礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境定量評(píng)價(jià)的FAHP與可變模糊集模型

徐 佳

(山西財(cái)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，山西 太原 030006)

由于礦產(chǎn)資源長(zhǎng)期處于高強(qiáng)度無(wú)序開(kāi)發(fā)狀態(tài)，礦區(qū)及其鄰區(qū)地質(zhì)環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞，大大影響了礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。隨著“綠色礦山”理念的提出，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)得到了政府、企業(yè)、高校及科研院所的高度重視，對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，對(duì)于進(jìn)一步制定妥善的處理措施至關(guān)重要[1-3]。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)此進(jìn)行了大量研究，涌現(xiàn)出了如GIS空間數(shù)據(jù)疊加分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、廣義線性理論等方法[4-7]。其中，GIS空間數(shù)據(jù)疊加分析法主要基于網(wǎng)格法、矢量多邊形法、緩沖區(qū)法，通過(guò)空間分析及屬性計(jì)算進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)[8-10]，但基于網(wǎng)格法的GIS空間數(shù)據(jù)疊加分析法不易操作，易受評(píng)價(jià)者個(gè)人經(jīng)驗(yàn)影響，誤差較大；基于矢量多邊形法的GIS空間數(shù)據(jù)疊加分析法難以有效預(yù)測(cè)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境變化趨勢(shì)；基于緩沖區(qū)法的GIS空間數(shù)據(jù)疊加分析法難以體現(xiàn)較多的信息量，評(píng)價(jià)結(jié)果與礦區(qū)實(shí)際情況吻合度不高。模糊綜合評(píng)價(jià)法的隸屬函數(shù)需要人為選取，易增加評(píng)價(jià)的主觀性以及增大計(jì)算工作量。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法以大量樣本為基礎(chǔ)，在應(yīng)用中易受到礦區(qū)客觀條件限制而難以獲取大量有代表性的樣本數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性不高[11-13]。為對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，本研究將模糊層次分析法(FAHP)與可變模糊集相結(jié)合[14-15]，以寧夏某地區(qū)為例，對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境定量評(píng)價(jià)模型進(jìn)行構(gòu)建。

1 研究區(qū)概況

寧夏某地區(qū)各類礦山共有291座，其中能源類礦山44座(多數(shù)為煤礦，其他少部分為銅礦)，建材及其他非金屬類礦山127座，冶金輔助原料非金屬類礦山116座，化工原料非金屬礦山4座。區(qū)內(nèi)地形總體屬于低中山溶蝕地貌，地形切割較大，附近為單面山形態(tài)，構(gòu)造內(nèi)無(wú)較大斷層，局部地段見(jiàn)小褶曲和小斷裂。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，基本為單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。

該區(qū)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題最為顯著的礦山為煤礦，其次為灰?guī)r礦。該區(qū)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的主要問(wèn)題包括礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害、占用和破壞土地資源、水土污染及大氣污染等。其中，礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要包括地面坍陷、地面沉降、冒頂、突水、突泥、礦坑水污染等。該區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害種類多、發(fā)生頻率高、分布廣。由于礦山采掘活動(dòng)導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害共有54處，其中崩塌3處，滑坡5處，地裂縫15處，地面塌陷14處，礦坑突水10處，泥石流4處。該區(qū)由于礦業(yè)開(kāi)發(fā)占用和破壞的土地面積共計(jì)44.34 km2，約占全省礦山總破壞土地面積的45%。該區(qū)沿山分布的硅石礦因不規(guī)范開(kāi)采，導(dǎo)致整個(gè)山體滿目瘡痍，嚴(yán)重破壞了地貌景觀；煤礦開(kāi)采由于經(jīng)常將礦坑廢水、廢渣等隨意向附近溝谷排放，導(dǎo)致地表水受到極大污染[16]。

2 FAHP與可變模糊集模型評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

結(jié)合實(shí)地調(diào)研，本研究將礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為4個(gè)子系統(tǒng)，即：①礦山地質(zhì)背景(P1)，包括工程地質(zhì)條件(I1)、地形地貌(I2)、水文氣象(I3)、人類活動(dòng)強(qiáng)度(I4)等二級(jí)指標(biāo)；②地質(zhì)災(zāi)害(P2)，包括人員傷亡(I5)、經(jīng)濟(jì)損失(I6)、災(zāi)害類型(I7)、災(zāi)害規(guī)模(I8)、發(fā)生頻率(I9)等二級(jí)指標(biāo)；③資源毀壞(P3)，包括礦產(chǎn)資源破壞與浪費(fèi)(I10)、土地壓占與破壞(I11)、水資源破壞(I12)等二級(jí)指標(biāo)；④環(huán)境污染(P4)，包括粉塵污染(I13)、噪音污染(I14)、水污染(I15)、土壤污染(I16)等二級(jí)指標(biāo)。結(jié)合實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)以及專家打分結(jié)果，將各指標(biāo)值進(jìn)行了量化處理，并據(jù)此將各指標(biāo)劃分為Ⅰ級(jí)(優(yōu))、Ⅱ級(jí)(良)、Ⅲ級(jí)(中)、Ⅳ級(jí)(差)、Ⅴ級(jí)(極差)(表1)。

表1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)量值及評(píng)價(jià)等級(jí)

結(jié)合表1及區(qū)內(nèi)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，確定了各指標(biāo)的特征值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值

2.2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)

依據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況，對(duì)一級(jí)子系統(tǒng)以及二級(jí)評(píng)估指標(biāo)兩兩進(jìn)行了重要性比較，獲得一級(jí)子系統(tǒng)以及二級(jí)評(píng)估指標(biāo)的模糊互補(bǔ)判斷矩陣Q。按照可變模糊集模型對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

對(duì)Q進(jìn)行一致性檢測(cè)[17]獲得了該矩陣的一級(jí)相容性指標(biāo)，即：IQ=0.09、IP1=0.08、IP2=0.068、IP3=0.048、IP4=0.035，均小于0.1，可見(jiàn)本研究權(quán)重計(jì)算結(jié)果(表3)符合實(shí)際需求。

對(duì)P1、P2、P3、P4指標(biāo)對(duì)應(yīng)的綜合相對(duì)隸屬度矩陣進(jìn)行了求解，并按照級(jí)別特征計(jì)算公式[18-19]，計(jì)算了各一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境等級(jí)特征值，即HP1=2.45，HP2=2.46，HP3=2.65，HP4=2.24。在此基礎(chǔ)上，按照下式對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)等級(jí)特征值進(jìn)行計(jì)算，

式中，r為一級(jí)指標(biāo)數(shù)量；wr為各個(gè)一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重;Hpr為各一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境等級(jí)特征值。

經(jīng)計(jì)算，

H=2.45×0.258 2+2.46×0.104 7+2.65×

0.420 1+2.24×0.217 0≈2.489.

按照本研究等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(H∈(1.0,1.5]時(shí)，等級(jí)為I級(jí)；H∈(1.5,2.5]時(shí)，等級(jí)屬于Ⅱ級(jí)；H∈(2.5,3.5]時(shí)，等級(jí)為Ⅲ級(jí)；H∈(3.5,4.5]時(shí)，等級(jí)為Ⅳ級(jí)；H∈(4.5,5]時(shí)，等級(jí)為Ⅴ級(jí))，可知研究區(qū)綜合地質(zhì)環(huán)境等級(jí)為II級(jí)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境總體良好。進(jìn)一步分析可知，礦區(qū)地質(zhì)背景、地質(zhì)災(zāi)害以及環(huán)境污染的評(píng)價(jià)等級(jí)屬于II級(jí)較好水平，而資源毀壞評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，處于預(yù)警狀態(tài)，表明該礦區(qū)資源毀壞程度較嚴(yán)重，與該礦區(qū)礦產(chǎn)資源、土地資源破壞以及水資源污染現(xiàn)象普遍存在的實(shí)際情況較吻合，建議該區(qū)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理的重點(diǎn)是減少礦產(chǎn)資源浪費(fèi)，減少土地毀壞以及降低水資源污染。

3 結(jié) 語(yǔ)

以寧夏某地區(qū)為例，針對(duì)該區(qū)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征，將模糊層次分析法(FAHP)與可變模糊集相結(jié)合，構(gòu)建了一種礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境定量評(píng)價(jià)模型。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：該區(qū)最突出的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題是資源毀壞，區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源、土地資源浪費(fèi)較嚴(yán)重，水資源污染較突出，應(yīng)為該區(qū)下一步地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理的工作重點(diǎn)。

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