山東省黃河北煤炭礦區地質環境承載力評價

隋建紅，郝啟勇

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100；2.山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 濟南 250100)

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山東省黃河北煤炭礦區地質環境承載力評價

隋建紅1,2，郝啟勇2

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100；2.山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 濟南 250100)

以可持續發展、環境承載力和系統學理論為理論依據，從承載指數和壓力指數兩個角度，構建了面向礦業開發的地質環境承載力評價指標體系，對山東省黃河北煤炭礦區地質環境承載力進行了系統研究。結果顯示：黃河北煤炭礦區地質環境固有承載力水平為中等承載—高承載之間，承載力水平總體較高。除聊城與茌平交界處以及邱集、趙官鎮、濟陽煤礦周邊地質環境承載力為中等承載外，其余大部均屬于較高承載等級以上，地質環境支撐能力良好。

礦山地質環境；承載力；指標體系；黃河北礦區

0 引言

黃河北煤炭礦區行政區劃屬濟南、聊城、德州管轄，位于濟南都市圈、中原經濟區山東先行區范圍內，為濟南都市圈規劃范圍內唯一的一處大型煤炭基地(圖1)。“南水北調”東線工程從礦區中部通過，礦區區位優勢明顯，礦區的開發建設在帶動周邊區域經濟發展等方面發揮著重要作用。

了解礦區地質環境承載力現狀，維持地質生態系統的完整性和穩定性，協調煤炭資源開發與生態環境保護之間的關系，將煤炭資源的開發利用強度控制在區域資源環境承載力范圍內[1-4]，實現環境效益與經濟效益的統一是黃河北礦區開發面臨的一項重要任務。

從礦業開發的角度，分析制約礦區地質環境承載力大小的原因和影響因素，對黃河北礦區的地質環境承載力進行定量研究，并建立基于生態承載力的礦業開發對策，對國土資源部門從更高層次上實現礦業管理具有深遠的現實意義。

1 礦區概況

黃河北煤炭礦區包括陽谷茌平煤田和黃河北煤田。北、西北以齊廣斷層、聊考斷層為界，東以臥牛山斷層為界，南以山東省省界、東阿斷層和煤系底界露頭為界。礦區東西長160km，南北寬30km，面積約4400km2。

陽谷-茌平煤田[5-7]煤系地層總厚240m，含煤15層，其中可采的達7～8層，可采煤厚12.15m，總面積2319.17km2。黃河北煤田煤系地層總厚245m，含煤14層，其中7層可采，可采煤厚4～9m，總面積2055.06km2。黃河北礦區煤炭資源豐富，為山東省內重要的煤炭資源儲備基地。據第三次煤炭資源預測，煤炭資源總量253.86億t，其中累計探明資源量36.84億t，預測資源量217.02億t。

黃河北礦區現有生產礦井3對，為邱集煤礦、趙官鎮煤礦和新陽煤礦，均位于黃河北煤田。邱集煤礦自2003年12月投產，設計生產能力75t/a，礦區面積39km2；趙官鎮煤礦自2009年12月投產，設計生產能力90t/a，礦區面積98.2km2。新陽煤礦自2007年7月投產，設計生產能力45萬t/a，礦區面積49.5km2。

圖1 工作區范圍示意圖

2 地質環境現狀

2.1 地質條件

區域上第四系分布廣泛。僅在礦區南部局部出露寒武-奧陶紀饅頭組-馬家溝群地層，其余地區均被第四系覆蓋。地層自下而上依次為奧陶紀馬家溝群、石炭-二疊紀月門溝群本溪組、太原組和山西組、二疊紀石盒子群、三疊紀石千峰群孫家溝組、新近紀黃驊群明化鎮組及第四系。

2.2 水文地質條件

礦區屬魯西北平原水文地質區的魯北黃河沖積平原水文地質亞區。黃河的多次泛濫與改道對礦區晚更新世及全新世地層的形成及含水條件影響很大。區內主要賦存松散巖類孔隙水。

根據地質時代、含水層的埋藏特點、水力性質，將松散巖類孔隙水劃分為淺層、中層和深層含水巖組3種類型。

淺層含水巖組埋藏在60m以上，全新統及上更新統沖積、湖積、洪積相地層，砂層多呈帶狀富集，具有良好的蓄水空間，為潛水-微承壓水。在50～60m深度內有一層埋藏較穩定的砂層，一般單層厚度大于10m，頂板埋深在10～15m，底板埋深在50～60m，是區內潛水、淺層承壓水的重要賦存地帶。

除全淡區外，深層含水巖組頂板埋深一般在180～220m以下，底界面一般在450～500m。含水層厚度18～80m，巖性為粉砂、細砂、中細砂、中砂中粗砂等，以中細砂為主。深層淡水富水區一般含水砂層厚度30～60m，含水層巖性為粉砂、粉細砂、細砂、中細砂和中砂礫石。單井涌水量1000～3000m3/d，礦化度1.1～1.8g/L，為半封閉性地下水系統。

2.3 工程地質條件

礦區地處華北斷陷盆地的東邊沿，新華夏斷裂構造控制了全區基本構造格局，主要有聊城-蘭考斷裂帶及與其走向基本一致的東阿斷裂、茌平斷裂，正負相間排列。根據對地殼穩定性、地面穩定性、地基穩定性的綜合評價，礦區工程地質條件分為基本穩定區、較不穩定區和不穩定區。

2.4 環境地質條件

礦區存在的主要環境問題為土壤鹽漬化和土壤沙化。根據黃河北礦區土壤可溶性鹽類含量及對作物的危害程度，分為潛在鹽漬土、輕度鹽漬化土、中度鹽漬化土、重度鹽漬土、非鹽漬化土5種。礦區內土地沙化問題主要集中于齊河境內，主要發生于黃河故道之內，土質以粉土、粉細砂為主。

2.5 土地質量

礦區地處黃河沖積平原，成土母質由黃河沖積而成，質量較好，土層較厚。工作區地勢平緩，排水不暢，地下水埋深較淺且礦化度較高，易于受到澇堿的影響，土壤多為潮土和壤質輕度鹽化潮土。采用內梅羅指數法，對照《土壤環境質量標準(旱地土壤)》(GB15618-1995)對土壤污染情況進行評價，顯示，黃河北礦區土壤環境質量堪憂，168個采樣點中，內梅羅指數<0.7的土壤樣有19個，占總土壤樣的11.3%，處于安全等級；0.7～1.0之間的土壤樣有90個，占總土壤樣的53.6%，處于尚清潔(警戒限)等級；>1的土壤樣有58個，占總土壤樣的34.5%，屬于輕度污染等級；>2的土壤樣有1個，占總土壤樣的0.6%，屬于中度污染等級。造成土壤輕度污染的元素主要受Cd元素影響，超標情況較為嚴重。

2.6 生態環境

礦區按地貌成因類型為黃河泛濫沖積平原。根據地貌形態特征，微地貌可劃分為古河道高地、決口扇形地、洼地和緩平坡地等地貌類型。

3 地質環境承載力評價

3.1 模型建立

“承載體”和“承載對象”為承載力研究的2個核心要素。一般用承壓度來描述承載力水平，承壓度用壓力指數、承載指數的比值來表征[8-9]。

(1)承載指數(CCS)

(1)

式中：Xi—承載因子；Si—各承載因子相應承載分量或承載分值；Wi—各承載因子的權重；CCS表示承載指數，其大小取決于各承載分量和權重值的大小，CCS越大，說明承載媒體S的承載能力越大。

(2)壓力指數(CCP)

(2)

式中：Yi—承載壓力因子；Pi—各承載壓力因子相應壓力分量或承載分值；Wi—各承載壓力因子的權重；CCP表示壓力指數。CCP越大，說明承載媒體所承受的壓力越大。

(3)承壓度(CCPS)

(3)

當CCPS>1時，表示承載對象作用于承載媒體的大小超過了承載媒體的承受范圍，即系統的資源環境承載力處于超負荷水平；當CCPS<1時，表示系統的資源環境承載力處于低負荷水平；當CCPS=1時，表示系統的資源環境承載力處于平衡水平。

3.2 評價指標體系建立

指標體系要從不同角度進行綜合分析，構建能全面反映研究區域特征的完整評價指標體系[10-14]。該次評價采用現場調查、資料收集、GIS信息采集、樣品采樣測試等方法，全面系統地研究了礦區地質環境現狀，對地質環境承載體和以煤炭資源開發強度為主要標志的承載對象分別構建了地質環境承載力評價指標體系(表1、表2)。

礦山地質環境承載力評價尚未有成熟、公認采用的指標體系。該次地質環境承載體指標體系主要考慮地質環境的固有特性，或者是地質環境系統的內在特征。固有特性更多反應自然地質作用，是決定地質環境本身“抗干擾能力”的決定因素。在評價中，以地質環境系統為主，生態環境系統為輔。

礦產資源開發過程中對地質環境產生的影響，主要受礦產資源的賦存情況、礦區地質構造、煤層上覆層巖性組合以及物理力學性質、水文地質條件等方面影響。礦業活動伴隨的人類活動程度的增強，主要受建筑工程地質環境、水資源和環境、土地質量等方面的影響。基于此，承載體承載力指標層分為礦產地質條件、水文地質條件、土地質量、工程地質條件、環境地質條件5類，其中礦產地質條件、水文地質條件、環境地質條件、土地質量應作為主要指標，賦予較高的權重。

表1 承載體承載指數指標體系

表2 承載對象壓力指數指標體系

出于建立地質環境承載力與礦業活動之間的關系，將承載對象即地質環境承受的壓力分為礦山開發、人口壓力和經濟壓力3類。其中礦產開發壓力為直接指標，應賦予較高權重，人口和經濟壓力為輔助指標，可賦予相對較低權重。

3.3 地質環境承載力指標量化與分級

社會經濟的人口密度、人均耕地、人均GDP等指標，利用升半梯形分布函數來進行量化。地形切割強度、坡度、年均氣溫、降水量等生態環境系統指標，采用已較為成熟的標準以及對應分值進行量化。其他定性及定量指標采用專家經驗法，結合承載指數和壓力指數，判定標準直接在[0,100]進行量化(表3、表4)[15]。年均氣溫、降雨量采用20年年均數據，地形切割強度、坡度等采用2009年DEM數據，社會環境系統采用2014年各縣市統計年鑒數據。

評價指標權重的確定是承載力評價的關鍵參數之一。由于它具有隨機性和模糊性的雙重屬性，因此權重的獲取相對困難。該次評價采用層次分析法結合專家調查法進行。因為權重是一個隨機模糊數，它的分配不是唯一的，允許評價指標權重在一定范圍內波動[16-21]。所以將層次分析法得出的結果與專家調查法進行了互相驗證，權重值見表5。

表3 承載指數評價指標量化分級

表4 壓力指數評價指標量化依據

表5 黃河北礦區地質環境綜合評價指標權重值

根據承載力評價的分級判定標準，承載指數高，則人類—經濟活動的抗干擾能力強；承載指數<20，則處于弱承載水平，不利于實現區域的可持續發展；壓力指數>80，地質環境所受壓力高，礦產資源開發利用強度大；壓力指數<20，地質環境所受壓力低，礦產資源開發利用強度低(表6)。

表6 黃河北礦區承載指數和壓力指數判定標準

3.4 地質環境承載力評價

采用ArcGIS軟件，工作區按照100m×100m進行網格化，地質環境承載力(承載指數)按照指標量化數值以及權重，通過空間分析技術，對數據進行匯總、判斷和計算，分別對所有網格化的單元格進行計算，得到地質環境固有地質環境承載力評價(承載指數評價)結果，并按照承載指數分級判定標準進行分區，黃河北礦區內各分層指標的現狀情況見圖2、表7。

圖2 黃河北礦區地質環境固有承載力區劃圖

準則層指標層分指標層現狀值量化分值或指數值地質環境系統礦產地質條件A主采煤層底板埋深(m)A1500～200030～100主采煤層厚度(m)A20．6～7．00～100工程地質條件B工程地質環境穩定性分級B1不穩定—區穩定區30～100與主要斷裂構造距離(m)B20～30000～100水文地質條件C含水層厚度(m)C13～800～100含水層水位埋深(m)C20．8～100～70地下水水化學類型C3HCO3、HCO3-SO4-Cl、SO4-Cl-HCO3、SO4-Cl0～100地下水資源模數(萬m3/a．km2)C45．3～11．520～60環境地質條件D土壤鹽堿化D1無—重度30～100土壤沙化D2無—有30～100土地質量E土壤類型E1粉土、砂土、粘土0～100土壤環境質量E2清潔—中度污染30～100生態環境系統地形地貌F地形切割強度(m)F1<10090～100坡度(°)F20～790～100氣候G年均氣溫(°)G114100降水量(mm)G2579．570社會環境系統礦業開發壓力礦山密度1～1050～70人口壓力人口密度(人/km2)446～80333～91人均耕地面積(畝)0．41～1．330～56經濟壓力人均GDP(萬元)2．09～7．180～36農民年人均純收入(元)9908～121229～44

由圖2可以看出，黃河北礦區地質環境固有承載力水平為中等—高，總體較高，除聊城與茌平交界處，邱集、趙官鎮煤礦、濟陽煤礦周邊地質環境承載力為中等外，其余大部均屬于較高承載等級以上，地質環境支撐能力良好。

按照縣域進行評價地質環境壓力指數。將整個工作區按照縣域劃分為濟陽、禹城、齊河、茌平、東阿、東昌府區、陽谷7個網格。按照壓力指數指標量化數值及權重，通過計算機計算出7個網格內的地質環境壓力指數，指數值分布在42～50。由此可見，地質環境所受壓力一般，資源開發利用程度中等，在黃河北礦區尚未大規模開發的前提下，黃河北礦區7個縣域壓力指數為中壓，顯示黃河北礦區受人類社會經濟活動敏感度較大。

按照公式3，計算出7個縣域的承壓度為0.54～0.65，均小于1，承壓水平為低負荷，人類社會經濟活動沒有超出地質環境承載力的水平之外。

4 結語

作為山東省最后一塊整裝待開發的煤田，黃河北礦區對于山東省煤炭資源的安全保障至關重要。但從全省范圍來看，黃河北礦區人均耕地面積、水資源量均不高，煤炭的開發加劇區域地質環境壓力的風險將會增大。如果做不好耕地資源的保護以及水資源綜合利用等相關問題，黃河北礦區開發的壓力將會超過地質環境的承載力，從而造成嚴重的地質環境問題以及不穩定的社會影響。

地質環境承載力是新常態下，從更高層次為國土空間利用開發、服務國土資源管理、助推生態文明建設提出的重要概念，應加強對礦權管理、礦山恢復治理、土地復墾、礦山保護監測預警體系的整合，以地質環境承載力更新的平臺，建立山東省礦產資源開發新環境。

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Evaluation on the Carrying Capacity of Geological Environment in Huanghebei Coal Mining Area in Shandong Province

SUI Jianhong，HAO Qiyong

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao, Shandong 266100; 2. Exploration Research Institute of Shandong COAL Field Geology Bureau, Jinan, Shandong 250100)

According to the idea of macro and micro combination, field investigation and laboratory test, environmental issues and environmental background of mine geology were studied with many advanced environmental geological tools. On the basis of comprehensive analysis of geological and social environment system, evaluation index system of carrying capacity of geological environment was built from two perspectives of carrying index and pressure index, which was for the mining development. The sustainable development, environmental carrying capacity and systematics theory were as theoretical basis for the evaluation index system. The bearing capacity of Huanghebei mining area of Shandong Province was studied the means of index weight value with AHP. The results showed that the geological environment inherent level of Huanghebei mining area was between middle and high load bearing capacity. The load carrying capacity of most regions was at high level except the junction of Liaocheng and Chiping, Qiuji，Zhaoguan town and Jiyang mining area, where the load bearing capacity was middle.

Mine geo-environment; carrying capacity; indicator system; Huanghe-bei mining area

2016-09-28；

2017-01-22；編輯：曹麗麗 基金項目：2013年山東省地質勘查項目《山東省黃河北礦區地質環境承載力調查與評價》編號(魯勘字(2013)143號 作者簡介：隋建紅(1979—)，女，山東諸城人，高級工程師，主要從事環境影響評價、水文地質等工作；E-mail：sdusui@163.com

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隋建紅，郝啟勇.山東省黃河北煤炭礦區地質環境承載力評價[J].山東國土資源，2017,33(4)：34-40.SUI Jianhong，HAO Qiyong. Evaluation on the Carrying Capacity of Geological Environment in Huanghebei Coal Mining Area in Shandong Province[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(4)：34-40.