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何少林,等.基于AHP的油页岩原位开采生态环境评价指标体系构建

时间：2022-04-23 来源： 浏览：

何少林,等.基于AHP的油页岩原位开采生态环境评价指标体系构建

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作者简介

第一作者 ： 何少林（ 1977 -），男，博士，高级工程师。现在北京中陆咨询有限公司从事油页岩原位开采生态环境保护研究等工作。 E-mail：.cn。

通信作者：刘伯约（1987-），男，博士，讲师。现在天津城建大学从事环境污染控制与修复工作。E-mail：liuboyue@tcu.edu.cn。

基于AHP的油页岩原位开采生态环境评价指标体系构建

何少林 1 ，刘伯约 2 ，胡军 2 ，苑宏英 2 ，纪冬丽 2 ，齐志斌 1 ，葛雁冰 1

1.北京中陆咨询有限公司；2.天津城建大学

摘要

基于中国油页岩资源开发的迫切需求，以及环境污染的严峻形势，建立油页岩的原位开采对生态环境影响评价的指标体系是颇有意义的。通过利用文献分析法及德尔菲法，结合现有相关行业标准及国内外行业经验确定对生态环境产生影响的指标，确定了3个二级指标和10个三级指标构成评价指标体系。利用AHP（层次分析法）和德尔菲法计算出指标体系中二、三级指标的权重，二级指标依次为环境选址、环境风险和环境治理，而环境容量、地下水风险及防范和清洁生产是所属二级指标中影响相对较大的三级指标。该评价指标体系的建立可为实现油页岩的绿色开采提供重要依据。

关键词

层次分析法；指标体系；生态环境；油页岩原位开采；权重

0   引言

油页岩资源是在地壳内由地质作用形成具有经济价值的固体自然富集物，属于非常规油气资源，一般含油率大于3.5%或有机碳含量大于5.0%。中国页岩油已探明储量28亿吨，居世界第九，在能源尤为紧缺的大背景下，油页岩的开发利用将是国家能源开发研究的重点 ［1-3］ 。
油页岩开采技术分为原位开采和异位开采两种，原位开采由于具有成本低、质量高等优点，是油页岩开发利用的热点和主流 ［4］ 。然而油页岩原位开采技术同样会对矿区生态环境，如地下水、地表水、土壤和大气等产生一定影响。PUTRA ［5］ 对油页岩原位热解过程中的环境效应进行了研究，认为油页岩开采过程中化学混合物的注入会给开采区附近地下水质量带来负面影响。姜雪 ［2］ 针对油页岩原位开采对地下水水质进行了评价，发现开采区域地下水水质变差，多为Ⅴ类水，超标离子主要为氨氮、锰、铁。邱淑伟等 ［6］ 发现油页岩开采及热解过程中会向环境释放大量有机污染物质，主要有机成分为烷烃、烯烃等，对相应地区的土壤、地表水以及地下水环境造成污染。Jiang X等 ［7］ 通过研究发现油页岩样品在热解前后的抗压强度和抗拉强度变化幅度很大，认为这将破坏开采区域中地质环境的岩体稳定性。赵静 ［8］ 对油页岩样品进行了不同温度的热解试验，对热解后的样品进行单轴压缩试验，结果表明随着温度的上升油页岩的弹性模量和泊松比基本均呈下降趋势，导致油页岩储层岩体物理力学性质发生变化，可能诱发地面沉降等地质灾害。因此，油页岩开发利用时对生态环境进行评价非常有必要。
目前中国的油气田工程面临着较大的环境压力 ［9］ 。徐洁 ［10］ 采用AHP（层次分析法）与综合评价法对页岩气开采区域生态环境承载力进行评价发现，开采过程中植被覆盖率和水土流失是重点关注对象。杨建军等 ［11］ 采用PSR（压力-状态-响应）框架模型，运用PCA（ 主成分分析 ）法对露天煤矿生态环境安全评价指标体系进行综合评价，结果表明矿区生态环境安全形势严峻，建议当地严格控制污染源的排放量。油页岩的原位开采位常处于地下数百米深处，其高温开采特性对地下水环境及地质环境的影响更大。因此，对油页岩原位开采工作的关注重点不能仅仅是地表指标。
对油页岩原位开采生态环境因素的分析，其本质上属于一个多层次、多目标决策性问题，它基于多目标决策来分析目标层，需要考虑非独立存在且相互影响的多种因素。AHP法是解决这类问题的最有前景的方法 ［10-11］ ，它的特点是通过系统分析，把复杂问题以递阶层次结构进行拆分，然后两两比较 各层次相关因子，判断各属性因子的相对重要性而给予赋值，进而从定性分析过渡到定量分析，适用于油页岩原位开采生态环境因素分析这种难以定量的数学问题的解决 ［12-13］ 。
目前，国内外对于油页岩原位开采生态环境影响评价研究鲜有报道。本文基于AHP，结合文献调查法、德尔菲法和综合评价指数法等手段，构建了一套完整的用于考核开采区域是否适宜开采的油页岩原位开采生态环境评价指标体系，为油页岩开采项目的规划设计和生态环境保护提供了决策依据。

1   指标的筛选和说明

1.1  指标的筛选
原位开采油页岩的方法是在地下完成热解，产出的页岩油气再通过矿井采集输出，该技术影响重点在地下，对生态环境的影响具有其特殊性。因此，需针对油页岩原位开采特点构建其评价体系。
本文针对油页岩原位开采的生态环境影响特点，基于选取指标的系统性、可操作性和有效性原则，依据中国现有建设项目环境影响评价技术导则，如，HJ/T 89—2003《环境影响评价技术导则 石油化工建设项目》、HJ/T 349—2007《环境影响评价技术导则 陆地石油天然气开发建设项目》、HJ 610—2011《环境影响评价技术导则 地下水环境》等相关文件，参考指标的分解及说明部分，对关键环境因素进行整理、分析、归纳和总结。然后，组织专家咨询会充分咨询并汲取利用专家经验，对专家提出的遗漏和冗余的关键因子进行补充、调整和删减后，进行了第二次专家咨询会，最终确定了油页岩原位开采生态环境评价指标体系的3个二级指标和10个三级指标，具体的递阶体系见图1。

图1  油页岩原位开采生态环境评价指标递阶体系

1.2  各级指标说明
1.2.1  环境选址
环境选址指油页岩原位开采前需要考虑开采区域的水文环境、地质环境、环境承载力以及特殊生态保护区等，通过对开采区域环境条件以及开采区域优劣势的综合考虑进行选址。主要通过水文地质、工程地质、生态敏感和环境容量4个三级指标进行评价。
“水文地质”指油页岩选址区域里的水文环境条件，主要为地下水的分布和岩层特性，研究开采过程对地下水产生影响的条件。主要表征为地下水与储层距离、含水层渗透率。
“工程地质”指油页岩选址区域的地质环境条件，考虑开采过程中地质条件的优劣。主要表征为断层距离、岩石质量指标、岩石弹性模量和岩层孔隙率。
“生态敏感”指生态环境对油页岩原位开采活动的敏感程度，反映生态环境对于油页岩开采活动的承受能力和生态功能遭到破坏的恢复能力。主要表征为生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地胁迫指数和环境限制指数。
“环境容量”指在确保油页岩开采过程不受影响、自然生态平衡不受破坏的前提下，选址区域环境所能容纳污染物的最大负荷值。主要表征为地表水环境容量和大气环境容量。
1.2.2  环境风险
环境风险指油页岩原位开采活动中发生突发性事故时对环境带来的危害程度及可能性。主要通过地下水风险及防范、环境地质风险及防范和其他环境风险及防范等3个三级指标进行评价。
“地下水风险及防范”指油页岩原位开采突发性事故对地下水环境造成的风险，主要是地下水的污染问题，并采取相应的防范措施。主要表征为地下水风险潜势、地下水风险防范。
“环境地质风险及防范”指油页岩开采活动中突发性事故造成地质活动的风险，预测和评价可能出现的地质问题以及相应的防范措施。主要表征为地表变形量、次生灾害危险度和地质风险防范。
“其他环境风险及防范”指油页岩开采突发性事故对地表水环境、土壤环境、大气环境造成的风险，预测和评价可能出现的环境问题以及相应的防范措施。主要表征为地表水环境风险、土壤环境风险、大气环境风险和环境风险防范。
1.2.3  环境治理
环境治理指油页岩原位开采项目通过治理手段来管控整个开采过程（施工期、生产期和退役期），减少项目对生态环境的影响。主要通过清洁生产、污染治理和过程管控3个三级指标进行评价。
“清洁生产”指油页岩开采过程中减少或者避免污染物的产生和排放的技术，从源头削减污染，提高油页岩利用效率。主要表征为单位产品综合能耗、生产设备特征、污油回收率、废水达标率和生产管理制度。
“污染治理”指油页岩在开采过程中消除或降低所产污染物对环境的影响而采用的处理技术。主要表征为水污染治理、大气治理和固废处理。
“过程管控”指油页岩开采过程与末端实现污染物有效预防和控制而采用的管理技术和措施，主要表征为监测管理、设施管理和退役管控。

2   AHP法计算指标权重

油页岩生态环境领域涵盖地质、油气开采、水文地质、地下水保护、废水处理、大气污染治理、固体废物处置、环境规划、环境影响评价等专业，为保证指标及权重的确定更加全面、科学、合理，同时考虑经济可行，本研究聘请专家15人（均为各大高校、研究院和企业中多年从事该领域研究，并具有高级、副高级职称的专家学者），即15个样本量，以确定油页岩原位开采生态环境质量评价体系中二级指标及各三级指标的权重，对相应的二、三级指标通过专家调查问卷的形式进行调查。
2.1  判断矩阵的构造方法
对油页岩原位开采生态环境评价体系中各指标间的关系进行初步分析，对同一阶层的各因素构造两两比较判断矩阵。为使矩阵中各要素的重要性能够进行定量显示，引进矩阵判断三标度法（见表1）。
表1  三标度法

本研究首先由专家按照三标度法对两两指标之间的重要度做出评判，并且符合判断矩阵的一致性；然后进一步确定权重，换算得到相应的1～9标度矩阵，求出判断矩阵的最大特征值，通过公式进行一致性检验，若通过一致性检验说明该矩阵比较合理，指标权重可行；最后，对各指标权重进行修正，修正后的权重能够很好地综合各专家的意见，将专家意见一致化，具体方法如下。
2.1.1 指标权重计算方法

2.1.2  判断矩阵一致性检验
一致性检验是保证结论可靠的必要条件，判别如下：

表2  平均随机一致性指标的值

2.1.3  对指标修正后的权重计算
对于同一层指标形成的判断矩阵，设专家形成的判断矩阵权重向量：

本研究通过梳理各指标之间的关系，利用AHP法构建递阶体系，然后根据判断矩阵计算出权重并进行一致性检验，最后通过权重的修正确定最终的权重。
2.2  专家调查问卷构造矩阵
根据专家调查问卷表的打分结果，对数据进行整理后，得到各个二级指标和三级指标判断矩阵，见表3～表6。
表3  二级指标的三标度判断矩阵

表4  环境选址的三标度判断矩阵

表5  环境风险的三标度判断矩阵

表6  环境治理的三标度判断矩阵

将三标度法转换成九标度判断矩阵后，利用式（1）～（3）对二级指标的四类专家打分的权重进行求解，通过式（4）、式（5）得到计算结果如下：

然后利用式（6）、式（7）对上述四类观点权重计算结果进行一致性检测，并由式（8）～（10）可得：S1（0.251），S2（0.251），S3（0.239），S4（0.259）。
再由式（11）、式（12）计算得到改进后的指标权重表达式为：

。

从上述计算可知，二级指标中环境选址的权重为0.464，环境风险的权重为0.289，环境治理的权重为0.247。进而可知，在二级指标中环境选址的权重最大，环境治理的权重最小。
同理可得各个二级指标下的三级指标权重，三级指标判断矩阵。三级各指标权重计算结果如下：
环境选址下三级指标权重：

环境风险下三级指标权重：

环境治理下三级指标权重：

根据以上权重一致化公式计算，油页岩原位开采生态环境评价指标体系的权重结果具体见表7。
本研究体系中各个二三级指标依据本行业专家评议会讨论结果确定，具有一定的权威性，但未限定具体矿区位置和开采工程项目情况，因此表7体系中各个三级指标可根据实际矿区情况进行合理微调，如考虑在环境治理（B3）中增加“生态恢复指标”。如果在实地应用中，矿区当地的环境容量（C4）难以进行计算，导致实施困难等原因，可取消此指标，或以其他指标进行替换。同时在不同项目中应用时，专家评议问卷调查结果的不同，会使各个指标所占权重与本研究结果有出入，这均为合理情况。
表7 油页岩原位开采生态环境评价指标体系权重

油页岩原位开采生态环境评价指标体系权重确定后，结合工程项目的实际情况，对各个三级指标进行考核分级评分，如，生态敏感（C3）即可进行如表8所示等级划分。
表8 生态敏感等级划分

通过指标层的三级指标评价值和相应权重，一步步加权平均计算出准则层的二级指标评价值，再利用相同的方法综合得到最后的目标层考核评价值。将最终考核评价值进行等级评分划分，优（90～100）、良（75～90）、中等（60～75）、差（60及以下）。得分为优良的项目可以进行；得分为中者，需在有关部门的慎重考察分析下，将环境影响与开采后的社会、经济效益共同权衡后，确定该项目是否实施；得分为差者，不建议实施。

3  结论

针对油页岩原位开采的生态环境影响特点，运用AHP法和德尔菲法建立了用于评价油页岩原位开采生态环境指标体系的10项指标。分别为二级指标环境选址（水文地质、工程地质、生态敏感、环境容量），二级指标环境风险（地下水风险及防范、环境地质风险及防范、其他环境风险及防范）和二级指标环境治理（清洁生产、污染治理、过程管控）。
利用AHP法结合德尔菲法计算出油页岩原位开采生态环境评价指标的权重。其中二级指标中环境选址的权重最大为0.464，其次是环境风险，权重为0.289，而环境治理的权重最小为0.247；环境选址中三级指标环境容量的权重最大为0.352；环境风险中三级指标地下水风险及防范的权重最大为0.515；环境治理中三级指标清洁生产的权重最大为0.385。该体系的建立可以帮助油页岩原位开采开发技术人员对采矿活动对于矿区生态环境的影响进行评价，从而有针对性地设计或调整开发方案，改进相关生产工艺；也可协助相关部门建立高效、针对性的监管机制，从而落实绿色开采，建设绿色矿区，实现经济和生态环境的协调可持续发展。

参考文献上下滑动阅览

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