魏友華，周祥全，張佳文，蔡劍輝，方景玲，劉 斌

(1．成都理工大學(xué) 數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2．成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川 成都 610059；3．中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

基于模糊綜合評價(jià)法的硫磺礦渣資源評價(jià)

魏友華1,2，周祥全1，張佳文3，蔡劍輝3，方景玲3，劉 斌1

(1．成都理工大學(xué) 數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2．成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川 成都 610059；3．中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

云南省昭通地區(qū)鎮(zhèn)雄縣的土法煉硫，對周邊環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染；此外，其產(chǎn)生的硫磺礦渣中含有鐵、鈦等有用組分可回收。因此，開展硫磺礦渣綜合利用具有環(huán)境和資源雙重價(jià)值。文章采用模糊綜合評價(jià)法，構(gòu)建硫磺礦渣資源可利用性評價(jià)體系，對鎮(zhèn)雄縣東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行了綜合評價(jià)。建立三層評價(jià)指標(biāo)體系，選取面積、礦渣重量、礦渣密度等10個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建比較矩陣，劃分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算指標(biāo)等級，最終得到6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的綜合評價(jià)值。結(jié)果表明：黑樹鎮(zhèn)在等級評價(jià)和綜合指數(shù)評價(jià)中均位列第一，與實(shí)際踏勘結(jié)果一致，可以作為下一步硫磺礦渣綜合利用具有資源優(yōu)勢的示范鄉(xiāng)。

硫磺礦渣資源；資源評價(jià)；評價(jià)指標(biāo)體系；模糊綜合評價(jià)

云南省鎮(zhèn)雄縣東部的黑樹、坡頭等地堆置了過去數(shù)百年以來生產(chǎn)硫磺而廢棄的大量硫磺礦渣，這些礦渣污染土地和難以治理，導(dǎo)致了礦渣區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣，森林覆蓋率低。同時(shí)，硫磺礦渣占用了大量的耕地，其浸出液中有毒有害物質(zhì)進(jìn)入耕地和河流，土壤酸化嚴(yán)重，肥力低下，加劇了長江匯水區(qū)水質(zhì)的污染[1]。硫磺礦渣含鐵豐富且粒度較細(xì)[2]，故很多國家都用它經(jīng)過一系列選礦工藝處理生產(chǎn)鐵精粉，作為煉鐵原料[3]，同時(shí)硫磺礦渣中還含有鈦等有價(jià)元素。經(jīng)中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所組織的初步研究發(fā)現(xiàn)鎮(zhèn)雄縣硫磺礦渣具有提煉鐵、鈦的潛力，可供再次綜合利用，這對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要意義[4]。為此，對鎮(zhèn)雄縣境內(nèi)的硫磺礦渣資源進(jìn)行綜合評價(jià)，厘清鎮(zhèn)雄縣硫磺礦渣資源可用性，為硫磺礦渣二次資源綜合利用提供技術(shù)支持。

1 硫磺礦渣資源評價(jià)體系分析

1.1 硫磺礦渣資源綜合評價(jià)指標(biāo)體系

硫磺礦渣資源綜合評價(jià)主要涉及硫磺礦渣資源數(shù)量、質(zhì)量等。對硫磺礦渣資源進(jìn)行綜合評價(jià)要從整體出發(fā)全方位考慮影響因素，按照層次性厘清因素之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并確保每一個(gè)指標(biāo)的獨(dú)立性，以求用最少的指標(biāo)反映最全面的問題[5]。另外，在確定指標(biāo)體系的具體指標(biāo)時(shí)還需要考慮數(shù)據(jù)采集難度，盡量避免難以采集到數(shù)據(jù)的指標(biāo)[6]。根據(jù)以上原則選擇硫磺礦渣資源綜合評價(jià)指標(biāo)，建立三層評價(jià)指標(biāo)體系(圖1)。

圖1 硫磺礦渣資源評價(jià)指標(biāo)體系

1.2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

硫磺礦渣資源在國內(nèi)尚屬于有待開發(fā)的二次資源，對影響其價(jià)值和有害性的因素認(rèn)識還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，并且硫磺礦渣資源受其原生礦品質(zhì)影響較大。因此，作為主客觀相結(jié)合的層次分析法正好適用于硫磺礦渣這種多目標(biāo)評價(jià)問題的權(quán)重確定。

層次分析法一般采用分層建立兩兩比較矩陣，通常采用T.L.Saaty教授提出的1-9標(biāo)度表[7]，見表1。

表1 標(biāo)度的含義

如果參與比較的后者比前者稍微重要，則用3的倒數(shù)1/3來刻畫，其余標(biāo)度同理。

設(shè)某一個(gè)兩兩比較矩陣為A=(aij)，可采用矩陣A的n個(gè)列向量歸一化后的算術(shù)平均值作為近似權(quán)重[8]，即第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重見式(1)。

(1)

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)

2 模糊綜合評價(jià)

在實(shí)際中，常常需要對一個(gè)事物做出評價(jià)時(shí)要一般都涉及到多個(gè)因素(指標(biāo))，而這些指標(biāo)往往具有一定的模糊性，例如硫磺礦渣資源中“礦渣重量”明顯是數(shù)據(jù)越大，評價(jià)結(jié)果就應(yīng)該越好，但是評價(jià)結(jié)果“優(yōu)”與“良”的界限是模糊的。因此采用模糊綜合評價(jià)模型作為硫磺礦渣資源綜合評價(jià)模型。

設(shè)U={u1,u2,…,un}為研究對象的n個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的指標(biāo)集，V={v1,v2,…,vm}為諸指標(biāo)的m種評價(jià)所構(gòu)成的評價(jià)集，在硫磺礦渣資源綜合評價(jià)中選擇“優(yōu)”、“良”、“中”、“差”四個(gè)等級作為評價(jià)集。針對評價(jià)對象計(jì)算屬于各評價(jià)等級的隸屬度，記為B=(b1,b2,…,bm)，其中bi為評價(jià)對象對該評價(jià)等級vi的隸屬度。若bk=max(bi)(i=1,2,…,m)，則按照最大隸屬度原則判定該評價(jià)對象的評價(jià)結(jié)果為vk[10]。

對評價(jià)等級vi，其隸屬度計(jì)算模型見式(2)。

(2)

式中：bij為評價(jià)指標(biāo)uj對評價(jià)等級vi的隸屬度，wj為指標(biāo)uj的權(quán)值。

隸屬函數(shù)通常采用正態(tài)分布來構(gòu)建。設(shè)zj代表評價(jià)指標(biāo)uj的實(shí)際值，pi和ci為與評判等級vi對應(yīng)的參數(shù)，采用正態(tài)函數(shù)構(gòu)建隸屬度函數(shù)，見式(3)。

(3)

設(shè)xij和xi+1,j分別為評價(jià)指標(biāo)uj對評價(jià)等級vi的下界限和上界限。根據(jù)正態(tài)分布可以推理出當(dāng)zj=pi時(shí)，bij=1，可能性最大；當(dāng)zj=xij或zj=xi+1,j時(shí)，評定因子處于該因子對應(yīng)兩個(gè)等級的隸屬度函數(shù)的交點(diǎn)，得出bij=bi+1,j=0.5，模糊性最大，推出式(4)、式(5)。

(4)

(5)

在硫磺礦渣資源綜合評價(jià)中，對評價(jià)指標(biāo)uj需要確定三個(gè)分界點(diǎn)，即“差”與“中”的分界點(diǎn)x1j、“中”與“良”的分界點(diǎn)x2j和“良”與“優(yōu)”的分界點(diǎn)x3j。

3 硫磺礦渣資源可利用性綜合評價(jià)

本次綜合評價(jià)以鎮(zhèn)雄縣境內(nèi)的硫磺礦渣含量較多的黑樹、母享、大灣、坡頭、花朗鄉(xiāng)等東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的硫磺礦渣為評價(jià)對象，以行政鎮(zhèn)為評價(jià)單元。

3.1 評價(jià)數(shù)據(jù)

本文整理了由踏勘調(diào)查的6個(gè)地區(qū)的地理面積數(shù)據(jù)，再根據(jù)25個(gè)采樣點(diǎn)的礦渣重量和礦渣密度數(shù)據(jù)，以及55個(gè)樣品化驗(yàn)得出的14個(gè)種主量元素和44種微量元素的含量數(shù)據(jù)，得到本次綜合評價(jià)所用的評價(jià)數(shù)據(jù)(表3)。

3.2 評價(jià)參數(shù)

按照層次分析法要求采集指標(biāo)之間立案量比較矩陣。本次硫磺礦渣資源綜合評價(jià)指標(biāo)最底層指標(biāo)僅為10個(gè)，可以考慮直接越過中間層，針對最底層的10個(gè)指標(biāo)直接構(gòu)建兩兩比較矩陣(表4)。

表3 評價(jià)數(shù)據(jù)匯總表

表4 硫磺礦渣綜合評價(jià)指標(biāo)兩兩比較矩陣

計(jì)算得各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重見表5。再做一致性檢驗(yàn)，計(jì)算CI=0.87，查表RI=1.49，計(jì)算CR=0.058<0.1，表明兩兩比較矩陣通過一致性檢驗(yàn)，指標(biāo)權(quán)重是合理可用的。

結(jié)合匯總數(shù)據(jù)請相關(guān)專家制定各指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)。硫磺礦渣綜合評價(jià)的各指標(biāo)的四個(gè)等級標(biāo)準(zhǔn)見表6。

表5 指標(biāo)權(quán)重

表6 指標(biāo)等級劃分

注：表中有害雜質(zhì)“S含量”、“P2O5含量”已經(jīng)按照新指標(biāo)值公式進(jìn)行了極性轉(zhuǎn)換。

3.3 評價(jià)結(jié)果

將評價(jià)數(shù)據(jù)和參數(shù)代入綜合評價(jià)模型(式(2))得到的綜合評價(jià)值(表7)。

表7 綜合評價(jià)結(jié)果

按照隸屬度最大原則判定黑樹鎮(zhèn)評價(jià)結(jié)果為優(yōu)，母享鎮(zhèn)和仁和鎮(zhèn)評價(jià)結(jié)果為良，坡頭鎮(zhèn)評價(jià)結(jié)果為中，其余評價(jià)對象評價(jià)結(jié)果為差。

表7中影響評價(jià)結(jié)果的僅僅只有最大隸屬度，其余隸屬度信息沒有納入考慮。為更加綜合所有隸屬度的信息，可以將表7的定性評價(jià)結(jié)果再做定量化分析。將優(yōu)良中差分別賦值4、3、2、1，將各評價(jià)對象各等級評價(jià)結(jié)果再次綜合得到綜合指數(shù)，如黑樹鎮(zhèn)最后綜合指數(shù)值為：0.096×1+0.150×2+0.342×3+0.483×4=3.354。

將各評價(jià)對象按此方法計(jì)算得分后排序得表8。

表8 綜合指數(shù)排序后結(jié)果

從表8中可以看出黑樹鎮(zhèn)的硫磺礦渣資源排名第一，母享鎮(zhèn)雖然在等級評價(jià)是為良，但根據(jù)綜合指數(shù)排名卻在等級為優(yōu)的坡頭鎮(zhèn)之上，排名第二。從權(quán)重分布和評價(jià)數(shù)據(jù)可以看出權(quán)重最大的兩個(gè)指標(biāo)“TFe含量”和“TiO2的含量”兩者相差不大，但是比母享鎮(zhèn)面積小的坡頭鎮(zhèn)在“礦渣重量”和“礦渣密度”上具有絕對的優(yōu)勢，但從模糊綜合評價(jià)的數(shù)值結(jié)果來看，坡頭鎮(zhèn)雖然在“優(yōu)”的等級評分中得分略高，但在“良”的等級評分中遠(yuǎn)低于母享鎮(zhèn)。因此，可以認(rèn)為采用綜合指數(shù)排序的結(jié)果與實(shí)際情況更吻合。根據(jù)綜合指數(shù)繪制鎮(zhèn)雄各鄉(xiāng)鎮(zhèn)評價(jià)結(jié)果如圖2所示。

圖2 硫磺礦渣資源評價(jià)圖

4 結(jié) 論

本文針對鎮(zhèn)雄縣硫磺礦渣資源特點(diǎn)建立了綜合評價(jià)指標(biāo)體系，以行政鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位，結(jié)合對黑樹、母享、大灣、坡頭等鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行了綜合評價(jià)，得出以下結(jié)論。

1)硫磺礦渣的指標(biāo)權(quán)重確定不應(yīng)僅從數(shù)據(jù)出發(fā)，如指標(biāo)“TFe含量”和“TiO2的含量”的數(shù)據(jù)離散度不高(表3)，但它們是重要的指標(biāo)，而指標(biāo)“地理面積”和“礦渣重量”剛好相反。因此，硫磺礦渣資源的綜合評價(jià)適合使用主客觀結(jié)合的層次分析法來確定權(quán)重。

2)指標(biāo)的評價(jià)具有模糊性，通過專家意見制定各指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)，再綜合所有隸屬度信息，采用綜合指數(shù)排名，對硫磺礦渣資源的綜合評價(jià)更準(zhǔn)確。

3)本文的評價(jià)結(jié)果與實(shí)際踏勘情況比較吻合(表3)，優(yōu)選的黑樹鎮(zhèn)可以作為資源優(yōu)勢典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)盡快開展后續(xù)的硫磺礦渣綜合利用驗(yàn)證，盡快“變廢為寶”。

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Evaluation of sulfur slag resource based on fuzzy comprehensive evaluation

WEI Youhua1,2, ZHOU Xiangquan1, ZHANG Jiawen3, CAI Jianhui3, FANG Jingling3, LIU Bin1

(1.Geomathematics Key Lab of Sichuan Province, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;2.College of Geophysics, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;3.Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China)

Smelting sulfur has caused serious environmental pollution in Yunnan province Zhenxiong country. Besides, sulfur slag contains some recycled components, such as iron (Fe) and titanium (Ti). Comprehensive utilization of sulfur slag must be carried out due to the dual advantage of environmental and resource. The paper put forward a three-layer evaluation system which includes identifying and organizing decision objects, criteria and constraints into a three-layer hierarchy; evaluating pairwise comparisons between the 10 relevant elements at each level of the hierarchy; and the synthesis using the solution algorithm of the results of the pairwise comparisons over all levels. Further, the result gives relative importance of the 6 towns in Zhenxiong country. The results show that Heishu town ranks first both in the rating and comprehensive index evaluation which is consistent with the filed survey. The research results suggest Heishu town to be the model town of comprehensive utilization of sulfur slag.

sulphur slag resource; resources evaluation; evaluation index system; fuzzy comprehensive assessment method

2016-11-17

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目資助(編號：12120113086700)；四川省社會科學(xué)基地項(xiàng)目資助(編號：SC15E008)

魏友華(1976-)，男，四川綿竹人，副教授，主要從事數(shù)學(xué)地質(zhì)、應(yīng)用數(shù)學(xué)的研究工作，E-mail:weiyouhua@cdut.cn。

X753

A

1004-4051(2017)05-0088-05