四川省礦產資源開發與地質災害的耦合協調關系分析?

陳鵬宇,高 清,黃治化

(內江師范學院 地理與資源科學學院, 四川 內江市 641100)

0 引 言

礦產資源是重要的非可再生資源,是國家經濟建設必須的物質基礎,其開發程度關系到國民經濟長期穩定發展和國家安全。作為國民經濟的基礎產業和支柱產業,礦業的可持續發展對我國社會經濟的發展具有重要的作用。四川省幅員遼闊,成礦地質條件優越,是我國礦產資源種類齊全、資源較豐富的省份之一[1]。截止2015年,四川省有32種礦產基礎儲量居全國前5位,其中天然氣、原生鈦鐵礦、釩礦、硫鐵礦等7種礦產居全國第一位,占全國比例分別為24．4%,89．4%,62．4%,29．0%。采礦業工業總產值已占全省工業總產值近7%,礦業經濟已經成為四川省社會經濟發展的重要支柱。與此同時,礦產資源的長期開發累積了大量的地質環境問題,礦業開發區的崩塌、滑坡和泥石流等地質災害問題突出,嚴重制約了社會經濟和地質環境的可持續發展[2-3]。礦產資源的過度開發會誘發地質災害問題,而地質災害發育的地區又不利于礦產資源的開發。因此,有必要對礦產資源開發與地質災害之間的耦合關系進行研究,以實現礦產資源開發與地質環境保護的健康協調發展。

針對礦產資源開發與地質災害之間的矛盾,許多學者就此開展了相關研究。何芳等[4]按不同省區市、不同地質環境背景區、不同類型礦產、不同規模的礦山、不同開采方式,簡述了中國礦業開發引發的地質災害的時空分布特征和危害。張賢平等[5]從土地、水體、大氣、固體廢渣、地質災害等5方面論述了礦產資源開發對生態環境影響的嚴重性。王旭等[6]對青藏高原礦產資源開發與地質環境保護的協調發展進行了探討。李富程等[7]對四川省各類礦產資源開發引起的地質災害問題進行了評價和排序。本文則針對四川省礦產資源開發與地質災害的耦合協調關系,在建立四川省礦產資源開發與地質災害評價體系的基礎上,構建耦合協調度模型和地質環境壓力指數,對四川省2006~2015年礦產資源開發與地質災害的耦合協調關系進行研究,以期為促進四川省礦產資源開發與地質環境的可持續發展提供參考。

1 數據來源

針對四川省礦產資源開發和地質災害的特點,構建礦產資源開發和地質災害的指標體系如表1所示。其中,礦產資源開發指標體系包括投資強度、產業規模和經濟效益3個方面,以固定資產投資和就業人數表征投資強度;以工業總產值和總資產表征產業規模;以總資產貢獻率和工業成本費用利潤率表征經濟效益。地質災害指標體系包括地質災害發生情況、地質災害損失和地質災害防治3個方面。參考韓笑等[8]的研究,以地質災害發生的次數表征地質災害發生情況;以地質災害造成的人員傷亡和直接經濟損失表征地質災害損失情況;以地質災害防治項目數和防治投資表征地質災害防治情況。

本文選取四川省2006~2015十年間的數據進行分析。數據來源于《中國統計年鑒》(2007~2016)、《中國工業統計年鑒》(2007~2016)和《四川統計年鑒》(2007~2016)。其中,由于2014年四川省地質災害相關統計數據缺失,未作分析,具體數據見表2。

表1 礦產資源開發與地質災害指標體系

表2 四川省礦產資源開發與地質災害數據

2 研究方法

2．1 數據標準化處理和權重確定

由于各指標的數量級和量綱不同,需要對數據進行標準化處理,計算公式為:

式中,xij為第i個評價時間第j個評價指標的原始值,i＝2006,2007,…,2015,j＝1,2,…,n,對于礦產資源開發系統,n＝6,對于地質災害系統,n＝5;zij為標準化的指標值。

數據標準化后確定指標權重。本文采用客觀賦權法計算各個指標權重。常用的客觀賦權法有熵權法[8]、離差系數法[9]等。本文以離差系數法計算指標權重,計算各指標標準化后數據的標準差,再除以均值后即為離差系數,計算公式為:

式中,Vj為第j個評價指標的離差系數;δj為第j個評價指標的標準差;z-j為第j個評價指標的平均值。

根據各指標的離差系數即可按式(4)確定權重,各指標權重計算結果見表1。

式中,Wj為第j個評價指標的權重。

2．2 耦合協調度模型

首先,計算礦產資源開發系統與地質災害系統的綜合發展指數,采用線性加權求和法,計算公式為:

式中,U為綜合發展指數。

礦產資源開發系統的綜合發展指數越大,表示礦產資源的開發強度越大;地質災害系統的綜合發展指數越大,表示地質災害系統越穩定,地質災害的威脅越小。

然后,計算礦產資源開發系統與地質災害系統的耦合度。耦合度是指2個或2個以上系統或要素之間相互影響、相互依賴的程度。目前的耦合度計算模型大都借鑒物理學中的容量耦合概念建立起來的[10-12]。丁瑩[13]以變異系數表示2個系統之間的耦合度,建立了如下的耦合度計算公式:

式中,C為耦合度;U x()為礦產資源開發系統的綜合發展指數;U y()為地質災害系統的綜合發展指數;k為調節系數,通常2≤k≤5,本文取k＝5。

耦合度C反映了礦產資源開發系統與地質災害系統的耦合度,其取值范圍介于0~1之間。耦合度C越大表示礦產資源開發系統與地質災害系統的耦合關系越好,反之,則表示耦合關系越差。當C＝0時,表示礦產資源開發系統與地質災害系統不存在耦合關系;當C＝1時,表示礦產資源開發系統與地質災害系統達到最佳耦合協調狀態。耦合關系具體可分為以下4類[13]:

(1)0≤C≤0．3時,表示低水平耦合階段;

(2)0．3＜C≤0．5時,表示拮抗階段;

(3)0．5＜C≤0．8時,表示磨合-良性耦合階段;

(4)0．8＜C≤1．0時,表示高度耦合階段。

最后,計算礦產資源開發系統與地質災害系統的耦合協調度:

式中,D為耦合協調度;T為礦產資源開發系統與地質災害系統的綜合評價指數,它反映兩者的整體協同效應或貢獻;α、β為待定系數,認為礦產資源開發與地質災害的重要性程度一致,取α＝β＝0．5。

耦合協調度D的取值范圍介于0~1之間,具體可分為4個等級[14]:

(1)D＜0．3為非協調狀態;

(2)0．3≤D＜0．5為低度協調;

(3)0．5≤D＜0．7為中度協調;

(4)D≥0．7為高度協調。

耦合協調度模型可以評價礦產資源開發與地質災害之間的耦合協調發展水平,但卻不能評價兩者之間的相對發展狀況。當礦產資源開發強度過大必然會給地質環境帶來壓力,本文以礦產資源開發與地質災害之間的相對發展狀況來衡量地質環境壓力。以壓力指數E表示地質環境壓力,具體計算公式如下:

具體可劃分為3個等級:

(1)當0＜E≤0．8時,表示地質環境壓力小;

(2)當0．8＜E＜1．2時,表示地質環境壓力適中;

(3)當E≥1．2時,表示地質環境壓力大。

3 結果與分析

3．1 礦產資源開發與地質災害測度及評價

根據式(5)計算得出四川省礦產資源開發和地質災害綜合發展指數如表3所示。從表3和圖1的結果可以看出:

表3 礦產資源開發和地質災害綜合發展指數

圖1 礦產資源開發和地質災害綜合發展指數動態變化

(1)礦產資源開發綜合發展指數在波動中變化,在2012年前總體呈上升趨勢,在2012年達到峰值,隨后快速下降,保持在0．4~0．5的水平;

(2)地質災害綜合發展指數同樣在波動中變化,呈現出2個倒U型組成的曲線,其中,2007年、2012年為谷值,2010年為峰值;

(3)地質災害綜合發展指數的谷值對應于礦產資源開發綜合發展指數的峰值,說明礦產資源的過度開發會惡化地質環境,造成地質災害系統的穩定性降低。

3．2 耦合協調度分析

根據式(8)計算得出2006~2015年四川省礦產資源開發系統和地質災害系統的耦合協調度如表4所示。從表4中的結果可以發現:

(1)從耦合度來看,礦產資源開發系統與地質災害系統的耦合關系經歷了多期發展。在2006年,礦產資源開發系統和地質災害系統之間屬于高度耦合階段。但在2007年,由于礦產資源開發強度增大,且當年地質災害的發生和損失情況急劇增大,導致當年礦產資源開發系統和地質災害系統的耦合關系退后為低水平耦合階段。在2007~2011年,雖然礦產資源的開發強度有所增大,但是四川省對地質災害防治的投入出現了較大幅度的增長,導致礦產資源開發系統和地質災害系統的耦合關系由低水平耦合階段逐漸演變為高度耦合階段。在2012年礦產資源開發強度達到峰值,地質災害系統的穩定性降低到谷值,2個系統之間的耦合關系退后為拮抗階段。2013年礦產資源開發強度出現大幅度降低,2個系統之間的耦合關系又恢復到高度耦合階段。隨著地質災害系統穩定性地增加,在2015年2個系統之間的耦合關系又退后到磨合-良性耦合階段。

表4 四川省礦產資源開發與地質災害的耦合協調發展狀況

(2)從耦合協調發展水平和地質環境壓力來看,礦產資源開發系統與地質災害系統的耦合協調度大致經歷了3個階段。第一階段為2006年的高度協調階段,此階段礦產資源開發給地質環境帶來的壓力小;第二階段為2007~2011年的非協調-中度協調階段,在此階段礦產資源開發和地質災害系統的穩定性總體呈現增強趨勢,地質環境壓力處于適中-大;第三階段為2012~2015年的低度協調-高度協調階段,在此階段礦產資源開發強度經歷了從峰值到急劇降低的階段,而地質災害系統的穩定性快速增大,地質環境壓力從大降低到小。

雖然經歷了多期的波動發展,但目前四川省礦產資源開發與地質災害的關系朝著良性趨勢發展,礦產資源開發強度逐漸趨于穩定,地質災害系統穩定性增強,地質環境壓力小。為保障礦產資源開發與地質環境的可持續協調發展,應制定合理的礦產資源規劃,有計劃、適當地對地質環境進行開發,加強對地質環境的保護和恢復,以提高地質災害系統的穩定性,使其與礦產資源開發相協調。

4 結 論

本文針對四川省礦產資源開發和地質災害的特點,構建了礦產資源開發和地質災害的指標體系,并對四川省礦產資源開發系統和地質災害系統進行測度和評價,應用礦產資源開發與地質災害的耦合協調度模型和地質環境壓力指數,對四川省2006~2015年礦產資源開發與地質災害的耦合協調關系進行研究,結論如下:

(1)近10年來,四川省的礦產資源開發和地質災害綜合發展指數在波動中變化,礦產資源開發強度現逐漸趨于穩定,地質災害綜合發展指數總體呈現增大趨勢,現處于較高水平。

(2)四川省礦產資源開發系統與地質災害系統之間的耦合協調關系向著良好態勢發展,目前處于高度協調階段,地質環境壓力小。

(3)為保障礦產資源開發與地質環境的可持續協調發展,應制定合理的礦產資源規劃,有計劃、適當地對地質環境進行開發,加強對地質環境的保護和恢復,以提高地質災害系統的穩定性,使其與礦產資源開發相協調。