大隸屬度原則判定該評價對象的評價結果為vk[10]。

對評價等級vi，其隸屬度計算模型見式(2)。

(2)

式中：bij為評價指標uj對評價等級vi的隸屬度，wj為指標uj的權值。

隸屬函數通常采用正態(tài)分布來構建。設zj代表評價指標uj的實際值，pi和ci為與評判等級vi對應的參數，采用正態(tài)函數構建隸屬度函數，見式(3)。

(3)

設xij和xi+1,j分別為評價指標uj對評價等級vi的下界限和上界限。根據正態(tài)分布可以推理出當zj=pi時，bij=1，可能性最大；當zj=xij或zj=xi+1,j時，評定因子處于該因子對應兩個等級的隸屬度函數的交點，得出bij=bi+1,j=0.5，模糊性最大，推出式(4)、式(5)。

(4)

(5)

在硫磺礦渣資源綜合評價中，對評價指標uj需要確定三個分界點，即“差”與“中”的分界點x1j、“中”與“良”的分界點x2j和“良”與“優(yōu)”的分界點x3j。

3 硫磺礦渣資源可利用性綜合評價

本次綜合評價以鎮(zhèn)雄縣境內的硫磺礦渣含量較多的黑樹、母享、大灣、坡頭、花朗鄉(xiāng)等東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的硫磺礦渣為評價對象，以行政鎮(zhèn)為評價單元。

3.1 評價數據

本文整理了由踏勘調查的6個地區(qū)的地理面積數據，再根據25個采樣點的礦渣重量和礦渣密度數據，以及55個樣品化驗得出的14個種主量元素和44種微量元素的含量數據，得到本次綜合評價所用的評價數據(表3)。

3.2 評價參數

按照層次分析法要求采集指標之間立案量比較矩陣。本次硫磺礦渣資源綜合評價指標最底層指標僅為10個，可以考慮直接越過中間層，針對最底層的10個指標直接構建兩兩比較矩陣(表4)。

表3 評價數據匯總表

表4 硫磺礦渣綜合評價指標兩兩比較矩陣

計算得各評價指標權重見表5。再做一致性檢驗，計算CI=0.87，查表RI=1.49，計算CR=0.058<0.1，表明兩兩比較矩陣通過一致性檢驗，指標權重是合理可用的。

結合匯總數據請相關專家制定各指標的等級標準。硫磺礦渣綜合評價的各指標的四個等級標準見表6。

表5 指標權重

表6 指標等級劃分

注：表中有害雜質“S含量”、“P2O5含量”已經按照新指標值公式進行了極性轉換。

3.3 評價結果

將評價數據和參數代入綜合評價模型(式(2))得到的綜合評價值(表7)。

表7 綜合評價結果

按照隸屬度最大原則判定黑樹鎮(zhèn)評價結果為優(yōu)，母享鎮(zhèn)和仁和鎮(zhèn)評價結果為良，坡頭鎮(zhèn)評價結果為中，其余評價對象評價結果為差。

表7中影響評價結果的僅僅只有最大隸屬度，其余隸屬度信息沒有納入考慮。為更加綜合所有隸屬度的信息，可以將表7的定性評價結果再做定量化分析。將優(yōu)良中差分別賦值4、3、2、1，將各評價對象各等級評價結果再次綜合得到綜合指數，如黑樹鎮(zhèn)最后綜合指數值為：0.096×1+0.150×2+0.342×3+0.483×4=3.354。

將各評價對象按此方法計算得分后排序得表8。

表8 綜合指數排序后結果

從表8中可以看出黑樹鎮(zhèn)的硫磺礦渣資源排名第一，母享鎮(zhèn)雖然在等級評價是為良，但根據綜合指數排名卻在等級為優(yōu)的坡頭鎮(zhèn)之上，排名第二。從權重分布和評價數據可以看出權重最大的兩個指標“TFe含量”和“TiO2的含量”兩者相差不大，但是比母享鎮(zhèn)面積小的坡頭鎮(zhèn)在“礦渣重量”和“礦渣密度”上具有絕對的優(yōu)勢，但從模糊綜合評價的數值結果來看，坡頭鎮(zhèn)雖然在“優(yōu)”的等級評分中得分略高，但在“良”的等級評分中遠低于母享鎮(zhèn)。因此，可以認為采用綜合指數排序的結果與實際情況更吻合。根據綜合指數繪制鎮(zhèn)雄各鄉(xiāng)鎮(zhèn)評價結果如圖2所示。

圖2 硫磺礦渣資源評價圖

4 結 論

本文針對鎮(zhèn)雄縣硫磺礦渣資源特點建立了綜合評價指標體系，以行政鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位，結合對黑樹、母享、大灣、坡頭等鄉(xiāng)鎮(zhèn)進行了綜合評價，得出以下結論。

1)硫磺礦渣的指標權重確定不應僅從數據出發(fā)，如指標“TFe含量”和“TiO2的含量”的數據離散度不高(表3)，但它們是重要的指標，而指標“地理面積”和“礦渣重量”剛好相反。因此，硫磺礦渣資源的綜合評價適合使用主客觀結合的層次分析法來確定權重。

2)指標的評價具有模糊性，通過專家意見制定各指標的等級標準，再綜合所有隸屬度信息，采用綜合指數排名，對硫磺礦渣資源的綜合評價更準確。

3)本文的評價結果與實際踏勘情況比較吻合(表3)，優(yōu)選的黑樹鎮(zhèn)可以作為資源優(yōu)勢典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)盡快開展后續(xù)的硫磺礦渣綜合利用驗證，盡快“變廢為寶”。

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Evaluation of sulfur slag resource based on fuzzy comprehensive evaluation

WEI Youhua1,2, ZHOU Xiangquan1, ZHANG Jiawen3, CAI Jianhui3, FANG Jingling3, LIU Bin1

(1.Geomathematics Key Lab of Sichuan Province, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;2.College of Geophysics, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;3.Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China)

Smelting sulfur has caused serious environmental pollution in Yunnan province Zhenxiong country. Besides, sulfur slag contains some recycled components, such as iron (Fe) and titanium (Ti). Comprehensive utilization of sulfur slag must be carried out due to the dual advantage of environmental and resource. The paper put forward a three-layer evaluation system which includes identifying and organizing decision objects, criteria and constraints into a three-layer hierarchy; evaluating pairwise comparisons between the 10 relevant elements at each level of the hierarchy; and the synthesis using the solution algorithm of the results of the pairwise comparisons over all levels. Further, the result gives relative importance of the 6 towns in Zhenxiong country. The results show that Heishu town ranks first both in the rating and comprehensive index evaluation which is consistent with the filed survey. The research results suggest Heishu town to be the model town of comprehensive utilization of sulfur slag.

sulphur slag resource; resources evaluation; evaluation index system; fuzzy comprehensive assessment method

2016-11-17

中國地質調查局地質調查項目資助(編號：12120113086700)；四川省社會科學基地項目資助(編號：SC15E008)

魏友華(1976-)，男，四川綿竹人，副教授，主要從事數學地質、應用數學的研究工作，E-mail:weiyouhua@cdut.cn。

X753

A

1004-4051(2017)05-0088-05