山東省黃河北煤炭礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力評價

隋建紅，郝啟勇

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250100)

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山東省黃河北煤炭礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力評價

隋建紅1,2，郝啟勇2

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250100)

以可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境承載力和系統(tǒng)學(xué)理論為理論依據(jù)，從承載指數(shù)和壓力指數(shù)兩個角度，構(gòu)建了面向礦業(yè)開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系，對山東省黃河北煤炭礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果顯示：黃河北煤炭礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境固有承載力水平為中等承載—高承載之間，承載力水平總體較高。除聊城與茌平交界處以及邱集、趙官鎮(zhèn)、濟(jì)陽煤礦周邊地質(zhì)環(huán)境承載力為中等承載外，其余大部均屬于較高承載等級以上，地質(zhì)環(huán)境支撐能力良好。

礦山地質(zhì)環(huán)境；承載力；指標(biāo)體系；黃河北礦區(qū)

0 引言

黃河北煤炭礦區(qū)行政區(qū)劃屬濟(jì)南、聊城、德州管轄，位于濟(jì)南都市圈、中原經(jīng)濟(jì)區(qū)山東先行區(qū)范圍內(nèi)，為濟(jì)南都市圈規(guī)劃范圍內(nèi)唯一的一處大型煤炭基地(圖1)。“南水北調(diào)”東線工程從礦區(qū)中部通過，礦區(qū)區(qū)位優(yōu)勢明顯，礦區(qū)的開發(fā)建設(shè)在帶動周邊區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用。

了解礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力現(xiàn)狀，維持地質(zhì)生態(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性，協(xié)調(diào)煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，將煤炭資源的開發(fā)利用強(qiáng)度控制在區(qū)域資源環(huán)境承載力范圍內(nèi)[1-4]，實現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一是黃河北礦區(qū)開發(fā)面臨的一項重要任務(wù)。

從礦業(yè)開發(fā)的角度，分析制約礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力大小的原因和影響因素，對黃河北礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境承載力進(jìn)行定量研究，并建立基于生態(tài)承載力的礦業(yè)開發(fā)對策，對國土資源部門從更高層次上實現(xiàn)礦業(yè)管理具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。

1 礦區(qū)概況

黃河北煤炭礦區(qū)包括陽谷茌平煤田和黃河北煤田。北、西北以齊廣斷層、聊考斷層為界，東以臥牛山斷層為界，南以山東省省界、東阿斷層和煤系底界露頭為界。礦區(qū)東西長160km，南北寬30km，面積約4400km2。

陽谷-茌平煤田[5-7]煤系地層總厚240m，含煤15層，其中可采的達(dá)7～8層，可采煤厚12.15m，總面積2319.17km2。黃河北煤田煤系地層總厚245m，含煤14層，其中7層可采，可采煤厚4～9m，總面積2055.06km2。黃河北礦區(qū)煤炭資源豐富，為山東省內(nèi)重要的煤炭資源儲備基地。據(jù)第三次煤炭資源預(yù)測，煤炭資源總量253.86億t，其中累計探明資源量36.84億t，預(yù)測資源量217.02億t。

黃河北礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)礦井3對，為邱集煤礦、趙官鎮(zhèn)煤礦和新陽煤礦，均位于黃河北煤田。邱集煤礦自2003年12月投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力75t/a，礦區(qū)面積39km2；趙官鎮(zhèn)煤礦自2009年12月投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力90t/a，礦區(qū)面積98.2km2。新陽煤礦自2007年7月投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力45萬t/a，礦區(qū)面積49.5km2。

圖1 工作區(qū)范圍示意圖

2 地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

2.1 地質(zhì)條件

區(qū)域上第四系分布廣泛。僅在礦區(qū)南部局部出露寒武-奧陶紀(jì)饅頭組-馬家溝群地層，其余地區(qū)均被第四系覆蓋。地層自下而上依次為奧陶紀(jì)馬家溝群、石炭-二疊紀(jì)月門溝群本溪組、太原組和山西組、二疊紀(jì)石盒子群、三疊紀(jì)石千峰群孫家溝組、新近紀(jì)黃驊群明化鎮(zhèn)組及第四系。

2.2 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)屬魯西北平原水文地質(zhì)區(qū)的魯北黃河沖積平原水文地質(zhì)亞區(qū)。黃河的多次泛濫與改道對礦區(qū)晚更新世及全新世地層的形成及含水條件影響很大。區(qū)內(nèi)主要賦存松散巖類孔隙水。

根據(jù)地質(zhì)時代、含水層的埋藏特點、水力性質(zhì)，將松散巖類孔隙水劃分為淺層、中層和深層含水巖組3種類型。

淺層含水巖組埋藏在60m以上，全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖積、湖積、洪積相地層，砂層多呈帶狀富集，具有良好的蓄水空間，為潛水-微承壓水。在50～60m深度內(nèi)有一層埋藏較穩(wěn)定的砂層，一般單層厚度大于10m，頂板埋深在10～15m，底板埋深在50～60m，是區(qū)內(nèi)潛水、淺層承壓水的重要賦存地帶。

除全淡區(qū)外，深層含水巖組頂板埋深一般在180～220m以下，底界面一般在450～500m。含水層厚度18～80m，巖性為粉砂、細(xì)砂、中細(xì)砂、中砂中粗砂等，以中細(xì)砂為主。深層淡水富水區(qū)一般含水砂層厚度30～60m，含水層巖性為粉砂、粉細(xì)砂、細(xì)砂、中細(xì)砂和中砂礫石。單井涌水量1000～3000m3/d，礦化度1.1～1.8g/L，為半封閉性地下水系統(tǒng)。

2.3 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)地處華北斷陷盆地的東邊沿，新華夏斷裂構(gòu)造控制了全區(qū)基本構(gòu)造格局，主要有聊城-蘭考斷裂帶及與其走向基本一致的東阿斷裂、茌平斷裂，正負(fù)相間排列。根據(jù)對地殼穩(wěn)定性、地面穩(wěn)定性、地基穩(wěn)定性的綜合評價，礦區(qū)工程地質(zhì)條件分為基本穩(wěn)定區(qū)、較不穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)。

2.4 環(huán)境地質(zhì)條件

礦區(qū)存在的主要環(huán)境問題為土壤鹽漬化和土壤沙化。根據(jù)黃河北礦區(qū)土壤可溶性鹽類含量及對作物的危害程度，分為潛在鹽漬土、輕度鹽漬化土、中度鹽漬化土、重度鹽漬土、非鹽漬化土5種。礦區(qū)內(nèi)土地沙化問題主要集中于齊河境內(nèi)，主要發(fā)生于黃河故道之內(nèi)，土質(zhì)以粉土、粉細(xì)砂為主。

2.5 土地質(zhì)量

礦區(qū)地處黃河沖積平原，成土母質(zhì)由黃河沖積而成，質(zhì)量較好，土層較厚。工作區(qū)地勢平緩，排水不暢，地下水埋深較淺且礦化度較高，易于受到澇堿的影響，土壤多為潮土和壤質(zhì)輕度鹽化潮土。采用內(nèi)梅羅指數(shù)法，對照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(旱地土壤)》(GB15618-1995)對土壤污染情況進(jìn)行評價，顯示，黃河北礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，168個采樣點中，內(nèi)梅羅指數(shù)<0.7的土壤樣有19個，占總土壤樣的11.3%，處于安全等級；0.7～1.0之間的土壤樣有90個，占總土壤樣的53.6%，處于尚清潔(警戒限)等級；>1的土壤樣有58個，占總土壤樣的34.5%，屬于輕度污染等級；>2的土壤樣有1個，占總土壤樣的0.6%，屬于中度污染等級。造成土壤輕度污染的元素主要受Cd元素影響，超標(biāo)情況較為嚴(yán)重。

2.6 生態(tài)環(huán)境

礦區(qū)按地貌成因類型為黃河泛濫沖積平原。根據(jù)地貌形態(tài)特征，微地貌可劃分為古河道高地、決口扇形地、洼地和緩平坡地等地貌類型。

3 地質(zhì)環(huán)境承載力評價

3.1 模型建立

“承載體”和“承載對象”為承載力研究的2個核心要素。一般用承壓度來描述承載力水平，承壓度用壓力指數(shù)、承載指數(shù)的比值來表征[8-9]。

(1)承載指數(shù)(CCS)

(1)

式中：Xi—承載因子；Si—各承載因子相應(yīng)承載分量或承載分值；Wi—各承載因子的權(quán)重；CCS表示承載指數(shù)，其大小取決于各承載分量和權(quán)重值的大小，CCS越大，說明承載媒體S的承載能力越大。

(2)壓力指數(shù)(CCP)

(2)

式中：Yi—承載壓力因子；Pi—各承載壓力因子相應(yīng)壓力分量或承載分值；Wi—各承載壓力因子的權(quán)重；CCP表示壓力指數(shù)。CCP越大，說明承載媒體所承受的壓力越大。

(3)承壓度(CCPS)

(3)

當(dāng)CCPS>1時，表示承載對象作用于承載媒體的大小超過了承載媒體的承受范圍，即系統(tǒng)的資源環(huán)境承載力處于超負(fù)荷水平；當(dāng)CCPS<1時，表示系統(tǒng)的資源環(huán)境承載力處于低負(fù)荷水平；當(dāng)CCPS=1時，表示系統(tǒng)的資源環(huán)境承載力處于平衡水平。

3.2 評價指標(biāo)體系建立

指標(biāo)體系要從不同角度進(jìn)行綜合分析，構(gòu)建能全面反映研究區(qū)域特征的完整評價指標(biāo)體系[10-14]。該次評價采用現(xiàn)場調(diào)查、資料收集、GIS信息采集、樣品采樣測試等方法，全面系統(tǒng)地研究了礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，對地質(zhì)環(huán)境承載體和以煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度為主要標(biāo)志的承載對象分別構(gòu)建了地質(zhì)環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系(表1、表2)。

礦山地質(zhì)環(huán)境承載力評價尚未有成熟、公認(rèn)采用的指標(biāo)體系。該次地質(zhì)環(huán)境承載體指標(biāo)體系主要考慮地質(zhì)環(huán)境的固有特性，或者是地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的內(nèi)在特征。固有特性更多反應(yīng)自然地質(zhì)作用，是決定地質(zhì)環(huán)境本身“抗干擾能力”的決定因素。在評價中，以地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)為主，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)為輔。

礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，主要受礦產(chǎn)資源的賦存情況、礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、煤層上覆層巖性組合以及物理力學(xué)性質(zhì)、水文地質(zhì)條件等方面影響。礦業(yè)活動伴隨的人類活動程度的增強(qiáng)，主要受建筑工程地質(zhì)環(huán)境、水資源和環(huán)境、土地質(zhì)量等方面的影響?；诖?，承載體承載力指標(biāo)層分為礦產(chǎn)地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、土地質(zhì)量、工程地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)條件5類，其中礦產(chǎn)地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)條件、土地質(zhì)量應(yīng)作為主要指標(biāo)，賦予較高的權(quán)重。

表1 承載體承載指數(shù)指標(biāo)體系

表2 承載對象壓力指數(shù)指標(biāo)體系

出于建立地質(zhì)環(huán)境承載力與礦業(yè)活動之間的關(guān)系，將承載對象即地質(zhì)環(huán)境承受的壓力分為礦山開發(fā)、人口壓力和經(jīng)濟(jì)壓力3類。其中礦產(chǎn)開發(fā)壓力為直接指標(biāo)，應(yīng)賦予較高權(quán)重，人口和經(jīng)濟(jì)壓力為輔助指標(biāo)，可賦予相對較低權(quán)重。

3.3 地質(zhì)環(huán)境承載力指標(biāo)量化與分級

社會經(jīng)濟(jì)的人口密度、人均耕地、人均GDP等指標(biāo)，利用升半梯形分布函數(shù)來進(jìn)行量化。地形切割強(qiáng)度、坡度、年均氣溫、降水量等生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)指標(biāo)，采用已較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)以及對應(yīng)分值進(jìn)行量化。其他定性及定量指標(biāo)采用專家經(jīng)驗法，結(jié)合承載指數(shù)和壓力指數(shù)，判定標(biāo)準(zhǔn)直接在[0,100]進(jìn)行量化(表3、表4)[15]。年均氣溫、降雨量采用20年年均數(shù)據(jù)，地形切割強(qiáng)度、坡度等采用2009年DEM數(shù)據(jù)，社會環(huán)境系統(tǒng)采用2014年各縣市統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)。

評價指標(biāo)權(quán)重的確定是承載力評價的關(guān)鍵參數(shù)之一。由于它具有隨機(jī)性和模糊性的雙重屬性，因此權(quán)重的獲取相對困難。該次評價采用層次分析法結(jié)合專家調(diào)查法進(jìn)行。因為權(quán)重是一個隨機(jī)模糊數(shù)，它的分配不是唯一的，允許評價指標(biāo)權(quán)重在一定范圍內(nèi)波動[16-21]。所以將層次分析法得出的結(jié)果與專家調(diào)查法進(jìn)行了互相驗證，權(quán)重值見表5。

表3 承載指數(shù)評價指標(biāo)量化分級

表4 壓力指數(shù)評價指標(biāo)量化依據(jù)

表5 黃河北礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合評價指標(biāo)權(quán)重值

根據(jù)承載力評價的分級判定標(biāo)準(zhǔn)，承載指數(shù)高，則人類—經(jīng)濟(jì)活動的抗干擾能力強(qiáng)；承載指數(shù)<20，則處于弱承載水平，不利于實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展；壓力指數(shù)>80，地質(zhì)環(huán)境所受壓力高，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用強(qiáng)度大；壓力指數(shù)<20，地質(zhì)環(huán)境所受壓力低，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用強(qiáng)度低(表6)。

表6 黃河北礦區(qū)承載指數(shù)和壓力指數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)

3.4 地質(zhì)環(huán)境承載力評價

采用ArcGIS軟件，工作區(qū)按照100m×100m進(jìn)行網(wǎng)格化，地質(zhì)環(huán)境承載力(承載指數(shù))按照指標(biāo)量化數(shù)值以及權(quán)重，通過空間分析技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、判斷和計算，分別對所有網(wǎng)格化的單元格進(jìn)行計算，得到地質(zhì)環(huán)境固有地質(zhì)環(huán)境承載力評價(承載指數(shù)評價)結(jié)果，并按照承載指數(shù)分級判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分區(qū)，黃河北礦區(qū)內(nèi)各分層指標(biāo)的現(xiàn)狀情況見圖2、表7。

圖2 黃河北礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境固有承載力區(qū)劃圖

準(zhǔn)則層指標(biāo)層分指標(biāo)層現(xiàn)狀值量化分值或指數(shù)值地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)礦產(chǎn)地質(zhì)條件A主采煤層底板埋深(m)A1500～200030～100主采煤層厚度(m)A20．6～7．00～100工程地質(zhì)條件B工程地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性分級B1不穩(wěn)定—區(qū)穩(wěn)定區(qū)30～100與主要斷裂構(gòu)造距離(m)B20～30000～100水文地質(zhì)條件C含水層厚度(m)C13～800～100含水層水位埋深(m)C20．8～100～70地下水水化學(xué)類型C3HCO3、HCO3-SO4-Cl、SO4-Cl-HCO3、SO4-Cl0～100地下水資源模數(shù)(萬m3/a．km2)C45．3～11．520～60環(huán)境地質(zhì)條件D土壤鹽堿化D1無—重度30～100土壤沙化D2無—有30～100土地質(zhì)量E土壤類型E1粉土、砂土、粘土0～100土壤環(huán)境質(zhì)量E2清潔—中度污染30～100生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)地形地貌F地形切割強(qiáng)度(m)F1<10090～100坡度(°)F20～790～100氣候G年均氣溫(°)G114100降水量(mm)G2579．570社會環(huán)境系統(tǒng)礦業(yè)開發(fā)壓力礦山密度1～1050～70人口壓力人口密度(人/km2)446～80333～91人均耕地面積(畝)0．41～1．330～56經(jīng)濟(jì)壓力人均GDP(萬元)2．09～7．180～36農(nóng)民年人均純收入(元)9908～121229～44

由圖2可以看出，黃河北礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境固有承載力水平為中等—高，總體較高，除聊城與茌平交界處，邱集、趙官鎮(zhèn)煤礦、濟(jì)陽煤礦周邊地質(zhì)環(huán)境承載力為中等外，其余大部均屬于較高承載等級以上，地質(zhì)環(huán)境支撐能力良好。

按照縣域進(jìn)行評價地質(zhì)環(huán)境壓力指數(shù)。將整個工作區(qū)按照縣域劃分為濟(jì)陽、禹城、齊河、茌平、東阿、東昌府區(qū)、陽谷7個網(wǎng)格。按照壓力指數(shù)指標(biāo)量化數(shù)值及權(quán)重，通過計算機(jī)計算出7個網(wǎng)格內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境壓力指數(shù)，指數(shù)值分布在42～50。由此可見，地質(zhì)環(huán)境所受壓力一般，資源開發(fā)利用程度中等，在黃河北礦區(qū)尚未大規(guī)模開發(fā)的前提下，黃河北礦區(qū)7個縣域壓力指數(shù)為中壓，顯示黃河北礦區(qū)受人類社會經(jīng)濟(jì)活動敏感度較大。

按照公式3，計算出7個縣域的承壓度為0.54～0.65，均小于1，承壓水平為低負(fù)荷，人類社會經(jīng)濟(jì)活動沒有超出地質(zhì)環(huán)境承載力的水平之外。

4 結(jié)語

作為山東省最后一塊整裝待開發(fā)的煤田，黃河北礦區(qū)對于山東省煤炭資源的安全保障至關(guān)重要。但從全省范圍來看，黃河北礦區(qū)人均耕地面積、水資源量均不高，煤炭的開發(fā)加劇區(qū)域地質(zhì)環(huán)境壓力的風(fēng)險將會增大。如果做不好耕地資源的保護(hù)以及水資源綜合利用等相關(guān)問題，黃河北礦區(qū)開發(fā)的壓力將會超過地質(zhì)環(huán)境的承載力，從而造成嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問題以及不穩(wěn)定的社會影響。

地質(zhì)環(huán)境承載力是新常態(tài)下，從更高層次為國土空間利用開發(fā)、服務(wù)國土資源管理、助推生態(tài)文明建設(shè)提出的重要概念，應(yīng)加強(qiáng)對礦權(quán)管理、礦山恢復(fù)治理、土地復(fù)墾、礦山保護(hù)監(jiān)測預(yù)警體系的整合，以地質(zhì)環(huán)境承載力更新的平臺，建立山東省礦產(chǎn)資源開發(fā)新環(huán)境。

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Evaluation on the Carrying Capacity of Geological Environment in Huanghebei Coal Mining Area in Shandong Province

SUI Jianhong，HAO Qiyong

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao, Shandong 266100; 2. Exploration Research Institute of Shandong COAL Field Geology Bureau, Jinan, Shandong 250100)

According to the idea of macro and micro combination, field investigation and laboratory test, environmental issues and environmental background of mine geology were studied with many advanced environmental geological tools. On the basis of comprehensive analysis of geological and social environment system, evaluation index system of carrying capacity of geological environment was built from two perspectives of carrying index and pressure index, which was for the mining development. The sustainable development, environmental carrying capacity and systematics theory were as theoretical basis for the evaluation index system. The bearing capacity of Huanghebei mining area of Shandong Province was studied the means of index weight value with AHP. The results showed that the geological environment inherent level of Huanghebei mining area was between middle and high load bearing capacity. The load carrying capacity of most regions was at high level except the junction of Liaocheng and Chiping, Qiuji，Zhaoguan town and Jiyang mining area, where the load bearing capacity was middle.

Mine geo-environment; carrying capacity; indicator system; Huanghe-bei mining area

2016-09-28；

2017-01-22；編輯：曹麗麗 基金項目：2013年山東省地質(zhì)勘查項目《山東省黃河北礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力調(diào)查與評價》編號(魯勘字(2013)143號 作者簡介：隋建紅(1979—)，女，山東諸城人，高級工程師，主要從事環(huán)境影響評價、水文地質(zhì)等工作；E-mail：sdusui@163.com

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隋建紅，郝啟勇.山東省黃河北煤炭礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力評價[J].山東國土資源，2017,33(4)：34-40.SUI Jianhong，HAO Qiyong. Evaluation on the Carrying Capacity of Geological Environment in Huanghebei Coal Mining Area in Shandong Province[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(4)：34-40.