張子宇，關(guān)英斌

(河北工程大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

目前，礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)方法可分為三類(lèi)，一為利用數(shù)學(xué)手段構(gòu)建相應(yīng)模型，主要有綜合指數(shù)法[1]、層次分析法[2]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[3]、灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)法[4]等。二為遙感地信技術(shù)的應(yīng)用，2018年柴義倫采用GIS圖層疊加分析法對(duì)淮南煤炭礦區(qū)進(jìn)行分析，得出了各影響級(jí)別土地占比，并預(yù)測(cè)礦業(yè)活動(dòng)將進(jìn)一步危害周?chē)h(huán)境[5]；2020年張雷等運(yùn)用遙感技術(shù)調(diào)查識(shí)別登封鋁土礦礦區(qū)評(píng)價(jià)因子，通過(guò)單因子多因子綜合評(píng)價(jià)反映了礦山地質(zhì)環(huán)境承載力[6]。三是將深度學(xué)習(xí)引入到礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中，李東等2015年將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與支持向量機(jī)(SVM)方法引入到礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中，對(duì)新疆青河縣礦集區(qū)利用兩種模型分別進(jìn)行了評(píng)價(jià)并進(jìn)行對(duì)比，都得到了較好的評(píng)價(jià)精度[7]。

遙感地信技術(shù)在大尺度宏觀研究中具有優(yōu)勢(shì)，其獲取的信息量廣、工作效率高、能全方位獲取地面環(huán)境的相關(guān)圖像和數(shù)據(jù)參數(shù)[8]。機(jī)器深度學(xué)習(xí)在保留事物原有結(jié)構(gòu)信息的同時(shí)可大幅度降低人類(lèi)視覺(jué)處理的數(shù)據(jù)量，但前期需要高質(zhì)量數(shù)量的測(cè)試樣本數(shù)據(jù)[9]。目前單一礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)仍以數(shù)學(xué)方法為主，創(chuàng)新、改進(jìn)數(shù)學(xué)模型成為研究趨勢(shì)。傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)模型中最大隸屬度原則存在失效的情況，本文對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行改進(jìn)，將改進(jìn)的模型應(yīng)用于峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)，以期獲得更加合理的評(píng)價(jià)結(jié)果。

1 研究區(qū)域概況

峁底礦井田地處晉西北黃土高原，總體地勢(shì)南高北低，最大相對(duì)高差206.9 m，研究區(qū)地形復(fù)雜，侵蝕沖刷劇烈，植被覆蓋率低。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱及巖漿侵入現(xiàn)象。目前對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響主要為礦井建設(shè)與采空破壞區(qū)對(duì)地形地貌、土地資源、含水層的破壞。多年生產(chǎn)在該井田范圍中東部形成大面積采空區(qū)，井田內(nèi)發(fā)育有少量因采煤形成的地裂縫、不穩(wěn)定邊坡，煤系上覆含水層遭到破壞。工業(yè)廣場(chǎng)改擴(kuò)建用地總規(guī)模為6.73 hm2，矸石場(chǎng)占地面積4 hm2，對(duì)原生地形地貌景觀造成了破壞。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

結(jié)合研究區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境背景、水文地質(zhì)條件、礦山開(kāi)采等資料，選取地質(zhì)環(huán)境背景、水資源與環(huán)境、土地資源與環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害四個(gè)要素構(gòu)成要素層。在咨詢(xún)專(zhuān)家和相關(guān)文獻(xiàn)查閱的基礎(chǔ)上，依據(jù)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則，對(duì)每個(gè)要素選取代表性指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)層，最終評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)圖1。

圖1 礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Index system of mine geological environment quality evaluation

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為Ⅰ(一般)、Ⅱ(較嚴(yán)重)、Ⅲ(嚴(yán)重)三個(gè)等級(jí)，為方便不可量化指標(biāo)的計(jì)算，將各等級(jí)分別賦值1、2、3分，具體指標(biāo)分級(jí)見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分表

續(xù)表

2.3 確定權(quán)值

本文的權(quán)值通過(guò)層次分析法[10](AHP)來(lái)計(jì)算，該方法簡(jiǎn)潔、靈活，且在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具體可分為以下兩個(gè)階段。

階段一：構(gòu)造判斷矩陣。用T.L.Satty的1～9標(biāo)度將指標(biāo)體系中的各元素兩兩相比，構(gòu)造判斷矩陣。

階段二：權(quán)向量計(jì)算及一致性檢驗(yàn)。將判斷矩陣進(jìn)行最大特征值和特征向量計(jì)算并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，當(dāng)一致性比率CR≤0.1，則可將特征向量視為權(quán)向量。

(1)

(2)

式中：CI—一致性指標(biāo)；λmax—最大特征值；n—矩陣階數(shù)，CR—隨機(jī)一致性比率，RI—平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

經(jīng)計(jì)算，各判斷矩陣一致性比率均≤0.1，指標(biāo)權(quán)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)因子及權(quán)重

2.4 改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型建立

2.4.1 傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)模型建立

(1)建立參與評(píng)價(jià)的要素集

U={U1,U2,U3,U4}

其中：U1—地質(zhì)環(huán)境背景，U2—水資源與環(huán)境，U3—土地資源與環(huán)境，U4—地質(zhì)災(zāi)害。

(2)確定參與評(píng)價(jià)的因子

U1={u1,u2,u3,u4}

U2={u5,u6}

U3={u7,u8,u9}

U4={u10,u11,u12}

式中：u1—地形地貌，u2—年均降水量，u3—植被覆蓋度，u4—地質(zhì)構(gòu)造，u5—地下水位下降，u6—地下水影響范圍，u7—壓占土地類(lèi)型，u8—壓占土地面積，u9—土壤污染，u10—采空區(qū)，u11—地裂縫，u12—不穩(wěn)定邊坡。

(3)建立評(píng)價(jià)集

V=(v1,v2,v3)=(Ι,Π,Ш)

式中：V1—一般、V2—較嚴(yán)重、V3—嚴(yán)重。

(4)確定隸屬度函數(shù)

梯形分布函數(shù)[11-12]在礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中得到了較好的效果。對(duì)于指標(biāo)值越大等級(jí)越差的逆指標(biāo)，如地形地貌、年均降水量等，隸屬函數(shù)關(guān)系為：

(3)

(4)

(5)

式中：x—各因子實(shí)測(cè)值；S1、S2、S3—評(píng)價(jià)集的閾值，評(píng)判為一般與嚴(yán)重的閾值為區(qū)間的下、上限，評(píng)判為較差的閾值為算術(shù)平均值。

對(duì)于指標(biāo)值大小與礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量呈正相關(guān)的指標(biāo)和不可量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可通過(guò)專(zhuān)家打分法進(jìn)行賦值從而利用上式計(jì)算隸屬度。根據(jù)隸屬函數(shù)，計(jì)算每個(gè)因子對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)的隸屬度，構(gòu)造隸屬矩陣R。

(5)構(gòu)造權(quán)值矩陣

由前文層次分析法求得結(jié)果構(gòu)成權(quán)值矩陣ω=(a1，a2，…，an)。

(6)綜合評(píng)判

B=ω·R=(b1,b2,…,bm)

(6)

運(yùn)用公式(6)可得B=(0.395 5，0.379 9，0.382 5)，峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量對(duì)評(píng)語(yǔ)集三個(gè)級(jí)別的隸屬度分別為一般(0.395 5)、較嚴(yán)重(0.379 9)、嚴(yán)重(0.382 5)，根據(jù)最大隸屬度原則，峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響程度為一般。

2.4.2 傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)法的缺陷

(1)運(yùn)用最大隸屬度原則評(píng)價(jià)結(jié)果時(shí)，存在一定主觀性，可能會(huì)忽略某些信息，結(jié)果較為粗糙。

(2)當(dāng)評(píng)價(jià)結(jié)果中各隸屬度相差不大時(shí)，如本礦評(píng)價(jià)結(jié)果B=(0.395 5，0.379 9，0.382 5)，對(duì)各等級(jí)區(qū)分度較低，評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確度較低。

2.4.3 改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)模型

對(duì)傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)得到的結(jié)果進(jìn)一步修正，具體步驟見(jiàn)圖2。

圖2 改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)法步驟Fig.2 Steps of improved fuzzy comprehensive evaluation method

(1)結(jié)果有效度檢測(cè)

引入有效度[13]α對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

(7)

式中：n—模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B中的元素個(gè)數(shù)；β—最大隸屬度；γ—第二大隸屬度。

表3 有效度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(2)結(jié)果量化

若評(píng)價(jià)結(jié)果有效度大于等于0.5，評(píng)價(jià)結(jié)果較為準(zhǔn)確，但為了降低模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B的主觀性，將模糊評(píng)價(jià)結(jié)果先歸一化處理再引入量化向量[14]轉(zhuǎn)換為具體的綜合評(píng)價(jià)值。依據(jù)《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制規(guī)范》將礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)分為優(yōu)秀、良好、較差三個(gè)等級(jí)具體劃分見(jiàn)表4。

表4 礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級(jí)別評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖3 礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)分布圖Fig.3 Distribution of mine geological environment quality grade

(3)置信度準(zhǔn)則修正

對(duì)于有效度小于0.5的結(jié)果，采用置信度準(zhǔn)則[15]對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果修正。

置信度準(zhǔn)則：設(shè)(b1，b2，…，bm)是一個(gè)有序的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)集，λ為置信度，礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量x屬于bi類(lèi)的隸屬度為Ux(bi)，記評(píng)價(jià)該礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級(jí)別為Bk0，即有以下表達(dá)式：

(8)

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

(1)根據(jù)AHP確定的權(quán)值，峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，土地資源與環(huán)境要素占主導(dǎo)地位，對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響程度最大，土地資源與環(huán)境的影響因子中，土地壓占面積對(duì)其影響最大。

(2)根據(jù)傳統(tǒng)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果，峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級(jí)別為Ⅰ級(jí)(一般)。

(3)對(duì)傳統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行有效度檢驗(yàn)，有效度α=0.121 89<0.5比較低效，采取置信度準(zhǔn)則修正，最終對(duì)峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅱ級(jí)(較嚴(yán)重)，這與礦山實(shí)地調(diào)查結(jié)果契合度較高。

結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)加強(qiáng)對(duì)峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)工作，對(duì)工業(yè)廣場(chǎng)擴(kuò)建、矸石堆放等進(jìn)行合理規(guī)劃，減少對(duì)原生地形地貌景觀和土地資源的破壞。

4 結(jié)論

利用傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量，根據(jù)最大隸屬度原則，礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量為Ⅰ級(jí)(一般)，評(píng)價(jià)結(jié)果有效度為0.121 89，比較低效。利用改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行計(jì)算，k0=2時(shí)，隸屬度為0.775 4，大于置信度0.65，峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量修正為Ⅱ級(jí)(較嚴(yán)重)，避免了最大隸屬度原則失效時(shí)，評(píng)價(jià)結(jié)果失真的情況，減小了模糊評(píng)價(jià)的主觀性。利用改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)地調(diào)查更接近，證明將有效度檢驗(yàn)、量化向量、置信度準(zhǔn)則與傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)模型相結(jié)合的改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)方法是一種更為合理、全面的礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。