基于模糊層次分析法的資源開發(fā)優(yōu)化布局研究

張建芝

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊)，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

自改革開放以來，中國城市化發(fā)展迅速，城市化比率由1978年的17.8%增長到2019年的60.6%[1]，城市化迅速發(fā)展的同時也帶動了城市建設(shè)用地的迅猛增長[2-4]。礦產(chǎn)資源作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要物質(zhì)基礎(chǔ)，在城市化發(fā)展的進(jìn)程中起著至關(guān)重要的作用，然而城市建設(shè)用地的擴(kuò)張使得礦產(chǎn)資源開發(fā)不斷受限，同時，礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生的地面沉陷、水污染、大氣污染等一系列環(huán)境問題也制約著城市的進(jìn)一步發(fā)展，二者之間的矛盾愈發(fā)不可調(diào)和[4-7]。因此，研究如何高效配置城市建設(shè)用地和礦產(chǎn)資源2種資源，使得社會、經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)效益最大化，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。蔣冬梅[8]分析了中國煤炭城市地—礦沖突現(xiàn)狀，提出了將煤炭城市按照禁采、緩采和可采3個邊界，以及禁采建成區(qū)、限采可建區(qū)、緩采有條件建設(shè)區(qū)和可采禁建區(qū)四大管控區(qū)域調(diào)控地-礦沖突的思路。吳迪[9]從國土空間管理規(guī)劃的角度出發(fā)，分析了土地利用總體規(guī)劃、城市總體規(guī)劃和礦區(qū)總體規(guī)劃三者之間的矛盾，并進(jìn)行了優(yōu)化研究分析。

濟(jì)南北跨城市規(guī)劃區(qū)以建設(shè)新材料研發(fā)生產(chǎn)、旅游康體休閑為龍頭，以區(qū)域物流為支撐，集公共服務(wù)、生活居住、商業(yè)文娛為一體的現(xiàn)代化新城為發(fā)展定位；設(shè)立了“三年打基礎(chǔ)”“五年拉框架”“十年立新城”的發(fā)展戰(zhàn)略；確定了“一軸、二帶、兩園、四區(qū)”的城市空間結(jié)構(gòu)體系[10]。

本文以濟(jì)南北跨城市規(guī)劃區(qū)為例，開展區(qū)內(nèi)城市建設(shè)和礦產(chǎn)資源開發(fā)優(yōu)化布局研究，旨在為區(qū)內(nèi)城市建設(shè)用地和礦產(chǎn)資源優(yōu)化配置提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

濟(jì)南北跨城市規(guī)劃區(qū)重點(diǎn)研究范圍南起黃河，北至市域北邊界，包括濟(jì)陽縣崔寨鎮(zhèn)及天橋區(qū)大橋鎮(zhèn)、桑梓店鎮(zhèn)黃河以北區(qū)域，總面積約280.40km2。研究區(qū)內(nèi)主要礦產(chǎn)資源為煤和地?zé)幔黄渲忻禾抠Y源主要包括靳家礦區(qū)和高王礦區(qū)2處(圖1)。

1—靳家礦區(qū)范圍；2—高王勘查區(qū)范圍；3—行政界線；4—研究區(qū)范圍；5—地形等高線圖1 濟(jì)南北跨城市規(guī)劃區(qū)與煤炭資源礦業(yè)權(quán)設(shè)置位置關(guān)系圖

2 評價方法

模糊層次分析法是層次分析法和模糊綜合評價法的結(jié)合。其具有判斷矩陣的模糊性和計算的簡潔性特點(diǎn)，解決了一般層次分析法標(biāo)度繁瑣、判斷矩陣一致性難以達(dá)到的不足[11]。該方法的優(yōu)點(diǎn)為：簡化了人們判斷目標(biāo)相對重要性的復(fù)雜程度，利用優(yōu)先關(guān)系矩陣來定量的描述決策具有轉(zhuǎn)化方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)[12]。其建模步驟與層次分析法類似，大致分為建立層次分析結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造模糊判斷矩陣、模糊判斷矩陣一致性檢驗、排序優(yōu)選4個步驟。

3 評價模型建立

依據(jù)北跨區(qū)城市發(fā)展的需要、北跨區(qū)規(guī)劃的要求以及資源開發(fā)利用的現(xiàn)實(shí)可能性，同時為了比較土地和礦產(chǎn)2種資源開發(fā)利用的綜合效益，選擇合理的資源開發(fā)利用模式，設(shè)置“先建后采、先采后建、只建不采和只采不建”4種情景對2種資源的開發(fā)方式進(jìn)行模擬分析。為2種資源協(xié)同開發(fā)利用提供決策參考和優(yōu)化依據(jù)，具體分析框架如圖2所示。

圖2 資源開發(fā)情景模擬分析框架圖

根據(jù)《濟(jì)南市礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃》及建設(shè)項目壓覆礦產(chǎn)情況，將研究區(qū)內(nèi)的禁采區(qū)和建設(shè)項目已壓覆的礦產(chǎn)資源劃定為只建禁采區(qū)。對剩余的區(qū)域，根據(jù)構(gòu)造、水文等煤層賦存情況以及北跨區(qū)規(guī)劃建設(shè)用地類型等條件劃分為數(shù)個評價單元，對每一個評價單元分別進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益分析，并進(jìn)行綜合評價，根據(jù)評價結(jié)果確定煤炭資源開采方案。

3.1 評價單元劃分

首先根據(jù)研究區(qū)煤炭資源分布現(xiàn)狀及礦業(yè)權(quán)設(shè)置情況，將研究區(qū)劃分為無煤炭資源區(qū)(Ⅰ)和煤炭資源分布區(qū)(Ⅱ)，其中煤炭資源分布區(qū)又按照是否為已建項目壓覆資源區(qū)或政策禁采區(qū)、是否為建設(shè)用地規(guī)劃地塊以及所屬礦業(yè)權(quán)設(shè)置情況，劃分為7個不同評價單元。其中無煤炭資源區(qū)和已有建設(shè)項目已壓覆區(qū)均不進(jìn)行煤炭資源開采，不存在優(yōu)化問題。除此之外，其他塊段均為可利用資源，為本次優(yōu)化評價分析的重點(diǎn)。

3.2 評價指標(biāo)體系

基于北跨區(qū)城市建設(shè)和資源開發(fā)利用的現(xiàn)實(shí)可能性，選取經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益三類因子作為評價標(biāo)準(zhǔn)，在三類因子的基礎(chǔ)上選取9個單因子構(gòu)成評價指標(biāo)體系(表1)，分別對“先建后采、先采后建、只建不采和只采不建”四種模式進(jìn)行評價。

表1 評價指標(biāo)體系

3.3 評價方法

通過GIS空間分析技術(shù)，將各單元各評價因子的評價值進(jìn)行疊加處理，采用加權(quán)求和的方法求得各評價單元綜合各因素的綜合效益評價結(jié)果。

3.4 評價因子權(quán)重確定

本次運(yùn)用模糊層次分析法對各評價指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值。該方法在面對某一層評價指標(biāo)較多時，能夠保證思維的一致性，因而得到廣泛應(yīng)用[13-19]。首先通過因子間的比較獲得模糊矩陣，然后通過轉(zhuǎn)換獲得模糊一致性矩陣，最后經(jīng)歸一化處理得因子權(quán)重值。其中模糊矩陣的構(gòu)建通過因子間比較重要性得到，當(dāng)兩因子重要性相同時取值1/2，當(dāng)一個因子比另外一個因子重要時取值1，反之取值0。

根據(jù)各層次得到的權(quán)重向量應(yīng)用公式(1)計算：

aC總=aB×aC

(1)

可得到層次總排序，即得到評價指標(biāo)綜合權(quán)重，如表2所示。

表2 綜合效益評價指標(biāo)權(quán)重表

權(quán)重值大小反應(yīng)了評價指標(biāo)對于目標(biāo)層的貢獻(xiàn)程度，值越大說明貢獻(xiàn)程度越大，越重要。

3.5 評價因子分值確定

本次選取對研究區(qū)綜合效益影響較大的9個因子作為綜合效益分析的主要評價因子。根據(jù)各因子中不同要素對綜合效益影響重要程度的不同賦不同的等級值。采用德爾菲法確定單因子內(nèi)部的效益性評價分值，該方法廣泛應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域[20-24]。本次評價用0，1，3，5，7，9，11代表用地效益的高低，分值越高表示產(chǎn)生的效益越高(表3、表4、表5)。

表3 經(jīng)濟(jì)效益評價因子等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表4 環(huán)境效益評價因子等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表5 社會效益評價因子等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)評價因子賦值等級標(biāo)準(zhǔn)，在“先建后采、先采后建、只建不采和只采不建”4種不同方案下，分別對各評價單元中各因子進(jìn)行賦值，全部因子賦值后再進(jìn)行疊加處理，得到4種不同方案下，各評價單元各因子賦值結(jié)果。

4 評價結(jié)果及優(yōu)化布局方案

4.1 評價結(jié)果

根據(jù)確定的評價指標(biāo)權(quán)重及評價等級值，采用公式(1)計算各評價單元不同情景下的綜合效益綜合評價值，評價結(jié)果見表6。

表6 綜合效益評價結(jié)果表

對各評價單元不同情景下綜合評價值進(jìn)行兩兩比較，按評價值的大小進(jìn)行排序，排序順序代表該評價單元以綜合效益為目標(biāo)的最優(yōu)選擇方案順序。由評價結(jié)果表6可以看出，各評價單元最優(yōu)選擇方案優(yōu)先順序見表7。

表7 各評價單元最優(yōu)選擇方案順序

4.2 優(yōu)化布局方案

根據(jù)綜合評價結(jié)果同時結(jié)合北跨規(guī)劃布局以及政府其它相關(guān)政策規(guī)劃等，對本次研究區(qū)進(jìn)行建設(shè)優(yōu)化布局。結(jié)合綜合評價結(jié)果，將研究區(qū)全區(qū)按“先建后采”“先采后建”“只采不建”和“只建不采”4種情景進(jìn)行分區(qū)，各評價單元按綜合評價最大值方案布局，對于相鄰評價單元，情景相同的進(jìn)行合并處理。最后，經(jīng)研究區(qū)實(shí)地調(diào)查、專家討論以及建設(shè)用地政策性符合性驗證等，確定研究區(qū)城市建設(shè)規(guī)劃與煤炭資源開發(fā)優(yōu)化布局結(jié)果(表8，圖3)。

表8 研究區(qū)優(yōu)化布局結(jié)果表

1—只建不采區(qū)；2—先建后采區(qū)；3—先采后建區(qū)；4—只采不建區(qū)；5—評價單元分區(qū)界線；6—行政界線；7—礦區(qū)范圍；8—研究區(qū)范圍圖3 城市建設(shè)與煤炭開采優(yōu)化布局圖

5 結(jié)論

(1)本文運(yùn)用模糊層次分析法對濟(jì)南北跨城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)土地和煤炭2種資源的配置進(jìn)行了優(yōu)選評價，提出了城市建設(shè)和煤炭開采優(yōu)化布局方案，為行政主管部門制定相關(guān)決策方案提供了理論依據(jù)。

(2)本次采用模糊層次分析法設(shè)置了“先建后采”“先采后建”“只采不建”和“只建不采”4種情景，以評價區(qū)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益及生態(tài)效益最大化為目標(biāo)，兼顧考慮了各相關(guān)影響因素，優(yōu)化了研究區(qū)內(nèi)城市建設(shè)和煤炭開采布局方案，優(yōu)化方案與相關(guān)政策及當(dāng)?shù)貙?shí)際較為符合。該評價方法操作簡單、所需定量數(shù)據(jù)較少、結(jié)論明確易于掌握，可應(yīng)用于多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多時期的系統(tǒng)評價。