鞍山市區地質環境質量評價分析

婁新剛，康志勇，劉 超

(遼寧省冶金地質勘查局地質勘查研究院，遼寧 鞍山 114038)

遼寧省鞍山市是我國重要的工業城市，素有鋼都之稱，城區人口146萬。現已發展成為以冶金工業為主、機械、化工、電子紡織等工業門類較齊全的工業城市，隨著改革開放以來城市經濟發展，旅游等第三產業得到了飛速發展。城市建設日新月異，已初見現代化大都市的雛形。

鞍山市區的地質環境復雜，地質災害發育。城區的周邊分布著多處以鐵礦為主礦山，截止到2009年底，全市有各類礦山企業70家(生產17家、閉坑礦山企業53家)。這些企業構成了鞍山市的產業基礎，為鞍山市的經濟建設做出了巨大的貢獻，但同時也帶來了較多的環境問題，如破壞或占用大量土地，引起土地荒漠化、水土流失、生態環境退化。一些礦區還發生了滑坡、崩塌、地面塌陷等地質災害，給人民生命財產造成威脅，制約經濟的發展。

1 礦山地質環境現狀

1.1 礦業開發對土地資源的占用及破壞

由于鞍山市是礦業型城市，礦產資源開發利用歷史悠久，礦山數量較多，開發規模較大。礦產資源開發利用在為國家經濟建設作出巨大貢獻的同時，也給鞍山地區土地和生態環境帶來了巨大壓力和破壞。以四大鐵礦山(西鞍山未列)統計數據為例：現有大型采坑4個，占地11.6km2；5個大型排巖場，堆積巖渣總量超過16億t，占地22.3km2；6個大型尾礦庫，堆積尾礦約5億t，占地7.3km2。這些采坑、排巖場、尾礦庫總面積達41.2km2，約占市區(含市郊)總面積的6.6%。其中東鞍山鐵礦占地面積1.75km2，有排石場一個，占地面積4.5km2，尾礦庫3個，占地面積2.46km2；大孤山鐵礦占地2.38km2，有排石場一個，占地面積7.54km2，尾礦庫一個，占地面積2.45km2；齊大山鐵礦占地4.81km2，排石場一個，占地4.41km2，尾礦庫兩個，占地2.39km2；眼前山鐵礦占地2.66km2，排石場一個占地5.84km2，尾礦庫與大孤山礦山共用。在一些采坑周圍、排巖場區、尾礦庫區現已成裸地，植被度在2度以下，荒漠化十分嚴重。

1.2 礦業開發對地下水系統的影響

礦山開采時進行疏干排水，導致水均衡系統破壞，造成地表河流干涸斷流，地下水位下降形成降落漏斗。開口面積1～2km以至幾平方千米，降深達200m左右的四大采坑。由于生產所需人工疏干，在千山這一系統的周圍形成幾個巨大的地下水漏斗，每個漏斗的影響面積都在十幾平方公里左右，礦山周圍的民用井大部分都已廢棄。影響范圍直接深入千山風景區的核心部位，地下水位的嚴重下降，直接影響千山風景區的植被生長。

1.3 形成一個礦區生產活動帶

已有的地質災害大都發生這些大型鐵礦的排石場、尾礦庫、露天邊坡，此外，部分日偽時期留下的采空區發生過地面塌陷。

2 地質環境質量評價

2.1 空間數據庫的建立

收集研究區內的所有地質環境資料，并對資料篩選分類，數據按照實體描述類型分為空問數據和屬性數據兩類。采用 MAPGIS對研究區基礎資料進行數字化處理，然后對基礎圖件進行分離圖層，進行分層式管理。按照空間數據各要素的特點，將空問數據分解為單一性質的基本要素圖層，各圖層主要為略陽縣基本地理圖層、地形等高線圖層、地貌圖層、地層巖性圖層、地質構造圖層、礦產分布圖層等。同時，對需要進行投影變換、圖幅拼接的地圖數據，進行投影變換、圖幅拼接，以實現不同比例尺地圖的合成，以及跨分度帶地圖的拼接。屬性數據包括對圖形進行描述或說明的數據及用于進行評價的基礎數據，如高程信息、地理標注、地層巖性特征、植被發育情況等。屬性數據通過Access數據庫進行錄入、管理，MAPGIS通過接口進行調用。

2.2 評價指標體系

在對資料進行分析后 ，通過兩兩比較法對指標進行篩選優化，選取地形坡度、工程地質巖組、巖土體結構類型、地下水位、植被發育情況、月平均降雨量 、人類工程活動強度等為主要評價指標 。地質環境質量分為優、良、中、差 4個等級，相應地將評價指標也用4級來描述，建立評價指標體系(表1)。

表1 地質環境質量評價指標分級標準

計算中，采用層次分析法來確定評價指標的權重，具體步驟如下：

1)構造判斷矩陣。對于z1，z2，…，zn個評價指標，由專家組運用兩兩比較得判斷矩陣Z。

2)將判斷矩陣按行求

(1)

3)歸一化

(2)

4)求最大特征值

(3)

式中:P=(w1w2……wn)T。

5)進行一致性和隨機性檢驗

C.I=(λmax-n)/(n-1)

(4)

C.R=C.I/R.I

(5)

式中：C.I為一致性指標；n為矩陣階數；R.I為平均隨機一致性指標 ；C.R為隨機一致性比率。只有當C.R<0.10時，求出的權值才比較合理。

通過計算 ，得出各指標的權重如表2。

表2 評價指標權重

2.3 評價模型

評價數學模型采用由陳守煜提出的多級模糊模式識別模型，其以相對級別特征值作為判斷或識別的依據，克服了最大隸屬度原則所不適用的地方，而且以相對隸屬度、隸屬函數為基礎理論，使隸屬度、隸屬函數的計算更容易。實現步驟為：

1)規格化處理。設某樣本需要對模糊子集 A進行識別，樣本的m個指標組成的特征向量為

X=(x1x2…xixm)T

式中：xi為樣本指標i的特征值；i=1，2，…，m。

如樣本依據m個指標c個級別的已知指標標準特征值進行識別，則有指標標準特征值矩陣

式中：Yih為指標i級別h的標準特征值；h=1，2…，c；i=1，2，…，m。

則遞減型指標對A的相對隸屬度

(6)

h級指標標準特征值對A的相對隸屬度

(7)

遞增型指標對A的相對隸屬度

(8)

h級指標標準特征值，對 A的相對隸屬度

(9)

2)求最優相對隸屬度向量。樣本對A的各個級別相對隸屬度矩陣

U=(u1u2…un)T=uh

式中 ：uh為樣本對A的級別h的相對隸屬度，按下式求解

(10)

式中：a、b為樣本級別區間范圍；wi為樣本指標i的權重；p為距離參數 ，p= 1為海明距離，p=2為歐氏距離；dh為廣義權距離。

3)求級別特征值。相對級別特征值為級別變量h以對應的相對隸屬度為權重的總和，即

(11)

式中：Hu為相對級別特征值，是描述狀態或級別的無量綱數，且1≤Hu≤c。由于其利用了全部相對隸屬度信息，其判斷結論比最大隸屬度原則更符合實際情況。因此，可應用相對級別特征值來判定此樣本屬于何種級別。

2.4 評價結果分析

用 C++Builder 6．O開發的評價模型，對鞍山市區進行了地質環境的質量評價，將評價分為四大區八個亞區。分區結果見鞍山市區地質環境質量分區表(表3)。

表3 鞍山市區地質環境質量分區表

續表

3 結語

運用 GIS技術，建立了鞍山市區空間數據庫，綜合考慮地形坡度、工程地質巖組 、巖土體結構類型地下水位 、植被發育的情況、月平均降雨量、人類工程活動強度等指標 ，運用層次分析法確定各權值；采用多級模糊模式識別模型，對鞍山市區進行了地質環境質量評價，把鞍山市區地質環境劃分為優、良、中、差4個級別。評價結果，為鞍山市區地質環境的開發、利用和保護以及地質災害的預防，提供了一定的參考依據。

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