張子宇，關(guān)英斌

(河北工程大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

目前，礦山地質(zhì)環(huán)境評價方法可分為三類，一為利用數(shù)學(xué)手段構(gòu)建相應(yīng)模型，主要有綜合指數(shù)法[1]、層次分析法[2]、模糊綜合評價法[3]、灰色關(guān)聯(lián)度評價法[4]等。二為遙感地信技術(shù)的應(yīng)用，2018年柴義倫采用GIS圖層疊加分析法對淮南煤炭礦區(qū)進行分析，得出了各影響級別土地占比，并預(yù)測礦業(yè)活動將進一步危害周圍環(huán)境[5]；2020年張雷等運用遙感技術(shù)調(diào)查識別登封鋁土礦礦區(qū)評價因子，通過單因子多因子綜合評價反映了礦山地質(zhì)環(huán)境承載力[6]。三是將深度學(xué)習(xí)引入到礦山地質(zhì)環(huán)境評價中，李東等2015年將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與支持向量機(SVM)方法引入到礦山地質(zhì)環(huán)境評價中，對新疆青河縣礦集區(qū)利用兩種模型分別進行了評價并進行對比，都得到了較好的評價精度[7]。

遙感地信技術(shù)在大尺度宏觀研究中具有優(yōu)勢，其獲取的信息量廣、工作效率高、能全方位獲取地面環(huán)境的相關(guān)圖像和數(shù)據(jù)參數(shù)[8]。機器深度學(xué)習(xí)在保留事物原有結(jié)構(gòu)信息的同時可大幅度降低人類視覺處理的數(shù)據(jù)量，但前期需要高質(zhì)量數(shù)量的測試樣本數(shù)據(jù)[9]。目前單一礦山地質(zhì)環(huán)境評價仍以數(shù)學(xué)方法為主，創(chuàng)新、改進數(shù)學(xué)模型成為研究趨勢。傳統(tǒng)模糊綜合評價模型中最大隸屬度原則存在失效的情況，本文對模糊綜合評價模型進行改進，將改進的模型應(yīng)用于峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境評價，以期獲得更加合理的評價結(jié)果。

1 研究區(qū)域概況

峁底礦井田地處晉西北黃土高原，總體地勢南高北低，最大相對高差206.9 m，研究區(qū)地形復(fù)雜，侵蝕沖刷劇烈，植被覆蓋率低。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱及巖漿侵入現(xiàn)象。目前對地質(zhì)環(huán)境的影響主要為礦井建設(shè)與采空破壞區(qū)對地形地貌、土地資源、含水層的破壞。多年生產(chǎn)在該井田范圍中東部形成大面積采空區(qū)，井田內(nèi)發(fā)育有少量因采煤形成的地裂縫、不穩(wěn)定邊坡，煤系上覆含水層遭到破壞。工業(yè)廣場改擴建用地總規(guī)模為6.73 hm2，矸石場占地面積4 hm2，對原生地形地貌景觀造成了破壞。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價

2.1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

結(jié)合研究區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境背景、水文地質(zhì)條件、礦山開采等資料，選取地質(zhì)環(huán)境背景、水資源與環(huán)境、土地資源與環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害四個要素構(gòu)成要素層。在咨詢專家和相關(guān)文獻查閱的基礎(chǔ)上，依據(jù)地質(zhì)環(huán)境評價指標(biāo)選取原則，對每個要素選取代表性指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)層，最終評價指標(biāo)體系見圖1。

圖1 礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系Fig.1 Index system of mine geological environment quality evaluation

2.2 評價指標(biāo)分級

將評價指標(biāo)分為Ⅰ(一般)、Ⅱ(較嚴(yán)重)、Ⅲ(嚴(yán)重)三個等級，為方便不可量化指標(biāo)的計算，將各等級分別賦值1、2、3分，具體指標(biāo)分級見表1。

表1 評價指標(biāo)等級劃分表

續(xù)表

2.3 確定權(quán)值

本文的權(quán)值通過層次分析法[10](AHP)來計算，該方法簡潔、靈活，且在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具體可分為以下兩個階段。

階段一：構(gòu)造判斷矩陣。用T.L.Satty的1～9標(biāo)度將指標(biāo)體系中的各元素兩兩相比，構(gòu)造判斷矩陣。

階段二：權(quán)向量計算及一致性檢驗。將判斷矩陣進行最大特征值和特征向量計算并進行一致性檢驗，當(dāng)一致性比率CR≤0.1，則可將特征向量視為權(quán)向量。

(1)

(2)

式中：CI—一致性指標(biāo)；λmax—最大特征值；n—矩陣階數(shù)，CR—隨機一致性比率，RI—平均隨機一致性指標(biāo)。

經(jīng)計算，各判斷矩陣一致性比率均≤0.1，指標(biāo)權(quán)值計算結(jié)果見表2。

表2 礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價因子及權(quán)重

2.4 改進的模糊綜合評價模型建立

2.4.1 傳統(tǒng)模糊綜合評價模型建立

(1)建立參與評價的要素集

U={U1,U2,U3,U4}

其中：U1—地質(zhì)環(huán)境背景，U2—水資源與環(huán)境，U3—土地資源與環(huán)境，U4—地質(zhì)災(zāi)害。

(2)確定參與評價的因子

U1={u1,u2,u3,u4}

U2={u5,u6}

U3={u7,u8,u9}

U4={u10,u11,u12}

式中：u1—地形地貌，u2—年均降水量，u3—植被覆蓋度，u4—地質(zhì)構(gòu)造，u5—地下水位下降，u6—地下水影響范圍，u7—壓占土地類型，u8—壓占土地面積，u9—土壤污染，u10—采空區(qū)，u11—地裂縫，u12—不穩(wěn)定邊坡。

(3)建立評價集

V=(v1,v2,v3)=(Ι,Π,Ш)

式中：V1—一般、V2—較嚴(yán)重、V3—嚴(yán)重。

(4)確定隸屬度函數(shù)

梯形分布函數(shù)[11-12]在礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價中得到了較好的效果。對于指標(biāo)值越大等級越差的逆指標(biāo)，如地形地貌、年均降水量等，隸屬函數(shù)關(guān)系為：

(3)

(4)

(5)

式中：x—各因子實測值；S1、S2、S3—評價集的閾值，評判為一般與嚴(yán)重的閾值為區(qū)間的下、上限，評判為較差的閾值為算術(shù)平均值。

對于指標(biāo)值大小與礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量呈正相關(guān)的指標(biāo)和不可量化的評價指標(biāo)，可通過專家打分法進行賦值從而利用上式計算隸屬度。根據(jù)隸屬函數(shù)，計算每個因子對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的隸屬度，構(gòu)造隸屬矩陣R。

(5)構(gòu)造權(quán)值矩陣

由前文層次分析法求得結(jié)果構(gòu)成權(quán)值矩陣ω=(a1，a2，…，an)。

(6)綜合評判

B=ω·R=(b1,b2,…,bm)

(6)

運用公式(6)可得B=(0.395 5，0.379 9，0.382 5)，峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量對評語集三個級別的隸屬度分別為一般(0.395 5)、較嚴(yán)重(0.379 9)、嚴(yán)重(0.382 5)，根據(jù)最大隸屬度原則，峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響程度為一般。

2.4.2 傳統(tǒng)的模糊綜合評價法的缺陷

(1)運用最大隸屬度原則評價結(jié)果時，存在一定主觀性，可能會忽略某些信息，結(jié)果較為粗糙。

(2)當(dāng)評價結(jié)果中各隸屬度相差不大時，如本礦評價結(jié)果B=(0.395 5，0.379 9，0.382 5)，對各等級區(qū)分度較低，評價結(jié)果準(zhǔn)確度較低。

2.4.3 改進模糊綜合評價模型

對傳統(tǒng)模糊綜合評價得到的結(jié)果進一步修正，具體步驟見圖2。

圖2 改進模糊綜合評價法步驟Fig.2 Steps of improved fuzzy comprehensive evaluation method

(1)結(jié)果有效度檢測

引入有效度[13]α對結(jié)果進行檢驗，其評價標(biāo)準(zhǔn)見表3。

(7)

式中：n—模糊綜合評價矩陣B中的元素個數(shù)；β—最大隸屬度；γ—第二大隸屬度。

表3 有效度評價標(biāo)準(zhǔn)

(2)結(jié)果量化

若評價結(jié)果有效度大于等于0.5，評價結(jié)果較為準(zhǔn)確，但為了降低模糊綜合評價矩陣B的主觀性，將模糊評價結(jié)果先歸一化處理再引入量化向量[14]轉(zhuǎn)換為具體的綜合評價值。依據(jù)《礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復(fù)治理方案編制規(guī)范》將礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級分為優(yōu)秀、良好、較差三個等級具體劃分見表4。

表4 礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級別評價標(biāo)準(zhǔn)

圖3 礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級分布圖Fig.3 Distribution of mine geological environment quality grade

(3)置信度準(zhǔn)則修正

對于有效度小于0.5的結(jié)果，采用置信度準(zhǔn)則[15]對評價結(jié)果修正。

置信度準(zhǔn)則：設(shè)(b1，b2，…，bm)是一個有序的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價集，λ為置信度，礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量x屬于bi類的隸屬度為Ux(bi)，記評價該礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級別為Bk0，即有以下表達式：

(8)

3 評價結(jié)果

(1)根據(jù)AHP確定的權(quán)值，峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境評價指標(biāo)體系中，土地資源與環(huán)境要素占主導(dǎo)地位，對地質(zhì)環(huán)境影響程度最大，土地資源與環(huán)境的影響因子中，土地壓占面積對其影響最大。

(2)根據(jù)傳統(tǒng)模糊評價結(jié)果，峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級別為Ⅰ級(一般)。

(3)對傳統(tǒng)評價結(jié)果進行有效度檢驗，有效度α=0.121 89<0.5比較低效，采取置信度準(zhǔn)則修正，最終對峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果為Ⅱ級(較嚴(yán)重)，這與礦山實地調(diào)查結(jié)果契合度較高。

結(jié)合評價結(jié)果應(yīng)加強對峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境保護工作，對工業(yè)廣場擴建、矸石堆放等進行合理規(guī)劃，減少對原生地形地貌景觀和土地資源的破壞。

4 結(jié)論

利用傳統(tǒng)模糊綜合評價模型計算峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量，根據(jù)最大隸屬度原則，礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量為Ⅰ級(一般)，評價結(jié)果有效度為0.121 89，比較低效。利用改進模糊綜合評價模型進行計算，k0=2時，隸屬度為0.775 4，大于置信度0.65，峁底礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量修正為Ⅱ級(較嚴(yán)重)，避免了最大隸屬度原則失效時，評價結(jié)果失真的情況，減小了模糊評價的主觀性。利用改進模糊綜合評價模型計算的評價結(jié)果與實地調(diào)查更接近，證明將有效度檢驗、量化向量、置信度準(zhǔn)則與傳統(tǒng)模糊綜合評價模型相結(jié)合的改進模糊綜合評價方法是一種更為合理、全面的礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價方法。