基于ANP和指标权重敏感性分析的矿区生态安全评价

史红伟，田 磊

(1.水利部建设管理与质量安全中心 水利工程管理处， 北京 100038；2.北京市南水北调团城湖管理处，北京 100195)

随着全球生态环境问题的日益严峻，对生态安全的研究已经成为国内外研究的热点[1]。我国对生态安全的研究起步于20世纪90年代，目前研究主要集中在区域水平上[2]，在城市生态系统[3-5]、水环境生态系统[6-8]和土地资源[9-10]等方面作了大量的研究和探索，但对矿区生态安全的研究尤其是定量化评价和分析相对较少。矿区是由资源、经济、环境和社会等子系统构成的复合生态系统，近年来，随着矿产资源开发利用程度的加大，以资源开采为原动力的矿区生态环境问题已逐渐成为影响区域社会经济发展和人民生活最突出、最严重的问题之一[11]，因此，了解矿区的生态安全状况对矿区的可持续发展就显得尤为重要。

生态安全评价即对生态安全状况进行定性或定量描述，是进行生态安全研究的基础，而权重的确定则是综合评价问题的核心。层次分析法(The Analytic Hierarchy Process, AHP)是一种应用十分广泛的权重确定方法，但是AHP法未能考虑指标间的依存关系，只是将复杂的问题进行系统化以进行评价[12]，而在AHP法基础上提出的网络层次分析法(The Analytic Network Process, ANP)能较好地解决指标间存在较强联系时权重的计算问题。本文以山西省长治市潞安王庄矿区为例，利用“压力-状态-响应”(Press-State-Response, PSR)模型结合网络层次分析法确定生态安全的评价指标体系及权重，并对评价结果进行权重的敏感性分析以研究各因子对生态安全的影响程度。通过评价分析矿区2006—2010年的生态安全状况，为促进矿区生态环境的恢复和实现可持续发展提供重要的理论依据，并为今后矿区生态安全评价指标体系构建和评价方法的研究提供依据。

1 研究区域概况

王庄煤矿(113°02′19″—113°09′51″E，35°52′45″—35°57′00″N)始建于1958年，1966年12月正式投产。矿区位于我国规划的13个大型煤炭基地之一的晋东南基地潞安矿区内，沁水煤田东部边缘中段，总面积79.68 km2，包括井田和后备区，其中井田南北长11 km，东西宽4.6 km，面积51 km2；后备区南北长6.3 km，东西宽4.6 km，面积28.68 km2。矿区内四季分明，年平均气温9.5 ℃，平均降雨量678 mm，多集中在夏季，全年无霜期148 d。王庄矿区探明的可采储量4.01亿t，年核定安全生产能力达到710万t以上。多年的煤炭持续开采在促进当地社会、经济发展的同时，也给矿区生态环境带来了多方面、不同程度的破坏，产生了一系列的生态环境问题。近年来，矿区逐步实施了多项生态环境治理工程，形成了较为完善的生态环境综合治理体系。目前，矿区污染物排放得到初步有效控制，总体环境质量有所好转[11，13]。

2 研究数据及方法

本研究的指标数据来源于2006至2010年度王庄煤矿企业环境统计报表以及矿区社会经济调查统计结果。

2.1 矿区生态安全评价指标体系构建

PSR模型按照事物发展的因果逻辑来确定评价的指标体系：人类活动对系统造成压力，改变了环境的状况，而环境状况的改变影响人类的生存和发展，并驱使人类对这种变化采取相应对策来调整自身行为[14]。该模型能够深刻地反映生态系统、自然系统和社会系统三者之间的相互作用机理，注重指标之间的因果联系，具有较高的综合性和灵活性，被广泛承认和使用[15]。矿区生态系统是典型的社会-经济-自然复合生态系统，在进行生态安全评价时必须充分考虑矿区生态系统的自然属性和社会属性[16]，因此，较适合采用PSR模型框架来建立评价指标体系。

按照PSR模型以矿区生态系统为对象建立生态安全评价指标体系，应当能较为全面地反映矿区生态安全的基本状况和主要特征。以潞安王庄矿区为例，王庄煤矿经过多年的发展，产量和规模不断扩大，煤矿开采主要引起的生态与环境问题有：废弃物占压土地(主要是矸石山占压土地)、大气环境污染问题、水环境污染问题等等[11]。矿区发展的压力主要有人口压力、经济增长压力以及主要由煤矸石堆积产生的生态环境压力，在这些压力的影响下，生态安全状态发生改变，最突出地体现在生态环境状况和矿区居民生活状况的改变上，具体表现在矿区的空气质量、地表水质量、职业病等方面的变化。针对矿区的经济、社会发展压力和生态环境问题，王庄煤矿近年来采取了多项响应措施，包括提高“三废”的处理率、降低能耗和水耗、对矸石山进行植被恢复等。遵循系统评价的完整性、科学性、可操作性等基本原则，建立基于PSR模型的矿区生态安全评价指标体系(图1)。

图1 ANP结构的生态安全指标体系

2.2 指标权重的确定

传统的层次分析法(AHP)将复杂的系统问题进行层次化，同一层次的元素彼此独立，只考虑上层元素对下层元素的支配作用，且不相邻的两层次中的元素也不存在支配和从属关系，而在处理实际问题时，系统中的每个元素都有可能影响其它元素，这使得AHP法的应用存在一定的局限性。在AHP基础上提出的网络层次分析法(ANP)不仅考虑了系统中各层次之间的联系，还考虑了各层元素之间的相互影响，在解决系统问题时更加科学、合理[17-19]。根据上文分析，在利用PSR模型框架建立的生态安全指标体系中，依据因果逻辑关系建立的压力、状态和响应指标之间联系较强，所以本文采用ANP法来确定各生态安全指标的权重。

ANP结构中包含控制层和网络层，控制层包含问题的目标及决策准则，网络层为控制层支配的元素。控制层中可以没有决策准则，但至少有一个控制目标，网络层中各元素之间通过对比间接优势度来反映相互之间的联系。间接优势度即给出一个评判准则，另两个元素在这一准则下对第三个元素的影响程度进行比较。ANP法确定各生态安全指标权重的计算过程如下：

(3)在生态安全准则下，对各指标集Cj的重要性进行比较，求得加权矩阵A。对超矩阵W的元素进行加权，即W′=A·W，W′为加权超矩阵。

(4)计算加权超矩阵W′的极限矩阵W∞，其特征向量即为各指标权重。

ANP模型的计算方法较为复杂，具体计算过程参考文献[19]，本文利用Expert Choice公司开发的Super Decision2.0软件建立评价建模，通过矩阵计算，求得各指标权重。

2.3 指标数据的标准化

生态安全评价指标体系中存在效益型指标(数值越大越安全的指标，例如人均绿化面积)和经济型指标(数值越小越安全的指标，例如资源超强度开采率)，采用最小-最大规范化方法对指标进行处理，所有指标标准化后的得分将介于[0,1]之间。

对于效益型指标，标准化公式为：

对于成本型指标，标准化公式为：

式中：xij为指标实际值，xmax和xmin分别为各指标参考标准的最大值和最小值。xmax和xmin的确定主要依据来源于四个方面[20]：(1)国家、行业和地方规定的标准；(2)区域背景和本底标准；(3)类比标准，选取未受到干扰的相似生态系统作为类比标准；(4)科学研究已判定的标准。参考相关国家标准和文献[20-23]确定各指标的标准值如下表：

表1 生态安全指标评价体系及其标准

2.3.1 生态安全综合指数的计算

生态安全综合指数的计算如下：

式中：fi为指标实际值标准化后的数值，wi为相应指标的权重。

综合指数越大，生态安全状况越好，根据生态安全指数将生态安全状态划分为5个等级(表2)：

表2 生态安全水平等级标准

2.3.2 评价结果的敏感性分析

敏感性分析是在投资项目评价和企业经营管理决策中常用的一种不确定分析方法[24]。敏感性分析用于研究因素变化对目标的影响程度，并以分析决策的风险大小。对矿区的生态安全评价结果进行敏感性分析，能够找出影响矿区生态安全的关键因素，分析生态安全变化趋势并预测生态风险，为矿区生态建设和可持续发展提出科学的理论指导。敏感性分析方法包括指标属性值和权重的敏感性分析，本文采用权重的敏感性分析，以敏感性系数来表征指标的敏感性大小[24]，矿区生态安全评价的权重的敏感性分析计算过程如下：

(1)指标最小权重变化量的计算

fa和fb分别为同一指标不同年份中的指标标准化值。

(2)指标敏感性系数的计算

在同一指标的所有年份的两两比较结果中，取D=min{|hi,j,k|}，设F=1/D,F即为指标的敏感性系数，F值越大，综合值变化对指标权重变化的敏感程度越高，该指标也越敏感，敏感性系数的计算在Excel 2010软件中进行。

3 评价结果及分析

3.1 王庄矿区生态安全评价指标权重计算

在Super Decision 2.0软件中以生态安全为目标层，以各具体压力、状态、响应指标为网络层建立网络层次分析模型,通过输入指标间的间接优势度矩阵来计算各指标权重，再对个别权重进行微调整后，最终计算结果如表3。可以看出，GDP增长率和人均绿化面积的权重较大，说明这两个指标分别是主要的压力驱动和状态指示因子。

表3 生态安全评价指标权重

3.2 王庄矿区生态安全综合评价

利用各年份标准化后的指标数据及权重，对压力、状态、响应指数及生态安全综合指数进行计算，计算结果如图2：

图2 2006—2010年王庄矿区生态安全状况

(1)压力综合指数

从图2可以看出，王庄矿区的生态安全压力综合指数在最近5年的得分介于0.450～0.700之间，平均值为0.571，除2009年外，总体得分有所下降，表明矿区目前面临的生态安全压力相对较小，但存在着压力负荷略有加重的趋势。人口增长、资源超强度开采和GDP增长是生态安全压力增加的主要原因，其中，矿区的煤炭资源开发一直处于超强度生产的状态，超强度开采率在2006年仅为3%，而到2010年已达到15.52%，超额定生产能力110万t，长期的超强度开采虽然促进了GDP的持续增长，但也给矿区生态安全带来了很大的压力，如单位GDP固废的排放量一直处于较高的水平。图2所反应的情况与王庄矿区目前所面临的实际的生态安全状况是一致的。

(2)状态综合指数

生态安全状态指数从2006年的0.324上升到2010年的0.582，年均增长率为15.77%，说明矿区生态安全现状不断好转。状态指标中，人均绿化面积的增幅最大，由11 m2/人增加到20.4 m2/人，主要得益于矿区内两座主要矸石山之一的西矸石山在2008年后得到生态重建和景观恢复。区域内环境质量状况良好，矿区及生活区后4年的大气和地表水环境质量都分别达到了《环境空气质量标准》(GB 3095—1996)和《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的二级标准。矿区通过各种有效措施，在不断改善生态环境状况的同时还实现了良好的经济、社会效益，具体表现在人均寿命增加、人均年收入的持续增长和职业病发病率的有效控制等方面。

(3)响应指数

响应指数也呈逐年上升趋势，从2006年的0.583增加到2010年的0.831，年均增长率为9.25%，主要原因是近年来矿区在生态修复和节能减排等方面的投入力度的不断加大：投入生态建设的资金比例由2006年的零投入到2010年的0.26%；废水循环利用率增幅较大，由2006年的37.00%增加到2010年的68.61%；工业三废处理方面，固废和废气处理率接近100%，废水处理率在2010年时也达到81%。

(4)生态安全综合指数

总体上，在2006—2010年间，王庄矿区生态安全综合指数总体上呈上升趋势，从2006年的0.512上升到2010年的0.644，生态安全状况得到不断改善，2009年以前矿区的生态安全状态都处于一般水平，而2009年以后已经处于比较安全的水平。矿区所采取的一系列响应措施取得了良好的效果，到2010年，除个别指标(单位GDP固排放量等)得分较低外，其余指标均已处于较高水平，压力是制约生态安全状况进一步改善的主要原因。

3.3 指标权重的敏感性分析

对矿区生态安全的评价结果进行权重敏感性分析，分析结果如表4：

表 4 指标敏感性分析结果

敏感性分析的结果表明，影响王庄矿区生态安全综合指数变化的敏感性因子是GDP增长率、废水循环利用率、人均绿化面积等9个指标，而其余11个指标权重在[0，1]之间变化时，生态安全综合指数排序并不发生改变，表现出相对不敏感性。从总体上看，压力指标对综合指数的影响最大，其次是响应指标，状态指标最小。敏感性系数最大的指标是GDP增长率，这与该指标的权重及变化规律有关，王庄矿区近几年GDP都保持了高速的增长，但在2009年增长速度出现骤减，大大地增加了指标权重的敏感性。资源超强度开采率和人口密度的变化趋势与综合指数相反，是这两个压力指标表现出敏感性的主要原因，矿区应当根据这些具体情况采取相应措施以减小所面临的生态安全压力，例如合理的控制人口增长速度和经济发展速度，避免出现煤矿的超强度开采现象等。响应指标中，有3个指标都表现出敏感性且敏感性系数较高，这说明矿区针对生态安全现状做出了积极的响应，在生态建设、工业废水处理、废水循环利用三个方面投入的力度越来越大。状态指标中只有人均绿化面积这一指标具有敏感性，主要由于该指标的权重和变化幅度最大，而其余指标变化幅度均不大。指标得分变化幅度不大，可能使指标表现出相对不敏感性，例如压力指标中的单位GDP COD排放量、单位GDP SO2排放量，响应指标中的单位GDP能耗、单位GDP水耗和工业废气处理率得分一直处于较高水平，而状态指标中人均年收入增长率则稳定在较低水平，对于这些指标应当引起重视并采取相应措施加以改善。

4 结论

1)本文基于PSR模型结合王庄矿区实际情况建立矿区生态安全综合评价指标体系，定量计算并分析了矿区最近几年的生态安全状况，评价结果与实际情况基本相符，为矿区这一特殊区域的生态安全评价提供了很好的借鉴。由于数据搜集的原因，本文提出的指标体系忽略了一些因素如地表塌陷、地下水状况等，这些因素对矿区生态安全同样具有重要的影响，在今后的评价过程中不容忽视。另外，从王庄矿区评价结果可以看出，矿区生态安全的压力主要来源于人为的自然资源超强度开采，节能减排和生态恢复措施是实现矿区经济效益、生态效益和社会效益平衡的有效手段。

2)根据PSR模型的特点，考虑系统内部各个因素之间的相互影响，采用网络层次分析法确定各指标的权重，更加真实地反映了矿区生态系统的特征，与传统的层次分析法确定权重相比更加科学合理。然而网络层次分析法本身的原理及运算过程较为复杂，虽然利用相关软件解决了超矩阵计算的问题，但是在构造比较矩阵时，依然存在着主观性强和指标较多引起的比较次数过多的缺点，本文对20个指标采用1～9标度法进行了上百次的指标间接优势度主观比较，不仅十分繁琐，所得结果与实际情况也出现了不可避免的偏差。