河南省許昌市礦山地質(zhì)環(huán)境分區(qū)評價研究

宋高舉，黃繼超，張 公，王 帥

河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘探開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院,河南 鄭州 450053

0 引言

礦山地質(zhì)環(huán)境影響的綜合評價是在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查和研究的基礎(chǔ)上，按照一定的評價原則及標(biāo)準，選用合適的方法，對礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣做出評判和劃分. 礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價可揭示出礦山存在的主要地質(zhì)環(huán)境問題，為相關(guān)部門監(jiān)督、規(guī)劃與治理礦山環(huán)境地質(zhì)問題提供參考依據(jù).

礦山地質(zhì)環(huán)境影響的綜合評價可以采用許多種方法，如：加權(quán)比較法、地理信息系統(tǒng)圖層疊加分析法、綜合指數(shù)法、模糊綜合評判法等［1-7］. 隨著技術(shù)不斷成熟，基于RS 和GIS 的礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價越來越多［8-13］. 本次研究結(jié)合許昌市礦山地質(zhì)環(huán)境問題，采用GIS 圖層疊加分析法與綜合指數(shù)法相結(jié)合對許昌市的礦山地質(zhì)環(huán)境進行評價.

1 研究區(qū)概況

河南省許昌市礦產(chǎn)資源豐富，是煤炭、鐵礦、鋁土礦、耐火黏土、水泥灰?guī)r、建筑石料灰?guī)r等礦產(chǎn)的重要成礦區(qū). 截至2015 年底，許昌市已發(fā)現(xiàn)32 種礦產(chǎn)，查明資源儲量的礦產(chǎn)7 種，礦產(chǎn)地46 處. 其中大型礦床8 處，中型礦床12 處，小型礦床24 處，共有各類持證礦山企業(yè)123 家.

根據(jù)許昌市礦山開采情況，選擇許昌市礦產(chǎn)資源集中開采區(qū)為評價區(qū)，坐標(biāo)范圍為東經(jīng)113°06′～113°45′，北緯33°42′～34°24′（圖1）. 行政區(qū)別包括禹州市西部方山鎮(zhèn)、鳩山鎮(zhèn)、梁北鎮(zhèn)，北部無梁鎮(zhèn)、淺井鎮(zhèn)；襄城縣北部汾陳鎮(zhèn)，南部十里鋪鎮(zhèn)、湛北鄉(xiāng)；建安區(qū)靈井鎮(zhèn). 礦山以開采煤礦、鋁土礦、鐵礦、石灰?guī)r礦為主.

圖1 評價區(qū)范圍圖Fig. 1 Scope of the evaluation area1—市界（city boundary）；2—高速公路（highway）；3—水系（water system）；4—評價區(qū)（evaluation area）

2 分區(qū)評價方法

2.1 分區(qū)原則

以各類礦山環(huán)境問題的現(xiàn)狀、分布及發(fā)展趨勢為依據(jù)，以采礦對周邊環(huán)境影響程度，兼顧考慮地質(zhì)環(huán)境背景條件，并突出重點為分區(qū)原則. 由于影響礦山地質(zhì)環(huán)境的各要素之間相互聯(lián)系又相互影響，需要在各單因素評價的基礎(chǔ)上，綜合評價礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量.評價每個要素對礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響的同時，結(jié)合以往研究資料并根據(jù)實際情況予以綜合判定.

2.2 評價單元劃分

進行礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價，首先采用柵格單元法對評價區(qū)進行評價單元的劃分. 該方法的優(yōu)點是可利用GIS 軟件實現(xiàn)單元的快速劃分，同時柵格數(shù)據(jù)為矩陣形式，可借助計算機實現(xiàn)快速運算，缺點是柵格單元與地形、地貌及地質(zhì)環(huán)境條件信息缺乏有機聯(lián)系，為了充分考慮礦山地質(zhì)問題所形成的地質(zhì)環(huán)境條件，更合理劃分評價單元，筆者利用許昌地區(qū)1∶5 萬DEM 數(shù)據(jù)，在柵格法基礎(chǔ)上引入水文解析法劃分評價單元.

水文解析法首先是對DEM 進行洼地填充，然后依據(jù)填充后的DEM 求流向圖，根據(jù)流向獲取各單元的累積流量. 設(shè)定某一柵格單元的最小匯水單元格數(shù)，得到整個區(qū)域的集水區(qū). 隨著設(shè)定的最小匯水單元格數(shù)的增大，能夠得到更大面積的匯水區(qū)域. 該方法也可通過設(shè)定不相同的最小匯水單元數(shù)，開展不同精度的研究. 根據(jù)地形特征，匯水區(qū)邊界就是分水線，為了找到河谷線，利用反向DEM 進行上述水文匯水分析，將原始的DEM 按照水平線進行反轉(zhuǎn)，原來的高點變成低點，得出的新匯水邊界就變成河谷線.

在最終得到斜坡單元柵格數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用GIS 的柵格矢量轉(zhuǎn)換得到斜坡面域，在此轉(zhuǎn)換中，會產(chǎn)生一些假的面集和面積很小的面集單元，再通過GIS的融合歸并功能來削除不合理元素，得到柵格評價單元面數(shù)據(jù)集. 使用這一方法將評價區(qū)劃分為2243 個評價單元（圖2）.

圖2 評價單元劃分結(jié)果圖Fig. 2 Division result of evaluation unit

2.3 評價體系的建立

評價體系的要素選取和權(quán)重職值，在參考已有成果［14-21］的基礎(chǔ)上，結(jié)合本次評價的重點，進行了重新構(gòu)建，以單個礦山或多個礦山的礦區(qū)為基本評價單元，將開發(fā)礦產(chǎn)資源誘發(fā)或加劇礦山環(huán)境地質(zhì)問題的嚴重程度、災(zāi)害損失以及直接經(jīng)濟損失3 項作為礦山環(huán)境地質(zhì)問題評價依據(jù).

許昌市礦山地質(zhì)環(huán)境問題的發(fā)育特征和發(fā)育強度與礦山地質(zhì)環(huán)境背景和礦山開發(fā)強度密切相關(guān). 許昌地區(qū)煤炭資源量豐富，可采煤層厚度大、易開采，決定了煤礦大規(guī)模、高強度開采的特點. 礦山大規(guī)模和高強度的開發(fā)導(dǎo)致采空區(qū)塌陷成為最主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，同時也造成水資源均衡破壞、植被覆蓋率降低等嚴重的生態(tài)環(huán)境問題.

結(jié)合許昌市的區(qū)域地質(zhì)背景以及礦山環(huán)境調(diào)查統(tǒng)計情況，選取影響程度較突出的指標(biāo)進行評價，構(gòu)建評價體系（表1），主要包括兩個層次：①要素層，區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景、資源損毀和地質(zhì)災(zāi)害3 個要素；②指標(biāo)層，每一要素包括若干指標(biāo)，一個指標(biāo)又可用一個或若干個因子表征. 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景的指標(biāo)包括：地形地貌，植被覆蓋，多年平均降水；資源損毀指標(biāo)包括：土地壓占與破壞，地形地貌景觀破壞，水資源破壞；地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)包括：地面塌陷，地裂縫，崩塌及隱患.

表1 礦山地質(zhì)環(huán)境評價指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system of mine geological environment

3 評價指標(biāo)分級與量化取值

根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局2004 年10 月頒行的《區(qū)域環(huán)境地質(zhì)調(diào)查總則（試行）（DD2004—02）》規(guī)定，按地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)數(shù)值對評價區(qū)進行綜合性區(qū)域地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級分區(qū)，分區(qū)等級統(tǒng)一規(guī)定為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量好、較好、較差、差4 個等級，以此原則將礦山地質(zhì)環(huán)境的指標(biāo)因子及礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級劃分為好（Ⅰ級）、較好（Ⅱ級）、較差（Ⅲ級）和差（Ⅳ級）4 個等級. 指標(biāo)因子等級賦值標(biāo)準及指標(biāo)加權(quán)綜合評價時，由加權(quán)評定分值確定相應(yīng)等級的標(biāo)準（表2）.

表2 各指標(biāo)因子等級及其賦值標(biāo)準和加權(quán)評定分值Table 2 Grading of each index factors with assignment standard and weighted evaluation score

本次礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價劃分為影響嚴重、影響較嚴重和影響一般3 個等級. 根據(jù)這3 個等級的劃分，評價因素的指標(biāo)界線也分為好、較好、較差3 個等級. 各參評因子評價標(biāo)準的基準值是根據(jù)《區(qū)域環(huán)境地質(zhì)調(diào)查總則（試行）》（DD2004—02）、《礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價規(guī)范》（DD2014—05）等相關(guān)規(guī)范，同時結(jié)合研究區(qū)實際情況給出的，并考慮到未來的可行性，盡量使其量化，無法量化的將采用經(jīng)驗判斷或?qū)＜掖蚍址椒ńo予賦值，具體見表3.

表3 各評價指標(biāo)等級分級Table 3 Grading of each evaluation index

3.1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景的量化

1）坡度指標(biāo)

利用ArcGIS 平臺從DEM 數(shù)據(jù)中分別提取評價區(qū)的坡度信息，進行歸一化. 由于30°以上斜坡發(fā)生崩塌的頻率很高，因此將30°以上斜坡的影響程度定義為1，而10°以下斜坡發(fā)生崩塌的頻率則很低，其影響程度定義為0；將10～30°之間斜坡的影響程度，按照不同坡度區(qū)間發(fā)生崩塌地質(zhì)現(xiàn)象的概率進行0～1 之間的線性歸一化.

2）植被覆蓋率

利用ArcGIS 平臺從DEM 數(shù)據(jù)中分別提取評價區(qū)的地表曲率信息，然后利用MODIS 遙感數(shù)據(jù)計算植被指數(shù)，將植被覆蓋率小于20%的定義為1，植被覆蓋率大于40%的定義為0，將全區(qū)植被覆蓋率進行0～1 之間歸一化差值處理.

3）降雨指標(biāo)

根據(jù)許昌地區(qū)的降雨特征，選用降雨不均勻系數(shù)來量化降雨因素，將全區(qū)降雨不均勻系數(shù)進行0～1 之間歸一化差值處理. 降雨不均勻系數(shù)是指多年的汛期（7—9 月）平均降雨量與多年的年平均降雨量之比，可以客觀地反映出某一地區(qū)降雨的不均勻性，即降雨的集中程度，也就是相對的降雨強度. 降雨不均勻系數(shù)越大，說明降雨越集中，相對的降雨強度越大.

3.2 資源損毀的量化

1）土地壓占破壞指標(biāo)

將影響程度嚴重的定義為1，影響程度較輕的定義為0，將全區(qū)土地壓占與破壞進行0～1 之間歸一化差值處理.

2）地形地貌景觀指標(biāo)

將影響程度嚴重的定義為1，影響程度較輕的定義為0，將全區(qū)地形地貌景觀進行0～1 之間歸一化差值處理.

3）地下水含水層破壞指標(biāo)

將礦井排水量大于10 000 m3/d 定義為1，礦井排水量小于3 000 m3/d 定義為0，將全區(qū)含水層破壞進行0～1 之間歸一化差值處理，得到含水層破壞指標(biāo)歸一化結(jié)果.

3.3 地質(zhì)災(zāi)害的量化

1）地面塌陷指標(biāo)

根據(jù)地面塌陷影響范圍，將地面塌陷影響面積大于1 km2的定義為1，地面塌陷影響面積小于0.1 km2的定義為0，將全區(qū)地面塌陷指標(biāo)進行0～1 之間歸一化差值處理.

2）地裂縫指標(biāo)

根據(jù)地裂縫的發(fā)育長度，將地裂縫長度大于500 m的定義為1，地裂縫長度小于100 m 的定義為0，將全區(qū)地裂縫指標(biāo)進行0～1 之間歸一化差值處理.

3）崩塌及隱患指標(biāo)

根據(jù)崩塌及隱患發(fā)育規(guī)模，將規(guī)模大于10×104m3的定義為1，將規(guī)模小于1×104m3的定義為0，將全區(qū)崩塌及隱患指標(biāo)進行0～1 之間歸一化差值處理.

4 評價模型和效果評述

4.1 評價模型

礦山地質(zhì)環(huán)境的綜合評價，需要將礦山地質(zhì)問題的嚴重程度給予定量綜合評定，本次評價采用要素指標(biāo)加權(quán)分值綜合評價法. 要素指標(biāo)加權(quán)分值綜合評價模型為：

式中，F(xiàn)j為要素加權(quán)分值（j＝Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）；Fi為每一要素中各指標(biāo)評定分值；Wi為各指標(biāo)權(quán)值；n 為各要素指標(biāo)個數(shù).

地質(zhì)環(huán)境等級綜合評價模型為：

式中，F(xiàn)0為地質(zhì)環(huán)境綜合加權(quán)評價分值；Wj為各要素權(quán)值；j 為環(huán)境地質(zhì)問題所含要素；一般n′＝1，2，3，對應(yīng)于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ要素.

4.2 權(quán)值確定

權(quán)值是反映不同評價因子相對于某評價觀點的重要性差異，具有明顯的模糊特征. 本次評價采用層次分析法（AHP）確定因子權(quán)重值，由此方法計算得出各指標(biāo)權(quán)重見表4.

表4 許昌地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評價指標(biāo)權(quán)重Table 4 Weights of mine geological environment evaluation index in Xuchang area

4.3 效果評述

將地裂縫、崩塌、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，土地占用與破壞，地形地貌景觀破壞和水資源破壞等影響礦山地質(zhì)環(huán)境的問題進行單要素分析并在計算機內(nèi)存儲為一個圖層，應(yīng)用ArcGIS 圖層疊加分析功能，將所有圖層進行空間疊加，生成新的區(qū)域和圖層，對新的圖層根據(jù)其內(nèi)部屬性表的屬性值進行相應(yīng)的分級，最終得到礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評估分區(qū)圖.

根據(jù)ArcGIS 圖層疊加分析和要素指標(biāo)加權(quán)分值綜合評價兩種方法評價與分析的結(jié)果，結(jié)合調(diào)查地區(qū)的實際情況，對許昌地區(qū)礦山開發(fā)產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境影響進行了評價（圖3）.

圖3 礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價圖Fig. 3 Zoning map of mine geological environment impact evaluation1—礦山地質(zhì)環(huán)境影響嚴重區(qū)（seriously-affected mining geological environment）；2—礦山地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重區(qū)（less seriously-affected mining geological environment）；3—礦山地質(zhì)環(huán)境影響一般區(qū)（moderately-affected mining geological environment）；4—影響現(xiàn)狀評價區(qū)分界線（boundary of impact evaluation area）

根據(jù)上述結(jié)果，將礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價圖與礦山開發(fā)的環(huán)境現(xiàn)狀反復(fù)擬合，以礦區(qū)相對集中，礦種類似為分區(qū)原則，確定分區(qū)界線，形成礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價分區(qū). 許昌地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價分為3 個區(qū)：礦山地質(zhì)環(huán)境影響嚴重區(qū)、礦山地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重區(qū)和礦山地質(zhì)環(huán)境影響一般區(qū).

1）礦山地質(zhì)環(huán)境影響嚴重區(qū)（Ⅰ）

在Ⅰ區(qū)域內(nèi)，地形坡度局部較陡，采礦活動相對劇烈，礦山地質(zhì)環(huán)境問題類型較多，如崩塌、地面塌陷、地裂縫、地形地貌景觀破壞、土地資源壓占、含水層破壞等. 對礦山及周邊環(huán)境所引起的破壞影響較大，且不易恢復(fù).

涉及的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有禹州市淺井鄉(xiāng)東、無梁鎮(zhèn)南、古城鎮(zhèn)南、方山鎮(zhèn)南、磨街鄉(xiāng)北，襄城縣紫云鎮(zhèn)西南、許昌縣靈井鎮(zhèn)泉店村. 總面積約272.82 km2. 地貌上為中低山－丘陵區(qū)，海拔400～1150 m，地表出露寒武系、奧陶系、石炭系灰?guī)r、白云巖，二疊系泥巖、砂巖，三疊系砂巖等. 進一步可劃分為7 個亞區(qū)（圖3）.

2）礦山地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重區(qū)（Ⅱ）

該區(qū)地形相對較緩，隨著礦山采礦活動的深入，可能出現(xiàn)的礦山地質(zhì)問題有植被破壞、土地壓占、煤矸石堆積等. 礦山地質(zhì)環(huán)境問題類型單一，程度較嚴重—較輕，故將該區(qū)域劃為地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重區(qū). 涉及的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有禹州市萇莊鎮(zhèn)大部分、淺井鄉(xiāng)北、無梁鎮(zhèn)北、古城鎮(zhèn)西北、方山鎮(zhèn)西、鳩山鎮(zhèn)東南、神垕鎮(zhèn)大部分、三峰山北部一帶，襄城縣南部湛北鄉(xiāng)一帶，許昌縣石固鎮(zhèn)東、長葛市陘山一帶，總面積約420.34 km2，進一步可劃分為9 個亞區(qū)（圖3）.

3）礦山地質(zhì)環(huán)境影響一般區(qū)（Ⅲ）

除上述以外的其它地區(qū)，面積2 246.3 km2，地貌類型主要為沖積平原，地面高程80～130 m，坡降3‰左右，地形平坦，由全新統(tǒng)粉土及黑灰色粉質(zhì)黏土組成. 此區(qū)礦山企業(yè)分布較少，礦山地質(zhì)災(zāi)害基本不發(fā)育，礦山影響程度低.

5 結(jié)論

本研究以區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景、資源損毀和地質(zhì)災(zāi)害為評價要素，通過建立綜合評價指標(biāo)體系對許昌市礦山地質(zhì)環(huán)境進行分區(qū)評價，綜合得出如下結(jié)論.

1）采用水文解析的方法，對評價區(qū)域進行劃分，比較符合實際地形、地貌、地質(zhì)環(huán)境條件，比傳統(tǒng)的網(wǎng)格剖分更接近天然地質(zhì)條件，單元格數(shù)據(jù)處理精度高、速度快.

2）以單個礦山或多個礦山構(gòu)成的礦區(qū)為基本評價單元建立評價指標(biāo)體系. 礦山環(huán)境地質(zhì)問題的嚴重程度、災(zāi)害的損失以及直接經(jīng)濟損失作為分級依據(jù)，把區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景、資源損毀和地質(zhì)災(zāi)害3 個要素進行量化、賦予權(quán)重，根據(jù)GIS 圖層疊加分析得到評價結(jié)果.

3）將礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價圖與礦山開發(fā)環(huán)境現(xiàn)狀反復(fù)擬合，以礦區(qū)相對集中，礦種類似為分區(qū)原則，確定分區(qū)界線，形成礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價分區(qū). 許昌市礦山環(huán)境地質(zhì)綜合評價分為3 個區(qū)：礦山地質(zhì)環(huán)境影響嚴重區(qū)、礦山地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重區(qū)和礦山地質(zhì)環(huán)境影響一般區(qū).