• 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
矿山环境正效应开发利用适宜性评价理论与方法
  • Title

    Theory and method of suitable evaluation for mine environmental positive effects development and utilization

  • 作者

    武强张守成刘宏磊曾一凡

  • Author

    WU Qiang;ZHANG Shoucheng;LIU Honglei;ZENG Yifan

  • 单位

    中国矿业大学(北京) 国家煤矿水害防治工程技术研究中心中国矿业大学(北京)内蒙古研究院矿山水防治与资源化利用国家矿山安全监察局重点实验室

  • Organization
    National Engineering Research Center of Coal Mine Water Hazard Controlling, China University of Mining and Technology-Beijing
    University of Mining and Technology (Beijing) Inner Mongolia Research Institute
    Key Laboratory of Mine Water Control and Resources Utilization, National Mine Safety Administration
  • 摘要

    改革开放以来,矿产资源开发为国家经济发展做出巨大贡献,由于多数矿产资源具有不可再生性,相当数量的矿山面临着资源枯竭、关闭。如何开发利用这些矿山所留下的矿山环境正效应资源将成为延长矿业产业链、保障能源绿色低碳发展、实现 “碳达峰、碳中和”战略目标的重要支撑。为了科学开发矿山适宜的环境正效应资源,以矿山环境正效应开发利用中的“资源、能源、科普文娱、生态碳汇”4类目标为研究对象,基于矿山供给本体特征、特定市场需求及开发利用条件的“供给(Supply)−需求(Demand)−开发(Development)”(SDD)约束组合,创建了包含6类一级约束、38个相应属性二级约束的矿山环境正效应开发利用评价约束体系;根据开发利用目标导向的原则,依据目标特征组建了18项实施项目单目标评价指标集;构建了单目标适宜性评价模型,引入三角模糊数确定指标权重,并依据适宜性指数划定了“适宜、较适宜、较困难、困难”四类适宜性分级标准。此外,鉴于矿山环境正效应开发利用系统复杂性,剖析了各开发利用目标的逻辑关系,提出了基于经济、生态、社会效益综合最优理念的矿山环境正效应开发利用多目标线性评价理论,通过理想点法或单目标线性规划求解,获取矿山环境正效应开发利用多目标效益综合最优解或最适宜集。最后,从国家战略、社会需求、流域生态、正效应市场开发等角度,展望了矿山环境正效应开发利用及其系统评价落地的重要意义。

  • Abstract

    Since the economic reform and opening up, the exploitation of mineral resources has made significant contributions to the economic development of China. However, due to the non-renewable nature of most mineral resources, a considerable number of mines are facing resource depletion and closure. How to develop and utilize the positive environmental effects left by these mines will become a crucial support for extending the mining industry value chain, ensuring green and low-carbon energy development, and achieving China’s strategic goals of “carbon peak” and “carbon neutrality”. To scientifically develop environmentally positive resources in mines, this study focused on four categories of goals in the development and utilization of positive environmental effects in mines: resources, energy, popular science and entertainment, and ecological carbon sinks. Based on the “Supply - Demand - Development” (SDD) constraint combination of mining supply ontology characteristics, specific market demands, and development and utilization conditions, a comprehensive evaluation constraint system was developed, consisting of 6 first-level constraints and 38 second-level constraints of corresponding attributes. Following the principles of goal-oriented development and utilization, a single-goal evaluation index set with 18 implementation items was constructed. Also, a single-goal suitability evaluation model was built which introduced the triangular fuzzy numbers to determine the index weights, and classified suitability into “suitable, more suitable, more difficult and difficult” based on suitability indices. Furthermore, considering the systematic complexity of the positive effects development and utilization of the mine environment, the logical relationships between the development and utilization objectives were analyzed. In addition, a multi-goal linear evaluation theory was proposed based on the comprehensive optimal concept of economic, ecological and social benefits. By solving through the ideal point method or single-goal linear programming solution, the comprehensive optimal solution or the most suitable set for the positive effects development and utilization of the mine environment was obtained. Finally, from the perspectives of national strategy, social needs, watershed ecology, and positive effect market development, the study provides some insights into the significant implications of the implementation and systematic evaluation of mine environmental positive effects development and utilization.

  • 关键词

    矿山环境环境正效应评价指标体系三角模糊数多目标评价

  • KeyWords

    mine environment;positive environmental effects;evaluation index system;triangular fuzzy numbers;multi-goal evaluation

  • 基金项目(Foundation)
    国家自然科学基金资助项目(42027801);内蒙古科技重大专项资助项目(2020ZD0020-4,2020ZD0021)
  • DOI
  • 引用格式
    武强,张守成,刘宏磊,等. 矿山环境正效应开发利用适宜性评价理论与方法[J]. 煤炭学报,2024,49(1):114−130.
  • Citation
    WU Qiang,ZHANG Shoucheng,LIU Honglei,et al. Theory and method of suitable evaluation for mine environmental positive effects development and utilization[J]. Journal of China Coal Society,2024,49(1):114−130.
  • 相关文章
  • 图表

    Table1

    正效应开发利用实施项目单目标评价指标集Ij
    目标分类(Ti) 实施项目(pj) 评价指标集Ij
    资源正效应 矿山土地资源 B01、B02、B21、B31、B41、B51、C41、D01、D21
    矿山建筑空间资源 A01、A11、A21、B61
    矿山地下空间资源[19] A01、A11、A31、B61、C11、C21
    矿山水资源利用(以农业为例) B11、B21、C31、C52、C81
    伴生资源(以煤层气资源为例)[20] A51、A52、A53、A54、A55
    能源正效应 太阳能发电 B03、B04、C01、D01、D31
    风力发电 B05、C01、D01、D31
    残留资源(煤矸石)发电 A56、A61、D11
    抽水蓄能 A31、A41、A72、C01、C11、C61
    压缩空气储能 A31、A71、C11、C32
    地热开发 A57、A71、B61
    浅层地热开发 B61、C33、C51、C71、C72、C91、D01
    科普文娱正效应 科学原位实验 A82、B61、C01、D14
    科学试验 A31、A81、C11、C21
    科普文旅开发 A91、A92、A93、A94、A95、B71、B74、D12
    娱乐开发 B72、B72、C01、D01
    生态服务正效应 生态服务功能 A11、B61、B73、B81、D01、D13
    碳汇服务功能 B11、B52、B91、D01、D21

    Table2

    矿山环境正效应开发项目评价指标集I
    一级约束 二级约束 评价指标
    矿山禀赋A 矿山规模A0 矿山生产建设规模A01
    配套完整性A1 道路、市政、电力、矿井运输A11
    建筑本体特征A2 房屋危险等级A21
    支护体系A3 地下支护体系A31
    地下空间规模A4 空间适用性A41
    资源禀赋情况A5 单煤厚(m)A51、含气量(m3/t)A52、煤层埋深(m)A53、煤层渗透率(10-15 m2)A54
    煤层压力状态A55、资源品质A56、地热田规模A57
    资源供给能力A6 供给能力A61
    矿井深度A7 矿井深度A71、上下地下水库高度差A72
    矿山本体条件切合度A8 环境、空间切合度A81、场地切合度A82
    矿业遗迹本体特征A9 稀有性A91、典型性A92、科学价值A93、历史文化A94、完整性A95
    自然条件B 气候条件B0 年积温、年均降雨量B01、水源条件B02、太阳能资源B03、年平均风速B04
    风功率密度B05
    干湿分区B1 干湿分区类型B11
    未扰动土地利用B2 未扰动土地利用现状分类B21
    损毁土地利用B3 损毁土地利用分类B31
    矿山地形环境现状B4 地形坡度B41
    土源条件B5 土壤保障率B51、土壤厚度B52
    区域位置B6 区域位置B61
    自然环境条件B7 科普文娱环境条件B71、娱乐开发环境条件B72、生态服务环境条件B73、开发条件B74
    可用面积B8 可开发利用面积B81
    生态功能定位B9 生态功能定位B91
    地质环境C 建设用地适宜性C0 建设用地适宜性C01
    围岩稳定性[18]C1 地质类型C11
    系统安全性C2 系统安全性C21
    水文地质条件C3 矿井水文地质类型C31、水文地质条件C32、水文地质类型C33
    土壤污染程度C4 污染程度C41
    矿山水质量C5 地下水水质C51、矿山水水质C52
    水资源量C6 矿井水资源量C61
    地下水影响程度C7 地下水位年下降量C71、温差条件C72
    生态环境影响程度C8 生态环境影响程度C81
    回灌能力C9 回灌率C91
    外在约束D 政策法规D0 规划及产业政策D01
    市场需求D1 电力需求D11、发展前景D12、市场供需D13、实验场所需求D14
    公众意愿D2 意愿程度D21
    相关规划D3 电力消纳与并网D31
    开发技术E 技术成熟度E1 技术成熟度E11
      注:评价指标中有指标类似而代号不同的情形,其二级约束或评价依据不同。

    Table3

    矿山环境正效应开发利用实施项目适宜性评价指标评分标准
    适宜性评价指标 等级Ⅰ
    (80≤ti≤100)
    等级Ⅱ
    (70≤ti<80)
    等级Ⅲ
    (60≤ti<70)
    等级Ⅳ
    (0≤ti<60)
    备注
    等级Ⅰ
    (80≤Ti≤100)
    等级Ⅱ
    (60≤Ti<80)
    等级Ⅲ
    (0≤Ti<60)
    矿山生产建设规模A01 大型矿山 中型矿山 小型矿山
    道路、市政、电力、矿井运输A11 便利,国道或省道;
    市政、电力设施完善
    交通较便利,县道;
    周边市政、电力设施完善,矿区内部分损毁
    交通一般,乡道;
    市政、电力设施多损毁,
    需重建
    交通差,道路、市政、电力设施全部损毁,修建成本高
    房屋危险等级A21 A级 B级 C级 D级 ①②③
    地下支护体系A31 钢筋混凝土浇筑 混凝土浇筑 锚喷支护 喷射混凝土支护 ⑤㉚
    空间适用性A41 上、下水库空间充足 上、下水库空间适宜 上、下水库空间基本适宜,
    通过工程易切合空间要求
    上、下水库空间不满足,通过工程亦很难满足空间要求
    单煤厚A51 气煤~无烟煤 > 5 m;
    褐煤~长烟煤 > 10 m
    气煤~无烟煤 2~5 m;
    褐煤~长烟煤 5~10 m
    气煤~无烟煤 < 2 m;
    褐煤~长烟煤 < 5 m
    含气量A52 气煤~无烟煤 > 10 m3/t;
    褐煤~长烟煤 > 4 m3/t
    气煤~无烟煤
    4~10 m3/t;
    褐煤~长烟煤 2~4 m3/t
    气煤~无烟煤 < 4 m3/t;
    褐煤~长烟煤 < 2 m3/t
    煤层埋深A53 气煤~无烟煤300~1 000 m
    褐煤~长烟煤 < 500 m
    气煤~无烟煤
    1 000~1 500 m
    褐煤~长烟煤
    500~1 000 m
    气煤~无烟煤 > 1 500 m
    褐煤~长烟煤 > 100 m
    煤层渗透率
    A54
    气煤~无烟煤 > 1×10−15 m2
    褐煤~长烟煤 > 10×10−15 m2
    气煤~无烟煤
    0.1×10−15 m2~1×10−15 m2
    褐煤~长烟煤
    5×10−15 m2~10×10−15 m2
    气煤~无烟煤 < 0.1×10−15 m2
    褐煤~长烟煤 < 5×10−15 m2
    煤层压力状态A55 气煤~无烟煤 正常~超压;
    褐煤~长烟煤 正常
    气煤~无烟煤 正常;
    褐煤~长烟煤 欠压
    气煤~无烟煤 欠压;
    褐煤~长烟煤 欠压
    资源品质A56 热值≥6 272 kJ/kg 5 000 kJ/kg < 热值 <
    6 272 kJ/kg
    3 000 kJ/kg < 热值 < 5000 kJ/kg 热值 < 3 000 kJ/kg
    地热田规模A57 大型、中型、小型满足或基本达到开发要求;小型不满足开发要求
    供给能力A61 依托特大型煤矿企业
    或供应充足
    依托大型煤矿企业或供应满足发电需求 依托中型煤矿企业
    或供应基本满足发电需求
    供应不能满足发电需求
    矿井深度A71 <1 000 m 1 000~2 000 m 2 000~3 000 m >3 000 m
    上下地下水库
    高度差A72
    800~1 200 m 500~800 m 1 200~1 500 m 其他深度
    环境、空间
    切合度A81
    环境、空间切合试验要求,且无备选场区 较切合,通过简单工程措施可满足试验要求,且无备选场区 切合度一般,通过工程可基本满足试验要求,多个备选场区 不切合,通过工程亦很难满足试验要求;有多个备选场区
    场地切合度A82 场地高度切合 场地切合,
    有少数备选场区
    基本切合,
    备选场地较多
    场地不切合
    稀有性A91 世界罕见或极特殊 世界少有或国内
    罕见的遗迹
    国内少有的遗迹 省内常见 ⑩⑪
    典型性(矿业类型、
    规模、内容等)A92
    全球或大区域代表性 全国代表性 地区代表性 不具有地区代表性 ⑩⑪
    科学价值A93 极高的科考、科普价值 国内最高科技水平,很高的科考、科普价值 国内先进科技水平,较高科考、科普价值 国内科技水平一般,
    科考、科普价值一般
    ⑩⑪
    历史文化A94 当时世界最高科技水平,
    极高的历史、文化价值,在矿业发展史上具有
    极其重要意义
    很高的历史、文化价值,在国内矿业发展史上
    具有很重要意义
    具有较高的历史、文化价值,在地区矿业发展史上具有较重要意义 历史、文化价值普通,在地区矿业发展史上具有普遍性 ⑩⑪
    完整性(矿业遗迹)A95 矿业遗迹类型、内容、设施非常系统、完整 矿业遗迹类型、内容、设施系统、完整 矿业遗迹类型、内容、设施较系统、完整 矿业遗迹类型、内容、
    设施单一,保存较少
    ⑩⑪
    ≥年积温、年均
    降雨量B01
    ≥10 ℃年积温≥1 800 ℃;且
    年均降雨量≥400 mm
    ≥10 ℃年积温≥1 800 ℃;且
    年均降雨量 < 400 mm
    ≥10 ℃年积温 < 1 800℃;且
    年均降雨量 < 400 mm
    水源条件B02 区内有地表水源 附近有地表水源,通过修建灌溉与排水工程满足水源要求 无地表水源,修建灌排工程能够满足部分耕地水源 无地表水源,修建灌排工程
    很难达到水源要求
    太阳能资源B03 A级 B级 比C级 D级
    年平均风速B04 ≤3级 ≤4级 ≤5级 > 5级
    风功率密度B05 风功率密度等级为
    5、6、7级
    风功率密度等级为4级 风功率密度等级为3级 风功率密度等级 < 3级
    干湿分区类型B11 湿润区 半湿润区 半干旱区 干旱区
    未扰动土地利用分类B21 I级:未利用地,低效利用、损毁和退化的非耕地(宜耕未利用地);
    Ⅱ级:旱地;Ⅲ级:水浇地;Ⅳ级:水田
    损毁土地利用分类B31 I级:未利用地、其他草地、裸地等宜耕未利用地、工矿用地等;Ⅱ级:草地;Ⅲ级:林地;Ⅳ级:耕地
    地形坡度B41 0°~6° 6°~15° 15°~25° >25°
    土壤保障率B51 土壤保障率100% 土壤保障率80%~100% 土壤保障率50%~80% 土壤保障率小于50%
    (矿区内)土壤厚度B52 20 cm≤覆土厚度≤40 cm 覆土厚度不足20 cm,通过土壤重构、人造土壤满足覆土 40 cm≤覆土厚度≤60 cm
    区域位置B61 城区型 城郊型 乡镇型 旷野型
    科普文娱环境条件B71 无三废污染及地质灾害隐患;遗迹景观资源丰富、优美,或部分资源价值高;矿区周边环境质量好 局部存在三废污染及地质灾害隐患;遗迹景观资源较丰富、优美,或部分资源价值较高;矿区周边环境质量中等 存在大量的三废污染及地质灾害隐患;遗迹景观及其他景观资源一般,或资源价值一般;矿区周边环境质量一般 ⑩⑪
    娱乐开发环境条件B72 无三废污染及地质灾害隐患;矿区周边环境质量优,景观资源丰富、优美 局部存在三废污染及地质灾害隐患;矿区周边环境质量中等,景观较丰富优美 存在大量三废污染及地质灾害隐患;矿区周边环境质量一般,景观一般 ⑩⑪
    生态服务环境条件B73 自然生态基本恢复;无三废污染及地质灾害隐患;矿区周边环境质量优 自然生态已初步恢复,局部存在三废污染及地质灾害隐患;矿区周边环境质量中等 自然生态尚未恢复,存在大量三废污染及地质灾害隐患;环境质量一般 ⑩⑪
    开发条件B74 场地切合开发要求;地理区位优越(距离城市20 km以内);交通便利(一级公路);矿区内与周边市政、
    电力设施完善
    场地基本切合开发要求;地理区位较好(距城市50 km以内);交通较便利(二、三级公路);周边市政、电力设施较完善;矿区市政、电力设施需重建 场地切合娱乐开发要求一般;地理
    区位差(距离城市120 km以内);
    交通条件一般;矿区及周边市政、电力设施全部损毁,修建成本高
    可开发利用面积B81 省级现代农业
    产业园面积
    市级现代农业
    产业园面积
    县级 其他
    生态功能定位B91 防风固沙、土壤保持、水源涵养极重要区、林产品提供;
    防风固沙、土壤保持、水源涵养重要区;洪水调蓄;生物多样性
    建设用地适宜性C01 建设用地适宜 建设用地基本适宜 局部建设用地适宜性差 建设用地适宜性差
    a井工煤矿、b有色金属地质类型C11 a地质构造简单;顶底板平整,顶板完整性好,裂隙不发育;岩层倾角8°以下;b岩体质量级别I级 a地质构造中等;顶底板较平整,局部凹凸不平,顶板较完整,裂隙不发育;岩层倾角8°~25°(含8°);b岩体质量级别Ⅱ级 a顶底板凹凸不平,顶板裂隙比较发育;岩层倾角25°~45°(含25°);b岩体质量级别Ⅲ级 a顶底板凹凸不平;顶板岩性松软、破碎,裂隙发育;岩层倾角≥45°;b岩体质量级别Ⅳ、Ⅴ级 ⑳㉑㉓
    系统安全性C21 无有害物质;
    水文地质条件简单
    含有害物质,简单治理可以永久消除;水文地质条件中等,简单防水 有害物质性低使用中需专业处理;水文地质类型复杂 有害物质中等或高,防治难度大水文地质类型极复杂 ⑳㉒
    矿井水文地质类型C31 极复杂 复杂 中等 简单
    水文地质条件C32 简单 中等 复杂、极复杂
    水文地质类型C33 极复杂 复杂 中等 简单
    污染程度C41 无污染 轻度污染 中度污染 重度污染
    地下水水质C51 Ⅰ类 Ⅱ类 Ⅲ类 其他
    矿山水水质C52 地下水水质属Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类 地下水水质属Ⅳ类 通过常规水处理,满足Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类水质 水质污染严重,通过处理仍达不到Ⅳ类水 ㉕㉖
    矿井水资源量C61 适宜 丰沛 一般 紧缺
    地下水位年下降量C71 < 0.8 m 0.8~1.1 m 1.1~1.5 m > 1.5 m
    温差条件C72 完全符合开发利用温差 基本符合开发利用温差 基本不符合开发利用温差 不符合开发利用温差
    生态环境影响程度C81
    回灌率C91 > 80% 60%~80% 50%~60% < 50%
    规划及产业政策D01 符合生态、国土空间
    规划和产业政策
    局部场区不符合规划及产业政策 多数场区不符合相关产业政策 调查
    电力需求D11 本区电力需求旺盛 本区电力基本满足,
    外区域送电缺口大
    区域基本无电力增加需求
    发展前景D12 巨大潜力 强劲 稳定 激烈竞争
    市场供需D13 巨大需求 增长型需求 供需饱和 激烈竞争
    实验场所需求D14 迫切需求,且无可替代 非紧迫,有规划 非紧迫,有多处场地选择 无需求
    意愿程度D21 农业意愿强烈 农业意愿较好 农业意愿一般 无农业意愿
    电力消纳与并网D31 完全具备消纳和接入电网的条件 基本具备 不具备消纳和接入电网的条件
    技术成熟度E11 市场成熟 高度成熟 基本成熟 不成熟
      注:① 矿山生产建设规模分类一览表[国土资发[2004]208号];② GB50144—2019《工业建筑可靠性鉴定标准》;③ JGJ125—2016《危险房屋鉴定标准》;④ GB50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》;⑤ GB50915—2013《有色金属矿山井巷工程设计规范》;⑥ DZ/T0378—2021《煤层气资源评价规范》;⑦ 《关于加强煤矸石发电项目规划和建设管理工作的通知》发改办能源[2004]864号;⑧ DB37/T 4253—2021《地热资源勘查技术规程》;⑨ 张春生,姜忠见.《抽水蓄能电站设计》,2012;⑩ 国家矿山公园评审指标赋分说明;⑪ 国家地质公园评审指标赋分说明;⑫ 耕地后备资源调查评价技术规程;⑬ GB/T37526—2019《太阳能资源评估方法》;⑭ GB/T18710—2002《风电场风能资源评估方法》;⑮ 政府网 (https://www.gov.cn/guoqing/2005-09/13/content_2582628.htm);⑯ GB/T21010—2017《土地利用现状分类》;⑰ 《旅游景区质量等级的评定与划分》国家标准评定细则;⑱ 关于印发《全国生态功能区划(修编版)》的公告[2015年 第61号];⑲ DZ/T0286—2015《地质灾害危险性评估规范》;⑳ 煤矿地质工作规定;㉑ GB51060—2014《有色金属矿山水文地质勘探规范》;㉒ 谢和平《特殊地下空间的开发利用》;㉓ GB50771—2012《有色金属采矿设计规范》;㉔ 《煤矿防治水细则》,2018;㉕ GB/T14848—2017《地下水质量标准》;㉖ GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》;㉗ DZ/T 0225—2009《浅层地热能勘查评价规范》;㉘ GB/T14848—2017《浅层地热能勘查评价技术规范》;㉙ HJ19—2022《环境影响评价技术导则——生态影响》;㉚ GB/T50511—2022《煤矿井巷工程施工标准》。

    Table4

    模糊标度及其映射表
    对比等级 描述语言 三角模糊数
    (lij,mij,uij)
    三角模糊数倒数
    (1/uij,1/mij,1/lij)
    1 同等重要 (1,1,2) (1/2,1,1)
    3 稍微重要 (2,3,4) (1/4,1/3,1/2)
    5 较为重要 (4,5,6) (1/6,1/5,1/4)
    7 强烈重要 (6,7,8) (1/8,1/7,1/6)
    9 绝对重要 (8,9,9) (1/9,1/9,1/8)
    2 介于同等与稍微之间 (1,2,3) (1/3,1/2,1)
    4 介于稍微与明显之间 (3,4,5) (1/5,1/4,1/3)
    6 介于明显与强烈之间 (5,6,7) (1/7,1/6,1/5)
    8 介于强烈与绝对之间 (7,8,9) (1/9,1/8,1/7)

    Table5

    相容性指标修正值IR
    维数
    1 2 3 4 5 6 7 8 9
    0.58 0.96 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45

    Table6

    正效应开发利用单目标实施项目适宜程度分级
    等级I 等级Ⅱ 等级Ⅲ 等级Ⅳ
    80≤S≤100 70≤S<80 60≤S<70 0≤S<60
    适宜 较适宜 较困难 困难

    Table7

    矿山环境正效应开发利用实施项目pj维度划分
    地表空间维度 地表+地下空间维度 地下空间维度
    矿山土地资源p1 矿山水资源利用p8 矿山地下空间资源p15
    矿山建筑空间资源p2 伴生资源p9 地热开发p16
    太阳能发电p3 残留资源p10 浅层地热开发p17
    风力发电p4 抽水蓄能p11 压缩空气储能p18
    娱乐开发p5 科学原位实验p12
    生态服务功能p6 科学试验p13
    碳汇服务功能p7 科普文旅开发p14

    Table8

    项目实施逻辑关系
    序号项目关系适用条件
    1预备关系项目A、B之间为存在预备关系
    2互斥关系A、B项目互斥,只能选其一
    3独立关系项目A、B间相互独立
    4函数关系项目A、B间满足某种函数

    Table9

    经济效益评估计算
    算式 适用范围
    \( {B_{{\mathrm{E}},1}} =\left\{ { {{\displaystyle\sum\limits_{a = 1}^n {\displaystyle\sum\limits_{j = 1}^m \left[ {({V_{S a j}}-{{{C}}_{S a j}}) {S _j}{{(1 + i)}^{1 - a}}} \right]} - {\displaystyle\sum\limits_{j = 1}^m} {c _{j{\mathrm{p}}}} {S _j}}}} \right\}\Bigg/\left( {{{n \displaystyle\sum\limits_{j = 1}^m {{S _j}} }}} \right) \) 农用地直接产品农牧产品
    \( {B_{{\mathrm{E}},2}} = \left[ {{{\displaystyle\sum\limits_{a = 1}^n {({v_{{\mathrm{M}}a}}} -{{{c}}_{{\mathrm{M}}a}}) {V_a}{{(1 + i)}^{1 - a}} - ({c_{\mathrm{p}}} + {c_{\mathrm{r}}}) {V_a}}}} \right]\Bigg/\left( {{{n {S_{\mathrm{m}}}}}} \right) \) 残留矿产资源
    \( {B_{{\mathrm{E}},3}} = \left[ {{{\displaystyle\sum\limits_{a = 1}^n {({e_a}} -{{{c}}_a}) {S_{\mathrm{e}}}{{(1 + i)}^{1 - a}} - {c_{\mathrm{p}}} {S_{\mathrm{e}}}}}} \right]\Bigg/\left( {{{n {S_{\mathrm{e}}}}}} \right) \) 电力能源
    \( {B_{{\mathrm{E}},4}} = ({v_{\text{s}}}-{{{c}}_{\mathrm{s}}}) {V_{\mathrm{S}}}/{S _{\mathrm{S}}} \) 地表、地下空间
    \( {B_{{\mathrm{E}},5}} = ({V_{\mathrm{r}}} {c_{\mathrm{r}}} - {C_{\mathrm{p}}})/{S _{\mathrm{r}}} \) 水资源储备库
    \( {B_{{\mathrm{E}},6}} = \left[ {{{{\displaystyle\sum _{a = 1}^n(} {t_{a{\mathrm{e}}}}-{c_{a{\mathrm{e}}}}) {p_a} S{{(1 + i)}^{1 - a}} - {c_{\mathrm{p}}}S}}} \right]\Bigg/\left( {{{nS}}} \right) \) 文旅娱乐、生态服务功能开发
    \( {B_{{\mathrm{E}},7}} = {{{\displaystyle\sum _j=1^m} {S _j} ({P _j} - {c _{{\mathrm{p}} j}})}}\Bigg/{{{\displaystyle\sum _j=1^m{S _j}} }} \) 占补平衡、增减挂钩
    \( {B_{{\mathrm{E}},8}} = {{{\displaystyle\sum _{j = 1}^m} {f_j}{S _j} ({P_j} - {c_{{\mathrm{p}}j}})}}\Bigg/{{{\displaystyle\sum _{j = 1}^m{S _j}} }} \) 土地价值、收益提升
    \( {B_{{\mathrm{E}},9}} = \left[ {{\displaystyle\sum _{a = 1}^n\dfrac{{{Q_a} \delta m}}{{q h}}} {p_a}{{(1 + i)}^{1 - a}} - {C_{\mathrm{p}}}} \right]\Bigg/(n {S _{\mathrm{g}}}) \) 地热资源[24]
    \( {B_{{\mathrm{E}},10}} = \left[ {{{{\displaystyle\sum _{a = 1}^n({t_a} {e_{{\mathrm{s}}a}}} + {a_{na}} {w_{{\mathrm{e}}a}} + {p_{na}} {w_{{\mathrm{p}}a}}){{(1 + i)}^{1 - a}}-{C_{\mathrm{p}}}}}} \right]\Bigg/({{n {S _{\mathrm{S}}}}}) \) 科学原位实验、科学试验[25-26]
      注:BE, i为单位产品平均每年产生的经济效益;① n为计算年限;m为作物类型数量;VSajj类作物第a年单位面积产值;CSajj类作物第a年单位面积产值消耗成本;Sjj类作物种植面积;i为年利率;cjp为单位面积j项目实施投资费用;② vMacMa为第a年残留(伴生)矿产资源单位产值、单位产值消耗成本;cpcr为平均单位体积资源项目实施投资及后续修复费用;Va为第a年残留资源开采量;Sm为残留矿产压占面积;③ ea为第a年单位面积发电量产值;ca为第a年单位面积发电量消耗成本;Se为发电占用面积;cp为平均单位面积项目实施投资;④ vs为空间单位体积产值;cs为空间单位体积消耗成本;VS为空间总体积;SS为空间总体积所占面积;⑤ Vr为蓄水量;cr为单位蓄水量水库建设成本;Sr为蓄水库占用面积;⑥ tae为第a年单位人数的平均消费;cae为第a年单位人数平均消费成本;pa为第a年单位面积人流数;S为占地面积;cp为平均单位面积项目实施投资;⑦ Sjj地类新增指标面积;Pjj地类单位面积指标价格;cpjj地类单位面积项目实施投资费用;⑧ fjj项目提升土地价值、收益区域的放大区域系数;Sjj项目占地面积;Pjj项目提升土地价值收益的平均价格。cpj为单位面积j项目实施投资费用; ⑨ Qa为第a年可采热资源量;δ为浅层地温能可利用系数;m为热能有效利用率;q为热量,20962.7 kJ/kg;h为锅炉热效率;pa为第a年燃煤价格,元/t;Cp为项目实施投资费用;Sg为计算可采热资源量的面积;⑩ taanapna为第a年社会服务次数、学术成果篇数、科技成果数量;esaweawpa为第a年社会服务平均每次服务费用、平均每篇学术成果价值、科技成果(专利、产品)价值;SS为项目占地面积。量含义仅适用于对应公式。

    Table10

    生态效益评估计算
    计算公式 适用范围
    参考占补平衡、增减挂钩、土地价值、收益提升中的经济效益公式(不要重复计费) 植被覆盖度、
    土地石漠化/荒漠化/盐渍化面积减少
    \( {E_{{\mathrm{E}},1}} = {Q_{{\mathrm{wr}}}} {c_{\mathrm{r}}} = \displaystyle\sum\limits_{j = 1}^m {\left[ {{S_{ j}} ({P_j}-{R_j}-{T_{{\mathrm{E}},j}}) \times {{10}^{ - 3}} {c_{\mathrm{r}}}} \right]} \) 水源涵养价值[27]
    \( {E_{{\mathrm{E}},2}} = {\displaystyle\sum _{j = 1}^m({Q_{j{\mathrm{sep}}}} - {Q_{j{\mathrm{sea}}}}) {Q_{j{\mathrm{e}}i}} {G_j} {P_{j{\mathrm{e}}i}}} (i = N,P,K)= \)
    \( \qquad{\displaystyle\sum _{j = 1}^m{R_j} {K_j} {L_j} {G_j} (1 - {C_j}) {Q_{j{\mathrm{e}}i}} {G_j} {P_{j{\mathrm{e}}i}}} \)
    水土保持价值[27]
    \( {E_{{\mathrm{E}},3}}={\displaystyle \sum _{j=1}^{m}({S}_{{\mathrm{Lq}}j}}-{S}_{{\mathrm{L}}j}) {S}_{j} {c}_{{\mathrm{s}}} \) 防风固沙
    \( {E_{{\mathrm{E}},4}}={\displaystyle \sum _{j=1}^{m}}({v}_{j{\mathrm{g}}}+{v}_{j{\mathrm{v}}}+{v}_{j{\mathrm{r}}}) {S} _{j}{{C}_{{\mathrm{r}}}} \) 洪水调蓄
    \( {E_{{\mathrm{E}},5}} = ({f_{\mathrm{c}}} {S _{\mathrm{F}}} + {g_{\mathrm{c}}} {S _{\mathrm{G}}} + {s_{\mathrm{c}}} {S _{\mathrm{S}}}) {c_c} \) 固碳价值[28-29]
    \( {E_{{\mathrm{E}},6}}=(1.20 {B}_{{\mathrm{g}}} {S}_{{\mathrm{G}}}+1.19 {B}_{{\mathrm{f}}} {S}_{{\mathrm{F}}} F) {C}_{o} \) 释氧价值[28-29]
    \( {E_{{\mathrm{E}},7}} = {A_{\mathrm{b}}} {C_{\mathrm{b}}} \) 生物多样性价值
      注:EE, i为单位产品平均每年产生生态效益;① Qwr为水源涵养量,m3/a; Sjj类生态系统面积,m2Pjj类生态系统降雨量,mm/a;Rjj类生态系统地表径流量,mm/a;TE, jj类生态系统蒸散发量,mm/a;cr为单位蓄水量水库建设成本;② QjsepQjseaQjeiSjPjeij类生态系统潜在土壤侵蚀量(t/(hm2·a))、实际土壤侵蚀量(t/(hm2·a))、土壤中N、P、K的含量(t/(hm2·a))、土壤保持面积、单位面积(hm2)土壤中N、P、K的价格; RjKjLjGjCjj类生态系统降雨侵蚀因子、土壤可蚀性因子、坡长因子、坡度因子、植被覆盖度因子;③ SLqjSLjSjj类生态系统潜在风力侵蚀量(t/(km2·a))、实际风力侵蚀量(t/(km2·a))、面积(km2);cs为当地沙尘清理费用(元/t);④ vjgvjv 、vjr为(调洪蓄水区)单位面积j类生态系统增加土壤、植被、河流湖泊调洪量;Sj为(调洪蓄水区)j类生态系统面积;cr为单位蓄水量水库建设成本;⑤ fcgcsc为评估林分、草地、土壤年固碳量(t/(hm2·a));SFSGSS为评估林分、草地、土壤面积,hm2cc为固碳价格,元/t;⑥ Bg为草原净生产力,t/(hm2·a);SG为草原面积,hm2Bf为实测林分净生产力。t/(hm2·a);SF为林分面积,hm2F为森林生态系统服务修正系数;Cc为工业制氧成本,元/t;⑦ Ab为生物多样性保护面积,hm2Cb为单位面积生物多样性保护价值量,元/(hm2·a)。量含义仅适用于对应公式。

    Table11

    社会效益评估计算
    计算公式 适用范围
    \( {E_{{\mathrm{S}},1}} = \frac{{{\displaystyle\sum _{a = 1}^n} {\displaystyle\sum _{j = 1}^m} {N_{a{\mathrm{p}}j}} {S_{ j}} {e_j}{{(1 + i)}^{1 - a}}}}{{n {\displaystyle\sum _{j = 1}^m{S_{ j}}} }} \) 新增就业岗位收益
    \( {E_{{\mathrm{S}},2}} = \frac{{{\displaystyle\sum _{j=1}^m({c_{{\mathrm{n}}j}} + {c_{{\mathrm{r}}j}} + {c_{{\mathrm{w}}j}} + {c_{{\mathrm{e}}j}} + {c_{{\mathrm{s}}j}} + {c_{{\mathrm{p}}j}}} ) {S_{ j}}}}{{\displaystyle\sum _{j=1}^m }} \) 人居环境改善
    \( {E_{{\mathrm{S}},3}} = \frac{{{\displaystyle\sum _{a = 1}^n} {\displaystyle\sum _{j = 1}^m{c_j}} {S_{ j}}{{(1 + i)}^{1 - a}} + {\displaystyle\sum _{j = 1}^m} {c_{j{\mathrm{b}}}} {S_{ j}}}}{{n {\displaystyle\sum _{j = 1}^m{S_{ j}}} }} \) 地区上下游产
    业消费增加
      注:ES, i为单位产品平均每年项目产生社会效益;① Napj为第aj项目单位面积下产生就业人数;Sjj项目总面积;ejj项目人均年收入;i为年利率;② cnjcrjcwjcejcsjcpj为单位面积j项目人居自然生态、道路、饮用水、电力通讯、环卫设施及公共服务设施改善投入资金;③ cj为第i年单位面积j项目带动当地上下游消费量;cjb为单位面积j项目建设拉动使用地方消费量。量含义仅适应于对应公式。

    Table12

    决策变量及目标函数系数的构建
    项目 面积变量构建 经济目标函数系数 环境目标函数系数 社会目标函数系数
    地表空间维度 矿山土地资源p1 x1 \( {\alpha }_{1}^{1}{B}_{{\mathrm{E}},1}、{\alpha }_{7}^{1}{B}_{{\mathrm{E}},7} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^7} \gamma _i^1{E_{{\mathrm{E}},i}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^3} \delta _i^1{E_{{\mathrm{S}},i}} \)
    矿山建筑空间资源p2 x2 \( \alpha _4^2{B_{{\mathrm{E}},4}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^3} \delta _i^2{E_{{\mathrm{S}},i}} \)
    太阳能发电p3 x3 \( \alpha _3^3{B_{{\mathrm{E}},3}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^7} \gamma _i^3{E_{{\mathrm{E}},i}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^3} \delta _i^3{E_{{\mathrm{S}},i}} \)
    风力发电p4 x4 \( \alpha _3^4{B_{{\mathrm{E}},3}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^3} \delta _i^4{E_{{\mathrm{S}},i}} \)
    娱乐开发p5 x5 \( {\alpha }_{6}^{5}{B}_{{\mathrm{E}},6}、{\alpha }_{8}^{5}{B}_{{\mathrm{E}},8} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^7} \gamma _i^5{E_{{\mathrm{E}},i}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^3} \delta _i^5{E_{{\mathrm{S}},i}} \)
    生态服务功能p6 x6 \( {\alpha }_{1}^{6}{B}_{{\mathrm{E}},1}、{\alpha }_{6}^{6}{B}_{{\mathrm{E}},6} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^7} \gamma _i^6{E_{{\mathrm{E}},i}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^3} \delta _i^6{E_{{\mathrm{S}},i}} \)
    碳汇服务功能p7 x7 \( \alpha _1^7{B_{{\mathrm{E}},1}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^7} \gamma _i^7{E_{{\mathrm{E}},i}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^3} \delta _i^7{E_{{\mathrm{S}},i}} \)
    地表及地下维度 矿山水资源利用p8 x8y8 \( {\alpha }_{5}^{8}{B}_{{\mathrm{E}},5}、{\beta }_{5}^{8}{B}_{{\mathrm{E}},5} \) \( {\displaystyle \sum_{i=1}^{7}}{\gamma }_{i}^{8}{E}_{{\mathrm{E}},i}、{\displaystyle \sum_{i=1}^{7}}{\eta }_{i}^{8}{E}_{{\mathrm{E}},i} \) \( {\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\delta }_{i}^{8}{E}_{{\mathrm{S}},i}、{\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\varepsilon }_{i}^{8}{E}_{{\mathrm{S}},i} \)
    伴生资源p9 x9y9 \( {\alpha }_{2}^{9}{B}_{{\mathrm{E}},2}、{\beta }_{2}^{9}{B}_{{\mathrm{E}},2} \) \( {\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\delta }_{i}^{9}{E}_{{\mathrm{S}},i}、{\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\varepsilon }_{i}^{9}{E}_{{\mathrm{S}},i} \)
    残留资源p10 x10y10 \( {\alpha }_{2}^{10}{B}_{{\mathrm{E}},2}、{\beta }_{2}^{10}{B}_{{\mathrm{E}},2} \) \( {\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\delta }_{i}^{10}{E}_{{\mathrm{S}},i}、{\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\varepsilon }_{i}^{10}{E}_{{\mathrm{S}},i} \)
    抽水蓄能p11 x11y11 \( {\alpha }_{5}^{11}{B}_{{\mathrm{E}},5}、{\beta }_{5}^{11}{B}_{{\mathrm{E}},5} \) \( {\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\delta }_{i}^{11}{E}_{{\mathrm{S}},i}、{\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\varepsilon }_{i}^{11}{E}_{{\mathrm{S}},i} \)
    科学原位实验p12 x12y12 \( {\alpha }_{10}^{12}{B}_{{\mathrm{E}},10}、{\beta }_{10}^{12}{B}_{{\mathrm{E}},10} \) \( {\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\delta }_{i}^{12}{E}_{{\mathrm{S}},i}、{\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\varepsilon }_{i}^{12}{E}_{{\mathrm{S}},i} \)
    科学试验p13 x13y13 \( {\alpha }_{10}^{13}{B}_{{\mathrm{E}},10}、{\beta }_{10}^{13}{B}_{{\mathrm{E}},10} \) \( {\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\delta }_{i}^{13}{E}_{{\mathrm{S}},i}、{\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\varepsilon }_{i}^{13}{E}_{{\mathrm{S}},i} \)
    科普文旅开发p14 x14y14 \( {\alpha }_{6}^{14}{B}_{{\mathrm{E}},6}、{\beta }_{6}^{14}{B}_{{\mathrm{E}},6} \) \( {\displaystyle \sum_{i=1}^{7}}{\gamma }_{i}^{14}{E}_{{\mathrm{E}},i}、{\displaystyle \sum_{i=1}^{7}}{\eta }_{i}^{14}{E}_{{\mathrm{E}},i} \) \( {\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\delta }_{i}^{7}{E}_{{\mathrm{S}},i}、{\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}{\varepsilon }_{i}^{14}{E}_{{\mathrm{S}},i} \)
    地下空间维度 矿山地下空间资源p15 y15 \( \beta _4^{15}{B_{{\mathrm{E}},4}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^3} \varepsilon _i^{15}{E_{{\mathrm{S}},i}} \)
    地热开发p16 y16 \( \beta _9^{16}{B_{{\mathrm{E}},9}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^3} \varepsilon _i^{16}{E_{{\mathrm{S}},i}} \)
    浅层地热开发p17 y17 \( \beta _4^{17}{B_{{\mathrm{E}},4}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^3} \varepsilon _i^{17}{E_{{\mathrm{S}},i}} \)
    压缩空气储能p18 y18 \( \beta _4^{18}{B_{{\mathrm{E}},4}} \) \( {\displaystyle\sum_{i = 1}^3} \varepsilon _i^{18}{E_{{\mathrm{S}},i}} \)
      注:矿山环境正效应开发利用后,原矿山环境某一效应面积减少时,其函数系数为负值。

    Table13

    地下空间开发利用逻辑约束实施项目集B构建
    实施项目逻辑分类 逻辑关系/实施项目集Dnj
    构建
    逻辑关系/实施项目集Cj构建 逻辑关系/实施项目集B确定
    p8p14p15p18 \( \begin{array}{c}独立/{D}_{1j},\\ {D}_{1 j}\subseteq {E}_{1},{E}_{1}=\left\{{p}_{8}、{p}_{14}、{p}_{15}、{p}_{18}\right\}\end{array} \) \( \begin{array}{c}独立/{C}_{1}\\ {C}_{1}={C}_{1 j},{C}_{1 j}\subseteq {D}_{1},\\ {D}_{1}=\{{D}_{1 j},{D}_{2j}\}\end{array} \) \( \begin{array}{c}互斥/B\\ B={B}_{j},{B}_{j}\subseteq C,\\ C=\left\{{C}_{1},{C}_{2}\right\}\end{array} \)
    p11p16p17 \( \begin{array}{c}互斥/{D}_{2j},\\ {D}_{2j}=\left\{{d}_{j}\right\},{d}_{j}\in {E}_{2},{E}_{2}=\left\{{p}_{11}、{p}_{16}、{p}_{17}\right\}\end{array} \)
    p9p10 \( \begin{array}{c}独立/{D}_{3j},\\ {D}_{3 j}\subseteq {E}_{3},{E}_{3}=\left\{{p}_{9}、{p}_{10}\right\}\end{array} \) \( \begin{array}{c}互斥/{C}_{2}\\ {C}_{2}={C}_{2 j},{C}_{2 j}\subset {D}_{2},\\ {D}_{2}=\{{D}_{3 j},{D}_{4j}\}\end{array} \)
    p12p13 \( \begin{array}{c}独立/{D}_{4 j},\\ {D}_{4j}\subseteq {E}_{4},{E}_{4}=\left\{{p}_{12}、{p}_{13}\right\}\end{array} \)
      注:pj为实施项目代码;Ej为地下空间可开发利用逻辑分类后的实施项目集全集;Dnj为地下空间开发利用逻辑关系一级约束可实施项目集;Cj为地下空间开发利用逻辑关系二级约束可实施项目集;B为逻辑约束下,地下空间可开发利用确定的实施项目集。
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