基于AHP 和集對分析法的煤礦生態環境可持續發展評價模型*

舒仕海，任建軍，阮毅，劉昌祥

(1.興義民族師范學院 物理與工程技術學院，貴州 興義市 562400；2.貴州盤江土城煤業有限公司，貴州 盤州市 553531)

在2019 年我國能源消費結構分布中，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、工程占地等生態環保問題。生態文明建設的要求對煤炭開采、加工、利用的約束作用日益增大[1]。

目前關于生態環境影響因素的評價方法主要有模糊評價法、灰色聚類法、BP 神經網絡等等[2?3]，但針對煤礦的生態環境評價鮮有報道，因為煤礦生態環境修復治理是一個比較系統且復雜的過程，建立符合煤礦生態環境可持續發展特征的評價體系是非常重要的。關于煤礦生態影響指標體系，暫無明確標準可參考，其模糊性和不確定性給研究者帶來了困擾[4]。為了提高煤礦企業安全高效發展水平和經濟效益，促進煤炭生產與生態環境協調發展勢在必行[5]。因此，利用AHP 耦合集對分析模型對煤礦生態環境可持續發展進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，研究結果可為煤礦環境保護和治理提供指導。

1 集對分析方法

1.1 聯系度

集對分析理論是由趙克勤在1989 年初次提出，集對分析實質上是一種處理系統不確定性問題的統計方法[6?7]，已在水資源承載、信息預測、頂板水害預測、泵送堵管等領域被廣泛應用[8?13]。關于要處理的問題，建立集對P=（H,R），其中H和R是兩個具有一定關聯度的集合。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，Q為兩個集合的對立特性數，F=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系度如下：

式中，i為差異度系數（i∈[?1, 1]）；j為對立度系數（j=?1），是指Q/N和S/N互相對立；若i=?1 時，差異度演變為對立度；若i=1 時，差異度演變為同一度；當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權重的聯系度μ，其表達式為：

1.2 集對勢

若a＞c，則兩個集合表現為同勢；若a=c，則兩個集合表現為均勢；若a＜c，則兩個集合表現為反勢；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，這對開展系統性問題研究意義重大。

2 構建評價指標體系

為了對某煤礦生態環境可持續發展做出評判，筆者進行現場調研并搜集瀏覽了大量文獻資料，征求煤礦環境評估專家意見，構建了指標體系模型，子目標層有生態制約因素、環境污染因素、開采影響因素，指標層有地質災害現狀、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、環境衛生狀況、地表塌陷、工程占地和資源損失量等指標因子，如圖1 所示。

圖1 煤礦生態環境可持續發展評價指標體系模型

3 利用AHP 計算各指標權重

層次分析法（AHP）是一種定性和定量相結合的研究方法[14?15]。其步驟如下。

（1）建立判斷矩陣G。采用1-9 標度法或其對應倒數對判斷矩陣因子進行賦值，判斷矩陣相互比較的標度意義見表1。

表1 判斷矩陣相互比較的標度意義

判斷矩陣為：

式中，gij是指標因素Gi和Gj重要度比較賦值。

判斷矩陣G具有的性質如下：gij＞0，gij=1/gji，gii=1（i,j=1, 2, 3…,m）。

（2）對指標權重進行計算并排序。

（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；RI為平均隨機一致性指標[16]，其參考值見表2。

表2 RI 參考值

4 工程實例應用

貴州某煤礦2011 年 5 月開工建設，2014 年7 月建設完工，經整合后其礦井生產能力為30 萬t/a。井田面積 1.0335 km2，服務年限 12.8 a。參考實地調研情況和煤礦環境評估專家意見，提出煤礦生態可持續發展評價指標體系。研究影響煤礦生態環境可持續發展的各個因素，并對煤礦生態環境可持續發展作出系統的評價。

4.1 目標層權重確定

目標層判斷矩陣F：

以上得出煤礦生態環境可持續發展評價目標層矩陣權重排序結果具備滿意的一致性。

4.2 子目標層權重計算

生態制約因素判斷矩陣：

通過利用AHP 確定模型各層指標的權重，并根據現場調研反饋與該煤礦環境評價報告書，得出的煤礦生態環境可持續發展的實際評價結果見表3，將這兩者構成兩個集合，采用集對分析理論對這兩個集合組成的集對進行討論。由上面計算得到的目標層的權重構成向量矩陣Z，結合實際情況，按良好、一般和較差3 個等級展開評價，對評價結果進行歸一化處理可得到同異反向量矩陣Y。

表3 煤礦生態環境可持續發展評價各層指標權重及評價結果

由式（2）可知某煤礦的生態環境可持續發展評價結果為：

4.3 聯系度分析

當i=0.5 時，μ=0.639，表明該煤礦生態環境可持續發展處于良好狀態；當i=0 時，μ=0.416，表明該煤礦生態環境可持續發展處于良好狀態；當i=?0.5 時，μ=0.193，表明該煤礦生態環境可持續發展處于一般狀態。即由特殊值法可得出該煤礦生態環境可持續發展處于相對良好的狀態。故認為該煤礦井工開采對礦區生態環境造成的影響較小，與現場調研結果和該煤礦環境評價報告書的結論相吻合。

4.4 集對勢探討

由聯系度表達式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，得出該系統的集對勢為同勢，即系統有相同的趨勢存在。同一度a=0.484，表明指標體系評價以良好狀態為主，但由于差異度的存在，部分指標可能會向一般甚至較差的趨勢轉變，所以該煤礦需進一步加強環境管理，完善和保障相關設施的穩定運行，使得煤礦生態環境始終處于良好可持續發展狀態，避免指標有惡化的趨勢。

4.5 不確定性分析

差異度b對影響該煤礦生態環境可持續發展的所有因素的不確定性大小有決定性作用，b值增大，則系統的不確定性也在增大，由于b=0.446，表明該研究系統有相應程度的不確定性存在。

5 結論

（1）針對煤礦生態環境可持續發展的影響因素構建其指標評價體系，利用AHP 確定各指標權重。實例分析證明，固體廢棄物、地質災害現狀、氣候氣象、水土流失是對煤礦生態環境可持續發展影響最大的4 個因素。在今后生產過程中，需借鑒國內外煤礦開采和生態環境修復治理的經典模式，采取相應措施加強生態環境恢復治理，促進該煤礦生態環境可持續發展。

（2）通過對i取特殊值，可以初步判斷煤礦生態環境可持續發展的狀態，i取值不同，則系統在同一、對立和不確定項間進行轉變，探討良好狀態、一般狀態等模糊語言所隱藏的不利因素，從而找出影響源，為煤礦生態環境管理工作提供科學指導。

（3）運用AHP 耦合集對分析模型對貴州某煤礦生態環境可持續發展進行評價，其評價結果為相對良好狀態，該結果與現場調研的實際情況和該煤礦環境評價報告書中的結論相符合，表明基于AHP耦合集對分析模型對煤礦生態環境可持續發展進行評價是可行的，其結果為實現煤礦綠色開采、促進煤炭生產與生態環境協調發展提供科學合理的決策方案。