劉金濤，馮文凱，胥良，呂鍵

(1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川成都610059;2.四川省地質環(huán)境監(jiān)測總站，四川成都610081;3.中石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽618000)

礦山環(huán)境問題一直受到國際社會的廣泛關注和重視。國際上礦業(yè)發(fā)達的國家如美國、加拿大等，早在1970年代就十分重視礦山環(huán)境保護和治理，大部分西方國家均實行了比較嚴格的礦山環(huán)境保護和礦山環(huán)境評估制度。礦產資源開發(fā)與環(huán)境保護一體化已成為當前國際礦業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢［1］。

除了定性地根據相關國家或行業(yè)規(guī)范對礦山地質環(huán)境進行評價(評估)之外，國內在礦山地質環(huán)境調查研究工作中對評價因子選取、指標制定和評價方法方面進行了積極的探索，取得了可喜進展，但在指標制定、多層次評價方法方面存在著眾多亟待研究解決與深化的問題。主要有［2］:

(1)選擇的評價因素不夠全面，評價結果不夠客觀;

(2)評價指標多為定性描述，缺乏量化指標，評價結果的科學性不夠嚴謹;

(3)綜合評價方法不甚合理，評價結果缺乏可比性。

因此，礦山地質環(huán)境定量(半定量)評價的熱點和難點問題主要表現在兩個方面:一是制定科學性、實用性的量化評價指標體系;二是建立多指標、多層次的綜合評價模型［3－5］。

1 評價指標體系

1.1 評價指標選取

礦山環(huán)境地質問題所導致的結果是最直觀明了的，總體可以分為資源損毀、地質災害和環(huán)境污染三大類型，因此從礦山環(huán)境地質問題導致的結果出發(fā)選取合理的指標建立評價指標體系，如圖1所示。

圖1 礦山地質環(huán)境質量評價指標體系

1.2 指標等級確定

以中國地質調查局頒行的《區(qū)域環(huán)境地質調查總則(試行)(DD2004.1－02)》中關于區(qū)域地質環(huán)境質量等級分區(qū)的規(guī)定為原則將評定礦山地質環(huán)境質量的指標因子及礦山地質環(huán)境質量等級劃分為“好”(Ⅰ級)、“較好”(Ⅱ級)、“較差”(Ⅲ級)和“差”(Ⅳ級)等4個等級［6］。

評價指標等級的確定可以根據:①直接采用國家標準、行業(yè)標準作為礦山地質環(huán)境質量評價指標因子等級的依據;②采用行業(yè)推薦值或地區(qū)(礦區(qū))平均值作為劃分指標等級的依據;③依據礦山地質環(huán)境調查評價實際情況，借鑒相關學科方法，制定適應于礦山地質環(huán)境質量評價的指標。

各等級賦值標準分值分別為:Ⅰ級0.3分、Ⅱ級0.5分、Ⅲ級0.7分、Ⅳ級0.9分。

指標因子等級賦值標準及指標加權綜合評價時，由加權評定分值確定相應等級的標準(表1)。

表1 指標等級賦值標準及加權評定分值對應等級

1.3 指標權值計算

要素的權值是指在評定礦山地質環(huán)境質量等級時，各要素在總的評價中的重要程度。各指標的權值則表征其在評定相應要素等級時的重要程度。目前，有多種確定評價指標權值的方法，如專家打分法、數理統(tǒng)計法、層次分析法等，但是這些方法都不能很好地將主觀和客觀要素結合起來。研究將熵值法得到的客觀權值和層次分析法得到的主觀權值有機結合為綜合權值作為評價時各指標的權重。

2 評價方法

經過大量查閱分析文獻、期刊資料并實際計算驗證，選取了以下三種能適合本研究課題的、相對簡單、實用、效果明顯的數學(定量、半定量)評價方法。

2.1 要素、指標加權分值評價法

(1)要素各指標加權評價

式中:Fj為要素加權分值(j=Ⅰ—資源損毀，Ⅱ—地質災害，Ⅲ—環(huán)境污染要素);Fi為每一要素中各指標評定分值;n為各指標權值;n為各要素指標個數(每一要素中n可能不同)。

(2)地質環(huán)境質量等級綜合評價

式中:F0為綜合加權評價分值;Wi為各要素權值;j為環(huán)境地質問題所含要素，一般n=1，2，3，對應于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ要素。

最后根據綜合加權評定分值確定地質環(huán)境質量綜合評定等級。

2.2 模糊數學多層次評判法

由于各因素對礦山地質環(huán)境影響的程度不盡相同，以其作為劃分礦山地質環(huán)境影響程度與界限具有外延的模糊性，很難用精確的定量化關系來劃分和表達。雖然各個因素在礦山地質環(huán)境影響中所起到的作用和方式是很復雜的，但它們具有系統(tǒng)性和層次性，可以利用系統(tǒng)的思想，把影響因素分解為構成要素和評價因子兩個層次，采用二級綜合模糊評判方法進行評價。

(1)初級評判

以資源損毀、地質災害和環(huán)境污染三個要素為例進行詳細說明。

①建立評價集V={V1，V2，V3，V4}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}，式中V1，V2，V3，V4分別對應為“好”(Ⅰ級)、“較好”(Ⅱ級)、“較差”(Ⅲ級)和“差”(Ⅳ級)等4個等級。

②確定參評要素集U={U1，U2，U3}，式中U1，U2，U3分別為資源損毀、地質災害和環(huán)境污染三大要素。

③確定參評要素的評價指標

即每一要素所對應的各個指標，如資源損毀所對應的礦產資源破壞與浪費、土地壓占與破壞、水資源破壞。

④構建隸屬度矩陣R

以資源損毀、地質災害和環(huán)境污染三個要素各個指標的評定等級構建各要素對評價等級的隸屬度矩陣。

⑤確定權值集A

通過客觀賦權法和主觀賦權法得到各要素下屬指標的各個權值，在此基礎上將客觀權值Ws、主觀權值Wz轉換為各個指標的綜合權值Wo并以此作為初級評判時每個要素層指標的模糊子集A，則三要素初級評判的模糊子集分別為A1，A2，A3。

⑥進行模糊復合運算

得B1=A1?R1=(b11，b12，b13，b14)，同理可求得B2，B3。

(2)二級評判

與初級評判類似，以三要素的初級評判結果B構建礦山環(huán)境地質問題對評價等級的隸屬度矩陣R0:

三要素的模糊子集W0即各要素的綜合權值Wo，采用M(●，+)模糊變換算子進行二級模糊變換:F0=W0?R0。

根據最大隸屬度等級為模糊數學評定等級的原則，求出礦山地質環(huán)境質量在不同種類權值下的模糊綜合評定等級。

2.3 灰色局勢決策分析法

決策即是對發(fā)生了的某種事件采取諸多對策解決問題。不同的對策有不同的效果，要用目標去衡量各種對策的效果，最后從這些對策中挑選一個效果最佳者。灰色局勢決策是指從事件、對策、效果三者統(tǒng)一的前提下，對明顯含有灰元的系統(tǒng)進行決策。環(huán)境質量評價過程實際也是一個決策的過程，可以把評價的對象及系統(tǒng)視為灰色系統(tǒng)，用灰色局勢決策方法進行環(huán)境質量評價［7］。

(1)確定事件、對策、局勢、目標

①事件集ai

事件集為(評價一礦地質環(huán)境質量，評價二礦地質環(huán)境質量，評價三礦地質環(huán)境質量)。

②確定對策集bj

對策即礦山地質環(huán)境質量分級，bj=(b1，b2，b3，b4)，分別代表地質環(huán)境質量屬于好、較好、差、較差級別。

③確定局勢

Sij=(ai，bj)(評價i礦地質環(huán)境質量，地質環(huán)境質量等級)。如S11表示(評價一礦地質環(huán)境質量，好);S12表示(評價一礦地質環(huán)境質量，較好)。

④確定目標集

目標集=(指標1，指標2，…指標11)=(礦產資源破壞與浪費，土地壓占與破壞，…空氣污染)。

(2)求各個事件對不同決策的效果測度，寫出決策矩陣。

(3)計算多目標的局勢綜合效果測度，寫出綜合決策矩陣。

(4)按決策準則進行決策。

(5)根據綜合效果測度值進行排序

將各礦的綜合效果測度值進行相加即可得到各礦的相對排序，所得數值越大其地質環(huán)境質量越差。

灰色局勢決策分析法省去了繁瑣的權值計算，大大減少了評價過程的復雜性，但由于其不區(qū)分不同指標的重要性，完全根據所給數值進行評價，對于內容復雜或不能只依靠定量數據進行評價的對象來說可能會使評價結果與實際情況有一定的偏離。

3 評價步驟

3.1 現狀評價

以礦山或礦區(qū)作為評價對象，選擇合理的評價指標和數學模型對礦業(yè)開發(fā)產生的環(huán)境地質問題進行評價，每一個礦山或礦區(qū)不同的環(huán)境地質問題分為差、較差、較好、好四級。

3.2 預測評價

在現狀評價的基礎上，根據礦山類型和開發(fā)利用方案確定的開采范圍、深度，規(guī)模和采、選、冶方法等，結合評價區(qū)地質環(huán)境條件及變化特征，預測新一輪礦業(yè)活動可能產生、加劇的礦山環(huán)境地質問題［8］，并對其發(fā)展趨勢、危害對象、影響程度進行評價。

3.3 綜合評價

通過考慮現狀評價、預測評價、礦山地質背景條件及礦山恢復治理的難易程度四個因子進行綜合評價，將礦山環(huán)境地質問題的嚴重程度劃分為輕度、中等、嚴重和極嚴重四級。

4 評價模式

4.1 多個礦山評價

將一個區(qū)域內的幾個礦山或不同區(qū)域內的幾個礦山放在一起計算客觀權值，進而和層次分析法求得的主觀權值有機結合為綜合權值通過要素指標加權分值法和模糊數學多層次評判法進行現狀、預測評價或直接選用灰色決策分析法評價。

根據幾個礦山的現狀、預測評價結果，考慮各個礦山的地質背景條件及礦山恢復治理的難易程度進行綜合評價。

4.2 單個礦山評價

當只有一個礦山時，通過要素、指標加權分值法和模糊數學多層次評判法對其進行現狀、預測評價，綜合評價方法同多個礦山。

根據熵權法單個礦山不能計算客觀權值，故單礦評價時采用層次分析法所得的主觀權值進行評價計算，其原理簡單，有較嚴格的數學依據，廣泛應用于復雜系統(tǒng)的分析與決策［9］。

5 實例驗證

在此主要針對多個礦山進行評價實例驗證，單礦評價方法與多礦一樣，只是不能采用灰色局勢決策法進行單個礦山評價。

選取三個生產礦山分別作為一礦、二礦和三礦。根據典型實際材料［10］，三個礦山的基本特征主要從礦區(qū)的基本環(huán)境地質條件、礦山開采活動的影響、礦山環(huán)境地質問題發(fā)展預測三方面考慮。

5.1 礦山基本特征概述

(1)基本環(huán)境地質條件

主要包括地形地貌、地質構造、氣象與水文、水文地質、巖土體工程地質特征、人類工程活動。

(2)礦山開采活動的影響

1)對地質環(huán)境的破壞:①采空區(qū)地面開裂塌陷、地裂縫;②崩滑流;③水土流失。

2)對水環(huán)境的破壞:①水污染，礦區(qū)廢水對地下水、地表水污染;②水資源變化、采區(qū)附近地表水、地下水疏干。

3)土壤污染:土壤中某些元素超標。

4)土地壓占、植被破壞:矸石等堆放對地表植被和土地造成一定影響和破壞。

(3)礦山環(huán)境地質發(fā)展問題預測

1)對地質環(huán)境的破壞:①地面開裂、塌陷范圍可能進一步增加;②崩滑流發(fā)生加重，原有滑坡將繼續(xù)滑動、局部發(fā)生滑坡、崩塌和泥石流;③水土流失加劇;④區(qū)內褶皺斷裂發(fā)育，巖體破碎，裂隙發(fā)育，隨著開采深度增加，與地表水發(fā)生水力聯(lián)系的可能性增大，因此，礦坑排水量可能增大或發(fā)生礦坑涌水事故。

2)對水資源破壞、水污染、土壤污染受影響加重;土地壓占、植被破壞范圍增大。

5.2 現狀評價

(1)指標及其等級確定

每個礦山的環(huán)境地質問題類型一樣但具體嚴重程度、影響范圍各有不同。通過分析資料并研究這三個礦山目前所造成的環(huán)境地質問題，確定了三個要素層11個評價指標:

①資源損毀要素——礦產資源破壞與浪費、土地壓占與破壞、水資源破壞、植被破壞、地形地貌景觀改變;

②地質災害要素——崩滑流、地面塌陷地裂縫、水土流失;

③環(huán)境污染要素——水污染、土壤污染、空氣污染。

根據各個礦山的基本特征，參照指標等級標準對各評價指標所對應的環(huán)境地質問題進行等級劃分。由于每個指標及其因子較多，在此列出環(huán)境污染要素下屬的三項指標因子的等級標準(表2～表4)。三個礦山的現狀評價等級分值如表5所示。

表2 水污染指標等級標準

表3 土壤污染指標等級標準

表4 空氣污染指標等級標準

表5 現狀評價指標等級分值

(2)指標權值計算

根據權值計算方法，得到各個指標的三類權值，如表6所示。

表6 現狀評價要素、指標各類權值

(3)評價結果

選用綜合權值采用要素、指標加權分值法和模糊數學多層次評判，得到各個礦山的現狀評價結果，見表7、表8。

表7 要素指標加權分值現狀評價(多礦)

表8 模糊數學多層次評判現狀評價(多礦)

灰色局勢決策分析評價不需要計算權值，現狀評價結果見表9。

表9 灰色局勢決策分析現狀評價(多礦)

5.3 預測評價

分析研究資料認為預測評價中三個礦山的環(huán)境地質問題依然分為資源損毀、地質災害和環(huán)境污染三個要素層，不同的是地質災害要素評價指標在原來的基礎上增加了礦井突水和瓦斯爆炸2個指標，其它指標的預測評價等級分值與現狀評價有所不同。

預測評價計算方法同現狀評價。

5.4 綜合評價

選擇三種評價方法中與實際礦山地質環(huán)境情況最符合的現狀評價和預測評價結果，考慮礦山的地質背景和恢復治理難易程度進行綜合評價。

各個綜合評價指標的等級分值如表10所示。

表10 綜合評價指標分值(等級)

綜合評價時通過層次分析法對綜合評價的四個指標進行權值計算，計算結果如表11所示。

表11 綜合評價指標權值

經過模糊綜合評價得到多個礦山的綜合評價隸屬度、分值及等級排序(表12)。

表12 模糊數學多層次評判綜合評價(多礦)

模糊數學綜合評價結果顯示:一、二、三礦的地質環(huán)境質量等級分別為好、較差、較差，符合實際資料評價結果。

6 結論

(1)建立了礦山地質環(huán)境質量評價體系，運用客觀權值和主觀權值有機結合所得到的綜合權值作為評價過程中的最終權值，確定了評價體系中指標及要素的權重值獲取方法。

(2)建立了適合多個礦山和單個礦山的定量(半定量)礦山地質環(huán)境質量評價模型。

(3)通過對生產礦山的現狀、預測及綜合評價，得到與礦山實際情況比較相符的評價結果，充分驗證了地質環(huán)境質量評價模型的合理性。

［1］高培．基于GIS和RS的葫蘆島礦山地質環(huán)境綜合評價研究［D］．北京:中國地質大學(北京)，2009．

［2］魏迎春，許友寧．礦山地質環(huán)境量化評價模型研究［J］．華南地質與礦產，2004(4):47－50．

［3］鄭國明，梁合誠，龍翔，等．淺析礦山地質環(huán)境綜合評價［J］．安全與環(huán)境工程，2009，16(5):42－44．

［4］徐友寧，袁漢春，何芳，等．礦山環(huán)境地質問題綜合評價指標體系［J］．地質通報，2003，22(10):829－832．

［5］楊毅．神木縣礦山地質環(huán)境影響評價研究［D］．西安:西安科技大學，2008．

［6］徐友寧，何芳，袁漢春，等．中國西北地區(qū)礦山環(huán)境地質問題調查與評價［M］．北京:地質出版社，2006．

［7］劉志斌，鐘爽．基于灰色局勢決策分析的地下水環(huán)境質量評價［J］．遼寧工程技術大學學報，2005，24(1):129－131．

［8］周愛國，周建偉，梁合成，等．地質環(huán)境評價［M］．武漢:中國地質大學出版社，2006．

［9］中國地質調查局．DD2004.1－02區(qū)域環(huán)境地質調查總則(試行)［S］．2004．

［10］四川省地質環(huán)境監(jiān)測總站．典型礦山地質環(huán)境調查資料［R］．成都:四川省地質環(huán)境監(jiān)測總站，2005．