峁底礦礦山地質環境質量評價

張子宇，關英斌

(河北工程大學 地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

目前，礦山地質環境評價方法可分為三類，一為利用數學手段構建相應模型，主要有綜合指數法[1]、層次分析法[2]、模糊綜合評價法[3]、灰色關聯度評價法[4]等。二為遙感地信技術的應用，2018年柴義倫采用GIS圖層疊加分析法對淮南煤炭礦區進行分析，得出了各影響級別土地占比，并預測礦業活動將進一步危害周圍環境[5]；2020年張雷等運用遙感技術調查識別登封鋁土礦礦區評價因子，通過單因子多因子綜合評價反映了礦山地質環境承載力[6]。三是將深度學習引入到礦山地質環境評價中，李東等2015年將BP神經網絡與支持向量機(SVM)方法引入到礦山地質環境評價中，對新疆青河縣礦集區利用兩種模型分別進行了評價并進行對比，都得到了較好的評價精度[7]。

遙感地信技術在大尺度宏觀研究中具有優勢，其獲取的信息量廣、工作效率高、能全方位獲取地面環境的相關圖像和數據參數[8]。機器深度學習在保留事物原有結構信息的同時可大幅度降低人類視覺處理的數據量，但前期需要高質量數量的測試樣本數據[9]。目前單一礦山地質環境評價仍以數學方法為主，創新、改進數學模型成為研究趨勢。傳統模糊綜合評價模型中最大隸屬度原則存在失效的情況，本文對模糊綜合評價模型進行改進，將改進的模型應用于峁底礦礦山地質環境評價，以期獲得更加合理的評價結果。

1 研究區域概況

峁底礦井田地處晉西北黃土高原，總體地勢南高北低，最大相對高差206.9 m，研究區地形復雜，侵蝕沖刷劇烈，植被覆蓋率低。井田內未發現斷層、陷落柱及巖漿侵入現象。目前對地質環境的影響主要為礦井建設與采空破壞區對地形地貌、土地資源、含水層的破壞。多年生產在該井田范圍中東部形成大面積采空區，井田內發育有少量因采煤形成的地裂縫、不穩定邊坡，煤系上覆含水層遭到破壞。工業廣場改擴建用地總規模為6.73 hm2，矸石場占地面積4 hm2，對原生地形地貌景觀造成了破壞。

2 礦山地質環境質量評價

2.1 構建評價指標體系

結合研究區的礦山地質環境背景、水文地質條件、礦山開采等資料，選取地質環境背景、水資源與環境、土地資源與環境、地質災害四個要素構成要素層。在咨詢專家和相關文獻查閱的基礎上，依據地質環境評價指標選取原則，對每個要素選取代表性指標構成指標層，最終評價指標體系見圖1。

圖1 礦山地質環境質量評價指標體系Fig.1 Index system of mine geological environment quality evaluation

2.2 評價指標分級

將評價指標分為Ⅰ(一般)、Ⅱ(較嚴重)、Ⅲ(嚴重)三個等級，為方便不可量化指標的計算，將各等級分別賦值1、2、3分，具體指標分級見表1。

表1 評價指標等級劃分表

續表

2.3 確定權值

本文的權值通過層次分析法[10](AHP)來計算，該方法簡潔、靈活，且在各個領域應用廣泛，具體可分為以下兩個階段。

階段一：構造判斷矩陣。用T.L.Satty的1～9標度將指標體系中的各元素兩兩相比，構造判斷矩陣。

階段二：權向量計算及一致性檢驗。將判斷矩陣進行最大特征值和特征向量計算并進行一致性檢驗，當一致性比率CR≤0.1，則可將特征向量視為權向量。

(1)

(2)

式中：CI—一致性指標；λmax—最大特征值；n—矩陣階數，CR—隨機一致性比率，RI—平均隨機一致性指標。

經計算，各判斷矩陣一致性比率均≤0.1，指標權值計算結果見表2。

表2 礦山地質環境影響評價因子及權重

2.4 改進的模糊綜合評價模型建立

2.4.1 傳統模糊綜合評價模型建立

(1)建立參與評價的要素集

U={U1,U2,U3,U4}

其中：U1—地質環境背景，U2—水資源與環境，U3—土地資源與環境，U4—地質災害。

(2)確定參與評價的因子

U1={u1,u2,u3,u4}

U2={u5,u6}

U3={u7,u8,u9}

U4={u10,u11,u12}

式中：u1—地形地貌，u2—年均降水量，u3—植被覆蓋度，u4—地質構造，u5—地下水位下降，u6—地下水影響范圍，u7—壓占土地類型，u8—壓占土地面積，u9—土壤污染，u10—采空區，u11—地裂縫，u12—不穩定邊坡。

(3)建立評價集

V=(v1,v2,v3)=(Ι,Π,Ш)

式中：V1—一般、V2—較嚴重、V3—嚴重。

(4)確定隸屬度函數

梯形分布函數[11-12]在礦山地質環境質量評價中得到了較好的效果。對于指標值越大等級越差的逆指標，如地形地貌、年均降水量等，隸屬函數關系為：

(3)

(4)

(5)

式中：x—各因子實測值；S1、S2、S3—評價集的閾值，評判為一般與嚴重的閾值為區間的下、上限，評判為較差的閾值為算術平均值。

對于指標值大小與礦山地質環境質量呈正相關的指標和不可量化的評價指標，可通過專家打分法進行賦值從而利用上式計算隸屬度。根據隸屬函數，計算每個因子對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的隸屬度，構造隸屬矩陣R。

(5)構造權值矩陣

由前文層次分析法求得結果構成權值矩陣ω=(a1，a2，…，an)。

(6)綜合評判

B=ω·R=(b1,b2,…,bm)

(6)

運用公式(6)可得B=(0.395 5，0.379 9，0.382 5)，峁底礦礦山地質環境質量對評語集三個級別的隸屬度分別為一般(0.395 5)、較嚴重(0.379 9)、嚴重(0.382 5)，根據最大隸屬度原則，峁底礦礦山地質環境質量影響程度為一般。

2.4.2 傳統的模糊綜合評價法的缺陷

(1)運用最大隸屬度原則評價結果時，存在一定主觀性，可能會忽略某些信息，結果較為粗糙。

(2)當評價結果中各隸屬度相差不大時，如本礦評價結果B=(0.395 5，0.379 9，0.382 5)，對各等級區分度較低，評價結果準確度較低。

2.4.3 改進模糊綜合評價模型

對傳統模糊綜合評價得到的結果進一步修正，具體步驟見圖2。

圖2 改進模糊綜合評價法步驟Fig.2 Steps of improved fuzzy comprehensive evaluation method

(1)結果有效度檢測

引入有效度[13]α對結果進行檢驗，其評價標準見表3。

(7)

式中：n—模糊綜合評價矩陣B中的元素個數；β—最大隸屬度；γ—第二大隸屬度。

表3 有效度評價標準

(2)結果量化

若評價結果有效度大于等于0.5，評價結果較為準確，但為了降低模糊綜合評價矩陣B的主觀性，將模糊評價結果先歸一化處理再引入量化向量[14]轉換為具體的綜合評價值。依據《礦山地質環境保護與恢復治理方案編制規范》將礦山地質環境質量等級分為優秀、良好、較差三個等級具體劃分見表4。

表4 礦山地質環境質量級別評價標準

圖3 礦山地質環境質量等級分布圖Fig.3 Distribution of mine geological environment quality grade

(3)置信度準則修正

對于有效度小于0.5的結果，采用置信度準則[15]對評價結果修正。

置信度準則：設(b1，b2，…，bm)是一個有序的地質環境質量評價集，λ為置信度，礦山地質環境質量x屬于bi類的隸屬度為Ux(bi)，記評價該礦山地質環境質量級別為Bk0，即有以下表達式：

(8)

3 評價結果

(1)根據AHP確定的權值，峁底礦礦山地質環境評價指標體系中，土地資源與環境要素占主導地位，對地質環境影響程度最大，土地資源與環境的影響因子中，土地壓占面積對其影響最大。

(2)根據傳統模糊評價結果，峁底礦礦山地質環境質量級別為Ⅰ級(一般)。

(3)對傳統評價結果進行有效度檢驗，有效度α=0.121 89<0.5比較低效，采取置信度準則修正，最終對峁底礦礦山地質環境質量評價結果為Ⅱ級(較嚴重)，這與礦山實地調查結果契合度較高。

結合評價結果應加強對峁底礦礦山地質環境保護工作，對工業廣場擴建、矸石堆放等進行合理規劃，減少對原生地形地貌景觀和土地資源的破壞。

4 結論

利用傳統模糊綜合評價模型計算峁底礦礦山地質環境質量，根據最大隸屬度原則，礦山地質環境質量為Ⅰ級(一般)，評價結果有效度為0.121 89，比較低效。利用改進模糊綜合評價模型進行計算，k0=2時，隸屬度為0.775 4，大于置信度0.65，峁底礦礦山地質環境質量修正為Ⅱ級(較嚴重)，避免了最大隸屬度原則失效時，評價結果失真的情況，減小了模糊評價的主觀性。利用改進模糊綜合評價模型計算的評價結果與實地調查更接近，證明將有效度檢驗、量化向量、置信度準則與傳統模糊綜合評價模型相結合的改進模糊綜合評價方法是一種更為合理、全面的礦山地質環境質量評價方法。