解馨馨，楊軍耀，陳軍鋒

(太原理工大學 水利科學與工程學院，山西 太原 030024)

近年來，許多學者對煤炭開采區(qū)水資源及生態(tài)環(huán)境進行了大量的研究。對于煤炭開采：錢鳴高院士等[1-2]提出了煤礦綠色開采的概念；宋子嶺等[3-4]建立了綠色開采評價指標體系與評價模型；王蕾[5]提出了安全—技術(shù)—經(jīng)濟—環(huán)境—管理系統(tǒng)；CHEN等[6]基于DPSIR模型構(gòu)建了綠色礦山建設評價指標體系。對于礦區(qū)水資源的利用情況，丁寧等[7]建立了能源生產(chǎn)水足跡評價模型；ZHANG等[8]建立了礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評價指標體系；徐志文等[9]利用遙感影像識別和監(jiān)測礦區(qū)污染水體。對于礦區(qū)生態(tài)破壞與保護：崔柳[10]針對露天煤礦土地復墾構(gòu)建其考核評價指標體系和評價方法；張耀等[11]利用遙感技術(shù)建立了植被覆蓋度反演模型；于頌等[12]對平朔煤礦土地利用情況進行了遙感監(jiān)測；曾強等[13]分析了新疆煤炭資源開采導致的生態(tài)環(huán)境問題；胡鋒等[14]研究了礦區(qū)土壤的重金屬污染；LI等[15]對中國煤炭的生產(chǎn)經(jīng)濟環(huán)境進行了評價。對于協(xié)調(diào)耦合關(guān)系：李崇茂[16]研究分析了煤炭資源與水資源的協(xié)同；王慧等[17]對比分析了煤礦區(qū)煤炭和土地資源協(xié)調(diào)利用耦合關(guān)系；吳蔚[18]建立了煤炭開采與生態(tài)保護的耦合關(guān)系；王雪芹等[19]建立了煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟—資源—環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度評價指標體系；薛黎明等[20]構(gòu)建了煤炭資源可持續(xù)發(fā)展評價體系；李妍林等[21]建立了煤炭工業(yè)的耦合體系；WU等[22]構(gòu)建了山西省礦產(chǎn)資源開發(fā)與礦產(chǎn)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境評價指標體系。

露井聯(lián)采技術(shù)是煤礦露天開采與井工開采在空間上和時間上的有機整合。前人的研究多基于露天煤礦的生態(tài)保護與綠色開采，或者是針對井工礦研究礦井水資源利用，未將露天開采與井工開采的優(yōu)勢結(jié)合在一起。筆者探究露井聯(lián)采礦區(qū)的協(xié)調(diào)發(fā)展狀況，依托國家重點研發(fā)計劃項目“大型煤礦與有色礦礦井水高效利用技術(shù)集成示范”，基于露井聯(lián)采礦區(qū)煤、水、生態(tài)的相互制約，分析煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的耦合機理，構(gòu)建露井聯(lián)采礦區(qū)煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展指標體系，采用博弈論組合賦權(quán)確定指標權(quán)重，建立TOPSIS評價模型及耦合協(xié)調(diào)模型，并以平朔安太堡—安家?guī)X礦區(qū)為研究對象，分析其煤—水—生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展程度，以期實現(xiàn)礦區(qū)煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 露井聯(lián)采礦區(qū)煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展模型構(gòu)建

1.1 指標體系構(gòu)建

煤—水—生態(tài)耦合機理見圖1。

圖1 煤—水—生態(tài)耦合機理

露井聯(lián)采礦區(qū)煤炭的生產(chǎn)離不開水資源的支撐，而大量礦井水及廢水的排放不僅會造成水資源的浪費，也會造成生態(tài)環(huán)境的破壞，因此需要高效利用水資源，對污水處理后回收利用(以下簡稱“回用”)。同時，露天礦開采煤炭對土地進行剝離、挖損、排土，造成的土地資源及植被的破壞，也需要實施復墾綠化。

因此，煤炭生產(chǎn)、水資源、生態(tài)環(huán)境是3個相互制約、共同發(fā)展的有機整體，三者協(xié)調(diào)發(fā)展對于露井聯(lián)采礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。所謂的煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展，就是將煤礦生產(chǎn)、水資源的利用與保護，以及生態(tài)環(huán)境的破壞與保護視作同等重要的因素，在煤炭開采的過程中，合理利用礦井水，減少新鮮水的使用量，提高水資源的利用率，同時減輕煤炭開采過程中可能產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境破壞程度，達到三者之間的協(xié)調(diào)發(fā)展。

針對露井聯(lián)采區(qū)采煤的生產(chǎn)、消耗、經(jīng)濟方面的特點，水資源的供用耗排污染特點,以及生態(tài)環(huán)境破壞、修復工程和常態(tài)維護的特點，基于煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的耦合機理，遵循科學性、易獲性、可操作性、完備性原則，優(yōu)選了3個維度6個方面21項指標，構(gòu)建露井聯(lián)采礦區(qū)煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展指標體系，如表1所示。

表1 煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展指標體系

1)煤炭生產(chǎn)與消耗主要指露井聯(lián)采礦區(qū)煤炭的產(chǎn)能與資源的消耗，煤炭產(chǎn)量以萬噸煤為計量單位，整合露天開采與井工開采的煤炭總量，煤炭開采同時消耗電力資源和水資源，產(chǎn)量越多，資源的消耗越小，礦區(qū)產(chǎn)煤價值越大。

2)煤炭經(jīng)濟指煤炭開采對礦區(qū)本身所帶來的經(jīng)濟價值，開采成本越小，效益越好，經(jīng)濟價值越大。因此選擇資源購置成本、運行成本及經(jīng)濟效益來表征煤炭的經(jīng)濟價值狀況。

3)對于露井聯(lián)采礦區(qū)來說，露天礦與井工礦的開采、煤炭的洗選及其他活動單元都需要用到大量的水資源，而井工礦的開采會產(chǎn)生大量礦井涌水，此外還有其他排水，因此迫切需要進行污水處理后的回用。在供水量一定時，水資源開發(fā)利用量少意味著開采工藝對于水資源的節(jié)約措施實施得較好；地下水或地表水用水量占比越小，中水回用占比越小，越能實現(xiàn)資源重復利用；將產(chǎn)值與水量結(jié)合起來評估工業(yè)耗水水平，用萬元工業(yè)增加值用水量來表征。

4)當污水處理后不能完全回用時，需要將剩余水資源儲存在水庫或按照標準排放至河流，排放量、排放污染物濃度越小，水污染程度越輕。重點考慮污水中的SS、COD、BOD、氨氮四類污染物。

5)露井聯(lián)采礦區(qū)的露天開采工藝為穿孔、爆破、鏟裝、運輸及排巖，在開挖排土的過程中會造成土地資源及生態(tài)的破壞。土地挖損面積是指巖土開挖破壞的面積，土地占壓面積是指開挖剝離的土地及排土場所占面積，植被破壞面積是指露天開采過程中被破壞的植被總面積。

6)針對環(huán)境的破壞采取礦區(qū)綠化措施，在排土場進行復墾作業(yè)，選擇綠地面積、土地復墾率和植被覆蓋度(FVC)來表征生態(tài)保護程度。

1.2 評價模型建立

煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展評價模型采用TOPSIS評價法和耦合協(xié)調(diào)法進行評價。TOPSIS模型又稱為逼近理想解排序法，其基本原理在于通過對象與正、負理想解之間的距離來進行評價，其結(jié)果可以作為協(xié)調(diào)發(fā)展優(yōu)劣的表征。耦合協(xié)調(diào)度可用來分析同一區(qū)域不同要素之間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度，即相互作用的強弱程度。該評價模型計算的精度依賴于指標權(quán)重的取值，為避免單一權(quán)重的局限性，可以采用博弈論的方法，尋找主客觀權(quán)重的一致性。信息熵通過指標取值對其信息進行提取，對于系統(tǒng)內(nèi)的不確定性信息具有客觀、準確的度量，并且具有時效性，因此熵權(quán)法是一種確定客觀權(quán)重的合理方法；層次分析法是一種基于專家對于重要性評定的主觀賦權(quán)法，本文采用這兩種方法進行賦權(quán)并組合。

1.2.1 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

1)指標的標準化處理

設xij為第i個指標第j個階段的指標取值，m為指標的個數(shù)，n為階段數(shù)，構(gòu)造初始指標矩陣R:

R=(xij)mn

(1)

對初始指標矩陣R進行標準化，得到標準化矩陣U:

U=(uij)mn

(2)

2)計算指標熵值ei

(3)

3)計算指標權(quán)重ωi

(4)

4)計算標準化指標的加權(quán)后矩陣Y

Y=(yij)mn

(5)

式中yij=uij·ωi。

1.2.2 層次分析法確定主觀權(quán)重

1)構(gòu)造判斷矩陣

對于構(gòu)建的指標進行兩兩比較，用1～9標度法構(gòu)造判斷矩陣A。

2)計算權(quán)重向量Wi

(6)

3)一致性檢驗

計算A的最大特征值λmax，并通過檢驗系數(shù)CR檢驗一致性。當CR<0.1時接受，反之則不被接受。

(7)

(8)

(9)

式中:CI為一致性指標；n為矩陣的維數(shù);RI為隨機一致性指標，通過表2進行查詢。

表2 RI查詢表

1.2.3 博弈論確定融合權(quán)重

1)假設有L種方法計算得到了L種權(quán)重向量u(k)，將其進行線性組合，得到所有可能的權(quán)重集u：

(10)

式中αk為線性組合系數(shù)，且αk>0。

2)在權(quán)重集u中選擇最滿意的權(quán)重，滿足以下函數(shù)：

(11)

(12)

1.2.4 TOPSIS評價模型

1)確定正、負理想解

(13)

(14)

2)計算各指標數(shù)據(jù)到正、負理想解之間的距離

(15)

(16)

3)計算貼近度cj

(17)

貼近度表征評價指標與理想解的接近程度，貼近度越大，評價方案的水平越高。

1.2.5 耦合協(xié)調(diào)度

耦合協(xié)調(diào)度D計算公式如下：

(18)

D值越大，協(xié)調(diào)耦合程度越好。

2 應用案例

2.1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)域為平朔集團安太堡—安家?guī)X區(qū)域，該區(qū)擁有2座2 000萬t/a的露天礦和1座1 000萬t/a的井工礦及其配套洗煤廠，為典型的露井聯(lián)采礦區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

煤礦生產(chǎn)及水資源數(shù)據(jù)來源于平朔礦區(qū)對煤炭的生產(chǎn)統(tǒng)計資料及用水統(tǒng)計資料，生態(tài)數(shù)據(jù)來源于每年植被生長期的Landsat8遙感影像，遙感影像經(jīng)過輻射定標、大氣校正、幾何校正、影像裁剪等預處理，計算礦區(qū)的NDVI值及植被覆蓋度。將礦區(qū)土地利用類型確定為采挖區(qū)、剝離區(qū)、排土場、建設用地、水域、復墾區(qū)、草地和林地8類，通過監(jiān)督分類及分類后處理，獲得土地利用類型的數(shù)據(jù)。

2.3 評價指標量化

2.3.1 子系統(tǒng)及各指標權(quán)重

采用博弈論計算研究區(qū)21個指標的權(quán)重，計算結(jié)果見表3。

表3 研究區(qū)煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展指標權(quán)重

由表3可以發(fā)現(xiàn)，熵權(quán)法計算的準則層的權(quán)重不平均，水資源所占的比重大而生態(tài)環(huán)境所占的比重小，而層析分析法將煤—水—生態(tài)做同等程度的考量，因此融合權(quán)重的結(jié)果更加可信。對于指標層，經(jīng)濟效益、水資源開發(fā)利用率及綠地面積是排名前三的指標，分別對應不同的準則層，因此在煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展中占有舉足輕重的地位，圍繞這三大因素采取實際措施，將會對礦區(qū)的協(xié)調(diào)發(fā)展帶來進一步的提高。

2.3.2 各子系統(tǒng)及綜合發(fā)展水平分析

利用TOPSIS評價模型計算研究區(qū)2015—2020年煤—水—生態(tài)綜合系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的貼近度，計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)煤—水—生態(tài)綜合評價時序圖

由圖2可知，研究區(qū)煤—水—生態(tài)綜合系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的綜合評價值具有整體增加的趨勢。其中，綜合系統(tǒng)的評價值為0.36～0.65，且呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，表明研究區(qū)對煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的理念更加重視，發(fā)展水平在逐年好轉(zhuǎn)。此外，煤炭生產(chǎn)子系統(tǒng)的綜合評價值為0.30～0.66，除2016年和2020年有輕微的降低之外，其他年份均比上一年有所提升，表明煤炭開采的經(jīng)濟價值逐步好轉(zhuǎn)。水資源子系統(tǒng)的綜合評價值為0.38～0.61，時間序列上呈現(xiàn)增大—減小—增大的變化趨勢。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的綜合評價值在2015—2017年出現(xiàn)短暫的降低，之后迅速大幅上升，到2020年增大至0.96，說明研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境在近幾年迅速得到改善。

對于煤炭子系統(tǒng)，2017年之后煤炭產(chǎn)能下降并趨于平穩(wěn)，水資源消耗量和運行成本上下波動，因此，需要適當提高煤炭的開采，降低資源的消耗，發(fā)展煤炭經(jīng)濟，使之處于穩(wěn)定狀態(tài)。對于水資源子系統(tǒng)，水資源開發(fā)利用率為56%～65%，變化起伏同其綜合評價值一致，因此提高水資源開發(fā)利用率是實現(xiàn)水資源子系統(tǒng)良好發(fā)展切實可行的路徑。對于生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，在2016年土地挖損面積、綠地面積和FVC狀況最差，2017年植被破壞面積和土地復墾率狀況最差，這兩年的發(fā)展水平稍有所降低，之后各項指標均好轉(zhuǎn)，因此在露天開采破壞生態(tài)的同時要注重生態(tài)保護。近年來，該礦區(qū)的生態(tài)環(huán)保理念逐漸得到實施，礦區(qū)復墾工作有序推進，在不久的將來定會實現(xiàn)煤—水—生態(tài)高水平發(fā)展。

2.3.3 耦合協(xié)調(diào)度分析

運用耦合協(xié)調(diào)度的計算公式求得研究區(qū)2015—2020年綜合系統(tǒng)及各子系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)程度，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 研究區(qū)煤—水—生態(tài)耦合協(xié)調(diào)時序圖

由圖3可見，受到各子系統(tǒng)發(fā)展不均衡且相互制約的影響，研究區(qū)煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)耦合度為0.35～0.47，平均值為0.4，屬于勉強協(xié)調(diào)，說明3個子系統(tǒng)的貼近度在不同年份增大或減小狀態(tài)不一致，導致內(nèi)部處于無序狀態(tài)。三者之間的耦合協(xié)調(diào)度總是低于每兩個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)度，其中煤—水耦合協(xié)調(diào)度為0.42～0.53，協(xié)調(diào)等級為勉強協(xié)調(diào)，除在2018年有輕微的減小之外，耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)上升趨勢；水—生態(tài)耦合協(xié)調(diào)度為0.40～0.61，協(xié)調(diào)等級為勉強協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)度逐年增高；煤—生態(tài)耦合協(xié)調(diào)度為0.42～0.60，協(xié)調(diào)等級為勉強協(xié)調(diào)，且協(xié)調(diào)程度除2017年外逐年好轉(zhuǎn)。

安家?guī)X—安太堡露井聯(lián)采礦區(qū)近幾年煤炭產(chǎn)量相對減少，排放的廢水量也相應減小，而安家?guī)X終端污水處理站在2015年11月后頻繁出現(xiàn)問題，且調(diào)節(jié)池煤泥淤積量較大，需要頻繁清掏，水處理存在問題。此外，雖然該礦區(qū)水資源消耗量有所降低，但不能充分利用污水處理水，有大量的再生水富余，對引黃水及地下水的依賴性偏高，這種情況已在逐年好轉(zhuǎn)，但仍有一定的提升空間。目前，平朔集團公司已經(jīng)形成了生態(tài)修復示范基地，復墾區(qū)的植被覆蓋度達到了95%以上，生態(tài)修復力度有增大趨勢，2020年的礦區(qū)土地復墾率達到了66%，做到了對露天開采造成的土地植被破壞的良好修復，踐行了礦區(qū)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展理念。對于煤炭生產(chǎn)、水資源及生態(tài)環(huán)境這3個維度，無論是二元系統(tǒng)還是三元系統(tǒng)，雖然其耦合協(xié)調(diào)發(fā)展均呈現(xiàn)逐年好轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，但因三者內(nèi)部有序度較低，耦合水平有待提高。今后需要進一步推進露井聯(lián)采礦區(qū)煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的理念并不斷實施改進，提高煤炭的開發(fā)水平，改進水資源管理模式，重視生態(tài)保護，推進礦區(qū)高質(zhì)量發(fā)展。

3 結(jié)語

1)針對露井聯(lián)采礦區(qū)構(gòu)建煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的指標體系，采用主客觀結(jié)合的博弈論算法進行組合賦權(quán)，既考慮了數(shù)據(jù)本身的特點，避免了少數(shù)數(shù)據(jù)的失真帶來的客觀缺陷，也考慮到專家的經(jīng)驗，克服了單一賦權(quán)法的局限性，使評價結(jié)果更加準確。

2)利用逼近理想解法對露井聯(lián)采礦區(qū)煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展水平進行分析，采用耦合協(xié)調(diào)度對煤—水—生態(tài)內(nèi)部耦合協(xié)調(diào)程度進行分析，兩種方法對于耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的確定具有科學合理性，能夠確定礦區(qū)不同時間段的協(xié)調(diào)發(fā)展狀況。

3)以平朔安太堡—安家?guī)X露井聯(lián)采礦區(qū)作為研究區(qū)，利用構(gòu)建的露井聯(lián)采礦區(qū)煤—水—生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展模型計算該區(qū)域三者之間的協(xié)調(diào)發(fā)展狀況，計算結(jié)果與實際情況基本吻合，驗證了煤—水—生態(tài)指標體系構(gòu)建的合理性，符合露井聯(lián)采礦區(qū)的特點，有一定的推廣使用價值。