寧夏礦山環境質量空間分布特征及其分區

張永庭，陳建平，劉自增，閆 軍，黃 濤，嚴 瑾，樊新剛

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.寧夏遙感測繪勘查院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學社會服務處，寧夏 銀川 750021)

寧夏礦山環境質量空間分布特征及其分區

張永庭1，2，陳建平1，劉自增2，閆 軍2，黃 濤2，嚴 瑾2，樊新剛3

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.寧夏遙感測繪勘查院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學社會服務處，寧夏 銀川 750021)

為明確寧夏礦山環境質量空間分布特征和問題區域，提供修復和管理的依據，以全區22個縣區為研究單元，構建了土地占壓、地質災害、環境污染、水土流失四個維度的準則及對應的共16項指標的礦山環境綜合評價指標體系，利用遙感解譯與礦山環境統計資料獲取數據，基于熵權模糊綜合方法評價，利用Spss22.0進行模糊聚類分組，結合實地踏勘確定分級含義后分區。結果顯示：寧夏礦山環境質量空間差異較大，中北部礦山環境質量總體優于南部山區、但北部局部縣區問題突出，主要環境問題在北部老舊礦區集中的惠農區和大武口區、新興礦區靈武市(縣級市)，以及中部的沙坡頭區。全區劃分了“嚴重區、較為嚴重區、一般區、良好區”四類礦山環境區，存在“面上連續、點上鑲嵌”的特征。同時，應關注新興礦山靈武市的開采進度，持續監測和預防，以最大限度降低環境危害。利用聚類分析得出的分級閾值存在不連續性，推廣應用的前提是應加大案例樣本以找出閾值分布的規律，從而實現連續分級。

礦山環境質量；空間分區；熵權；模糊綜合評價；寧夏

寧夏是我國西北礦產資源比較豐富的省區之一，已發現各類礦產46種，煤炭、石膏、冶金用砂巖、水泥配料用板巖、瓦用黏土等能源礦產和非金屬礦產儲量居于全國前列[1]。目前，自治區內以能源(煤)、非金屬(石灰巖、硅石及各類建材礦產)等礦山為主，形成了以石嘴山市、靈武市(縣級市)等資源型城市為代表的礦山集中區，以及煤炭為支柱產業的經濟發展格局。由于經濟欠發達背景下“礦山開采的經濟依賴、礦產資源深加工能力不足，生態環境和地質環境治理投入不足”等原因，長期開發積累了較為嚴重的礦山環境和地質災害問題。截至2015年底，全區22個縣區共開采礦山849處，全年發生礦山地質災害達136處，其中崩塌11處，滑坡15處，泥石流11處，地面塌陷及地裂縫84處[2]。因此，調查評價寧夏礦山環境質量，分析空間分布特征，明確主要問題區，對指導國土與環保部門的科學治理具有重要的現實意義。同時，礦山環境質量作為“綠色礦山”建設的主要指標和區域可持續發展的重要領域，日益得到學界關注[3-4]，但目前我國礦山環境評價多數圍繞單個礦山或礦區開展，區域礦山綜合環境質量評價正在探索之中，評價指標體系多樣、龐雜，影響了結果的合理性和應用指導性[5-7]，本研究將礦山地質環境和生態環境統一納入評價指標體系，可為礦山綜合環境評價方法研究提供借鑒案例。

1 寧夏礦山開發及環境問題空間分布

據我國大地構造綜合地層分區，寧夏屬華北地層大區，境內成礦由北向南分為：鄂爾多斯西緣Fe-Pb-Zn-磷-石膏-芒硝成礦帶、鄂爾多斯(盆地)U-石油-天然氣-煤-鹽類成礦區、河西走廊 Fe-Mn-螢石-鹽類-石油成礦帶、北祁連 Cu-Pb-Zn-Fe-Cr-Au-Ag-硫鐵礦-石棉成礦帶[8]。目前，礦山開發空間格局為(圖1)：無煙煤、煉焦用煤、硅石在賀蘭山北段；非煉焦用煤、石油(氣)在靈武市、鹽池縣；石膏在海原縣東北部、鹽池縣中部及中衛市西部；石灰巖大礦集中在賀蘭山中段、牛首山、天景山、青龍山等地；白云巖在青龍山和賀蘭山中段；石英砂在青銅峽市和原州區；金屬礦產主要產出于賀蘭山、衛寧北山和南-西華山地區[9]。寧夏地處干旱與半干旱地區，降水量小、植被覆蓋低，境內多數礦山巖層裸露，主要環境問題為地面塌陷和裂縫、崩塌滑坡、泥石流等地質災害，礦山占地破壞植被、土壤和水污染，以及煤矸石自燃的SO2環境空氣污染等生態環境問題。境內能源礦產(煤)、非金屬礦產(石灰巖、硅石及各類建材礦產)等礦山企業較多，產生礦山環境地質問題最多的礦種是煤礦，其次是灰巖礦、硅石礦、建筑用砂和建筑用石料[2]。

圖1 寧夏礦山開發現狀分布

2 礦山環境質量評價及空間分區方法

2.1 礦山環境質量評價方法

2.1.1 評價指標體系構建

評價指標體系構建是礦山環境質量評價的關鍵環節。在借鑒甘肅[10]、貴州[11]、安徽[6]等指標體系基礎上，綜合陳橋等[12]、徐友寧等[13]對礦山綜合環境評價指標體系構建的專項成果，以地質災害為核心，地表直觀反映為途徑，基于系統性、代表性、可量化性、直觀性原則，設計了土地占壓(B1)、地質災害(B2)、環境污染(B3)、水土流失(B4)四個維度的準則及對應的16項指標(表1)，以反映礦山環境質量水平。其中，土地占壓利用各縣區“礦山、固廢堆積、開采和中轉場地”的面積4項指標表達，反映區域礦山開采對土地和植被資源的占用規模及內部結構水平。地質災害方面，利用各縣區的塌陷區數量和面積表達面上問題的嚴重程度，點上設計了滑坡、崩塌、泥石流3個指標表達縣區重點環境問題。環境污染選擇在土壤和水體污染面積指標的基礎上，由于寧夏部分煤礦區如石嘴山市、靈武市煤矸石含硫量高，其自燃和露天堆放對于大氣環境影響較大，選擇環境空氣中SO2含量表達。寧夏屬干旱半干旱區域，地表植被稀疏，表土和巖層裸露，因此，選擇了降水量、最大坡度(礦區范圍內)、侵蝕力、植被覆蓋度4項指標表達地表破壞下的水土流失程度。研究表明，觀察指標的增加本來是為了使認識目標趨于完整，但反過來，為使結果清晰而一味增加觀察指標又讓評價陷入混亂[14]。因此，控制指標規模，選擇的16項指標全部可量化，力求直接和簡化，避免過度關注系統性和全面性而破壞可操作性和代表性等問題。

表1 寧夏礦山環境質量評價指標體系

2.1.2 熵權模糊綜合評價方法

對于復雜系統的綜合評價，涉及因素眾多、層次結構復雜且包含著各種不確定性、模糊性和隨機性，因此對多層次因素的綜合以及對各類不確定性的處理成為復雜系統綜合評價的關鍵所在[15]。熵權法是把各評價指標的信息進行量化與綜合，計算各指標反映的信息熵，通過信息熵來確定權重的客觀賦權方法[16]。熵權法有效地避免了人為因素的干擾，使評價結果更符合實際，從而給出客觀可靠的評價結果。與主觀賦權法相比，通過客觀賦權法得出的權重是以實際數據為依據，對數據本身進行挖掘，從而找出事物間的內在規律，更具客觀性[17]。一般來說，若某個指標的信息熵越小，表明指標值得變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中所能起到的作用也越大，其權重也就越大。相反，某個指標的信息熵越大，表明指標值得變異程度越小，提供的信息量也越少，在綜合評價中所起到的作用也越小，其權重也就越小[18]。基于熵權模糊綜合評價是利用熵權替代隸屬度進行的模糊綜合評價，利用熵權權重的客觀性與模糊評價的主觀性相整合，實現了二者的統一，更為科學地進行目標評價[19]。熵權模糊綜合評價步驟如下所述。

1)原始數據矩陣及其標準化。設指標體系有m個評價指標、n個評價對象，得到的原始數據矩陣見式(1)。

(1)

之后，在對m個評價指標性質判斷下，分為正向指標和負向指標，分別采用rij=(xij-xmin)/(xmax-xmin)、rij=(xmax-xij)/(xmax-xmin)對該矩陣標準化，形成無量綱矩陣R(式(2))。正向指標值越大，則環境質量越好；負向指標值越大，則環境質量越差。

(2)

式中：Rij為第j個評價對象第i個指標的標準化值；xij為第j個評價對象第i個指標的原始值；xmax為相同指標下不同評價對象中的最大值；xmin為相同指標下不同評價對象中的最小值。

2)定義熵。在m個指標，n個被評價對象的評價問題中，第i 個指標的熵值定義見式(3)。

(3)

3)定義熵權。定義了第i 個指標的熵值之后，可得到第i 個指標的熵權值，見式(4)。

(4)

4)計算模糊綜合評價結果。對于權重A={ω1，ω2，…ωn}與模糊關系矩陣R，計算模糊評價結果，見式(5)。

(5)

式中：“°”為模糊算子；Z為綜合評價值。

2.2 環境質量空間分區方法

目前研究礦山環境質量分級的方法主要分為“以劃分評價指標目標值等級、專家意見分級”兩類，存在指標值確定合理性和分級閾值主觀性等問題，對研究區礦山環境的實際狀況的結合程度不夠，實踐指導性不強[20-21]。事實上，由于多指標體系方法是通過指標間相互重要性或對目標貢獻程度逐步匯總得出的值，且必須通過原始數據的無量綱化，因此，最終評價值屬相對量，即最終確定的分級等次是以多目標中的最大量和最小量為參照基準的，屬相對結果，基于熵權模糊綜合評價方法也不例外，必須進行驗證。鑒于此，基于2010年、2013年、2014年的礦山環境質量指數值，利用Spss22.0軟件對寧夏22個縣區進行系統聚類分組，進而確定分段閾值。同時，通過對閾值所在縣區礦山環境實地踏勘，驗證劃分的合理性后，確定分級名稱，最終利用ArcGIS10.0制圖形成分區結果。

2.3 數據來源及處理

土地占壓、地質災害、環境污染，以及最大坡度和植被覆蓋度的數據利用2010年、2013年、2014年三個時段的GF2、GF1、02C、ZY3、SJ9、YG14和P1等衛星圖像提取，總面積5.18萬km2，空間分辨率為0.5～2m，經平面坐標體系和高程基準轉換，幾何校正，圖像鑲嵌和增強，在ArcGIS10.0平臺進行信息提取、屬性錄入。2015年7～9月，進行了外業勘查，驗證信息提取的可靠性，共完成中轉場地、固體廢棄物、尾礦庫、礦山建筑等占地斑塊野外驗證點410個，礦山地質災害和環境污染斑塊野外驗證點33個。降水量數據主要來自《寧夏回族自治區資源環境地圖集》[22]。侵蝕力數據(侵蝕力是由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，侵蝕力具有明顯的空間分異特征和年際變化。)基于“中國多年平均降雨侵蝕力等值線圖”[23]，利用ArcGIS10.0軟件空間內插提取。各縣區環境空氣SO2含量數據來源于銀川市、石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛市的環境質量年報。

3 結果及分析

3.1 環境質量現狀分布

圖2 寧夏22個縣區礦山環境質量綜合指數值

寧夏22個縣區2010年、2013年、2014年的平均礦山環境質量綜合指數值差異較大(圖2)，呈“中北部整體高位且高低波峰共存、南部偏低且平緩”特征，即中北部礦山環境質量總體優于南部山區、但北部局部縣區問題突出。首先，北部的惠農區、大武口區及靈武市、中部的沙坡頭區礦山環境質量最差，分別為0.4729、0.5003、0.5320、0.4893，是寧夏礦山治理的重點區域。經實地踏勘，大武口區屬寧夏開發歷史最久(超過60年)、規模最大的礦區，區內沿賀蘭山分布有石炭井、汝芨溝等老舊礦區，煤矸石等廢棄物堆積達5697.01hm2，占礦區總面積的82.02%，地表破壞嚴重，由于坡度較大，水土流失風險大，導致了以上結果。惠農區與大武口區同屬煤炭資源型城市石嘴山市，開發歷史久，有石嘴山礦務局一二三礦和沙巴臺煤礦等大中型礦山，雖然進行了塌陷區治理(治理的圖斑面積910hm2)和植被恢復[2]，但仍存在固廢占地(1605.33hm2)和中轉場地占地(1256.09hm2)面積大(分別占礦區總面積的46.78%、36.60%)、環境空氣中SO2含量高等問題，礦山環境質量低。銀川市下轄的靈武市屬新興礦區，以井工開采為主，已經形成了4處塌陷區(面積698.1hm2)，中轉場地和采場面積大(占礦區總面積的45.82%)，存在506.86hm2的土壤和水體污染，總體環境質量較差。沙坡頭區地處騰格里沙漠邊緣，植被覆蓋度不足30%，礦山泥石流和崩塌災害達6處，固體廢棄物占地(874.69hm2)為礦區總面積的52.07%，是造成環境質量值低的主要原因。其次，介于0.6～0.7的為寧南山區的海原縣、原州區、西吉縣、彭陽縣、隆德縣、涇源縣和中部吳忠市下轄的青銅峽縣級市，整體屬于礦山環境相對較差區域。寧南山區6縣區礦山開采總體規模較小(總面積2273.13hm2)，環境壓力較小，但由于地處六盤山和黃土高原丘陵區，坡度較大(15～30°)，降雨量大(367.4～619.9mm)，特別是侵蝕力大(>1000MJ·mm·hm-2·h-1· a-1)，使其礦山環境質量總體上偏低，惡化風險較大。其中，彭陽縣分布著寧南山區最大規模的王洼煤礦和長慶油田采區，已經出現了32.8hm2的塌陷區、4處滑坡，使其成為7縣市中環境質量最低的縣。青銅峽市由于礦山地表占地破壞相對較小，廢棄物堆積828.32hm2，占礦區總面積的28.61%，但土壤和水污染土地面積達525.25hm2，占礦區總面積的18.15%，礦山衍生環境破壞壓力較為突出。最后，其余11個縣區質量值均高于0.7，其中，北部石嘴山市平羅縣、銀川市興慶區和金鳳區、吳忠市利通區礦山環境質量指數分別達到了0.9150、0.9505、0.9537、0.8669，礦山環境質量最優。

3.2 環境質量空間分區

圖3 寧夏22個縣區礦山環境質量系統聚類

利用寧夏22個縣區2010年、2013年、2014年的礦山環境質量綜合指數值，基于離差平方和法聚類(圖3)，礦山環境質量可分為“寧南山區6縣區+靈武市、惠農區+大武口區+沙坡頭區、興慶區+金鳳區+利通區+平羅縣、永寧縣+中寧縣+紅寺堡區+鹽池縣+同心縣+賀蘭縣+西夏區+青銅峽市”4組，結合前文分析，靈武市礦山環境問題嚴重且有加重趨勢，將其與寧南6縣區置于同一分組與實際存在差距，因此將其放入“惠農區+大武口區+沙坡頭區”。青銅峽市2010年、2013年礦山環境質量綜合指數值分別為0.7349、0.7043，因此得到了以上聚類分析結果。據此，按照2010年至2014年礦山環境綜合指數平均值確定閾值范圍：≤0.5320(惠農區+大武口區+沙坡頭區+靈武市)、0.6477～0.6859(寧南山區6縣區)、0.7239～0.8110(永寧縣+中寧縣+紅寺堡區+鹽池縣+同心縣+賀蘭縣+西夏區+青銅峽市)、≥0.8669(興慶區+金鳳區+利通區+平羅縣)。可見，以上閾值存在不連續性，但作為指導礦山環境修復管理的目的，不影響其結果。楊金中等對全國各省區礦山環境遙感評價分級中，礦山數量規模小的省區內，區域間礦山環境質量差異較大[24]，印證了這一結果。

圖4 寧夏礦山環境質量空間分區

通過實地踏勘，依據以上閾值，各組分別按順序定義為環境質量“嚴重區、較為嚴重區、一般區、良好區”。其中，嚴重區按照評價指標體系準則層含義，表達為土地占壓面積大且廢棄物占地面積大，土壤和水及環境空氣污染嚴重，地面塌陷、崩塌和泥石流等地質災害嚴重，水土流失壓力大。剩余級別含義依據名稱以此類推。2014年，寧夏礦山開發占地總面積30433.06hm2(約占寧夏總面積5.18萬km2的0.59%)。其中，嚴重區面積17756.9hm2，占礦山開發總面積的58.35%；較為嚴重區面積2273.13hm2，占7.47%；一般區面積8880.29hm2，占29.18%；良好區面積1522.74hm2，占5.04%。結合空間分布可見(圖4)，嚴重區、一般區和良好區的礦山全部分布在寧夏平原經濟發達的中北部區域，表明臨近城市產業區的礦山開發規模較大，產生了局部環境嚴重破壞區域，未來應重點監控嚴重區的礦山開采活動。文獻[2]的研究也表明“寧夏以煤炭產業為主的惠農區、大武口區、靈武市，以及中部的中衛市沙坡頭區，由于開發規模大，地面塌陷、地裂縫、泥石流、地表植被破壞和土水污染問題突出。”，與本研究結果一致。從全區看，在“北密南疏”基礎上，礦山環境質量空間上呈“面上從北至南連續分布、點上四類分區鑲嵌分布”的特征，尤其是良好區與嚴重區夾雜于其他分區之間。

4 討論及結論

1)寧夏礦山環境質量總體特征表現為22個縣區間差異較大，北部優于南部山區、但北部局部縣區問題突出。礦山環境問題集中在北部老舊礦區集中的石嘴山市的惠農區和大武口區、新興礦區銀川市的靈武市(縣級市)，以及中部的中衛市沙坡頭區。

2)寧夏全區可分為“嚴重區、較為嚴重區、一般區、良好區”四類礦山環境區，在空間上呈“面上連續、點上鑲嵌”的特征，嚴重區在北部和中部均有分布，寧南山區6縣區屬較為嚴重區，均存在一定礦山環境風險，是礦山環境管理的重點區域。

3)新興礦區靈武市目前其開采量位居寧夏首位，已經形成了較大面積的塌陷區和環境惡化趨勢。由于其主要為井工開采，早期地表破壞具有隱蔽性，往往在生產一定年限后由量變轉化為質變，出現更大面積的地面塌陷、水土流失、環境污染問題。因此，未來應關注與此類似的新興礦山開采進度，持續監測，提前預防地質災害和環境污染，以最大限度降低危害。

4)利用聚類分析得出的寧夏礦山環境分級閾值存在不連續性，與以往各類分級方法結果存在差異，推廣應用的前提是應加大此種方法的案例樣本，從而找出熵權模糊綜合評價值分級閾值的分布規律，實現連續分級和推廣應用。

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Environmental quality characteristics and spatial division of Ningxia mines

ZHANG Yongting1，2，CHEN Jianping1，LIU Zizeng2，YAN Jun2，HUANG Tao2，YAN Jin2，FAN Xingang3

(1.School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083, China； 2.Ningxia Institute of Remote Sensing Surveying and Mapping，Yinchuan 750021，China； 3.Deparment of Social Service，Ningxia University，Yinchuan 750021，China)

Mines environment quality spatial distribution is important to government，which can provide the basis to repair and manage the mines environment of 22 counties in Ningxia province of China.Mines environment comprehensive evaluation index system was been built，include land use，geologic damage，environment pollution，water loss and soil erosion，and 16 indexs.The data was gotten by remote sensing data and mines environment statistics.Entropy weight fuzzy comprehensive method was used to evaluate the mines environmental quality，and then fuzzy clustering method by spss22.0 was used to divide the spatial partitions of mines environmental quality in Ningxia，and combined with field reconnaissance to determine result.The results show that the mines environmental quality in 22 counties is very differences.The northern part of Ningxia is generally better than the southern mountain area，but some of northern counties in Ningxia are worst.The mines environmental quality variation of 22 counties are relatively stable，and the main environmental problems are in the northern part of the old mining area of Huinong and Dawukou county，emerging mining area of Lingwu city and middle part of Ningxia i.e.Shapotou county.Then，Ningxia mines can be divided into four categories：“serious area，more serious area，general area，good area”.The distribution of mines environmental quality partitions is continuous from the province scale，but it concentrates from the counties scale.It should pay attention to the mining progress of the emerging mines，and continuously monitor on the mines environment，so as to early discovery and early management.The thresholds of categories by means of cluster analysis are discontinuity.It should increase the sample of cases，to find the threshold distribution of entropy weight fuzzy comprehensive evaluation value，so as to realize the continuous grading.

mine environmental quality；spatial division；entropy weight；fuzzy comprehensive evaluation；Ningxia

2016-07-14

全國礦產資源開發環境遙感監測子項目“寧夏自治區礦產資源開發環境遙感監測”資助(編號：1210115061301)

張永庭(1975-)，男，寧夏平羅縣人，博士研究生，教授級高級工程師，主要從事資源環境遙感研究，E-mail：fanxg@nxu.edu.cn。

簡介：陳建平(1959-)，男，福建閩候人，博士后，教授，博士生導師，主要從事礦產資源預測評價、遙感與地理信息系統應用開發研究，E-mail：516948563@qq.com。

X321

A

1004-4051(2017)01-0049-06