基于层次分析法的煤矿矿山生态环境评价定量模型研究

王红梅

(山东省煤田地质局第四勘探队，山东 潍坊 261200)

矿产资源是国民经济发展的重要支柱。 煤炭是我国重要的传统能源资源，我国现有煤矿矿山11 000多个，年产量达35.2亿t[1-2]。煤炭在为我国经济快速发展提供强有力能源支撑的同时，高强度大规模的开采活动也引起了一系列生态环境效应。导致景观破坏、植被覆盖率降低、水体土壤污染、大气粉尘增多、地表塌陷地质灾害等。据《煤炭工业发展“十三五”规划》，我国因煤矿生产引起地表塌陷6.56×108m2，破坏地下水资源22亿t[3-4]。因此，如何使煤矿矿业活动与矿区生态环境保护相协调，是煤矿可持续发展面临问题之一。近年来，对煤矿矿山生态环境科学合理地评价已成为热点问题。

国内外众多学者提出了一系列矿山生态环境评价方法，如模糊评价法、BP神经网络、物元分析法、集对分析法、变权欧氏距离法、“3S”技术等[5-7]。但不同类型矿山开采对环境影响过程及结果也不尽相同，以往的研究主要集中在其他类型矿山，无法反映煤矿矿山特性，建立适应煤矿矿山生态环境特征的评价体系至关重要。而矿山生态环境指标体系没有明确标准可参照，具有较大的模糊性和不确性。相关研究也提出了不同指标，如绿色度概念、生产恢复度、敏感性和恢复力等[8-9]，这些指标侧重点各不相同，因而需要系统地建立煤矿矿山生态环境评价指标体系。矿山生态环境评价是一项复杂工程，难以定量化且涉及面广，如量化方法、等级标准建立等。因此，建立起较为完善的、系统的煤矿矿山生态系统定量评价规范化程序和方法迫在眉捷。

层次分析法(AHP)是美国学者Saaty在20世纪中叶提出的。该方法将复杂的决策系统层次化，通过逐层比较各种关联因素的相对重要性进行分析和量化，从而将半定性、半定量的问题定量化，广泛用于各个行业的评价工作中。基于此，本文以层次分析法为基础，分析煤矿矿山生态环境特性，试图建立起适应煤矿矿山生态环境特征的规范化定量评价模型，以期为合理了解煤矿矿山生态环境质量现状、矿山生态环境治理和保护提供科学依据。

1 煤矿矿山生态环境评价模型

1.1 煤矿矿山生态环境评价概念模型

该概念模型由评价因子指标体系、评价方法和等级标准三部分组成(图1)：通过系统分析煤矿矿区生态环境特征，建立起适应煤矿矿山生态环境特征的因子指标体系；利用AHP法确定因子权重，构建指标量化方法，实现定量评价；对各指标进行等级划分，结合指标权重和量化方法，确定等级阈值，建立煤矿矿山生态环境等级标准。以此建立起煤矿矿山生态环境评价规范化程序和方法。

图1 煤矿矿山生态环境评价概念模型Fig.1 The concept model of coal mine eco-environment evaluation

1.2 评价指标体系

科学、合理的评价指标体系是生态环境评价的基础，也与评价结果的好坏直接关联。矿山生态环境评价的指标体系尚无标准可循，而与其他矿山相比，煤矿矿业活动引起的生态环境问题具有相异性和自身特殊性。要客观公正地评价煤矿生态环境质量，需要选择与煤矿矿区生态环境相关联的评价指标。

指标体系的构建主要有专家咨询法、相关性分析法、单因素最大限制法和主成分分析法等[6,10-11]。本次主要采用专家咨询法，即先系统查阅相关资料和前人研究成果，归纳影响煤矿矿山生态环境主要的因素，组织一定数量煤矿行业相关专家提炼众多因子，将意见做出概率估算，并将估算结果再次告诉专家，经过多轮信息反馈和信息控制，将分散的意见逐渐收敛，最后进行集中协调一致。构建的煤矿矿山生态环境评价指标体系如图2所示。

该评价指标体系由目标层、准则层和指标层三个层次构成。目标层是综合性指标，反映煤矿矿山生态环境总体质量；准则层由自然状态指数、生态环境指数和人文管理指数三个综合指标构成，该指标体系以煤矿开采引起的生态环境问题为主要导向，同时考虑煤矿自然状态以及人文管理对矿山生态环境潜在影响，较为全面且客观公正；指标层由可直接度量的具体指标构成，这些指标基于煤矿矿山生态环境特性。

图2 煤矿矿山生态环境评价指标体系Fig.2 The evaluation index system of coal mine eco-environment

该指标体系是煤矿领域众多专家意见综合反映，注重了煤矿生态环境特性，涵盖了煤矿植被景观破坏、土地占用、水体土壤和大气污染、地质灾害、矿区复垦及管理等主要生态环境问题。生态环境指数直接反演矿区污染、地质灾害等生态环境问题；自然状态指数反演了煤矿矿区自然客观因素对矿区生态环境质量影响；人文管理指数反演了矿业活动过程中人为因素对矿区生态环境质量影响。在确定指标层因子时，尽可能由多组分来综合决定某一因子，如水、土壤污染指数是多组分综合的结果，地质特征由构造、岩性、边坡和地形地貌共同决定，这样就囊括了更多的影响煤矿矿山生态环境的因素，使得评价结果更综合性。

1.3 层次分析法及指标权重确定

本文采用层次分析法确定指标权重，其步骤如下所述。

1) 依据所构建的评价指标体系，专家对各指标两两对比，判断其相对重要性，用数字1～9标度，数字越大表示相对越重要。再综合众多专家意见，计算两两因子相对重要性均值，建立判断矩阵R，见式(1)。

(1)

式中，rij=1/rji，该矩阵为正互反矩阵。

2) 采用方根法计算R矩阵归一化特征向量，步骤如下所述。

表1 随机一致性指标RI参照值Table 1 The reference values of random consistency index

采用上述方法和计算过程，求得煤矿矿山生态环境评价体系准则层和指标层各指标权重，见表2。

1.4 指标量化及评价方法

对于能用数字表达的评价指标，直接用数字赋值；对于不能用数字表达的评价指标，用专家打分法或经验值赋值，如基础地质特征、环境管理指数等。各指标意义及赋值方法见表2。

该评价体系所用具体指标量纲存在明显差异，为了消除量纲差异对评价值的影响，需对量化的各指标标准化。常见的数据标准化方法有极差标准化法、模糊数学法、百分比标准化法、正逆指标标准化法、分级给分法等[12-13]。本模型采用百分比标准化法，其方法如下所述。

对于正向指标，即数值越大越好，如降水量、植被覆盖面积比等指标：Di=Ci/Si。

对于负向指标，即数值越小越好，如土壤、水污染指数：Di=1-Ci/Si。

表2 煤矿矿山生态环境综合评价因子权重及等级Table 2 The weight and grade of evaluation factors of coal mine eco-environments

对于中间值指标，即极限状态指标值为某一中间值，如地下水pH值，计算公式见式(2)。

(2)

式中：Di为标准化值，在[0，1]之间；Ci为指标实测值；Si为参照值，其值为最佳状态值、最劣状态值、国家标准值、国际参照值或国家(地区)均值的1.5倍(表2)；Cmin为指标最小值；Cmax为指标最大值；Cm为中间值。

矿山生态环境评价值采用对目标层逐层加权求和计算，直至最高层，其计算公式为式(3)。

(3)

1.5 煤矿矿山生态环境等级标准构建

矿山生态环境定量评价目的是可以直观对比各矿山生态环境质量现状，需要建立矿山生态环境评价等级。以往评价等级值常由评价者或专家人为划分，其结果具有人为主观性。 本模型采用运算构建煤矿矿山生态环境评价等级值。 具体过程如下所述。

1) 根据煤矿矿山生态环境总体特性，将煤矿矿山生态环境质量划分为优(Ⅰ级)、良(Ⅱ级)、中(Ⅲ级)、差(Ⅳ级)四个等级，等级越高，煤矿矿山生态环境质量越差。

2) 将指标层中每个评价因子相应地划分为四个等级。对于已有等级标准的因子，参考已有的等级标准划分，如地下水综合质量等级、土壤污染指数等。对于尚未有等级标准的因子，结合煤矿矿山生态环境特性及其环境效应，将其划分为四个等级。从而确定指标层各评价因子等级阈值。

3) 参照前述的指标量化和标准化方法，对指标层各评价因子等级阈值标准化，再对各指标加权求和，计算出煤矿矿山生态环境质量各等级综合阈值，确定等级区间范围值。其结果见表3。

表3 煤矿矿山生态环境评价等级标准Table 3 The grade criteria of coal mine eco-environment

2 案例应用

本文以黑龙江伊兰县某煤矿矿山为例，详细说明其应用过程。该煤矿矿田面积2.49 km2，露天开采，开采深度90～150 m。在地形上，矿区位于松花江畔的冲积平原，东部为低山丘陵沟壑带，西部为开阔地带，标高在96～98 m之间。矿区气候属中温带大陆性气候，四季分明，气候差异较大。

首先收集矿区基础地质、地质灾害、矿山复垦、环境监测等资料，获取评价因子指标值，对指标量化，其中基础地质特征、地貌破坏、矿区环境管理指数采用专家打分或经验值，取值范围为[0，1]，对生态环境影响越小，赋值越高。 参照前述方法，对指标标准化(表4)。 然后对目标层逐层加权求和，计算该矿山生态环境质量评价值，其具体过程见式(4)～(7)。

0.151 3×0.45+0.241 2×0.30=0.518 6

(4)

0.111 7×0.572+0.139 6×0.645+0.122 4×0.600+0.089 9×0.620=0.576 2

(5)

(6)

(7)

该煤矿生态环境质量评价结果值为0.530 6，参照建立的等级标准，该矿山生态环境质量属于Ⅲ级。

表4 黑龙江伊兰县煤矿评价指标量化及数据标准化Table 4 The data quantification and standardization of evaluation factors of coal mine in Yilan county, Heilongjiang province

续表4

评价指标量化值数据标准化植被覆盖面积比6.2%0.574(正向指标)年尾矿废物利用率17%0.200(正向指标)水污染指数3.280.672(负相指标)生态环境指数土壤污染指数1.220.695(负相指标)产尘强度428g/t0.572(负相指标)地质灾害面积比3.3%0.645(负相指标)矿山冶理面积比6%0.600(正向指标)地貌破坏0.620.620(正向指标)人文管理指数煤矿区位指数0.330.330(正向指标)环境管理指数0.570.570(正向指标)环境治理投入比0.5%0.417(正向指标)环境科技人员比1.2%0.500(正向指标)

3 结 语

煤矿矿山在提供资源的同时，也引起了一系列生态环境问题，而煤矿矿山生态环境具有自身特性。本研究从煤矿矿山生态环境特性出发，构建一套由自然状态指数、生态环境指数和人文管理指数组成的包含18项二级指标的煤矿矿山生态环境定量评价指标体系。运用层次分析法确定了该指标体系因子权重、指标量化和标准化方法，建立了煤矿矿山生态环境定量评价方法。将煤矿矿山生态环境划分为四个等级，通过划分指标层每个因子等级，确定了煤矿矿山生态环境各等级区间范围值，建立起了煤矿矿山生态环境等级标准。采用该评价模型，对伊兰县煤矿生态环境质量进行评价，该煤矿矿山生态环境综合评价值为0.530 6，属于Ⅲ级。该模型适合煤矿矿山生态环境特性、具有规范化和定量化的特点。