基于层次分析法的山西典型矿区土壤改良效果评价

周 昊 郭姣姣 王宇翔 刁珊珊 何绪文

(中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京市海淀区，100083)

1 引言

煤矿区每年会产生大量的固体废物，如生活污水站产生的脱水污泥、矿区电厂产生的粉煤灰和煤炭在开采和洗选过程中产生的煤矸石等。目前，国内外除了将矿区的固体废物用于建材、筑路、筑坝和工程回填外，对矿区固体废物在农业上的应用也有很多研究。

有专家研究利用粉煤灰和煤矸石等废弃物进行矿区外围农田土壤改良，可有效提高农田土壤肥力和水土保持性能，并显著提高农作物成活率；还有专家将煤矸石运用在矿区土地复垦与土壤重构中，发现煤矸石可有效增加土壤有机碳储量，可显著提高植被出苗率及生物量；另有专家对脱水污泥进行理化分析，研究结果表明，污泥中有机质、全氮、全磷和全钾的含量分别可达到384 g/kg、27.1 g/kg、14.3 g/kg和7 g/kg，相比于中国传统的农家肥，污泥是一种典型的富含有机质、高氮、高磷而低钾的有机肥，具有潜在的农用价值；还有研究将污泥施加到土壤中，使得土壤的容重降低了14.8%，水稳定性团粒总含量达到31.5%，土壤中有机质、速效氮和磷的含量明显增多，当污泥的施加量为56.25 t/hm2时，小麦增产达极显著水平；还有专家将粉煤灰、煤矸石和淤泥用于改良盐碱地，并在改良的土壤上种植柽柳，研究发现基质中的粉煤灰可有效提高柽柳的发芽率、缩短枝条发芽时间和提高萌发枝条成活率。但是由于在土壤的改良过程中，存在多方面的判断准则，单一的指标无法全面反映土壤的改良效果，因此需考虑采用数学模型的方法来解决此类复杂的决策问题。

针对上述存在的问题，本文将脱水污泥、粉煤灰和煤矸石等固体废物用于改良矿区土壤，并在改良的土壤上种植白三叶。采用内梅罗综合污染指数法来评价复合基质中重金属的污染程度，利用层次分析法来评价和筛选复合基质配比方案，包括土壤中重金属的浓度、土壤中营养成分的含量、土壤的pH值和植物的生长状况等因素，旨在为矿区固体废物的资源化利用提供一定的理论依据。

2 评价模型的建立

2.1 评价体系的构建

利用层次分析法对复合基质配比方案进行分析，将指标体系分为目标层、准则层和指标层这3个层次，其中目标层是指试验配比方案选择的总体目标，最佳复合基质改良土壤配比方案的选取为指标体系的最高层次；准则层是指标体系的中间层次，根据实验，选取复合基质配比方案的4个影响因素，即重金属含量、pH值、基质营养成分和植物生长指标；指标层是指标体系的最基本层次，其中涵盖复合基质改良土壤配比方案选取的所有具体指标，通过这些指标对复合基质改良土壤配比方案进行选取。具体的评价指标如图1所示。

图1 评价指标

2.2 指标权重的确定

指标权重的确定大致可分为3个步骤进行：

(1)构造出各层次中的所有判断矩阵，通过元素之间两两相比，对比采用相对尺度，比较各准则层对目标的重要性。

尺度采用1～9尺度aij,取值1，2，…，9及其倒数1，1/2，…，1/9，便于定性到定量的转化，相对尺度参考见表1。

表1 相对尺度参考表

根据上述步骤构建判别矩阵用数学表达式表达见式(1)：

(1)

(2)一致性检验。计算一致性指标CI，判断矩阵的最大特征值见式(2)：

(2)

式中：CI——一致性指标；

λ——代表矩阵的最大特征值；

n——代表矩阵的阶数。

计算一致性比例CR见式(3)：

(3)

式中：CR——一致性比例；

RI——随机一致性指标。

当CR<0.10时，所构造的判断矩阵通过一致性检验，否则应对判断矩阵进行修正。按照上述步骤对所构造的判断矩阵进行一致性检验。其中，U2、U3、U4、U21和U22为一致阵，不需要一致性检验；U的λ取4.1170，n取4，当n=4时，查表可知，RI=0.90，CI=0.039，CR=0.043<0.1，通过一致性检验。

(3)权重向量计算方法。将权重向量W右乘权重比矩阵A，有AW=λW。同上，λ为判断矩阵的最大特征值，存在且唯一，W的分量均为正分量。最后，将求得的权重向量作归一化处理即为所求。

U、U2、U3、U4、U21、U22等判断矩阵对应的权重向量分别为W、W2、W3、W4、W21和W22，即：

在上述计算的基础上即可得出所构建的复合基质评价指标体系，复合基质评价指标体系见表2。

表2 复合基质评价指标体系

3 模拟试验

3.1 试验设计

试验前将脱水污泥风干，然后用粉碎机将煤矸石和脱水污泥粉碎至1 cm左右，供试基质质量配比方案见表3，其中G7为空白对照组，每组配比进行3次平行，每盆基质总重量为2 kg；本次试验选取的植物为白三叶，播种深度为1～1.5 cm，播种量为50粒/盆，浇水量约100 mL/盆，每2 d浇一次，种植时间为90 d。其中，供试基质脱水污泥、煤矸石、粉煤灰及土壤的基本理化性质，测定结果见表4。

3.2 重金属风险评价

复合基质的样品经微波消解后，测定重金属Cr、Cd和Pb等重金属的浓度见表5。

复合基质中重金属污染程度的评价采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法，当综合污染指数≤0.7时，污染程度为清洁；当综合污染指数为0.7～1.0时，污染程度为尚清洁；当综合污染指数为1.0～2.0时，污染程度为轻度污染；当综合污染指数为2.0～3.0时，污染程度为中度污染；当综合污染指数>3.0时，污染程度为重污染。复合基质的评价结果见表6。

表3 供试基质质量配比方案 %

表4 脱水污泥、煤矸石、粉煤灰及土壤的理化性质

表5 复合基质的重金属浓度含量 mg/kg

表6 复合基质的重金属评价结果

3.3 指标的取值

分别对种植前后复合基质的pH值，营养成分(有机质TC、全氮TN、有效磷AP、速效钾EK)和白三叶的生长状况(发芽率、株高、根长、根冠比)进行测定，指标取值见表7，其中重金属指标的取值为复合基质重金属评价的综合污染指数。

表7 指标取值

3.4 评价指标的考核评分计算

复合基质优化方案评价指标的计算参考《煤炭行业清洁生产评价指标体系(试行)》。由于实验已设置对照组G7，即基质为只有土壤的条件下种植植物研究分析其基质与植物的指标变化，该层次分析法中选用实验对照组G7为标准值。根据表2所列评价体系指标，对各组复合基质的指标考核总分进行计算，结果见表8。

表8 复合基质配比方案指标得分及排序

注：在计算中为了避免某一因素过于突出导致影响到整体评价结果，其单项评价指数不应超过1.2

从表8中可以看出，复合基质配比方案的考核总分值依次为G4>G1>G5>G2>G6>G3，其中G4配比基质的综合评价指数最高，不仅有利于植物的生长，而且复合基质中重金属污染水平处于清洁状态。

4 结论

采用内梅罗综合污染指数法对复合基质中的重金属污染程度进行评价，标准值采用《土壤环境质量标准》(GB15618-95)中的二级标准值，结果表明G4、G5、G6组的复合基质中重金属的污染程度处于清洁水平，G1、G2、G3组的复合基质中重金属的污染程度处于尚清洁水平。

通过层次分析法分析，复合基质配比方案的考核总分值依次为G4>G1>G5>G2>G6>G3，其中G4即试验组4(土壤∶污泥∶粉煤灰∶煤矸石=60%∶5%∶20%∶15%)是种植白三叶的最佳复合基质配比方案。该方案下，白三叶的株高比对照组低23.80%，根长与对照组持平，鲜重根冠比是对照组的1.22倍，发芽率比对照组高8%。

本文为矿区土壤改良效果提供了通用的评价指标体系和可行的评价方法，同时，根据评价结果可以直接确立土壤的改良方案，为指导矿区附近土壤的改良以及矿区生态环境的可持续发展提供一定的理论依据。

参考文献：

[1] 王迁，李庆飞，张沛沛等.山西某煤矿脱水污泥及矿区固废制备土壤调节剂的试验研究[J]. 煤炭加工与综合利用，2017(3)

[2] 邵靖邦. 国外煤灰利用现状及发展趋势[J]. 中国煤炭, 1996(8)

[3] 袁维春. 煤矿可持续发展中的环境问题与对策研究[J]. 矿山机械，2008(10)

[4] Wang J，Qin Q，Hu S, et al. A concrete material with waste coal gangue and fly ash used for farmland drainage in high groundwater level areas[J]. Journal of Cleaner Production，2015 (2)

[5] Wang P，Wang J，Qin Q et al. Life cycle assessment of magnetized fly-ash compound fertilizer production: A case study in China[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews，2017 (2)

[6] 牛花朋，李胜荣，申俊峰等. 粉煤灰与若干有机固体废弃物配施改良土壤的研究进展[J]. 地球与环境，2006(2)

[7] 邵武, 宋岩, 王彩红. 煤矸石用于人工湿地处理酸性矿井水的研究[J]. 中国煤炭, 2010(3)

[8] 刘春荣，宋宏伟，董斌. 煤矸石用于路基填筑的探讨[J]. 中国矿业大学学报，2001(3)

[9] 陈利生，李学良. 采煤塌陷区煤矸石回填复垦技术[J]. 金属矿山，2014(9)

[10] Liu H，Liu Z. Recycling utilization patterns of coal mining waste in China[J]. Resources Conservation & Recycling，2010 (12)

[11] Ganjegunte G K，Wick A F，Stahl P D et al. Accumulation and composition of total organic carbon in reclaimed coal mine lands.[J]. Land Degradation & Development，2010(2)

[12] 李艳霞，陈同斌，罗维等. 中国城市污泥有机质及养分含量与土地利用[J]. 生态学报，2003(11)

[13] 李梦红，黄现民，诸葛玉平. 污泥农用对土壤理化性质及作物产量的影响[J]. 水土保持通报，2009 (6)

[14] 刘双双, 韩敏芳. 我国粉煤灰综合利用现状及发展趋势[J]. 中国煤炭, 2001(8)

[15] Greiner L，Keller A，Grêt-Regamey A et al. Soil function assessment: review of methods for quantifying the contributions of soils to ecosystem services[J]. Land Use Policy，2017 (12)

[16] Abad-Valle P，lvarez-Ayuso E，Murciego A, et al. Assessment of the use of sepiolite amendment to restore heavy metal polluted mine soil[J]. Geoderma，2016 (10)

[17] Saaty T L，TV an L T. Fuzzy judgments and fuzzy sets [J]. International Journal of Strategic Decision Sciences，2010 (1)

[18] 何绪文，王宇翔，房增强等. 铅锌矿区土壤重金属污染特征及污染风险评价[J]. 环境工程技术学报，2016 (5)

[19] 何绪文，房增强，王宇翔等. 北京某污水处理厂污泥重金属污染特征、潜在生态风险及健康风险评价[J]. 环境科学学报，2016 (3)