基于框架模型的煤層氣開發生態效應評價

裴亞托張凌坤何金昆笪鵬陳京生

（1.中國石油華北油田采油工程研究院；2.中國石油華北油田油田公司質量安全環保處；3.中國石油天然氣管道局管道技術研發工場；4.中海石油（中國）有限公司天津分公司；5.中國石油華北油田采油一廠）

基于框架模型的煤層氣開發生態效應評價

裴亞托1張凌坤2何金昆3笪鵬4陳京生5

（1.中國石油華北油田采油工程研究院；2.中國石油華北油田油田公司質量安全環保處；3.中國石油天然氣管道局管道技術研發工場；4.中海石油（中國）有限公司天津分公司；5.中國石油華北油田采油一廠）

針對山西煤層氣生態系統特征，運用“壓力-狀態-響應”（PSR）評價模型，構建了煤層氣生態系統評價框架和評價指標體系，采用層次法對其進行了評價。評價結果表明：煤層氣開發排放的煤層采出水和鉆井廢液、建設過程產生的廢棄土方、植被破壞對生態環境影響較大。應及時采取有效措施保護煤層氣開發的生態環境。

PSR評價模型；生態系統；評價指標體系

0 引 言

近年來隨著煤層氣的大量開采帶來了諸多益處，但是對生態環境也產生一定負面影響。本文以山西煤層氣為例，應用PSR評價模型對其生態效應進行評價，對煤層氣生態效應的評價和完善具有應用價值［1-2］。

1 PSR評價模型建立

PSR模型具有非常清晰的因果關系［1］，即人類活動對環境施加了一定的壓力，環境狀態發生了一定的變化，人類社會應對環境狀態的變化作出反應，減輕、改變或者預防消極的環境影響，以恢復環境質量或者防止環境退化。本文借鑒此思路，根據煤層氣開發的生態環境特點，形成了煤層氣開發生態效應評價指標體系的框架，見圖1。

圖1 PSR模型框架

2 生態效應評價指標體系的建立

根據指標選取系統性與全面性、穩定性與動態性、獨立性與相關性及可獲得性等原則［2］，并根據PSR框架模型及煤層氣開發狀況進行了資料收集與實地調研。

本文主要從資源能源的消耗與利用、污染物排放及治理等角度對煤層氣開發的生態影響進行定量研究［3］。該指標體系包含準則層A層級壓力、狀態、響應3個指標，資源消耗利用、污染物產生、自然資源現狀等9個準則層B層級，及其指標層的26個指標，其中：壓力層面包含7個指標，分別從資源消耗利用、污染物產生等兩個方面反映煤層氣開發對環境產生的壓力；狀態層面包含13個指標，分別從自然資源現狀、土壤質量、地表水水質、生態系統變化等4個方面反映煤層氣開發活動對環境產生的影響；響應層面包含6個指標，分別從廢物綜合利用、生態環境治理及環境管理措施等方面反映企業、政府等為應對和消除煤層氣開發活動的負面影響作出的響應［4］。

3 煤層氣開發的生態效應評價

3.1 AHP評價方法簡介

層次分析法（TheAnalyticalHierarchProcess，AHP）是一種定性判斷與定量分析相結合的多目標決策分析方法。AHP法將復雜問題的各個因素劃分為相互聯系的有序層次，然后客觀判斷同級同一組內的因子兩兩之間的相對重要性，確定各層評價因子的權重，AHP法大體包含以下步驟：建立評價對象評價指標體系；通過向專家咨詢得出評價指標的相對值，構造判斷矩陣，并計算相對權重；通過一致性檢驗來驗證結果的科學性，進行總和評價。該方法在多目標決策及環境質量評價中被廣泛應用［3-4］，是目前系統工程處理定性與定量相結合問題的比較簡便而又行之有效的方法。

3.2 評價指標權重的確定

不同的評價因素其重要程度以及對評價結果所作的貢獻不同，因此，需要給各指標分別賦予一個權重，使其能體現各自的重要性，由此得到諸因素的權重分配集W＝｛w1，w2，w3，……wi｝。本文采用層次分析法確定煤層氣開發對環境影響的各指標的權重，其主要步驟如下：

建立層次結構模型

建立的層次結構模型如圖1所示。

構造判斷矩陣

這是進行層次分析的一個關鍵步驟。在每一層次上，對該層指標進行逐對比較，按照規定的9標度方法，構造數值判斷矩陣。本研究采用專家打分法對層次結構中各個指標進行重要性的單排序，然后進行一致性檢驗。利用方根法計算判斷矩陣的最大特征值和特征向量。

層次單排序的一致性檢驗

根據專家打分法構造的判斷矩陣，計算對于上一層某因子而言，本層次與之有聯系的所有因素的權重。

為度量判斷矩陣偏離一致性的程度，引入判斷矩陣最大特征值以外的其余特征根的負平均值CI：

式中，λmax為判斷矩陣的最大特征根，n為指標的數目。當判斷矩陣具有完全一致性時，CI＝0。CI愈大，矩陣的一致性愈差。

為度量不同判斷矩陣是否有滿意的一致性，引進平均隨機一致性指標RI。RI值見表1。計算隨機一致性比率CR＝CI／RI。當CR＜0.10時，矩陣具有滿意的一致性，否則應重新構造判斷矩陣，直到具有滿意的一致性為止。

表1 平均隨機一致性指標RI

層次總排序

利用同一層次中所有層次單排序的結果，可以計算出針對最高層（目標層）而言的本層次所有元素的重要性權重值，這就稱為層次總排序。層次總排序需要從上到下逐層順序進行，對目標層而言，層次單排序就是總排序。

層次總排序的一致性檢驗

層次總排序即利用同一層次中所有層次單排序的結果，以及上層次所有元素的權重，來計算針對總目標而言本層次所有因素權重值的過程。層次總排序一致性比率為：

當CR＜0.10時，層次總排序結果是滿意的。基于以上步驟，計算出各評價指標的權重值，見表2。對層次單排序的一致性檢驗和層次總排序的一致性檢驗表明，結果是滿意的。

4 評價結果分析

根據煤層氣開發的生態效應評價指標權重分析，壓力指標共篩選出4種生態負效應影響較大的因素，并將其在壓力指標層進行排序，其中對煤層氣開發生態效應影響最大的因子是煤層氣采出水的產生，其次是鉆井廢液，植被破壞面積和開發過程產生的廢棄土次之；狀態指標共篩選出4種狀態指標，即分別為水土流失、土壤中As和Fe含量、植被覆蓋度，表明煤層氣開發對這4個狀態指標影響較大；響應指標共篩選出4種響應措施，即分別是植被恢復率、生態環境污染治理、鉆井廢液處理率和煤層氣采出水處理。

通過煤層氣開發生態效應評價結果的分析，得知：煤層氣開發排放的煤層氣采出水和鉆井廢液、建設過程產生的廢棄土方、植被破壞對生態環境影響較大。主要影響土壤中的As和Fe含量、植被覆蓋度，加劇水土流失，這有助于更好地采取有針對性的處理和防護措施。因此，要從源頭上減少鉆井廢液和煤層氣的產生量，盡量減少井場、集氣站等建設工程的臨時占地，減少對植被的破壞面積和廢棄土方量；從而保護煤層氣開發的生態環境，實現煤層氣開發的經濟效益、環境效益、社會效益最大化［5-6］。

［1］ 趙偉，謝德體.基于PSR的重慶市“一小時經濟圈”生態環境評價研究［J］.長江流域資源與環境，2009，18（6）：568-571.

［2］ 鄧志，杭艷紅，徐智.基于PSR模型的齊齊哈爾市土地集約利用評價研究［J］.國土資源科技管理，2011，28（1）：62-66.

［3］ 吳剛，魏晶，張萍，等.三峽庫區農林復合生態系統的效益評價［J］.生態學報，2002，22（2）：233-239.

表2 煤層氣開發生態效應評價的指標權重

［4］ 徐建華.現代地理學中的數學方法［M］.北京：高等教育出版社，1996：115-128.

［5］ 王培東，趙麗，楊皓，等.基于PSR模型的滄州市農用地集約利用評價研究［J］.中國農業資源與區劃，2013（4）：24-26.

［6］ 李旭.世界煤層氣開發利用現狀［J］.煤炭加工與綜合利用，2006（6）：17-20.

（編輯 李娟）

10.3969／j.issn.1005-3158.2015.01.009

：1005-3158（2015）01-0025-03

2014-05-30）

裴亞托，2007年畢業于天津理工大學環境及安全工程專業，碩士，現在中國石油華北油田采油工程研究院質量安全環保站從事環境、安全管理工作。通信地址：河北省任丘市華北油田采油工程研究院安全環保站，062552