露井聯采礦區煤—水—生態協調發展評價體系研究

解馨馨，楊軍耀，陳軍鋒

(太原理工大學 水利科學與工程學院，山西 太原 030024)

近年來，許多學者對煤炭開采區水資源及生態環境進行了大量的研究。對于煤炭開采：錢鳴高院士等[1-2]提出了煤礦綠色開采的概念；宋子嶺等[3-4]建立了綠色開采評價指標體系與評價模型；王蕾[5]提出了安全—技術—經濟—環境—管理系統；CHEN等[6]基于DPSIR模型構建了綠色礦山建設評價指標體系。對于礦區水資源的利用情況，丁寧等[7]建立了能源生產水足跡評價模型；ZHANG等[8]建立了礦井水供需雙向協調評價指標體系；徐志文等[9]利用遙感影像識別和監測礦區污染水體。對于礦區生態破壞與保護：崔柳[10]針對露天煤礦土地復墾構建其考核評價指標體系和評價方法；張耀等[11]利用遙感技術建立了植被覆蓋度反演模型；于頌等[12]對平朔煤礦土地利用情況進行了遙感監測；曾強等[13]分析了新疆煤炭資源開采導致的生態環境問題；胡鋒等[14]研究了礦區土壤的重金屬污染；LI等[15]對中國煤炭的生產經濟環境進行了評價。對于協調耦合關系：李崇茂[16]研究分析了煤炭資源與水資源的協同；王慧等[17]對比分析了煤礦區煤炭和土地資源協調利用耦合關系；吳蔚[18]建立了煤炭開采與生態保護的耦合關系；王雪芹等[19]建立了煤炭產業經濟—資源—環境系統耦合協調度評價指標體系；薛黎明等[20]構建了煤炭資源可持續發展評價體系；李妍林等[21]建立了煤炭工業的耦合體系；WU等[22]構建了山西省礦產資源開發與礦產地質生態環境評價指標體系。

露井聯采技術是煤礦露天開采與井工開采在空間上和時間上的有機整合。前人的研究多基于露天煤礦的生態保護與綠色開采，或者是針對井工礦研究礦井水資源利用，未將露天開采與井工開采的優勢結合在一起。筆者探究露井聯采礦區的協調發展狀況，依托國家重點研發計劃項目“大型煤礦與有色礦礦井水高效利用技術集成示范”，基于露井聯采礦區煤、水、生態的相互制約，分析煤—水—生態協調發展的耦合機理，構建露井聯采礦區煤—水—生態協調發展指標體系，采用博弈論組合賦權確定指標權重，建立TOPSIS評價模型及耦合協調模型，并以平朔安太堡—安家嶺礦區為研究對象，分析其煤—水—生態的協調發展程度，以期實現礦區煤—水—生態協調發展。

1 露井聯采礦區煤—水—生態協調發展模型構建

1.1 指標體系構建

煤—水—生態耦合機理見圖1。

圖1 煤—水—生態耦合機理

露井聯采礦區煤炭的生產離不開水資源的支撐，而大量礦井水及廢水的排放不僅會造成水資源的浪費，也會造成生態環境的破壞，因此需要高效利用水資源，對污水處理后回收利用(以下簡稱“回用”)。同時，露天礦開采煤炭對土地進行剝離、挖損、排土，造成的土地資源及植被的破壞，也需要實施復墾綠化。

因此，煤炭生產、水資源、生態環境是3個相互制約、共同發展的有機整體，三者協調發展對于露井聯采礦區的可持續發展具有重要的意義。所謂的煤—水—生態協調發展，就是將煤礦生產、水資源的利用與保護，以及生態環境的破壞與保護視作同等重要的因素，在煤炭開采的過程中，合理利用礦井水，減少新鮮水的使用量，提高水資源的利用率，同時減輕煤炭開采過程中可能產生的生態環境破壞程度，達到三者之間的協調發展。

針對露井聯采區采煤的生產、消耗、經濟方面的特點，水資源的供用耗排污染特點,以及生態環境破壞、修復工程和常態維護的特點，基于煤—水—生態協調發展的耦合機理，遵循科學性、易獲性、可操作性、完備性原則，優選了3個維度6個方面21項指標，構建露井聯采礦區煤—水—生態協調發展指標體系，如表1所示。

表1 煤—水—生態協調發展指標體系

1)煤炭生產與消耗主要指露井聯采礦區煤炭的產能與資源的消耗，煤炭產量以萬噸煤為計量單位，整合露天開采與井工開采的煤炭總量，煤炭開采同時消耗電力資源和水資源，產量越多，資源的消耗越小，礦區產煤價值越大。

2)煤炭經濟指煤炭開采對礦區本身所帶來的經濟價值，開采成本越小，效益越好，經濟價值越大。因此選擇資源購置成本、運行成本及經濟效益來表征煤炭的經濟價值狀況。

3)對于露井聯采礦區來說，露天礦與井工礦的開采、煤炭的洗選及其他活動單元都需要用到大量的水資源，而井工礦的開采會產生大量礦井涌水，此外還有其他排水，因此迫切需要進行污水處理后的回用。在供水量一定時，水資源開發利用量少意味著開采工藝對于水資源的節約措施實施得較好；地下水或地表水用水量占比越小，中水回用占比越小，越能實現資源重復利用；將產值與水量結合起來評估工業耗水水平，用萬元工業增加值用水量來表征。

4)當污水處理后不能完全回用時，需要將剩余水資源儲存在水庫或按照標準排放至河流，排放量、排放污染物濃度越小，水污染程度越輕。重點考慮污水中的SS、COD、BOD、氨氮四類污染物。

5)露井聯采礦區的露天開采工藝為穿孔、爆破、鏟裝、運輸及排巖，在開挖排土的過程中會造成土地資源及生態的破壞。土地挖損面積是指巖土開挖破壞的面積，土地占壓面積是指開挖剝離的土地及排土場所占面積，植被破壞面積是指露天開采過程中被破壞的植被總面積。

6)針對環境的破壞采取礦區綠化措施，在排土場進行復墾作業，選擇綠地面積、土地復墾率和植被覆蓋度(FVC)來表征生態保護程度。

1.2 評價模型建立

煤—水—生態協調發展評價模型采用TOPSIS評價法和耦合協調法進行評價。TOPSIS模型又稱為逼近理想解排序法，其基本原理在于通過對象與正、負理想解之間的距離來進行評價，其結果可以作為協調發展優劣的表征。耦合協調度可用來分析同一區域不同要素之間的協調發展程度，即相互作用的強弱程度。該評價模型計算的精度依賴于指標權重的取值，為避免單一權重的局限性，可以采用博弈論的方法，尋找主客觀權重的一致性。信息熵通過指標取值對其信息進行提取，對于系統內的不確定性信息具有客觀、準確的度量，并且具有時效性，因此熵權法是一種確定客觀權重的合理方法；層次分析法是一種基于專家對于重要性評定的主觀賦權法，本文采用這兩種方法進行賦權并組合。

1.2.1 熵權法確定客觀權重

1)指標的標準化處理

設xij為第i個指標第j個階段的指標取值，m為指標的個數，n為階段數，構造初始指標矩陣R:

R=(xij)mn

(1)

對初始指標矩陣R進行標準化，得到標準化矩陣U:

U=(uij)mn

(2)

2)計算指標熵值ei

(3)

3)計算指標權重ωi

(4)

4)計算標準化指標的加權后矩陣Y

Y=(yij)mn

(5)

式中yij=uij·ωi。

1.2.2 層次分析法確定主觀權重

1)構造判斷矩陣

對于構建的指標進行兩兩比較，用1～9標度法構造判斷矩陣A。

2)計算權重向量Wi

(6)

3)一致性檢驗

計算A的最大特征值λmax，并通過檢驗系數CR檢驗一致性。當CR<0.1時接受，反之則不被接受。

(7)

(8)

(9)

式中:CI為一致性指標；n為矩陣的維數;RI為隨機一致性指標，通過表2進行查詢。

表2 RI查詢表

1.2.3 博弈論確定融合權重

1)假設有L種方法計算得到了L種權重向量u(k)，將其進行線性組合，得到所有可能的權重集u：

(10)

式中αk為線性組合系數，且αk>0。

2)在權重集u中選擇最滿意的權重，滿足以下函數：

(11)

(12)

1.2.4 TOPSIS評價模型

1)確定正、負理想解

(13)

(14)

2)計算各指標數據到正、負理想解之間的距離

(15)

(16)

3)計算貼近度cj

(17)

貼近度表征評價指標與理想解的接近程度，貼近度越大，評價方案的水平越高。

1.2.5 耦合協調度

耦合協調度D計算公式如下：

(18)

D值越大，協調耦合程度越好。

2 應用案例

2.1 研究區概況

本次研究區域為平朔集團安太堡—安家嶺區域，該區擁有2座2 000萬t/a的露天礦和1座1 000萬t/a的井工礦及其配套洗煤廠，為典型的露井聯采礦區。

2.2 數據來源及處理

煤礦生產及水資源數據來源于平朔礦區對煤炭的生產統計資料及用水統計資料，生態數據來源于每年植被生長期的Landsat8遙感影像，遙感影像經過輻射定標、大氣校正、幾何校正、影像裁剪等預處理，計算礦區的NDVI值及植被覆蓋度。將礦區土地利用類型確定為采挖區、剝離區、排土場、建設用地、水域、復墾區、草地和林地8類，通過監督分類及分類后處理，獲得土地利用類型的數據。

2.3 評價指標量化

2.3.1 子系統及各指標權重

采用博弈論計算研究區21個指標的權重，計算結果見表3。

表3 研究區煤—水—生態協調發展指標權重

由表3可以發現，熵權法計算的準則層的權重不平均，水資源所占的比重大而生態環境所占的比重小，而層析分析法將煤—水—生態做同等程度的考量，因此融合權重的結果更加可信。對于指標層，經濟效益、水資源開發利用率及綠地面積是排名前三的指標，分別對應不同的準則層，因此在煤—水—生態協調發展中占有舉足輕重的地位，圍繞這三大因素采取實際措施，將會對礦區的協調發展帶來進一步的提高。

2.3.2 各子系統及綜合發展水平分析

利用TOPSIS評價模型計算研究區2015—2020年煤—水—生態綜合系統及各子系統的貼近度，計算結果如圖2所示。

圖2 研究區煤—水—生態綜合評價時序圖

由圖2可知，研究區煤—水—生態綜合系統及各子系統的綜合評價值具有整體增加的趨勢。其中，綜合系統的評價值為0.36～0.65，且呈現逐年增加的趨勢，表明研究區對煤—水—生態協調發展的理念更加重視，發展水平在逐年好轉。此外，煤炭生產子系統的綜合評價值為0.30～0.66，除2016年和2020年有輕微的降低之外，其他年份均比上一年有所提升，表明煤炭開采的經濟價值逐步好轉。水資源子系統的綜合評價值為0.38～0.61，時間序列上呈現增大—減小—增大的變化趨勢。生態環境子系統的綜合評價值在2015—2017年出現短暫的降低，之后迅速大幅上升，到2020年增大至0.96，說明研究區的生態環境在近幾年迅速得到改善。

對于煤炭子系統，2017年之后煤炭產能下降并趨于平穩，水資源消耗量和運行成本上下波動，因此，需要適當提高煤炭的開采，降低資源的消耗，發展煤炭經濟，使之處于穩定狀態。對于水資源子系統，水資源開發利用率為56%～65%，變化起伏同其綜合評價值一致，因此提高水資源開發利用率是實現水資源子系統良好發展切實可行的路徑。對于生態環境子系統，在2016年土地挖損面積、綠地面積和FVC狀況最差，2017年植被破壞面積和土地復墾率狀況最差，這兩年的發展水平稍有所降低，之后各項指標均好轉，因此在露天開采破壞生態的同時要注重生態保護。近年來，該礦區的生態環保理念逐漸得到實施，礦區復墾工作有序推進，在不久的將來定會實現煤—水—生態高水平發展。

2.3.3 耦合協調度分析

運用耦合協調度的計算公式求得研究區2015—2020年綜合系統及各子系統之間的耦合協調程度，計算結果如圖3所示。

圖3 研究區煤—水—生態耦合協調時序圖

由圖3可見，受到各子系統發展不均衡且相互制約的影響，研究區煤—水—生態協調耦合度為0.35～0.47，平均值為0.4，屬于勉強協調，說明3個子系統的貼近度在不同年份增大或減小狀態不一致，導致內部處于無序狀態。三者之間的耦合協調度總是低于每兩個子系統之間的協調度，其中煤—水耦合協調度為0.42～0.53，協調等級為勉強協調，除在2018年有輕微的減小之外，耦合協調度呈現上升趨勢；水—生態耦合協調度為0.40～0.61，協調等級為勉強協調，協調度逐年增高；煤—生態耦合協調度為0.42～0.60，協調等級為勉強協調，且協調程度除2017年外逐年好轉。

安家嶺—安太堡露井聯采礦區近幾年煤炭產量相對減少，排放的廢水量也相應減小，而安家嶺終端污水處理站在2015年11月后頻繁出現問題，且調節池煤泥淤積量較大，需要頻繁清掏，水處理存在問題。此外，雖然該礦區水資源消耗量有所降低，但不能充分利用污水處理水，有大量的再生水富余，對引黃水及地下水的依賴性偏高，這種情況已在逐年好轉，但仍有一定的提升空間。目前，平朔集團公司已經形成了生態修復示范基地，復墾區的植被覆蓋度達到了95%以上，生態修復力度有增大趨勢，2020年的礦區土地復墾率達到了66%，做到了對露天開采造成的土地植被破壞的良好修復，踐行了礦區生態可持續發展理念。對于煤炭生產、水資源及生態環境這3個維度，無論是二元系統還是三元系統，雖然其耦合協調發展均呈現逐年好轉的現象，但因三者內部有序度較低，耦合水平有待提高。今后需要進一步推進露井聯采礦區煤—水—生態協調發展的理念并不斷實施改進，提高煤炭的開發水平，改進水資源管理模式，重視生態保護，推進礦區高質量發展。

3 結語

1)針對露井聯采礦區構建煤—水—生態協調發展的指標體系，采用主客觀結合的博弈論算法進行組合賦權，既考慮了數據本身的特點，避免了少數數據的失真帶來的客觀缺陷，也考慮到專家的經驗，克服了單一賦權法的局限性，使評價結果更加準確。

2)利用逼近理想解法對露井聯采礦區煤—水—生態協調發展水平進行分析，采用耦合協調度對煤—水—生態內部耦合協調程度進行分析，兩種方法對于耦合協調發展的確定具有科學合理性，能夠確定礦區不同時間段的協調發展狀況。

3)以平朔安太堡—安家嶺露井聯采礦區作為研究區，利用構建的露井聯采礦區煤—水—生態協調發展模型計算該區域三者之間的協調發展狀況，計算結果與實際情況基本吻合，驗證了煤—水—生態指標體系構建的合理性，符合露井聯采礦區的特點，有一定的推廣使用價值。