自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀分區(qū)評價

李中陽，張金林，駱茂林，羅 歡，張 強

(成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

礦產(chǎn)資源作為國家經(jīng)濟和人民生活的基礎，在經(jīng)歷幾十年的高速發(fā)展后，帶來嚴重的環(huán)境問題。同時，伴隨著經(jīng)濟和科技的高速發(fā)展，國家和人民對環(huán)境問題越來越重視。因此，對已有礦山地質(zhì)環(huán)境做出科學合理的評價，是礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復治理的關鍵。

自貢市屬礦產(chǎn)資源貧乏但種類豐富的地區(qū)，礦產(chǎn)資源種類有煤礦、鹽礦、石灰?guī)r礦、水泥配料用砂巖礦、磚瓦用頁巖礦、高嶺土、陶瓷土、膨潤土、礦泉水、石英巖礦等，主要礦種為鹽和煤。 自貢市自明朝時期便開始進行鹽鹵礦開采，區(qū)內(nèi)共有歷史遺留礦井上萬處，加上近二十年其他礦種的持續(xù)開采，導致該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境破壞嚴重，對生態(tài)環(huán)境和人民的生命財產(chǎn)的威脅持續(xù)加大，因此有必要對自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境進行評價，為后續(xù)的治理恢復與保護提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

自貢市礦產(chǎn)種類豐富，且多數(shù)為沉積成因所形成，已開采的礦產(chǎn)種類有煤、鹵鹽礦、天然氣、石灰石、高嶺土、頁巖和石英砂巖等，礦產(chǎn)資源的分布受地層條件和構造條件影響明顯。

本次自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查對自貢市下轄的榮縣、富順縣、自流井區(qū)、貢井區(qū)、大安區(qū)、沿灘區(qū)進行了調(diào)查，共計覆蓋1∶5萬標準圖幅16幅，野外調(diào)查線路共計36條，共計調(diào)查礦山424個，具體見表1。

表1 自貢市礦山現(xiàn)狀統(tǒng)計表

區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要是采礦活動和礦區(qū)堆積物引起的地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流、水資源污染、土地資源污染、含水層結構破壞及疏干、土地壓占與損毀、地貌地形景觀影響等[1-2]。據(jù)本次調(diào)查，自貢市因礦業(yè)開發(fā)造成土地占用與損毀面積6.919 4 km2，主要表現(xiàn)在工業(yè)廣場壓占土地資源，共計2.229 2 km2；露天采場損毀土地，共計3.288 1 km2；煤矸石及廢渣壓占土地，共計0.149 1 km2；礦山廢渣壓占土地資源0.286 2 km2；地面變形損毀土地，共計0.021 km2，為煤礦山開采地面變形損毀土地；土地質(zhì)量下降，共計0.943 2 km2，為煤礦地下開采造成含水層結構破壞。詳見表2。

表2 自貢市礦山礦業(yè)活動占用及破壞土地統(tǒng)計表(按破壞方式)

2 礦山地質(zhì)環(huán)境評價

2.1 評價方法

隨著社會發(fā)展和科學技術進步，礦山地質(zhì)環(huán)境的評價方法也隨著多學科和多鄰域的交叉發(fā)展而變得多樣而成熟。主要評價方法有GIS空間數(shù)據(jù)迭加法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、灰色綜合評價法、層次分析法、模糊綜合評價法、專家打分法以及綜合評判法等[5]。礦山地質(zhì)環(huán)境是一個綜合且復雜的環(huán)境問題，不僅影響因素、評價指標眾多，而且評價結果往往具有模糊性。為了使評價結果更加準確合理，需要將評價因子分級賦值再利用相關評價方法得出評價結果的分值，再將分值轉(zhuǎn)化為相應等級，得出礦山地質(zhì)環(huán)境的評價結果。因此，本文應用模糊綜合評價與層次分析相結合的方法對自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境進行評價和分析。

2.2 評價指標體系

根據(jù)對自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查，結合收集的相關資料，本文將自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評價分為礦山地質(zhì)環(huán)境影響與礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理2個子體系，并在此基礎上進一步建立評價指標體系[4,6]。

礦山地質(zhì)環(huán)境影響子體系包含突發(fā)型地質(zhì)環(huán)境影響和持續(xù)型地質(zhì)環(huán)境影響2個評價因素，以及泥石流、滑坡、地面塌陷、崩塌、地裂縫、水資源污染、含水層結構破壞及疏干、土壤污染、地形地貌景觀影響、土地壓占與損毀10個評價因子。

以環(huán)境恢復治理需要結合實際情況及以人為本為前提，礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理包含礦山恢復治理難易程度和人為條件2個評價因素，這2個評價因素分別包含單位面積治理資金投入量與所需治理資金的比例、礦山地質(zhì)環(huán)境恢復率、政府治理意愿和民眾要求4個評價因子。其中，政府治理意愿通過政府對該區(qū)域治理資金投入量與所需治理資金的比例來確定，民眾要求則是通過實地走訪該區(qū)域的居民來確定其意愿程度。詳見圖1。

圖1 自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評價體系

2.3 評價指標分級量化

根據(jù)對自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境實地調(diào)查及已有資料的收集整理，通過查詢相關文獻、咨詢相關專家和參考相關規(guī)定規(guī)范，將自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評價及評價指標分為優(yōu)、良、中、差四個等級[7]，具體分級見表3。

2.4 評價模型構建

礦山地質(zhì)環(huán)境評價是一個涉及多因素、多層次、多指標以及帶有人為主觀判定的綜合問題。本文在自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查資料基礎上，查閱相關文獻，結合已構建的礦山地質(zhì)環(huán)境評價體系，運用模糊綜合評價法，建立自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評價三級模糊綜合評價模型[8-9]。綜合評價的具體步驟如下所述。

1) 確定評價結果等級P。結合2.3評價指標分級量化，將礦山地質(zhì)環(huán)境評價結果P分為優(yōu)、良、中、差4個等級，分別對應分值區(qū)間：大于6.5為優(yōu)，6.5～4.5為良，4.5～2.5為中，2.5～1為差。

2) 確定評價因素U。由自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評價體系可知，自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評價因素分別有突發(fā)型地質(zhì)環(huán)境影響、持續(xù)型地質(zhì)環(huán)境影響、礦山恢復治理難易程度和人為條件四類。則U={U1，U2，U3，U4}，每個因素Ui各包含若干評價因子Uij(i≤4，j≤5且i，j都為大于0的整數(shù))。因此，U1={U11,U12,U13,U14,U15}，U2={U21,U22,U23,U24,U25}，U3={U31,U32}，U4={U41,U42}。

3) 模糊綜合評價模型。根據(jù)已建立的自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評價體系，需要建立多級評價模型逐層依次進行評價。首先，在每個獨立影響因素下，用與其對應的評價指標進行一級評價，則一級評價模型為式(1)。

Di=W×Ni

(1)

式中：Di為單個影響因素的評價結果；W為獨立評價因素下的所有評價指標權重構成的權重矩陣；Ni為評價指標對與之對應的獨立評價因素的評價結果矩陣。

表3 自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評價指標的分級標準

通過一級評價結果，構成因素評價集B，假設各評價因素的權重為Ki，構成權重矩陣K，評價因素對應的子體系的評價結果為Ci，則二級評價模型為式(2)。

Ci=K×Bi

(2)

通過二級評價結果，構成評價因素對應的子體系集C，假設評價因素對應的子體系的權重為Ti，礦山地質(zhì)環(huán)境評價結果為Pi，則構成礦山地質(zhì)環(huán)境三級評價模型為式(3)。

Pi=Ti×Ci

(3)

通過逐層依次三級綜合模糊評價計算，可得出最后的評價結果P的分值，再將其轉(zhuǎn)化為相應的評價等級，可得出研究區(qū)最終的地質(zhì)環(huán)境評價結果。

2.5 權重的計算

由于礦山地質(zhì)環(huán)境的各影響因素和評價指標的重要性不同，所以礦山地質(zhì)環(huán)境評價的核心即是確定各要素及評價指標的權重。層次分析法是計算權重較為科學和理想的方法，因此，本次礦山地質(zhì)環(huán)境評價的指標權重使用層次分析法結合專家打分法來確定。

1) 通過咨詢相關領域的專家，對自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評價的子體系和評價因素的重要性進行打分評判。

2) 構造判斷矩陣并計算各因素、指標的權重。通過層次分析法構建出的評價體系，在每一個相互獨立的影響因素下，對下一層的指標進行重要性賦值；再結合專家所打分值構造判斷矩陣；最后輸入到Matlab軟件中，計算出各矩陣的最大特征值與特征向量。歸一化處理矩陣的最大特征向量作為各對應指標的權重，計算結果見表4。評價因子權重結果見表5。

表4 子系統(tǒng)及評價因子權重結果表

表5 評價因子權重結果表

3) 判斷矩陣一致性驗證。引入一致性檢驗指標CI來驗證，見式(4)。

(4)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為判斷矩陣的階數(shù)。

為了確定判斷矩陣的一致性程度，通過CI值與數(shù)值0的靠近程度來確定判斷矩陣一致性的好壞，CI值越接近0，則表明判斷矩陣的一致性越好。當CI值等于數(shù)值0時，判斷矩陣就具有完全一致性。當判斷矩陣為3階及以上時，引入平均隨機性一致性指標RI與隨機一致性比率CR=CI/RI，通過CR值來判定矩陣的一致性。本文判斷矩陣最高為5階，因此本文引入1～6階判斷矩陣RI的值[7]，見表6。

表6 平均隨機性一致性指標

若CR<0.1，表示判斷矩陣具有一致性，反之就表示判斷矩陣不具有一致性，則需要通過調(diào)整矩陣使其達到一致性。經(jīng)檢驗，本文所構造的判斷矩陣都具有一致性。

3 自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境分區(qū)評價

3.1 自貢市礦區(qū)劃分

自貢市礦山時間跨度長，分布范圍廣，呈現(xiàn)集中連片分布特征。根據(jù)這一特征，可以把自貢市劃分為6個礦集區(qū)，分別為自流井背斜大安區(qū)-自流井區(qū)鹽鹵礦礦集區(qū)，威遠背斜南翼榮縣煤礦、石灰?guī)r礦、高嶺土礦礦集區(qū)，青山嶺背斜富順煤礦、石英砂巖礦礦集區(qū)，威遠背斜南翼榮縣東興石灰?guī)r礦礦集區(qū)，大安牛佛磚瓦用頁巖礦礦集區(qū)，富順王井-東湖磚瓦用頁巖礦礦集區(qū)，詳見圖2。

3.2 模糊綜合評價

根據(jù)自貢市綜合分區(qū)情況，使用上述綜合模糊評價方法對自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境進行評價。評價結果見表7。

圖2 自貢市礦集區(qū)分區(qū)圖

表7 自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境分區(qū)評價結果表

續(xù)表7

3.3 結果與分析

通過表7可知，自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境等級“優(yōu)”區(qū)1個，“良”區(qū)1個，“中”區(qū)2個，“差”區(qū)2個。分別為富順王井-東湖磚瓦用頁巖礦礦集區(qū)；大安牛佛磚瓦用頁巖礦礦集區(qū)；青山嶺背斜富順煤礦、石英砂巖礦礦集區(qū)和威遠背斜南翼榮縣東興石灰?guī)r礦礦集區(qū)；自流井背斜大安區(qū)-自流井區(qū)鹽鹵礦礦集區(qū)和威遠背斜南翼榮縣煤礦、石灰?guī)r礦、高嶺土礦礦集區(qū)。

礦山地質(zhì)環(huán)境為“差”的分區(qū)，基本為鹽鹵礦區(qū)和煤礦區(qū)，一是因為研究區(qū)鹽鹵礦開采歷史久遠、開采量巨大，二是煤礦的開采導致大面積的采空區(qū)出現(xiàn)，兩者對研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境影響都是持續(xù)性的，且恢復治理難度較大、恢復速度較慢、時間較長，需持續(xù)投入大量資金，從而導致政府的治理意愿不夠強烈。對于此類地質(zhì)環(huán)境“差”的區(qū)域，地方政府需通過政策傾斜來吸引社會力量，通過地方政府—社會力量的共同合作來對該區(qū)域進行持續(xù)的治理修復。

礦山地質(zhì)環(huán)境為“中”的分區(qū)，基本為石灰?guī)r礦種的開采區(qū)。此類地質(zhì)環(huán)境影響主要是因為開采活動對地形地貌、巖體結構以及周邊的土地資源、植被資源的破壞。相較于鹽鹵礦、煤礦的地質(zhì)環(huán)境影響，灰?guī)r礦礦產(chǎn)資源的開采導致的地質(zhì)環(huán)境恢復治理較容易，所需治理資金量不大。此類礦山地質(zhì)環(huán)境的恢復治理則需政府主導，部分社會資本參與，加強對開礦企業(yè)的管控。

礦山地質(zhì)環(huán)境為“優(yōu)”“良”的分區(qū)，則是頁巖礦開采區(qū)。此類地質(zhì)環(huán)境影響多為地形地貌和植被破壞，所需治理資金少，治理難度低，多數(shù)只需在加強邊坡防護的前提下進行人工復綠或者自然復綠。相較于地質(zhì)環(huán)境“差”“中”的分區(qū)，此類礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境恢復治理則完全可由地方政府或者生產(chǎn)企業(yè)進行治理修復。

4 結果驗證

礦山地質(zhì)環(huán)境評價影響因素不同，評價因子因地因礦而異，評價結果無法數(shù)字化，因此對于礦山地質(zhì)環(huán)境評價往往都是根據(jù)經(jīng)驗和相關規(guī)定進行定性評價。本文采用定性評價對上述提出的多級綜合模糊評價法所得出的結果進行驗證。 從突發(fā)型地質(zhì)環(huán)境影響、持續(xù)型地質(zhì)環(huán)境影響、礦山恢復治理難易程度和人為條件4個方面結合表3進行分區(qū)定性評價。

自流井背斜大安區(qū)-自流井區(qū)鹽鹵礦礦集區(qū)區(qū)內(nèi)主要礦種為鹽鹵礦，分布少量的灰?guī)r礦。鹽鹵礦的開采造成的主要是持續(xù)型地質(zhì)環(huán)境問題，灰?guī)r礦開采造成的則是突發(fā)型地質(zhì)環(huán)境問題。根據(jù)實地調(diào)查及相關水土樣品的檢測結果可知，該區(qū)部分水資源中，地表水和地下水中Na+和Cl-最高濃度分別達1 709 mg/L、730 mg/L，土壤含鹽量最高接近0.5%，表明該區(qū)水土資源污染嚴重。其次自貢市開采鹽鹵礦歷史長遠，開采井數(shù)量眾多，歷史遺留的大量礦井主要集中在該區(qū)，對該區(qū)含水層結構破壞及疏干影響嚴重，區(qū)內(nèi)部分地方地面出現(xiàn)不同程度的沉降，部分居民房屋出現(xiàn)裂縫。再者，區(qū)內(nèi)石灰?guī)r的開采嚴重剝蝕上層的植被及覆蓋層，對周邊土地的壓占與損毀嚴重，地形地貌破壞嚴重。對于上述地質(zhì)環(huán)境影響尤其是持續(xù)型地質(zhì)環(huán)境影響，治理難度大，持續(xù)時間長，政府投入治理資金少，治理意愿低。綜上所述，將自流井背斜大安區(qū)-自流井區(qū)鹽鹵礦礦集區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價為“環(huán)境影響嚴重區(qū)”，即為“差”。

利用定性評價，對自貢市其他地質(zhì)環(huán)境分區(qū)進行評價，威遠背斜南翼榮縣煤礦、石灰?guī)r礦、高嶺土礦礦集區(qū)、青山嶺背斜富順煤礦、石英砂巖礦礦集區(qū)、威遠背斜南翼榮縣東興石灰?guī)r礦礦集區(qū)、大安牛佛磚瓦用頁巖礦礦集區(qū)、富順王井-東湖磚瓦用頁巖礦礦集區(qū)的評價結果為影響嚴重、影響較嚴重、影響較嚴重、影響一般和基本無影響，與上述多級模糊綜合評價結果基本一致。但前文構建的多級綜合模糊評價法與層次分析法是將定性評價轉(zhuǎn)化為半定量評價，極大地減少了人為主觀因素和定性描述帶來的不穩(wěn)定性和不確定性，使礦山地質(zhì)環(huán)境評價的結果更科學、更合理。

5 結 論

1) 在本著礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理需根據(jù)實際情況和以人為本的前提下，將單位面積治理資金投入量與所需治理資金的比例、政府意愿和民眾要求作為評價指標的一部分，使自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評價結果更加客觀、合理和貼近實際情況。

2) 通過對自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境的綜合分區(qū)評價，結果表明：自貢市有1個地質(zhì)環(huán)境“優(yōu)”區(qū)(面積141.32 km2)、1個“良”區(qū)(面積86.87 km2)、2個“中”區(qū)(面積226.24 km2)和2個“差”區(qū)(面積564 km2)。

3) 政府治理意愿不強烈的礦區(qū)，主要是礦山地質(zhì)環(huán)境影響范圍大，持續(xù)時間長，治理難度大，持續(xù)資金投入量大，恢復時間長。其中主要原因則是需要持續(xù)投入大量治理資金，而地方財政收入及中央撥款有限，導致政府治理意愿不強。對于此類礦山的恢復治理，則需要轉(zhuǎn)變思路，可以通過地方政策(如免稅、給予治理恢復土地一定的免費使用年限等)吸引社會資本進行恢復治理，一方面可以極大的減輕財政的壓力，另一方面可以積極調(diào)動社會力量參與。