矿区地质环境定量评价的FAHP与可变模糊集模型

徐 佳

(山西财贸职业技术学院信息工程系，山西 太原 030006)

由于矿产资源长期处于高强度无序开发状态，矿区及其邻区地质环境遭到了严重破坏，大大影响了矿区可持续发展。随着“绿色矿山”理念的提出，矿区地质环境保护得到了政府、企业、高校及科研院所的高度重视，对矿区地质环境进行准确评价，对于进一步制定妥善的处理措施至关重要[1-3]。近年来，学术界对此进行了大量研究，涌现出了如GIS空间数据叠加分析法、模糊综合评价法、BP神经网络、广义线性理论等方法[4-7]。其中，GIS空间数据叠加分析法主要基于网格法、矢量多边形法、缓冲区法，通过空间分析及属性计算进行地质环境评价[8-10]，但基于网格法的GIS空间数据叠加分析法不易操作，易受评价者个人经验影响，误差较大；基于矢量多边形法的GIS空间数据叠加分析法难以有效预测矿区地质环境变化趋势；基于缓冲区法的GIS空间数据叠加分析法难以体现较多的信息量，评价结果与矿区实际情况吻合度不高。模糊综合评价法的隶属函数需要人为选取，易增加评价的主观性以及增大计算工作量。BP神经网络预测法以大量样本为基础，在应用中易受到矿区客观条件限制而难以获取大量有代表性的样本数据，从而导致评价结果准确性不高[11-13]。为对矿区地质环境进行定量评价，本研究将模糊层次分析法(FAHP)与可变模糊集相结合[14-15]，以宁夏某地区为例，对矿区地质环境定量评价模型进行构建。

1 研究区概况

宁夏某地区各类矿山共有291座，其中能源类矿山44座(多数为煤矿，其他少部分为铜矿)，建材及其他非金属类矿山127座，冶金辅助原料非金属类矿山116座，化工原料非金属矿山4座。区内地形总体属于低中山溶蚀地貌，地形切割较大，附近为单面山形态，构造内无较大断层，局部地段见小褶曲和小断裂。区内构造简单，基本为单斜构造，区内属于亚热带季风气候。

该区地质环境问题最为显著的矿山为煤矿，其次为灰岩矿。该区矿区地质环境的主要问题包括矿区地质灾害、占用和破坏土地资源、水土污染及大气污染等。其中，矿区地质灾害主要包括地面坍陷、地面沉降、冒顶、突水、突泥、矿坑水污染等。该区矿山地质灾害种类多、发生频率高、分布广。由于矿山采掘活动导致的地质灾害共有54处，其中崩塌3处，滑坡5处，地裂缝15处，地面塌陷14处，矿坑突水10处，泥石流4处。该区由于矿业开发占用和破坏的土地面积共计44.34 km2，约占全省矿山总破坏土地面积的45%。该区沿山分布的硅石矿因不规范开采，导致整个山体满目疮痍，严重破坏了地貌景观；煤矿开采由于经常将矿坑废水、废渣等随意向附近沟谷排放，导致地表水受到极大污染[16]。

2 FAHP与可变模糊集模型评价

2.1 评价指标体系构建

结合实地调研，本研究将矿区地质环境综合评价指标体系分为4个子系统，即：①矿山地质背景(P1)，包括工程地质条件(I1)、地形地貌(I2)、水文气象(I3)、人类活动强度(I4)等二级指标；②地质灾害(P2)，包括人员伤亡(I5)、经济损失(I6)、灾害类型(I7)、灾害规模(I8)、发生频率(I9)等二级指标；③资源毁坏(P3)，包括矿产资源破坏与浪费(I10)、土地压占与破坏(I11)、水资源破坏(I12)等二级指标；④环境污染(P4)，包括粉尘污染(I13)、噪音污染(I14)、水污染(I15)、土壤污染(I16)等二级指标。结合实地调研数据以及专家打分结果，将各指标值进行了量化处理，并据此将各指标划分为Ⅰ级(优)、Ⅱ级(良)、Ⅲ级(中)、Ⅳ级(差)、Ⅴ级(极差)(表1)。

表1 矿区地质环境评价指标量值及评价等级

结合表1及区内地质调查结果，确定了各指标的特征值，结果见表2。

表2 矿区地质环境评价指标特征值

2.2 矿区地质环境评价

依据矿区实际情况，对一级子系统以及二级评估指标两两进行了重要性比较，获得一级子系统以及二级评估指标的模糊互补判断矩阵Q。按照可变模糊集模型对各评价指标的权重进行了计算，结果见表3。

表3 矿区地质环境评价指标权重

对Q进行一致性检测[17]获得了该矩阵的一级相容性指标，即：IQ=0.09、IP1=0.08、IP2=0.068、IP3=0.048、IP4=0.035，均小于0.1，可见本研究权重计算结果(表3)符合实际需求。

对P1、P2、P3、P4指标对应的综合相对隶属度矩阵进行了求解，并按照级别特征计算公式[18-19]，计算了各一级指标对应的矿区地质环境等级特征值，即HP1=2.45，HP2=2.46，HP3=2.65，HP4=2.24。在此基础上，按照下式对矿区地质环境综合评价等级特征值进行计算，

式中，r为一级指标数量；wr为各个一级指标对应的权重;Hpr为各一级指标对应的矿区地质环境等级特征值。

经计算，

H=2.45×0.258 2+2.46×0.104 7+2.65×

0.420 1+2.24×0.217 0≈2.489.

按照本研究等级划分标准(H∈(1.0,1.5]时，等级为I级；H∈(1.5,2.5]时，等级属于Ⅱ级；H∈(2.5,3.5]时，等级为Ⅲ级；H∈(3.5,4.5]时，等级为Ⅳ级；H∈(4.5,5]时，等级为Ⅴ级)，可知研究区综合地质环境等级为II级，区内地质环境总体良好。进一步分析可知，矿区地质背景、地质灾害以及环境污染的评价等级属于II级较好水平，而资源毁坏评价等级为Ⅲ级，处于预警状态，表明该矿区资源毁坏程度较严重，与该矿区矿产资源、土地资源破坏以及水资源污染现象普遍存在的实际情况较吻合，建议该区地质环境恢复治理的重点是减少矿产资源浪费，减少土地毁坏以及降低水资源污染。

3 结 语

以宁夏某地区为例，针对该区矿区地质环境特征，将模糊层次分析法(FAHP)与可变模糊集相结合，构建了一种矿区地质环境定量评价模型。评价结果表明：该区最突出的地质环境问题是资源毁坏，区内矿产资源、土地资源浪费较严重，水资源污染较突出，应为该区下一步地质环境恢复治理的工作重点。

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