0 引言

长期大规模矿产开发活动，诱发了比较严重的矿山环境问题，破坏甚至改变了人类的生存环境 （杨金中等，2015）。践行绿色发展理念，研究科学的矿山地质环境评价方法，是矿山环境合理规划与治理的基本依据，对于实现矿山绿色发展具有重要意义。

当前层次分析法（AHP）是一种广泛应用于矿山地质环境评价的主观赋权法（姚建，1998；王创业等，2012；马世斌等，2015；初娜等，2016；高永志等， 2016；董双发等，2017；汪洁等，2019；王跃和安天浩，2019），可以将复杂的问题进行层次分解，从而将定性的评价因子量化，具有系统性、简单易懂性。熵权法（EWM）也是应用较多的评价方法（王清源和潘旭海，2011；靖培星等，2016；董伯舒，2019），主要根据各指标的取值分布特点来确定权重，具有能够体现指标客观实际、精度高和适用性广等特点，但确定权重过程中未充分重视各评价指标间的横向比较（张文龙，2018）。为了尽可能的发挥生产经验和客观实际在权重赋值中的作用，本文对层次分析法与熵权法进行耦合研究，以期实现主观权重和客观权重的合理融合，提出更为客观、准确的综合权重评价方法。以清镇市铝土矿区矿山地质环境评价为例，验证了该方法的可靠性和有效性。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省贵阳市境内，地跨清镇市、关山湖区和修文县3县，地理位置处于北纬26°48'~26°34'、东经 106°20'~106°29'，占地面积 375 km²。山地、丘陵为主的丘陵盆地地貌，北亚热带季风湿润气候，年平均气温14.1℃，降水量1180.9 mm。研究区是中国重要的沉积型铝土矿成矿区，开发程度高，目前有铝土矿山企业 21 家，年开采量约 280 万 t。研究区内还存在开采煤、铁、石灰岩、白云岩等的小型矿山企业15家。

区内主要出露寒武系、石炭系、三叠系、二叠系等地层（图1）。铝土矿主要赋存于下石炭统九架炉组中段，含矿层一般厚约20 m。其与上覆下二叠统茅口组灰岩呈整合接触，与下伏中—上寒武统娄山关组白云岩夹黏土岩呈假整合接触。

1.2 基础数据

为评价清镇市铝土矿区矿山地质环境状况，收集了研究区卫星遥感影像、降雨、DEM、矿业权数据等资料。利用 ArcGIS、ENVI 等软件进行了影像数据制作、信息提取、统计分析等处理，获取了评价工作所需的矿山地质环境基础数据。

遥感数据源采用时相 2018 年 6 月 7 日的 GF-1 卫星数据。针对数据特点，利用ENVI软件对8 m分辨率多光谱（MUX）数据与2 m分辨率全色（PAN）数据进行了正射纠正、几何配准、波段融合、图像增强等处理，制作了研究区DOM影像数据（图2）。

基于DOM影像数据，采用计算机自动提取与人机交互解译相结合的方法，获取了土地利用（道路、村庄、水域等）、矿山开发环境（开采点、压损土地、生态恢复治理土地、矿山地质灾害等）和基础地质 （地层、断层、岩性等）信息。

利用精度为 30 m 的 DEM 数据，衍生出研究区的坡度和地形起伏度；利用研究区内2018年的矿业权数据，获取了矿山开采强度；利用 GF-1多光谱数据，通过辐射定标、大气纠正、异常值去除、归一化植被指数（NDVI）计算、确定置信度范围等处理模拟了植被覆盖度。利用 2000—2014 年各月公里格网降尺度降水数据（来源于国家地球系统科学数据共享平台），加权计算求出研究区年降雨量。

2 评价指标体系建立

2.1 评价单元

影响研究区矿山环境评价的因素非常复杂，在不同的地段其影响因素也各不相同（孙厚云等， 2019；东启亮等，2020）。为做到局部矿山环境评价的合理、精确，选择正方形网格，即将整个研究区域以间距为500 m 的公里网划分为1500个评价单元。

1—上白垩统况家湾组砂岩；2—中三叠统关岭组白云岩；3—中—下三叠统嘉陵江组灰岩、黏土岩及白云岩；4—中—下三叠统安顺组白云岩； 5—下三叠统安顺组、大冶组白云岩；6—下三叠统大冶组黏土岩；7—下三叠统夜郎组页岩、灰岩；8—上二叠统龙潭组、大隆组黏土岩、页岩、白云岩夹煤层；9—上二叠统合山组、大隆组并层石灰岩；10—二叠系峨眉山组玄武岩；11—下二叠统梁山组、栖霞组、茅口组石灰岩；12—下二叠统茅口组灰岩；13—石炭系九架炉组、大埔组并层白云岩；14—下寒武统筇竹寺组页岩；15—下寒武统牛蹄塘组—清虚洞组并层页岩、灰岩；16 —寒武系高台组、石冷水组、娄山关组并层白云岩；17—震旦—寒武系灯影组白云岩；18—上震旦统至下寒武统陡山沱组、灯影组并层白云岩； 19—下震旦统澄江组砂岩；20—新元古界清水江组凝灰岩；21—地层界线；22—角度不整合界线；23—断层；24—铝土矿区；25—研究区； 26—乡镇

2.2 评价指标与分级

评价指标的选择应遵循相对完善性、科学合理性、相对独立性、可量化和可比性的原则。评价指标分为3个层次：其中目标为矿山地质环境评价；影响评价的要素可划归为 4 类，即自然地理、基础地质、资源损毁和地质环境；针对4类要素可再细分为 14 个影响因子，即地形地貌、降雨量、植被覆盖度、区域重要程度、构造、岩性组合、边坡结构、开采矿山密度、开采强度、主要开采方式、损毁土地比例、占用土地比例、地质灾害和生态环境恢复治理比例。根据研究区指标层特征并参考以往学者（王娟等，2012；廖红军等，2015）研究成果分为 4 级（表1）。

2.3 评价模型

基于RS与GIS手段，获取各指标层评价单元的定量或定性值，建立评价模型：

式（1）中：C_i —第 i 项指标层权重；a_i —第 i 项指标层分值；M—矿山地质环境评分。

3 评价指标权重研究

3.1 主观权重

3.1.1 构造判断矩阵

在构建的评价指标体系中，采用专家打分法，各层次逐一将同一层内元素的重要性进行两两比较并评分（b_ij），建立相应的判断矩阵T。

式（2）中，b_ij代表 B_i比 B_j的相对重要性的数值，用著名运筹学家 T. L. Soaty 提出的 1-9 较标度法确定（孔志召等，2012）。

3.1.2 一致性检验

由于客观事物的复杂性或对事物认识的片面性，构造的判断矩阵不一定满足一致性和传递性，需进行检验，方法如下：

（1）计算判读矩阵一致性指标 CI（consistency index）

式（3）中：λ_max—矩阵的最大特征根；m—判断矩阵阶数。

（2）计算判读矩阵一致性比例 CR（consistency ratio）

式（4）中：RI—判断矩阵的平均随机性指标，值已有大量实验给出（孔志召等，2012）。当 CR <0.1，则判断矩阵满足一致性要求，要素层间或各要素层内部元素间的相对重要性判断准确，否则，就需要调整判断矩阵。

3.1.3 计算评价指标主观权重

根据判断矩阵，T的最大特征根λ_max所对应的特征向量，归一化后，即为本层元素对上层元素的排序权重P。评价指标主观权重值见表2。

3.2 客观权重

3.2.1 构造原始数据矩阵

利用信息提取或数据模拟的的基础评价数据，根据评价体系，分别对1500个评价单元（网格）的14 个指标层分段赋值，构建 1500 行 14 列的原始数据矩阵L。

3.2.2 数据标准化

采用归一化方法进行指标的无量纲化处理。设定评价单元的评分值分别为X₁，X₂，···，X₁₅₀₀，标准化后的值为 Y₁，Y₂，···，Y₁₅₀₀，其中 X_i = { x₁，x₂，···， x₁₄ }，Y_i = { y₁，y₂，···，y₁₄ }，那么

3.2.3 求信息熵

根据信息论中信息熵的定义，各指标数据的信息熵为

其中$p_{ij}={\mathrm{Y}}_{\mathrm{i}\mathrm{j}}/\sum _{i=1}^{1500}{Y}_{ij}$

在 Excel中建立矩阵 L，编辑公式（5）、（6），可求出各个指标因子的信息熵值。

3.2.4 计算评价指标客观权重

基于指标因子信息熵，计算各指标的权重（表3）：

其中j=1，2，···，14。

3.3 综合权重

对基于层次分析法获取的主观权重W_i和熵权法获取的客观权重V_i进行线性耦合，获取综合权重：

式（8）中，0≤a≤1。约定主观权重所占比例为 0.6，客观权重所占比例为 0.4，即取 a=0.6，则各要素评价指标耦合情况如图3 所示，评价指标因子综合权重见表4。

4 结果与分析

4.1 评价结果

以 ArcGIS 为平台，利用获取的地形坡度、降雨量、植被覆盖度、土地利用、地质构造、矿山开发环境等基础数据，按评价指标体系（表1）对各个评价单元、指标层进行分级赋值（1级赋值 0、2级赋值 3、3 级赋值 6、4级赋值 9），得到研究区评价指标分值； 以主观权重、客观权重和综合权重分别作为权重值，获取矿山地质环境评分（图4）。

以矿山地质环境评分结果为基础，利用 ArcGIS 平台的空间分析模块，采用核密度法对评分结果进行差值分析，划分出矿山地质环境严重影响区、较严重影响区、一般影响区和无影响区 4 类（赵玉灵， 2020）区域（图5），其面积见表5。

4.2 结果分析

根据图4结果，基于主观权重法、客观权重法和综合权重法的矿山地质环境评分高分值区均与矿山开发集中区域基本相同，说明 3 种方法用于矿山地质环境评价均具有一定的有效性。但是主观权重法获取的高分值区域主要集中于资源损毁或地质环境要素层高分值区，且从高分值向低分值下降梯度过大，表明专家打分对资源损毁与地质环境要素的评分过高，对自然地理和基础地质的影响考虑不够全面细致；客观权重法获取的中分值区域过大，且在距离矿山开发较远的清镇市区（图中东南部）仍有大量分布，表明该方法对自然地理的赋值过高；AHP-EWM综合权重法高、中分值分布介于上述两者之间，表明该方法在矿山地质环境评价中既尊重资源损毁与地质环境主导因素，又充分考虑到了自然地理和基础地质的影响。

根据图5 结果，基于 AHP-EWM 综合权重法把清镇市铝土矿区划分为矿山地质环境影响4类大区 23个子区，相比基于主观权重法的矿山地质环境分区增加子区2个（较严重影响区Ⅱ-8、一般影响区Ⅲ-15），相比基于客观权重法的矿山地质环境分区增加子区1个（一般影响区Ⅲ-4）、减少子区5个（严重影响区Ⅰ-5、一般影响区Ⅲ-11、一般影响区Ⅲ-12、一般影响区Ⅲ-13、一般影响区Ⅲ-14）。其中，区Ⅱ-8内存在石灰岩生产矿山1家、年开采量49万t、损毁林地2.62 hm²、民房3处、乡村公路1条，评定为较严重影响区合理；区Ⅲ-15内存在白云岩停产矿山1 家、损毁林地 2.40 hm²、民房 1 处，评定为一般影响区合理；区Ⅲ-4内存在石灰岩停产矿山1家、损毁林地 2.68 hm²、民房 2 处，评定为一般影响区合理；区 Ⅰ-5内存在铝土生产矿山1家、年开采量10万t、损毁林地 25.93 hm²、民房 10处，评定为较严重影响区相比严重影响区更为合理；区Ⅲ-11、Ⅲ-12、Ⅲ-13 和Ⅲ-14 内及周边无矿山，评定为无影响区相比一般影响区更为合理。综上所述，基于 AHP-EWM 综合权重法相比主观权重法和客观权重法的矿山地质环境评价分区结果与实际更为吻合。

5 结论

（1）主观权重法、客观权重法和 AHP-EWM 综合权重法用于矿山地质环境评价均具有一定的有效性。AHP-EWM 综合权重既体现了客观性、又保证了实用性，可以有效弥补主观权重与客观权重的不足。

（2）基于建立的3个层次评价指标体系，利用多种评价指标权重耦合综合权重的方法，对于深入研究指标权重具有参考意义。

（3）依据 AHP-EWM 综合权重矿山地质环境评价法把清镇市铝土矿区划分为矿山地质环境严重影响区、较严重影响区、一般影响区和无影响区4类大区 23 个子区，划分结果与实际较为吻合，可为矿山开发规划、矿区恢复治理等提供可靠依据。

参考文献