张金朝, 石长柏, 张 波, 肖志勇, 梁鹏程

((湖北省地质局 第五地质大队,湖北 黄石 435004)

层次分析法在鄂州金属矿集区矿山地质环境影响分区评价中的应用

张金朝, 石长柏, 张 波, 肖志勇, 梁鹏程

((湖北省地质局 第五地质大队,湖北 黄石 435004)

在鄂州市金属矿集区矿山地质环境调查的基础上,选用层次分析法对其进行矿山地质环境影响分区评价,通过建立评价函数,选取地质条件,矿山地质灾害,占用及破坏土地资源,废水、废渣污染及地下水系统的影响等5个准则层及18个评价因子,通过权重向量的赋值等手段,利用ArcGIS、MapGIS等软件进行分区评价,并结合各矿山实际情况进行验证,对今后在开展类似的矿山地质环境影响评价应用中具有重要意义。

层次分析法;评价函数;分区评价

层次分析法是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统,将目标分解为多个目标或准则,进而分解为多指标(或准则、约束)的若干层次,通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序(权数)和总排序,以作为目标(多指标)、多方案优化决策的系统方法,比较适合于具有分层交错评价指标的目标系统,而且目标值又难于定量描述的决策问题。具有把定性评价转化为定量评价,能够较好地解决模糊性问题以及难量化的非确定性问题的特点。

鄂州市金属矿集区内矿产资源开发历史悠久,受多年来的采矿活动影响,矿区及周边地质环境破坏严重,特别是对土地和地下水资源破坏尤甚,因采矿活动诱发的地质灾害就有49处,占全市地质灾害总点数的一半以上,严重威胁人民群众的生命财产安全。采用层次分析法对矿集区内[1]矿山地质环境影响进行分区评价,为今后在此区域内针对性地开展矿山地质环境治理与监测提供依据,并对鄂州市合理开发矿产资源、促进矿产资源开发与环境保护协调发展具有一定指导意义。

1 矿山地质环境问题

通过野外实地调查、资料搜集以及室内资料的整理分析,矿集区内产生的矿山地质环境问题有地质灾害、占用及破坏土地资源、地下水系统的影响以及矿山废水废渣对环境的污染四大类。

1.1 地质灾害

矿集区内地质灾害主要有地面塌陷、地面沉降、不稳定斜坡以及滑坡,对矿山工作人员构成威胁。其中地面塌陷17处,地面沉降12处,不稳定斜坡19处(潜在崩塌16处,潜在滑坡2处,潜在泥石流1处)、滑坡1处,共计49处。灾害体总面积达77.4 hm2,造成直接经济损失18 451万元,灾害影响面积191.59 hm2,威胁人口2 373人,威胁财产17 970万元。

1.2 占用及破坏土地资源

矿集区内该地质环境问题较为普遍,基本上每个矿山都或多或少存在占用破坏土地的情况。据统计,全区共计占用破坏土地资源累计350.152 5 hm2。按破坏类型来计,以破坏林地最为严重,累计破坏林地130.10 hm2、耕地119.46 hm2、草地61.04 hm2、荒坡地4.28 hm2、其他地33.26 hm2。

1.3 地下水系统的影响及破坏

矿集区内地下水系统的影响与破坏具体表现为地下水位下降及矿区水均衡破坏。区内累计影响范围多达38.92 km2,地下水位最大下降幅度达200 m,地下水降落漏斗面积达到27 km2,造成大量水井、泉干涸,数万人饮水困难。

1.4 矿山废水、废渣污染

矿集区内矿业开发产生的废水包括矿坑水、选矿废水、生活废水等,废渣包括废石、尾矿等。根据本次调查统计,矿集区内矿山废水年产出量4 405.3万m3,年排放量4 205.3万m3,其中矿坑水年产出量3 841.9万m3,年排放量3 641.9万m3,选矿废水年产出408万m3,年排放量408万m3,生活废水年产出量155.355万m3,年排放量155.28万m3,其综合利用率为4.54%,年循环利用量为200.1万m3。

区内目前积存固体废弃物(废石(渣)、尾矿)2 876.68万t,其中废石(渣)堆20个,尾矿库26个,各矿山年产固体废弃物268万t。年综合利用量67.7万t,年综合利用率达25.3%。

2 分区评价

2.1 评价方法与步骤

2.1.1 评价方法

矿山地质环境评价体系中各属性因子之间为不可公度值,即无法对数据本身进行对比统计,而层次分析法是解决这类问题的最有前景的方法,其通过系统分析,把复杂的问题分解成有序的递阶层次结构,对各层的相关因子进行两两比较,判断各属性因子的相对重要性而给予赋值,从而完成从定性分析到定量分析的过渡,适用于很难完全用定量的数学模型解决的复杂系统的评价问题。

2.1.2 评价过程

层次分析法的基本步骤为:

(1) 建立递阶层次结构模型。一般分为三层,最上面为目标层,最下面为属性层,中间为准则层。本次评价递阶层次结构模型见表1。

(2) 构造判断矩阵。对同一层次的各因子对上一层次各准则的相对重要性进行两两比较,通过专家咨询反馈确定标度值。本次标度值参考《广东省矿山地质环境质量综合分区评价研究》[2]中给出的专家值,在yaahp软件中构造判断矩阵,将矩阵正交化、归一化。

(4) 组合权向量。组合权向量是第k层对第k-1层权向量为列向量所组成的矩阵,求得最下层对最上层的组合权重。

具体评价过程中,根据本次调查的鄂州市金属矿集区内矿山地质环境现状,首先建立评价结构模型,选取合理的评价要素指标和评价因子,并邀请专家[3],对各目标层及因子进行重要性对比、打分,汇总进行一致性检验,最终确定矿山地质环境影响的评价体系、要素和权重。并根据权重建立矿山地质环境质量评价综合指数的数学模型[4],最终得出综合分值图进行分区。

(1)

式中:A为矿山地质环境综合评价指数;wi为组合权向量;ci为标准化处理后的属性因子。

2.2 评价因子的选取

矿集区内影响地质环境质量的矿山地质环境问题有地质灾害、占用及破坏土地资源、地下水系统的影响以及废水、废渣对环境的污染四种。根据调查结果,最终确定5个准则、18个评价因子,具体见表1。

2.3 评价因子权重确定

2.3.1 权重向量的赋值

权重向量的赋值是建立评价函数数学模型的核心问题。本次评价方法为主观赋权法,其源信息来自专家咨询,利用专家群的知识和经验[5],把复杂的问题分解成有序的递阶层次结构,对各层的相关因子进行两两比较,判断各属性因子的相对重要性而给予赋值。

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2.3.2 定性指标的赋值

由于指标体系中各属性因子的量纲和衡量尺度差异较大,相互间定量可比性较差。因此,对于缺乏定量数据的因子,采用定性描述赋予分值后进行相对比较。分值体现的是指标的相对程度。现设定每个定性要素满分评分为10分,分数越高,对矿山地质环境影响越大。各等级分值,以在区间内均匀分布为原则,进行赋值。

2.3.3 归一化处理

为便于各属性因子之间具有可比性,应对评分值的量化数值进行归一化及标准化处理,同时满足保序性条件。对量化数值的归一化处理采用的公式为:

y=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

对各数据的评分采用线性归一化公式,使各因素之间有可比性。并根据专家打分结果,得到评价时各因子组合权重(见表1)。

2.4 综合评价

根据综合指数的数学模型公式(2),将不同的属性因子归结为一个定量值。分别根据定性及定量数据的评分方法对各因素进行评分,根据各要素特点,结合调查区域的实际情况,确定值域。利用ArcGIS强大的

表1 评价因子一览表

空间分析功能[6],针对其中9个评价因子按照各自的缓冲半径进行缓冲区分析(表2),将结果图层按照评价函数进行叠加分析,最终生成综合评分分值分布图。根据A值大小,结合各矿山实际情况进行矿山地质环境影响综合分区。

2.4.1 赋值范围(缓冲区)的确定

按地质环境破坏程度及影响范围大小并遵循均匀布点、控制全区的原则,为各图层设置缓冲范围,其中压占与破坏土地面积、废渣累积积存量、废水年排放量、废渣年排放量等矿山数据以矿山主井或主要露采位置为中心,以矿权面积为依据,缓冲(r+1)km,其中r为等效半径。其他各图层,缓冲范围按照地质环境破坏形式、规模等分别生成矢量缓冲区,缓冲区情况如表2。

2.4.2 最终分值的确定

第一步,将筛选后的各矿山按表1的各属性因子进行赋值[7]。

表2 缓冲区范围一览表

第二步,针对赋值结果,按公式(2)对各属性因子数值进行归一化处理。

第三步,在ArcGIS软件中录入各图层各属性因子的评分值,对各属性进行聚合生成综合评分。

第四步,根据综合评价值统计分布规律,采用自然间断分级法,将调查区地质环境影响程度分为三个等级,间断点分别为0、3.02、6.09。区域综合评价值频数分布见图1。

图1 区域综合评价值频数分布图Fig.1 Distribution map of frequency of comprehensive evaluation value at the area

3 评价结果

根据鄂州市矿集区矿山地质环境影响综合分区原则及分区方法,在MapGIS软件中成图,最终确定矿山地质环境严重影响区、较严重影响区和一般影响区三个级别,其中严重影响区有4处,较严重影响区有3处,一般影响区有1处,具体分区情况见表3,具体范围见图2。

表3 矿山地质环境影响综合分区情况一览表

根据评价结果矿集区内严重影响区共有4处,集中在矿山开发强烈及地质灾害频发区域,总面积约18 km2,占评价区总面积的11.1%;较严重影响区有3处,集中在矿山开发较强烈区域,总面积约51.22 km2,占评价区总面积的31.6%。一般影响区、严重区、较严重区以外的其它地区,总面积达92.78 km2,占评价区总面积的57.3%。主要为限采区、禁采区及矿山分布密度较小的地区。

图2 鄂州市金属矿集区矿山地质环境影响综合分区图Fig.2 Comprehensive zoning map of degree of influence for mining geological environment of Ezhou city

经验证,其中4处严重影响区分别为泽林中心城区、程潮铁矿地灾易发区、陈盛矿区、大洪山—巷子口矿区,区内人口密集,采矿活动强烈、地质灾害频发,对周边环境影响严重,与分区结果基本吻合;较严重影响区和一般影响区与实际情况也基本一致。

4 结论

在鄂州市金属矿集区矿山地质环境调查的基础上,选用层次分析法对其进行矿山地质环境影响分区评价,通过建立评价函数,选取合适的评价因子、要素及权重,利用ArcGIS、MapGIS等软件进行分区评价,并结合各矿山实际情况进行验证,得到了比较合理的评价分区结果,其优点在于能够利用模糊综合评价法,解决了很难完全用定量的数学模型解决的复杂系统的评价问题,为今后在此区域内进行矿山地质环境治理与监测提供了依据,对今后在其他区域开展类似的矿山地质环境影响评价工作提供了借鉴。

层次分析法的缺点为定性分析较多,定量分析较少,各种权重赋值较复杂,不易操作。所以应用时,需特别注意评价因子的选择和权重的确定,以保证评价结果的科学、合理。另外层次分析法只能评价出相对的结果,准确的结果需要反复验证,并将ArcGIS软件评价结果与环境地质问题、地质背景应用实际等对照,确认分区界限分值,并根据实际情况修正明显不合理的分区界线,对特定地区要进行特殊处理。

[1] 张金朝,梁鹏程,袁章.鄂州市金属矿集区矿山地质环境调查与监测设计报告[R].鄂州:湖北省鄂州地质环境监测保护站,2016.

[2] 黄于新,陈剑平.广东省矿山地质环境质量综合分区评价研究[D].长春:吉林大学,2007.

[3] 武汉市浅层地温能评价课题组.武汉市浅层地温能评价报告[R].武汉:武汉市地质工程勘察院,2013.

[4] 孙丽娜,李英华,姜莹,等.辽宁省矿山地质环境综合评价[J].水土保持研究,2006,13(3):249-251.

[5] 李超,徐赐文.层次分析法中判断矩阵一致性的改进方法[J].科技传播,2011(15):161-161.

[6] 陈桥,胡克,雒昆利,等.基于AHP法的矿山生态环境综合评价模式研究[J].中国矿业大学学报,2006,35(3):377-383.

[7] 凌志敏.矿山地质环境影响评价方法[J].中国西部科技,2006(10):40-41.

(责任编辑：陈姣霞)

The Application of AHP in Zoning Evaluation of Mine Geological EnvironmentImpaction in Concentrating Area of Ezhou City

ZHANG Jinzhao, SHI Changbai, ZHANG Bo, XIAO Zhiyong, LIANG Pengcheng

(FifthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Huangshi,Hubei435004)

On the basis of the investigation of the mine geological environment about concentrating area of Ezhou city,the authors choose AHP to assess mine geological environment impact,based on establishingevaluation function,selecting function of mine geological environment impaction in Ezhou.5 criterion layer included geological conditions,mine geological hazards,occupation and destruction of land resources,waste water,waste residue pollution and groundwater system and 18 rating factors assignment,select appropriate evaluation factors,calculate evaluation factors’weight.By means of weight vector assignment and other means,the ArcGIS,MapGIS and other software on the partition evaluation,the authors verify the actual situation of the mine. It has great significance for the evaluation method about evaluation of mine geological environment later.

analytic hierarchy process; evaluation function; zoning evaluation

2016-08-29;改回日期:2016-10-09

张金朝(1992-),男,助理工程师,水文与水资源工程专业,从事水工环及地质环境调查评价等工作。E-mail:1820242290@qq.com

X141

A

1671-1211(2016)06-0934-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.024

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161109.1112.010.html 数字出版日期:2016-11-09 11:12