基于模糊數(shù)學(xué)的礦區(qū)廢棄地土地復(fù)墾生態(tài)安全評(píng)價(jià)

1、基于模糊數(shù)學(xué)的礦區(qū)廢棄地土地復(fù)墾生態(tài)安全評(píng)價(jià)1王穎杰1,紀(jì)洋1,郭嗣琮21遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院,遼寧阜新(1230002遼寧工程技術(shù)大學(xué)理學(xué)院,遼寧阜新(123000E-mail:wangyingjie_0717摘要:隨著社會(huì)的快速發(fā)展,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境也越來(lái)越受到公眾的關(guān)注,由于礦區(qū)土地沙化日趨擴(kuò)大,完全破壞了礦區(qū)的地表景觀,對(duì)土地和環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞,生態(tài)安全問題愈來(lái)愈嚴(yán)重,因此研究礦區(qū)土地復(fù)墾生態(tài)安全具有生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益以及土地增值效益,對(duì)社會(huì)發(fā)展和人類進(jìn)步有著十分重大的意義。本文運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)與層次分析法相結(jié)合的方法以阜新市海州露天礦為例對(duì)閉礦后礦區(qū)土地復(fù)墾生態(tài)安全

2、進(jìn)行評(píng)價(jià)。將影響礦區(qū)土地復(fù)墾生態(tài)安全的諸多因素作為影響因素的第一層加以考慮,建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)權(quán)重及安全性等級(jí)的隸屬度得到模糊矩陣,進(jìn)一步求得礦區(qū)土地復(fù)墾的生態(tài)安全度。該方法對(duì)礦區(qū)土地復(fù)墾生態(tài)安全評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:模糊數(shù)學(xué);土地復(fù)墾;安全性評(píng)價(jià);層次分析法中圖分類號(hào):TP3931. 前言礦產(chǎn)資源的開發(fā)、利用不可避免地要占用和破壞大量的土地并產(chǎn)生環(huán)境污染,由此造成原有環(huán)境景觀的嚴(yán)重破壞并引發(fā)一系列難以避免的環(huán)境問題。由于礦產(chǎn)資源是一種不可再生資源,其儲(chǔ)量有限。任何礦山都要經(jīng)歷從勘測(cè)探查、開發(fā)建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、衰退枯竭直至關(guān)閉停產(chǎn)的生命過(guò)程,這也是礦山存在與消亡的不可逆轉(zhuǎn)的自然規(guī)律。盡

3、管礦山適時(shí)關(guān)閉,但是由于采礦活動(dòng)造成的生態(tài)環(huán)境危害卻不能隨著采礦活動(dòng)的停止而立即停止,采礦塌陷在一定時(shí)間內(nèi)還會(huì)繼續(xù)存在,矸石山的存在對(duì)大氣、土壤的影響也沒有立即消失,等等。因此,對(duì)于閉礦后礦區(qū)土地復(fù)墾進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)工作就顯得尤必要,而國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此方面的研究較少?；诖四康?本文采用模糊數(shù)學(xué)與層次分析法相結(jié)合對(duì)阜新海州露天礦關(guān)閉煤礦區(qū)土地復(fù)墾進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究。12. 評(píng)價(jià)模型及評(píng)價(jià)步驟由于中國(guó)96%的煤炭采用井工開采的方法,閉礦后井工開采造成的地面沉陷長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍會(huì)存在,遺留的巷道對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土地的危害性也較大。這里著重考慮井工礦閉礦后對(duì)礦區(qū)土地復(fù)墾的生態(tài)安全的影響。22.1 建立評(píng)判對(duì)象因

4、素集影響評(píng)價(jià)對(duì)象取值的各因素組成的普通集合,即為因素集,表示為:U =(U1,U2,U i ( i=1,2,n ,為第i個(gè)影響因素,是因素個(gè)數(shù)。這里的評(píng)判對(duì)象因素即為土地復(fù)墾生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取直接或間接地反映了閉礦后礦區(qū)的復(fù)墾土地生態(tài)安全,因此所選指標(biāo)必須盡可能全面的選取能反映土地安全信息的指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo)選取的科學(xué)性、系統(tǒng)性、相對(duì)獨(dú)立性、可操作性等原則,從地質(zhì)因素、水文因素、土壤因素、風(fēng)因素、采空區(qū)等方面來(lái)設(shè)定復(fù)墾土地的生態(tài)安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)。31本課題得到教育部博士點(diǎn)基金(編號(hào):2005147002和遼寧省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(編號(hào):20060370的資助。2.1.1 地質(zhì)因素在

5、開采過(guò)程中開挖礦山,人為地改變了地下空間的構(gòu)造對(duì)于閉礦后礦區(qū)土地的安全利用影響甚大。地質(zhì)構(gòu)造條件好,無(wú)斷層的礦區(qū)土地的安全性高,反之,安全性差。因此,地質(zhì)因素是影響土地復(fù)墾生態(tài)安全評(píng)價(jià)的又一影響因素。2.1.2 水文因素水文因素包括地下水因素和地表水因素。礦區(qū)開采會(huì)對(duì)地下水和地表水造成不同程度的破壞和污染,引起水資源的減少,并且影響作物的生長(zhǎng)及人類的生活條件。因此,水文因素是評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一。2.1.3 土壤因素土壤是地球上任何生物賴以生存的基礎(chǔ),而土壤因素是閉礦后士地復(fù)墾生態(tài)安全評(píng)價(jià)的重要因素之一。土壤pH值對(duì)土壤的肥力、作物的生長(zhǎng)有很大的影響,土壤過(guò)酸或過(guò)堿都會(huì)影響作物正常生長(zhǎng);有害元素的含

6、量對(duì)作物的正常生長(zhǎng)影響較大;土壤的承載力決定了土壤表面建筑的狀況。因此,選擇土壤pH值、有害元素含量、承載力作為其主要的影響因素來(lái)考慮。2.1.4 風(fēng)因素風(fēng)因素影響復(fù)墾后土地的生態(tài)安全,尤其風(fēng)力、主導(dǎo)風(fēng)向都是影響作物的種植規(guī)劃、布局。2.1.5 采空區(qū)因素由于采用井工開采的方式,地下煤層在留有保護(hù)煤柱后被采空,而由于采空區(qū)的存在,對(duì)地表的建筑、作物都存在一定的潛在的安全隱患,時(shí)刻有沉陷的危險(xiǎn)。而跨度、高度、面積、埋藏深度、礦柱的尺寸、礦柱的分布情況能較全面地反映采空區(qū)的情況。2.1.6 其他因素不同的采煤方法、不同的頂板管理方法對(duì)地面造成的影響、破壞程度也不同;閉礦時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)于礦區(qū)復(fù)墾土地的

7、生態(tài)安全評(píng)價(jià)的影響也不同,閉礦時(shí)間越長(zhǎng),其安全性越高,反之,安全性越差。2.2 建立權(quán)重集權(quán)重的確定方法主要有直接評(píng)判法,0l兩兩對(duì)比法,04兩兩對(duì)比法,多比例對(duì)比法,重要度系統(tǒng)評(píng)分法,層次分析法等。本文根據(jù)實(shí)地情況,采用層次分析法,并輔以德爾菲法確定各指標(biāo)因素的權(quán)重。42.3 建立評(píng)價(jià)集評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的各種評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合,即為評(píng)價(jià)集。通常表示為: V=(V1,V2,V j(j=1,2,m, 其中,m為評(píng)價(jià)等級(jí)。2.4 單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣根據(jù)已經(jīng)建立的評(píng)價(jià)集,對(duì)被選對(duì)象的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定,即建立一個(gè)從U到F(V的模糊映射,并確定各因素U, 對(duì)于各評(píng)價(jià)級(jí)別V j 的隸屬度c ij

8、 (Oc ij1(i=l,2,n;j=l,2,m ,則模糊評(píng)價(jià)矩陣C為=C C C CC C C C C C C C nm n n m m M C L L L L L L L L 21222211121121 (1 2.5 確定安全性評(píng)價(jià)等級(jí) 模糊評(píng)價(jià)集合中的值是對(duì)應(yīng)于安全性等級(jí)的隸屬度,利用其值來(lái)確定安全性等級(jí)。本文采用加權(quán)計(jì)算法確定安全評(píng)價(jià)等級(jí)。因?yàn)樽畲箅`屬度判別準(zhǔn)則是根據(jù)評(píng)判集合中的最大值來(lái)確定對(duì)應(yīng)的安全性評(píng)價(jià)等級(jí),沒有顧及其余值對(duì)整體評(píng)判結(jié)果的影響,而加權(quán)計(jì)算法是各安全性等級(jí)規(guī)定加權(quán)值,把評(píng)價(jià)集中的值和相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。而后將得出的數(shù)字與事先確定的安全評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分值(見表1進(jìn)行

9、對(duì)比來(lái)定級(jí)。其程度等級(jí)計(jì)算方法如下。R = CS T (2式中R安全度等級(jí);C評(píng)價(jià)矩陣;S評(píng)價(jià)語(yǔ)集級(jí)分。5表1 安全評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分值 評(píng)價(jià)語(yǔ) S T 95 80 65 45 303.實(shí)例分析3.1 確定因素集與權(quán)重集阜新市以生產(chǎn)煤炭著稱。該地區(qū)處于中緯度北溫帶,屬半干旱半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,多風(fēng)沙,主導(dǎo)風(fēng)向夏季為偏南風(fēng),冬季為西北風(fēng)。四季分明,雨熱同季:夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥。年平均降雨量為550mm ,且多集中在7,8,9月,占全年降水量的68%蒸發(fā)量大于降水量,年平均蒸發(fā)量1600mm 。年平均溫度為9.5,歷年日最高氣溫40.5,日最低氣溫-26.4。曾經(jīng)是亞洲最大的機(jī)械化露天煤礦阜

10、新礦業(yè)集團(tuán)海州露天煤礦,由阜新市中級(jí)人民法院2005年8日依法公告關(guān)閉破產(chǎn)。這座露天煤礦從1953年7月到2003年底,共生產(chǎn)煤炭2.1億噸。露天礦露天采場(chǎng)東西長(zhǎng)3.9公里,南北寬1.8公里。地表海拔標(biāo)高為+165+200米,平均+175米。地勢(shì)東南高,南北低。露天礦設(shè)計(jì)開采最深標(biāo)高為海拔-175米,開采深度為350米。本文以此關(guān)閉礦山為例,設(shè)因素集,將閉礦后礦區(qū)土地復(fù)墾的安全度影響因素進(jìn)行分類。根據(jù)該礦的實(shí)際情況,利用層次分析法,并輔以德爾菲法,確定權(quán)重b i 、b ij 見表2。表2 礦區(qū)土地復(fù)墾生態(tài)環(huán)境安全性影響因素層次結(jié)構(gòu)及權(quán)重 權(quán)重b i 第一層U i 第二層U ij 權(quán)重b ij結(jié)

11、構(gòu)面U 11 0.250 0.150 地質(zhì)因素U 1斷層U 12 0.750 地下水情況U 21 0.667 0.181 水文因素U 2地表水情況U 22 0.333土體PH 值U 31 0.7000.304 土壤因素U 3 有害元素含量U 32 0.107 承載力U 33 0.193 風(fēng)力U 41 0.3330.051 風(fēng)因素U 4主導(dǎo)風(fēng)向U 42 0.667跨度U 51 0.099高度U 52 0.227 面積U 53 0.342 0.179 采空區(qū)的參數(shù)U 5埋藏深度U 54 0.069 礦柱尺寸U 55 0.109 礦柱分布情況U 56 0.154采礦方法U 61 0.2010.082

12、 其他因素U 6 頂板管理方法U 62 0.118畢礦年限U 63 0.6813.2 建立評(píng)價(jià)集將閉礦后礦區(qū)生態(tài)環(huán)境安全性分為5個(gè)等級(jí),即安全性最高(I,安全性較高(,安全性高(,安全性低(IV,危險(xiǎn)(。3.3 建立模糊評(píng)價(jià)矩陣根據(jù)實(shí)地調(diào)查以及因子的不同情況,確定每類因素U ij 隸屬度,可以得到地質(zhì)因素U 1的模糊評(píng)價(jià)矩陣=35.020.020.025.01.030.034.023.025.001.01C (3 類似地,得到水文、土壤、風(fēng)、采空區(qū)的參數(shù)以及其它因素的模糊評(píng)價(jià)矩陣。=20.040.025.015.0035.025.020.010.015.02C (4 =25.035.025.0

13、25.01.035.035.020.020.0015.035.030.020.015.03332313C C C C (5=45.030.020.01.0045.035.030.015.004C (6=50.030.010.01.0045.035.010.005.005.0015.020.030.035.080.020.000050.030.015.005.0055.035.010.0005C (7 =30.040.025.005.0040.025.015.015.005.040.030.020.005.005.06C (8 3.4 綜合評(píng)價(jià)運(yùn)算第一層次綜合評(píng)價(jià),得到矩陣C=332.0368.

14、0229.0064.0018.0588.0268.0085.0055.0028.0335.0319.0285.0069.0001.0166.0299.0300.0176.0081.0249.0330.0234.0101.0065.0288.0273.0161.0199.0070.0C (9 第二層次的綜合評(píng)價(jià): 320.0300.0200.0120.0056.0=c b C (103.5 評(píng)價(jià)結(jié)果將得到的結(jié)果,利用公式(2進(jìn)行計(jì)算,得到評(píng)分分值為53.35。對(duì)照表1中的標(biāo)準(zhǔn)分值,該礦區(qū)土地復(fù)墾的生態(tài)安全度為級(jí),即安全性高,表明該礦區(qū)閉礦后對(duì)其進(jìn)行土地復(fù)墾的生態(tài)安全性較高。64. 結(jié)論由于礦區(qū)土

15、地沙化日趨擴(kuò)大,完全破壞了礦區(qū)的地表景觀,對(duì)土地和環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞,生態(tài)安全問題愈來(lái)愈嚴(yán)重,因此研究礦區(qū)土地復(fù)墾生態(tài)安全具有生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。本文運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)與層次分析法相結(jié)合的方法以阜新海州露天礦為例對(duì)閉礦后礦區(qū)土地復(fù)墾生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià),將影響礦區(qū)土地復(fù)墾生態(tài)安全的諸多因素作為影響因素的第一層加以考慮,建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)權(quán)重及安全性等級(jí)的隸屬度得到模糊矩陣,進(jìn)一步求得礦區(qū)土地復(fù)墾的生態(tài)安全度。該方法對(duì)礦區(qū)土地復(fù)墾生態(tài)安全評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)1 李 蘭.露天煤礦閉坑時(shí)期地質(zhì)災(zāi)害及環(huán)境影響研究J.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2000,11(2:94-96.2 王建國(guó),祖國(guó)林

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