• 论文
主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会
基于博弈论和云物元模型的矿山塌陷土地复垦适宜性评估研究
  • Title

    Study on reclamation suitability evaluation of mine subsidence land based on game theory and cloud matter element model

  • 作者

    刘翔黄敦杰王伟李奇易泽邦何秋芝

  • Author

    LIU Xiang;HUANG Dunjie;WANG Wei;LI Qi;YI Zebang;HE Qiuzhi

  • 单位

    广西科技大学广西工业高质量发展研究中心广西悦翔设计咨询有限公司桂林理工大学

  • Organization
    Guangxi University of Science and Technology
    Research Center for High-Quality Industrial Development of Guangxi
    Guangxi Yuexiang Design Consulting Co., Ltd.
    Guilin University of Technology
  • 摘要

    针对矿山塌陷土地复垦适宜性评估指标因素的模糊性和随机性,构建博弈论综合赋权-云物元模型。该模型结合矿山实际情况,从地形环境、水利环境和土壤环境3个方面划定11个二级评估指标,采用遗传层次分析法和变异系数法分别计算各评估指标的主、客观权重,再通过博弈论计算得到指标综合权重,并将云模型引入物元模型。将所建立的模型应用于广西凤凰山银矿,计算了一级指标关联度和综合关联度,并进行土地复垦适宜性评估。结果表明:1#塌陷区和6#塌陷区复垦为林地的适宜性评估等级为“勉强适宜”;2#塌陷区、3#塌陷区、4#塌陷区、5#塌陷区和7#塌陷区复垦为林地的适宜性评估等级为“中等适宜”。评估结果与现场调研情况相吻合,可为矿山塌陷土地复垦工作实施提供新的思路。

  • Abstract

    In view of the fuzziness and randomness of the evaluation index factors of mine subsidence land reclamation suitability, a comprehensive weighting-cloud matter element model based on game theory was constructed.Combined with the actual situation of the mine, the model divides 11 secondary evaluation indexes from three aspects, including topographical environment, water conservancy environment and soil environment.The subjective and objective weights were determined through genetic algorithm and analytic hierarchy process (GA-AHP) and coefficient of variation method (CV), respectively.The comprehensive weight of the index was calculated by game theory, and the cloud model was introduced into the matter-element model.The model was applied to the Fenghuangshan Silver Mine in Guangxi, the correlation degree of primary index and comprehensive correlation degree were calculated, and the suitability of land reclamation was evaluated.The results show that the reclamation suitability evaluation grades of the subsidence land No.1 and No.6 for forest land were "barely suitability", while the reclamation suitability evaluation grades of the subsidence land No.2, No.3, No.4, No.5 and No.7 were "medium suitability".The evaluation results are consistent with the field investigation, thereby providing a new idea for the implementation of mine subsidence land reclamation.

  • 关键词

    塌陷土地复垦适宜性博弈论云模型物元分析方法关联度

  • KeyWords

    subsidence land;reclamation suitability;game theory;cloud model;matter-element analysis method;correlation degree

  • 基金项目(Foundation)
    国家自然科学基金青年基金项目(42003066);广西科技基地与人才专项项目(桂科AD21220109, 桂科AD21220147);广西科技大学博士基金项目(校科博20S10, 21Z29)
  • DOI
  • 引用格式
    刘翔, 黄敦杰, 王伟, 李奇, 易泽邦, 何秋芝. 基于博弈论和云物元模型的矿山塌陷土地复垦适宜性评估研究[J]. 矿业安全与环保, 2024, 51(2): 133-140. DOI: 10.19835/j.issn.1008-4495.20220747
  • Citation
    LIU Xiang, HUANG Dunjie, WANG Wei, LI Qi, YI Zebang, HE Qiuzhi. Study on reclamation suitability evaluation of mine subsidence land based on game theory and cloud matter element model[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2024, 51(2): 133-140. DOI: 10.19835/j.issn.1008-4495.20220747
  • 图表

    Table1

    矿山塌陷土地复垦适宜性评估指标体系
    目标层 准则层(一级评估指标) 指标层 等级
    二级评估指标 二级评估指标度量 高等适宜 中等适宜 勉强适宜 不适宜
    矿山塌陷土地复垦适宜性评估 地形环境X1 地形坡度X11 地形平均坡度/(°) [0, 15) [15, 20) [20, 25) [25, 90]
    土地损毁程度X12 塌陷面积/m2 [0, 100) [100, 600) [600, 1 200) [1 200, 1 500]
    地面平整度X13 平均塌陷深度/m [0, 2) [2, 5) [5, 10) [10, 20]
    区位条件X14 与城市距离/km [90, 100] [75, 90) [60, 75) [0, 60)
    水利环境X2 降雨条件X21 年平均降雨量/mm [1 000, 1 500] [500, 1 000) [100, 500) [0, 100)
    灌溉条件X22 灌溉条件 [90, 100] [75, 90) [60, 75) [0, 60)
    排水条件X23 排水条件 [90, 100] [75, 90) [60, 75) [0, 60)
    土壤环境X3 土壤含水量X31 含水率/% [20, 25] [15, 20) [5, 15) [0, 5)
    土层厚度X32 土层厚度/cm [60, 120] [40, 60) [10, 40) [0, 10)
    土壤酸碱度X33 pH值 [6, 7] [5, 6) [4, 5) [0, 4)
    土壤有机质X34 有机质含量/(g·kg-1) [15, 100] [10, 15) [5, 10) [0, 5)
    注:若土壤酸碱度中pH值大于7,则将该值与14相减并取绝对值;定性指标(区位条件、灌溉条件和排水条件)采用专家百分制打分法。

    Table2

    评价指标的等级云物元模型参数
    评价指标编号 各等级云物元模型参数(ExEnHe)
    高等适宜R1 中等适宜R2 勉强适宜R3 不适宜R4
    X11 (7.5, 2.5, 0.2) (17.5, 0.833 3, 0.1) (22.5, 0.833 3, 0.1) (57.5, 10.833 3, 0.4)
    X12 (50, 1.666 7, 0.2) (350, 83.333 3, 0.2) (900, 100, 0.2) (1 350, 50, 0.4)
    X13 (1, 0.333 3, 0.2) (3.5, 0.5, 0.2) (7.5, 0.833 3, 0.2) (15, 1.666 7, 0.4)
    X14 (95, 1.666 7, 0.2) (82.5, 2.5, 0.2) (67.5, 2.5, 0.2) (30, 10, 0.4)
    X21 (1 250, 83.333 3, 5.0) (750, 83.333 3, 5.0) (300, 66.666 7, 4.0) (50, 16.666 7, 1.0)
    X22 (95, 1.666 7, 0.2) (82.5, 2.5, 0.2) (67.5, 2.5, 0.2) (30, 10, 0.4)
    X23 (95, 1.666 7, 0.2) (82.5, 2.5, 0.2) (67.5, 2.5, 0.2) (30, 10, 0.4)
    X31 (22.5, 0.833 3, 0.1) (17.5, 0.833 3, 0.1) (10, 1.666 7, 0.1) (2.5, 0.833 3, 0.1)
    X32 (90, 10, 0.3) (50, 3.333 3, 0.2) (25, 5, 0.2) (5, 1.666 7, 0.1)
    X33 (6.5, 0.166 7, 0.1) (5.5, 0.166 7, 0.1) (4.5, 0.166 7, 0.1) (2, 0.666 7, 0.1)
    X34 (57.5, 14.166 7, 0.4) (12.5, 0.833 3, 0.1) (7.5, 0.833 3, 0.1) (2.5, 0.833 3, 0.1)

    Table3

    二级评估指标值
    塌陷区编号 地形坡度/(°) 塌陷面积/m2 平均塌陷深度/m 与城市距离/km 年平均降雨量/mm 灌溉条件 排水条件 含水率/% 土层厚度/cm pH值 有机质含量/(g·kg-1)
    1# 65 958 5 74 1 144.7 83 83 6.8 300 6.06 17.6
    2# 62 707 4 74 1 144.7 82 82 6.8 300 6.06 17.6
    3# 65 592 5 74 1 144.7 80 80 7.0 150 4.89 12.6
    4# 70 401 4 74 1 144.7 80 80 6.8 150 4.48 10.5
    5# 78 1 276 4 74 1 144.7 82 82 6.1 150 5.38 14.6
    6# 72 911 8 74 1 144.7 82 82 6.5 250 5.85 15.6
    7# 70 1 049 4 74 1 144.7 83 83 6.2 250 5.92 16.6

    Table4

    二级指标关联度
    二级指标 高等适宜 中等适宜 勉强适宜 不适宜
    X11 2.50×10-116 0 0 0.79
    X12 0 2.74×10-12 0.85 4.60×10-14
    X13 1.37×10-31 0.89×10-2 0.01 1.08×10-8
    X14 3.82×10-35 0.31×10-2 0.03 6.35×10-5
    X21 0.45 1.41×10-5 1.44×10-35 0
    X22 3.65×10-12 0.98 5.15×10-9 8.23×10-7
    X23 5.46×10-12 0.98 4.51×10-9 7.89×10-7
    X31 1.67×10-76 1.15×10-37 0.16 1.98×10-6
    X32 1.30×10-96 0 0 0
    X33 0.04 0.50×10-2 2.89×10-20 6.60×10-9
    X34 0.02 7.45×10-9 1.17×10-32 8.16×10-73

    Table5

    指标主观权重和一致性检验值
    判断矩阵 指标权重 一致性检验值
    Ws1 Ws2 Ws3 Ws4
    B 0.355 6 0.138 0 0.506 4 0.005 02
    B1 0.166 5 0.495 3 0.197 6 0.140 6 0.001 39
    B2 0.462 0 0.233 8 0.304 2 0.000 08
    B3 0.222 9 0.318 9 0.179 0 0.279 2 0.001 45

    Table6

    矿山塌陷土地复垦评估各指标的综合权重值
    塌陷区编号 赋权方法 各评估因子权重
    一级指标 二级指标
    X1 X2 X3 X11 X12 X13 X14 X21 X22 X23 X31 X32 X33 X34
    1# 变异系数法Wb1 0.333 4 0.334 7 0.328 9 0.037 6 0.037 6 0.037 6 0.112 7 0.112 7 0.111 3 0.111 3 0.112 7 0.112 6 0.101 5 0.112 6
    博弈论W1* 0.355 6 0.138 2 0.506 2 0.076 8 0.177 0 0.086 3 0.121 2 0.219 1 0.148 6 0.170 1 0.146 3 0.175 5 0.125 1 0.163 4
    2# 变异系数法Wb2 0.304 0 0.347 5 0.348 6 0.038 0 0.038 0 0.038 0 0.101 7 0.114 1 0.114 1 0.114 1 0.114 1 0.114 1 0.099 7 0.114 1
    博弈论W2* 0.353 8 0.145 3 0.500 9 0.076 8 0.176 0 0.086 2 0.113 5 0.219 0 0.150 2 0.171 4 0.146 9 0.175 9 0.123 6 0.163 9
    3# 变异系数法Wb3 0.333 6 0.317 7 0.348 7 0.036 4 0.044 3 0.061 9 0.097 1 0.109 1 0.109 1 0.109 1 0.109 1 0.109 1 0.106 6 0.108 1
    博弈论W3* 0.353 6 0.154 4 0.492 0 0.074 3 0.175 8 0.101 5 0.109 8 0.212 0 0.145 5 0.166 0 0.142 3 0.170 3 0.127 7 0.158 0
    4# 变异系数法Wb4 0.315 4 0.315 7 0.368 9 0.038 0 0.038 0 0.038 0 0.102 2 0.113 9 0.113 9 0.113 9 0.113 9 0.113 9 0.113 7 0.100 9
    博弈论W4* 0.350 4 0.160 8 0.488 7 0.077 0 0.177 0 0.086 5 0.102 2 0.219 7 0.150 3 0.171 7 0.147 0 0.176 2 0.133 6 0.155 1
    5# 变异系数法Wb5 0.318 0 0.324 7 0.357 4 0.038 5 0.038 5 0.038 5 0.103 2 0.115 6 0.115 6 0.115 6 0.115 4 0.115 6 0.115 6 0.087 5
    博弈论W5* 0.352 6 0.153 1 0.494 4 0.077 6 0.177 8 0.087 0 0.114 6 0.221 2 0.151 7 0.173 1 0.148 2 0.177 6 0.135 0 0.145 9
    6# 变异系数法Wb6 0.386 5 0.336 2 0.277 3 0.037 9 0.037 9 0.037 9 0.101 3 0.113 7 0.113 7 0.113 7 0.113 7 0.113 7 0.113 3 0.103 2
    博弈论W6* 0.361 4 0.175 0 0.463 7 0.077 0 0.176 8 0.086 4 0.113 2 0.219 5 0.150 2 0.171 6 0.146 9 0.176 0 0.133 2 0.156 6
    7# 变异系数法Wb7 0.332 3 0.374 7 0.293 0 0.037 7 0.037 7 0.037 7 0.100 5 0.113 2 0.113 2 0.113 2 0.113 1 0.113 2 0.107 1 0.113 2
    博弈论W7* 0.350 7 0.187 2 0.462 0 0.076 7 0.176 3 0.086 1 0.112 7 0.218 8 0.149 7 0.171 0 0.146 3 0.175 5 0.128 8 0.163 4

    Table7

    一级指标关联度
    一级指标 高等适宜 中等适宜 勉强适宜 不适宜
    X1 1.18×10-32 0.001 146 230 0.154 759 923 0.060 468 495
    X2 0.098 402 537 0.312 327 438 1.53×10-9 2.56×10-7
    X3 0.007 622 515 0.000 628 192 0.023 299 380 2.91×10-7

    Table8

    塌陷区域综合关联度
    塌陷区编号 高等适宜 中等适宜 勉强适宜 不适宜
    1# 0.017 1 0.044 0 0.066 8 0.021 5
    2# 0.017 3 0.064 6 0.022 6 0.024 9
    3# 0.015 2 0.108 0 0.019 8 0.020 7
    4# 0.016 2 0.106 0 0.077 7 0.013 9
    5# 0.015 9 0.103 5 0.012 1 0.025 5
    6# 0.018 3 0.062 7 0.098 4 0.011 4
    7# 0.019 8 0.078 9 0.026 8 0.013 8
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