基于AHP法的陽城縣礦山地質環境質量評價

焦 姍,侯曉暉,武國輝

(中國冶金地質總局 第三地質勘查院,太原 030002)

山西省是我國煤炭儲藏量和開采量大省,煤炭產量占全國總產量30%以上,煤炭開采除了帶來提高當地的經濟水平和相關產業的發展等優勢,伴隨而來的地質環境惡化、生態環境破壞等劣勢已經不容忽視,為了實現可持續發展,了解礦山地質環境質量,開展礦山地質環境調查工作是很有必要的。而礦山地質環境質量評價是礦山地質環境調查工作的重要環節[1],是按照一定的評價標準和評價方法對某個礦山的地質環境進行定量化描述,研究對象主要為礦山的地質環境和空間環境[2],目的是評價礦山范圍內的地質環境質量的優劣和礦山開采對地質環境的影響程度,為礦山開采、治理和恢復提供依據。

應用較為廣泛的礦山地質環境質量評價方法有專家打分法、序列綜合法、數理統計法、層次分析法和熵值法等。相比于其他的方法并沒有很好的結合客觀要素和主觀要素,層析分析法較為客觀,原理簡單,步驟計算較為清楚,應用廣泛[3-5],并且結合之前礦山地質環境調查的資料和數據,選用層次分析法可以較好地反映調查區礦山的地質環境質量。隨著遙感技術的發展,將“3S”[6-7]技術引用到地質環境質量評價中可以提高評價的效率和依據。此外,證據權法、多尺度法和Matlab神經網絡等方法[8-10]的應用使得礦山地質環境評價更為精確有效。

本文以陽城縣煤礦為例利用層次分析法進行礦山地質環境質量評價，為了更好地了解每個煤礦的地質環境質量情況，直接利用AHP法計算將每個礦山地質環境質量進行定級，為煤礦以后的開采及及時的治理恢復工作提供依據。

1 陽城縣煤礦基本概況

陽城縣位于山西省晉城市東南部,地理坐標在東經112°0′～112°37',北緯35°12′～35°40′之間。由于陽城縣礦區大部分屬于沁水煤田,煤礦開采及相關產業目前依舊是當地的支柱產業,主要開采3#、9#、15#煤層,加上當地的地層、地質構造的影響以及為了提高煤層開采效率,開采過程中預留煤柱較少的原因,導致區內出現大面積的采空區,采空區的繼續變形發展引發了地面變形,產生了大量地面塌陷、地裂縫、崩塌和滑坡等地質災害。此外,由于當地典型的東亞暖溫帶大陸性氣候帶來的夏季大量降雨,導致出現大量的滑坡和泥石流隱患,給當地人民帶來了嚴重的財產和生命安全的威脅。因此,在陽城縣開展了地質環境調查工作,著重調查礦區內的地質災害和災害隱患情況。根據調查部署,有29座煤礦在調查范圍內,面積達到276 km2。

2 礦山地質環境質量評價

采用層次分析法計算礦山地質環境質量的過程和步驟如下:

2.1 建立地質環境質量指標評價體系

根據層次分析法的基本原理,地質環境評價可劃分為目標層、準則層和指標層三個層次。

因此本次地質環境質量評價選用的指標體系也分為三個層次,第一層為目標層A,第二層為準則層,即A={A1,A2},第三層為各個評價指標,即A1={A11,A12,A13,A14},A2={A21,A22,A23,A24}。結合指標選取的針對性、簡明性、普適性、數據易取得、指標可量化和動態和靜態相結合的原則,并結合實際情況,最終選取的指標體系結果見表1。

2.2 構造判斷矩陣

根據T.L.Satty的1—9標度(表2)和山西省礦山地質環境質量綜合指數評價指標體系,得到判斷矩陣:

表2 判斷矩陣中因子的標度及其含義Table 2 Scales and meanings of factors in judgment matrix

根據表2中的判斷矩陣中因子的確定依據,對指標層和準則層的各要素之間進行比較,并構造指標層和準則層中各要素的兩兩比較判斷矩陣:

A=(aij)n×n.

(1)

式中:aij>0,aji=1/aij,aii=1。

最終確定了指標體系的判斷矩陣如表3、表4和表5所示:

表3 相對目標層A的判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of relative target layer A

表4 相對指標層A1的判斷矩陣Table 4 Judgment matrix of relative indicator layer A1

表5 相對指標層A2的判斷矩陣Table 5 Judgment matrix of relative indicator layer A2

2.3 權重計算與排序

何芳等[11]總結了各種權重方法的優缺點,考慮各種主觀因素和客觀因素,本文利用方根法求解A的歸一化特征向量和特征值來得到結構層中的相對權重,所求特征向量即為各因子的權重:

1)將判斷矩陣的元素按照行相乘:

(2)

式中:ui為i行共j個元素的累乘;aij為第i行第j個元素,將所得的乘積分別開n次方:

(3)

2)根據向量正規化,可得排序權向量Wi:

(4)

特征向量W的分量即為每個指標對應的權重值,通過此方法以此類推可計算得到指標層相對于準則層、準則層相對于目標層的權重。

3)判斷矩陣的一致性：

計算判斷矩陣的最大特征根λmax:

(5)

(AW)i為向量AW的第i個分量;

(6)

RI為平均隨機一致性指標,查表6。

表6 RI取值Table 6 RI values

CR<0.10,可認為矩陣具有滿意的一致性。

采用方根法計算得到各層指標的組合權重值,并且經過一致性檢驗,具有滿意的一致性,具體如表7所示。

表7 各層指標的組合權重值Table 7 Combined weights of indicators from various layers

2.4 礦山地質環境質量評價值計算

首先將因子指標進行標準化,因子指標數據標準化方法有:極差標準化法、百分比標準化法、模糊數學法、正逆指標標準化法和分級給分法。本次因子標準化方法采用百分比標準化法。其中參照值的選擇主要參考一些國家標準值、背景值、極限值、省市平均值。其計算方法如下:

D=C/S.

(7)

式中:D為標準化后值;S為參照值;C為實際值。

然后礦山地質環境質量評價值利用如下公式先對指標層進行計算,直到目標層。

(8)

式中:A為某一指標評價計算值;Di為指標標準化后結果值;ωi為指標對應的權重值;j,m為指標的序號。

最終得到資源影響指標A1和地質災害指標A2的評價值。再根據公式計算得到各個煤礦的環境地質質量評價值,與等級范圍值比較,得到每個煤礦的礦山地質環境質量評價等級。

2.5 評價等級值計算

評價等級值的建立是為了評價調查區內各個礦山的地質環境質量,建立各個等級評價閾值。目前,在建立評價等級的時候大多采用人為分等定級,即評價等級值根據評價者或專家進行人為的分等定級。本次采用一種通過運算建立起來的評價等級值,克服了主觀性,其建立過程為:

根據礦區地質環境特性和評價要求,劃分礦山地質環境質量等級。本次調查將礦山地質環境質量劃分為Ⅰ(嚴重)Ⅱ(較嚴重)Ⅲ(一般嚴重)Ⅳ(輕微嚴重)。

運用前面已經確定的每個指標的權重值,計算不同等級下的礦山地質環境質量閾值。每個等級閾值的確定必須依據相關標準和規范,并且注意結合實際。

根據最后所計算的每個等級的閾值,確定每個等級的范圍值。最后根據計算得到的等級閾值與煤礦的評價計算值相比,確定出每個煤礦的礦山地質環境質量等級,根據等級劃分情況合理確定礦山治理和恢復方法。

3 實例計算

以陽城縣某煤礦為例來說明基于AHP法的礦山地質環境評價模型,如表8所示。

表8 陽城縣某煤礦礦山地質環境質量評價(AHP法)Table 8 Quality evaluation of mine geological environment in some mine, Yangcheng County (AHP method)

并且計算得到了各個等級的評價閾值:Ⅰ(>3.319 8)，Ⅱ(3.319 8～2.722 0)，Ⅲ(2.722 0～2.018 1)，Ⅳ(2.018 1～1.243 1)。

與各個等級閾值比較,發現該煤礦地質環境質量屬于“嚴重”等級,建議對煤礦的采空區進行治理恢復,改善環境。與得到的遙感資料對比是相符的,該煤礦的地質環境質量確實惡劣。

利用層次分析法對陽城縣其余28座煤礦進行礦山地質環境質量評價,四個等級的煤礦分布為:Ⅰ(嚴重):1座;Ⅱ(較嚴重):15座;Ⅲ(一般嚴重):7座;Ⅳ(輕微嚴重):5座。

4 結論

1)利用層次分析法對陽城縣煤礦進行礦山地質環境質量評價,結果與遙感資料和實際調查情況符合。

2)通過本文計算,可知陽城縣的礦山地質環境質量破壞較為嚴重。根據野外實地調查結果,嚴重和較嚴重的煤礦大面積的地面塌陷、地裂縫直接破壞農田、林地、園地及公路等,地面整體下沉、地面輕微變形導致房屋、輸電線路等設施破壞、黃土邊坡土體松散、巖質邊坡裂隙發育,加上人工開挖、降雨等誘發因素,極易導致滑坡、崩塌、泥石流等地質災害。而一般嚴重和輕微嚴重的煤礦,地面塌陷和地面變形嚴重程度較小,影響農田、房屋進行及時填埋修復治理可以恢復正常的生產和生活。煤矸石等物源區不充足,加之人類活動不強烈,導致崩塌、災害、泥石流隱患較小,發生地質災害概率較低。

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