礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)理論與方法

武 強(qiáng) ， 張守成 ， 劉宏磊 ， 曾一凡

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心, 北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)內(nèi)蒙古研究院, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.礦山水防治與資源化利用國(guó)家礦山安全監(jiān)察局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

依據(jù)能源資源稟賦，我國(guó)能源資源呈現(xiàn)富煤貧油少氣的特點(diǎn)[1]。隨著能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)，煤炭作為我國(guó)能源的壓艙石，雖然消費(fèi)量占比呈逐年走低的趨勢(shì)，但近5 a 原煤產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)，煤炭資源的消費(fèi)總量并未降低[2]。在礦業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革背景下[3]，一些中小型礦山面臨政策性閉礦，根據(jù)全國(guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃(2016—2020 年)，礦山數(shù)量較規(guī)劃基期減少3.3 萬(wàn)座，其中小型礦山減少2.8 萬(wàn)座，全國(guó)采礦權(quán)由49 063個(gè)降低為32 536 個(gè)[4]，若這些礦山的直接關(guān)閉，不僅難以避免二次誘發(fā)礦山環(huán)境負(fù)效應(yīng)[5]，而且會(huì)造成礦山環(huán)境正效應(yīng)資源浪費(fèi)[6]。

“礦山環(huán)境正效應(yīng)”的概念由筆者在文獻(xiàn)[5]提出，指出礦產(chǎn)資源開(kāi)采對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生作用，有些會(huì)對(duì)礦山環(huán)境產(chǎn)生如地質(zhì)災(zāi)害、土地資源損毀、地下水均衡破壞、污染與浪費(fèi)等負(fù)效應(yīng)[7-8]，這些負(fù)效應(yīng)在西部水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)[9-10]表現(xiàn)更為顯著；但有些負(fù)效應(yīng)在加以開(kāi)發(fā)利用后可轉(zhuǎn)化為地下采掘空間、地表土地資源、礦井水與熱資源[11]、礦山科學(xué)研究、文化科普、旅游觀光及休閑娛樂(lè)立地資源等，這些正效應(yīng)資源在科學(xué)系統(tǒng)規(guī)劃和實(shí)施后，能夠給礦山及周邊區(qū)域發(fā)展帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及社會(huì)效益。從開(kāi)發(fā)利用的具體途徑來(lái)講，分為儲(chǔ)藏效應(yīng)、資源效應(yīng)等11 類(lèi)正效應(yīng)，從開(kāi)發(fā)利用的屬性來(lái)看，歸納為資源、能源、科普文娛、生態(tài)服務(wù)4 類(lèi)正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)[5,12]。自2016 年以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始探索構(gòu)建“開(kāi)發(fā)式治理、市場(chǎng)化運(yùn)作”的礦山環(huán)境修復(fù)治理[13]，不過(guò)修復(fù)治理和開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)仍相對(duì)單一，比如側(cè)重開(kāi)發(fā)利用礦山殘留資源，側(cè)重開(kāi)發(fā)利用礦山風(fēng)、光、水等正效應(yīng)資源，在注重單一資源開(kāi)發(fā)利用的情況下，忽視了其他正效應(yīng)資源開(kāi)發(fā)利用，尚未形成系統(tǒng)的環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用理論體系。根據(jù)礦山空間(包含地上、地表、地下空間)、礦產(chǎn)、水等資源的多維屬性，礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用也應(yīng)具備多維屬性，如廢棄礦山往往具有“地下、地表、地上”空間資源、殘留礦產(chǎn)資源、水資源、生態(tài)服務(wù)資源[14-15]，某些特殊礦山還具備科普文娛資源，但在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中未能充分研究、利用，造成了正效應(yīng)資源的埋沒(méi)。筆者在文獻(xiàn)[12]的研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)、子目標(biāo)的適宜性評(píng)價(jià)，為遴選礦山環(huán)境正效應(yīng)資源開(kāi)發(fā)利用模式及項(xiàng)目提供評(píng)價(jià)理論和依據(jù)支撐。

1 科學(xué)內(nèi)涵和關(guān)鍵路徑

1.1 科學(xué)內(nèi)涵

“礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用”旨在充分挖掘礦山環(huán)境中地上空間資源、地表土地資源、地下空間資源、殘留礦產(chǎn)資源、礦山水資源等，運(yùn)用理學(xué)、工學(xué)、農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)及交叉學(xué)科等學(xué)科門(mén)類(lèi)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，統(tǒng)籌區(qū)域產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、礦山轉(zhuǎn)型利用方向、服務(wù)終端范圍等因素，科學(xué)、合理制定礦山正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)，在治理礦山環(huán)境負(fù)效應(yīng)的基礎(chǔ)上，全面開(kāi)展正效應(yīng)的開(kāi)發(fā)利用，使礦山環(huán)境正效應(yīng)資源得以充分利用。其本質(zhì)是通過(guò)科學(xué)合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施、監(jiān)測(cè)等手段，使礦區(qū)修復(fù)治理后的土地和環(huán)境所產(chǎn)生的價(jià)值高于礦區(qū)開(kāi)采前的價(jià)值，變廢棄礦山為金山銀山，實(shí)現(xiàn)礦業(yè)資源開(kāi)發(fā)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用研究具有整體性、系統(tǒng)性、多維性、多向性、互適性、約束性6 種特性，是在解析、總結(jié)國(guó)內(nèi)、外礦山環(huán)境修復(fù)治理和開(kāi)發(fā)利用案例的基礎(chǔ)上，凝練提出的礦山環(huán)境正效應(yīng)資源的開(kāi)發(fā)利用理論與實(shí)踐研究，是礦山環(huán)境保護(hù)與修復(fù)治理3.0 階段的必經(jīng)之路[5,12]。

1.2 關(guān)鍵路徑

正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)可歸納為4 類(lèi)：資源正效應(yīng)、能源正效應(yīng)、科普文娛正效應(yīng)、以及生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)[12]。其中，根據(jù)正效應(yīng)資源的屬性，資源正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)可歸納為礦山土地、空間、殘留資源3 類(lèi)子目標(biāo)；根據(jù)開(kāi)發(fā)利用能源的類(lèi)型，能源正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)有電力能源和熱力能源2 類(lèi)子目標(biāo)；根據(jù)開(kāi)發(fā)利用的方向和功能，科普文娛正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)分為科學(xué)研究和文旅娛樂(lè)開(kāi)發(fā)2 類(lèi)子目標(biāo)；根據(jù)土地恢復(fù)利用方向，生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)包含生態(tài)服務(wù)功能和碳匯服務(wù)功能2 類(lèi)子目標(biāo)。各子目標(biāo)又可分為不同的實(shí)施項(xiàng)目，礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)、子目標(biāo)、實(shí)施項(xiàng)目關(guān)系如圖1 所示。

圖1 礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)及實(shí)施項(xiàng)目關(guān)系Fig.1 Relationship between goals and implementation projects for the development and utilization of positive effects in mine environments

礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用的特性決定了開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)規(guī)劃時(shí)有多種組合，即單目標(biāo)、雙目標(biāo)、多目標(biāo)及全目標(biāo)(圖1)。按照“目標(biāo)導(dǎo)向→目標(biāo)分解→實(shí)施項(xiàng)目劃分→評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建→單目標(biāo)適宜性評(píng)價(jià)理論→實(shí)施項(xiàng)目集構(gòu)建→多目標(biāo)融合適宜性評(píng)價(jià)理論”的思路，厘定出適宜的子目標(biāo)[5,12]，劃定清晰的實(shí)施項(xiàng)目，構(gòu)建科學(xué)、完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出基于定量、定性計(jì)算的單目標(biāo)評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)實(shí)施項(xiàng)目適宜性及排序，構(gòu)建多向性的實(shí)施項(xiàng)目集，并基于經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益的定量化模型，建立多目標(biāo)評(píng)價(jià)理論，確定礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用最優(yōu)目標(biāo)組合及實(shí)施項(xiàng)目集，為礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式構(gòu)成研究提供基礎(chǔ)支撐(圖2)。圖2 中，Tn為正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用4 類(lèi)目標(biāo)，n=1, 2, 3, 4；Tni為正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用4 類(lèi)目標(biāo)下的子目標(biāo)；pj為正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用4 類(lèi)目標(biāo)下的具體實(shí)施項(xiàng)目，j=1, 2, …, 18；Ij為實(shí)施項(xiàng)目pj單目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)集。

圖2 礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用實(shí)施路線Fig.2 Implementation route for the development and utilization of positive effects in mine environments

2 正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 評(píng)價(jià)原理

依據(jù)礦山資源多維屬性及開(kāi)發(fā)利用的特性，厘定子目標(biāo)對(duì)應(yīng)的實(shí)施項(xiàng)目，并剖析開(kāi)發(fā)利用各實(shí)施項(xiàng)目約束因素，提出針對(duì)實(shí)施項(xiàng)目適宜性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系與標(biāo)準(zhǔn)，形成單目標(biāo)評(píng)價(jià)理論和多目標(biāo)融合評(píng)價(jià)理論，系統(tǒng)構(gòu)建開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)原理框架(圖3)，為礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)及實(shí)施項(xiàng)目的規(guī)劃提供理論支撐。

圖3 礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)原理框架Fig.3 Framework of principles for evaluating the development and utilization of positive effects in mine environments

2.2 “供給-需求-開(kāi)發(fā)”約束條件

根據(jù)礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用的內(nèi)涵、關(guān)鍵路徑及特性，約束礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)及方向的因素應(yīng)包括礦山稟賦、自然條件、地質(zhì)環(huán)境、外在需求、開(kāi)發(fā)技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)可行性等[16-17]。據(jù)此，建立起基于“供給(Supply)-需求(Demand)-開(kāi)發(fā)(Development)”的SDD 約束結(jié)構(gòu)體系(圖4)，共包含6 類(lèi)一級(jí)約束因素，38 個(gè)二級(jí)約束因子。

圖4 礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)評(píng)價(jià)約束體系Fig.4 Target evaluation constraint system for the development and utilization of positive effects in mine environments

供給層是礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了礦山的本體條件，分為礦山稟賦、自然條件及地質(zhì)環(huán)境3 類(lèi)約束條件，為后續(xù)礦山正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用實(shí)施項(xiàng)目提供本體供給評(píng)價(jià)。

需求層反映了礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)外部因素約束，關(guān)系到實(shí)施項(xiàng)目完工后續(xù)礦山可持續(xù)發(fā)展，為后續(xù)礦山正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用實(shí)施項(xiàng)目提供需求評(píng)價(jià)。

開(kāi)發(fā)層反映了礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素的約束，其中經(jīng)濟(jì)可行性是目標(biāo)確定的關(guān)鍵約束條件之一，一般為綜合效益最優(yōu)是開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)和實(shí)施項(xiàng)目評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于個(gè)別開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)中技術(shù)的復(fù)雜程度決定了能否實(shí)施，例如礦山地下空間被用來(lái)儲(chǔ)存核廢料、二氧化碳和能源時(shí)，對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)實(shí)施提出了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，因此技術(shù)因素也是確定開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)的約束條件之一。

2.3 正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用實(shí)施項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)集

礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用實(shí)施項(xiàng)目具有多目標(biāo)、多選擇性，為探究最優(yōu)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)，需構(gòu)建項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)集I，厘定項(xiàng)目單目標(biāo)評(píng)價(jià)體系。針對(duì)厘定的18 類(lèi)實(shí)施項(xiàng)目(表1)，從評(píng)價(jià)約束體系中的礦山稟賦、自然條件、地質(zhì)環(huán)境、外在約束條件及開(kāi)發(fā)條件5 類(lèi)一級(jí)約束中的35 個(gè)二級(jí)約束中構(gòu)建了62 個(gè)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)(表2)。

表1 正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用實(shí)施項(xiàng)目單目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)集IjTable 1 Single-goal evaluation indicator set Ij for the implementation of positive effects development and utilization projects

表2 礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)集ITable 2 Evaluation indicator set I for the development of positive effects in mine environments

2.4 實(shí)施項(xiàng)目單目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)集構(gòu)建

通過(guò)目標(biāo)導(dǎo)向，分析礦山本體特征基礎(chǔ)條件、外部需求情況及實(shí)施項(xiàng)目開(kāi)發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀，確定實(shí)施項(xiàng)目可行性的主控因素，從評(píng)價(jià)指標(biāo)集中構(gòu)建18 類(lèi)實(shí)施項(xiàng)目單目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)集Ij(表1)。

3 正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用單目標(biāo)適宜性評(píng)價(jià)理論

3.1 模型構(gòu)建

因礦山具有空間、資源、環(huán)境、技術(shù)、管理等多維屬性，其開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)存在多向性，構(gòu)建開(kāi)發(fā)利用單目標(biāo)適宜性評(píng)價(jià)模型是礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)篩選、決策的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)礦山資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)。依據(jù)不同實(shí)施項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)集(表1)，根據(jù)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)取值標(biāo)準(zhǔn)(表3)，定性、定量確定各指標(biāo)分值ti，選擇權(quán)重確定方法并求取各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重wi，計(jì)算礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用實(shí)施項(xiàng)目適宜性指數(shù)S：

表3 礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用實(shí)施項(xiàng)目適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Scoring criteria for the suitability evaluation indicators of implementation projects for the development and utilization of positive effects in mine environments

式中，n為實(shí)施項(xiàng)目pj單目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)集Ij中的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量，i=1, 2, …,n。

3.2 單目標(biāo)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

遵循國(guó)家、行業(yè)、地方、行政法規(guī)等現(xiàn)有規(guī)范、文件，結(jié)合實(shí)施項(xiàng)目SDD 約束條件，以定量為主、定性為輔的評(píng)價(jià)原則，對(duì)實(shí)施項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃定及賦分，其中適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)劃分為3 個(gè)等級(jí)和4 個(gè)等級(jí)，由專(zhuān)業(yè)人員依據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究礦山進(jìn)行賦分(表3)。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

實(shí)施項(xiàng)目適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)集Ij構(gòu)成指標(biāo)數(shù)量不同，且各指標(biāo)對(duì)項(xiàng)目適宜性的影響程度不一。由于礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用受礦山稟賦條件、區(qū)域自然條件、地質(zhì)環(huán)境條件、外在約束條件、開(kāi)發(fā)技術(shù)條件的多種限制因素影響，且不同類(lèi)型礦山評(píng)價(jià)指標(biāo)影響程度具有模糊性，因此在計(jì)算權(quán)重過(guò)程中，引入三角模糊數(shù)表示指標(biāo)權(quán)重的評(píng)價(jià)結(jié)果，構(gòu)建模糊判斷矩陣，將主觀判斷的模糊語(yǔ)言評(píng)價(jià)映射為定量的三角模糊數(shù)以計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)[21]。設(shè)N=(l,m,u)，其中u≥m≥l，其隸屬函數(shù)為

其中，l、m、u分別為三角模糊數(shù)N的下限值、中值和上限制，l、u用來(lái)表示模糊度，u-l差值越大，則判斷的x值模糊度越大[22]。運(yùn)用三角模糊數(shù)對(duì)《Satty9 級(jí)標(biāo)度法》進(jìn)行改善，構(gòu)建模糊標(biāo)度，克服兩兩指標(biāo)主觀評(píng)判的模糊性。計(jì)算步驟如下：

(1)構(gòu)建實(shí)施項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)集，見(jiàn)表2。

(2)構(gòu)建模糊標(biāo)度。對(duì)指標(biāo)集中的兩兩指標(biāo)進(jìn)行主觀對(duì)比，評(píng)判采用“同等重要”“稍微重要”“較為重要”“強(qiáng)烈重要”“絕對(duì)重要”等定性語(yǔ)言描述，同時(shí)依據(jù)模糊標(biāo)度表，映射得到三角模糊數(shù)和三角模糊倒數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 模糊標(biāo)度及其映射表Table 4 Fuzzy scale and its mapping table

(3)構(gòu)建模糊判斷矩陣。評(píng)價(jià)人員對(duì)實(shí)施項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)集中n個(gè)指標(biāo)因素兩兩依次主觀對(duì)比判斷，得到n×n模糊判斷矩陣A，即

式中，aij=(lij,mij,uij)、aji=(1/uij,1/mij,1/lij)為三角模糊數(shù)值，具體數(shù)值根據(jù)表4 確定。

(4)模糊判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。對(duì)于模糊判斷矩陣A取其三角模糊數(shù)中值構(gòu)成的矩陣Am進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，當(dāng)Am滿足一致性條件時(shí)，相應(yīng)的模糊判斷矩陣A也滿足一致性條件。設(shè)矩陣Am的最大特征根λmax，則模糊判斷矩陣一致性比例CR為

其中，IR為相容性指標(biāo)修正值，與矩陣Am維數(shù)有關(guān)，可參考表5。若CR≤0.1，可認(rèn)定為模糊判斷矩陣滿足一致性要求，否則需評(píng)價(jià)人員重新評(píng)判。

表5 相容性指標(biāo)修正值IRTable 5 Compatibility indicator adjustment value

(5)確定模糊權(quán)重。由于模糊判斷矩陣考慮了主觀判斷模糊性，因此評(píng)價(jià)效率和準(zhǔn)確度得到了提高，若有T位評(píng)價(jià)專(zhuān)家進(jìn)行評(píng)判，其判斷矩陣AT=(aijT)n×n=[(lijT,mijT,uijT)]n×n，取平均值，常見(jiàn)的平均值有算數(shù)平均值、加權(quán)平均值、幾何平均值等，平均值選取取決于專(zhuān)家權(quán)重，本文假定為專(zhuān)家權(quán)重基本一致，取算數(shù)平均值，即

(5)權(quán)重去模糊化。對(duì)wi進(jìn)行去模糊化，使三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重值S(wi)，去模糊化公式為

α的取值由評(píng)價(jià)問(wèn)題環(huán)境及評(píng)價(jià)專(zhuān)家偏好因素決定，當(dāng)α=0.5 時(shí)，表示評(píng)價(jià)中立型，當(dāng)α≠0.5 時(shí)，表示評(píng)價(jià)保守型或激進(jìn)型。

(6)標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重歸一化。對(duì)S(wi)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重wF,i，公式為

3.4 單目標(biāo)實(shí)施項(xiàng)目適宜性評(píng)價(jià)

根據(jù)礦山本體供給、實(shí)施項(xiàng)目外部需求及開(kāi)發(fā)技術(shù)約束條件，依據(jù)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(表4)，對(duì)礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用單目標(biāo)實(shí)施項(xiàng)目適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分；運(yùn)用三角模糊數(shù)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重；通過(guò)評(píng)價(jià)模型式(1)計(jì)算實(shí)施項(xiàng)目適宜性得分，按照表6 評(píng)定單目標(biāo)實(shí)施項(xiàng)目適宜程度，并依據(jù)適宜分值高低進(jìn)行適宜性排序。

表6 正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用單目標(biāo)實(shí)施項(xiàng)目適宜程度分級(jí)Table 6 Grading of suitability level for single-goal implementation projects in the development and utilization of mine environmental positive effects

4 正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用多目標(biāo)評(píng)價(jià)理論

礦山環(huán)境資源多維屬性，決定礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)的多目標(biāo)性；科學(xué)、合理的多目標(biāo)融合評(píng)價(jià)理論是礦山環(huán)境正效應(yīng)充分開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵，它是建立在單目標(biāo)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果上，對(duì)滿足正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用“適宜”和“較適宜”的實(shí)施項(xiàng)目集中具備組合開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目進(jìn)行組合，結(jié)合礦山開(kāi)發(fā)層約束體系中的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及社會(huì)效益，構(gòu)建多目標(biāo)線性規(guī)劃效益模型，通過(guò)求解約束條件下的目標(biāo)函數(shù)最大化，確定礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用最優(yōu)目標(biāo)及實(shí)施項(xiàng)目組合(圖5)。

圖5 礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用多目標(biāo)評(píng)價(jià)理論框架Fig.5 Framework of multi-goals evaluation theory for the development and utilization of positive effects in mine environments

4.1 實(shí)施項(xiàng)目集的構(gòu)建

(1)實(shí)施項(xiàng)目維度劃分。依據(jù)實(shí)施項(xiàng)目空間維度，對(duì)18 類(lèi)實(shí)施項(xiàng)目進(jìn)行劃分(表7)。

表7 礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用實(shí)施項(xiàng)目pj 維度劃分Table 7 Dimension division of implementation project pj in multi-goals evaluation theory for the development and utilization of positive effects in mine environments

(2)實(shí)施項(xiàng)目集構(gòu)建。根據(jù)單目標(biāo)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)“適宜”和“較適宜”的實(shí)施項(xiàng)目進(jìn)行匯總，依據(jù)項(xiàng)目實(shí)施邏輯相互關(guān)系(表8)，構(gòu)建實(shí)施項(xiàng)目集P={Pn}，其中Pn={pj}，j=1,2,…,18，Pn為實(shí)施項(xiàng)目集子集(子項(xiàng)目pj存在互斥關(guān)系時(shí)候的不同子項(xiàng)目的組合集，即Pn中不能含有互斥關(guān)系的pj子項(xiàng)目)，{pj}為滿足項(xiàng)目實(shí)施邏輯關(guān)系且單目標(biāo)適宜性評(píng)價(jià)為“適宜”和“較適宜”的pj子項(xiàng)目集合。

表8 項(xiàng)目實(shí)施邏輯關(guān)系Table 8 Logical relationship of project implementation

4.2 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

經(jīng)濟(jì)效益可概括為直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益，直接經(jīng)濟(jì)效益一般為直接產(chǎn)品產(chǎn)生的效益，間接經(jīng)濟(jì)效益是除項(xiàng)目直接產(chǎn)品產(chǎn)生的效益后的對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的其他經(jīng)濟(jì)效益[23]，構(gòu)建實(shí)施項(xiàng)目產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益與規(guī)劃面積的效益評(píng)估算式(表9)。

表9 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估計(jì)算Table 9 Economic benefit evaluation calculation table

4.3 生態(tài)效益評(píng)估

礦山環(huán)境治理生態(tài)評(píng)估一般從治理措施與生態(tài)問(wèn)題的關(guān)聯(lián)性、生態(tài)脅迫因子消除程度、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量改善及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升等方面內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)此筆者選取了植被覆蓋度增加、土地石漠化/荒漠化/鹽漬化面積減少、水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙、洪水調(diào)蓄、固碳釋氧、生物多樣性8 個(gè)方面指標(biāo)并進(jìn)行定量評(píng)估，構(gòu)建實(shí)施項(xiàng)目生態(tài)效益與規(guī)劃面積的效益評(píng)估算式(表10)。其中治理措施費(fèi)用已作為經(jīng)濟(jì)效益包含的項(xiàng)目實(shí)施投資費(fèi)用(Cp)中，生態(tài)效益評(píng)估計(jì)算中不再扣除Cp費(fèi)用。

表10 生態(tài)效益評(píng)估計(jì)算Table 10 Ecological benefit evaluation calculation

4.4 社會(huì)效益評(píng)估

礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目社會(huì)效益具有潛在性、間接性、長(zhǎng)久性等特點(diǎn)，與經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益緊密關(guān)聯(lián)、相互依存[30]，其評(píng)估內(nèi)容一般包括新增就業(yè)崗位、人居環(huán)境改善、本地居民參與度、滿意度、后期管護(hù)及可持續(xù)影響，其內(nèi)涵是項(xiàng)目對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)生產(chǎn)、生活的影響程度；筆者選取新增就業(yè)人數(shù)、改善人居環(huán)境、增加地區(qū)上下游產(chǎn)業(yè)消費(fèi)3 個(gè)方面指標(biāo)并進(jìn)行定量評(píng)估，構(gòu)建實(shí)施項(xiàng)目社會(huì)效益與規(guī)劃面積的效益評(píng)估算式(表11)。

表11 社會(huì)效益評(píng)估計(jì)算Table 11 Social benefit evaluation calculation table

4.5 多目標(biāo)線性規(guī)劃模型構(gòu)建

(1)變量構(gòu)建。依據(jù)表7，設(shè)置實(shí)施項(xiàng)目集P中各子項(xiàng)目pj的變量xj、yj，xj、yj分別表示實(shí)施項(xiàng)目pj的地表占地面積和地下占地面積，計(jì)算過(guò)程中注意pj面積單位的統(tǒng)一。

(2)目標(biāo)函數(shù)確定。礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用多目標(biāo)線性規(guī)劃的目標(biāo)是使經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益最佳，為此構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益的目標(biāo)函數(shù)，其目標(biāo)函數(shù)系數(shù)基于效益評(píng)估表9～11，具體見(jiàn)表12，經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)f1(x)+f1(y) 、環(huán)境效益目標(biāo)函數(shù)f2(x)+f2(y) 、社會(huì)效益目標(biāo)函數(shù)f3(x)+f3(y)構(gòu)建如下：

表12 決策變量及目標(biāo)函數(shù)系數(shù)的構(gòu)建Table 12 Construction of decision variables and objective function coefficients

2)土地利用及項(xiàng)目用地規(guī)劃約束。對(duì)礦山實(shí)施區(qū)域及影響區(qū)域的土地利用狀況開(kāi)展調(diào)查，調(diào)查至二級(jí)地類(lèi)，構(gòu)建土地利用面積集F={Af}，Af={Af,s}，其中，Af為調(diào)查區(qū)土地利用為f一級(jí)類(lèi)的土地面積；Af,s為調(diào)查區(qū)土地利用為f一級(jí)類(lèi)(f=01、02、…、12、20)、s為二級(jí)類(lèi)的面積，s指f一級(jí)類(lèi)下面的二級(jí)類(lèi)編碼。依據(jù)國(guó)土空間規(guī)劃、相關(guān)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃及行政法規(guī)規(guī)定，開(kāi)展礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用實(shí)施項(xiàng)目規(guī)劃土地利用約束。

3)地下空間約束。開(kāi)采地下空間正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用實(shí)施項(xiàng)目受區(qū)域位置、地質(zhì)條件、圍巖特征、空間位置、環(huán)境特點(diǎn)等條件的限制，具有特定的邏輯約束，依據(jù)項(xiàng)目邏輯關(guān)系表(表8)，對(duì)地下空間維度上的實(shí)施項(xiàng)目進(jìn)行邏輯關(guān)系劃分，構(gòu)建地下空間開(kāi)發(fā)利用實(shí)施項(xiàng)目集B(表13)。

表13 地下空間開(kāi)發(fā)利用邏輯約束實(shí)施項(xiàng)目集B 構(gòu)建Table 13 The setting of implementation project B under the logic constraint of underground space development and utilization

依據(jù)地下空間開(kāi)發(fā)利用邏輯約束實(shí)施項(xiàng)目集B，構(gòu)建地下空間約束。

式中，j∈B表示j為地下空間開(kāi)發(fā)利用邏輯約束實(shí)施項(xiàng)目集B的子集(子項(xiàng)目)；yj表示j子項(xiàng)目占用的地下空間面積；Su為地下空間可開(kāi)發(fā)利用面積。

4.6 多目標(biāo)線性規(guī)劃求解

通過(guò)上述方法，求解出經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益達(dá)到最優(yōu)時(shí)候的組合形式，根據(jù)理想點(diǎn)法或式(14)，得到礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用最優(yōu)目標(biāo)、實(shí)施項(xiàng)目組合及相應(yīng)規(guī)劃面積，以此為決策者提供技術(shù)支撐。

5 結(jié) 論

我國(guó)現(xiàn)階段登記采礦權(quán)超3 萬(wàn)個(gè)，面積近30 萬(wàn)km2，充分挖掘礦產(chǎn)資源在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的礦山環(huán)境正效應(yīng)資源，化害為利，實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、零碳、負(fù)碳開(kāi)采，是響應(yīng)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的內(nèi)在要求。隨著開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的進(jìn)步，以及工業(yè)多源物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)等技術(shù)的成熟，礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用研究仍有巨大的進(jìn)步空間，特別是指向區(qū)域性和差異性的礦山環(huán)境正效應(yīng)資源開(kāi)發(fā)利用模式體系將愈加完善，實(shí)現(xiàn)礦業(yè)轉(zhuǎn)型、城市發(fā)展、流域可持續(xù)以及市場(chǎng)化道路等方面的礦業(yè)綠色發(fā)展新格局。

(1)綠色礦業(yè)高質(zhì)量發(fā)展?！半p碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)施，倒逼礦山企業(yè)升級(jí)發(fā)展，開(kāi)展礦業(yè)工程活動(dòng)“源頭綠色開(kāi)采、過(guò)程低碳排放、末端固碳實(shí)施”是礦山綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的必由之路，通過(guò)礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)理論，評(píng)估、確定正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)和實(shí)施方案，為礦山“低碳、零碳”開(kāi)采提供環(huán)境方面支持。此外，正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用理論能夠?yàn)榈V山綠色、可持續(xù)發(fā)展提供精準(zhǔn)規(guī)劃，尤其是礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用、地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)治理、礦山土地修復(fù)等前期精準(zhǔn)規(guī)劃以及中、后期礦山環(huán)境修復(fù)治理等，通過(guò)礦山環(huán)境治理開(kāi)發(fā)，構(gòu)建礦區(qū)多能互補(bǔ)綜合系統(tǒng)及生態(tài)服務(wù)碳匯系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)煤炭全生命周期“低碳、零碳”開(kāi)采的重要技術(shù)手段。

(2)資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展。建國(guó)以來(lái)，作為能源、資源戰(zhàn)略保障的資源型城市，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，隨著資源枯竭，面臨著經(jīng)濟(jì)衰退、社會(huì)問(wèn)題突出及生態(tài)環(huán)境惡化等困境；擺脫資源依賴(lài)、創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展、培內(nèi)生發(fā)展動(dòng)力是轉(zhuǎn)型發(fā)展的導(dǎo)向；借助資源開(kāi)采后的礦山環(huán)境正效應(yīng)資源，全力挖掘并充分開(kāi)發(fā)利用，在解決生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)，對(duì)資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要的示范效應(yīng)。

(3)黃河流域礦區(qū)歷史遺留廢棄礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用。黃河流域中上游地區(qū)氣候類(lèi)型主要是干旱半干旱，生態(tài)環(huán)境脆弱，而我國(guó)現(xiàn)有的14 個(gè)大型煤炭生產(chǎn)基地中，有9 個(gè)分布在黃河流域，如何在保障國(guó)家能源安全的同時(shí)又促進(jìn)區(qū)域綠色、高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展具有重大意義；基于礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用理論，評(píng)估和利用黃河流域歷史遺留廢棄礦山修復(fù)治理后的土地、空間、遺留資源、光能、風(fēng)能等正效應(yīng)資源，構(gòu)建生態(tài)碳匯產(chǎn)品模式、“清潔能源+農(nóng)牧”產(chǎn)業(yè)模式、科普文旅開(kāi)發(fā)模式、運(yùn)動(dòng)娛樂(lè)開(kāi)發(fā)模式等綠色、可持續(xù)性產(chǎn)品，在修復(fù)和保護(hù)流域內(nèi)礦山環(huán)境的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的可持續(xù)性發(fā)展。

(4)廢棄礦山市場(chǎng)化運(yùn)作模式。為緩解礦山生態(tài)修復(fù)資金不足問(wèn)題，我國(guó)開(kāi)展了“開(kāi)發(fā)式治理、市場(chǎng)化運(yùn)作”修復(fù)模式，通過(guò)資源使用權(quán)、耕地指標(biāo)及資金等方面的激勵(lì)，鼓勵(lì)社會(huì)資金參與；政策措施的實(shí)施雖取得了一定成果，但缺乏對(duì)礦山環(huán)境整體性、系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)，重視開(kāi)發(fā)式治理中的遺留礦產(chǎn)資源、土地指標(biāo)資源等吹糠見(jiàn)米的利益，缺少對(duì)空間、生態(tài)等隱形資源深謀遠(yuǎn)猷的規(guī)劃，甚至出現(xiàn)了以生態(tài)修復(fù)名義違法采礦、破壞生態(tài)等現(xiàn)象。礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用理論以整體性、系統(tǒng)性、多維性、多向性的思維方式，挖掘蘊(yùn)含在礦山中的正效應(yīng)資源，依據(jù)評(píng)價(jià)理論方法，評(píng)價(jià)及規(guī)劃礦山正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用最優(yōu)目標(biāo)及實(shí)施項(xiàng)目配置，為廢棄礦山市場(chǎng)化運(yùn)作提供方向和理論支撐。