王慶偉，郭 彪，宋 梅，閆 強(qiáng)

(1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院，北京 100083；3.中國地質(zhì)科學(xué)院全球礦產(chǎn)資源研究中心，北京 100037；4.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)研究所，北京 100037)

煤炭開采需要消耗一定的水，開采過程中措施不當(dāng)也會(huì)造成水資源的破壞[1-3]。因而，煤炭資源的開發(fā)除受開采地質(zhì)條件限制之外，也受水資源的約束，開采過程中措施不當(dāng)會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響甚而造成生態(tài)環(huán)境破壞[3-4]。所以，煤炭資源的綠色開發(fā)就是要求在煤炭開發(fā)過程中，注重生態(tài)承載能力和水資源承載力，使煤炭資源對(duì)環(huán)境的影響控制在生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)“承載力”范圍之內(nèi)[5]。具體而言是指人類活動(dòng)對(duì)其所在區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生一定程度影響，但是這種影響程度不能破壞環(huán)境的良性循環(huán)，即某一環(huán)境區(qū)域內(nèi)對(duì)人類活動(dòng)造成影響的最大容納量[6]。

煤炭開采所造成的影響只有控制在最大環(huán)境容納量之下才能實(shí)現(xiàn)綠色開發(fā)。楊少華[7]分析了煤炭開采對(duì)水環(huán)境的影響，并對(duì)水環(huán)境的評(píng)價(jià)進(jìn)行了初步探討；張俊虎[8]針對(duì)采煤對(duì)水環(huán)境的影響提出了預(yù)防措施；任自選[9]根據(jù)山西省煤炭開采礦井水的環(huán)境保護(hù)管理要求，闡述了煤礦建設(shè)中礦井水環(huán)境保護(hù)管理的重點(diǎn)。但前人指標(biāo)體系的確定與取值多采取專家打分的形式進(jìn)行，在指標(biāo)的篩選和賦值方面存在一定的隨意性。而且，開采技術(shù)手段、行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及資源開發(fā)理念是變化的，在指標(biāo)的選擇上需要考慮行業(yè)規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的變化。然而，如何客觀科學(xué)地評(píng)價(jià)環(huán)境承載力并將之與煤炭開采有機(jī)結(jié)合起來，仍是目前亟待解決的問題。

為此，筆者擬從系統(tǒng)論原理出發(fā)，以煤炭安全開發(fā)為目的，并將開采技術(shù)條件、水資源及生態(tài)環(huán)境等因素作為綜合考量，從行業(yè)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)境保護(hù)理念的變化出發(fā)，構(gòu)建一系列指標(biāo)，引入灰色系統(tǒng)理論剔除一些關(guān)聯(lián)性不大的或負(fù)相關(guān)指標(biāo)，構(gòu)建出“煤-水-環(huán)”綠色可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以期為煤炭資源綠色科學(xué)有序開發(fā)提供參考。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 指標(biāo)構(gòu)建原理

指標(biāo)體系的構(gòu)建是基于系統(tǒng)論的整體性和層次性原理，每個(gè)指標(biāo)都隸屬于目標(biāo)層且與目標(biāo)層有一定的關(guān)聯(lián)度[10]，這是本文指標(biāo)體系構(gòu)建的準(zhǔn)則。

系統(tǒng)論的整體性是把研究和處理的不同要素建立關(guān)聯(lián)，構(gòu)建成一個(gè)整體。本次“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調(diào)發(fā)展指標(biāo)體系必須能夠全面反映礦區(qū)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，各層指標(biāo)間不是簡(jiǎn)單相加，而是一個(gè)層次分明且緊密聯(lián)系的整體。

系統(tǒng)論中的層次性是指在復(fù)雜問題中，影響目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)則可能有很多，即：有些是主要準(zhǔn)則，有些是隸屬于主要準(zhǔn)則的次準(zhǔn)則(指標(biāo))。要根據(jù)這些關(guān)系將準(zhǔn)則元素分成不同層次和組，即：上一層元素由下一層元素構(gòu)成，并對(duì)下一層元素起支配作用，同一層元素形成若干組，同組元素性質(zhì)相近，一般隸屬于同一個(gè)上一層元素(受上一層元素支配)，不同組元素性質(zhì)不同，一般隸屬于不同的上一層元素[11]。

基于前述分析，本文從系統(tǒng)論中的整體性和層次性兩大原理出發(fā)，圍繞“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調(diào)發(fā)展這一目標(biāo)，進(jìn)行綠色評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建。

為體現(xiàn)指標(biāo)體系的科學(xué)性，引入灰色系統(tǒng)理論對(duì)指標(biāo)進(jìn)行重要度量化分析篩選，利用層次分析法來具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)論中的層次性[12]。最終參考相關(guān)文獻(xiàn)[13-15]，構(gòu)建出“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調(diào)發(fā)展指標(biāo)體系(表1)。

表1 “煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調(diào)發(fā)展指標(biāo)體系Table 1 “Coal-water-environment”coordinated development index system

1.2 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

煤炭開采中的環(huán)境影響評(píng)價(jià)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，需要大量定性和定量指標(biāo)予以提煉方可進(jìn)行綜合反映[16]。指標(biāo)選取是否科學(xué)，關(guān)系到系統(tǒng)的整體性是否得到體現(xiàn)，也更影響到問題能否簡(jiǎn)化且易于操作。指標(biāo)太多，不便于操作，且會(huì)削弱關(guān)鍵指標(biāo)；指標(biāo)太少則會(huì)影響整體性的實(shí)現(xiàn)。

指標(biāo)是指研究客觀事物的一種手段，通過抽象出來的數(shù)據(jù)或符號(hào)來用于表達(dá)事物的內(nèi)在本質(zhì)。如何使復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化，關(guān)系到指標(biāo)的科學(xué)合理性。所選取的指標(biāo)應(yīng)具有簡(jiǎn)潔、概括性強(qiáng)、所代表信息量大、容易獲取的特點(diǎn)，避免元素之間的交叉與重復(fù)。此外，指標(biāo)的選取還應(yīng)盡可能地滿足可比性的要求，即每一條指標(biāo)都應(yīng)該是確定的、可以比較的，包括橫向比較和縱向比較，能夠反映礦區(qū)發(fā)展對(duì)環(huán)境影響在時(shí)間和空間尺度上變化。圍繞“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調(diào)發(fā)展這一目標(biāo)，建立海量的相關(guān)指標(biāo)，然后通過算子作用去度量各個(gè)指標(biāo)的科學(xué)合理性，從而剔除絕對(duì)影響較小及存在矛盾的指標(biāo)，保留影響較大且具代表性的科學(xué)指標(biāo)[17-18]。

指標(biāo)確定后，要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，本文采用極差變換法[19-21]。同時(shí)，為了符合綜合評(píng)價(jià)法的判定標(biāo)準(zhǔn)，將指標(biāo)取值范圍由原來的[0,1] 按照比例縮放轉(zhuǎn)換為100 分制，即[0,100]。在不能獲得指標(biāo)的上限值和下限值時(shí)，采用疊圖法直接賦值。指標(biāo)分值根據(jù)最新的法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或科技論文成果為依據(jù)獲得，具體方法見表2。

表2 指標(biāo)分值及標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)式Table 2 Index scores and standardized expressions

1.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

本文采用層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重[23]，其權(quán)重的量化方法采用專家打分法，使指標(biāo)賦值更具有可操作性[24-25]。需要說明的是，這里仍然是以灰色系統(tǒng)理論中的關(guān)聯(lián)度強(qiáng)弱以及系統(tǒng)論中的層次性進(jìn)行劃分，同時(shí)也參考專家反饋意見進(jìn)行修改整合。

如針對(duì)同一個(gè)井田或礦區(qū)，因?qū)＜矣^察視角或掌握的信息不同，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的打分也就不同。為了避免一個(gè)或多個(gè)專家打分偏差過大而掩蔽真實(shí)情況，需要對(duì)專家的打分進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如果檢驗(yàn)值CR 超過許可范圍，則要對(duì)明顯偏差過大的專家打分進(jìn)行剔除，最終實(shí)現(xiàn)專家打分符合一致性檢驗(yàn)要求。表3 為某位專家對(duì)指標(biāo)打分的判斷矩陣，并參考判斷矩陣這種檢驗(yàn)方法形成的判斷矩陣，然后對(duì)所有專家打分進(jìn)行一致性檢驗(yàn)調(diào)整[25]，指標(biāo)權(quán)重計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[18]，最終得出權(quán)重結(jié)果與檢驗(yàn)結(jié)果見表4。這樣既保證了指標(biāo)選擇的可操作性和靈活性，也用灰色關(guān)聯(lián)度度量了指標(biāo)選取的關(guān)聯(lián)性和科學(xué)性。

表3 某專家打分判斷矩陣Table 3 An expert’s scoring judgment matrix

表4 層次計(jì)算權(quán)向量及檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Hierarchical calculation weight vector and test result table

2 實(shí)例分析

2.1 基本概況

山西寺河井田地處沁水盆地南緣，氣候?yàn)榈湫偷膬?nèi)陸季風(fēng)性氣候，四季分明。為低山-丘陵型地貌，風(fēng)化剝蝕造成地形破碎、溝谷發(fā)育。植被類型主要由農(nóng)業(yè)用地、林地和草地3 種植被類型構(gòu)成。寺河井田構(gòu)造形態(tài)為一傾向西北的單斜構(gòu)造，構(gòu)造簡(jiǎn)單。區(qū)域內(nèi)各主要充水含水層含水性受裂隙、巖溶發(fā)育程度影響，在構(gòu)造裂隙或小斷裂及巖溶陷落柱發(fā)育區(qū)域可能存在局部水文地質(zhì)條件較復(fù)雜化地段[26,27]，但總體而言，水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單。且本區(qū)煤炭資源豐富，累計(jì)探獲地質(zhì)儲(chǔ)量15 億t。開采方式為綜合機(jī)械化開采，礦井生產(chǎn)能力為1 080 萬t/a，是晉城煤業(yè)集團(tuán)首個(gè)千萬噸級(jí)礦井[27]。

2.2 指標(biāo)量化

本次選定的指標(biāo)經(jīng)過灰色系統(tǒng)理論論證判斷，體現(xiàn)了邏輯性和科學(xué)性。同時(shí)，這些指標(biāo)依據(jù)國家法規(guī)或行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換而成，具有很強(qiáng)的操作性，大多數(shù)指標(biāo)可通過調(diào)研及實(shí)測(cè)方式獲取。指標(biāo)值能夠體現(xiàn)國家或行業(yè)法規(guī)和技術(shù)規(guī)程，可直接查閱取值。部分指標(biāo)需參考最新文獻(xiàn)觀點(diǎn)和方法技術(shù)，如植被生產(chǎn)力，本文以其為例進(jìn)行探討，具體如下。

植被生產(chǎn)力的取值方法是結(jié)合遙感技術(shù)，針對(duì)不同植被類型采用與之相匹配的生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型。

林地生產(chǎn)力模型參照鄭元潤等[28]建立的凈第一生產(chǎn)力模型：

草地生產(chǎn)力模型參照黃敬峰等[29]創(chuàng)立的指數(shù)法y=Aexp (Bx)來模擬山地草地的生產(chǎn)力：

耕地則采用黃秉維[30]提出的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力潛力模型：

其中：T=n/360，W=E/r。

式中：Pa為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，kg/hm2，乘以因子0.4，即為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；T為溫度有效系數(shù)；n為無霜天數(shù)，d；W為水分有效系數(shù)；E為蒸發(fā)量，mm；r為降水量，mm；S為土壤有效系數(shù)，取值參考王洪波等[31]的不同土地因數(shù)組合類型。

通過上述幾種方法，得到評(píng)價(jià)區(qū)的森林凈初級(jí)生產(chǎn)力，其中有林地55.81 t/(hm2·a)，灌木林地21.20 t/(hm2·a)；草地生產(chǎn)力為：450.5l kg/hm2；耕地生產(chǎn)力為：旱田5 039 kg/hm2、水澆地8 025 kg/hm2。

結(jié)合前文中植被覆蓋程度以及土地構(gòu)成進(jìn)行比例累加再求均值的方法，得到本區(qū)植被生產(chǎn)力為5 030 kg/hm2。

為驗(yàn)證植被平均生產(chǎn)力數(shù)值的正確性，引入邁阿密模型[32]，其計(jì)算公式為：

式中：NPPt 為根據(jù)年均氣溫計(jì)算的凈第一性生產(chǎn)力，g/(m2·a)；t為年均氣溫，℃；NPPr 為根據(jù)年降水量計(jì)算的凈第一性生產(chǎn)力，g/(m2·a)；r為年均降水量，mm。

寺河井田所處區(qū)位多年平均氣溫11.7℃，多年平均降水量580.1 mm，代入公式中計(jì)算得到NPPt 為1 563.2 g/(m2·a)，NPPr 為959.028 6 g/(m2·a)。

根據(jù)Lieth 理論，某個(gè)地區(qū)最終的生產(chǎn)力是取溫度和降水二者計(jì)算的生產(chǎn)力中的最小值[33]。所以，在寺河井田區(qū)塊降水應(yīng)該是影響該區(qū)凈第一性生產(chǎn)力的主要因素，由此得到評(píng)價(jià)區(qū)最終自然生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產(chǎn)力為959.028 6 g/(m2·a)，折合為9 590.77 kg/hm2。

考慮寺河井田所處的地貌形態(tài)為低山丘陵地貌，地表水對(duì)土壤侵蝕能力比較強(qiáng)，再加上礦山開采造成的沉陷對(duì)土地影響，單純利用整體面積獲得的自然生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產(chǎn)力9 590.77 kg/hm2顯得過于理想化，可能與實(shí)際不符；應(yīng)將基巖裸露區(qū)域剔除，采用地塊單元累加的方式來求取寺河井田所處范圍的植被生產(chǎn)力，經(jīng)計(jì)算應(yīng)調(diào)整為5 030 kg/hm2。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合前述分析，并參考臨近研究區(qū)資料，得到寺河井田煤-水-環(huán)協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各項(xiàng)指標(biāo)(表5)。同時(shí)，為加強(qiáng)橫向同類井田“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調(diào)發(fā)展實(shí)際情形的可對(duì)比性，運(yùn)用如上方法對(duì)沁水盆地東南部成莊井田進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

表5 寺河和成莊井田“煤-水-環(huán)”協(xié)調(diào)發(fā)展總體評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Overall evaluation results of“coal-water-environment”coordinated development in Sihe and Chengzhuang Minefields

從目標(biāo)層結(jié)果而言，二者評(píng)價(jià)結(jié)果基本相近，寺河井田64.48、成莊井田64.41，實(shí)現(xiàn)了同區(qū)域范圍內(nèi)不同井田“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調(diào)發(fā)展程度的對(duì)比，可為礦產(chǎn)規(guī)劃部門提供參考。但是，二者準(zhǔn)則層分值差異較大，寺河井田在綠色可持續(xù)開發(fā)方面整體較好，在礦井水復(fù)用率、污水復(fù)用率、噪聲達(dá)標(biāo)等方面指標(biāo)值表現(xiàn)相較于成莊井田(表5)較有優(yōu)勢(shì)，但在儲(chǔ)采比及植被覆蓋度方面，指標(biāo)分值與同區(qū)域內(nèi)的其他礦井相比優(yōu)勢(shì)不足。而成莊井田在資源承載能力方面雖不如寺河井田，但由于成莊井田所處區(qū)域相對(duì)平坦，耕地面積占比較大，在環(huán)境污染與防治及生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)方面較寺河井田有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于寺河井田，由于井田范圍內(nèi)地勢(shì)起伏大，溝壑縱橫、水土流失嚴(yán)重，加之煤炭開采造成土地資源不足。今后寺河井田在開采過程中要加強(qiáng)耕地保護(hù)，在開采沉陷區(qū)要提高土地復(fù)墾率，減少水土流失，增加植被覆蓋率，避免植被退化。

3 結(jié)論

a.借鑒層次分析理論與灰色系統(tǒng)理論，以煤炭安全開采為目的，兼顧水資源與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，在考量資源因素的同時(shí)兼顧技術(shù)發(fā)展與環(huán)境理念進(jìn)步的因素，科學(xué)構(gòu)建了“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

b.根據(jù)最新行業(yè)規(guī)程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及地方指導(dǎo)性規(guī)劃確定指標(biāo)初步選值，再利用灰色系統(tǒng)理論用以度量各指標(biāo)與目標(biāo)層的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)行科學(xué)性和邏輯性判定，形成一套指標(biāo)選取篩分方法，避免了以往在指標(biāo)選取過程中的隨意性及與生產(chǎn)技術(shù)實(shí)際脫離的情況。

c.以山西沁水盆地寺河井田為對(duì)象，進(jìn)行指標(biāo)體系的應(yīng)用與評(píng)價(jià)，得到寺河井田“煤-水-環(huán)”綠色協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)結(jié)果為64.48；對(duì)成莊井田進(jìn)行應(yīng)用與評(píng)價(jià)來橫向?qū)Ρ?，其評(píng)價(jià)結(jié)果為64.41。兩井田評(píng)價(jià)結(jié)果均與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)展實(shí)際基本吻合，證明本體系方法具有可行性，可為能源戰(zhàn)略規(guī)劃提供一定的參考。

致謝：在資料搜集過程中，得益于晉城煤業(yè)集團(tuán)及寺河煤礦相關(guān)人員的幫助，工作順利開展，在此敬表謝意。