董思思,　董春游

(1.黑龍江科技大學(xué) 管理學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 研究生學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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基于云模型的煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價

董思思1,董春游2

(1.黑龍江科技大學(xué) 管理學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 研究生學(xué)院, 哈爾濱 150022)

針對傳統(tǒng)煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價方法處理數(shù)據(jù)的局限性,提出基于云模型和熵權(quán)的綜合評價方法。該方法利用云模型實(shí)現(xiàn)指標(biāo)定性與定量的轉(zhuǎn)換,利用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、客觀性和可行性的原則,建立以礦區(qū)土地復(fù)墾率、森林覆蓋率、噪聲控制達(dá)標(biāo)率等12個指標(biāo)為評價指標(biāo)的煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價體系,并以內(nèi)蒙古柏樹坡煤炭建設(shè)項(xiàng)目可行性研究報告中的三個方案為例,進(jìn)行實(shí)證分析。結(jié)果表明,該方法可克服傳統(tǒng)方法主觀賦值的缺陷,為煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價方案選取提供決策依據(jù)。

煤炭資源; 環(huán)境評價; 云模型

煤炭資源作為一種不可再生資源,占我國一次能源消費(fèi)比重的70%以上,是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。環(huán)境保護(hù)和資源有效利用是經(jīng)濟(jì)社會健康、可持續(xù)發(fā)展的基本保障。因此,煤炭資源開發(fā)既要滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展需要,更要注重對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和建設(shè)。煤炭資源開采過程中所引起的環(huán)境破壞問題主要有水土污染與流失、揚(yáng)沙及沙塵現(xiàn)象、草場超載退化、地面變形塌陷、采礦固體廢棄物占地等。煤炭資源開采面臨環(huán)保壓力增大及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整所帶來的雙重壓力,加快向安全高效開采和清潔高效利用的轉(zhuǎn)變是當(dāng)今煤炭資源開發(fā)的重中之重。近年來,煤炭建設(shè)項(xiàng)目涉及的環(huán)境保護(hù)與生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)展問題已逐漸受到全球的關(guān)注。

目前,煤炭項(xiàng)目評價方法較為傳統(tǒng)。馬麗麗等[1]以昌平某礦區(qū)為例,采用 AHP 與模糊數(shù)學(xué)綜合評判法確定權(quán)重,在GIS平臺上對各評價指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)疊加,構(gòu)建了基于層次分析與模糊數(shù)學(xué)綜合評判法的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價體系。石曉波[2]參照聯(lián)合國和經(jīng)濟(jì)合作組織(OECD)提出的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型和孫順利等[3]提出的基于PSR模型的礦區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)適度開發(fā)評價模型,構(gòu)建基于PSR模型的煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價體系,并采用層次分析法確定權(quán)重,利用模糊綜合評價方法分析煤炭建設(shè)項(xiàng)目是否符合科學(xué)發(fā)展。趙娜[4]構(gòu)建了煤炭開采環(huán)境影響后評價指標(biāo)體系,并分別采用專家打分法、層次分析法和綜合指數(shù)法對清潔生產(chǎn)水平進(jìn)行分析。陳橋等[5]采用AHP法確定權(quán)重,逐層加權(quán)計(jì)算目標(biāo)層的評價值,再通過權(quán)重和評價值加權(quán),構(gòu)建評價等級及礦山生態(tài)環(huán)境評價模型。

這些方法的弊端是單純解決評價指標(biāo)的隨機(jī)性問題或者模糊性問題,評價結(jié)果與原環(huán)境影響報告的預(yù)測結(jié)論存在一定誤差。而煤炭建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境評價系統(tǒng)是模糊性指標(biāo)與隨機(jī)性指標(biāo)并存的復(fù)雜綜合系統(tǒng)。因此,筆者采用能夠處理隨機(jī)性和模糊性交叉問題的云模型實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的定性與定量轉(zhuǎn)換,采用客觀性強(qiáng)的熵權(quán)法確定權(quán)重,構(gòu)建基于云模型和熵權(quán)法的煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價模型,以期從生態(tài)環(huán)境保護(hù)的角度為煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價方案選取提供理論支持和決策依據(jù)。

1　煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價指標(biāo)體系

煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價指標(biāo)的選取要遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、客觀性和可行性的原則。根據(jù)以上原則,結(jié)合SL 312—2006《水土保持工程運(yùn)行技術(shù)管理規(guī)程》、GB 50433—2008《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定,主要考慮煤炭建設(shè)項(xiàng)目開發(fā)過程中引起的環(huán)境問題,如空氣污染、采空區(qū)地表沉陷、水資源破壞、礦井水和煤矸石排放等幾方面。其中,礦區(qū)土地復(fù)墾比例、森林覆蓋比例可直接體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)恢復(fù)的情況；環(huán)境保護(hù)投入總量和水土保持投入總量可間接體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)恢復(fù)狀況;噪聲控制、廢水處理、廢氣排放、固體廢物排放達(dá)標(biāo)率及煤矸石生產(chǎn)量等可體現(xiàn)環(huán)境污染治理情況;懸浮顆粒日均濃度(TSP)、SO2濃度、礦區(qū)土地沙漠化程度體現(xiàn)環(huán)境污染和環(huán)境破壞情況。在整個煤炭建設(shè)項(xiàng)目生命期內(nèi)這些指標(biāo)需全面考慮,并根據(jù)指標(biāo)特征分別列入事前評價和后評價。文中選取的影響環(huán)境的煤炭建設(shè)項(xiàng)目指標(biāo)見圖1。

圖1　影響煤炭建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境指標(biāo)

2　基于云模型和熵權(quán)的評價方法

2.1云模型

云模型是實(shí)現(xiàn)不確定語言值與定量數(shù)值之間的自然轉(zhuǎn)換的模型。設(shè)U是一個定量的論域,A為U的定性表示。假設(shè)定量值x∈U,x表示定性概念A(yù)的一個隨機(jī)變量,那么x對A的隸屬程度μ(x)∈[0,1]為

μ:U→[0,1],?x∈U,x→μ(x),

(1)

則x在論域U上的分布稱為云。云模型主要采用期望Ex、熵En和超熵He[6-9]三個數(shù)字特征對指標(biāo)進(jìn)行描述,如圖2所示。

圖2　云模型的數(shù)字特征

云發(fā)生器是從定性概念到定量轉(zhuǎn)化的過程,也就是由云的數(shù)字特征產(chǎn)生云滴的具體實(shí)現(xiàn)過程,如圖3所示。

圖3　云發(fā)生器

已知云的三個數(shù)字特征(Ex、En、He),當(dāng)x=x0或y=y0時,可形成X和Y條件云發(fā)生器[10-12]。

2.2權(quán)重的確定

利用熵權(quán)法確定煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價指標(biāo)的權(quán)重,可以避免人為因素的影響。遴選煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評方案時[13],若各方案的同類指標(biāo)值相同、熵權(quán)為零,評價時可剔除,以簡化計(jì)算過程。文中采用熵權(quán)法確定權(quán)重。

設(shè)煤炭建設(shè)項(xiàng)目有n個待評方案,集合為a={a1,a2,…,an},每個評價方案有m個評價指標(biāo),其集合為P={P1,P2,…,Pm},其中,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。由此得到煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評初始指標(biāo)矩陣A=(aij)n×m,其中,aij表示煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評第i個方案相對應(yīng)的第j項(xiàng)的評價值。以此為基礎(chǔ),可以進(jìn)行熵權(quán)計(jì)算[14],過程如下:

(1)建立煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評初始矩陣。初始矩陣

其中,aij∈[0,1]。

(2)計(jì)算煤炭建設(shè)項(xiàng)目每個環(huán)評指標(biāo)的信息熵s、信息效用σ。第j項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算式為

(2)

用該指標(biāo)的信息熵sj與1的差值表示評價指標(biāo)Pj的信息效用價值σj,故有σj=1-sj。

(3)確定指標(biāo)熵權(quán)。評價指標(biāo)權(quán)重ω=(ω1,ω2,…,ωm),其中,

(3)

需要說明的是,由式(3)計(jì)算的熵權(quán)并不單純表示煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評指標(biāo)的重要程度,同時也表示每個環(huán)評方案指標(biāo)值確定的條件下,同類指標(biāo)的重要程度。當(dāng)指標(biāo)的相對差異度接近0時,說明此指標(biāo)對煤炭建設(shè)環(huán)評結(jié)果影響程度較少,反之亦然。這種方法與傳統(tǒng)的主觀法確定權(quán)重相比,具有更高的可信度。

2.3評價等級云化過程及評價模型

采用正向云發(fā)生器云化處理評價等級,用一維正態(tài)云模型表示等級云的數(shù)據(jù)特征。

設(shè)煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價指標(biāo)有n項(xiàng),構(gòu)成體系的集合P=(P1,P2,…,Pn),評價等級集合為x=(x1,x2,…,xm),評價指標(biāo)的權(quán)重ω=(ω1,ω2,…,ωm)。

(4)

計(jì)算過程中,由于兩個等級間存在模糊邊界,即同時隸屬于上下兩等級區(qū)域,故處于兩個等級交叉點(diǎn)的隸屬度相等,則有

(5)

由式(5)可得熵Eni,j,

(6)

超熵Hei,j是對Eni,j不確定性的測度,其值可以由經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)獲取。在形成的云滴圖中,超熵表示云滴的聚集程度。

在確定每個指標(biāo)的等級云的數(shù)字特征后,可計(jì)算隸屬度矩陣R,

(7)

將權(quán)重集合與R模糊變換得到評價集上的模糊子集B,

B=ω?R,

(8)

其中,B表示評價方案隸屬等級的程度,

B=(b1,b2,…,bm)。

3　實(shí)　例

3.1評價方案及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)2011年內(nèi)蒙古自治區(qū)柏樹坡煤礦項(xiàng)目可行性研究報告提供的環(huán)境分析數(shù)據(jù)及相關(guān)文件構(gòu)建評價指標(biāo)體系。依據(jù)可行性研究報告提出三種方案：方案1為雙斜井(中部),方案2為二斜井(一立井),方案3為雙斜井(邊界)。參照煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價指標(biāo)體系,給出不同方案各項(xiàng)指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。

表1　三種方案的評價指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)

3.2評價指標(biāo)等級確定

根據(jù)煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價指標(biāo)體系、評價模型以及表1,確定各評價指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn),如表2所示。其中，等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別表示該方案的環(huán)境評價等級很差、中等、良好、優(yōu)秀。

利用云模型建立每個指標(biāo)對應(yīng)的云圖,根據(jù)各個評價等級的云化過程,采用MATLAB軟件計(jì)算各個等級的數(shù)字特征。以礦區(qū)土地復(fù)墾比例P9為例，Ⅰ等級的數(shù)字特征為(40.000 0 8.492 6 0.100 0);Ⅱ等級的為(55.000 0 4.246 3 0.100 0);Ⅲ等級為(70.000 0 8.492 6 0.100 0);Ⅳ等級的為(85.000 0 4.246 3 0.100 0)。其對應(yīng)的四個等級云圖如圖4所示。

表2　煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.3評價指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)熵權(quán)法求權(quán)重的原理進(jìn)行編程,并采用MATLAB7軟件運(yùn)算,求得指標(biāo)權(quán)重:ω=(0.320 00.025 00.032 50.397 20.123 70000.102 000.001 10),

其中,指標(biāo)權(quán)重為0表示其不影響方案比選。

3.4評價結(jié)果

運(yùn)用X-條件云及式(7)計(jì)算各方案指標(biāo)的隸屬度矩陣R:

根據(jù)式(8)可得柏樹坡煤礦建設(shè)項(xiàng)目各個方案的環(huán)境評價水平,如表3所示。

由結(jié)果可知,方案1的環(huán)境評價等級為良好(Ⅲ級),方案2、3的環(huán)境評價等級為優(yōu)秀(Ⅳ級),故排除方案1。又因?yàn)榉桨?隸屬于Ⅳ級的程度為0.587 8,方案3隸屬于Ⅳ級的程度為0.554 6，根據(jù)隸屬度原則,方案2優(yōu)于方案3,故選擇方案2。此結(jié)果與實(shí)際選擇相一致。

圖4　P9對應(yīng)的四個等級云圖

方案隸屬度Ⅰ級Ⅱ級Ⅲ級Ⅳ級評價等級10.00860.03030.61720.3439Ⅲ20.00610.03250.37370.5878Ⅳ30.00960.02810.40780.5546Ⅳ

4　結(jié)束語

根據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、客觀性和可行性的原則,

建立以礦區(qū)土地復(fù)墾率、森林覆蓋率、噪聲控制達(dá)標(biāo)率等12個指標(biāo)為評價指標(biāo)的煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價體系。將云模型應(yīng)用于煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價中,并采用客觀賦值的熵權(quán)法確定權(quán)重,建立云模型理論和熵權(quán)法相結(jié)合的評價模型。以柏樹坡煤礦建設(shè)項(xiàng)目為例,對其三個設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評價。評價結(jié)果與實(shí)際相符。該研究為煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評價方案選取提供了理論支持和決策依據(jù)。

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(編輯荀海鑫)

Cloud model-based environment evaluation of coal construction project

DONGSisi1,DONGChunyou2

(1.School of Management, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Graduate School, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper highlights a novel comprehensive evaluation approach as a viable alternative to the conventional environment evaluation method plagued by its limited ability to process data concerning the implementation of coal construction projects. This approach performs a qualitative and quantitative conversion of indexes using the cloud method and index weight determination using entropy weight. The viability of the approach is verified by developing the coal construction project environment evaluation system comprised of 12 indexes, such as the land reclamation rate, the forest coverage rate, and noise control standards， an indication of scientific, systematic, objective, and feasible principle, and this verification is reinforced by performing an empirical analysis of the three cases selected from the construction project feasibility reports by Baishupo Coal Mine located in Inner Mongolia. It follows that the approach, free from the drawbacks due to subjective evaluation inherent in the conventional method, promises to be a decision-making basis for selecting environment evaluation schemes for coal construction projects.

coal resource; environmental evaluation; cloud model

2013-12-28

董思思(1986-),女,吉林省長春人,助教,碩士,研究方向:項(xiàng)目評價及管理,E-mail:sisi1986413@vip.qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.03.023

F426.21

2095-7262(2014)03-0336-05

A