基于模糊數(shù)學(xué)法的南四湖地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀綜合評價(jià)

孟祥超，李軍，王娜，馮璽平，宋月梅，何平，陳麗靜，馬騰

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì))，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

南四湖是山東省境內(nèi)最大的淡水湖，于2003年被山東省政府設(shè)立為省級自然保護(hù)區(qū)。該保護(hù)區(qū)是生態(tài)系統(tǒng)完整、極具保護(hù)價(jià)值的“內(nèi)陸濕地和水域生態(tài)系統(tǒng)”類型的自然保護(hù)區(qū)[1-3]。南四湖地區(qū)煤炭資源豐富、開發(fā)歷史悠久。隨著開采強(qiáng)度的增大，給地質(zhì)環(huán)境造成了較大的破壞，尤其是煤礦礦山開采導(dǎo)致的地面塌陷、土地資源破壞等礦山地質(zhì)環(huán)境問題尤為突出[4-9]，對南四湖自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了一定的威脅。鑒于此，開展南四湖地區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評價(jià)工作顯得極為重要和刻不容緩(1)山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，南四湖省級自然保護(hù)區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價(jià)報(bào)告，2021年。。

礦山地質(zhì)環(huán)境影響綜合評價(jià)是一種復(fù)雜的量化評價(jià)，是需要定性方法與定量方法相結(jié)合的評價(jià)過程[10-12]。前人為科學(xué)有效開展該評價(jià)工作采用了多種方法進(jìn)行研究，如模糊綜合評價(jià)法、綜合指數(shù)分析法、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)綜合法等[13-15]。尤其是陳舜、尹俊凱、關(guān)英斌、陳哲鋒等[16-20]采用模糊數(shù)學(xué)法對礦山地質(zhì)環(huán)境評價(jià)方面取得了較好的研究成果。本文根據(jù)評價(jià)區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境特征，采用模糊數(shù)學(xué)法對與南四湖自然保護(hù)區(qū)重疊的濟(jì)寧市內(nèi)的12個(gè)煤礦進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀評價(jià)，并提出了相應(yīng)的防治措施。為開展南四湖自然保護(hù)區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境的治理恢復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南四湖位于魯西南濟(jì)寧市境內(nèi)，地跨濟(jì)寧市微山縣、魚臺縣和任城區(qū)3個(gè)縣(區(qū))，是魯西南最大的自然保護(hù)區(qū)，也是南水北調(diào)東線工程的重要輸水儲(chǔ)蓄樞紐。

本次研究區(qū)范圍為南四湖省級自然保護(hù)區(qū)范圍所涉及的濟(jì)寧市境內(nèi)的12處采煤礦山采礦權(quán)范圍，總面積517km2(圖1)。研究區(qū)北部包括安居煤礦、濟(jì)寧三號煤礦、王樓煤礦和泗河煤礦4處礦山；研究區(qū)中部包括新安煤礦、崔莊煤礦、高莊煤礦、付村煤礦、三河口煤礦、金源煤礦和昭陽煤礦7處礦山；研究區(qū)南部為永勝煤礦。其中現(xiàn)有生產(chǎn)煤礦9個(gè)，在建煤礦1個(gè)(永勝煤礦)，已關(guān)閉煤礦2個(gè)(泗河煤礦、昭陽煤礦)。

1—各礦山采礦權(quán)(評價(jià)區(qū))范圍；2—南四湖省級自然保護(hù)區(qū)范圍圖1 研究區(qū)范圍圖

2 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

礦山地質(zhì)環(huán)境問題指礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中產(chǎn)生和加劇的地質(zhì)環(huán)境惡化的現(xiàn)象[21-22]。根據(jù)資料收集分析及現(xiàn)場調(diào)查研究，南四湖省級自然保護(hù)區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要有地面塌陷、含水層破壞、土地資源破壞、地形地貌景觀破壞和水土污染。

2.1 礦山地質(zhì)災(zāi)害(地面塌陷)特征

通過遙感解譯和現(xiàn)場調(diào)查，評價(jià)區(qū)內(nèi)的礦山地質(zhì)災(zāi)害為礦山地下開采引發(fā)的地面塌陷。截至2020年底上述12個(gè)礦山均有不同程度的地面塌陷，沉陷區(qū)(垂直下沉幅度≥10mm)總面積12859.92km2(表1)。由表1可以看出，部分沉陷區(qū)已形成常年積水區(qū)或季節(jié)性積水，帶來了嚴(yán)重的農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 地形地貌景觀破壞及土地資源破壞

由于地形地貌景觀破壞和土地資源破壞范圍一致，因此一起對其進(jìn)行分析研究。主要破壞原因?yàn)椋阂皇遣擅阂鸬牡孛嫠?，二是工業(yè)廣場建筑及煤矸石堆的壓占。影響嚴(yán)重區(qū)：為采煤后地面塌陷形成的常年積水區(qū)，嚴(yán)重破壞了原地形地貌和土地資源，面積約1840.83km2(表1，圖2)；工業(yè)廣場建筑及矸石堆放場改變了原生地形地貌形態(tài)、破壞了原有的土地資源，面積約311km2(表1，圖2)。影響較嚴(yán)重區(qū)：采煤后地面塌陷形成的季節(jié)性積水區(qū)，季節(jié)性改變了原生地形地貌形態(tài)、破壞了原有的土地資源，面積約193.07km2(表1，圖2)。影響較輕區(qū)：采煤后地表沉降幅度較小，未出現(xiàn)積水現(xiàn)象，由原來平坦地形變?yōu)榫徠碌?，面積約4448.05km2。

2.3 含水層破壞

研究區(qū)內(nèi)主要含水層：第四系松散層孔隙含水層、侏羅系砂巖孔隙裂隙含水層、石炭-二疊紀(jì)山西組砂巖裂隙含水層、石炭-二疊紀(jì)太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、石炭紀(jì)本溪組石灰?guī)r含水層、奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，共6個(gè)含水層。

煤礦開采對各含水層地下水位的影響基本上都是通過對含水層的結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致各含水層形成新的排泄通道所致[23-24]，即對含水層水位的影響與對含水層結(jié)構(gòu)的破壞基本一致。

表2 保護(hù)區(qū)內(nèi)12個(gè)煤礦開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及含水層破壞統(tǒng)計(jì)表

表1 研究區(qū)內(nèi)采煤沉陷區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表 單位：km2

1—常年積水區(qū)；2—季節(jié)性積水區(qū)；3—湖泊水面及河流水面；4—未積水地面；5—工業(yè)廣場(含煤矸石場)范圍； 6—地表水檢測點(diǎn)(未超標(biāo))；7—地表水檢測點(diǎn)(超標(biāo))；8—地下水檢測點(diǎn)(未超標(biāo))；9—地下水檢測點(diǎn)(超標(biāo))；10—土壤監(jiān)測點(diǎn)；11—南四湖省級自然保護(hù)區(qū)范圍；12—各礦山采礦權(quán)界線 圖2 研究區(qū)內(nèi)采煤沉陷區(qū)及地表水、地下水及土壤監(jiān)測點(diǎn)分布圖

通過收集各礦山地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測資料以及現(xiàn)場對地下水位的統(tǒng)測，礦山開采未對第四系松散層孔隙含水層、奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層的水位造成明顯影響，對其他含水層水位的影響與上述計(jì)算結(jié)果一致。

2.4 水土污染特征

本次水土污染評價(jià)工作采取了綜合污染指數(shù)法對具有代表性的地表水、地下水和土壤樣品的化學(xué)分析測試結(jié)果進(jìn)行了評價(jià)。

(1)地表水狀況。本次對評價(jià)區(qū)內(nèi)的121件(圖2)地表水的汞、砷、鉻(六價(jià))、鉛、銅、鎘、鋅、硫酸鹽、氨氮、氟化物10項(xiàng)因子通過綜合污染指數(shù)法進(jìn)行了評價(jià)：其中6件水樣為Ⅳ類，屬于中度超標(biāo)水，占地表水水樣的28.10%；34件水樣為Ⅲ類，屬輕度污染水，占地表水水樣的4.96%；39件水樣為Ⅱ類水，屬尚清潔水，占地表水水樣的32.23%；其余42件水樣為Ⅰ類水，屬清潔水，占地表水水樣的34.71%(圖3)。

圖3 地表水綜合指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

(2)地下水狀況。對40件地下水樣(圖2)中總硬度、溶解性固體總量、硫酸鹽、氯化物、氨氮、鈉、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氟化物等因子采用綜合指標(biāo)法進(jìn)行評價(jià)，其中1件為Ⅴ類水，屬超標(biāo)相當(dāng)嚴(yán)重，占地下水水樣的2.5%；有5件水樣為Ⅳ類水，屬中度超標(biāo)水，占地下水水樣的12.5%；12件水樣為Ⅲ類水，屬輕度超標(biāo)水，占地下水水樣的30%；13件水樣為Ⅱ類水，屬尚清潔水，占地下水水樣的32.5%；9件水樣為Ⅰ類水，屬清潔水，占地下水水樣的22.5%(圖4)。

圖4 地下水綜合指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

(3)土壤狀況。對區(qū)內(nèi)20件(圖2)土壤樣品進(jìn)行綜合評價(jià)，20件土壤樣品綜合超標(biāo)指數(shù)0.238～0.541，均小于0.7，等級劃定為Ⅰ級，污染等級為安全，污染水平為清潔。

3 模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境影響綜合評價(jià)

本次礦山地質(zhì)環(huán)境評價(jià)采用模糊數(shù)學(xué)評價(jià)方法，通過評價(jià)因子量化，予以評價(jià)分區(qū)。

3.1 評價(jià)單元?jiǎng)澐?/h3>

遵循“差異性、代表性、綜合性”原則[25-26]，為保證較為精確的評價(jià)，選取“地質(zhì)災(zāi)害(地面塌陷)、土地資源破壞、地形地貌景觀破壞、含水層破壞、其他礦山地質(zhì)環(huán)境問題點(diǎn)(地表水、地下水、土壤污染點(diǎn))分布密度”五項(xiàng)評價(jià)因子，并將評價(jià)區(qū)劃分為42個(gè)評價(jià)單元。由于各評價(jià)因子的重要性是有差異的，以權(quán)重值區(qū)分。五項(xiàng)評價(jià)因子權(quán)重值由參考前人研究成果并征求部分專家意見提出[26]，評價(jià)集的權(quán)重系數(shù)值，構(gòu)成如下行列式：

M=[0.3，0.3，0.2，0.1，0.1]

3.2 各評價(jià)因子的量化及模糊判別

(1)礦山地質(zhì)災(zāi)害量化方法及模糊判別。礦山地質(zhì)災(zāi)害量化方法——地面塌陷危害程度：以每平方千米的經(jīng)濟(jì)損失之和(萬元)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，單位面積經(jīng)濟(jì)損失≥500萬元/km2嚴(yán)重歸屬度為1，≤100萬元/km2嚴(yán)重歸屬度為0.1，其他通過建立函數(shù)計(jì)算得出0.1～0.9之間值。

(2)土地占損率模糊判別。土地資源破壞量化方法——土地占損率：分區(qū)內(nèi)占損土地面積與分區(qū)總面積之比，土地占損大于20歸為嚴(yán)重，其他小于20的判別其模糊歸屬度。

(3)地形地貌占損率模糊判別。地形地貌景觀破壞量化方法——地形地貌占損率：分區(qū)內(nèi)占損土地面積與分區(qū)總面積之比，土地占損大于20歸為嚴(yán)重，其他小于20的判別其模糊歸屬度。

(4)含水層破壞率模糊判別。含水層破壞量化方法——含水層破壞率：礦山開采破壞的含水層數(shù)與總含水層層數(shù)的之比，對第四系或奧陶系含水層造成破壞才歸為嚴(yán)重，除此之外判別其模糊歸屬度。

(5)其他礦山地質(zhì)環(huán)境問題點(diǎn)分布密度模糊判別。其他礦山地質(zhì)環(huán)境問題點(diǎn)分布密度量化方法，分區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境問題點(diǎn)(包括地表水水質(zhì)超標(biāo)點(diǎn)、地下水水質(zhì)超標(biāo)點(diǎn)和土壤質(zhì)量超標(biāo)點(diǎn)等)數(shù)量與分區(qū)總面積之比，即每平方千米的礦山地質(zhì)環(huán)境問題數(shù)量，只要每平方千米出現(xiàn)5個(gè)其他礦山地質(zhì)環(huán)境問題點(diǎn)就歸為嚴(yán)重，除此之外判別其模糊歸屬度。

3.3 模糊數(shù)學(xué)法綜合評判評價(jià)

根據(jù)上述各模糊判別函數(shù)，可分別計(jì)算出各分區(qū)5個(gè)評價(jià)因子的模糊判別結(jié)果，并建立模糊判別矩陣N。

模糊判別矩陣N與權(quán)重系數(shù)矩陣構(gòu)成如下“模糊綜合評判隸屬度值”計(jì)算式：K=M·N

經(jīng)過矩陣運(yùn)算：K=[K1，K2，…Kn]

并按以下規(guī)則評判，當(dāng)模糊綜合評判隸屬度值(K)：K≥0.80，影響嚴(yán)重區(qū)；K=0.50～0.79，影響較嚴(yán)重區(qū)；K=0.15～0.49，影響較輕區(qū)；K≤0.15，影響輕微區(qū)。

經(jīng)過對各分區(qū)單元的模糊綜合評判隸屬度值進(jìn)行計(jì)算，并按以上判別規(guī)則進(jìn)行評判，將評價(jià)區(qū)共分為42個(gè)區(qū)(圖5，表3)，12個(gè)影響嚴(yán)重區(qū)、18個(gè)影響較嚴(yán)重區(qū)、11個(gè)影響較輕區(qū)和1個(gè)影響輕微區(qū)。

1—影響嚴(yán)重區(qū)范圍及編號；2—影響較嚴(yán)重區(qū)范圍及編號；3—影響較輕區(qū)范圍及編號；4—影響一般區(qū)范圍及編號；5—南四湖省級自然保護(hù)區(qū)范圍；6—各礦山采礦權(quán)界線圖5 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀影響模糊數(shù)學(xué)法綜合評判分區(qū)圖

表3 模糊數(shù)學(xué)法綜合評判結(jié)果表

4 礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理方向

評價(jià)區(qū)與南四湖自然保護(hù)區(qū)重疊，宜結(jié)合“山水林田湖草一體化保護(hù)修復(fù)”進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃治理、綜合治理，分步實(shí)施。還應(yīng)根據(jù)主要礦山地質(zhì)環(huán)境影響嚴(yán)重程度進(jìn)行分區(qū)治理、主次分明。

4.1 嚴(yán)重區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境特征及防治方向

(1)主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題特征。該區(qū)為各礦山地面塌陷常年積水區(qū)，主要特征為經(jīng)濟(jì)損失大、土地占損率及地形地貌占損率高，其次為存在含水層破壞及局部地表水水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象。

(2)防治方向。該區(qū)為礦山的重點(diǎn)防治區(qū)。其防治方向?yàn)橹攸c(diǎn)是對地面塌陷常年積水區(qū)的治理，其次是對含水層破壞、地表水污染的防治工作。

地面塌陷常年積水區(qū)的治理。目前，周邊礦山在治理地面塌陷常年積水區(qū)方面已取得良好的治理效果：如濟(jì)寧二號煤礦采煤挖深墊淺恢復(fù)耕地、整治成魚塘與光伏發(fā)電場，橫河煤礦已建成太平濕地公園等。建議結(jié)合“南四湖自然保護(hù)區(qū)”的規(guī)劃，對該區(qū)通過挖深墊淺、土地平整等方案進(jìn)行土地整治，一部分恢復(fù)成耕地，另一部分根據(jù)南四湖自然保護(hù)區(qū)的規(guī)劃修建魚塘發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖或建設(shè)成人工濕地公園等。一方面通過恢復(fù)成耕地減少了土地占損率和地形地貌占損率；另一方面通過發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)和建設(shè)人工濕地公園可增加經(jīng)濟(jì)收入，以減少地面塌陷帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

含水層破壞、地表水污染防治。含水層破壞防治：采用煤矸石進(jìn)行采空區(qū)充填、封堵串層污染井及封閉不良鉆孔，對止水不良的供水井或鉆孔進(jìn)行注漿封堵。對于局部地表水超標(biāo)區(qū)域，展開針對性調(diào)查工作，尤其是在各污水處理廠、煤矸石場、生活區(qū)下游等敏感處加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測工作。

4.2 較嚴(yán)重區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境特征及治理方向

(1)主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題特征。該區(qū)包括礦山地面塌陷季節(jié)性積水區(qū)和礦山工業(yè)廣場，特征為經(jīng)濟(jì)損失較大、土地占損率及地形地貌占損率較高。

(2)防治方向。該區(qū)為礦山的次重點(diǎn)防治區(qū)。其防治方向主要是對地面塌陷季節(jié)性積水區(qū)的治理，其次是對工業(yè)廣場及煤矸石的防治。

地面塌陷季節(jié)性積水區(qū)的防治。建議對季節(jié)性積水區(qū)進(jìn)行換填墊高，恢復(fù)成耕地，以較少經(jīng)濟(jì)損失恢復(fù)原有的土地資源及地形地貌景觀，同時(shí)加強(qiáng)對地面變形的監(jiān)測工作。

礦山工業(yè)廣場及矸石堆場的防治。對于不使用的工業(yè)設(shè)施及時(shí)拆除并綠化或恢復(fù)成耕地；對于矸石堆場內(nèi)的煤矸石用于井下充填或平整道路；對場地及時(shí)綠化或恢復(fù)成旱地。

4.3 較輕區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境特征及治理方向

(1)主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題特征。該區(qū)為各礦山地面塌陷常為非積水區(qū)，地面下沉及變形幅度小。尚未對土地資源及地形地貌景觀造成明顯的影響，存在交通及水利設(shè)施沉降現(xiàn)象，經(jīng)濟(jì)損失較小。

(2)防治方向。防治措施為對交通和水利設(shè)施隨塌隨墊；對下沉較嚴(yán)重地段進(jìn)行土地平整以防治季節(jié)性積水導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失；加強(qiáng)地面變形監(jiān)測工作，時(shí)刻掌控地面變形趨勢。

4.4 輕微區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境特征及防治方向

該區(qū)為評價(jià)區(qū)內(nèi)除了以上3個(gè)區(qū)外的其他區(qū)域，該區(qū)遠(yuǎn)離塌陷區(qū)、礦山工業(yè)廣場，受礦山活動(dòng)影響小。主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題為局部存在地表水或地下水水質(zhì)超標(biāo)。建議進(jìn)一步加強(qiáng)水土環(huán)境的監(jiān)測工作。

5 結(jié)語

本次工作依托“南四湖省級自然保護(hù)區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價(jià)”項(xiàng)目，并利用模糊數(shù)學(xué)法對南四湖礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合評價(jià)，評價(jià)中對礦山各評價(jià)單元進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，著重體現(xiàn)了評價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)及模糊判別計(jì)算的重要性，充分發(fā)揮評價(jià)的客觀性，減少了人為的主觀因素，使評價(jià)更符合礦山現(xiàn)狀。可作為礦山建設(shè)、管理決策與規(guī)劃的重要依據(jù)，將對礦山地質(zhì)環(huán)境的治理發(fā)揮積極作用。