基于FAHP-Entropy賦權法的礦山地質環境影響評價：以武鳴區灰巖礦山為例

全毅博，甘能儉，伍 靜，朱敏杰，呂堂安，李 志

（廣西大學資源環境與材料學院，廣西 南寧 530004）

0 引 言

礦山地質環境影響評價分為兩部分內容，第一部分：在研究礦區地質構造特征的基礎上，查明礦山開采范圍內工程地質條件、水文地質條件和礦山開發建設區域地質環境現狀，預測礦山開發建設或未加治理的廢棄、關閉礦山可能引發或加劇的地質災害，以及不同礦種、開采規模和開采方式等要素對礦山地質環境的影響程度；第二部分：確定不同礦山的修復優先等級，為當地政府地質環境合理分配修復資源提供參考[1-3]?？茖W合理的礦山地質環境影響評價是環境治理工作的核心內容之一，評價結果是否能兼顧主觀性與客觀性，直接影響生態治理方向及效果。

國內外眾多學者針對礦山地質環境影響評價開展了大量的研究，研究的核心內容在于能否以生態文明建設為導向，因地制宜地構建評價指標體系，選擇合適的評價方法和賦權法，科學合理地反映研究礦山對周邊環境實際的影響程度。影響地質環境影響評價結果可靠性的關鍵環節主要分為以下三點：評價指標體系及模型構建、評價方法、權重確定方法。

目前，評價指標體系及模型構建的研究越來越重視客觀事實，選取的指標趨于全面[4-5]。評價方法的研究在不斷的創新過程中趨于多樣化，目前較常用的評價方法有GIS空間數據迭加分析法[6]、BP神經網絡評價法[7]、模糊綜合評價法[8]、集對分析法[9]等。這些評價方法有各自的優缺點和適用條件，如模糊綜合評價法具有隸屬度和權重難確定的缺點；集對分析法得出的結果通常只是某個區間值，而不能直觀地反映影響程度和等級；當學習樣本數量有限時，神經網絡法的精度難以得到保證[10]。權重確定方法的選取對評價結果的準確性有直接影響，目前常用的權重確定方法可根據其指標權重確定方式大致分為兩類：①專家打分法、德爾菲法（Delphi）[11]、層次分析法（AHP）[12]、模糊層次分析法（FAHP）[13]等主觀賦權法，可較好地體現評價者的主觀偏好，但由于個人的主觀價值判斷標準有差異，缺乏數學理論的支撐，因此，得出的權重缺乏一定的說服力；②主成分分析法[14]、熵值法（Entropy）[15]、變異系數法[16]等客觀賦權法，可以摒棄主觀性的影響，但計算出的權重值會隨指標數據的變化而變化，且缺乏對評價者主觀意向的考慮，確定的權重可能與實際情況不符[17]。

上述三個地質環境影響評價關鍵環節的研究目前主要存在以下兩個問題：①礦山地質環境問題涉及大量影響因素，由于影響因素分級的模糊性及部分因素難以定量化，因此，如何兼顧評價的復雜性和模糊性，選取合適的評價方法和權重計算方法是目前礦山地質環境影響評價研究的關鍵問題[8]；②針對評價過程的標準化、自動化、可視化研究較少，目前礦山地質環境影響評價研究重點主要集中于指標體系構建和數學模型選擇，對于評價指標數據、評價模型的自動量化處理研究不夠。

為了合理解決以上問題，本文以武鳴區寧武-甘圩建筑石料用灰巖集中開采區內38個灰巖礦山為研究對象，采用FAHP-Entropy組合賦權法應用于礦山地質環境影響評價研究。該方法應用于礦山地質環境綜合評價權重計算，可消除主客觀因素和不合理判斷的影響，并基于MATLAB平臺開發礦山地質環境影響評價系統，對各礦山地質環境影響程度進行分級區分，從而篩選優先治理礦區，以指導本區的礦山地質環境治理工作。此系統與傳統評價工作相比，在處理大規模數據上具有顯著的優勢，且動態實時地得出評價結果，大幅提高了工作效率。

1 研究區灰巖礦山地質環境概況

1.1 概況

武鳴區位于南寧市西北面，隸屬南寧市管轄，面積3 378 km2[17]。當前武鳴區灰巖礦累計探明資源量已超過2.6億t，預測潛在資源總量達33億t以上，開采量占據了南寧市近半市場。武鳴區灰巖純度高、質量好，顏色多為白色、灰色及黑灰色，呈致密塊狀，大部分可達Ⅲ級以上強度，碎石質量級配較好，大部分適用于水泥、建筑、路基路面、橋涵等[18]。由于其獨特的資源優勢和區位優勢，武鳴灰巖礦山開采規模和礦石開采總量不斷增加，逐漸形成了寧武-甘圩建筑石料用灰巖集中開采區（圖1）。

圖1 武鳴區灰巖礦山分布圖Fig.1 Distribution map of limestone mines in Wuming District

1.2 礦山地質環境問題

本文對研究區內38座灰巖礦山開展地質環境問題調查，通過資料收集、遙感解譯和實地調查的方式基本查明了區內灰巖礦山主要的地質環境問題，主要表現為礦山地質災害、土地資源破壞與占用、地形地貌景觀影響和破壞等。其中，土地資源損毀、地形地貌景觀影響和破壞是區內灰巖礦山最嚴重的地質環境問題。

1）礦山地質災害。本次調查的38座灰巖礦山均采用露天開采方式，由于受到傳統開采方式的影響，開采過程中通常會形成陡峭的人為邊坡，導致周圍穩固的山體遭到破壞，形成不同程度的地質災害和地質災害隱患。調查數據顯示，區內灰巖礦山最嚴重的地質災害問題為崩塌和滑坡，共發生3起小型巖質崩塌地質災害；未發現滑坡、泥石流等地質災害；存在崩塌隱患的礦山共計34座，占調查礦山總數的89.47%，粗略統計區內崩塌隱患達180處以上；存在滑坡隱患礦山3座，未發現泥石流災害及其隱患（表1）。

表1 武鳴區灰巖礦礦山地質災害情況Table 1 Geological hazards in limestone mines in Wuming District

2）土地資源損毀?；規r礦山在露天開采過程中需要先清除礦體覆蓋層，這會導致剝離采坑內的大量表土和植被，產生大量的石塊、土堆等壓占土地，造成了嚴重的土地資源破壞和浪費。38座灰巖礦山損毀土地形式以露天采場挖損土地和工業場地壓占土地為主，損毀土地達504 hm2（其中基本農田9.67 hm2），土地資源損毀嚴重礦山占礦山總數的55.26%；土地資源損毀較嚴重礦山占比5.26%；土地資源損毀較輕礦山占比39.48%（表2），總土地資源破壞率約為122.21%，該區灰巖礦山開發對土地資源損毀程度為嚴重。土地資源破壞率按式（1）計算，灰巖礦山土地資源損毀程度根據《礦山地質環境調查評價規范》（DD 2014—05）判定，土地資源破壞等級根據土地資源破壞率分為嚴重、較嚴重和較輕三個等級。

表2 礦山土地資源損毀等級Table 2 Damage grades of mine land resources

3）地形地貌景觀影響和破壞?；規r礦山在露天開采中會造成山體撕裂和巖石裸露，破壞原本連續一致的地形和原生的植被景觀，導致景觀由于礦石的開采而無法發揮原有功能。本次調查的38座灰巖礦山對地形地貌景觀影響和破壞主要表現在礦山露天采場、工業場地、廢土堆、各類地質災害等對生態景觀的直接破壞以及礦山開采對周圍生態環境的影響。38座灰巖礦山地形地貌破壞面積為503.99 hm2（表3），總的地形地貌景觀破壞率為118.62%，研究區灰巖礦山整體地形地貌景觀影響破壞程度為嚴重。灰巖礦山地形地貌景觀影響程度參照《礦山地質環境調查評價規范》（DD 2014—05）進行評價，地形地貌景觀破壞率按式（2）計算，地形地貌景觀破壞等級根據地形地貌景觀破壞率分為嚴重、較嚴重、較輕三級[19]。

表3 武鳴區灰巖礦山地形地貌景觀破壞情況Table 3 Landform and landscape destruction of limestone mines in Wuming District

4）含水層破壞?；規r礦山設計最低開采標高均在地下水位及最低侵蝕基準面以上，僅2座礦山由于違規凹陷開采對含水層產生影響，影響程度較輕。

2 礦山地質環境影響評價模型確定

2.1 礦山地質環境影響評價原則

礦山地質環境影響評價既是對礦山開采引起的礦山地質環境問題發育和影響程度的綜合評定，也是確定礦山損毀土地治理利用方向的基礎和依據之一[20]。本文以整個研究區域內的每座礦山作為礦山地質環境影響評價的基本評價單元，以研究區灰巖礦山地質環境問題類型、發育現狀及成因為依據，綜合考慮礦業活動對地質環境的影響程度，兼顧地質環境背景，突出重點影響地質環境的因素，合理地選擇評價因子以構建評價體系，將礦山地質環境影響評價等級從低到高分為輕微、較輕、較嚴重、嚴重四個等級，分別得出評價單元隸屬于某個評價等級的程度，選擇隸屬程度高（隸屬度得分高）的評價等級作為該評價單元的評價結果[17]。

進行礦山地質環境影響評價時要遵循的主要原則可以歸納為以下幾點：可操作性和可度量性原則、科學性原則、可比性原則、獨立性與整體性原則、全面性原則、隸屬度得分高者優先原則。

2.2 礦山地質環境影響評價體系

研究區為典型的灰巖集中開采區，本文以《區域地質環境調查總則》（DD 2004—02）、《礦山地質環境調查評價規范》（DD 2014—05）和《廣西礦山地質環境恢復治理與土地復墾方案編制技術要求》（桂國土資發〔2017〕4號）推薦的指標體系為基礎，綜合考慮地質環境背景及實地野外調查情況，選取影響研究區礦山地質環境的主要因素有地質環境背景、資源破壞、地質災害、礦山開發利用狀況4種要素下的14種評價指標，構建武鳴區灰巖礦山地質環境影響評價指標體系（圖2）。

圖2 武鳴區灰巖礦山地質環境影響評價指標體系Fig.2 Evaluation index system of geological environmental impact of limestone mines in Wuming District

本文將各評價指標和要素劃分為4個等級，采用4分制的評分方法進行評價指標量化分級，即影響輕微（1分）、影響較輕（2分）、影響較嚴重（3分）和影響嚴重（4分），對礦山地質環境影響評價指標進行分級（表4）。

表4 礦山地質環境影響評價指標分級標準Table 4 Grading standard of mine geological environmental impact assessment indicators

2.3 礦山地質環境影響評價方法

由于影響礦山地質環境的因素很多，各種因素之間存在著錯綜復雜的交互關系，也存在一定的模糊性，很難用經典的數學模型進行描述，因此，本文采用模糊數學綜合評價法對武鳴區灰巖礦山地質環境影響進行評價。模糊綜合評價法的評價步驟如下所述[17]。

1）因素集的建立。評價因素集U={u1,u2,...,um}，其中，m為評價指標的個數。本文共構建了二級礦山地質環境影響評價指標體系，因此，根據上文構建的地質環境影響評價指標體系，本文一級評價因素集為U={地質環境背景，資源破壞，地質災害，礦山開發利用狀況}；二級評價因素集為：①地質環境背景U1={地形地貌，地質構造，植被覆蓋率}；②資源破壞U2={對原生地形地貌景觀影響程度，對可視范圍內地形地貌景觀影響程度地形地貌，土地損毀面積，含水層破壞}；③地質災害U3={易發性，發育規模，威脅人數，經濟財產損失}；④礦山開發利用狀況U4={開采規模，開采方式，治理修復率}。

2）評語集的建立。評語集是評價者對評價對象可能做出的各種評價等級的集合，以V={V1，V2，...，Vn}表示，其中，n為評價等級的個數，本文共劃分4個等級，評語集V={輕微，較輕，較嚴重，嚴重}。

3）構建隸屬度函數。隸屬度函數表示評價指標隸屬于某個評價等級的程度[21]。隸屬函數的確定方式種類繁多，但在地質環境影響評價中，大多以梯形分布函數作為其隸屬度函數[22]，因此，本文決定構建遞增型梯形分布隸屬度函數，輕微級別、較輕級別、較嚴重級別、嚴重級別最終隸屬度函數見式（3）～式（6），具體推導過程參照甘能儉[17]研究。

式中：D1、D2、D3、D4分別為4個評價級別的隸屬度；S1、S2、S3、S4分別為評價集中4個等級的標準值；xi為評價指標實測值；I1、I2、I3分別為評價集中過渡區間的上限值，其取值方法見式（7）～式（9）。

式中，β為區間過渡系數，本次研究中的區間長度值較小，因此，取β=0.5。

4）建立單因素模糊矩陣。在得到評價指標實測值后，可通過構建隸屬度函數計算出因素集中各指標對評語集中各評價等級的隸屬度，設因素集中第m個要素對評語集中第n個等級的隸屬度為Rmn，則可構建出一個單因素模糊矩陣，見式（10）。

5）綜合評價。綜合評價是通過對權重集和模糊矩陣的運算得到的，體現了各評價指標權重的不同及影響程度的不同。具體運算見（11）。

式中：WT為評價指標的權重集；B為綜合評價結果。

3 礦山地質環境影響評價權重確定方法

相較于客觀賦權法和主觀賦權法，組合賦權法不僅利用了決策者的主觀意向，而且能充分挖掘數據本身所包含的客觀信息，使計算結果更加可靠。目前，模糊層次分析法和熵值法相結合的FAHPEntropy組合賦權法在采礦[23]、水利[24]、公路[25]等多個工程領域廣泛應用，但還未有學者將其應用于礦山地質環境影響評價中。考慮到單一賦權法的局限性，為了使確定的指標權重兼具主觀性和客觀性，本文采用模糊層次分析法和熵值法相結合的FAHPEntropy組合賦權法進行礦山地質環境影響評價的指標權重計算。其主要原理是將熵值法的思想融入模糊層次分析的算法中，運用數學規劃的求解方式將兩種算法中各指標的貢獻度進行組合分析，最終再通過矩陣運算即可得到每個評價指標的組合權重[26]。目前，FAHP-Entropy組合賦權法在多個工程領域應用廣泛，具體計算步驟在相關文獻中[17,23]有詳細說明，由于篇幅原因在此不再過多贅述。

1）計算FAHP法權重W′。模糊層次分析法是將模糊理論與層次分析法相融合的一種賦權方法，通過隸屬度轉換來比較各指標之間的相對重要程度，并構造相應的模型實現權重值的計算。模糊層次分析法解決了傳統層次分析法中某一層次指標較多（如4個以上）時判斷矩陣的一致性難以保證的問題，提高了評價的可靠性，因此，本文選擇模糊層次分析法計算各指標的主觀權重w′i（i=1，2，···，n）。

2）計算Entropy法權重W''。熵值法作為一種客觀賦權法，能有效避免主觀性對結果的影響，其計算結果更客觀可靠[27]，因此，本文選擇熵值法進行計算各指標的客觀權重wi（i=1，2，···，n）。

3）計算FAHP-Entropy法組合權重W。采用相對熵原理對FAHP法所得權重W'和Entropy法所得權重W″進行修正，由相對熵的定義可知，相對熵可用于度量兩種不同賦權方法所得權重向量的距離程度，FAHP法 和Entropy法 的組 合 權 重wi（i=1，2，···，n）可通過式（12）求解[25,28-29]。

式（12）有全局最優解，見式（13）。

FAHP-Entropy法組合權重為式（14）。

4 礦山地質環境影響評價系統開發及應用

基于以上研究區內各礦山的地質環境問題特征以及武鳴區持續惡化的礦山地質環境和有限地質環境修復資源之間的矛盾，本文將礦山地質環境影響程度和礦山土地治理利用方向兩方面相結合，從而開展礦山地質環境影響評價系統的開發。

4.1 系統開發設計

本文基于MATLAB平臺開發了礦山地質環境影響評價系統（MGES），將礦山地質環境影響程度與土地治理方向多目標決策的計算模型集成到該軟件中，軟件整體結構的設計主要依據本文研究對象和研究目的進行功能劃分和確定，包括1個主界面和權重計算界面、地質環境影響評價界面、土地治理方向適宜性評價界面等3個子界面，具備數據導入、參數輸入、自動化計算、成果顯示與輸出等功能，系統運行的技術路線主要包括數據準備、權重計算以及地質環境影響評估（圖3）。

圖3 MGES評價系統技術路線Fig.3 Technical route of MGES evaluation system

4.2 系統應用

本文對開展了地質環境調查的38座灰巖礦山應用MGES系統進行評價，其中，包含11座廢棄礦山、15座關閉礦山、12座生產礦山（圖4）。

圖4 MGES評價系統運行流程Fig.4 Operation process of MGES evaluation system

礦山地質環境影響評價結果顯示，在開展評價的38座礦山中，對地質環境影響較輕的礦山僅8座；對地質環境影響較嚴重的礦山共18座；對地質環境影響嚴重的礦山共12座。在26座關閉、廢棄礦山中，僅6座礦山由于進行了簡單治理、局部復墾復綠，對地質環境影響較輕；而剩余20座礦山由于未進行礦山地質環境治理或治理效果不佳，采場高陡邊坡裂隙發育，礦區內堆放固體廢棄物，加上灰巖自然成土率極低，自然復綠難度大，對地質環境影響屬較嚴重～嚴重級別（表5）。12座生產礦山中僅有2座礦山對地質環境影響屬較輕級別，剩余的10座礦山屬于較嚴重～嚴重級別，未來隨著礦山開采進程的推進，礦山地質環境不可避免地將進一步惡化。

表5 MGES評價系統地質環境影響評價結果Table 5 Geological environmental impact evaluation results of MGES evaluation system

基于對礦山地質環境問題特征以及FAHPEntropy組合權重計算結果的綜合考慮，可得出礦山地質環境影響評價中最為突出的指標是“對原生地形地貌景觀影響程度”，此指標權重值的高得分（0.127）進一步證實了其在決策過程中的重要性，同時與灰巖礦山所面臨的主要地質環境問題特征（挖損和壓占土地）相吻合。

5 結 論

1）本文采用的是模糊層次分析法和熵值法相結合的FAHP-Entropy組合賦權法，在各礦山地質環境影響評價過程中既能兼顧評價者的偏好，又能避免指標賦權受主觀影響過大，可以有效確定礦山地質環境影響評價中的各指標權重值。

2）所開發的礦山地質環境影響評價系統（MGES）與傳統評價工作相比，在處理大規模數據上具有顯著的優勢，且動態實時地得出評價結果，大幅提高了工作效率。通過該研究，可以使多變量因素影響的地質環境影響程度量化，使復雜的問題簡單化及自動化，有利于推動礦山地質環境影響評價研究向智能化方向發展。

3）本文對開展了地質環境問題調查的38座灰巖礦山應用MGES系統進行評價，評價結果表明對地質環境影響較輕的礦山僅占比21%，對地質環境影響較嚴重的礦山占比47%，對地質環境影響嚴重的礦山占比32%，此系統的應用可以為有限的治理資金指明優先治理方向。