基于遙感的露天煤礦集中區(qū)地質(zhì)環(huán)境灰關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)
——以準(zhǔn)格爾煤田為例

高俊華，劉莎莎，楊金中，趙明鵬，劉欣悅，鄒聯(lián)學(xué)

(1.湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，長(zhǎng)沙 410007； 2.湖南省自然資源事務(wù)中心，長(zhǎng)沙 410004; 3.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

礦山地質(zhì)環(huán)境問題是礦產(chǎn)資源開發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生或加劇的地質(zhì)環(huán)境惡化的現(xiàn)象，主要包括地質(zhì)災(zāi)害(崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫)、含水層破壞、地形地貌景觀破壞、土地資源破壞等[1]。礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)是在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查的基礎(chǔ)上，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用定量或半定量方法，評(píng)定礦山地質(zhì)環(huán)境問題的影響程度，分析礦山地質(zhì)環(huán)境問題的成因及變化趨勢(shì)，提出礦山地質(zhì)環(huán)境問題防治對(duì)策[2]。

影響礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的因素很多，不同因素引發(fā)的問題和程度各異。前人研究了綜合評(píng)判法、網(wǎng)格法、矢量多邊形法、模糊綜合評(píng)判法、集對(duì)分析法等多種礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)方法[3-6]，鄭麗媛等[7]對(duì)這些方法做了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)各有其優(yōu)勢(shì)和局限。灰色關(guān)聯(lián)分析法(以下簡(jiǎn)稱灰關(guān)聯(lián)法)也已成功運(yùn)用于土地質(zhì)量、地表水質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害等評(píng)價(jià)領(lǐng)域[8-12]。黃永泉等[13]基于灰關(guān)聯(lián)法求得了各礦山環(huán)境背景因子和危害因子的關(guān)聯(lián)度，確定了江西省礦山的環(huán)境質(zhì)量等級(jí)； 劉方[14]用灰關(guān)聯(lián)的模糊層次組合法開展了單座礦山的地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)； 焦明連[15]以礦山環(huán)境主要污染物為評(píng)價(jià)指標(biāo)，用灰色聚類分析得出山西省大中型礦區(qū)環(huán)境影響等級(jí)。上述研究的評(píng)價(jià)因子多以復(fù)雜的地面調(diào)查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為主。在地面常規(guī)手段調(diào)查基礎(chǔ)上，自然資源部(原國土資源部)自2003年開始利用高分辨率光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)施了礦山地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作，至2017年已形成了每年一度的整套全國性遙感監(jiān)測(cè)成果[16-21]，產(chǎn)生了一系列的理論創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步[22-25]。馬世斌等[26]和趙玉靈[27]采用網(wǎng)格和層次分析組合法，利用綜合收集的資料和遙感監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，開展了礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)方法探討。但該方法也有其不足之處，如資料的現(xiàn)勢(shì)性、完整度和準(zhǔn)確度問題，以及網(wǎng)格法受人為影響較多[7]等因素，加之光學(xué)遙感影像限于地表的特性，遙感平面面積與真實(shí)面積存在些許誤差[28]，所以在基礎(chǔ)資料相對(duì)不完整，或地面調(diào)查不夠全面的情況下，如何充分利用大量已掌握的全國性遙感監(jiān)測(cè)成果，在較大區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)，求取指示性環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)分區(qū)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文擬選取準(zhǔn)格爾露天煤田為研究區(qū)，嘗試?yán)没谊P(guān)聯(lián)法，對(duì)已知的礦山占用或損毀土地資源、礦山地質(zhì)災(zāi)害、礦山環(huán)境污染等一些特征指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定并量化，定出等級(jí)； 再將部分已知信息和部分未知信息納入灰色系統(tǒng)，求出不同對(duì)象(礦山)的因子之間空間序列的相似或相異程度，即灰關(guān)聯(lián)度； 依據(jù)灰關(guān)聯(lián)度大小，劃分礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)分區(qū)，為區(qū)域礦山環(huán)境恢復(fù)治理提供決策依據(jù)，并為更大范圍的礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)提供參考。

1 研究區(qū)概況

準(zhǔn)格爾煤田是亞洲最大的露天煤礦，位于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗、清水河縣和山西偏關(guān)縣及河曲縣的交界處，地處黃土高原邊緣地區(qū)，丘陵起伏，溝壑縱橫(圖1)。

圖1 準(zhǔn)格爾煤田礦區(qū)分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the miningarea of Zhungeer Coalfield

大地構(gòu)造位置位于祁呂賀山字型東翼馬蹄形盾地東緣，亦即新華夏系第三拗陷帶中段-陜甘寧盆地東北邊緣。北部靠近陰山巨型緯向構(gòu)造帶?；緲?gòu)造形態(tài)為一走向NNE、傾向W的單斜構(gòu)造，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，傾角平緩，一般小于10°。褶皺十分寬緩，次一級(jí)的波狀起伏較為發(fā)育。除南部邊界有一條較大斷層外，區(qū)內(nèi)斷層稀疏，斷距一般不大，以正斷層為主。無火成巖活動(dòng)[29]。

煤田具有儲(chǔ)量大、煤層厚、埋藏淺、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、適合露天開采的特性。煤種為中灰硫長(zhǎng)焰煤，熱量大，是工業(yè)動(dòng)力的優(yōu)質(zhì)煤。已探明總面積約為1 723 km2，煤田總儲(chǔ)量約為362億t。

目前設(shè)置有露天煤礦采礦權(quán)16個(gè)，其中，位于準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)11個(gè)，清水河縣3個(gè)，偏關(guān)縣和河曲縣各1個(gè)(表1)。露天煤田開采總規(guī)模6 550萬t/a，其中大型煤礦3個(gè)，中型煤礦9個(gè)，小型煤礦4個(gè)。礦山已開采年為2～12 a不等。

表1 準(zhǔn)格爾煤田露天采礦權(quán)設(shè)置情況一覽表Tab.1 List of open-pit mining rights in Zhungeer Coalfield

區(qū)內(nèi)煤田露天開采使得大量巖土剝離、堆積和擾動(dòng)，破壞自然狀態(tài)下的穩(wěn)定和平衡，致使土壤侵蝕加劇。植被破壞、黃土地表裸露、人口增加等因素都加重對(duì)土地的壓力，從而導(dǎo)致沙漠化的擴(kuò)大和發(fā)展。采掘坑和排土場(chǎng)出現(xiàn)人工滑坡，或誘發(fā)自然滑坡，改變了地面水系現(xiàn)狀，推擠河道，影響交通，損毀耕地等農(nóng)用地，影響生產(chǎn)并危及人身安全[30]。礦區(qū)的生產(chǎn)和生活活動(dòng)將大量的廢棄物排放到環(huán)境中，并擴(kuò)散、遷移和轉(zhuǎn)化，形成了大氣污染、廢水污染、廢渣污染和噪聲污染[31]。羅振華[32]應(yīng)用綜合預(yù)測(cè)法對(duì)準(zhǔn)格爾煤田進(jìn)行了開發(fā)前的土地沙漠化趨勢(shì)預(yù)測(cè)及開發(fā)后的土地沙漠化面積估算和土壤風(fēng)蝕量計(jì)算。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)的根本條件和理論基礎(chǔ)，也是核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依據(jù)指標(biāo)體系可以確定一個(gè)地區(qū)的主要礦山環(huán)境問題，通過其總體效應(yīng)來反映被評(píng)價(jià)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境總體狀況。環(huán)境指標(biāo)的選擇，應(yīng)覆蓋適當(dāng)?shù)臅r(shí)空范圍，反映多環(huán)境因素，并使指標(biāo)提供的結(jié)果客觀準(zhǔn)確，反映的礦山環(huán)境信息量最大化，所用的時(shí)間和成本最小化。

本文確定的礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括3個(gè)層次： ①要素層： 分為土地資源壓占和損毀、礦山地質(zhì)災(zāi)害及礦山環(huán)境污染3個(gè)要素； ②指標(biāo)層： 即每一要素包括若干個(gè)指標(biāo)，如礦山地質(zhì)災(zāi)害要素包括崩塌-滑坡-泥石流(以下簡(jiǎn)稱崩滑流)和地面塌陷-地裂縫(以下簡(jiǎn)稱陷裂)2個(gè)指標(biāo)； ③因子層： 每一個(gè)指標(biāo)都可以用1個(gè)(或多個(gè))因子來表征，如土地資源損毀包括固體廢棄物、采場(chǎng)、礦山建筑等因子(圖2)。

圖2 礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation index system ofmine geological environment

參照國家和地方行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DZ/T 0223—2011》、《DD2014—05》和《DB43/T 1042—2015》[33]，按礦山地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)數(shù)值，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，在聽取有關(guān)專家意見的基礎(chǔ)上，確定礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)等級(jí)為： 影響嚴(yán)重區(qū)(Ⅳ級(jí))、影響較嚴(yán)重區(qū)(Ⅲ級(jí))、影響一般區(qū)(Ⅱ級(jí))和無影響區(qū)(Ⅰ級(jí))。

在各指標(biāo)中，當(dāng)某一指標(biāo)只有一個(gè)因子時(shí)，該因子數(shù)值的評(píng)定等級(jí)就是該指標(biāo)的評(píng)定等級(jí)。如果某指標(biāo)可用若干因子表示，則應(yīng)選定這些因子數(shù)值評(píng)價(jià)等級(jí)中表征地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)最嚴(yán)重者為該指標(biāo)的評(píng)定等級(jí)。在對(duì)水污染、土壤污染等不進(jìn)行取樣化驗(yàn)的時(shí)候，其污染等級(jí)的劃分，采用污染影響范圍來描述指標(biāo)等級(jí)。

礦山地質(zhì)環(huán)境由多種因素決定，因此選擇評(píng)價(jià)因子要能整體上反映礦山地質(zhì)環(huán)境，其評(píng)價(jià)結(jié)果才具有科學(xué)性、客觀性和可比性等。因此，在分析不同開發(fā)類型、不同影響對(duì)象和程度的礦山環(huán)境問題的基礎(chǔ)上，本次研究按指標(biāo)類型分別制定量化指標(biāo)，確定權(quán)重，構(gòu)建一個(gè)由壓占或損毀土地、地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境污染組成的準(zhǔn)則層，5項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)層，采用有關(guān)數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)原理建立多指標(biāo)、多層次、多階段的分類因子綜合評(píng)價(jià)模型(目標(biāo)層) (表2)。因子等級(jí)參照國家和地方行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定。

表2 礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)Tab.2 Evaluation index levels of mine geological environment

3 灰關(guān)聯(lián)法及改進(jìn)

3.1 方法原理

灰關(guān)聯(lián)法是根據(jù)比較數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)情況確定樣本的評(píng)價(jià)級(jí)別的方法。設(shè)有參考數(shù)列{X0(k)}, 比較數(shù)列{Xi(k)}； 綜合各點(diǎn)(k= 1, 2, …,n)的關(guān)聯(lián)系數(shù), 得到整個(gè)比較數(shù)列{Xi(k)}與參考數(shù)列{X0(k)}的關(guān)聯(lián)度, 關(guān)聯(lián)度最大者, 說明參考數(shù)列與之關(guān)聯(lián)性最好, 相應(yīng)得到該樣本的評(píng)價(jià)級(jí)別[8]。具體步驟為：

1)以礦山環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值為參考序列(X0)，以n座礦山的數(shù)據(jù)為比較序列(Xi，i= 1, 2, …,n)。

2)無量綱化。使用均值化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化，即用每組序列的平均值去除每個(gè)數(shù)，得到一個(gè)占平均值百分比為多少的數(shù)列。

3)求差序列、最大差和最小差： 以X0與Xi各對(duì)應(yīng)點(diǎn)之差值的絕對(duì)值構(gòu)成差序列,并找出序列內(nèi)、序列間二級(jí)最大差和最小差。

4)根據(jù)灰關(guān)聯(lián)度公式，求每組數(shù)據(jù)的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)、灰關(guān)聯(lián)度r，并依據(jù)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序。計(jì)算公式如下：

若參考數(shù)列為X0，比較數(shù)列(因子數(shù)列)為Xi，i=1, 2, …,n，則

X0={X0(1),X0(2),…，X0(n),}，

(1)

Xi={Xi(1),Xi(2),…，Xi(n),}。

(2)

則X0和Xi在第k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

(3)

式中： │X0(k)-Xi(k)│=Δi(k)，為X0數(shù)列與數(shù)列在第k點(diǎn)的絕對(duì)差； minimink│X0(k)-Xi(k)│為二級(jí)最小差，其中mink│X0(k)-Xi(k)│為第一級(jí)最小差，表示Xi數(shù)列與X0數(shù)列對(duì)應(yīng)點(diǎn)的差值中的最小差； 而minimink│X0(k)-Xi(k)│為第二級(jí)最小差，表示在第一級(jí)最小差的基礎(chǔ)上，再找出其中的最小差； maximaxk│X0(k)-Xi(k)│為二級(jí)最大差；ρ為分辨系數(shù)，在0～1之間取值，一般取0.5。則比較數(shù)列Xi與參考數(shù)列X0的關(guān)聯(lián)度γi為：

(4)

3.2 方法改進(jìn)

3.2.1 人工插值

當(dāng)某礦山中某一參評(píng)因子數(shù)值為空缺時(shí)，無量綱化處理不能應(yīng)對(duì)所有數(shù)列。此時(shí)采用人工插值法，以該組序列平方和的倒數(shù)為值賦予該參評(píng)因子。這樣既賦予了空值一個(gè)很小的數(shù)，防止信息損失，又不對(duì)該組序列的灰關(guān)聯(lián)計(jì)算形成干擾性影響。

3.2.2 分級(jí)加權(quán)

在無量綱化之前，對(duì)各礦山的參評(píng)因子數(shù)值參照表2設(shè)定的因子等級(jí)進(jìn)行分級(jí)加權(quán)，目的是增加因子之間的對(duì)比度，從而提高灰關(guān)聯(lián)法的可分辨性。則Fi=αXi，得出分級(jí)加權(quán)后的比較序列Fi，其中α為因子等級(jí)，α在{0.2，0.4，0.6，0.8}中按影響程度取值。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

利用2019年GF-2衛(wèi)星遙感正射影像獲取了準(zhǔn)格爾煤田16座露天煤礦的礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)信息，輔以部分現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查驗(yàn)證，得出研究區(qū)監(jiān)測(cè)成果(表3)。

表3 準(zhǔn)格爾煤田露天煤礦地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of remote sensing monitoring results of the geological environment of Zhungeer Coalfield open-pit coal mine

(續(xù)表)

采用灰關(guān)聯(lián)法，對(duì)研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 準(zhǔn)格爾煤田礦山地質(zhì)環(huán)境灰關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Gray correlation evaluation results of thegeological environment of Zhungeer Coalfield

從表4可以看出，研究區(qū)內(nèi)16座露天煤礦山的地質(zhì)環(huán)境嚴(yán)重程度為由大到小依次為： 匯隆>蒙祥>梁家磧>天賜源>魏家峁>廳子堰>劉胡梁>黑岱溝>哈爾烏素>金正泰>召富>永勝>崔二圪咀>宏燃>華富>正仁。

分析表4中各礦山的灰關(guān)聯(lián)平均值，繪制成如圖3所示的變化趨勢(shì)線，可見趨勢(shì)線明顯呈三個(gè)階梯。根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境嚴(yán)重程度，將研究區(qū)劃分為影響嚴(yán)重區(qū)(Ⅳ級(jí))、影響較嚴(yán)重區(qū)(Ⅲ級(jí))、影響一般區(qū)(Ⅱ級(jí))和無影響區(qū)(Ⅰ級(jí))4個(gè)等級(jí)。

圖3 準(zhǔn)格爾煤田礦山灰關(guān)聯(lián)平均值趨勢(shì)Fig.3 Trend of ash-associated averagesof mines in Zhungeer Coalfield

因此可得出礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)，即，影響嚴(yán)重區(qū)有匯隆、蒙祥和梁家磧3座礦山，影響較嚴(yán)重區(qū)有天賜源、魏家峁、廳子堰、劉胡梁、黑岱溝5座礦山，影響一般區(qū)有哈爾烏素、金正泰、召富、永勝、崔二圪咀、宏燃、華富和正仁8座礦山，其他非礦山地區(qū)為無影響區(qū)。礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)分區(qū)如圖4所示。

圖4 準(zhǔn)格爾煤田礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)分區(qū)Fig.4 Zone map of geological environmentassessment in Zhungeer Coalfield

5 結(jié)論與建議

1)當(dāng)影響礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的因子不能完全確定時(shí)，可以對(duì)一些質(zhì)量特征指標(biāo)(如地物類型、面積、規(guī)模等)進(jìn)行測(cè)定和量化，并定出等級(jí)，再采用灰關(guān)聯(lián)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本文研究的礦山地質(zhì)環(huán)境是由部分已知信息、部分未知信息組成的灰色系統(tǒng)，在理論上具有可行性。

2)人工插值初步解決了通過遙感手段監(jiān)測(cè)成果中某項(xiàng)礦山地質(zhì)環(huán)境因子為空值的問題，但該方法原理的合理性仍需進(jìn)一步探討； 分級(jí)加權(quán)提高了灰關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)的可分辨性，也使得評(píng)價(jià)結(jié)果更趨于實(shí)際。

3) 準(zhǔn)格爾煤田礦山地質(zhì)環(huán)境影響嚴(yán)重區(qū)有3座礦山，影響較嚴(yán)重區(qū)有5座礦山，影響一般區(qū)有8座礦山，其他非礦山地區(qū)為無影響區(qū)。評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)客觀地反映出了研究區(qū)露天煤礦山地質(zhì)環(huán)境的現(xiàn)狀。以礦山為單元、礦山要素為因子的灰關(guān)聯(lián)法在礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用已取得實(shí)效，但在更大范圍的適用性，有待持續(xù)開展深入研究。