礦區地質環境定量評價的FAHP與可變模糊集模型

2018-03-23 02:53:37徐佳

金屬礦山 2018年3期

徐佳

(山西財貿職業技術學院信息工程系，山西太原 030006)

由于礦產資源長期處于高強度無序開發狀態，礦區及其鄰區地質環境遭到了嚴重破壞，大大影響了礦區可持續發展。隨著“綠色礦山”理念的提出，礦區地質環境保護得到了政府、企業、高校及科研院所的高度重視，對礦區地質環境進行準確評價，對于進一步制定妥善的處理措施至關重要[1-3]。近年來，學術界對此進行了大量研究，涌現出了如GIS空間數據疊加分析法、模糊綜合評價法、BP神經網絡、廣義線性理論等方法[4-7]。其中，GIS空間數據疊加分析法主要基于網格法、矢量多邊形法、緩沖區法，通過空間分析及屬性計算進行地質環境評價[8-10]，但基于網格法的GIS空間數據疊加分析法不易操作，易受評價者個人經驗影響，誤差較大；基于矢量多邊形法的GIS空間數據疊加分析法難以有效預測礦區地質環境變化趨勢；基于緩沖區法的GIS空間數據疊加分析法難以體現較多的信息量，評價結果與礦區實際情況吻合度不高。模糊綜合評價法的隸屬函數需要人為選取，易增加評價的主觀性以及增大計算工作量。BP神經網絡預測法以大量樣本為基礎，在應用中易受到礦區客觀條件限制而難以獲取大量有代表性的樣本數據，從而導致評價結果準確性不高[11-13]。為對礦區地質環境進行定量評價，本研究將模糊層次分析法(FAHP)與可變模糊集相結合[14-15]，以寧夏某地區為例，對礦區地質環境定量評價模型進行構建。

1 研究區概況

寧夏某地區各類礦山共有291座，其中能源類礦山44座(多數為煤礦，其他少部分為銅礦)，建材及其他非金屬類礦山127座，冶金輔助原料非金屬類礦山116座，化工原料非金屬礦山4座。區內地形總體屬于低中山溶蝕地貌，地形切割較大，附近為單面山形態，構造內無較大斷層，局部地段見小褶曲和小斷裂。區內構造簡單，基本為單斜構造，區內屬于亞熱帶季風氣候。

該區地質環境問題最為顯著的礦山為煤礦，其次為灰巖礦。該區礦區地質環境的主要問題包括礦區地質災害、占用和破壞土地資源、水土污染及大氣污染等。其中，礦區地質災害主要包括地面坍陷、地面沉降、冒頂、突水、突泥、礦坑水污染等。該區礦山地質災害種類多、發生頻率高、分布廣。由于礦山采掘活動導致的地質災害共有54處，其中崩塌3處，滑坡5處，地裂縫15處，地面塌陷14處，礦坑突水10處，泥石流4處。該區由于礦業開發占用和破壞的土地面積共計44.34 km2，約占全省礦山總破壞土地面積的45%。該區沿山分布的硅石礦因不規范開采，導致整個山體滿目瘡痍，嚴重破壞了地貌景觀；煤礦開采由于經常將礦坑廢水、廢渣等隨意向附近溝谷排放，導致地表水受到極大污染[16]。

2 FAHP與可變模糊集模型評價

2.1 評價指標體系構建

結合實地調研，本研究將礦區地質環境綜合評價指標體系分為4個子系統，即：①礦山地質背景(P1)，包括工程地質條件(I1)、地形地貌(I2)、水文氣象(I3)、人類活動強度(I4)等二級指標；②地質災害(P2)，包括人員傷亡(I5)、經濟損失(I6)、災害類型(I7)、災害規模(I8)、發生頻率(I9)等二級指標；③資源毀壞(P3)，包括礦產資源破壞與浪費(I10)、土地壓占與破壞(I11)、水資源破壞(I12)等二級指標；④環境污染(P4)，包括粉塵污染(I13)、噪音污染(I14)、水污染(I15)、土壤污染(I16)等二級指標。結合實地調研數據以及專家打分結果，將各指標值進行了量化處理，并據此將各指標劃分為Ⅰ級(優)、Ⅱ級(良)、Ⅲ級(中)、Ⅳ級(差)、Ⅴ級(極差)(表1)。

表1 礦區地質環境評價指標量值及評價等級

結合表1及區內地質調查結果，確定了各指標的特征值，結果見表2。

表2 礦區地質環境評價指標特征值

2.2 礦區地質環境評價

依據礦區實際情況，對一級子系統以及二級評估指標兩兩進行了重要性比較，獲得一級子系統以及二級評估指標的模糊互補判斷矩陣Q。按照可變模糊集模型對各評價指標的權重進行了計算，結果見表3。

表3 礦區地質環境評價指標權重

對Q進行一致性檢測[17]獲得了該矩陣的一級相容性指標，即：IQ=0.09、IP1=0.08、IP2=0.068、IP3=0.048、IP4=0.035，均小于0.1，可見本研究權重計算結果(表3)符合實際需求。

對P1、P2、P3、P4指標對應的綜合相對隸屬度矩陣進行了求解，并按照級別特征計算公式[18-19]，計算了各一級指標對應的礦區地質環境等級特征值，即HP1=2.45，HP2=2.46，HP3=2.65，HP4=2.24。在此基礎上，按照下式對礦區地質環境綜合評價等級特征值進行計算，

式中，r為一級指標數量；wr為各個一級指標對應的權重;Hpr為各一級指標對應的礦區地質環境等級特征值。

經計算，

H=2.45×0.258 2+2.46×0.104 7+2.65×

0.420 1+2.24×0.217 0≈2.489.

按照本研究等級劃分標準(H∈(1.0,1.5]時，等級為I級；H∈(1.5,2.5]時，等級屬于Ⅱ級；H∈(2.5,3.5]時，等級為Ⅲ級；H∈(3.5,4.5]時，等級為Ⅳ級；H∈(4.5,5]時，等級為Ⅴ級)，可知研究區綜合地質環境等級為II級，區內地質環境總體良好。進一步分析可知，礦區地質背景、地質災害以及環境污染的評價等級屬于II級較好水平，而資源毀壞評價等級為Ⅲ級，處于預警狀態，表明該礦區資源毀壞程度較嚴重，與該礦區礦產資源、土地資源破壞以及水資源污染現象普遍存在的實際情況較吻合，建議該區地質環境恢復治理的重點是減少礦產資源浪費，減少土地毀壞以及降低水資源污染。

3 結語

以寧夏某地區為例，針對該區礦區地質環境特征，將模糊層次分析法(FAHP)與可變模糊集相結合，構建了一種礦區地質環境定量評價模型。評價結果表明：該區最突出的地質環境問題是資源毀壞，區內礦產資源、土地資源浪費較嚴重，水資源污染較突出，應為該區下一步地質環境恢復治理的工作重點。

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