基于模糊综合评价模型的矿区生态环境分析

黄晓阳，陈宝技，刘娜，桂维振，刘阳

（1.山东科技大学，山东青岛266590；2.山东汶上义桥煤矿有限责任公司，山东济宁272511；3.重庆地矿测绘院，重庆400042）

模糊综合评价模型是一种基于模糊数学建立的具有较强功能的分析方法。该研究方法是根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象作出一个总体评价。本文通过研究模糊综合评价模型的提出，在此基础上以义桥煤矿从建井投产至今的实测原始数据与已有资料整理作为原始指标数据，对所建立的模糊综合评价模型进行了检验。实践表明，此方法具有可行性，将模糊综合评价模型引入矿区生态环境健康分析，对保护矿区当地的生态环境质量和生活质量、实现可持续发展具有重要的指导意义。

1 矿区生态模糊综合评价模型［1－2］

矿区生态健康评价指标体系分为目标层、准则层和指标层三个层次，故称为三层次模糊综合评价法，步骤为：

1）建立目标层、准则层和指标层

将目标A分为m个准则Bi，i＝1，2，…，m。即：

式中，cij为第i个准则的第j个指标。

2）采用组合赋权法确定各层次权重值

权重值包括准则层相对于总目标层的权重集W1B和指标层相对于准则层的权重集W1C。

其中，ci＝（ci1，ci2，…，cimi）；mi为第i个准则所含的指标数。

3）将总目标根据评价需要划分为几个等级，建立评价标准

式中：sij为第i个指标第j个等级的评价标准值；m为评价等级数；n为评价指标数。

4）根据评价指标集V建立隶属函数

5）根据隶属函数和各个指标的实际值建立模糊关系矩阵R

式中，Ri为第i个准则的指数模糊关系矩阵［3］。

6）分层模糊评价

矿区生态系统健康评价指标体系共分为三层，因此可进行两层模糊评价，即指标层对准则层和准则层对目标层的评价。

指标层对准则层的模糊评价，第i准则的模糊评价为：

其中：i＝1，2，…，m。

准则层对目标层的模糊评价为：

式中，ai为对第i个等级的隶属度［4］。

7）评价结果的处理

2 模糊综合评价模型在义桥矿区生态系统中的应用实例及分析

2.1 矿区生态模糊评价标准体系的建立

义桥煤矿位于山东省汶上县，村下压煤占矿井地质储量的三分之一，采用村下压煤开采对矿区生态环境造成了一定的影响。所构建的评价指标体系［5－6］如表1所示。

表1 矿区生态系统健康评价指标体系Table 1 Indicator system of mining area ecosystem health assessment

2.2 基础数据的获取和整理

根据野外采集的相关原始指标数据以及相关资料，经过整理，对指标体系中各指标进行辨识和赋值，选取2009年的评价指标体系的基础数据，如表2所示。

表2 评价指标基础数据Table 2 Basic data of assessment indicators

2.3 评价指标体系权重的确定

先用层次分析法（AHP）确定权系数，再通过嫡技术对确定的权系数进行修正，得到各指标的权系数［1］。

1）AHP确定指标权系数

层次分析法是一种多目标、多准则的决策方法，其大概的确定过程如下：

（1）设计咨询调查表，对专家进行咨询评估，将咨询结果整理得A—B、B1—C、B2—C、B3—C、B4—C判断矩阵R，计算R的特征根和特征向量，并检验判断矩阵的一致性。

（2）求出C层各指标对于总目标A的权数。

2）应用熵技术修正指标权系数

AHP方法识别问题的系统性强，可靠性相对较高，但会出现信息把握不准和丢失部分信息等问题，因此使用熵技术对AHP法确定的权系数进行修正。

用熵技术对评价指标权系数的修正值如表3所示，操作过程如下：

（1）将A—B、B1—C、B2—C、B3—C、B4—C判断矩阵R各指标进行同度量化，得到矩阵¯R。

（2）对构造的判断矩阵进行熵技术修正：

①归一化处理：

③第j项指标的差异系数：

④信息权重系数：

⑤指标权系数：

表3 评价指标权系数修正值Table 3 Correction values of assessment indicator weight coefficients

2.4 模糊综合评价

根据义桥煤矿研究区域2009年的各指标数据（见表2）确定评价指标体系各子系统与矿区生态系统健康程度之间的关系矩阵，确定结果如下：

其中RB为子系统各指标与健康程度之间的关系矩阵，矩阵中的元素rij为各子系统中第i个指标对第j级健康程度的隶属度。

根据表3可知个子系统的权系数分别为：

通过以上各子系统与矿区生态系统健康程度的关系矩阵分别与相应的各子系统权系数相乘，可以得到研究矿区生态系统现状与其健康程度之间的关系矩阵R1，即：

上式中，R1为研究矿区各子系统与健康程度的关系矩阵，矩阵中的元素rij为第i个子系统对第j级健康程度的隶属度。

据表3可知各子系统的权重为：

则研究矿区2009年生态系统健康现状的评价结果为：

从式（22）的矿区生态系统现状与健康程度的关系矩阵R1得出：义桥煤矿生态环境保障度的健康现状最差，其临界状态的隶属度为0.56；其次是自然资源支持度和健康可持续；社会经济发展度的健康程度最高，其对于健康程度的隶属度达到了0.604。表明义桥矿区产生了较大的经济效益，并应加强生态坏境的保护。

2）根据最大隶属原则，从式（24）评价结果可知，义桥矿区的生态系统现状属于健康状况，对临界状态的隶属度为0.224，次于最大隶属度0.492，一般疾病的隶属度为0.047，结果表明义桥煤矿生态系统现状属于健康状态。

3 结论

1）义桥矿区采用村下压煤开采对该矿区生态环境造成一定的影响，本文通过结合AHP和熵技术法确定矿区的生态环境评价指标权系数，去除了人为主观因素的影响，使得该模型的生态系统评价具有一定的客观性。并从生态环境、自然资源、社会经济、健康可持续度四个方面建立模糊综合评价模型，根据隶属度理论将定性评价转化为定量评价，有利于研究矿区的生态演变规律，对保护当地生态环境质量、改善居民与职工生活质量、实现可持续发展具有重要的指导意义，为矿区带来一定的社会、经济效益。

2）矿区生态系统是由资源、环境、经济、社会等各方面因素相互作用的复杂系统，对它的健康认识既有精确性又有模糊性。在健康评价过程中，被评价的对象、主体和标准都有模糊和不确定性，而模糊综合评价对生态系统健康评价分析具有一定的可靠性。

3）本文研究结果表明使用模糊综合评价方法对矿区生态环境演变分析是一种有效的决策方法，该研究取得了良好的效果，评价模型具有可行性和科学性。

［1］ 王广成，闫旭骞.矿区生态系统健康评估理论及其实证研究［M］.北京：经济科学出版社，2006：100－166.

［2］ 刘惠君，闫旭骞，林大泽.矿区生态系统健康现状模糊综合评价方法［J］.中国安全科学学报，2009，19（12）：154－158.

［3］ 张中昱.基于BP神经网络和模糊综合评价的环境分析评价系统［D］.天津：天津大学，2006：40.

［4］ 肖辞源.工程模糊系统［M］.北京：科学出版社，2004：82.

［5］ 闫旭骞，张顺堂，袁怀雨.矿区生态系统健康评价的理论和方法［J］.北京科技大学学报，2005，27（3）：351－355.

［6］ 张立宁.矿区生态系统健康评价模型研究［J］.华北科技学院学报，2007（1）：28－32.