苑海英

山東兗礦技師學院,山東 鄒城 273500

0 引言

伴隨全球礦業(yè)活動的擴張,出現(xiàn)了大量廢棄礦山。這些廢棄礦山不僅存在污染環(huán)境、破壞生態(tài)系統(tǒng)等風險,還使有限的自然資源變得更加稀缺。因此,尋找創(chuàng)新方法回收廢棄礦山資源、減輕環(huán)境影響、促進經(jīng)濟增長、確保社會可持續(xù)發(fā)展,成為多學科研究的核心目標。研究涵蓋了地質(zhì)學、環(huán)境科學、工程技術(shù)、經(jīng)濟學和政策制定等多個領(lǐng)域,推動技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展,旨在解決資源和環(huán)境挑戰(zhàn),促進可持續(xù)發(fā)展。

1 廢棄礦山資源概述

1.1 廢棄礦山的特點

1.1.1 地質(zhì)多樣性

廢棄礦山的地質(zhì)多樣性,是由地質(zhì)條件和礦產(chǎn)資源的類型所決定的。不同礦山遺址可能位于不同的地質(zhì)地區(qū),擁有獨特的巖石和土壤特征[1]。這種多樣性還涉及礦產(chǎn)資源的種類,有的可能是金屬礦產(chǎn),如黃金、銅,有的可能是非金屬礦產(chǎn),如煤炭、石灰石或鹽。地質(zhì)多樣性對資源的豐富程度、提取難度和開發(fā)潛力都存在影響。

1.1.2 環(huán)境多樣性

廢棄礦山的環(huán)境多樣性,表現(xiàn)在不同的自然生態(tài)系統(tǒng)方面。一些廢棄礦山可能坐落在生態(tài)系統(tǒng)脆弱的地區(qū),例如雨林或濕地,一些可能位于干旱或極寒地帶。應(yīng)根據(jù)不同的環(huán)境條件選擇相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)措施和環(huán)境恢復(fù)方法。

1.1.3 經(jīng)濟多樣性

廢棄礦山的經(jīng)濟多樣性,表現(xiàn)在不同遺址的開發(fā)潛力和市場條件方面。一些廢棄礦山可能蘊含著高價值資源,可以迅速贏利,而有的可能需要更多的開發(fā)和投資,才能有經(jīng)濟回報。市場因素、資源需求和價格波動都對經(jīng)濟多樣性產(chǎn)生影響,在進行資源回收和開發(fā)時具有關(guān)鍵性作用。

1.1.4 社會多樣性

廢棄礦山的社會多樣性涉及不同社區(qū)和文化背景。廢棄礦山可能位于城市周邊或偏遠地區(qū),影響當?shù)厣鐓^(qū)的規(guī)模、需求以及發(fā)展水平。不同地點的社會文化差異需要在資源回收和開發(fā)計劃中得到充分考慮,確保周邊社區(qū)充分參與,使經(jīng)濟效益最大化。

1.1.5 技術(shù)多樣性

廢棄礦山的技術(shù)多樣性是由不同的采礦和資源處理技術(shù)決定的。具體礦山的資源特性和地質(zhì)條件可能要求采用特定的工程和技術(shù)方法,包括采礦技術(shù)、礦石破碎、提取和精煉技術(shù)[2]。因此,開發(fā)模式必須根據(jù)礦山的特定技術(shù)需求進行定制,以確保資源的有效回收和開發(fā)。廢棄礦山類型如表1所示。

表1 廢棄礦山類型

1.2 廢棄礦山潛在資源

廢棄礦山潛在資源代表了尚未開發(fā)或完全利用的寶貴財富,這些資源隱藏在廢棄礦山中,包括未采出的礦石、有用的非金屬礦物和材料、水資源,以及用于生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的資源。未開采的礦石蘊含豐富的金屬資源,如金、銅、鐵、鋅等,可能由于技術(shù)、市場或環(huán)境因素而被遺留下來;廢棄礦山中包含有用的非金屬礦物和材料,如石灰石、石膏、硅砂等,可廣泛用于建筑、制造、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域,這些資源的回收不僅有助于減少礦業(yè)對環(huán)境的負面影響,還可以降低成本,減少資源浪費;廢棄礦山還蘊含重要的水資源,包括礦山降水和污水處理系統(tǒng)所提供的清潔水資源,這對于滿足當?shù)厣鐓^(qū)和農(nóng)業(yè)需求具有重要意義,尤其在面臨水資源短缺問題的地區(qū)。

2 廢棄礦山二次開發(fā)模式

廢棄礦山的二次開發(fā)模式多種多樣,涵蓋了生態(tài)及地質(zhì)修復(fù)、能源及礦業(yè)資源開發(fā)、地下空間資源利用、地產(chǎn)開發(fā)和特色產(chǎn)業(yè)等方面[3]。這些模式不僅有助于充分利用廢棄礦山潛在資源,還能夠推動當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展,提高環(huán)境質(zhì)量(如圖1所示)。

圖1 廢棄礦山二次開發(fā)模式

2.1 生態(tài)及地質(zhì)修復(fù)

廢棄礦山的生態(tài)及地質(zhì)修復(fù)是重中之重。通過植被的恢復(fù)、土壤修復(fù)、水體治理等措施,可以使廢棄礦山地區(qū)重新變得肥沃,促使當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的再次建立。這些修復(fù)措施不僅可改善環(huán)境質(zhì)量,還提供了健康的生態(tài)環(huán)境,為野生動植物提供棲息地。

2.2 能源及礦業(yè)資源開發(fā)

廢棄礦山中可能殘存有煤炭、天然氣等能源資源,以及金屬、非金屬等礦產(chǎn)資源。采用現(xiàn)代化、環(huán)保的采礦技術(shù),可以有效地獲取這些資源,為當?shù)靥峁┠茉粗С?同時促進礦業(yè)的再次繁榮。這不僅可為社會提供穩(wěn)定的能源供應(yīng),也可為當?shù)貏?chuàng)造就業(yè)機會。

2.3 地下空間資源利用

廢棄礦山的地下空間可以用于儲存、庇護、科研等多種用途。例如地下空間可以改造成地下倉庫,用于儲存文件、物資等;也可用于建設(shè)地下停車場,緩解城市交通壓力;還可用于建設(shè)地下實驗室、圖書館等,為科研和文化教育提供場所。

2.4 地產(chǎn)開發(fā)

廢棄礦山區(qū)域可進行地產(chǎn)開發(fā),建設(shè)住宅、商業(yè)區(qū)、休閑度假村等項目。對其進行合理規(guī)劃和設(shè)計,既能滿足居住和商業(yè)需求,又能夠保持區(qū)域的自然特色。這樣的開發(fā)既可提高地區(qū)的居住舒適度,也可促進當?shù)芈糜螛I(yè)繁榮。

2.5 特色產(chǎn)業(yè)

廢棄礦山地區(qū)還可以發(fā)展特色產(chǎn)業(yè),如農(nóng)業(yè)觀光、生態(tài)旅游、文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)等。利用廢棄礦山周邊的自然環(huán)境和人文資源,打造獨特的旅游景區(qū),吸引游客,增加地區(qū)收入[4]。同時,文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可促使當?shù)匚幕膫鞒泻蛣?chuàng)新,為廢棄礦山區(qū)域注入新的活力。

3 廢棄礦山二次開發(fā)的約束規(guī)劃模型構(gòu)建

廢棄礦山的二次開發(fā)模式多種多樣,例如生態(tài)修復(fù)、工業(yè)轉(zhuǎn)型、旅游業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)利用、資源再循環(huán)和再利用等。無論采用何種模式,都需要考慮多方面的因素,包括地方政府政策、社區(qū)參與、環(huán)境可持續(xù)性和經(jīng)濟可行性。這種多因素綜合考量的挑戰(zhàn)常常需要采用數(shù)學建模和分析方法來解決,其中較為常用的就是約束規(guī)劃模型。約束規(guī)劃模型作為一種數(shù)學方法,旨在優(yōu)化資源的分配,以滿足一系列約束條件和優(yōu)化目標。在廢棄礦山二次開發(fā)的背景下,這些模型可以用來幫助決策者在各種可行的開發(fā)模式中進行選擇,以產(chǎn)生最佳的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。一方面,約束規(guī)劃模型可以幫助確定在廢棄礦山地區(qū)可行的開發(fā)模式。模型應(yīng)考慮各種因素,如土地的可用性、資源的類型和數(shù)量、市場需求、技術(shù)可行性、環(huán)境影響等。通過建立數(shù)學模型,決策者可以比較不同開發(fā)模式的優(yōu)劣,從而選擇最適合該地區(qū)的模式。另一方面,約束規(guī)劃模型可以幫助優(yōu)化資源的分配。在廢棄礦山地區(qū),資源通常較為有限的,而需求則十分多樣。通過建立模型,可以確定如何最有效地分配資源,以滿足社會和經(jīng)濟需求,最小化環(huán)境影響。這種資源分配的最佳化有助于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,并使資源的價值最大化。

3.1 構(gòu)建評價指標體系

在構(gòu)建約束規(guī)劃模型時,建立一個健全的評價指標體系十分重要。研究人員先要明確約束規(guī)劃的目標和問題定義,確定需要評價的指標,明確決策變量和約束條件,以理解它們對指標的影響。指標分類有助于組織和理解指標的內(nèi)涵與作用,而權(quán)重的分配則反映了指標的相對重要性。指標可以細化為子指標,以更細致地捕捉問題的各個方面。數(shù)據(jù)的獲取和處理是不可或缺的一步,確保有可靠的數(shù)據(jù)支持評價指標。這些數(shù)據(jù)需要進行清洗、歸一化和標準化,以確保它們可比。接下來,建立數(shù)學模型,將評價指標與決策變量和約束條件相結(jié)合,形成一個完整的約束規(guī)劃模型。靈敏性分析幫助研究人員了解不同指標權(quán)重的變化對最終方案的影響,從而評估模型的穩(wěn)定性和魯棒性。由于廢棄礦山資源二次開發(fā)模型含有2個以上的目標函數(shù)以及若干約束條件,故研究人員使用多目標規(guī)劃模型,通過該模型計算得出最佳解決方案。其主要描述形式如下。

(1)

(2)

式中:Z=F(x)代表該模型中包含的k維函數(shù)變量,φ(x)代表m維向量函數(shù),g代表m維常數(shù)向量。

此外,驗證和校正模型也是不可或缺的步驟,通過歷史數(shù)據(jù)或?qū)嵉卣{(diào)查等方法來確保模型的準確性。同時,吸納利益相關(guān)者的參與至關(guān)重要,以確保評價指標體系符合各方的期望和需求。

3.2 確定指標約束層次

層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是一種常用的技術(shù),層次結(jié)構(gòu)通常包括目標層、準則層和指標層。目標層代表最終的決策目標,準則層包括影響目標實現(xiàn)的高級準則,而指標層包含具體的評價指標,這樣的層次結(jié)構(gòu)使得問題分析與評價更加清晰明了。通過專家調(diào)查建立判斷矩陣來比較不同層次元素間的相對重要性。這些判斷矩陣反映了決策者對于各個準則和指標間關(guān)系的主觀看法,為后續(xù)計算權(quán)重奠定基礎(chǔ)。AHP的計算方法通過對判斷矩陣進行特征值分解,得到每個準則和指標的權(quán)重,這些權(quán)重代表了它們在整個體系中的相對重要性。

在AHP中,一致性檢驗是必不可少的。如果判斷矩陣不一致,需要對專家意見進行修正或重新評估以確保一致性。研究人員需要對權(quán)重進行逐層聚合,將權(quán)重從底層逐步聚合至頂層,得到最終目標的權(quán)重。此過程能夠為整個決策體系提供權(quán)重支持。進行靈敏性分析,可以幫助評估權(quán)重變化對最終決策的影響[5]。通過調(diào)整判斷矩陣中的權(quán)重,模擬各指標權(quán)重的變動情況,進而分析模型的穩(wěn)定性和可靠性(見表2)。

表2 層次結(jié)構(gòu)權(quán)重表

表2中,目標層代表最終的決策目標,即“最終決策目標”,其相對權(quán)重為1.000,表示它在整個體系中的最高重要性。準則層包括高級準則1、高級準則2和高級準則3,這些準則對目標的實現(xiàn)具有不同程度的重要性,其相對權(quán)重分別為0.400、0.300和0.300。

最后,進入模型驗證階段對模型的準確性和可行性進行檢驗,確保模型可以為規(guī)劃和決策提供科學依據(jù)。通過以上這些技術(shù)手段,確立合理的指標約束層次結(jié)構(gòu)和計算相對權(quán)重,使得約束規(guī)劃模型在實際應(yīng)用中能夠更加科學、準確地指導(dǎo)規(guī)劃和決策。

3.3 確定限定區(qū)間

在線性規(guī)劃中,限制條件通常表示為線性不等式,而在非線性規(guī)劃中,則以非線性不等式的形式呈現(xiàn)。整數(shù)規(guī)劃引入整數(shù)約束,需要使用二進制變量和相應(yīng)的約束條件。二次規(guī)劃包括二次約束,而在非凸規(guī)劃中,限定區(qū)間非常復(fù)雜,通常需要全局優(yōu)化方法。模糊規(guī)劃考慮了模糊約束,而混合整數(shù)規(guī)劃則將整數(shù)和連續(xù)約束結(jié)合。二級規(guī)劃需要適當指定主問題和次級規(guī)劃問題之間的限定區(qū)間,其標準形式如下。

(3)

式中:H代表對稱矩陣,A代表m×n維矩陣,c代表n維度列向量,b代表m維度列向量。若H目標函數(shù)為凸函數(shù),且該模型的線性約束可行域為凸集,該規(guī)劃模型為“凸二次規(guī)劃”模型,該模型的局部最優(yōu)解即全局最優(yōu)解。

在隨機規(guī)劃中,概率約束用于描述約束的滿足是基于概率的。一旦確定了限定區(qū)間,靈敏性分析是必要的,以了解限制條件變化對解的影響。綜合而言,確定限定區(qū)間需要適當?shù)臄?shù)學建模和優(yōu)化技術(shù),以確保問題得到準確和可行的解決方案。

3.4 指標復(fù)合

在約束規(guī)劃模型中,指標復(fù)合是關(guān)鍵技術(shù),用于綜合考慮多個不同指標或目標函數(shù),特別適用于多目標決策問題。這個過程涉及權(quán)重分配,其中每個指標被賦予權(quán)重,以反映其綜合評價中的相對重要性。權(quán)重的確定可以通過專家意見、分析、模糊邏輯等方法來完成。

指標復(fù)合的具體方式包括。①線性組合,其中各指標的值通過加權(quán)總和來計算綜合指標。②加法模型,將指標值相加,適用于不可替代的多目標問題。③乘法模型,將指標值相乘,適用于相互協(xié)同的目標。④TOPSIS方法,考慮正向和負向影響,用歐幾里得距離來排名解決方案。

此外,多目標規(guī)劃使用不同的優(yōu)化技術(shù)來優(yōu)化多個目標函數(shù),在模糊規(guī)劃中,模糊邏輯和模糊權(quán)重被用于指標復(fù)合,以處理不確定性和模糊性。多層次決策允許構(gòu)建決策的層次結(jié)構(gòu),其中綜合指標在各層次間傳遞,以支持復(fù)雜問題的決策。一旦確定了綜合指標,利用靈敏性分析,評估各指標權(quán)重的變化對最終決策的影響。指標復(fù)合是一個關(guān)鍵的決策支持工具,能夠綜合考慮多個因素,以支持在復(fù)雜環(huán)境下做出明智的決策,尤其在多目標規(guī)劃和模糊決策領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。不同的指標復(fù)合方法和權(quán)重分配策略應(yīng)根據(jù)具體問題的性質(zhì)和需求進行選擇。

4 結(jié)束語

廢棄礦山是一個潛在的資源寶庫,有效的開發(fā)與治理可以將這些廢棄礦山轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,為社會經(jīng)濟和環(huán)境發(fā)展作出貢獻。研究人員嘗試建立廢棄礦山二次開發(fā)模型,根據(jù)礦山類型以及資源分布情況,在對資源進行有效開采的同時,對礦山進行改造,提高其經(jīng)濟價值與社會價值。在未來,廢棄礦山資源與開發(fā)模式的研究將繼續(xù)發(fā)展。通過合作和共享知識,可以更好地實現(xiàn)廢棄礦山資源的可持續(xù)開發(fā),實現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展。