基于模糊层次分析法的资源开发优化布局研究

张建芝

(山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队)，山东 济宁 272100)

0 引言

自改革开放以来，中国城市化发展迅速，城市化比率由1978年的17.8%增长到2019年的60.6%[1]，城市化迅速发展的同时也带动了城市建设用地的迅猛增长[2-4]。矿产资源作为国民经济发展的必要物质基础，在城市化发展的进程中起着至关重要的作用，然而城市建设用地的扩张使得矿产资源开发不断受限，同时，矿产资源开发产生的地面沉陷、水污染、大气污染等一系列环境问题也制约着城市的进一步发展，二者之间的矛盾愈发不可调和[4-7]。因此，研究如何高效配置城市建设用地和矿产资源2种资源，使得社会、经济以及生态效益最大化，具有一定的现实意义。蒋冬梅[8]分析了中国煤炭城市地—矿冲突现状，提出了将煤炭城市按照禁采、缓采和可采3个边界，以及禁采建成区、限采可建区、缓采有条件建设区和可采禁建区四大管控区域调控地-矿冲突的思路。吴迪[9]从国土空间管理规划的角度出发，分析了土地利用总体规划、城市总体规划和矿区总体规划三者之间的矛盾，并进行了优化研究分析。

济南北跨城市规划区以建设新材料研发生产、旅游康体休闲为龙头，以区域物流为支撑，集公共服务、生活居住、商业文娱为一体的现代化新城为发展定位；设立了“三年打基础”“五年拉框架”“十年立新城”的发展战略；确定了“一轴、二带、两园、四区”的城市空间结构体系[10]。

本文以济南北跨城市规划区为例，开展区内城市建设和矿产资源开发优化布局研究，旨在为区内城市建设用地和矿产资源优化配置提供依据。

1 研究区概况

济南北跨城市规划区重点研究范围南起黄河，北至市域北边界，包括济阳县崔寨镇及天桥区大桥镇、桑梓店镇黄河以北区域，总面积约280.40km2。研究区内主要矿产资源为煤和地热；其中煤炭资源主要包括靳家矿区和高王矿区2处(图1)。

1—靳家矿区范围；2—高王勘查区范围；3—行政界线；4—研究区范围；5—地形等高线图1 济南北跨城市规划区与煤炭资源矿业权设置位置关系图

2 评价方法

模糊层次分析法是层次分析法和模糊综合评价法的结合。其具有判断矩阵的模糊性和计算的简洁性特点，解决了一般层次分析法标度繁琐、判断矩阵一致性难以达到的不足[11]。该方法的优点为：简化了人们判断目标相对重要性的复杂程度，利用优先关系矩阵来定量的描述决策具有转化方便、快捷的优点[12]。其建模步骤与层次分析法类似，大致分为建立层次分析结构模型、构造模糊判断矩阵、模糊判断矩阵一致性检验、排序优选4个步骤。

3 评价模型建立

依据北跨区城市发展的需要、北跨区规划的要求以及资源开发利用的现实可能性，同时为了比较土地和矿产2种资源开发利用的综合效益，选择合理的资源开发利用模式，设置“先建后采、先采后建、只建不采和只采不建”4种情景对2种资源的开发方式进行模拟分析。为2种资源协同开发利用提供决策参考和优化依据，具体分析框架如图2所示。

图2 资源开发情景模拟分析框架图

根据《济南市矿产资源总体规划》及建设项目压覆矿产情况，将研究区内的禁采区和建设项目已压覆的矿产资源划定为只建禁采区。对剩余的区域，根据构造、水文等煤层赋存情况以及北跨区规划建设用地类型等条件划分为数个评价单元，对每一个评价单元分别进行经济效益、环境效益和社会效益分析，并进行综合评价，根据评价结果确定煤炭资源开采方案。

3.1 评价单元划分

首先根据研究区煤炭资源分布现状及矿业权设置情况，将研究区划分为无煤炭资源区(Ⅰ)和煤炭资源分布区(Ⅱ)，其中煤炭资源分布区又按照是否为已建项目压覆资源区或政策禁采区、是否为建设用地规划地块以及所属矿业权设置情况，划分为7个不同评价单元。其中无煤炭资源区和已有建设项目已压覆区均不进行煤炭资源开采，不存在优化问题。除此之外，其他块段均为可利用资源，为本次优化评价分析的重点。

3.2 评价指标体系

基于北跨区城市建设和资源开发利用的现实可能性，选取经济效益、环境效益和社会效益三类因子作为评价标准，在三类因子的基础上选取9个单因子构成评价指标体系(表1)，分别对“先建后采、先采后建、只建不采和只采不建”四种模式进行评价。

表1 评价指标体系

3.3 评价方法

通过GIS空间分析技术，将各单元各评价因子的评价值进行叠加处理，采用加权求和的方法求得各评价单元综合各因素的综合效益评价结果。

3.4 评价因子权重确定

本次运用模糊层次分析法对各评价指标进行权重赋值。该方法在面对某一层评价指标较多时，能够保证思维的一致性，因而得到广泛应用[13-19]。首先通过因子间的比较获得模糊矩阵，然后通过转换获得模糊一致性矩阵，最后经归一化处理得因子权重值。其中模糊矩阵的构建通过因子间比较重要性得到，当两因子重要性相同时取值1/2，当一个因子比另外一个因子重要时取值1，反之取值0。

根据各层次得到的权重向量应用公式(1)计算：

aC总=aB×aC

(1)

可得到层次总排序，即得到评价指标综合权重，如表2所示。

表2 综合效益评价指标权重表

权重值大小反应了评价指标对于目标层的贡献程度，值越大说明贡献程度越大，越重要。

3.5 评价因子分值确定

本次选取对研究区综合效益影响较大的9个因子作为综合效益分析的主要评价因子。根据各因子中不同要素对综合效益影响重要程度的不同赋不同的等级值。采用德尔菲法确定单因子内部的效益性评价分值，该方法广泛应用于各学科领域[20-24]。本次评价用0，1，3，5，7，9，11代表用地效益的高低，分值越高表示产生的效益越高(表3、表4、表5)。

表3 经济效益评价因子等级划分标准

表4 环境效益评价因子等级划分标准

表5 社会效益评价因子等级划分标准

根据评价因子赋值等级标准，在“先建后采、先采后建、只建不采和只采不建”4种不同方案下，分别对各评价单元中各因子进行赋值，全部因子赋值后再进行叠加处理，得到4种不同方案下，各评价单元各因子赋值结果。

4 评价结果及优化布局方案

4.1 评价结果

根据确定的评价指标权重及评价等级值，采用公式(1)计算各评价单元不同情景下的综合效益综合评价值，评价结果见表6。

表6 综合效益评价结果表

对各评价单元不同情景下综合评价值进行两两比较，按评价值的大小进行排序，排序顺序代表该评价单元以综合效益为目标的最优选择方案顺序。由评价结果表6可以看出，各评价单元最优选择方案优先顺序见表7。

表7 各评价单元最优选择方案顺序

4.2 优化布局方案

根据综合评价结果同时结合北跨规划布局以及政府其它相关政策规划等，对本次研究区进行建设优化布局。结合综合评价结果，将研究区全区按“先建后采”“先采后建”“只采不建”和“只建不采”4种情景进行分区，各评价单元按综合评价最大值方案布局，对于相邻评价单元，情景相同的进行合并处理。最后，经研究区实地调查、专家讨论以及建设用地政策性符合性验证等，确定研究区城市建设规划与煤炭资源开发优化布局结果(表8，图3)。

表8 研究区优化布局结果表

1—只建不采区；2—先建后采区；3—先采后建区；4—只采不建区；5—评价单元分区界线；6—行政界线；7—矿区范围；8—研究区范围图3 城市建设与煤炭开采优化布局图

5 结论

(1)本文运用模糊层次分析法对济南北跨城市规划区内土地和煤炭2种资源的配置进行了优选评价，提出了城市建设和煤炭开采优化布局方案，为行政主管部门制定相关决策方案提供了理论依据。

(2)本次采用模糊层次分析法设置了“先建后采”“先采后建”“只采不建”和“只建不采”4种情景，以评价区经济效益、社会效益及生态效益最大化为目标，兼顾考虑了各相关影响因素，优化了研究区内城市建设和煤炭开采布局方案，优化方案与相关政策及当地实际较为符合。该评价方法操作简单、所需定量数据较少、结论明确易于掌握，可应用于多目标、多准则、多时期的系统评价。