基于ArcGIS與層次分析法的巢湖北郊礦區地質環境評價

趙洪濤

（遼寧地質工程職業學院測繪工程系，遼寧丹東118303）

我國長期粗放式開采導致礦區環境地質問題日益突出，礦區地質環境問題包括水體污染、地面沉陷、地裂縫以及山體崩塌滑坡等［1-3］。對礦區地質環境進行定量評價，在此基礎上制定合理的治理措施，對于有效修復礦區生態環境、實現礦區可持續發展大有裨益。近年來，遙感與地理信息系統技術的發展和不斷應用，為礦區地質環境監測評價提供了新的思路［4］。本研究以安徽巢湖北郊礦區為例，將Arc-GIS軟件與層次分析法［5-9］相結合對區內地質環境進行定量評價，并對相應的治理措施進行探討。

1 礦區地質環境概況

1.1 地質特征

研究區位于安徽省巢湖市北部山區，緊鄰江淮丘陵，三面環山，一方臨水，地形較為起伏，屬于丘陵或低中山地貌。丘陵地帶及河谷谷底地面高程為800～1 000 m，山峰高程一般為1 100～1 200 m，最高1 385 m，谷底開闊、山峰渾圓為該地區主要的地貌特征。

研究區屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫12.1℃，極端最高氣溫41.7℃，極端最低氣溫-23.3℃。該區年平均降水量750 mm，多年平均水面蒸發量為965 mm，多年平均徑流深245.6 mm。流域內常風向為NEE，年平均風速3.0 m/s。研究區多年平均徑流量為5.06×108m3。

研究區內出露的地層主要有二疊系（P）、侏羅系（J）、白堊系（K）、第三系（N）及第四系（Q）。侵入巖出露面積較少，僅有華力西晚期和燕山早期酸性侵入巖零星出露，巖性包括花崗巖、花崗閃長巖、輝長巖等。脈巖種類較多，巖性復雜。

1.2 地質災害類型

（1）小型滑坡及滑塌體。研究區內小型滑坡體主要分布于采礦區礦洞外圍，主要由開挖過程中的浮土和廢棄物堆積而成，少部分為礦渣。小型滑塌體大多位于尖山子東側平緩臺地和顏小堡村東西側。經統計，研究區該類型小型滑塌存在30多處（圖1（a）、圖1（b））。

（2）地裂縫。地裂縫主要位于礦山開采范圍內，地表第四系覆蓋層較厚，尤其以馬家坪西側、平頂山東側山坡發育較多，該區域地下水采掘深度大，棄土多，山坡前緣具備一定臨空面，研究區地裂縫分布有20多處（圖1（c））。

（3）地面沉陷。地面沉陷部位主要集中于西大林村和尖山子村附近，人類活動較多，開采活動在該區域底部進行，開采過程中抽排地下水導致水位大幅度降低。地面沉陷部位主要為殘坡積碎石土為主，土體結構松散，具備架空結構，失去地下水浮托力后地面承載能力被破壞，導致該類型地質災害發生，對于人員設備安全造成了重大隱患?，F場調查共發現了11處地面沉陷點（圖1（d））。

1.3 地質災害發育規律

研究區地質環境問題較為突出，主要為礦產開發和人類工程活動引發。通過現場調查分析發現，較大型滑坡地質災害主要受礦山開挖導致的邊坡失穩所致；小型滑坡、崩塌主要由降雨等惡劣氣候引發，也與礦山開采導致的水土流失有關。地質構造方面，斷層及其破碎帶、順坡向發育的結構面以及劈理均為礦區地質環境惡化的誘導因素，調查發現地質災害多發區大多位于北部山區陡峭、巖體構造卸荷作用明顯的平頂山、榆木村背斜兩翼等部位。同時，調查發現石灰巖地區地質災害發育情況較巖漿巖地區嚴重，說明礦區地質環境與巖土體的力學性質有一定關聯。

2 基于層次分析的分區評價法

根據研究區自然環境、地形地質條件和地質災害發育規律，采用層次分析法對區內地質環境進行分區評價。

2.1 構建判定矩陣

通過判定矩陣可對每一層因子進行相互比較，分析和得出重要性因素，借助專家咨詢結論進行評分，最終確定標度［10-11］。采用Origin軟件構建判定矩陣，再進行正交和歸一化處理。本研究對權重因子的量化值進行了標準化和歸一化處理，計算公式為

式中，x為權重因子量化值；a為專家打分值；amax為最大值；amin為最小值。

研究區地質環境影響值計算公式為

式中，M為礦區地質環境影響值，代表礦山地質災害的嚴重程度；wn、nn為組合權重值；n為屬性層中不同因子的權重值。

2.2 評價因子選取及階梯評價體系建立

依據現場調查結果（表1），研究區地質環境影響因素包括地形地質條件、水文地質條件、廢水廢渣等廢棄物污染以及崩塌滑坡泥石流等4類。本研究據此選擇了地形地質、水文氣候、廢水廢渣污染、地質災害等一級評價因子，各一級因子共包含了16個二級因子。根據《中國地質環境調查總則（試行）》將各因子劃分為好、較好、較差、差4個等級，其中典型因子的量化評價過程如下。

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（1）地形地質。根據研究1∶50 000地形圖提取地形數據，根據地表坡度將該因素劃分為4級，即0～15°，15～45°，45°～55°以及55°～90°。

（2）地質構造。通過現場工程地質測繪、地質填圖，獲取了工程區斷裂構造發育信息。結合地殼應力場和動力學特性，研究區NNE向斷裂發育規模較大，斷層兩側斷裂穩定性最差，活動性強，故評價因子等級劃分為4級；區內NW向斷層規模稍小，發育位置較少，活動性較強，故劃定為3級；NNW向斷裂發育長度有限，寬度為0.5～1 m，整體未見大規模斷層，從規模上考慮，將該類型斷裂劃定為2級；NE向發育的斷裂基本為規模較大的結構面，分布稀松，活動性弱，安全性較高，定位為1級。

（3）巖性條件。本研究經過野外調查發現主要巖性為巖漿巖和沉積巖，其中巖漿巖以花崗巖、混合巖類為主，巖體工程性質特征與風化程度有關，故將弱—微風化巖體以及巖體飽和抗壓強度大于60 MPa的巖石的巖性因子定位1級；將巖漿巖以及中硬巖石（30～60MPa）的巖體定位為2級；將沉積巖、軟硬相間的巖體定位為3級；將第四系堆積物，包括沖洪積和殘坡積成因的巖體定義為4級。

（4）礦山開采。礦山開挖和廢棄物堆積是研究區地質環境的重要因素，根據現場調查，并根據礦山采礦范圍、開采規模等因素，將礦山開采因子劃分為極小、小、極大、大4級。

在因子量化的基礎上，本研究構建的階梯層次體系主要分為3層結構，第1層為目標層，第2層為準則層，第3層為屬性層，每層均對地質環境因子進行了量化，通過構建判定矩陣和專家打分確定了各因子的權重值（表2）。

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3 礦區地質環境評價

3.1 數據來源及預處理

本研究礦區地質環境評價體系包含16個影響因子，數據來源主要有：

（1）地形地質資料。采用中國地質調查局館藏1∶50 000巢縣幅區域地質圖，目前該圖存在ArcGIS軟件格式的電子文件，故無需進行柵格化處理。該圖囊括了礦區開采范圍，采用北京54坐標系，高程為黃海坐標系，等高線間距20 m，與現場地貌進行對比基本一致，精度符合評價需求。礦區地質環境評價所采用的地質資料均依據現場鉆探、物探及地質測繪等手段獲取，根據地質填圖成果繪制了相同比例尺的區域地質圖，包括地層巖性及產狀、斷裂構造及位置、斷層性質等地質要素。

（2）遙感影像。通過研究區1∶10 000遙感影像（圖2）可獲取區內水文水系分布、廢水廢渣等污染物分布、地質災害分布以及人類活動等信息。

本研究根據研究區1∶50 000地質圖為底圖，分別將地形地質、水文地質、廢水廢渣以及地質災害等方面的信息以點、線、面的形式反映至圖中。需對山頂、村落和聚居區以點的形式進行矢量化；將河流流域、廢水廢渣污染區域、滑坡泥石流潛在危險區作為面進行矢量化；將斷層、公路、鐵路等要素以線的形式進行繪制，最終得到研究區地質矢量地形圖。在此基礎上，根據層次分析法提取的地質環境評價因子，將礦區地質圖中各個要素抽象為矢量數據，最終得到矢量化成果［12-13］。

3.2 地質環境分區評價

通過ArcGIS軟件中的柵格計算模塊，對本研究選取的16個評價因子的矢量數據進行疊加分析，并對分析結果進行分級。如果一區域M取值越大，反映該地區地質環境越惡劣；反之，則代表區內地質環境狀況越好。為對礦區地質環境進行定量分級，將研究區地質環境等級劃分為嚴重、較嚴重、中等和較輕。借助ArcGIS軟件的分類功能，將0＜M＜3.3對應的區域劃分為較輕區域，地質環境等級為1級；將3.3＜M＜5對應的區域劃分為中等區域，地質環境等級為2級；將5＜M＜7對應的區域劃分為較嚴重區域，地質環境等級為3級；將7＜M＜10對應的區域劃分為嚴重區域，地質環境等級為4級，應注意防范地質環境惡化。

利用ArcGIS軟件統計模塊，研究區地質環境分區評價結果見圖3。分析圖3可知：地質環境問題較輕區域的面積為4.684 km2，占研究區開采總面積的36.7%；地質環境問題中等區域的面積為4.01 km2，占研究區開采總面積的32.7%；地質環境較嚴重區域的面積為2.67 km2，占研究區開采總面積的20.1%；地質環境嚴重區域的面積為1.34 km2，占研究區開采總面積的10.5%。

根據上述分區結果，并結合研究區地質圖分析，可知研究區地質環境問題嚴重區域主要集中于區內西南側，該區域廢水廢渣以及固體廢棄物堆積較多，呈散點狀分布，根據現場調查發現存在崩塌地質災害的可能性；地質環境問題中等區域和較嚴重區域分布于區內中部，海拔高度中等，需防范地質災害發生；地質環境問題較輕區域主要集中于區內北側山脊的2處埡口之間，該區域主要為林場，植被茂密人類活動較小，現場調查發現基本未遭受破壞。將評價結果與野外地質調查結果對比，發現地質環境問題中等及較嚴重區域的地質環境情況與實際相符，但本研究評價劃定的地質環境問題嚴重區域的面積較實際情況擴大了約15%，是由于在評價過程中充分考慮了地質構造的負面影響所致。

3.3 防治與治理措施

野外地質調查發現，研究區地質災害嚴重區域發生大規模滑坡地質災害的可能性較大，對下游人員生產生活潛在的危害最大。礦區西南側發育1處大型潛在滑坡（通順山滑坡），滑坡前緣高程295 m，后緣高程367 m，水平長度約為150 m，垂直落差72 m，滑坡體寬40～100 m，潛在滑動體體積高達42萬m3。滑坡上部10～15 m為第四系殘坡積碎石土（Q4），下部為太古界強風化花崗巖，巖體節理裂隙較發育，呈碎裂結構。經調查發現了2條潛在滑動面，1條沿基巖界線發育，另1條沿全強風化帶發育。

針對該滑坡現狀，本研究提出的防治措施為：①“避”，建立臨時或永久性監測設施，提前組織人員避險；②“排”，在邊坡上緣和坡面開挖截水溝將地表水引出滑坡區，對滑坡后緣進行回填灌漿，封堵進水通道，滑坡體下緣設置排水孔疏排地下水；③“擋”，滑坡體下緣采用抗滑樁與預應力錨桿相結合的措施進行支檔，同時對坡腳進行護坡處理，采用混凝土速噴加掛網鋼筋等技術措施加固坡體；④“固”，利用灌漿孔對滑坡松散堆積體和潛在滑動面進行固結灌漿，提高邊坡的抗滑能力。

4 結語

以安徽巢湖北郊礦區為例，將ArcGIS軟件與層次分析法相結合對礦區地質環境進行了評價，構建了包含目標層、準則層、屬性層共16個因子組成的評價模型，通過將礦區地質環境等級劃分為嚴重、較嚴重、中等和較輕4個等級，并計算出了區內各等級對應的區域面積。針對地質環境問題嚴重區域存在的滑坡隱患，提出了“避”、“排”、“擋”、“固”4條技術措施，對于有效防治區內滑坡地質災害有一定的參考意義。

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