基于FAHP-Entropy赋权法的矿山地质环境影响评价：以武鸣区灰岩矿山为例

全毅博，甘能俭，伍 静，朱敏杰，吕堂安，李 志

（广西大学资源环境与材料学院，广西 南宁 530004）

0 引 言

矿山地质环境影响评价分为两部分内容，第一部分：在研究矿区地质构造特征的基础上，查明矿山开采范围内工程地质条件、水文地质条件和矿山开发建设区域地质环境现状，预测矿山开发建设或未加治理的废弃、关闭矿山可能引发或加剧的地质灾害，以及不同矿种、开采规模和开采方式等要素对矿山地质环境的影响程度；第二部分：确定不同矿山的修复优先等级，为当地政府地质环境合理分配修复资源提供参考[1-3]。科学合理的矿山地质环境影响评价是环境治理工作的核心内容之一，评价结果是否能兼顾主观性与客观性，直接影响生态治理方向及效果。

国内外众多学者针对矿山地质环境影响评价开展了大量的研究，研究的核心内容在于能否以生态文明建设为导向，因地制宜地构建评价指标体系，选择合适的评价方法和赋权法，科学合理地反映研究矿山对周边环境实际的影响程度。影响地质环境影响评价结果可靠性的关键环节主要分为以下三点：评价指标体系及模型构建、评价方法、权重确定方法。

目前，评价指标体系及模型构建的研究越来越重视客观事实，选取的指标趋于全面[4-5]。评价方法的研究在不断的创新过程中趋于多样化，目前较常用的评价方法有GIS空间数据迭加分析法[6]、BP神经网络评价法[7]、模糊综合评价法[8]、集对分析法[9]等。这些评价方法有各自的优缺点和适用条件，如模糊综合评价法具有隶属度和权重难确定的缺点；集对分析法得出的结果通常只是某个区间值，而不能直观地反映影响程度和等级；当学习样本数量有限时，神经网络法的精度难以得到保证[10]。权重确定方法的选取对评价结果的准确性有直接影响，目前常用的权重确定方法可根据其指标权重确定方式大致分为两类：①专家打分法、德尔菲法（Delphi）[11]、层次分析法（AHP）[12]、模糊层次分析法（FAHP）[13]等主观赋权法，可较好地体现评价者的主观偏好，但由于个人的主观价值判断标准有差异，缺乏数学理论的支撑，因此，得出的权重缺乏一定的说服力；②主成分分析法[14]、熵值法（Entropy）[15]、变异系数法[16]等客观赋权法，可以摒弃主观性的影响，但计算出的权重值会随指标数据的变化而变化，且缺乏对评价者主观意向的考虑，确定的权重可能与实际情况不符[17]。

上述三个地质环境影响评价关键环节的研究目前主要存在以下两个问题：①矿山地质环境问题涉及大量影响因素，由于影响因素分级的模糊性及部分因素难以定量化，因此，如何兼顾评价的复杂性和模糊性，选取合适的评价方法和权重计算方法是目前矿山地质环境影响评价研究的关键问题[8]；②针对评价过程的标准化、自动化、可视化研究较少，目前矿山地质环境影响评价研究重点主要集中于指标体系构建和数学模型选择，对于评价指标数据、评价模型的自动量化处理研究不够。

为了合理解决以上问题，本文以武鸣区宁武-甘圩建筑石料用灰岩集中开采区内38个灰岩矿山为研究对象，采用FAHP-Entropy组合赋权法应用于矿山地质环境影响评价研究。该方法应用于矿山地质环境综合评价权重计算，可消除主客观因素和不合理判断的影响，并基于MATLAB平台开发矿山地质环境影响评价系统，对各矿山地质环境影响程度进行分级区分，从而筛选优先治理矿区，以指导本区的矿山地质环境治理工作。此系统与传统评价工作相比，在处理大规模数据上具有显著的优势，且动态实时地得出评价结果，大幅提高了工作效率。

1 研究区灰岩矿山地质环境概况

1.1 概况

武鸣区位于南宁市西北面，隶属南宁市管辖，面积3 378 km²[17]。当前武鸣区灰岩矿累计探明资源量已超过2.6亿t，预测潜在资源总量达33亿t以上，开采量占据了南宁市近半市场。武鸣区灰岩纯度高、质量好，颜色多为白色、灰色及黑灰色，呈致密块状，大部分可达Ⅲ级以上强度，碎石质量级配较好，大部分适用于水泥、建筑、路基路面、桥涵等[18]。由于其独特的资源优势和区位优势，武鸣灰岩矿山开采规模和矿石开采总量不断增加，逐渐形成了宁武-甘圩建筑石料用灰岩集中开采区（图1）。

图1 武鸣区灰岩矿山分布图Fig.1 Distribution map of limestone mines in Wuming District

1.2 矿山地质环境问题

本文对研究区内38座灰岩矿山开展地质环境问题调查，通过资料收集、遥感解译和实地调查的方式基本查明了区内灰岩矿山主要的地质环境问题，主要表现为矿山地质灾害、土地资源破坏与占用、地形地貌景观影响和破坏等。其中，土地资源损毁、地形地貌景观影响和破坏是区内灰岩矿山最严重的地质环境问题。

1）矿山地质灾害。本次调查的38座灰岩矿山均采用露天开采方式，由于受到传统开采方式的影响，开采过程中通常会形成陡峭的人为边坡，导致周围稳固的山体遭到破坏，形成不同程度的地质灾害和地质灾害隐患。调查数据显示，区内灰岩矿山最严重的地质灾害问题为崩塌和滑坡，共发生3起小型岩质崩塌地质灾害；未发现滑坡、泥石流等地质灾害；存在崩塌隐患的矿山共计34座，占调查矿山总数的89.47%，粗略统计区内崩塌隐患达180处以上；存在滑坡隐患矿山3座，未发现泥石流灾害及其隐患（表1）。

表1 武鸣区灰岩矿矿山地质灾害情况Table 1 Geological hazards in limestone mines in Wuming District

2）土地资源损毁。灰岩矿山在露天开采过程中需要先清除矿体覆盖层，这会导致剥离采坑内的大量表土和植被，产生大量的石块、土堆等压占土地，造成了严重的土地资源破坏和浪费。38座灰岩矿山损毁土地形式以露天采场挖损土地和工业场地压占土地为主，损毁土地达504 hm2（其中基本农田9.67 hm2），土地资源损毁严重矿山占矿山总数的55.26%；土地资源损毁较严重矿山占比5.26%；土地资源损毁较轻矿山占比39.48%（表2），总土地资源破坏率约为122.21%，该区灰岩矿山开发对土地资源损毁程度为严重。土地资源破坏率按式（1）计算，灰岩矿山土地资源损毁程度根据《矿山地质环境调查评价规范》（DD 2014—05）判定，土地资源破坏等级根据土地资源破坏率分为严重、较严重和较轻三个等级。

表2 矿山土地资源损毁等级Table 2 Damage grades of mine land resources

3）地形地貌景观影响和破坏。灰岩矿山在露天开采中会造成山体撕裂和岩石裸露，破坏原本连续一致的地形和原生的植被景观，导致景观由于矿石的开采而无法发挥原有功能。本次调查的38座灰岩矿山对地形地貌景观影响和破坏主要表现在矿山露天采场、工业场地、废土堆、各类地质灾害等对生态景观的直接破坏以及矿山开采对周围生态环境的影响。38座灰岩矿山地形地貌破坏面积为503.99 hm2（表3），总的地形地貌景观破坏率为118.62%，研究区灰岩矿山整体地形地貌景观影响破坏程度为严重。灰岩矿山地形地貌景观影响程度参照《矿山地质环境调查评价规范》（DD 2014—05）进行评价，地形地貌景观破坏率按式（2）计算，地形地貌景观破坏等级根据地形地貌景观破坏率分为严重、较严重、较轻三级[19]。

表3 武鸣区灰岩矿山地形地貌景观破坏情况Table 3 Landform and landscape destruction of limestone mines in Wuming District

4）含水层破坏。灰岩矿山设计最低开采标高均在地下水位及最低侵蚀基准面以上，仅2座矿山由于违规凹陷开采对含水层产生影响，影响程度较轻。

2 矿山地质环境影响评价模型确定

2.1 矿山地质环境影响评价原则

矿山地质环境影响评价既是对矿山开采引起的矿山地质环境问题发育和影响程度的综合评定，也是确定矿山损毁土地治理利用方向的基础和依据之一[20]。本文以整个研究区域内的每座矿山作为矿山地质环境影响评价的基本评价单元，以研究区灰岩矿山地质环境问题类型、发育现状及成因为依据，综合考虑矿业活动对地质环境的影响程度，兼顾地质环境背景，突出重点影响地质环境的因素，合理地选择评价因子以构建评价体系，将矿山地质环境影响评价等级从低到高分为轻微、较轻、较严重、严重四个等级，分别得出评价单元隶属于某个评价等级的程度，选择隶属程度高（隶属度得分高）的评价等级作为该评价单元的评价结果[17]。

进行矿山地质环境影响评价时要遵循的主要原则可以归纳为以下几点：可操作性和可度量性原则、科学性原则、可比性原则、独立性与整体性原则、全面性原则、隶属度得分高者优先原则。

2.2 矿山地质环境影响评价体系

研究区为典型的灰岩集中开采区，本文以《区域地质环境调查总则》（DD 2004—02）、《矿山地质环境调查评价规范》（DD 2014—05）和《广西矿山地质环境恢复治理与土地复垦方案编制技术要求》（桂国土资发〔2017〕4号）推荐的指标体系为基础，综合考虑地质环境背景及实地野外调查情况，选取影响研究区矿山地质环境的主要因素有地质环境背景、资源破坏、地质灾害、矿山开发利用状况4种要素下的14种评价指标，构建武鸣区灰岩矿山地质环境影响评价指标体系（图2）。

图2 武鸣区灰岩矿山地质环境影响评价指标体系Fig.2 Evaluation index system of geological environmental impact of limestone mines in Wuming District

本文将各评价指标和要素划分为4个等级，采用4分制的评分方法进行评价指标量化分级，即影响轻微（1分）、影响较轻（2分）、影响较严重（3分）和影响严重（4分），对矿山地质环境影响评价指标进行分级（表4）。

表4 矿山地质环境影响评价指标分级标准Table 4 Grading standard of mine geological environmental impact assessment indicators

2.3 矿山地质环境影响评价方法

由于影响矿山地质环境的因素很多，各种因素之间存在着错综复杂的交互关系，也存在一定的模糊性，很难用经典的数学模型进行描述，因此，本文采用模糊数学综合评价法对武鸣区灰岩矿山地质环境影响进行评价。模糊综合评价法的评价步骤如下所述[17]。

1）因素集的建立。评价因素集U={u1,u2,...,um}，其中，m为评价指标的个数。本文共构建了二级矿山地质环境影响评价指标体系，因此，根据上文构建的地质环境影响评价指标体系，本文一级评价因素集为U={地质环境背景，资源破坏，地质灾害，矿山开发利用状况}；二级评价因素集为：①地质环境背景U1={地形地貌，地质构造，植被覆盖率}；②资源破坏U2={对原生地形地貌景观影响程度，对可视范围内地形地貌景观影响程度地形地貌，土地损毁面积，含水层破坏}；③地质灾害U3={易发性，发育规模，威胁人数，经济财产损失}；④矿山开发利用状况U4={开采规模，开采方式，治理修复率}。

2）评语集的建立。评语集是评价者对评价对象可能做出的各种评价等级的集合，以V={V1，V2，...，Vn}表示，其中，n为评价等级的个数，本文共划分4个等级，评语集V={轻微，较轻，较严重，严重}。

3）构建隶属度函数。隶属度函数表示评价指标隶属于某个评价等级的程度[21]。隶属函数的确定方式种类繁多，但在地质环境影响评价中，大多以梯形分布函数作为其隶属度函数[22]，因此，本文决定构建递增型梯形分布隶属度函数，轻微级别、较轻级别、较严重级别、严重级别最终隶属度函数见式（3）～式（6），具体推导过程参照甘能俭[17]研究。

式中：D1、D2、D3、D4分别为4个评价级别的隶属度；S1、S2、S3、S4分别为评价集中4个等级的标准值；xi为评价指标实测值；I1、I2、I3分别为评价集中过渡区间的上限值，其取值方法见式（7）～式（9）。

式中，β为区间过渡系数，本次研究中的区间长度值较小，因此，取β=0.5。

4）建立单因素模糊矩阵。在得到评价指标实测值后，可通过构建隶属度函数计算出因素集中各指标对评语集中各评价等级的隶属度，设因素集中第m个要素对评语集中第n个等级的隶属度为Rmn，则可构建出一个单因素模糊矩阵，见式（10）。

5）综合评价。综合评价是通过对权重集和模糊矩阵的运算得到的，体现了各评价指标权重的不同及影响程度的不同。具体运算见（11）。

式中：WT为评价指标的权重集；B为综合评价结果。

3 矿山地质环境影响评价权重确定方法

相较于客观赋权法和主观赋权法，组合赋权法不仅利用了决策者的主观意向，而且能充分挖掘数据本身所包含的客观信息，使计算结果更加可靠。目前，模糊层次分析法和熵值法相结合的FAHPEntropy组合赋权法在采矿[23]、水利[24]、公路[25]等多个工程领域广泛应用，但还未有学者将其应用于矿山地质环境影响评价中。考虑到单一赋权法的局限性，为了使确定的指标权重兼具主观性和客观性，本文采用模糊层次分析法和熵值法相结合的FAHPEntropy组合赋权法进行矿山地质环境影响评价的指标权重计算。其主要原理是将熵值法的思想融入模糊层次分析的算法中，运用数学规划的求解方式将两种算法中各指标的贡献度进行组合分析，最终再通过矩阵运算即可得到每个评价指标的组合权重[26]。目前，FAHP-Entropy组合赋权法在多个工程领域应用广泛，具体计算步骤在相关文献中[17,23]有详细说明，由于篇幅原因在此不再过多赘述。

1）计算FAHP法权重W′。模糊层次分析法是将模糊理论与层次分析法相融合的一种赋权方法，通过隶属度转换来比较各指标之间的相对重要程度，并构造相应的模型实现权重值的计算。模糊层次分析法解决了传统层次分析法中某一层次指标较多（如4个以上）时判断矩阵的一致性难以保证的问题，提高了评价的可靠性，因此，本文选择模糊层次分析法计算各指标的主观权重w′i（i=1，2，···，n）。

2）计算Entropy法权重W''。熵值法作为一种客观赋权法，能有效避免主观性对结果的影响，其计算结果更客观可靠[27]，因此，本文选择熵值法进行计算各指标的客观权重wi（i=1，2，···，n）。

3）计算FAHP-Entropy法组合权重W。采用相对熵原理对FAHP法所得权重W'和Entropy法所得权重W″进行修正，由相对熵的定义可知，相对熵可用于度量两种不同赋权方法所得权重向量的距离程度，FAHP法 和Entropy法 的组 合 权 重wi（i=1，2，···，n）可通过式（12）求解[25,28-29]。

式（12）有全局最优解，见式（13）。

FAHP-Entropy法组合权重为式（14）。

4 矿山地质环境影响评价系统开发及应用

基于以上研究区内各矿山的地质环境问题特征以及武鸣区持续恶化的矿山地质环境和有限地质环境修复资源之间的矛盾，本文将矿山地质环境影响程度和矿山土地治理利用方向两方面相结合，从而开展矿山地质环境影响评价系统的开发。

4.1 系统开发设计

本文基于MATLAB平台开发了矿山地质环境影响评价系统（MGES），将矿山地质环境影响程度与土地治理方向多目标决策的计算模型集成到该软件中，软件整体结构的设计主要依据本文研究对象和研究目的进行功能划分和确定，包括1个主界面和权重计算界面、地质环境影响评价界面、土地治理方向适宜性评价界面等3个子界面，具备数据导入、参数输入、自动化计算、成果显示与输出等功能，系统运行的技术路线主要包括数据准备、权重计算以及地质环境影响评估（图3）。

图3 MGES评价系统技术路线Fig.3 Technical route of MGES evaluation system

4.2 系统应用

本文对开展了地质环境调查的38座灰岩矿山应用MGES系统进行评价，其中，包含11座废弃矿山、15座关闭矿山、12座生产矿山（图4）。

图4 MGES评价系统运行流程Fig.4 Operation process of MGES evaluation system

矿山地质环境影响评价结果显示，在开展评价的38座矿山中，对地质环境影响较轻的矿山仅8座；对地质环境影响较严重的矿山共18座；对地质环境影响严重的矿山共12座。在26座关闭、废弃矿山中，仅6座矿山由于进行了简单治理、局部复垦复绿，对地质环境影响较轻；而剩余20座矿山由于未进行矿山地质环境治理或治理效果不佳，采场高陡边坡裂隙发育，矿区内堆放固体废弃物，加上灰岩自然成土率极低，自然复绿难度大，对地质环境影响属较严重～严重级别（表5）。12座生产矿山中仅有2座矿山对地质环境影响属较轻级别，剩余的10座矿山属于较严重～严重级别，未来随着矿山开采进程的推进，矿山地质环境不可避免地将进一步恶化。

表5 MGES评价系统地质环境影响评价结果Table 5 Geological environmental impact evaluation results of MGES evaluation system

基于对矿山地质环境问题特征以及FAHPEntropy组合权重计算结果的综合考虑，可得出矿山地质环境影响评价中最为突出的指标是“对原生地形地貌景观影响程度”，此指标权重值的高得分（0.127）进一步证实了其在决策过程中的重要性，同时与灰岩矿山所面临的主要地质环境问题特征（挖损和压占土地）相吻合。

5 结 论

1）本文采用的是模糊层次分析法和熵值法相结合的FAHP-Entropy组合赋权法，在各矿山地质环境影响评价过程中既能兼顾评价者的偏好，又能避免指标赋权受主观影响过大，可以有效确定矿山地质环境影响评价中的各指标权重值。

2）所开发的矿山地质环境影响评价系统（MGES）与传统评价工作相比，在处理大规模数据上具有显著的优势，且动态实时地得出评价结果，大幅提高了工作效率。通过该研究，可以使多变量因素影响的地质环境影响程度量化，使复杂的问题简单化及自动化，有利于推动矿山地质环境影响评价研究向智能化方向发展。

3）本文对开展了地质环境问题调查的38座灰岩矿山应用MGES系统进行评价，评价结果表明对地质环境影响较轻的矿山仅占比21%，对地质环境影响较严重的矿山占比47%，对地质环境影响严重的矿山占比32%，此系统的应用可以为有限的治理资金指明优先治理方向。