鳳臺縣地質環境承載力評價與監測預警

賈立斌，袁國華

(1.中國國土資源經濟研究院，北京 101149； 2.國土資源部資源環境承載力評價重點實驗室，北京 101149)

地質環境是由巖石圈、水圈和大氣圈交接組成的地球環境系統，是人類賴以生存和發展的基本場所和物質基礎。隨著人口增長、經濟發展與科技進步，人類改造自然的活動對地質環境的影響也呈現空前增長態勢，并因此產生了嚴重的環境問題，帶來了一系列的危害和災難。為此，業界開展了大量關于地質環境承載力的研究。20世紀90年代初，肖炳成[1]從人口、面積角度提出城市地質環境承載力，計算了城市地質環境承載指數。夏玉成[2]提出了礦山地質環境承載力，建立了煤礦區地質環境承載能力評價指標體系及評價方法。但其后研究者更多地從地質環境容量角度對地質環境質量進行評價研究，直到馬傳明等[3]提出地質環境承載力的概念，將地質環境承載力作為單獨對象進行研究。地質環境承載力是指一定時期、一定區域范圍內，在維持地質環境系統結構不發生質的改變，地質環境系統功能不朝著不利于人類社會、經濟活動方向發展的條件下，地質環境所能承受人類活動的影響與改變的最大潛能。地質環境承載力可以從以下三個方面進行分解：一是可能提供給人類利用的地質資源限值，即水土資源承載力；二是對人類工程活動排放的有害廢棄物的最大容納能力；三是地質環境對人類工程活動的最大忍受程度[4]。也有學者將其定義為某一時期，在維持區域地質環境系統功能與結構不發生變化的前提下，地質環境所能提供的對人口及社會經濟活動的最大支撐能力[5]。更有學者將地質環境與生態相結合，提出生態-地質環境承載力[6]。地質環境承載力的概念從本質上反映了地質環境與人類活動之間的辨證關系，建立了地質環境與人類活動之間的聯系紐帶,為地質環境與人類活動之間的協調發展提供了理論依據。

本文將地質環境承載力歸納為，在一定時間、技術及生態環境條件下，區域地質環境所能承受的所有人類活動的規模和強度。前提條件指出了地質環境承載力的客觀性和動態性，規模和強度揭示了承載主體與客體之間的承載關系[7]。承載主體與客體之間的承載關系是目前地質環境承載力研究的落腳點，也是難點。本文結合項目研究，強調地質環境承載主體的核心要素除了地形地貌外，主要有區域地殼穩定性、地質災害密度與強度、礦山地質環境。在礦業經濟區，礦山地質環境因素影響突出[8]。本文從地質環境基礎及地質環境對人類社會的影響兩個方面，開展了鳳臺縣地質環境承載力評價與監測預警實踐。

1 鳳臺縣地質環境概況

1.1 地質環境背景

鳳臺縣位于安徽省中部偏北，淮河中游，淮北平原南緣，地勢低平，地貌類型有平原、波狀平原、丘陵等。鳳臺縣境內地下水資源豐富，地表徑流密布，焦崗湖、城北湖、花家湖、姬溝湖等分布其間，淮河、西淝河、永幸河、茨淮新河等穿境而過，可通長江達江浙。鳳臺縣在大地構造單元中,屬中朝準地臺淮河臺坳和江淮臺隆的復合部位,境內構造為淮南復向斜,其兩翼地層由晚太古代和古生代變質巖系組成,向斜核部以石炭紀、二疊紀煤系地層為主,其間構造較為發育。除東西向斷層發育外,其南北向斷層也較為發育,如阜鳳斷層。除此之外,在淮南復式向斜范圍內發育大小不等的次級褶曲。鳳臺縣擁有豐富的煤炭、磷礦石、耐火土、石灰石等礦產資源，尤其是煤炭儲藏較大，地處兩淮煤田的中心地帶，探明儲量達120億t，可開采儲量達100億t，是全國深井采煤第一大縣。

1.2 地質環境類型與特點

地質環境承載力大小主要受到地形地貌、區域穩定性、礦山地質環境及地下水等眾多因素的影響。

1) 地質災害。鳳臺縣屬于平原和丘陵地區，地質災害隱患點從2012年的7處到2016年的5處，基本不存在造成人員傷亡和財產損失的危險。

2) 礦山地質環境。鳳臺縣礦山地質環境問題主要為采煤引起的地面塌陷。煤礦開采造成土地損毀，嚴重減少了耕地，破壞了生態環境，威脅到周邊群眾的住房安全。

3) 地面沉降。鳳臺縣水資源利用主要以地表水為主，地下水開采造成地面沉降的因素對鳳臺縣的影響較小，可以忽略不計。

4) 巖溶地面塌陷。主要涉及鳳臺縣城，為開采巖溶水所致。近年來，鳳臺縣根據勘查治理意見，采取限采地下水、對塌陷坑進行壓密注漿處理等有效措施，對巖溶地面塌陷隱患點進行治理。通過5年的監測成果分析，該地質災害隱患點已趨于穩定。

綜上，鳳臺縣地質災害主要成因是長期從事采礦工程和其他人類工程活動，并由此產生的一系列地質災害，使地質環境產生巨大的變化。對鳳臺縣地質環境影響較大的因素主要有地質構造穩定性、礦山地質環境和水土環境。采煤引發的塌陷，造成耕地損毀、道路水系受損，群眾生產生活空間受到影響，村莊搬遷矛盾重重，工農關系日益緊張，深層次社會矛盾劇增。因此，本文構建鳳臺縣地質環境承載力評價指標體系，見表1。

表1 地質環境承載力評價指標體系

2 地質環境承載狀態評價

地質環境承載力評價以鄉鎮為單元，結合國土功能定位，選擇集成評價因子評價結果，對鳳臺縣地質環境承載能力進行綜合評價。

2.1 構造穩定性

2.1.1 斷裂活動性

就新構造運動而論，鳳臺縣是淮河中游地區較為顯著的地方之一，也是歷史上安徽省少數幾個曾發生過六級以上地震的地區之一。據《中國地震資料年表》記載，“1831年11月28日，鳳臺發生6.25級地震,平阿山民房犯五百余間,壓斃多人”。平阿山即明龍山,山雖在懷遠境,但地近淮南、鳳臺。淮南、鳳臺、壽縣一帶,在地質構造單元為淮南復向斜之一部分。淮南復向斜在新第三紀以后仍在明顯活動，兩翼(主要是南翼)節奏性抬升,槽部節奏性沉降,同時也使一些老斷層復活,一些新斷層產生。尚塘斷裂東西走向，斷面向北傾斜，傾角約70°，為劉府斷裂的組成部分，在鳳臺縣境內約長15 km，西自利辛縣入境，北延至蒙城縣境內。桂集向斜，為淮南復式向斜之一部，以桂集為中心，向東、西至縣界，境內約長30 km，大部分為第四系覆蓋。丁集背斜是潘集背斜向西北延伸部分，在境內長14 km左右，西北走向，平面上略有彎曲，軸部向西北部傾斜。

根據安徽省斷裂帶分布，疊加至安徽省鳳臺縣行政區域，得知F16臨泉-劉府斷裂經過尚塘鎮、朱馬店鎮、古店鄉、關店鄉和大興鎮5個鄉鎮，F17穎上-定遠斷裂經過新集鎮，因此判斷尚塘鎮、朱馬店鎮、古店鄉、關店鄉、大興鎮和新集鎮6個鄉鎮為次穩定區，其他地區為穩定區(表2)。

2.1.2 地震動峰值加速度

根據《安徽省地震序列的類型與分布特征研究》，鳳臺地震特征屬于相對安全類[9]。本文將中國地震動峰值加速度區劃，疊加至安徽省鳳臺縣行政區域，得出鳳臺縣各鄉鎮地震動峰值加速度值及地震烈度等級(表2)。

2.1.3 地質構造穩定性評價

按照取劣原則，綜合斷裂活動性和地震烈度等級，判斷鳳臺縣地質構造穩定性(表2)，其中岳張集鎮、顧橋鎮、錢廟鄉和楊村鎮為穩定區，其他鄉鎮為次穩定區。

表2 鳳臺縣各鄉鎮地質構造穩定性評價

注：F16-臨泉-劉府斷裂；F17-穎上-定遠斷裂。

2.2 礦山地質環境

鳳臺縣礦山地質環境承載能力評價指標主要是采空塌陷風險性。由采空塌陷危險性與采空塌陷易損性疊加取劣，判斷采空塌陷風險性，分為高、中、低三個等級。

2.2.1 采空塌陷危險性

采空塌陷危險性采用采煤引起塌陷的易發程度來表征。根據鳳臺縣境內礦井分布密度和規模以及歷年來的塌陷面積，利用GIS疊加至鳳臺縣鄉鎮級行政區域，按照塌陷面積及變化趨勢劃檔，確定各鄉鎮的采空塌陷危險性等級，分為極高易發、高易發、中易發、低易發4個等級。

鳳臺縣采煤塌陷涉及9座煤礦礦井，其中主礦井位于境內的有7座，分別為張集礦、顧橋礦、顧北礦、丁集礦、新集一礦、新集三礦、楊村礦；主礦井位于縣境外的有2座，分別為新集二礦和朱集西礦。

張集礦、顧橋礦、顧北礦等9座礦井均有多層可采煤層，由于各礦可采煤層的厚度和開采深度不同、巖石的硬度和強度不同、生產能力和開采方式不同等，所以各礦開采塌陷的最大深度、塌陷面積及變化趨勢等方面都有很大不同。根據《安徽省鳳臺縣采煤塌陷區產業發展規劃2011～2020年》，2010年底，鳳臺縣境內形成大約92 895畝[注]1畝=666.67 m2。塌陷區，主要涉及岳張集鎮、顧橋鎮、新集鎮、關店鄉、劉集鎮、錢廟鄉、桂集鎮、丁集鎮等8個鄉鎮。截至2020年底，全縣塌陷區面積預計將達到2010年底塌陷面積的2.37倍以上，占全縣總面積的13.4%，占耕地面積的31.9%。

根據塌陷面積三年平均值判斷采空塌陷危險性，超過3萬畝的的岳張集鎮和顧橋鎮為極高易發，塌陷面積在1萬～3萬畝之間的丁集鎮、關店鄉、桂集鎮、新集鎮和楊村鎮為高易發，小于1萬畝的劉集鎮、大興鎮和錢廟鄉和為中易發，其他鄉鎮為低易發。

2.2.2 采空塌陷易損性

考慮數據的可獲性及塌陷危害的可量化性，本文采用塌陷引發的搬遷人數來表征采空塌陷易損性，分為極高易損性、高易損性、中易損性和低易損性四個等級。

鳳臺縣采煤塌陷區所涉及的村莊搬遷戶數和人數情況見圖1，按搬遷人數將鳳臺縣采空塌陷易損性劃分為四檔。超過(包括)2 000人的岳張集鎮、錢廟鄉、桂集鎮、關店鄉、丁集鎮和新集鎮六個鄉鎮為極高易損性；1 300～2 000人的顧橋鎮和大興鎮為高易損性；400～1 300人的劉集鎮和楊村鎮為中易損性；其他鄉鎮為低易損性。

圖1 2011～2015年各鄉鎮因塌陷計劃搬遷戶數和人數(資料來源：《安徽省鳳臺縣采煤塌陷區 產業發展規劃2011～2020年》)

2.2.3 采空塌陷風險性評價

通過上文分析，得出鳳臺縣采空塌陷危險性和易損程度評價結果，見表3。根據采空塌陷危險性和易損程度的組合特征，建立采空塌陷風險的判別矩陣，以取高為原則，得出鳳臺各鄉鎮采空塌陷風險性評價結果(表3)。

表3 采空塌陷危險性、易損性及風險性評價

2.3 水土環境

2.3.1 地下水水質

2015年安徽省水環境監測中心實測淮南市淺層地下水井6眼，監測頻次為2次/年，每次連續監測6個時間段。水質類別評價項目為色度、嗅和味、肉眼可見物、pH值、總硬度、溶解性總固體、揮發酚、高錳酸鹽指數、氨氮、亞硝酸鹽、氟化物、氰化物、六價鉻、銅、鋅、鎘、鉛、砷、汞、硒、鐵、錳、硫酸鹽等共25項。依據《地下水質量標準》(GB/T14848—93)評價，鳳臺縣Ⅰ類、Ⅱ類水占16.7%，Ⅲ類、Ⅳ類水占66.7%，Ⅴ類水占16.6%。主要超標項目為錳、亞硝酸鹽、氮和氨氮。鳳臺境內分布有陳油坊沉陷區、岳張集沉陷區、新集鎮沉陷區、錢廟鄉沉陷區、小葉莊沉陷區等多個沉陷區，水質總體較好，多為Ⅲ類水。

考慮到水質必須多數能達到飲用標準，設置閾值時，優于Ⅲ類水比重為60%～70%為臨界超載，小于60%則為超載，大于70%為可載[10]。據此，判斷地下水水質承載狀態為超載。

2.3.2 土壤質量

土壤環境質量主要是對砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎳(Ni)等八種重金屬濃度的評價。因沒有土壤環境質量數據，在本研究中，暫且視其為安全，承載狀態為可載。

綜上，鳳臺縣水土質量承載狀態的評判結果由淺層地下水水質來決定，初步判定為超載。

3 監測預警評價

根據地質環境承載力狀態評價指標體系與評價結果，選取可持續、可量化、可獲取的指標建立監測指標體系(表4)。采空塌陷監測采空塌陷引起的土地損毀和直接經濟損失；地下水水質和土壤質量監測其環境質量變化趨勢；依據行業標準、監測制度等獲取監測數據；基于各要素的動態變化特征，確定監測周期。

由各監測指標的變化趨勢，結合前面相應指標地質環境承載狀態的評價，進行矩陣判定(判定原則見表5)，得出地質環境承載力預警等級。

表4 鳳臺縣地質環境承載力監測指標

表5 地質環境預警等級判定原則

3.1 采空塌陷預警等級判定

3.1.1 因采空塌陷損毀土地面積

根據《安徽省鳳臺縣采煤塌陷區產業發展規劃(2011～2020年)》，預測2010～2020年采空塌陷面積呈上升趨勢，預計2020年采空塌陷面積達14 702 hm2。由于開采時限、技術進步等原因，各鄉鎮采煤塌陷區面積2014年與2015年、2016年與2017年變化情況見圖2。其中，不再塌陷或塌陷減少的鄉鎮為變優，如，新集鎮、岳張集鎮、顧橋鎮、丁集鎮、關店鄉、大興鎮、劉集鎮、古店鄉；塌陷加重的鄉鎮為變劣，如，桂集鎮、錢廟鄉、楊村鎮；其他沒有塌陷為穩定。

3.1.2 因采空塌陷直接經濟損失

考慮數據的可獲性及塌陷危害的可量化性，采用單位受損面積搬遷人口數量表征采空塌陷造成的經濟損失。2010～2020年單位受損面積搬遷人口數量總體呈上升趨勢，2016～2017年，出現一個激增的態勢。2017年單位受損面積搬遷人口數量將達1 138人/km2(圖3)。

圖2 采煤塌陷區2014年與2015年、2016年與 2017年塌陷面積情況對比

圖3 2010～2020年采空塌陷面積變化情況及 單位采空塌陷面積計劃搬遷人數

同時，《安徽省鳳臺縣采煤塌陷區產業發展規劃(2011～2020年)》對采空塌陷區域進行了產業規劃，2020年將充分利用塌陷區面積的76%，發展水庫生態景觀、水產養殖、水禽養殖、水上娛樂等約10種產業形態，有效解決了采空塌陷對土地造成破壞及對經濟帶來的損失，并積極創造經濟效益、社會效益及生態效益等。

據上文分析內容，分別判定各鄉鎮的采空塌陷風險性變化趨勢，見表6；結合前面評價章節中對采空塌陷風險性的評價結果，進行采空塌陷預警等級判定，見圖4。

3.2 水土質量預警等級判定

據2011年鳳臺縣地下水資源調查評價[11]，獲得鳳臺縣地下水背景數據，地下水質量總體一般，Ⅱ～Ⅲ類水，占75.2%，分布于大部分地段；Ⅳ～Ⅴ類水，占 24.8%，主要分布在南部張集—新集礦區。將優于Ⅲ類水的面積占比的現狀數據與背景數據進行比對，其變化趨勢為變劣。

表6 鳳臺縣地質環境承載力預警等級判定

圖4 鳳臺縣地質環境承載力預警等級

根據水土質量承載狀態評價結果及2011～2014年的水土質量的變化趨勢，對照預警等級判斷原則，判斷鳳臺縣地下水質量承載力預警等級為紅色巨警。

4 結論與對策建議

4.1 結論

1) 采煤引起的塌陷破壞土地和環境。鳳臺縣煤炭貯存量豐富，是“兩淮煤礦”的主要產煤區，長期的煤炭開采形成大片塌陷區，造成了嚴峻的資源環境問題，如山裂地凹、矸石成堆、河道污染、道路沉陷、基礎設施破壞。采煤沉陷造成地表土壤松散、土質惡化、水土流失嚴重；采煤沉陷范圍大、程度深、影響面廣，且沉陷影響時間長，通常需經過一定時間才能到達穩定期；且沉陷發生區域往往人口密集，有較頻繁的人類活動，對當地村民的人身財產安全構成隱患，造成的經濟損失比較大。根據不同鄉鎮煤礦分布、煤礦投產日期、礦井的開采方式、生產能力、巖石的硬度和強度等影響因素的不同，造成地面塌陷的最大深度、塌陷面積及變化趨勢等方面都有很大不同，所以說不同鄉鎮礦山地質環境承載狀態不同。

2) 水環境堪憂。其一，鳳臺縣水資源缺乏，人均水資源量較低，僅為335 m3/(年·人)，相當于全國平均水平的16%，而人均用水需求量在520 m3/(年·人)；其二，境內工農業用水耗水量大，尤其是農業耕種灌溉用水量占全縣總用水量比重較大；其三，鳳臺縣處于淮河中游，上游來水水質不佳，境內有機污染較為嚴重，豐水期水質一般達Ⅲ類、Ⅳ類，平、枯水期為V類水；其四，煤礦開采、化工等工業在迅速發展的同時，清潔高效的生產方式并未得到大規模應用，一方面增大了水資源需求量，另一方面還加大了對水環境的壓力，造成地表水和地下水水質環境惡化，煤礦礦井水的排放、煤及煤矸石沖淋及煤塵、農藥、化肥、其他固體廢棄物等導致地表及地下水不同程度污染。

4.2 對策建議

1) 加強礦山地質環境調查評價與監測預警管理。加強礦山地質環境承載力研究，建立地質環境調查評價體系、監測預警體系、綜合防治體系和應急響應體系。推廣應用衛星遙感等先進技術，建立地質環境巡查和督察常態化機制，根據需要加強監測點布設與數據采集。加強分析會商，精準判斷承載力變化誘因，提高預警預報水平和地質災害防治能力。建立預警響應機制，保持信息傳遞渠道暢通，充分利用廣播、電話、手機等有效渠道，保證地災預報預警信息及時、快速傳遞到縣、鄉、村、組防災責任人、群測群防監測員和受地質災害威脅的群眾和單位，不斷提高預報的覆蓋率。建立應急工作機制和應急專家隊伍，確保災害發生時能夠有序、高效地開展應急救援工作，強化警情處理的時效性。完善礦山地質環境調查、評價、監測、治理技術標準體系，規范承載力評價與監測預警結果，對超載區域做出調控和管制。

2) 加快推動塌陷區綜合治理，促進塌陷區可持續發展。明確采煤企業責任，對企業因煤炭開采造成的后果將依法追究企業負責人責任，確保塌陷區群眾生命財產安全。按照“誰造成塌陷，誰負責治理”的原則，采煤企業應該率先主動介入塌陷區綜合治理工作，與政府共同制定相關的綜合治理獎勵扶持政策、措施，逐步實現煤炭資源開采與采煤塌陷綜合治理協調共進，邊開采邊治理的模式。鼓勵第三方治理。采取“責任者付費，專業化治理”的方式，發揮礦山企業主動性和第三方治理企業活力，提高治理效率和質量。引進民間資本，動員和鼓勵企業和個人進入塌陷區的綜合治理，建立沉陷區投融資平臺，拓寬資金渠道，降低治理成本，加快綜合治理工作。推動保護式開采。加快推廣先進適用的開采技術，減輕礦產資源開發對地質環境的破壞。治理和利用相結合。全面、科學地利用好塌陷區資源，塌陷區實施產業發展的同時，做好塌陷區生態環境的保護、修復與重構，促進塌陷區可持續發展。

3) 加強水土質量監測與利用管理。加強地下水監測網絡建設，不斷完善水環境監測體系，結合國家對淮河的治理，加大監測點布設與治理力度，有效保護水資源。對現有多部門建設的監測網絡進行有效集成，建立數據共享平臺。對重點污染地區進行重點監測，系統掌握地下水水質、水量和地下水環境變化的動態特征，為地下水的開發利用和保護提供科學依據。加強地下水資源的保護和管理，完善水功能區監督管理。嚴格控制地下水開采量。加大地下水污染的防治，嚴格排污管控，杜絕水源污染。推廣節水技術、科學用水模式，提高工農業用水效率。加大污水處理力度，提升污水回收利用率，鼓勵水質凈化企業的發展，保障人民群眾用水安全。土壤和水體密不可分，加強水質監測和防護的同時，也要重視土壤環境的監測與維護。加大土壤污染的監測、研究，并采取有效措施給予治理和維護。