王秋波

(山西中條山集團 胡家峪礦業(yè)公司，山西 運城 043704)

胡家峪銅礦區(qū)是山西中條山地區(qū)胡—篦型銅礦[1-2]的代表性礦區(qū)，位于華北克拉通南緣晉豫活動帶[3]，自20世紀50年代開始，至今已開采60余年[4]。隨著開采年限延長和開采程度擴大，礦山地質(zhì)環(huán)境的各方面問題逐漸顯現(xiàn)出來，為了礦山的可持續(xù)發(fā)展和加強生態(tài)環(huán)境管理，有必要對胡家峪礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進行評價。影響礦山地質(zhì)環(huán)境的因素眾多，且各因素之間相互影響，關(guān)系復(fù)雜，必須選取合理的方法對其進行綜合評價。近年來，用于礦山地質(zhì)環(huán)境評價的方法主要有遙感法[5-6]、突變綜合評價法[7]、層次分析—模糊綜合評價法[8-9]等。其中遙感法具有宏觀、高精度定位、重復(fù)監(jiān)測等特點，但目前人工解譯效率及高分辨率影像應(yīng)用效率較低。突變綜合評價法計算簡單、人為干擾因素小，但存在評價分值較高的缺陷。層次分析-模糊綜合評價法因其系統(tǒng)性、邏輯性、綜合性、成本較低[10]等原因，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)環(huán)境評價，已形成一套較為成熟的評價方法。因此，本文將結(jié)合層次分析和模糊綜合評價構(gòu)建胡家峪銅礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境綜合評價體系，對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行評價，進而為礦山地質(zhì)環(huán)境的恢復(fù)治理和礦山發(fā)展的遠景規(guī)劃提供合理依據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

胡家峪銅礦區(qū)位于中條山中段，是胡-篦型銅礦代表性礦床之一，包括南和溝、桐木溝和老寶灘3個礦體[11-12]。礦區(qū)內(nèi)地層主要為古元古界中條群，為一套陸源碳酸變質(zhì)巖沉積建造[13]，由老到新可分為界牌梁組、龍峪組、余元下組、篦子溝組和余家山組[14]。礦區(qū)構(gòu)造較復(fù)雜，主要控礦構(gòu)造為上玉坡-胡家峪短軸倒轉(zhuǎn)背斜，背斜軸向NNE，兩翼分別向北東、南西彎曲，近似“S”形，背斜核部被剝蝕，兩翼分布中條群各組，礦體位于該背斜南部次級褶皺上[15]。礦區(qū)內(nèi)礦石礦物以金屬硫化物為主，包括黃銅礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦等，脈石礦物包括鐵白云石、方解石、石英、鈉長石等。

2 層次分析法

層次分析法[16-17](Analytic Hierarchy Process)簡稱AHP，由20世紀70年代美國運籌學(xué)家SAATY提出，是一種定性和定量分析相結(jié)合的方法。該方法把復(fù)雜的決策問題分解成多組成因素，按隸屬關(guān)系構(gòu)成層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較判斷同類元素的相對重要性。主要步驟包括：1)構(gòu)建層次評價模型，2)建立判斷矩陣，3)計算各層因素相對權(quán)重，4)計算屬性層因素相對目標層的綜合權(quán)重。

2.1 構(gòu)建層次評價模型

結(jié)合研究對象所處行業(yè)的相關(guān)標準和實地情況，考慮因素的差異性和綜合性，選取合理的評價因素，根據(jù)因素間的隸屬關(guān)系構(gòu)建評價模型圖，從上到下分為目標層(A)、準則層(B)、屬性層(C)，使評價模型層次化、系統(tǒng)化。

2.2 建立判斷矩陣

通過兩兩比較同類因素相對上一層有關(guān)因素的重要性，分別建立A-B、B-C兩類判斷矩陣，判斷矩陣的數(shù)值由專業(yè)人員依據(jù)實際情況給出，具體矩陣形式如下，其中pij代表相對于上一層某個因素，因素Pj較因素Pi的重要性，本次比較采用1～9數(shù)據(jù)標度，如表1所示。

表1 判斷矩陣1～9標度Table 1 The scale 1-9 of judgment matrix

2.3 計算各層因素相對權(quán)重

相對權(quán)重指準則層(B)相對目標層(A)和屬性層(C)相對準則層(B)的相對權(quán)重，采用特征根法計算。求出判斷矩陣的最大特征根λmax，并計算其對應(yīng)的特征向量，經(jīng)歸一化后得到權(quán)重向量N，N=(n1，n2，…，nn)，其中ni(i=1，2，…，n)為相應(yīng)因素的權(quán)重值。

為檢驗判斷矩陣的合理性和準確性，需對矩陣的一致性進行檢驗，用以下公式計算檢驗系數(shù)CR：

(1)

當CR<0.1時，矩陣滿足一致性要求，否則應(yīng)調(diào)整矩陣的取值，直到滿足一致性為止。其中CI為一致性指標，計算公式如下：

(2)

n為判斷矩陣對應(yīng)因素的數(shù)量，RI為隨機一致性指標，其值由表2查詢得到。當矩陣通過一致性檢驗，表明向量N可以準確合理的表示各因素的權(quán)重，可用于進行后續(xù)計算。

表2 隨機一致性指標值Table 2 The value of random consistent index

2.4 計算各因素綜合權(quán)重

綜合權(quán)重指屬性層(C)因素相對目標層(A)因素的綜合權(quán)重，可用式(3)計算：

M=Wx

(3)

W=(w1，w2，…，wn)

M=(m1，m2，…，mn)

W為屬性層(C)某類因素的相對權(quán)重向量，該類因素隸屬于準則層(B)某個因素X，因素X相對目標層(A)的權(quán)重值為x，M為該類因素相對目標層(A)的綜合權(quán)重向量，mi(i=1，2，…，n)為該類因素對目標層因素(A)的權(quán)重值。

3 模糊綜合評價

模糊綜合評價[18-19]以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，對受到多因素影響的事物進行總體評價，該方法根據(jù)隸屬度把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強，適合解決多種模糊性問題。

3.1 建立因素集及評價集

因素集U是評價模型的屬性層(C)各因素組成的集合，評價集V是評價對象可能出現(xiàn)的所有評價結(jié)果組成的集合，本文設(shè)定6個評價等級組成評價集，對礦山地質(zhì)環(huán)境進行評價(表3)。

表3 礦山地質(zhì)環(huán)境評價集Table 3 Mine geological environment evaluation set

3.2 確定隸屬度

組織專業(yè)人員根據(jù)表3中的評價等級對屬性層(C)因素進行打分，隸屬度函數(shù)表示某因素評價得分對于礦山地質(zhì)環(huán)境評價集的隸屬程度，本次采用三角形分布函數(shù)作為隸屬度函數(shù)(圖1)。

圖1 隸屬度函數(shù)Fig.1 The membership function

隸屬度函數(shù)計算公式如下，U(x)為隸屬度函數(shù)，x為評價因素得分：

3.3 模糊綜合評價

根據(jù)以上結(jié)果進行模糊綜合評價，步驟如下：

1)構(gòu)建屬性層(C)評價矩陣：根據(jù)隸屬度函數(shù)和專業(yè)人員打分得出因素集即屬性層(C)評價矩陣R，rij表示因素集中的第i個元素對應(yīng)評價集中第j個元素的隸屬度，n為評價因素個數(shù)。

2)計算準則層(B)評價向量：Bi=WiRi，Wi為屬性層因素相對權(quán)重向量，Ri為屬性層評價矩陣(i=1，2，…，n)。

3)構(gòu)建準則層評價矩陣：B=[B1，B2，…，Bn]T

4)計算目標層(A)評價向量：A=YB，Y為準則層因素權(quán)重向量。

5)計算綜合評價得分：F=AST，S=(90，80，70，60，50，40)。

6)將綜合評價得分與評價集對比得出地質(zhì)環(huán)境評價等級。

4 地質(zhì)環(huán)境評價過程

4.1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價模型

根據(jù)DD2014-05礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價規(guī)范，結(jié)合胡家峪礦區(qū)實地情況，本次評價選取礦山基本情況、礦山地質(zhì)條件、地質(zhì)災(zāi)害、三廢排放、環(huán)境恢復(fù)治理5項作為準則層(B)因素，選取礦山性質(zhì)、生產(chǎn)規(guī)模、開采方式、人口居住密度、開采礦種、地質(zhì)構(gòu)造、巖性組合、地形地貌、水土流失、地面塌陷、泥石流、崩塌類問題、礦井突水、廢水排放、固廢排放、粉塵排放、植被恢復(fù)、廢石綜合利用、廢石場尾礦庫塌陷區(qū)監(jiān)測、揚塵治理、邊坡治理等21項作為屬性層(C)因素，以此構(gòu)建胡家峪銅礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價模型(圖2)。

圖2 胡家峪銅礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價模型Fig.2 Geological environment evaluation model of Hujiayu copper mining area

4.2 構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)地質(zhì)環(huán)境評價模型，構(gòu)建準則層(B)各因素相對目標層(A)的判斷矩陣，矩陣從左至右，從上至下對應(yīng)因素B1至B5，通過各因素兩兩比較，得到以下矩陣：

同理，構(gòu)建屬性層(C)各因素相對準則層(B)對應(yīng)因素的判斷矩陣為：

4.3 計算相對權(quán)重與綜合權(quán)重

根據(jù)前述計算方法，得出以上6個判斷矩陣的最大特征根λmax及權(quán)重向量N，且矩陣檢驗系數(shù)均小于0.1，均通過一致性檢驗，進而得到所有因素的相對權(quán)重值及綜合權(quán)重值(見表4)。

根據(jù)表4可以看出，影響胡家峪礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的準則層(B)因素中，三廢排放因素權(quán)重最高，其次為地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境恢復(fù)治理兩個因素，礦山地質(zhì)條件和基本情況權(quán)重最小。屬性層(C)綜合權(quán)重中，固廢排放所占權(quán)重最高，達到27.47%，地面坍陷和粉塵排放權(quán)重較大，達到10%以上，水土流失、廢石綜合利用、揚塵治理權(quán)重較小，在5%～10%，其余因素權(quán)重很小，均在5%以下，部分因素權(quán)重未到1%。根據(jù)以上分析，三廢排放類因素對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境造成的影響最大，尤其是固廢和粉塵排放問題；地質(zhì)災(zāi)害類因素影響較大，其中地面塌陷和水土流失影響突出；環(huán)境恢復(fù)治理類因素影響也較高，與前兩類因素不同的是，該類因素對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生正面影響，可以抵消前兩類因素對環(huán)境造成的部分影響，其中廢石綜合利用和揚塵治理影響突出；礦山基本情況和地質(zhì)條件對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響最小。

表4 胡家峪銅礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境各因素權(quán)重Table 4 The weight of each factor of geological environment in Hujiayu copper mining area

4.4 地質(zhì)環(huán)境綜合評價

經(jīng)以上層次分析，得到礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價模型中各層因素的權(quán)重，據(jù)此對地質(zhì)環(huán)境進行綜合評價。本次評價邀請地質(zhì)專家和礦山地質(zhì)人員，根據(jù)評價集V中的等級劃分，對因素集U中各元素打分，分數(shù)越高表示對礦山地質(zhì)環(huán)境影響越小或越有利于環(huán)境恢復(fù)，然后根據(jù)隸屬度函數(shù)計算因素評價得分和對于評價集中各等級的隸屬度(見表5)。

表5 胡家峪銅礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境各因素評價得分Table 5 Scores of various factors of geological environment in Hujiayu copper mining area

根據(jù)表5可知，僅地形地貌及固廢排放評價得分在70分以下，表明對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響最嚴重；生產(chǎn)規(guī)模、地質(zhì)構(gòu)造、巖性組合、水土流失、地面坍塌、粉塵排放、廢石綜合利用得分在70～80，表明對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重，其余因素得分均在80分以上，表明對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響較輕或有利于地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)。具體分析如下：

胡家峪礦區(qū)位于山區(qū)，地形起伏很大，坡度陡峻，故地形地貌比較復(fù)雜，礦山生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量采礦廢石和選礦尾礦等固體廢物，廢石除部分綜合利用外，其余部分儲存于廢石場內(nèi)，選礦尾礦均堆存于尾礦庫內(nèi)，這些固體廢物會使覆蓋范圍及周邊的土壤、植被等生態(tài)系統(tǒng)遭受損毀，改變原有地形和地理景觀，坡度過陡時，可能引發(fā)安全事故，故二者得分最低，對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響最嚴重；胡家峪生產(chǎn)規(guī)模屬于中型礦山，礦區(qū)內(nèi)斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，巖石類型組合復(fù)雜，主要巖石有十六種，礦區(qū)水土流失嚴重，一半以上土壤侵蝕屬于極強烈侵蝕，目前大部分邊坡已通過修建漿砌石擋墻、綠化等措施進行防護處理，礦區(qū)有一處地面塌陷坑，塌陷坑上方土壤侵蝕強烈，無植被覆蓋，礦區(qū)廢石綜合利用進度較慢，廢石場揚塵對大氣造成污染，目前通過定時灑水降塵、覆蓋黃土、恢復(fù)植被等措施進行處理，故這些因素得分較低，對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重。

根據(jù)3.3及表5求得準則層評價矩陣B如下：

由Y=(0.042，0.071，0.280 1，0.431 2，0.175 6)得到目標層評價向量A=(0.126 2，0.359 5，0.456 0，0.058 2，0，0)，進而綜合評價得分F=AST=75.53。根據(jù)評價等級劃分標準，可知胡家峪銅礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價等級總體屬于良好級別。

有關(guān)部門之前通過現(xiàn)場踏勘、實地訪談等方法對胡家峪礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀進行了評估，得出礦山根據(jù)環(huán)保要求采取了針對生態(tài)、大氣、水環(huán)境污染的防治措施，地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理取得了一定效果，但仍然存在問題，主要包括塌陷區(qū)巖石裸露、廢石場及尾礦庫壓占土地、廢石場內(nèi)及道路兩側(cè)揚塵嚴重等，總體認為礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境良好，但環(huán)境恢復(fù)治理任務(wù)仍然艱巨。模糊評價結(jié)果與有關(guān)部門評估結(jié)果總體一致，符合實際情況，所以層次分析—模糊綜合評價法在胡家峪礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價方面有較好的適用性。

5 結(jié)論

1)依據(jù)礦區(qū)實際情況選取特定因素，成功構(gòu)建胡家峪銅礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價模型，得出各因素相對權(quán)重與綜合權(quán)重，結(jié)果顯示三廢排放類因素對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響最大，尤其是固廢和粉塵排放問題；地質(zhì)災(zāi)害類因素影響較大，其中地面塌陷和水土流失影響突出；環(huán)境恢復(fù)治理類因素有利于地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)，影響也較大，其中廢石綜合利用和揚塵治理影響突出，其余因素對礦山地質(zhì)環(huán)境影響較小。

2)通過模糊綜合評價對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行定量分析，得出胡家峪銅礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價等級屬于良好級別，與礦山之前地質(zhì)環(huán)境評估結(jié)果整體一致，表明該評價方法在胡家峪礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價方面應(yīng)用結(jié)果比較理想。

3)根據(jù)評價結(jié)果，固廢排放、水土流失、地面坍塌、粉塵排放等因素對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響嚴重，在接下來的環(huán)境恢復(fù)治理中應(yīng)重點對這些因素進行治理，進一步改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)礦山的可持續(xù)發(fā)展。