基于云模型的煤炭建设项目环境评价

董思思,　董春游

(1.黑龙江科技大学 管理学院, 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学 研究生学院, 哈尔滨 150022)



基于云模型的煤炭建设项目环境评价

董思思1,董春游2

(1.黑龙江科技大学 管理学院, 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学 研究生学院, 哈尔滨 150022)

针对传统煤炭建设项目环境评价方法处理数据的局限性,提出基于云模型和熵权的综合评价方法。该方法利用云模型实现指标定性与定量的转换,利用熵权法确定指标权重。根据科学性、系统性、客观性和可行性的原则,建立以矿区土地复垦率、森林覆盖率、噪声控制达标率等12个指标为评价指标的煤炭建设项目环境评价体系,并以内蒙古柏树坡煤炭建设项目可行性研究报告中的三个方案为例,进行实证分析。结果表明,该方法可克服传统方法主观赋值的缺陷,为煤炭建设项目环境评价方案选取提供决策依据。

煤炭资源; 环境评价; 云模型

煤炭资源作为一种不可再生资源,占我国一次能源消费比重的70%以上,是国民经济发展的基础。环境保护和资源有效利用是经济社会健康、可持续发展的基本保障。因此,煤炭资源开发既要满足国民经济和社会发展需要,更要注重对生态环境的保护和建设。煤炭资源开采过程中所引起的环境破坏问题主要有水土污染与流失、扬沙及沙尘现象、草场超载退化、地面变形塌陷、采矿固体废弃物占地等。煤炭资源开采面临环保压力增大及能源结构调整所带来的双重压力,加快向安全高效开采和清洁高效利用的转变是当今煤炭资源开发的重中之重。近年来,煤炭建设项目涉及的环境保护与生态系统平衡发展问题已逐渐受到全球的关注。

目前,煤炭项目评价方法较为传统。马丽丽等[1]以昌平某矿区为例,采用 AHP 与模糊数学综合评判法确定权重,在GIS平台上对各评价指标进行加权叠加,构建了基于层次分析与模糊数学综合评判法的矿区生态环境评价体系。石晓波[2]参照联合国和经济合作组织(OECD)提出的压力-状态-响应(PSR)模型和孙顺利等[3]提出的基于PSR模型的矿区生态经济适度开发评价模型,构建基于PSR模型的煤炭建设项目环境影响评价体系,并采用层次分析法确定权重,利用模糊综合评价方法分析煤炭建设项目是否符合科学发展。赵娜[4]构建了煤炭开采环境影响后评价指标体系,并分别采用专家打分法、层次分析法和综合指数法对清洁生产水平进行分析。陈桥等[5]采用AHP法确定权重,逐层加权计算目标层的评价值,再通过权重和评价值加权,构建评价等级及矿山生态环境评价模型。

这些方法的弊端是单纯解决评价指标的随机性问题或者模糊性问题,评价结果与原环境影响报告的预测结论存在一定误差。而煤炭建设项目的环境评价系统是模糊性指标与随机性指标并存的复杂综合系统。因此,笔者采用能够处理随机性和模糊性交叉问题的云模型实现指标的定性与定量转换,采用客观性强的熵权法确定权重,构建基于云模型和熵权法的煤炭建设项目环境评价模型,以期从生态环境保护的角度为煤炭建设项目环境评价方案选取提供理论支持和决策依据。

1　煤炭建设项目环境评价指标体系

煤炭建设项目环境评价指标的选取要遵循科学性、系统性、客观性和可行性的原则。根据以上原则,结合SL 312—2006《水土保持工程运行技术管理规程》、GB 50433—2008《开发建设项目水土保持技术规范》等相关规定,主要考虑煤炭建设项目开发过程中引起的环境问题,如空气污染、采空区地表沉陷、水资源破坏、矿井水和煤矸石排放等几方面。其中,矿区土地复垦比例、森林覆盖比例可直接体现生态系统保护恢复的情况；环境保护投入总量和水土保持投入总量可间接体现生态系统保护恢复状况;噪声控制、废水处理、废气排放、固体废物排放达标率及煤矸石生产量等可体现环境污染治理情况;悬浮颗粒日均浓度(TSP)、SO2浓度、矿区土地沙漠化程度体现环境污染和环境破坏情况。在整个煤炭建设项目生命期内这些指标需全面考虑,并根据指标特征分别列入事前评价和后评价。文中选取的影响环境的煤炭建设项目指标见图1。

图1　影响煤炭建设项目的环境指标

2　基于云模型和熵权的评价方法

2.1云模型

云模型是实现不确定语言值与定量数值之间的自然转换的模型。设U是一个定量的论域,A为U的定性表示。假设定量值x∈U,x表示定性概念A的一个随机变量,那么x对A的隶属程度μ(x)∈[0,1]为

μ:U→[0,1],∀x∈U,x→μ(x),

(1)

则x在论域U上的分布称为云。云模型主要采用期望Ex、熵En和超熵He[6-9]三个数字特征对指标进行描述,如图2所示。

图2　云模型的数字特征

云发生器是从定性概念到定量转化的过程,也就是由云的数字特征产生云滴的具体实现过程,如图3所示。

图3　云发生器

已知云的三个数字特征(Ex、En、He),当x=x0或y=y0时,可形成X和Y条件云发生器[10-12]。

2.2权重的确定

利用熵权法确定煤炭建设项目环境评价指标的权重,可以避免人为因素的影响。遴选煤炭建设项目环评方案时[13],若各方案的同类指标值相同、熵权为零,评价时可剔除,以简化计算过程。文中采用熵权法确定权重。

设煤炭建设项目有n个待评方案,集合为a={a1,a2,…,an},每个评价方案有m个评价指标,其集合为P={P1,P2,…,Pm},其中,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。由此得到煤炭建设项目环评初始指标矩阵A=(aij)n×m,其中,aij表示煤炭建设项目环评第i个方案相对应的第j项的评价值。以此为基础,可以进行熵权计算[14],过程如下:

(1)建立煤炭建设项目环评初始矩阵。初始矩阵

其中,aij∈[0,1]。

(2)计算煤炭建设项目每个环评指标的信息熵s、信息效用σ。第j项指标的计算式为

(2)

用该指标的信息熵sj与1的差值表示评价指标Pj的信息效用价值σj,故有σj=1-sj。

(3)确定指标熵权。评价指标权重ω=(ω1,ω2,…,ωm),其中,

(3)

需要说明的是,由式(3)计算的熵权并不单纯表示煤炭建设项目环评指标的重要程度,同时也表示每个环评方案指标值确定的条件下,同类指标的重要程度。当指标的相对差异度接近0时,说明此指标对煤炭建设环评结果影响程度较少,反之亦然。这种方法与传统的主观法确定权重相比,具有更高的可信度。

2.3评价等级云化过程及评价模型

采用正向云发生器云化处理评价等级,用一维正态云模型表示等级云的数据特征。

设煤炭建设项目环境评价指标有n项,构成体系的集合P=(P1,P2,…,Pn),评价等级集合为x=(x1,x2,…,xm),评价指标的权重ω=(ω1,ω2,…,ωm)。

(4)

计算过程中,由于两个等级间存在模糊边界,即同时隶属于上下两等级区域,故处于两个等级交叉点的隶属度相等,则有

(5)

由式(5)可得熵Eni,j,

(6)

超熵Hei,j是对Eni,j不确定性的测度,其值可以由经验或实验数据获取。在形成的云滴图中,超熵表示云滴的聚集程度。

在确定每个指标的等级云的数字特征后,可计算隶属度矩阵R,

(7)

将权重集合与R模糊变换得到评价集上的模糊子集B,

B=ω⊗R,

(8)

其中,B表示评价方案隶属等级的程度,

B=(b1,b2,…,bm)。

3　实　例

3.1评价方案及标准

根据2011年内蒙古自治区柏树坡煤矿项目可行性研究报告提供的环境分析数据及相关文件构建评价指标体系。依据可行性研究报告提出三种方案：方案1为双斜井(中部),方案2为二斜井(一立井),方案3为双斜井(边界)。参照煤炭建设项目环境评价指标体系,给出不同方案各项指标评价标准,如表1所示。

表1　三种方案的评价指标与评价标准

3.2评价指标等级确定

根据煤炭建设项目环境评价指标体系、评价模型以及表1,确定各评价指标等级划分标准,如表2所示。其中，等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别表示该方案的环境评价等级很差、中等、良好、优秀。

利用云模型建立每个指标对应的云图,根据各个评价等级的云化过程,采用MATLAB软件计算各个等级的数字特征。以矿区土地复垦比例P9为例，Ⅰ等级的数字特征为(40.000 0 8.492 6 0.100 0);Ⅱ等级的为(55.000 0 4.246 3 0.100 0);Ⅲ等级为(70.000 0 8.492 6 0.100 0);Ⅳ等级的为(85.000 0 4.246 3 0.100 0)。其对应的四个等级云图如图4所示。

表2　煤炭建设项目环境评价等级划分标准

3.3评价指标权重计算

根据熵权法求权重的原理进行编程,并采用MATLAB7软件运算,求得指标权重:ω=(0.320 00.025 00.032 50.397 20.123 70000.102 000.001 10),

其中,指标权重为0表示其不影响方案比选。

3.4评价结果

运用X-条件云及式(7)计算各方案指标的隶属度矩阵R:

根据式(8)可得柏树坡煤矿建设项目各个方案的环境评价水平,如表3所示。

由结果可知,方案1的环境评价等级为良好(Ⅲ级),方案2、3的环境评价等级为优秀(Ⅳ级),故排除方案1。又因为方案2隶属于Ⅳ级的程度为0.587 8,方案3隶属于Ⅳ级的程度为0.554 6，根据隶属度原则,方案2优于方案3,故选择方案2。此结果与实际选择相一致。

图4　P9对应的四个等级云图

方案隶属度Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级评价等级10.00860.03030.61720.3439Ⅲ20.00610.03250.37370.5878Ⅳ30.00960.02810.40780.5546Ⅳ

4　结束语

根据科学性、系统性、客观性和可行性的原则,

建立以矿区土地复垦率、森林覆盖率、噪声控制达标率等12个指标为评价指标的煤炭建设项目环境评价体系。将云模型应用于煤炭建设项目环境评价中,并采用客观赋值的熵权法确定权重,建立云模型理论和熵权法相结合的评价模型。以柏树坡煤矿建设项目为例,对其三个设计方案进行综合评价。评价结果与实际相符。该研究为煤炭建设项目环境评价方案选取提供了理论支持和决策依据。

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(编辑荀海鑫)

Cloud model-based environment evaluation of coal construction project

DONGSisi1,DONGChunyou2

(1.School of Management, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Graduate School, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper highlights a novel comprehensive evaluation approach as a viable alternative to the conventional environment evaluation method plagued by its limited ability to process data concerning the implementation of coal construction projects. This approach performs a qualitative and quantitative conversion of indexes using the cloud method and index weight determination using entropy weight. The viability of the approach is verified by developing the coal construction project environment evaluation system comprised of 12 indexes, such as the land reclamation rate, the forest coverage rate, and noise control standards， an indication of scientific, systematic, objective, and feasible principle, and this verification is reinforced by performing an empirical analysis of the three cases selected from the construction project feasibility reports by Baishupo Coal Mine located in Inner Mongolia. It follows that the approach, free from the drawbacks due to subjective evaluation inherent in the conventional method, promises to be a decision-making basis for selecting environment evaluation schemes for coal construction projects.

coal resource; environmental evaluation; cloud model

2013-12-28

董思思(1986-),女,吉林省长春人,助教,硕士,研究方向:项目评价及管理,E-mail:sisi1986413@vip.qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.03.023

F426.21

2095-7262(2014)03-0336-05

A