層次分析法在鄂州金屬礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境影響分區(qū)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

張金朝, 石長(zhǎng)柏, 張 波, 肖志勇, 梁鵬程

((湖北省地質(zhì)局 第五地質(zhì)大隊(duì),湖北 黃石 435004)

層次分析法在鄂州金屬礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境影響分區(qū)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

張金朝, 石長(zhǎng)柏, 張 波, 肖志勇, 梁鵬程

((湖北省地質(zhì)局 第五地質(zhì)大隊(duì),湖北 黃石 435004)

在鄂州市金屬礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查的基礎(chǔ)上,選用層次分析法對(duì)其進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境影響分區(qū)評(píng)價(jià),通過(guò)建立評(píng)價(jià)函數(shù),選取地質(zhì)條件,礦山地質(zhì)災(zāi)害,占用及破壞土地資源,廢水、廢渣污染及地下水系統(tǒng)的影響等5個(gè)準(zhǔn)則層及18個(gè)評(píng)價(jià)因子,通過(guò)權(quán)重向量的賦值等手段,利用ArcGIS、MapGIS等軟件進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià),并結(jié)合各礦山實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)今后在開(kāi)展類似的礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)應(yīng)用中具有重要意義。

層次分析法;評(píng)價(jià)函數(shù);分區(qū)評(píng)價(jià)

層次分析法是指將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問(wèn)題作為一個(gè)系統(tǒng),將目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo)或準(zhǔn)則,進(jìn)而分解為多指標(biāo)(或準(zhǔn)則、約束)的若干層次,通過(guò)定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序(權(quán)數(shù))和總排序,以作為目標(biāo)(多指標(biāo))、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法,比較適合于具有分層交錯(cuò)評(píng)價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)系統(tǒng),而且目標(biāo)值又難于定量描述的決策問(wèn)題。具有把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià),能夠較好地解決模糊性問(wèn)題以及難量化的非確定性問(wèn)題的特點(diǎn)。

鄂州市金屬礦集區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)歷史悠久,受多年來(lái)的采礦活動(dòng)影響,礦區(qū)及周邊地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重,特別是對(duì)土地和地下水資源破壞尤甚,因采礦活動(dòng)誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害就有49處,占全市地質(zhì)災(zāi)害總點(diǎn)數(shù)的一半以上,嚴(yán)重威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。采用層次分析法對(duì)礦集區(qū)內(nèi)[1]礦山地質(zhì)環(huán)境影響進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià),為今后在此區(qū)域內(nèi)針對(duì)性地開(kāi)展礦山地質(zhì)環(huán)境治理與監(jiān)測(cè)提供依據(jù),并對(duì)鄂州市合理開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源、促進(jìn)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有一定指導(dǎo)意義。

1 礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題

通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查、資料搜集以及室內(nèi)資料的整理分析,礦集區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題有地質(zhì)災(zāi)害、占用及破壞土地資源、地下水系統(tǒng)的影響以及礦山廢水廢渣對(duì)環(huán)境的污染四大類。

1.1 地質(zhì)災(zāi)害

礦集區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害主要有地面塌陷、地面沉降、不穩(wěn)定斜坡以及滑坡,對(duì)礦山工作人員構(gòu)成威脅。其中地面塌陷17處,地面沉降12處,不穩(wěn)定斜坡19處(潛在崩塌16處,潛在滑坡2處,潛在泥石流1處)、滑坡1處,共計(jì)49處。災(zāi)害體總面積達(dá)77.4 hm2,造成直接經(jīng)濟(jì)損失18 451萬(wàn)元,災(zāi)害影響面積191.59 hm2,威脅人口2 373人,威脅財(cái)產(chǎn)17 970萬(wàn)元。

1.2 占用及破壞土地資源

礦集區(qū)內(nèi)該地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題較為普遍,基本上每個(gè)礦山都或多或少存在占用破壞土地的情況。據(jù)統(tǒng)計(jì),全區(qū)共計(jì)占用破壞土地資源累計(jì)350.152 5 hm2。按破壞類型來(lái)計(jì),以破壞林地最為嚴(yán)重,累計(jì)破壞林地130.10 hm2、耕地119.46 hm2、草地61.04 hm2、荒坡地4.28 hm2、其他地33.26 hm2。

1.3 地下水系統(tǒng)的影響及破壞

礦集區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)的影響與破壞具體表現(xiàn)為地下水位下降及礦區(qū)水均衡破壞。區(qū)內(nèi)累計(jì)影響范圍多達(dá)38.92 km2,地下水位最大下降幅度達(dá)200 m,地下水降落漏斗面積達(dá)到27 km2,造成大量水井、泉干涸,數(shù)萬(wàn)人飲水困難。

1.4 礦山廢水、廢渣污染

礦集區(qū)內(nèi)礦業(yè)開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的廢水包括礦坑水、選礦廢水、生活廢水等,廢渣包括廢石、尾礦等。根據(jù)本次調(diào)查統(tǒng)計(jì),礦集區(qū)內(nèi)礦山廢水年產(chǎn)出量4 405.3萬(wàn)m3,年排放量4 205.3萬(wàn)m3,其中礦坑水年產(chǎn)出量3 841.9萬(wàn)m3,年排放量3 641.9萬(wàn)m3,選礦廢水年產(chǎn)出408萬(wàn)m3,年排放量408萬(wàn)m3,生活廢水年產(chǎn)出量155.355萬(wàn)m3,年排放量155.28萬(wàn)m3,其綜合利用率為4.54%,年循環(huán)利用量為200.1萬(wàn)m3。

區(qū)內(nèi)目前積存固體廢棄物(廢石(渣)、尾礦)2 876.68萬(wàn)t,其中廢石(渣)堆20個(gè),尾礦庫(kù)26個(gè),各礦山年產(chǎn)固體廢棄物268萬(wàn)t。年綜合利用量67.7萬(wàn)t,年綜合利用率達(dá)25.3%。

2 分區(qū)評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法與步驟

2.1.1 評(píng)價(jià)方法

礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)體系中各屬性因子之間為不可公度值,即無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)本身進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì),而層次分析法是解決這類問(wèn)題的最有前景的方法,其通過(guò)系統(tǒng)分析,把復(fù)雜的問(wèn)題分解成有序的遞階層次結(jié)構(gòu),對(duì)各層的相關(guān)因子進(jìn)行兩兩比較,判斷各屬性因子的相對(duì)重要性而給予賦值,從而完成從定性分析到定量分析的過(guò)渡,適用于很難完全用定量的數(shù)學(xué)模型解決的復(fù)雜系統(tǒng)的評(píng)價(jià)問(wèn)題。

2.1.2 評(píng)價(jià)過(guò)程

層次分析法的基本步驟為:

(1) 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型。一般分為三層,最上面為目標(biāo)層,最下面為屬性層,中間為準(zhǔn)則層。本次評(píng)價(jià)遞階層次結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)表1。

(2) 構(gòu)造判斷矩陣。對(duì)同一層次的各因子對(duì)上一層次各準(zhǔn)則的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較,通過(guò)專家咨詢反饋確定標(biāo)度值。本次標(biāo)度值參考《廣東省礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合分區(qū)評(píng)價(jià)研究》[2]中給出的專家值,在yaahp軟件中構(gòu)造判斷矩陣,將矩陣正交化、歸一化。

(4) 組合權(quán)向量。組合權(quán)向量是第k層對(duì)第k-1層權(quán)向量為列向量所組成的矩陣,求得最下層對(duì)最上層的組合權(quán)重。

具體評(píng)價(jià)過(guò)程中,根據(jù)本次調(diào)查的鄂州市金屬礦集區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀,首先建立評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型,選取合理的評(píng)價(jià)要素指標(biāo)和評(píng)價(jià)因子,并邀請(qǐng)專家[3],對(duì)各目標(biāo)層及因子進(jìn)行重要性對(duì)比、打分,匯總進(jìn)行一致性檢驗(yàn),最終確定礦山地質(zhì)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)體系、要素和權(quán)重。并根據(jù)權(quán)重建立礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)綜合指數(shù)的數(shù)學(xué)模型[4],最終得出綜合分值圖進(jìn)行分區(qū)。

(1)

式中:A為礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)指數(shù);wi為組合權(quán)向量;ci為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的屬性因子。

2.2 評(píng)價(jià)因子的選取

礦集區(qū)內(nèi)影響地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題有地質(zhì)災(zāi)害、占用及破壞土地資源、地下水系統(tǒng)的影響以及廢水、廢渣對(duì)環(huán)境的污染四種。根據(jù)調(diào)查結(jié)果,最終確定5個(gè)準(zhǔn)則、18個(gè)評(píng)價(jià)因子,具體見(jiàn)表1。

2.3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

2.3.1 權(quán)重向量的賦值

權(quán)重向量的賦值是建立評(píng)價(jià)函數(shù)數(shù)學(xué)模型的核心問(wèn)題。本次評(píng)價(jià)方法為主觀賦權(quán)法,其源信息來(lái)自專家咨詢,利用專家群的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)[5],把復(fù)雜的問(wèn)題分解成有序的遞階層次結(jié)構(gòu),對(duì)各層的相關(guān)因子進(jìn)行兩兩比較,判斷各屬性因子的相對(duì)重要性而給予賦值。

設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)主線為聯(lián)合A、B、C、D等校企合作單位的電商營(yíng)銷產(chǎn)品及業(yè)務(wù)，并圍繞主線，設(shè)計(jì)涵蓋電商(商務(wù)秘書)崗位工作的核心任務(wù)。

2.3.2 定性指標(biāo)的賦值

由于指標(biāo)體系中各屬性因子的量綱和衡量尺度差異較大,相互間定量可比性較差。因此,對(duì)于缺乏定量數(shù)據(jù)的因子,采用定性描述賦予分值后進(jìn)行相對(duì)比較。分值體現(xiàn)的是指標(biāo)的相對(duì)程度。現(xiàn)設(shè)定每個(gè)定性要素滿分評(píng)分為10分,分?jǐn)?shù)越高,對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境影響越大。各等級(jí)分值,以在區(qū)間內(nèi)均勻分布為原則,進(jìn)行賦值。

2.3.3 歸一化處理

為便于各屬性因子之間具有可比性,應(yīng)對(duì)評(píng)分值的量化數(shù)值進(jìn)行歸一化及標(biāo)準(zhǔn)化處理,同時(shí)滿足保序性條件。對(duì)量化數(shù)值的歸一化處理采用的公式為:

y=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

對(duì)各數(shù)據(jù)的評(píng)分采用線性歸一化公式,使各因素之間有可比性。并根據(jù)專家打分結(jié)果,得到評(píng)價(jià)時(shí)各因子組合權(quán)重(見(jiàn)表1)。

2.4 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)綜合指數(shù)的數(shù)學(xué)模型公式(2),將不同的屬性因子歸結(jié)為一個(gè)定量值。分別根據(jù)定性及定量數(shù)據(jù)的評(píng)分方法對(duì)各因素進(jìn)行評(píng)分,根據(jù)各要素特點(diǎn),結(jié)合調(diào)查區(qū)域的實(shí)際情況,確定值域。利用ArcGIS強(qiáng)大的

表1 評(píng)價(jià)因子一覽表

空間分析功能[6],針對(duì)其中9個(gè)評(píng)價(jià)因子按照各自的緩沖半徑進(jìn)行緩沖區(qū)分析(表2),將結(jié)果圖層按照評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行疊加分析,最終生成綜合評(píng)分分值分布圖。根據(jù)A值大小,結(jié)合各礦山實(shí)際情況進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境影響綜合分區(qū)。

2.4.1 賦值范圍(緩沖區(qū))的確定

按地質(zhì)環(huán)境破壞程度及影響范圍大小并遵循均勻布點(diǎn)、控制全區(qū)的原則,為各圖層設(shè)置緩沖范圍,其中壓占與破壞土地面積、廢渣累積積存量、廢水年排放量、廢渣年排放量等礦山數(shù)據(jù)以礦山主井或主要露采位置為中心,以礦權(quán)面積為依據(jù),緩沖(r+1)km,其中r為等效半徑。其他各圖層,緩沖范圍按照地質(zhì)環(huán)境破壞形式、規(guī)模等分別生成矢量緩沖區(qū),緩沖區(qū)情況如表2。

2.4.2 最終分值的確定

第一步,將篩選后的各礦山按表1的各屬性因子進(jìn)行賦值[7]。

表2 緩沖區(qū)范圍一覽表

第二步,針對(duì)賦值結(jié)果,按公式(2)對(duì)各屬性因子數(shù)值進(jìn)行歸一化處理。

第三步,在ArcGIS軟件中錄入各圖層各屬性因子的評(píng)分值,對(duì)各屬性進(jìn)行聚合生成綜合評(píng)分。

第四步,根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律,采用自然間斷分級(jí)法,將調(diào)查區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響程度分為三個(gè)等級(jí),間斷點(diǎn)分別為0、3.02、6.09。區(qū)域綜合評(píng)價(jià)值頻數(shù)分布見(jiàn)圖1。

圖1 區(qū)域綜合評(píng)價(jià)值頻數(shù)分布圖Fig.1 Distribution map of frequency of comprehensive evaluation value at the area

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)鄂州市礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境影響綜合分區(qū)原則及分區(qū)方法,在MapGIS軟件中成圖,最終確定礦山地質(zhì)環(huán)境嚴(yán)重影響區(qū)、較嚴(yán)重影響區(qū)和一般影響區(qū)三個(gè)級(jí)別,其中嚴(yán)重影響區(qū)有4處,較嚴(yán)重影響區(qū)有3處,一般影響區(qū)有1處,具體分區(qū)情況見(jiàn)表3,具體范圍見(jiàn)圖2。

表3 礦山地質(zhì)環(huán)境影響綜合分區(qū)情況一覽表

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果礦集區(qū)內(nèi)嚴(yán)重影響區(qū)共有4處,集中在礦山開(kāi)發(fā)強(qiáng)烈及地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域,總面積約18 km2,占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的11.1%;較嚴(yán)重影響區(qū)有3處,集中在礦山開(kāi)發(fā)較強(qiáng)烈區(qū)域,總面積約51.22 km2,占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的31.6%。一般影響區(qū)、嚴(yán)重區(qū)、較嚴(yán)重區(qū)以外的其它地區(qū),總面積達(dá)92.78 km2,占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的57.3%。主要為限采區(qū)、禁采區(qū)及礦山分布密度較小的地區(qū)。

圖2 鄂州市金屬礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境影響綜合分區(qū)圖Fig.2 Comprehensive zoning map of degree of influence for mining geological environment of Ezhou city

經(jīng)驗(yàn)證,其中4處嚴(yán)重影響區(qū)分別為澤林中心城區(qū)、程潮鐵礦地災(zāi)易發(fā)區(qū)、陳盛礦區(qū)、大洪山—巷子口礦區(qū),區(qū)內(nèi)人口密集,采礦活動(dòng)強(qiáng)烈、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),對(duì)周邊環(huán)境影響嚴(yán)重,與分區(qū)結(jié)果基本吻合;較嚴(yán)重影響區(qū)和一般影響區(qū)與實(shí)際情況也基本一致。

4 結(jié)論

在鄂州市金屬礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查的基礎(chǔ)上,選用層次分析法對(duì)其進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境影響分區(qū)評(píng)價(jià),通過(guò)建立評(píng)價(jià)函數(shù),選取合適的評(píng)價(jià)因子、要素及權(quán)重,利用ArcGIS、MapGIS等軟件進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià),并結(jié)合各礦山實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證,得到了比較合理的評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果,其優(yōu)點(diǎn)在于能夠利用模糊綜合評(píng)價(jià)法,解決了很難完全用定量的數(shù)學(xué)模型解決的復(fù)雜系統(tǒng)的評(píng)價(jià)問(wèn)題,為今后在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境治理與監(jiān)測(cè)提供了依據(jù),對(duì)今后在其他區(qū)域開(kāi)展類似的礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作提供了借鑒。

層次分析法的缺點(diǎn)為定性分析較多,定量分析較少,各種權(quán)重賦值較復(fù)雜,不易操作。所以應(yīng)用時(shí),需特別注意評(píng)價(jià)因子的選擇和權(quán)重的確定,以保證評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)、合理。另外層次分析法只能評(píng)價(jià)出相對(duì)的結(jié)果,準(zhǔn)確的結(jié)果需要反復(fù)驗(yàn)證,并將ArcGIS軟件評(píng)價(jià)結(jié)果與環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題、地質(zhì)背景應(yīng)用實(shí)際等對(duì)照,確認(rèn)分區(qū)界限分值,并根據(jù)實(shí)際情況修正明顯不合理的分區(qū)界線,對(duì)特定地區(qū)要進(jìn)行特殊處理。

[1] 張金朝,梁鵬程,袁章.鄂州市金屬礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)報(bào)告[R].鄂州:湖北省鄂州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)站,2016.

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[3] 武漢市淺層地溫能評(píng)價(jià)課題組.武漢市淺層地溫能評(píng)價(jià)報(bào)告[R].武漢:武漢市地質(zhì)工程勘察院,2013.

[4] 孫麗娜,李英華,姜瑩,等.遼寧省礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)[J].水土保持研究,2006,13(3):249-251.

[5] 李超,徐賜文.層次分析法中判斷矩陣一致性的改進(jìn)方法[J].科技傳播,2011(15):161-161.

[6] 陳橋,胡克,雒昆利,等.基于AHP法的礦山生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)模式研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,35(3):377-383.

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(責(zé)任編輯：陳姣霞)

The Application of AHP in Zoning Evaluation of Mine Geological EnvironmentImpaction in Concentrating Area of Ezhou City

ZHANG Jinzhao, SHI Changbai, ZHANG Bo, XIAO Zhiyong, LIANG Pengcheng

(FifthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Huangshi,Hubei435004)

On the basis of the investigation of the mine geological environment about concentrating area of Ezhou city,the authors choose AHP to assess mine geological environment impact,based on establishingevaluation function,selecting function of mine geological environment impaction in Ezhou.5 criterion layer included geological conditions,mine geological hazards,occupation and destruction of land resources,waste water,waste residue pollution and groundwater system and 18 rating factors assignment,select appropriate evaluation factors,calculate evaluation factors’weight.By means of weight vector assignment and other means,the ArcGIS,MapGIS and other software on the partition evaluation,the authors verify the actual situation of the mine. It has great significance for the evaluation method about evaluation of mine geological environment later.

analytic hierarchy process; evaluation function; zoning evaluation

2016-08-29;改回日期:2016-10-09

張金朝(1992-),男,助理工程師,水文與水資源工程專業(yè),從事水工環(huán)及地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)等工作。E-mail:1820242290@qq.com

X141

A

1671-1211(2016)06-0934-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.024

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161109.1112.010.html 數(shù)字出版日期:2016-11-09 11:12