礦區地質環境脆弱性評價

孫慶先 賈新果

(煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院,北京市東城區,100013)

礦區地質環境脆弱性評價

孫慶先 賈新果

(煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院,北京市東城區,100013)

借鑒其他領域脆弱性評價方法,率先完成煤礦地區地質環境脆弱性評價,倡導并建立一種具有煤礦地區特色的地質環境脆弱性評價新方法,豐富了煤礦地區地質環境評價的技術手段。用實例分析說明了實現這種新方法的一般步驟,分析結果可作為煤礦地區村鎮、廠礦、工程建設選址的技術參考依據。

煤礦地區 地質環境 脆弱性 地理信息系統(GIS)

1 前言

脆弱性是全球環境變化及可持續性科學領域關注的熱點問題,許多學者已把脆弱性研究作為一門新興的科學。2001年4月,23名世界著名學者在《科學》雜志發表的《可持續性科學》(Sustainabilitv Science)一文把“特殊地區的自然-社會系統的脆弱性或恢復力”研究列為可持續性科學的7個核心問題之一,綜合前人的研究成果,本研究認為,地質環境脆弱性是系統受外部擾動災害不利影響的易損性,導致生命、財產及環境發生損害的可能性。脆弱性增加,就意味著安全性降低,也即抗御災害和災后恢復的能力差。煤炭資源的開采使煤礦地區地表處于不穩定狀態,而且還會誘發滑坡、泥石流等地質災害,這使得煤礦地區的地質環境脆弱性與眾不同。

鄂爾多斯市某煤礦地區10多個行政自然村(隊)因煤礦開采需要異地重建,本文以該煤礦地區為例,運用Map GIS軟件的空間分析功能,對該煤礦地區的地質環境脆弱性進行評價,論述煤礦地區地質環境脆弱性評價一般過程和方法,研究成果為村莊選址提供參考。

2 煤礦地區地質環境脆弱性評價實例分析

2.1 概況

鄂爾多斯市伊金霍洛旗煤炭資源極其豐富,大小煤礦比比皆是。在人口密集區,村莊、工廠、公路及沿途商鋪的壓煤量很大。通過各種方案比較認為,將村莊等搬遷異地重建而后開采建筑物下被壓的煤炭資源在經濟上更加合理。根據伊金霍洛旗土地利用整體規劃,搬遷村莊等選址在311.49 km2范圍內,這是本研究中的脆弱性評價范圍。評價區區域地貌屬高原剝蝕丘陵,按其形態可劃分為丘陵、溝谷兩種地貌形態。丘陵地貌的特點是峁梁散布,溝谷縱橫,丘頂多呈渾圓狀、長脊狀,坡度15～30°,植被覆蓋率50%～60%。溝谷呈樹枝狀分布,呈V型或U型,溝床坡降10‰～15‰,溝谷切割深度不等,一般10～20 m。

2.2 煤礦地區地質環境脆弱性評價方法

近年來,地理信息系統(Geographic Information System,GIS)技術在具有地理空間信息的行業發揮了不可替代的作用,它利用空間解析式模型來分析空間數據,完成復雜的空間分析,其結果可以以二維平面圖、三維立體圖、動漫、聲像等形式表達,同時提供文字和數值統計結果,比單純的文字和數字評價結果更加直觀。

GIS強調空間分析,可及時提供地質環境動態變化信息,快速地為決策部門提供實用化成果。國內外專家學者在應用 GIS技術評價脆弱性方面已經開展了大量的研究工作,取得了實用性的成果。

首先確定參與評價的因子及其權重,收集各種評價因子的圖形和屬性數據資料,然后根據收集到的基礎資料在Map GIS軟件中制作各種評價因子的等值線或等值面圖,同時為圖形上不同區域賦值,最后在Map GIS軟件中將具有不同權重的單因子評價圖進行空間疊加,得到綜合評價結果,以圖形形式表達,并輸出統計結果。

2.3 研究區地質環境脆弱性評價因子的確定

人類采礦活動在遺留大量采空區的同時,也常常是滑坡、泥石流、崩塌、煤層自燃等災害的誘導因素。因此,煤礦地區地質環境脆弱性評價與眾不同,具有煤礦地區特有的特色。地下水資源脆弱性評價是開展研究最早、研究成果最豐富、研究方法技術最成熟的領域之一,參照地下水資源脆弱性分類,本文將煤礦地區地質環境脆弱性分本質(固有)脆弱性和特殊脆弱性兩類。本質(固有)脆弱性指由于自然地質因素而引起的評價系統的易損性;特殊脆弱性指由于人類生產活動而引起的評價系統的易損性。兩種脆弱性中各自包含多種評價因子和次一級的因子。參考前人的資料,考慮到本研究對象空間范圍不大,同時顧及評價目的,確定如圖1所示的因子參與評價,更次一級的評價因子在圖中未列出,實際工作時已給予考慮,參與評價。

確定評價因子的說明:評價區內地震烈度一致,無大的斷裂構造,地殼穩定性近一致,地震烈度和斷裂構造2種因子對評價結果無影響。包氣帶滲透性、土壤鹽漬化、砂土液化3個因子無資料,以上5個因子可省略。為減少工作量且不會對結果有影響,實際工作中將采空區引起的地質災害和自然條件發生的地質災害合為一幅評價因子圖,地下水和土壤污染合為一幅評價因子圖,參見表1。采煤引起的地表穩定性綜合了前人和筆者實地調查研究結果的多種方法聯合判斷,然后通過內插制作地表穩定性分區圖。在地表穩定性4級中,將沒有采空區的區域確定為穩定;將有采空區的區域分為3級:在較長時間內地表不發生變形的區域為較穩定,地表發生連續下沉的區域為不穩定,地表發生非連續下沉(突然塌陷、抽冒)的區域為極不穩定。

表1 地質環境脆弱性指標強度分級

圖1 煤礦地區地質環境脆弱性環境評價因子及分類

2.4 評價因子分值及權重

圖2(采煤引起的)地表穩定性區劃圖

參照前人的方法,本研究中每個評價因子分級均按4級處理,I～Ⅳ級的評價因子根據其對地質環境脆弱性影響輕重確定其地質環境脆弱性級別,并賦予一定的分值:Ⅰ級(低脆弱性)10分、Ⅱ級(中等脆弱性)40分、Ⅲ級(較高脆弱性)70分、Ⅳ級(高脆弱性)100分。經過德爾菲法(Delphi Method)對各評價因子的重要性進行評判,確定各因子的權重:地形和坡度為0.16、水文地質條件(地下水狀況)為0.18、土壤類型及厚度為0.16、地質災害為 0.13、地表穩定性為0.20、地下水和土壤污染程度為0.17。

評價因子權重值靠前的地表穩定性和水文地質條件的區劃圖分別見圖2和圖3,其他評價因子的區劃圖不再一一展示。

圖3 地下水狀況區劃圖

2.5 研究區評價結果及特征分析

將各種評價因子在Map GIS軟件中進行疊加,按加權求和方法計算地質環境脆弱性綜合分值:

式中:S——地質環境脆弱性綜合分值;

fi——評價因子的分值;

wi——評價因子的權重。

參考前人的成果,同時結合本例的實際情況,確定按Ⅰ級小于 45、Ⅱ級45～60、Ⅲ級60～75、Ⅳ級大于75的地質環境脆弱性分級標準對評價區的綜合分值進行分區,完成區劃圖,見圖4。

低脆弱區主要分布在評價區中西部,面積98.61 km2,占總面積的31.7%。低脆弱區地表穩定或較穩定,地下水較豐富,土壤類型為(亞)粘土伴沙礫、石,除有小型崩塌地質災害外,無其他地質災害,地下水和土壤無污染或僅有輕度污染,峁梁,坡度多在15°左右,溝谷發育,但谷底平緩,切割不深。

中等脆弱區4塊,合計面積127.24 km2,占總面積的40.8%。除東部Ⅱ4外,其余3塊都不同程度的受采煤影響,地表較穩定或不穩定,溝谷發育,坡降一般大于 10‰,土壤中沙、礫過半,(亞)粘土含量不大。Ⅱ4為溝谷發育區,坡降一般大于15‰,切割深度在15 m左右,沙、礫互層,崩塌地質災害危險性很大。評價區外靠近Ⅱ4邊緣有一中型熱電廠,附近土壤中度以上污染。

圖4 地質環境脆弱性區劃圖

較高脆弱區3塊,合計面積80.45 km2,占總面積的25.8%。3塊都受采煤影響,地表不穩定或極不穩定,溝谷發育,切割不深,但坡降一般大于15‰。土壤以沙、礫互層為主,且一般厚度5 m以上,部分地區裸巖。部分地段地下水貧乏,開發利用難度較大。

高脆弱區面積2塊,合計面積5.19 km2,占總面積的1.7%。2塊都受采煤影響,地表極不穩定,Ⅳ1為裸巖區,Ⅳ2為沙礫為主的沙地,厚度大于5 m,同時,根據礦方提供的資料和實地考察,此2處均有自燃現象,Ⅳ1區地下水極貧乏,評價區外部靠近Ⅳ2區處,有一小型熱電廠,附近土壤中度以上污染。

低脆弱區主要分布在未受采動影響的區域,該區域地下水資源比較豐富,土壤中(亞)粘土相對比較豐富,因此低脆弱區是村莊(隊)搬遷的首選區。對于工程、廠礦可選擇除低脆弱區以外的中等脆弱區,非特別需要,較高脆弱區和高脆弱區不能作為任何有人類聚居活動的場地。

3 結語

人類強烈的采礦活動使煤礦地區地質環境具有與眾不同的特點,因此,煤礦地區地質環境脆弱性評價沒有成熟實用的方法和技術路線。本研究率先開展煤礦地區地質環境脆弱性評價工作,同時參照地下水資源脆弱性分類方法將煤礦地區地質環境脆弱性分為本質脆弱性和特殊脆弱性兩類。由于煤礦地區地質環境的特殊性,加之基礎資料不齊全,因此,本研究尚存在不足,如評價因子的選擇確定、分級標準和權重都有待商榷、完善,但本文為分析煤礦地區地質環境問題提供了一種新的技術思想,研究結論可作為村莊、廠礦、工程選址的重要參考依據,而且反饋信息表明,研究結論在指導實際工作中取得了比較理想的效果,這說明,從總體上來看,不論是在評價方法的選擇上還是在評價因子的確定上都是比較適宜的,評價結果是有效的、可靠的。本研究方法值得在同類工程中推廣應用或參考。

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(責任編輯 張艷華)

Vulnerability evaluation of geological environment in coalmine area

Sun Qingxian,Jia Xin’guo
(Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Dongcheng,Beijing 100013,China)

Learning from other field vulnerability assessment method,this paper takes the lead to apply the geological environment vulnerability assessment method in the coalmine area,and creates a new idea to evaluate geological environment vulnerability with coalmine area characteristics,which enriches the coalmine area geological environment evaluation techniques.Case study showed general steps of realizing this new idea,the results can be used as location reference information of villages and small towns,factories,construction projects in coalmine area.

coalmine area,geological environment,vulnerability,geographic information system(GIS)

P624.6

A

孫慶先(1968-),男,河北廊坊市人,博士后,高級工程師。