廢棄礦山資源與開發模式探究

苑海英

山東兗礦技師學院,山東 鄒城 273500

0 引言

伴隨全球礦業活動的擴張,出現了大量廢棄礦山。這些廢棄礦山不僅存在污染環境、破壞生態系統等風險,還使有限的自然資源變得更加稀缺。因此,尋找創新方法回收廢棄礦山資源、減輕環境影響、促進經濟增長、確保社會可持續發展,成為多學科研究的核心目標。研究涵蓋了地質學、環境科學、工程技術、經濟學和政策制定等多個領域,推動技術創新發展,旨在解決資源和環境挑戰,促進可持續發展。

1 廢棄礦山資源概述

1.1 廢棄礦山的特點

1.1.1 地質多樣性

廢棄礦山的地質多樣性,是由地質條件和礦產資源的類型所決定的。不同礦山遺址可能位于不同的地質地區,擁有獨特的巖石和土壤特征[1]。這種多樣性還涉及礦產資源的種類,有的可能是金屬礦產,如黃金、銅,有的可能是非金屬礦產,如煤炭、石灰石或鹽。地質多樣性對資源的豐富程度、提取難度和開發潛力都存在影響。

1.1.2 環境多樣性

廢棄礦山的環境多樣性,表現在不同的自然生態系統方面。一些廢棄礦山可能坐落在生態系統脆弱的地區,例如雨林或濕地,一些可能位于干旱或極寒地帶。應根據不同的環境條件選擇相應的生態修復措施和環境恢復方法。

1.1.3 經濟多樣性

廢棄礦山的經濟多樣性,表現在不同遺址的開發潛力和市場條件方面。一些廢棄礦山可能蘊含著高價值資源,可以迅速贏利,而有的可能需要更多的開發和投資,才能有經濟回報。市場因素、資源需求和價格波動都對經濟多樣性產生影響,在進行資源回收和開發時具有關鍵性作用。

1.1.4 社會多樣性

廢棄礦山的社會多樣性涉及不同社區和文化背景。廢棄礦山可能位于城市周邊或偏遠地區,影響當地社區的規模、需求以及發展水平。不同地點的社會文化差異需要在資源回收和開發計劃中得到充分考慮,確保周邊社區充分參與,使經濟效益最大化。

1.1.5 技術多樣性

廢棄礦山的技術多樣性是由不同的采礦和資源處理技術決定的。具體礦山的資源特性和地質條件可能要求采用特定的工程和技術方法,包括采礦技術、礦石破碎、提取和精煉技術[2]。因此,開發模式必須根據礦山的特定技術需求進行定制,以確保資源的有效回收和開發。廢棄礦山類型如表1所示。

表1 廢棄礦山類型

1.2 廢棄礦山潛在資源

廢棄礦山潛在資源代表了尚未開發或完全利用的寶貴財富,這些資源隱藏在廢棄礦山中,包括未采出的礦石、有用的非金屬礦物和材料、水資源,以及用于生態系統修復的資源。未開采的礦石蘊含豐富的金屬資源,如金、銅、鐵、鋅等,可能由于技術、市場或環境因素而被遺留下來;廢棄礦山中包含有用的非金屬礦物和材料,如石灰石、石膏、硅砂等,可廣泛用于建筑、制造、農業等領域,這些資源的回收不僅有助于減少礦業對環境的負面影響,還可以降低成本,減少資源浪費;廢棄礦山還蘊含重要的水資源,包括礦山降水和污水處理系統所提供的清潔水資源,這對于滿足當地社區和農業需求具有重要意義,尤其在面臨水資源短缺問題的地區。

2 廢棄礦山二次開發模式

廢棄礦山的二次開發模式多種多樣,涵蓋了生態及地質修復、能源及礦業資源開發、地下空間資源利用、地產開發和特色產業等方面[3]。這些模式不僅有助于充分利用廢棄礦山潛在資源,還能夠推動當地經濟的發展,提高環境質量(如圖1所示)。

圖1 廢棄礦山二次開發模式

2.1 生態及地質修復

廢棄礦山的生態及地質修復是重中之重。通過植被的恢復、土壤修復、水體治理等措施,可以使廢棄礦山地區重新變得肥沃,促使當地生態系統的再次建立。這些修復措施不僅可改善環境質量,還提供了健康的生態環境,為野生動植物提供棲息地。

2.2 能源及礦業資源開發

廢棄礦山中可能殘存有煤炭、天然氣等能源資源,以及金屬、非金屬等礦產資源。采用現代化、環保的采礦技術,可以有效地獲取這些資源,為當地提供能源支持,同時促進礦業的再次繁榮。這不僅可為社會提供穩定的能源供應,也可為當地創造就業機會。

2.3 地下空間資源利用

廢棄礦山的地下空間可以用于儲存、庇護、科研等多種用途。例如地下空間可以改造成地下倉庫,用于儲存文件、物資等;也可用于建設地下停車場,緩解城市交通壓力;還可用于建設地下實驗室、圖書館等,為科研和文化教育提供場所。

2.4 地產開發

廢棄礦山區域可進行地產開發,建設住宅、商業區、休閑度假村等項目。對其進行合理規劃和設計,既能滿足居住和商業需求,又能夠保持區域的自然特色。這樣的開發既可提高地區的居住舒適度,也可促進當地旅游業繁榮。

2.5 特色產業

廢棄礦山地區還可以發展特色產業,如農業觀光、生態旅游、文化創意產業等。利用廢棄礦山周邊的自然環境和人文資源,打造獨特的旅游景區,吸引游客,增加地區收入[4]。同時,文化創意產業的發展可促使當地文化的傳承和創新,為廢棄礦山區域注入新的活力。

3 廢棄礦山二次開發的約束規劃模型構建

廢棄礦山的二次開發模式多種多樣,例如生態修復、工業轉型、旅游業發展、農業利用、資源再循環和再利用等。無論采用何種模式,都需要考慮多方面的因素,包括地方政府政策、社區參與、環境可持續性和經濟可行性。這種多因素綜合考量的挑戰常常需要采用數學建模和分析方法來解決,其中較為常用的就是約束規劃模型。約束規劃模型作為一種數學方法,旨在優化資源的分配,以滿足一系列約束條件和優化目標。在廢棄礦山二次開發的背景下,這些模型可以用來幫助決策者在各種可行的開發模式中進行選擇,以產生最佳的社會、經濟和環境效益。一方面,約束規劃模型可以幫助確定在廢棄礦山地區可行的開發模式。模型應考慮各種因素,如土地的可用性、資源的類型和數量、市場需求、技術可行性、環境影響等。通過建立數學模型,決策者可以比較不同開發模式的優劣,從而選擇最適合該地區的模式。另一方面,約束規劃模型可以幫助優化資源的分配。在廢棄礦山地區,資源通常較為有限的,而需求則十分多樣。通過建立模型,可以確定如何最有效地分配資源,以滿足社會和經濟需求,最小化環境影響。這種資源分配的最佳化有助于實現可持續發展,并使資源的價值最大化。

3.1 構建評價指標體系

在構建約束規劃模型時,建立一個健全的評價指標體系十分重要。研究人員先要明確約束規劃的目標和問題定義,確定需要評價的指標,明確決策變量和約束條件,以理解它們對指標的影響。指標分類有助于組織和理解指標的內涵與作用,而權重的分配則反映了指標的相對重要性。指標可以細化為子指標,以更細致地捕捉問題的各個方面。數據的獲取和處理是不可或缺的一步,確保有可靠的數據支持評價指標。這些數據需要進行清洗、歸一化和標準化,以確保它們可比。接下來,建立數學模型,將評價指標與決策變量和約束條件相結合,形成一個完整的約束規劃模型。靈敏性分析幫助研究人員了解不同指標權重的變化對最終方案的影響,從而評估模型的穩定性和魯棒性。由于廢棄礦山資源二次開發模型含有2個以上的目標函數以及若干約束條件,故研究人員使用多目標規劃模型,通過該模型計算得出最佳解決方案。其主要描述形式如下。

(1)

(2)

式中:Z=F(x)代表該模型中包含的k維函數變量,φ(x)代表m維向量函數,g代表m維常數向量。

此外,驗證和校正模型也是不可或缺的步驟,通過歷史數據或實地調查等方法來確保模型的準確性。同時,吸納利益相關者的參與至關重要,以確保評價指標體系符合各方的期望和需求。

3.2 確定指標約束層次

層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是一種常用的技術,層次結構通常包括目標層、準則層和指標層。目標層代表最終的決策目標,準則層包括影響目標實現的高級準則,而指標層包含具體的評價指標,這樣的層次結構使得問題分析與評價更加清晰明了。通過專家調查建立判斷矩陣來比較不同層次元素間的相對重要性。這些判斷矩陣反映了決策者對于各個準則和指標間關系的主觀看法,為后續計算權重奠定基礎。AHP的計算方法通過對判斷矩陣進行特征值分解,得到每個準則和指標的權重,這些權重代表了它們在整個體系中的相對重要性。

在AHP中,一致性檢驗是必不可少的。如果判斷矩陣不一致,需要對專家意見進行修正或重新評估以確保一致性。研究人員需要對權重進行逐層聚合,將權重從底層逐步聚合至頂層,得到最終目標的權重。此過程能夠為整個決策體系提供權重支持。進行靈敏性分析,可以幫助評估權重變化對最終決策的影響[5]。通過調整判斷矩陣中的權重,模擬各指標權重的變動情況,進而分析模型的穩定性和可靠性(見表2)。

表2 層次結構權重表

表2中,目標層代表最終的決策目標,即“最終決策目標”,其相對權重為1.000,表示它在整個體系中的最高重要性。準則層包括高級準則1、高級準則2和高級準則3,這些準則對目標的實現具有不同程度的重要性,其相對權重分別為0.400、0.300和0.300。

最后,進入模型驗證階段對模型的準確性和可行性進行檢驗,確保模型可以為規劃和決策提供科學依據。通過以上這些技術手段,確立合理的指標約束層次結構和計算相對權重,使得約束規劃模型在實際應用中能夠更加科學、準確地指導規劃和決策。

3.3 確定限定區間

在線性規劃中,限制條件通常表示為線性不等式,而在非線性規劃中,則以非線性不等式的形式呈現。整數規劃引入整數約束,需要使用二進制變量和相應的約束條件。二次規劃包括二次約束,而在非凸規劃中,限定區間非常復雜,通常需要全局優化方法。模糊規劃考慮了模糊約束,而混合整數規劃則將整數和連續約束結合。二級規劃需要適當指定主問題和次級規劃問題之間的限定區間,其標準形式如下。

(3)

式中:H代表對稱矩陣,A代表m×n維矩陣,c代表n維度列向量,b代表m維度列向量。若H目標函數為凸函數,且該模型的線性約束可行域為凸集,該規劃模型為“凸二次規劃”模型,該模型的局部最優解即全局最優解。

在隨機規劃中,概率約束用于描述約束的滿足是基于概率的。一旦確定了限定區間,靈敏性分析是必要的,以了解限制條件變化對解的影響。綜合而言,確定限定區間需要適當的數學建模和優化技術,以確保問題得到準確和可行的解決方案。

3.4 指標復合

在約束規劃模型中,指標復合是關鍵技術,用于綜合考慮多個不同指標或目標函數,特別適用于多目標決策問題。這個過程涉及權重分配,其中每個指標被賦予權重,以反映其綜合評價中的相對重要性。權重的確定可以通過專家意見、分析、模糊邏輯等方法來完成。

指標復合的具體方式包括。①線性組合,其中各指標的值通過加權總和來計算綜合指標。②加法模型,將指標值相加,適用于不可替代的多目標問題。③乘法模型,將指標值相乘,適用于相互協同的目標。④TOPSIS方法,考慮正向和負向影響,用歐幾里得距離來排名解決方案。

此外,多目標規劃使用不同的優化技術來優化多個目標函數,在模糊規劃中,模糊邏輯和模糊權重被用于指標復合,以處理不確定性和模糊性。多層次決策允許構建決策的層次結構,其中綜合指標在各層次間傳遞,以支持復雜問題的決策。一旦確定了綜合指標,利用靈敏性分析,評估各指標權重的變化對最終決策的影響。指標復合是一個關鍵的決策支持工具,能夠綜合考慮多個因素,以支持在復雜環境下做出明智的決策,尤其在多目標規劃和模糊決策領域具有廣泛的應用。不同的指標復合方法和權重分配策略應根據具體問題的性質和需求進行選擇。

4 結束語

廢棄礦山是一個潛在的資源寶庫,有效的開發與治理可以將這些廢棄礦山轉化為生產力,為社會經濟和環境發展作出貢獻。研究人員嘗試建立廢棄礦山二次開發模型,根據礦山類型以及資源分布情況,在對資源進行有效開采的同時,對礦山進行改造,提高其經濟價值與社會價值。在未來,廢棄礦山資源與開發模式的研究將繼續發展。通過合作和共享知識,可以更好地實現廢棄礦山資源的可持續開發,實現綠色、可持續發展。