王慶偉，郭 彪，宋 梅，閆 強

(1.華北水利水電大學 地球科學與工程學院，河南 鄭州 450045；2.中國礦業(yè)大學(北京)管理學院，北京 100083；3.中國地質科學院全球礦產資源研究中心，北京 100037；4.中國地質科學院礦產研究所，北京 100037)

煤炭開采需要消耗一定的水，開采過程中措施不當也會造成水資源的破壞[1-3]。因而，煤炭資源的開發(fā)除受開采地質條件限制之外，也受水資源的約束，開采過程中措施不當會對生態(tài)環(huán)境產生影響甚而造成生態(tài)環(huán)境破壞[3-4]。所以，煤炭資源的綠色開發(fā)就是要求在煤炭開發(fā)過程中，注重生態(tài)承載能力和水資源承載力，使煤炭資源對環(huán)境的影響控制在生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)“承載力”范圍之內[5]。具體而言是指人類活動對其所在區(qū)域環(huán)境產生一定程度影響，但是這種影響程度不能破壞環(huán)境的良性循環(huán)，即某一環(huán)境區(qū)域內對人類活動造成影響的最大容納量[6]。

煤炭開采所造成的影響只有控制在最大環(huán)境容納量之下才能實現(xiàn)綠色開發(fā)。楊少華[7]分析了煤炭開采對水環(huán)境的影響，并對水環(huán)境的評價進行了初步探討；張俊虎[8]針對采煤對水環(huán)境的影響提出了預防措施；任自選[9]根據(jù)山西省煤炭開采礦井水的環(huán)境保護管理要求，闡述了煤礦建設中礦井水環(huán)境保護管理的重點。但前人指標體系的確定與取值多采取專家打分的形式進行，在指標的篩選和賦值方面存在一定的隨意性。而且，開采技術手段、行業(yè)技術標準及資源開發(fā)理念是變化的，在指標的選擇上需要考慮行業(yè)規(guī)范及技術標準的變化。然而，如何客觀科學地評價環(huán)境承載力并將之與煤炭開采有機結合起來，仍是目前亟待解決的問題。

為此，筆者擬從系統(tǒng)論原理出發(fā)，以煤炭安全開發(fā)為目的，并將開采技術條件、水資源及生態(tài)環(huán)境等因素作為綜合考量，從行業(yè)規(guī)范、技術標準及環(huán)境保護理念的變化出發(fā)，構建一系列指標，引入灰色系統(tǒng)理論剔除一些關聯(lián)性不大的或負相關指標，構建出“煤-水-環(huán)”綠色可持續(xù)發(fā)展評價指標體系，以期為煤炭資源綠色科學有序開發(fā)提供參考。

1 評價指標體系構建

1.1 指標構建原理

指標體系的構建是基于系統(tǒng)論的整體性和層次性原理，每個指標都隸屬于目標層且與目標層有一定的關聯(lián)度[10]，這是本文指標體系構建的準則。

系統(tǒng)論的整體性是把研究和處理的不同要素建立關聯(lián)，構建成一個整體。本次“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調發(fā)展指標體系必須能夠全面反映礦區(qū)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關系，各層指標間不是簡單相加，而是一個層次分明且緊密聯(lián)系的整體。

系統(tǒng)論中的層次性是指在復雜問題中，影響目標實現(xiàn)的準則可能有很多，即：有些是主要準則，有些是隸屬于主要準則的次準則(指標)。要根據(jù)這些關系將準則元素分成不同層次和組，即：上一層元素由下一層元素構成，并對下一層元素起支配作用，同一層元素形成若干組，同組元素性質相近，一般隸屬于同一個上一層元素(受上一層元素支配)，不同組元素性質不同，一般隸屬于不同的上一層元素[11]。

基于前述分析，本文從系統(tǒng)論中的整體性和層次性兩大原理出發(fā)，圍繞“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調發(fā)展這一目標，進行綠色評價指標體系構建。

為體現(xiàn)指標體系的科學性，引入灰色系統(tǒng)理論對指標進行重要度量化分析篩選，利用層次分析法來具體實現(xiàn)系統(tǒng)論中的層次性[12]。最終參考相關文獻[13-15]，構建出“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調發(fā)展指標體系(表1)。

表1 “煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調發(fā)展指標體系Table 1 “Coal-water-environment”coordinated development index system

1.2 指標標準化

煤炭開采中的環(huán)境影響評價是一項十分復雜的工作，需要大量定性和定量指標予以提煉方可進行綜合反映[16]。指標選取是否科學，關系到系統(tǒng)的整體性是否得到體現(xiàn)，也更影響到問題能否簡化且易于操作。指標太多，不便于操作，且會削弱關鍵指標；指標太少則會影響整體性的實現(xiàn)。

指標是指研究客觀事物的一種手段，通過抽象出來的數(shù)據(jù)或符號來用于表達事物的內在本質。如何使復雜的問題簡單化，關系到指標的科學合理性。所選取的指標應具有簡潔、概括性強、所代表信息量大、容易獲取的特點，避免元素之間的交叉與重復。此外，指標的選取還應盡可能地滿足可比性的要求，即每一條指標都應該是確定的、可以比較的，包括橫向比較和縱向比較，能夠反映礦區(qū)發(fā)展對環(huán)境影響在時間和空間尺度上變化。圍繞“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調發(fā)展這一目標，建立海量的相關指標，然后通過算子作用去度量各個指標的科學合理性，從而剔除絕對影響較小及存在矛盾的指標，保留影響較大且具代表性的科學指標[17-18]。

指標確定后，要對指標進行標準化處理，本文采用極差變換法[19-21]。同時，為了符合綜合評價法的判定標準，將指標取值范圍由原來的[0,1] 按照比例縮放轉換為100 分制，即[0,100]。在不能獲得指標的上限值和下限值時，采用疊圖法直接賦值。指標分值根據(jù)最新的法規(guī)、技術標準或科技論文成果為依據(jù)獲得，具體方法見表2。

表2 指標分值及標準化表達式Table 2 Index scores and standardized expressions

1.3 指標權重的確定

本文采用層次分析法計算指標權重[23]，其權重的量化方法采用專家打分法，使指標賦值更具有可操作性[24-25]。需要說明的是，這里仍然是以灰色系統(tǒng)理論中的關聯(lián)度強弱以及系統(tǒng)論中的層次性進行劃分，同時也參考專家反饋意見進行修改整合。

如針對同一個井田或礦區(qū)，因專家觀察視角或掌握的信息不同，對各項指標的打分也就不同。為了避免一個或多個專家打分偏差過大而掩蔽真實情況，需要對專家的打分進行一致性檢驗，如果檢驗值CR 超過許可范圍，則要對明顯偏差過大的專家打分進行剔除，最終實現(xiàn)專家打分符合一致性檢驗要求。表3 為某位專家對指標打分的判斷矩陣，并參考判斷矩陣這種檢驗方法形成的判斷矩陣，然后對所有專家打分進行一致性檢驗調整[25]，指標權重計算過程參考文獻[18]，最終得出權重結果與檢驗結果見表4。這樣既保證了指標選擇的可操作性和靈活性，也用灰色關聯(lián)度度量了指標選取的關聯(lián)性和科學性。

表3 某專家打分判斷矩陣Table 3 An expert’s scoring judgment matrix

表4 層次計算權向量及檢驗結果Table 4 Hierarchical calculation weight vector and test result table

2 實例分析

2.1 基本概況

山西寺河井田地處沁水盆地南緣，氣候為典型的內陸季風性氣候，四季分明。為低山-丘陵型地貌，風化剝蝕造成地形破碎、溝谷發(fā)育。植被類型主要由農業(yè)用地、林地和草地3 種植被類型構成。寺河井田構造形態(tài)為一傾向西北的單斜構造，構造簡單。區(qū)域內各主要充水含水層含水性受裂隙、巖溶發(fā)育程度影響，在構造裂隙或小斷裂及巖溶陷落柱發(fā)育區(qū)域可能存在局部水文地質條件較復雜化地段[26,27]，但總體而言，水文地質條件較為簡單。且本區(qū)煤炭資源豐富，累計探獲地質儲量15 億t。開采方式為綜合機械化開采，礦井生產能力為1 080 萬t/a，是晉城煤業(yè)集團首個千萬噸級礦井[27]。

2.2 指標量化

本次選定的指標經過灰色系統(tǒng)理論論證判斷，體現(xiàn)了邏輯性和科學性。同時，這些指標依據(jù)國家法規(guī)或行業(yè)技術標準轉換而成，具有很強的操作性，大多數(shù)指標可通過調研及實測方式獲取。指標值能夠體現(xiàn)國家或行業(yè)法規(guī)和技術規(guī)程，可直接查閱取值。部分指標需參考最新文獻觀點和方法技術，如植被生產力，本文以其為例進行探討，具體如下。

植被生產力的取值方法是結合遙感技術，針對不同植被類型采用與之相匹配的生產力評價模型。

林地生產力模型參照鄭元潤等[28]建立的凈第一生產力模型：

草地生產力模型參照黃敬峰等[29]創(chuàng)立的指數(shù)法y=Aexp (Bx)來模擬山地草地的生產力：

耕地則采用黃秉維[30]提出的農業(yè)生產力潛力模型：

其中：T=n/360，W=E/r。

式中：Pa為農業(yè)生產力，kg/hm2，乘以因子0.4，即為經濟產量；T為溫度有效系數(shù)；n為無霜天數(shù)，d；W為水分有效系數(shù)；E為蒸發(fā)量，mm；r為降水量，mm；S為土壤有效系數(shù)，取值參考王洪波等[31]的不同土地因數(shù)組合類型。

通過上述幾種方法，得到評價區(qū)的森林凈初級生產力，其中有林地55.81 t/(hm2·a)，灌木林地21.20 t/(hm2·a)；草地生產力為：450.5l kg/hm2；耕地生產力為：旱田5 039 kg/hm2、水澆地8 025 kg/hm2。

結合前文中植被覆蓋程度以及土地構成進行比例累加再求均值的方法，得到本區(qū)植被生產力為5 030 kg/hm2。

為驗證植被平均生產力數(shù)值的正確性，引入邁阿密模型[32]，其計算公式為：

式中：NPPt 為根據(jù)年均氣溫計算的凈第一性生產力，g/(m2·a)；t為年均氣溫，℃；NPPr 為根據(jù)年降水量計算的凈第一性生產力，g/(m2·a)；r為年均降水量，mm。

寺河井田所處區(qū)位多年平均氣溫11.7℃，多年平均降水量580.1 mm，代入公式中計算得到NPPt 為1 563.2 g/(m2·a)，NPPr 為959.028 6 g/(m2·a)。

根據(jù)Lieth 理論，某個地區(qū)最終的生產力是取溫度和降水二者計算的生產力中的最小值[33]。所以，在寺河井田區(qū)塊降水應該是影響該區(qū)凈第一性生產力的主要因素，由此得到評價區(qū)最終自然生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產力為959.028 6 g/(m2·a)，折合為9 590.77 kg/hm2。

考慮寺河井田所處的地貌形態(tài)為低山丘陵地貌，地表水對土壤侵蝕能力比較強，再加上礦山開采造成的沉陷對土地影響，單純利用整體面積獲得的自然生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產力9 590.77 kg/hm2顯得過于理想化，可能與實際不符；應將基巖裸露區(qū)域剔除，采用地塊單元累加的方式來求取寺河井田所處范圍的植被生產力，經計算應調整為5 030 kg/hm2。

2.3 評價結果

綜合前述分析，并參考臨近研究區(qū)資料，得到寺河井田煤-水-環(huán)協(xié)調發(fā)展評價指標體系各項指標(表5)。同時，為加強橫向同類井田“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調發(fā)展實際情形的可對比性，運用如上方法對沁水盆地東南部成莊井田進行了評價，評價結果見表5。

表5 寺河和成莊井田“煤-水-環(huán)”協(xié)調發(fā)展總體評價結果Table 5 Overall evaluation results of“coal-water-environment”coordinated development in Sihe and Chengzhuang Minefields

從目標層結果而言，二者評價結果基本相近，寺河井田64.48、成莊井田64.41，實現(xiàn)了同區(qū)域范圍內不同井田“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調發(fā)展程度的對比，可為礦產規(guī)劃部門提供參考。但是，二者準則層分值差異較大，寺河井田在綠色可持續(xù)開發(fā)方面整體較好，在礦井水復用率、污水復用率、噪聲達標等方面指標值表現(xiàn)相較于成莊井田(表5)較有優(yōu)勢，但在儲采比及植被覆蓋度方面，指標分值與同區(qū)域內的其他礦井相比優(yōu)勢不足。而成莊井田在資源承載能力方面雖不如寺河井田，但由于成莊井田所處區(qū)域相對平坦，耕地面積占比較大，在環(huán)境污染與防治及生態(tài)保護與恢復方面較寺河井田有優(yōu)勢。

對于寺河井田，由于井田范圍內地勢起伏大，溝壑縱橫、水土流失嚴重，加之煤炭開采造成土地資源不足。今后寺河井田在開采過程中要加強耕地保護，在開采沉陷區(qū)要提高土地復墾率，減少水土流失，增加植被覆蓋率，避免植被退化。

3 結論

a.借鑒層次分析理論與灰色系統(tǒng)理論，以煤炭安全開采為目的，兼顧水資源與生態(tài)環(huán)境的保護，在考量資源因素的同時兼顧技術發(fā)展與環(huán)境理念進步的因素，科學構建了“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調發(fā)展評價指標體系。

b.根據(jù)最新行業(yè)規(guī)程、技術標準及地方指導性規(guī)劃確定指標初步選值，再利用灰色系統(tǒng)理論用以度量各指標與目標層的關聯(lián)度，進行科學性和邏輯性判定，形成一套指標選取篩分方法，避免了以往在指標選取過程中的隨意性及與生產技術實際脫離的情況。

c.以山西沁水盆地寺河井田為對象，進行指標體系的應用與評價，得到寺河井田“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調發(fā)展評價結果為64.48；對成莊井田進行應用與評價來橫向對比，其評價結果為64.41。兩井田評價結果均與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)展實際基本吻合，證明本體系方法具有可行性，可為能源戰(zhàn)略規(guī)劃提供一定的參考。

致謝：在資料搜集過程中，得益于晉城煤業(yè)集團及寺河煤礦相關人員的幫助，工作順利開展，在此敬表謝意。