基于云模型的煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)

董思思,　董春游

(1.黑龍江科技大學(xué) 管理學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 研究生學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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基于云模型的煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)

董思思1,董春游2

(1.黑龍江科技大學(xué) 管理學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 研究生學(xué)院, 哈爾濱 150022)

針對(duì)傳統(tǒng)煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)方法處理數(shù)據(jù)的局限性,提出基于云模型和熵權(quán)的綜合評(píng)價(jià)方法。該方法利用云模型實(shí)現(xiàn)指標(biāo)定性與定量的轉(zhuǎn)換,利用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、客觀性和可行性的原則,建立以礦區(qū)土地復(fù)墾率、森林覆蓋率、噪聲控制達(dá)標(biāo)率等12個(gè)指標(biāo)為評(píng)價(jià)指標(biāo)的煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)體系,并以?xún)?nèi)蒙古柏樹(shù)坡煤炭建設(shè)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告中的三個(gè)方案為例,進(jìn)行實(shí)證分析。結(jié)果表明,該方法可克服傳統(tǒng)方法主觀賦值的缺陷,為煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)方案選取提供決策依據(jù)。

煤炭資源; 環(huán)境評(píng)價(jià); 云模型

煤炭資源作為一種不可再生資源,占我國(guó)一次能源消費(fèi)比重的70%以上,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。環(huán)境保護(hù)和資源有效利用是經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康、可持續(xù)發(fā)展的基本保障。因此,煤炭資源開(kāi)發(fā)既要滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要,更要注重對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和建設(shè)。煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中所引起的環(huán)境破壞問(wèn)題主要有水土污染與流失、揚(yáng)沙及沙塵現(xiàn)象、草場(chǎng)超載退化、地面變形塌陷、采礦固體廢棄物占地等。煤炭資源開(kāi)采面臨環(huán)保壓力增大及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整所帶來(lái)的雙重壓力,加快向安全高效開(kāi)采和清潔高效利用的轉(zhuǎn)變是當(dāng)今煤炭資源開(kāi)發(fā)的重中之重。近年來(lái),煤炭建設(shè)項(xiàng)目涉及的環(huán)境保護(hù)與生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)展問(wèn)題已逐漸受到全球的關(guān)注。

目前,煤炭項(xiàng)目評(píng)價(jià)方法較為傳統(tǒng)。馬麗麗等[1]以昌平某礦區(qū)為例,采用 AHP 與模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法確定權(quán)重,在GIS平臺(tái)上對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)疊加,構(gòu)建了基于層次分析與模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)體系。石曉波[2]參照聯(lián)合國(guó)和經(jīng)濟(jì)合作組織(OECD)提出的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型和孫順利等[3]提出的基于PSR模型的礦區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)適度開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)模型,構(gòu)建基于PSR模型的煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)體系,并采用層次分析法確定權(quán)重,利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法分析煤炭建設(shè)項(xiàng)目是否符合科學(xué)發(fā)展。趙娜[4]構(gòu)建了煤炭開(kāi)采環(huán)境影響后評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并分別采用專(zhuān)家打分法、層次分析法和綜合指數(shù)法對(duì)清潔生產(chǎn)水平進(jìn)行分析。陳橋等[5]采用AHP法確定權(quán)重,逐層加權(quán)計(jì)算目標(biāo)層的評(píng)價(jià)值,再通過(guò)權(quán)重和評(píng)價(jià)值加權(quán),構(gòu)建評(píng)價(jià)等級(jí)及礦山生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型。

這些方法的弊端是單純解決評(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性問(wèn)題或者模糊性問(wèn)題,評(píng)價(jià)結(jié)果與原環(huán)境影響報(bào)告的預(yù)測(cè)結(jié)論存在一定誤差。而煤炭建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)是模糊性指標(biāo)與隨機(jī)性指標(biāo)并存的復(fù)雜綜合系統(tǒng)。因此,筆者采用能夠處理隨機(jī)性和模糊性交叉問(wèn)題的云模型實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的定性與定量轉(zhuǎn)換,采用客觀性強(qiáng)的熵權(quán)法確定權(quán)重,構(gòu)建基于云模型和熵權(quán)法的煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)模型,以期從生態(tài)環(huán)境保護(hù)的角度為煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)方案選取提供理論支持和決策依據(jù)。

1　煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取要遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、客觀性和可行性的原則。根據(jù)以上原則,結(jié)合SL 312—2006《水土保持工程運(yùn)行技術(shù)管理規(guī)程》、GB 50433—2008《開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定,主要考慮煤炭建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中引起的環(huán)境問(wèn)題,如空氣污染、采空區(qū)地表沉陷、水資源破壞、礦井水和煤矸石排放等幾方面。其中,礦區(qū)土地復(fù)墾比例、森林覆蓋比例可直接體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)恢復(fù)的情況；環(huán)境保護(hù)投入總量和水土保持投入總量可間接體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)恢復(fù)狀況;噪聲控制、廢水處理、廢氣排放、固體廢物排放達(dá)標(biāo)率及煤矸石生產(chǎn)量等可體現(xiàn)環(huán)境污染治理情況;懸浮顆粒日均濃度(TSP)、SO2濃度、礦區(qū)土地沙漠化程度體現(xiàn)環(huán)境污染和環(huán)境破壞情況。在整個(gè)煤炭建設(shè)項(xiàng)目生命期內(nèi)這些指標(biāo)需全面考慮,并根據(jù)指標(biāo)特征分別列入事前評(píng)價(jià)和后評(píng)價(jià)。文中選取的影響環(huán)境的煤炭建設(shè)項(xiàng)目指標(biāo)見(jiàn)圖1。

圖1　影響煤炭建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境指標(biāo)

2　基于云模型和熵權(quán)的評(píng)價(jià)方法

2.1云模型

云模型是實(shí)現(xiàn)不確定語(yǔ)言值與定量數(shù)值之間的自然轉(zhuǎn)換的模型。設(shè)U是一個(gè)定量的論域,A為U的定性表示。假設(shè)定量值x∈U,x表示定性概念A(yù)的一個(gè)隨機(jī)變量,那么x對(duì)A的隸屬程度μ(x)∈[0,1]為

μ:U→[0,1],?x∈U,x→μ(x),

(1)

則x在論域U上的分布稱(chēng)為云。云模型主要采用期望Ex、熵En和超熵He[6-9]三個(gè)數(shù)字特征對(duì)指標(biāo)進(jìn)行描述,如圖2所示。

圖2　云模型的數(shù)字特征

云發(fā)生器是從定性概念到定量轉(zhuǎn)化的過(guò)程,也就是由云的數(shù)字特征產(chǎn)生云滴的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程,如圖3所示。

圖3　云發(fā)生器

已知云的三個(gè)數(shù)字特征(Ex、En、He),當(dāng)x=x0或y=y0時(shí),可形成X和Y條件云發(fā)生器[10-12]。

2.2權(quán)重的確定

利用熵權(quán)法確定煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,可以避免人為因素的影響。遴選煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)方案時(shí)[13],若各方案的同類(lèi)指標(biāo)值相同、熵權(quán)為零,評(píng)價(jià)時(shí)可剔除,以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。文中采用熵權(quán)法確定權(quán)重。

設(shè)煤炭建設(shè)項(xiàng)目有n個(gè)待評(píng)方案,集合為a={a1,a2,…,an},每個(gè)評(píng)價(jià)方案有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),其集合為P={P1,P2,…,Pm},其中,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。由此得到煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)初始指標(biāo)矩陣A=(aij)n×m,其中,aij表示煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)第i個(gè)方案相對(duì)應(yīng)的第j項(xiàng)的評(píng)價(jià)值。以此為基礎(chǔ),可以進(jìn)行熵權(quán)計(jì)算[14],過(guò)程如下:

(1)建立煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)初始矩陣。初始矩陣

其中,aij∈[0,1]。

(2)計(jì)算煤炭建設(shè)項(xiàng)目每個(gè)環(huán)評(píng)指標(biāo)的信息熵s、信息效用σ。第j項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算式為

(2)

用該指標(biāo)的信息熵sj與1的差值表示評(píng)價(jià)指標(biāo)Pj的信息效用價(jià)值σj,故有σj=1-sj。

(3)確定指標(biāo)熵權(quán)。評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重ω=(ω1,ω2,…,ωm),其中,

(3)

需要說(shuō)明的是,由式(3)計(jì)算的熵權(quán)并不單純表示煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)指標(biāo)的重要程度,同時(shí)也表示每個(gè)環(huán)評(píng)方案指標(biāo)值確定的條件下,同類(lèi)指標(biāo)的重要程度。當(dāng)指標(biāo)的相對(duì)差異度接近0時(shí),說(shuō)明此指標(biāo)對(duì)煤炭建設(shè)環(huán)評(píng)結(jié)果影響程度較少,反之亦然。這種方法與傳統(tǒng)的主觀法確定權(quán)重相比,具有更高的可信度。

2.3評(píng)價(jià)等級(jí)云化過(guò)程及評(píng)價(jià)模型

采用正向云發(fā)生器云化處理評(píng)價(jià)等級(jí),用一維正態(tài)云模型表示等級(jí)云的數(shù)據(jù)特征。

設(shè)煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)有n項(xiàng),構(gòu)成體系的集合P=(P1,P2,…,Pn),評(píng)價(jià)等級(jí)集合為x=(x1,x2,…,xm),評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重ω=(ω1,ω2,…,ωm)。

(4)

計(jì)算過(guò)程中,由于兩個(gè)等級(jí)間存在模糊邊界,即同時(shí)隸屬于上下兩等級(jí)區(qū)域,故處于兩個(gè)等級(jí)交叉點(diǎn)的隸屬度相等,則有

(5)

由式(5)可得熵Eni,j,

(6)

超熵Hei,j是對(duì)Eni,j不確定性的測(cè)度,其值可以由經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)獲取。在形成的云滴圖中,超熵表示云滴的聚集程度。

在確定每個(gè)指標(biāo)的等級(jí)云的數(shù)字特征后,可計(jì)算隸屬度矩陣R,

(7)

將權(quán)重集合與R模糊變換得到評(píng)價(jià)集上的模糊子集B,

B=ω?R,

(8)

其中,B表示評(píng)價(jià)方案隸屬等級(jí)的程度,

B=(b1,b2,…,bm)。

3　實(shí)　例

3.1評(píng)價(jià)方案及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)2011年內(nèi)蒙古自治區(qū)柏樹(shù)坡煤礦項(xiàng)目可行性研究報(bào)告提供的環(huán)境分析數(shù)據(jù)及相關(guān)文件構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。依據(jù)可行性研究報(bào)告提出三種方案：方案1為雙斜井(中部),方案2為二斜井(一立井),方案3為雙斜井(邊界)。參照煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,給出不同方案各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。

表1　三種方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.2評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)確定

根據(jù)煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)模型以及表1,確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),如表2所示。其中，等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別表示該方案的環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)很差、中等、良好、優(yōu)秀。

利用云模型建立每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的云圖,根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的云化過(guò)程,采用MATLAB軟件計(jì)算各個(gè)等級(jí)的數(shù)字特征。以礦區(qū)土地復(fù)墾比例P9為例，Ⅰ等級(jí)的數(shù)字特征為(40.000 0 8.492 6 0.100 0);Ⅱ等級(jí)的為(55.000 0 4.246 3 0.100 0);Ⅲ等級(jí)為(70.000 0 8.492 6 0.100 0);Ⅳ等級(jí)的為(85.000 0 4.246 3 0.100 0)。其對(duì)應(yīng)的四個(gè)等級(jí)云圖如圖4所示。

表2　煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.3評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)熵權(quán)法求權(quán)重的原理進(jìn)行編程,并采用MATLAB7軟件運(yùn)算,求得指標(biāo)權(quán)重:ω=(0.320 00.025 00.032 50.397 20.123 70000.102 000.001 10),

其中,指標(biāo)權(quán)重為0表示其不影響方案比選。

3.4評(píng)價(jià)結(jié)果

運(yùn)用X-條件云及式(7)計(jì)算各方案指標(biāo)的隸屬度矩陣R:

根據(jù)式(8)可得柏樹(shù)坡煤礦建設(shè)項(xiàng)目各個(gè)方案的環(huán)境評(píng)價(jià)水平,如表3所示。

由結(jié)果可知,方案1的環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)為良好(Ⅲ級(jí)),方案2、3的環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)秀(Ⅳ級(jí)),故排除方案1。又因?yàn)榉桨?隸屬于Ⅳ級(jí)的程度為0.587 8,方案3隸屬于Ⅳ級(jí)的程度為0.554 6，根據(jù)隸屬度原則,方案2優(yōu)于方案3,故選擇方案2。此結(jié)果與實(shí)際選擇相一致。

圖4　P9對(duì)應(yīng)的四個(gè)等級(jí)云圖

方案隸屬度Ⅰ級(jí)Ⅱ級(jí)Ⅲ級(jí)Ⅳ級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)10.00860.03030.61720.3439Ⅲ20.00610.03250.37370.5878Ⅳ30.00960.02810.40780.5546Ⅳ

4　結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、客觀性和可行性的原則,

建立以礦區(qū)土地復(fù)墾率、森林覆蓋率、噪聲控制達(dá)標(biāo)率等12個(gè)指標(biāo)為評(píng)價(jià)指標(biāo)的煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)體系。將云模型應(yīng)用于煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)中,并采用客觀賦值的熵權(quán)法確定權(quán)重,建立云模型理論和熵權(quán)法相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型。以柏樹(shù)坡煤礦建設(shè)項(xiàng)目為例,對(duì)其三個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際相符。該研究為煤炭建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)方案選取提供了理論支持和決策依據(jù)。

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(編輯荀海鑫)

Cloud model-based environment evaluation of coal construction project

DONGSisi1,DONGChunyou2

(1.School of Management, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Graduate School, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper highlights a novel comprehensive evaluation approach as a viable alternative to the conventional environment evaluation method plagued by its limited ability to process data concerning the implementation of coal construction projects. This approach performs a qualitative and quantitative conversion of indexes using the cloud method and index weight determination using entropy weight. The viability of the approach is verified by developing the coal construction project environment evaluation system comprised of 12 indexes, such as the land reclamation rate, the forest coverage rate, and noise control standards， an indication of scientific, systematic, objective, and feasible principle, and this verification is reinforced by performing an empirical analysis of the three cases selected from the construction project feasibility reports by Baishupo Coal Mine located in Inner Mongolia. It follows that the approach, free from the drawbacks due to subjective evaluation inherent in the conventional method, promises to be a decision-making basis for selecting environment evaluation schemes for coal construction projects.

coal resource; environmental evaluation; cloud model

2013-12-28

董思思(1986-),女,吉林省長(zhǎng)春人,助教,碩士,研究方向:項(xiàng)目評(píng)價(jià)及管理,E-mail:sisi1986413@vip.qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.03.023

F426.21

2095-7262(2014)03-0336-05

A