基于广义线性理论的铀矿生态环境安全评价.pdf
基于广义线性理论的铀矿生态环境安全评价 ① 曾 晟, 杜雪明, 谭凯旋 (南华大学 核资源工程学院, 湖南 衡阳 421001) 摘 要 为建立铀矿山生态环境安全评价模型,对我国铀矿山生态环境进行有效评价,选取了我国几个典型铀矿山的生态环境监 测数据进行研究,综合分析影响铀矿山生态环境安全的大气、水、土壤、生态补偿等各项指标。 应用广义线性理论和 SAS 统计分析 方法,建立基于 GLM 的铀矿山生态环境安全评价模型。 通过计算各项指标的对应等级的生态环境安全的影响权重ω ij,得出整体铀 矿山的生态环境安全度 CEI。 研究表明该模型依据标准整理数据,操作性强,能较准确地得出铀矿山的生态安全度,为铀矿山生态 环境安全评价和管理决策提供依据。 关键词 铀矿; 生态环境安全; 广义线性模型; 安全评价 中图分类号 X171文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2014.02.007 文章编号 0253-6099(2014)02-0027-04 Evaluation of Eco⁃environmental Security for Uranium Mine Based on Generalized Linear Theory ZENG Sheng, DU Xue⁃ming, TAN Kai⁃xuan (School of Nuclear Resources Engineering, University of South China, Hengyang 421001, Hunan, China) Abstract In order to establish an evaluation model for effectively assessing the eco⁃environmental security of uranium mines in China, several typical uranium mines were chosen for ecological environmental data monitoring, so as to make a comprehensive analysis on indicators impacting the ecological environment of uranium mine, including atmospheric environment, water, soil, ecological compensation. Generalized linear model theory and SAS statistical analysis method, have been adopted to establish a GLM⁃based evaluation model for assessing the eco⁃environmental security of uranium mines. After deciding the weight ω ijof indicators in their impact on ecological environment, the composite evaluation index(CEI) for the eco⁃environmental security of uranium mine was obtained. It can be concluded from the research that such evaluation model, being viable in operation, can result in an accurate CEI for eco⁃environmental security of uranium mine based on standard data, providing an effective evaluation and basis of management decision for those uranium mine. Key words uranium mine; eco⁃environmental security; generalized linear model(GLM); security evaluation 矿山开发是人类向自然界获取资源的重要途径, 然而矿山生态环境安全的问题也日益严重,为此国土 资源部在 2006 年首次提出了“坚持科学发展, 建设绿 色矿业”的口号[1]。 近年来,我国国民经济正处于高 速度、持续、健康发展的阶段,对铀矿产资源的开发力 度和需求量逐年增加,由于技术和追求高利润方面的 原因,矿山生态保护和恢复治理的力度却不如人愿,导 致铀矿山开发与生态安全的矛盾日益激化,如贫化率 高的铀矿 “三废”产生率高,辐射潜在危害时间久,给 大气、水、土壤带来严重的污染;铀矿山的开发导致地 表塌陷,泥石流等地质灾害,加剧土地沙化,导致生态 环境质量退化,因此很有必要及时采取有效的措施来 阻止生态劣势进一步加剧,而加强铀矿山的生态环境 安全评价和管理不仅可以衡量铀矿山生态质量的总体 状况和反映生态环境污染的治理成效,同时也是对铀 矿山生态环境质量实施监控的有效手段。 由于影响生态环境安全的因素很多,评价因素和 安全等级之间的关系又很模糊,且评价指标也多是离 散型数据,也没有固定的标准,所以至今也没有定论的 评价模型,目前矿山安全评价常用的方法各有其不足 之处,如层次分析法[2-3]、模糊综合评价法[4-5]、灰色理 论评价法[6-7]等需要依靠经验丰富的专家进行评价, 因而无法避免其主观性;神经网络模型虽然克服了专 家经验的主观性,评价结果的准确性较高,但在求权值 ①收稿日期 2013-11-01 作者简介 曾 晟(1977-), 男,湖南常德人,副教授,博士,主要从事采矿与安全方面的教学与科研工作。 第 34 卷第 2 期 2014 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.34 №2 April 2014 的过程中易陷入局部极小、收敛速度慢等缺点[8-9]。 而广义线性理论在连续数据和离散数据方面都有着广 泛的应用,尤其是在生态、经济及社会数据等统计分析 上有着重要的意义,特别适用于离散型数据,如属性数 据、计数数据等,许多学者对此进行了研究[10-12],并取 得了一定的成就。 铀矿山的安全评价等级以及各因素 之间的关联度也属于处理离散型数据的问题,鉴于此, 本文应用广义线性模型的基本原理,基于样本的先验 信息建立铀矿山生态环境安全评价回归模型,客观地 得出各因素的影响权重,并通过优势比(Odds Ratio) 分析哪些因素是影响铀矿山生态安全的关键因素,为 铀矿山的治理和评价提供依据。 1 广义线性模型原理 广义线性模型是正态线性模型的直接推广,适用 于连续数据和离散数据,即自变量可以是连续型变量、 分类变量或有序变量。 其基本形式可表示为 μi= E[Yi] = g -1 ∑ j Xijβj + ξ i (1) 式中 Yi为因变量向量;g(x)为联系函数;Xij为自变量 矩阵;βj为需要估计的模型参数向量;ξi为干扰项。 结合式(1),通过线性相加可以将因变量的观察 值和解释变量的期望值联系起来,可设 y 的数学期望 μi与线性因子 Xi′β 有下列关系 g(μi) = Xi′β(2) 式中 g(μi)是一严格单调函数且可导,称之为连接函 数。 此时模型通过式(2)将因变量观察值的期望值与 解释变量联系起来。 2 基于 GLM 的生态安全评价的模型 假设有 n 组观测数据(yXi)= (yx1,x2,,xk), (i=1,2,,n)。 y=(y1,y2,,yi),yi∈(0,1,, j)是 多分类因变量,有 j 个类别,表示该安全评价模型结论 有 j 个等级;X=(x1,x2,,xk)为解释变量,即影响模型 结论等级的影响因子。 设 ωi为在影响因子变量条件下 属于某个等级 yi的累计影响权重,ωi=ω(yi≤jXi), ω i =ω i+1 -ω i,ω i为属于某个评价等级的影响权重。 为 了更好地描述某等级的累计影响权重与影响因子变量 的关系, 一般不直接处理参数 ωi, 而是对其进行 Logistic 变换,即 logit(ωi) = ln ωi(yi≤ jxi) 1 - ωi(yi≤ jxi) = β 0 +∑ k i = 0 βixi (3) 转换后的 Logit(ω)与自变量的关系是线性的,且其取 值范围为(- ∞,+ ∞), 有利于对其进行估计。 将参数 β 的估计值 β′ 代入式(3) 可得到回归 方程 ω′(yi≤ j(x1,x2,xk)i ) = exp(β0 ′ + ∑ k i = 0 βi′xi) 1 + exp(β0 ′ + ∑ k i = 0 βi′xi) (4) 根据文献[13]和广义线性理论(GLM),结合大气 环境指标 I1,水环境质量指标 I2,土壤质量指标 I3,地 质灾害破坏度指标 I4,废弃物处理指标 I5,生态补偿指 标 I6,各一级指标的评价指数依次分为 j= 1,2,3 三个 等级,建立了基于 GLM 理论的生态安全评价模型,即 CEI = α∑ 1 i = 1 ∑ 3 j = 1 ω ijxj + β ∑ 2 i = 2 ∑ 3 j = 1 ω ijyj+ γ∑ 3 i = 3 ∑ 3 j = 1 ω ijzj + μ ∑ 4 i = 4 ∑ 3 j = 1 ω ijtj+ δ∑ 5 i = 5 ∑ 3 j = 1 ω ijwj + θ ∑ 6 i = 6 ∑ 3 j = 1 ω ijqj (5) 式中 CEI 为生态安全度;xj为大气环境某个等级评价 值;yj为水环境某个等级评价值;zj为地质灾害破坏度 某个等级评价值;tj为土壤环境某个等级评价值;wj为 废弃物处理某个等级评价值;qj为生态补偿某个等级评 价值;ω ij为各指标相应等级的影响权重;α,β,γ,μ,δ,θ 分别为各项指标等级的影响权重的最大值 maxω i的归 一化处理值。 3 铀矿山生态环境安全评价 3.1 评价模型的建立 根据调查,影响铀矿山的生态安全因素的指标主 要有① 大气环境指标,主要包括影响大气环境安全 的因数,即 TSP 浓度、CO 浓度、SO2浓度、氡气浓度等; ② 水环境质量指标,主要包括铅的浓度、锌的浓度、 COD、BOD 等;③ 土壤质量指标,即铀的浓度、铅的浓 度、镉的浓度、锌的浓度,砷的浓度等;④ 地质灾害破 坏度指标,主要是指矿山发生的各类地质灾害面积占 矿山总面积的比例,即滑坡影响尺度、崩塌影响尺度、 地面沉降影响尺度等;⑤ 铀矿山废弃物处理指标,主 要有矿渣处理力度和废液控排力度等;⑥ 铀矿山生态 补偿指标,包括污染治理投入强度、生态预警机制完善 度、环保投入占矿山收入的比例。 为了系统和合理地研究铀矿山的生态安全状况,根 据文献[14],确定综合指数 CEI 为清洁(CEI≥0 80)、 尚清洁(0.60≤CEI<0 80)、轻污染(0.40≤CEI<0.60)、 82矿 冶 工 程第 34 卷 中污染(0.20≤CEI<0.40)、重污染(0<CEI<0 2)五个等 级。 选取大气环境指标 I1,水环境质量指标 I2,土壤质 量指标 I3,地质灾害破坏度指标 I4,废弃物处理指标 I5,生态补偿指标 I6为一级指标,各一级指标的评价指 数依次分为 j = 1,2,3 三个等级,即好(>0.7),一般 (0.5~0.7),差(0~0.5);通过广义线性模型分析出在 二级指标因素下其相应的一级指标所对应等级的累计 影响权重以及各等级影响权重,然后取各等级影响权 重的最大值作为相应类别的影响权重,进而通过式 (5)求出铀矿山的生态安全度。 3.2 数据预处理 选取我国几个典型铀矿山的生态环境监测数据来 进行生态环境安全评价。 其中生态补偿指数一般是综 合考虑矿山的效益、领导和矿工的收入期望以及法律 规范等方面统计出来的;大气,土壤,水指标的影响因 素数据主要是收集有关国家标准规定的某些有害物质 的浓度,对其进行分级得出,通过参考文献[13-18]对该 铀矿山的评价指标进行分析,得出铀矿山的生态安全 补偿指标值和大气、土壤、水指标的影响因素指标值, 如表 1 和表 2 所示。 表 1 矿山生态安全补偿指标统计表 年份 污然治理 投入强度 生态预警 完善制度 环保投入占 总收入比例 补偿 综合数 200540.71.723.880.27 200639.51.764.20.21 200738.61.764.480.20 200837.71.84.760.21 200936.81.85.080.23 表 2 铀矿山大气、土壤、水的影响因素指标统计表 监测点 大气 TSPCOSO2Rn 大气 综合数 土壤 PbZnCdAsU 土壤 综合数 地表水 Pb 2+ Zn 2+ CODBOD 水 综合数 10.145.10.0526.20.775167.5368.90.113.5464.40.60.483.683.925.50.51 20.233.120.0934.40.625234.98880.310.9662.90.490.665.3214.312.70.45 30.25.50.12350.62202 3390.69.6356.80.520.574.4315.617.070.26 40.34.40.11133.20.45224.81 5210.714.4754.70.520.604.312216.80.2 50.23.60.1337.30.65263.21 2670.412.160.30.470.525.072419.10.2 60.24.40.0435.20.64223.2401.90.414.3463.50.530.574.374.0314.30.43 70.153.20.1338.10.51244.89860.312.7661.70.490.565.2214.310.70.49 80.255.30.1025.40.61236.72 0210.814.6353.90.520.613.8316.719.030.27 90.135.00.20135.30.43171.31 3200.712.8756.30.460.474.032321.070.21 100.33.10.15124.10.41200.71 2680.512.162.30.50.585.112120.20.2 3.3 评价结果与分析 通过 SAS 统计分析,得出各个一级指标的评价等 级以及所占的影响权重,见表 3,各个类别的最大似然 比分别为 42.684,35.033,43.556,41.022,都比较小,说 明该模型具有较好的拟合度。 将各个生态因素指标对 铀矿山生态安全的影响系数归一化处理,代入式(5) 得出 CEI 为 0.26,由此可知该铀矿山的生态安全状况 属于中度污染。 从表 3 中还可以看出,土壤环境指标 和地表水指标属于差的等级,很大程度上影响了铀矿 山整体的生态安全状况,通过分析其优势比(Odds Ratio,即因素与指标的关联度,见表 4 ~ 5),其中 Pb、 Zn、 U 与土壤环境指标的关联度较大,特别是 U,排出 废液或废渣时,超标排放废液使土壤环境受污染的程 度是标准排放的 16.71 倍;Pb 2+ 、Zn 2+ 、COD、BOD 对地 表水指标的影响都比较大,其中以 BOD 的影响最为严 重。 鉴于此,该铀矿山在以后的生态环境安全治理过 程中,应该特别关注废水或废渣中的铀的浓度,合理处 理废水液或废渣,使其达到国家规定的标准,对铀矿山 的生态安全的治理可以起到事半功倍的效果,进而为 矿山安全投入节省开支。 表 3 各一级指标评价结果 类别 等级累积影响概率 ωij各等级影响权重 ω ij 好一般差好一般差 max(ω ij) I10.360.8910.360.530.110.52 I20.260.5310.260.270.470.47 I30.170.5210.170.350.480.48 I60.560.8410.560.280.160.56 表 4 土壤环境指标的优势比估计值 影响因子PbZnCdAsU 估计值6.435.441.621.4616.71 表 5 地表水指标的优势比估计值 影响因子Pb 2+ Zn 2+ CODBOD 估计值5.803.344.1820.53 4 结 语 1) 基于广义线性理论建立了铀矿山生态安全评 92第 2 期曾 晟等 基于广义线性理论的铀矿生态环境安全评价 价模型,可以有效地解决安全评价的等级为多分类的 问题,综合考虑各种风险因素并按照国家标准分类整 理数据,将其影响程度分为若干级别,克服了以往专家 的经验性和评价的片面性,较好地保证了评价工作的 客观性,并且这种方法有较好地适用性和易操作性。 2) 该生态安全评价模型在给出生态环境安全度 的同时,还可以通过优势比(Odds Ratio)分析各指标 下的因素及其关联度,进而得出影响铀矿山生态环境 的关键因素(优势比估计值较大的指标因素),明确了 造成铀矿山生态安全质量差的主要原因,有针对性地 对这些关键因素采取有效的措施,可以大幅度地提高 铀矿山的生态环境质量,克服了治理铀矿山环境的盲 目性,为铀矿山的生态安全管理提供了一条新途径。 3) 该生态安全评价模型是基于样本信息的先验 知识,通过 SAS 统计分析,得出各个指标因素对生态 环境的影响权重,克服了人为赋权的缺陷性,评价结果 的准确性也较高。 4) 由于铀矿山的生态安全的评价指标对铀矿山 自身的安全影响比较复杂,对不同矿山的生态安全影 响程度会有差异,基于广义线性理论生态环境安全评 价方法,目前还没有统一的较为合理的参照标准范围 进行归类等级对比分析,对铀矿山的生态安全评价结 果与实际情况会有一定的偏差,特别是该方法中各指 标因素对铀矿山生态安全的影响程度的参照分级标准 还未建立。 因此该评价方法对铀矿山生态安全评估的 推广应用有待进一步研究。 随着参照评价标准的不断 完善,该评价方法在铀矿山生态安全评价的应用将会 有广阔的前景。 参考文献 [1] 乔繁盛. 建设绿色矿山发展绿色矿业[J]. 中国矿业, 2009,18 (8)4-6. 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