露井联采矿区煤—水—生态协调发展评价体系研究

解馨馨，杨军耀，陈军锋

(太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 030024)

近年来，许多学者对煤炭开采区水资源及生态环境进行了大量的研究。对于煤炭开采：钱鸣高院士等[1-2]提出了煤矿绿色开采的概念；宋子岭等[3-4]建立了绿色开采评价指标体系与评价模型；王蕾[5]提出了安全—技术—经济—环境—管理系统；CHEN等[6]基于DPSIR模型构建了绿色矿山建设评价指标体系。对于矿区水资源的利用情况，丁宁等[7]建立了能源生产水足迹评价模型；ZHANG等[8]建立了矿井水供需双向协调评价指标体系；徐志文等[9]利用遥感影像识别和监测矿区污染水体。对于矿区生态破坏与保护：崔柳[10]针对露天煤矿土地复垦构建其考核评价指标体系和评价方法；张耀等[11]利用遥感技术建立了植被覆盖度反演模型；于颂等[12]对平朔煤矿土地利用情况进行了遥感监测；曾强等[13]分析了新疆煤炭资源开采导致的生态环境问题；胡锋等[14]研究了矿区土壤的重金属污染；LI等[15]对中国煤炭的生产经济环境进行了评价。对于协调耦合关系：李崇茂[16]研究分析了煤炭资源与水资源的协同；王慧等[17]对比分析了煤矿区煤炭和土地资源协调利用耦合关系；吴蔚[18]建立了煤炭开采与生态保护的耦合关系；王雪芹等[19]建立了煤炭产业经济—资源—环境系统耦合协调度评价指标体系；薛黎明等[20]构建了煤炭资源可持续发展评价体系；李妍林等[21]建立了煤炭工业的耦合体系；WU等[22]构建了山西省矿产资源开发与矿产地质生态环境评价指标体系。

露井联采技术是煤矿露天开采与井工开采在空间上和时间上的有机整合。前人的研究多基于露天煤矿的生态保护与绿色开采，或者是针对井工矿研究矿井水资源利用，未将露天开采与井工开采的优势结合在一起。笔者探究露井联采矿区的协调发展状况，依托国家重点研发计划项目“大型煤矿与有色矿矿井水高效利用技术集成示范”，基于露井联采矿区煤、水、生态的相互制约，分析煤—水—生态协调发展的耦合机理，构建露井联采矿区煤—水—生态协调发展指标体系，采用博弈论组合赋权确定指标权重，建立TOPSIS评价模型及耦合协调模型，并以平朔安太堡—安家岭矿区为研究对象，分析其煤—水—生态的协调发展程度，以期实现矿区煤—水—生态协调发展。

1 露井联采矿区煤—水—生态协调发展模型构建

1.1 指标体系构建

煤—水—生态耦合机理见图1。

图1 煤—水—生态耦合机理

露井联采矿区煤炭的生产离不开水资源的支撑，而大量矿井水及废水的排放不仅会造成水资源的浪费，也会造成生态环境的破坏，因此需要高效利用水资源，对污水处理后回收利用(以下简称“回用”)。同时，露天矿开采煤炭对土地进行剥离、挖损、排土，造成的土地资源及植被的破坏，也需要实施复垦绿化。

因此，煤炭生产、水资源、生态环境是3个相互制约、共同发展的有机整体，三者协调发展对于露井联采矿区的可持续发展具有重要的意义。所谓的煤—水—生态协调发展，就是将煤矿生产、水资源的利用与保护，以及生态环境的破坏与保护视作同等重要的因素，在煤炭开采的过程中，合理利用矿井水，减少新鲜水的使用量，提高水资源的利用率，同时减轻煤炭开采过程中可能产生的生态环境破坏程度，达到三者之间的协调发展。

针对露井联采区采煤的生产、消耗、经济方面的特点，水资源的供用耗排污染特点,以及生态环境破坏、修复工程和常态维护的特点，基于煤—水—生态协调发展的耦合机理，遵循科学性、易获性、可操作性、完备性原则，优选了3个维度6个方面21项指标，构建露井联采矿区煤—水—生态协调发展指标体系，如表1所示。

表1 煤—水—生态协调发展指标体系

1)煤炭生产与消耗主要指露井联采矿区煤炭的产能与资源的消耗，煤炭产量以万吨煤为计量单位，整合露天开采与井工开采的煤炭总量，煤炭开采同时消耗电力资源和水资源，产量越多，资源的消耗越小，矿区产煤价值越大。

2)煤炭经济指煤炭开采对矿区本身所带来的经济价值，开采成本越小，效益越好，经济价值越大。因此选择资源购置成本、运行成本及经济效益来表征煤炭的经济价值状况。

3)对于露井联采矿区来说，露天矿与井工矿的开采、煤炭的洗选及其他活动单元都需要用到大量的水资源，而井工矿的开采会产生大量矿井涌水，此外还有其他排水，因此迫切需要进行污水处理后的回用。在供水量一定时，水资源开发利用量少意味着开采工艺对于水资源的节约措施实施得较好；地下水或地表水用水量占比越小，中水回用占比越小，越能实现资源重复利用；将产值与水量结合起来评估工业耗水水平，用万元工业增加值用水量来表征。

4)当污水处理后不能完全回用时，需要将剩余水资源储存在水库或按照标准排放至河流，排放量、排放污染物浓度越小，水污染程度越轻。重点考虑污水中的SS、COD、BOD、氨氮四类污染物。

5)露井联采矿区的露天开采工艺为穿孔、爆破、铲装、运输及排岩，在开挖排土的过程中会造成土地资源及生态的破坏。土地挖损面积是指岩土开挖破坏的面积，土地占压面积是指开挖剥离的土地及排土场所占面积，植被破坏面积是指露天开采过程中被破坏的植被总面积。

6)针对环境的破坏采取矿区绿化措施，在排土场进行复垦作业，选择绿地面积、土地复垦率和植被覆盖度(FVC)来表征生态保护程度。

1.2 评价模型建立

煤—水—生态协调发展评价模型采用TOPSIS评价法和耦合协调法进行评价。TOPSIS模型又称为逼近理想解排序法，其基本原理在于通过对象与正、负理想解之间的距离来进行评价，其结果可以作为协调发展优劣的表征。耦合协调度可用来分析同一区域不同要素之间的协调发展程度，即相互作用的强弱程度。该评价模型计算的精度依赖于指标权重的取值，为避免单一权重的局限性，可以采用博弈论的方法，寻找主客观权重的一致性。信息熵通过指标取值对其信息进行提取，对于系统内的不确定性信息具有客观、准确的度量，并且具有时效性，因此熵权法是一种确定客观权重的合理方法；层次分析法是一种基于专家对于重要性评定的主观赋权法，本文采用这两种方法进行赋权并组合。

1.2.1 熵权法确定客观权重

1)指标的标准化处理

设xij为第i个指标第j个阶段的指标取值，m为指标的个数，n为阶段数，构造初始指标矩阵R:

R=(xij)mn

(1)

对初始指标矩阵R进行标准化，得到标准化矩阵U:

U=(uij)mn

(2)

2)计算指标熵值ei

(3)

3)计算指标权重ωi

(4)

4)计算标准化指标的加权后矩阵Y

Y=(yij)mn

(5)

式中yij=uij·ωi。

1.2.2 层次分析法确定主观权重

1)构造判断矩阵

对于构建的指标进行两两比较，用1～9标度法构造判断矩阵A。

2)计算权重向量Wi

(6)

3)一致性检验

计算A的最大特征值λmax，并通过检验系数CR检验一致性。当CR<0.1时接受，反之则不被接受。

(7)

(8)

(9)

式中:CI为一致性指标；n为矩阵的维数;RI为随机一致性指标，通过表2进行查询。

表2 RI查询表

1.2.3 博弈论确定融合权重

1)假设有L种方法计算得到了L种权重向量u(k)，将其进行线性组合，得到所有可能的权重集u：

(10)

式中αk为线性组合系数，且αk>0。

2)在权重集u中选择最满意的权重，满足以下函数：

(11)

(12)

1.2.4 TOPSIS评价模型

1)确定正、负理想解

(13)

(14)

2)计算各指标数据到正、负理想解之间的距离

(15)

(16)

3)计算贴近度cj

(17)

贴近度表征评价指标与理想解的接近程度，贴近度越大，评价方案的水平越高。

1.2.5 耦合协调度

耦合协调度D计算公式如下：

(18)

D值越大，协调耦合程度越好。

2 应用案例

2.1 研究区概况

本次研究区域为平朔集团安太堡—安家岭区域，该区拥有2座2 000万t/a的露天矿和1座1 000万t/a的井工矿及其配套洗煤厂，为典型的露井联采矿区。

2.2 数据来源及处理

煤矿生产及水资源数据来源于平朔矿区对煤炭的生产统计资料及用水统计资料，生态数据来源于每年植被生长期的Landsat8遥感影像，遥感影像经过辐射定标、大气校正、几何校正、影像裁剪等预处理，计算矿区的NDVI值及植被覆盖度。将矿区土地利用类型确定为采挖区、剥离区、排土场、建设用地、水域、复垦区、草地和林地8类，通过监督分类及分类后处理，获得土地利用类型的数据。

2.3 评价指标量化

2.3.1 子系统及各指标权重

采用博弈论计算研究区21个指标的权重，计算结果见表3。

表3 研究区煤—水—生态协调发展指标权重

由表3可以发现，熵权法计算的准则层的权重不平均，水资源所占的比重大而生态环境所占的比重小，而层析分析法将煤—水—生态做同等程度的考量，因此融合权重的结果更加可信。对于指标层，经济效益、水资源开发利用率及绿地面积是排名前三的指标，分别对应不同的准则层，因此在煤—水—生态协调发展中占有举足轻重的地位，围绕这三大因素采取实际措施，将会对矿区的协调发展带来进一步的提高。

2.3.2 各子系统及综合发展水平分析

利用TOPSIS评价模型计算研究区2015—2020年煤—水—生态综合系统及各子系统的贴近度，计算结果如图2所示。

图2 研究区煤—水—生态综合评价时序图

由图2可知，研究区煤—水—生态综合系统及各子系统的综合评价值具有整体增加的趋势。其中，综合系统的评价值为0.36～0.65，且呈现逐年增加的趋势，表明研究区对煤—水—生态协调发展的理念更加重视，发展水平在逐年好转。此外，煤炭生产子系统的综合评价值为0.30～0.66，除2016年和2020年有轻微的降低之外，其他年份均比上一年有所提升，表明煤炭开采的经济价值逐步好转。水资源子系统的综合评价值为0.38～0.61，时间序列上呈现增大—减小—增大的变化趋势。生态环境子系统的综合评价值在2015—2017年出现短暂的降低，之后迅速大幅上升，到2020年增大至0.96，说明研究区的生态环境在近几年迅速得到改善。

对于煤炭子系统，2017年之后煤炭产能下降并趋于平稳，水资源消耗量和运行成本上下波动，因此，需要适当提高煤炭的开采，降低资源的消耗，发展煤炭经济，使之处于稳定状态。对于水资源子系统，水资源开发利用率为56%～65%，变化起伏同其综合评价值一致，因此提高水资源开发利用率是实现水资源子系统良好发展切实可行的路径。对于生态环境子系统，在2016年土地挖损面积、绿地面积和FVC状况最差，2017年植被破坏面积和土地复垦率状况最差，这两年的发展水平稍有所降低，之后各项指标均好转，因此在露天开采破坏生态的同时要注重生态保护。近年来，该矿区的生态环保理念逐渐得到实施，矿区复垦工作有序推进，在不久的将来定会实现煤—水—生态高水平发展。

2.3.3 耦合协调度分析

运用耦合协调度的计算公式求得研究区2015—2020年综合系统及各子系统之间的耦合协调程度，计算结果如图3所示。

图3 研究区煤—水—生态耦合协调时序图

由图3可见，受到各子系统发展不均衡且相互制约的影响，研究区煤—水—生态协调耦合度为0.35～0.47，平均值为0.4，属于勉强协调，说明3个子系统的贴近度在不同年份增大或减小状态不一致，导致内部处于无序状态。三者之间的耦合协调度总是低于每两个子系统之间的协调度，其中煤—水耦合协调度为0.42～0.53，协调等级为勉强协调，除在2018年有轻微的减小之外，耦合协调度呈现上升趋势；水—生态耦合协调度为0.40～0.61，协调等级为勉强协调，协调度逐年增高；煤—生态耦合协调度为0.42～0.60，协调等级为勉强协调，且协调程度除2017年外逐年好转。

安家岭—安太堡露井联采矿区近几年煤炭产量相对减少，排放的废水量也相应减小，而安家岭终端污水处理站在2015年11月后频繁出现问题，且调节池煤泥淤积量较大，需要频繁清掏，水处理存在问题。此外，虽然该矿区水资源消耗量有所降低，但不能充分利用污水处理水，有大量的再生水富余，对引黄水及地下水的依赖性偏高，这种情况已在逐年好转，但仍有一定的提升空间。目前，平朔集团公司已经形成了生态修复示范基地，复垦区的植被覆盖度达到了95%以上，生态修复力度有增大趋势，2020年的矿区土地复垦率达到了66%，做到了对露天开采造成的土地植被破坏的良好修复，践行了矿区生态可持续发展理念。对于煤炭生产、水资源及生态环境这3个维度，无论是二元系统还是三元系统，虽然其耦合协调发展均呈现逐年好转的现象，但因三者内部有序度较低，耦合水平有待提高。今后需要进一步推进露井联采矿区煤—水—生态协调发展的理念并不断实施改进，提高煤炭的开发水平，改进水资源管理模式，重视生态保护，推进矿区高质量发展。

3 结语

1)针对露井联采矿区构建煤—水—生态协调发展的指标体系，采用主客观结合的博弈论算法进行组合赋权，既考虑了数据本身的特点，避免了少数数据的失真带来的客观缺陷，也考虑到专家的经验，克服了单一赋权法的局限性，使评价结果更加准确。

2)利用逼近理想解法对露井联采矿区煤—水—生态协调发展水平进行分析，采用耦合协调度对煤—水—生态内部耦合协调程度进行分析，两种方法对于耦合协调发展的确定具有科学合理性，能够确定矿区不同时间段的协调发展状况。

3)以平朔安太堡—安家岭露井联采矿区作为研究区，利用构建的露井联采矿区煤—水—生态协调发展模型计算该区域三者之间的协调发展状况，计算结果与实际情况基本吻合，验证了煤—水—生态指标体系构建的合理性，符合露井联采矿区的特点，有一定的推广使用价值。