基于層次分析法的山西典型礦區土壤改良效果評價

周 昊 郭姣姣 王宇翔 刁珊珊 何緒文

(中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，北京市海淀區，100083)

1 引言

煤礦區每年會產生大量的固體廢物，如生活污水站產生的脫水污泥、礦區電廠產生的粉煤灰和煤炭在開采和洗選過程中產生的煤矸石等。目前，國內外除了將礦區的固體廢物用于建材、筑路、筑壩和工程回填外，對礦區固體廢物在農業上的應用也有很多研究。

有專家研究利用粉煤灰和煤矸石等廢棄物進行礦區外圍農田土壤改良，可有效提高農田土壤肥力和水土保持性能，并顯著提高農作物成活率；還有專家將煤矸石運用在礦區土地復墾與土壤重構中，發現煤矸石可有效增加土壤有機碳儲量，可顯著提高植被出苗率及生物量；另有專家對脫水污泥進行理化分析，研究結果表明，污泥中有機質、全氮、全磷和全鉀的含量分別可達到384 g/kg、27.1 g/kg、14.3 g/kg和7 g/kg，相比于中國傳統的農家肥，污泥是一種典型的富含有機質、高氮、高磷而低鉀的有機肥，具有潛在的農用價值；還有研究將污泥施加到土壤中，使得土壤的容重降低了14.8%，水穩定性團粒總含量達到31.5%，土壤中有機質、速效氮和磷的含量明顯增多，當污泥的施加量為56.25 t/hm2時，小麥增產達極顯著水平；還有專家將粉煤灰、煤矸石和淤泥用于改良鹽堿地，并在改良的土壤上種植檉柳，研究發現基質中的粉煤灰可有效提高檉柳的發芽率、縮短枝條發芽時間和提高萌發枝條成活率。但是由于在土壤的改良過程中，存在多方面的判斷準則，單一的指標無法全面反映土壤的改良效果，因此需考慮采用數學模型的方法來解決此類復雜的決策問題。

針對上述存在的問題，本文將脫水污泥、粉煤灰和煤矸石等固體廢物用于改良礦區土壤，并在改良的土壤上種植白三葉。采用內梅羅綜合污染指數法來評價復合基質中重金屬的污染程度，利用層次分析法來評價和篩選復合基質配比方案，包括土壤中重金屬的濃度、土壤中營養成分的含量、土壤的pH值和植物的生長狀況等因素，旨在為礦區固體廢物的資源化利用提供一定的理論依據。

2 評價模型的建立

2.1 評價體系的構建

利用層次分析法對復合基質配比方案進行分析，將指標體系分為目標層、準則層和指標層這3個層次，其中目標層是指試驗配比方案選擇的總體目標，最佳復合基質改良土壤配比方案的選取為指標體系的最高層次；準則層是指標體系的中間層次，根據實驗，選取復合基質配比方案的4個影響因素，即重金屬含量、pH值、基質營養成分和植物生長指標；指標層是指標體系的最基本層次，其中涵蓋復合基質改良土壤配比方案選取的所有具體指標，通過這些指標對復合基質改良土壤配比方案進行選取。具體的評價指標如圖1所示。

圖1 評價指標

2.2 指標權重的確定

指標權重的確定大致可分為3個步驟進行：

(1)構造出各層次中的所有判斷矩陣，通過元素之間兩兩相比，對比采用相對尺度，比較各準則層對目標的重要性。

尺度采用1～9尺度aij,取值1，2，…，9及其倒數1，1/2，…，1/9，便于定性到定量的轉化，相對尺度參考見表1。

表1 相對尺度參考表

根據上述步驟構建判別矩陣用數學表達式表達見式(1)：

(1)

(2)一致性檢驗。計算一致性指標CI，判斷矩陣的最大特征值見式(2)：

(2)

式中：CI——一致性指標；

λ——代表矩陣的最大特征值；

n——代表矩陣的階數。

計算一致性比例CR見式(3)：

(3)

式中：CR——一致性比例；

RI——隨機一致性指標。

當CR<0.10時，所構造的判斷矩陣通過一致性檢驗，否則應對判斷矩陣進行修正。按照上述步驟對所構造的判斷矩陣進行一致性檢驗。其中，U2、U3、U4、U21和U22為一致陣，不需要一致性檢驗；U的λ取4.1170，n取4，當n=4時，查表可知，RI=0.90，CI=0.039，CR=0.043<0.1，通過一致性檢驗。

(3)權重向量計算方法。將權重向量W右乘權重比矩陣A，有AW=λW。同上，λ為判斷矩陣的最大特征值，存在且唯一，W的分量均為正分量。最后，將求得的權重向量作歸一化處理即為所求。

U、U2、U3、U4、U21、U22等判斷矩陣對應的權重向量分別為W、W2、W3、W4、W21和W22，即：

在上述計算的基礎上即可得出所構建的復合基質評價指標體系，復合基質評價指標體系見表2。

表2 復合基質評價指標體系

3 模擬試驗

3.1 試驗設計

試驗前將脫水污泥風干，然后用粉碎機將煤矸石和脫水污泥粉碎至1 cm左右，供試基質質量配比方案見表3，其中G7為空白對照組，每組配比進行3次平行，每盆基質總重量為2 kg；本次試驗選取的植物為白三葉，播種深度為1～1.5 cm，播種量為50粒/盆，澆水量約100 mL/盆，每2 d澆一次，種植時間為90 d。其中，供試基質脫水污泥、煤矸石、粉煤灰及土壤的基本理化性質，測定結果見表4。

3.2 重金屬風險評價

復合基質的樣品經微波消解后，測定重金屬Cr、Cd和Pb等重金屬的濃度見表5。

復合基質中重金屬污染程度的評價采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法，當綜合污染指數≤0.7時，污染程度為清潔；當綜合污染指數為0.7～1.0時，污染程度為尚清潔；當綜合污染指數為1.0～2.0時，污染程度為輕度污染；當綜合污染指數為2.0～3.0時，污染程度為中度污染；當綜合污染指數>3.0時，污染程度為重污染。復合基質的評價結果見表6。

表3 供試基質質量配比方案 %

表4 脫水污泥、煤矸石、粉煤灰及土壤的理化性質

表5 復合基質的重金屬濃度含量 mg/kg

表6 復合基質的重金屬評價結果

3.3 指標的取值

分別對種植前后復合基質的pH值，營養成分(有機質TC、全氮TN、有效磷AP、速效鉀EK)和白三葉的生長狀況(發芽率、株高、根長、根冠比)進行測定，指標取值見表7，其中重金屬指標的取值為復合基質重金屬評價的綜合污染指數。

表7 指標取值

3.4 評價指標的考核評分計算

復合基質優化方案評價指標的計算參考《煤炭行業清潔生產評價指標體系(試行)》。由于實驗已設置對照組G7，即基質為只有土壤的條件下種植植物研究分析其基質與植物的指標變化，該層次分析法中選用實驗對照組G7為標準值。根據表2所列評價體系指標，對各組復合基質的指標考核總分進行計算，結果見表8。

表8 復合基質配比方案指標得分及排序

注：在計算中為了避免某一因素過于突出導致影響到整體評價結果，其單項評價指數不應超過1.2

從表8中可以看出，復合基質配比方案的考核總分值依次為G4>G1>G5>G2>G6>G3，其中G4配比基質的綜合評價指數最高，不僅有利于植物的生長，而且復合基質中重金屬污染水平處于清潔狀態。

4 結論

采用內梅羅綜合污染指數法對復合基質中的重金屬污染程度進行評價，標準值采用《土壤環境質量標準》(GB15618-95)中的二級標準值，結果表明G4、G5、G6組的復合基質中重金屬的污染程度處于清潔水平，G1、G2、G3組的復合基質中重金屬的污染程度處于尚清潔水平。

通過層次分析法分析，復合基質配比方案的考核總分值依次為G4>G1>G5>G2>G6>G3，其中G4即試驗組4(土壤∶污泥∶粉煤灰∶煤矸石=60%∶5%∶20%∶15%)是種植白三葉的最佳復合基質配比方案。該方案下，白三葉的株高比對照組低23.80%，根長與對照組持平，鮮重根冠比是對照組的1.22倍，發芽率比對照組高8%。

本文為礦區土壤改良效果提供了通用的評價指標體系和可行的評價方法，同時，根據評價結果可以直接確立土壤的改良方案，為指導礦區附近土壤的改良以及礦區生態環境的可持續發展提供一定的理論依據。

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