黑河源多金屬礦區地質環境承載力評價

劉 夢，周愛國，補建偉，魏文浩，孫自永

(1.中國地質大學(武漢)機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074； 2.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074； 3.中國地質大學(武漢)地質調查研究院，湖北 武漢 430074)

Geo-environmentalcarryingcapacityassessmentofpolymetallicminingareaintheheadwaterregionsofHeiheriver

LIU Meng1,ZHOU Aiguo2,3,BU Jianwei2,WEI Wenhao3,SUN Ziyong2

(1.School of Mechanical & Electronic Information,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China; 2.School of Environmental Studies,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China; 3.Geological Survey,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China)

Abstract:Headwater region of the Heihe river polymetallic mining area is located in the hinterland of Qilian mountain,with rich mineral resources，but sensitive and fragile geological environment,and assessment on the carrying capacity of geological environment is urgently needed before mineral resources development.Based on the analytic hierarchy process(AHP),seven important environmental constraint factors were selected as the evaluation indexes.The weighted average composite index model was used to evaluate the geological environment carrying capacity of research area.The results show that 7.13% of the geological environment carrying capacity of the area is weak,which is mainly distributed in high altitude of glaciers and mountains,especially watersheds and rivers;64.91% of the regional capacity is relatively strong,distributed at relatively low altitude,low slope of the low mountains,hilly areas,valleys and plain areas;the remaining of the regional capacity is moderate.Annual precipitation and vegetation coverage are the main factors influencing the carrying capacity.This study could provide the basis for the reasonable planning and development,geological environment protection,social economy coordinated development of mineral resources in headwater regions of the Heihe river.Besides,it could provide the method and reference for the study of geological environment carrying capacity in similar mining area.

Keywords：geological environment;carrying capacity;mineral resources exploitation;polymetallic mine;GIS;headwater region of Heihe river

黑河源多金屬礦區地處青藏高原東北部，位于中國第二大內陸河——黑河源頭的徑流形成區，是國際生態水文和全球氣候變化研究的熱點地區[1]。該區還處于祁連山腹地，屬國家級自然保護區，同時也是全國五十個重要生態服務功能區之一，其生物多樣性、水分涵養和環境服務功能不可替代[2-3]。

黑河源多金屬礦區屬典型的半干旱高寒山區，地質環境敏感脆弱。區內礦產資源豐富、礦業活動頻繁，對灌叢、高山草甸、凍土、泥炭沼澤等水文下墊面性狀影響較大，對區域的產、匯流過程和凍土層碳及金屬元素的釋放擾動強烈，從而影響區域的生態水文過程和局部氣候變化[4-6]。為避免產生不良影響，必須將礦產資源開發活動的強度限制在地質環境可承載范圍內。在該區開展地質環境承載力研究不僅具有重要的環境效益、經濟效益和社會效益，還具有較高的國際影響力和關注度[7]。

本文采用層次分析法確定地質環境承載力評價指標體系及權重，基于GIS技術，運用綜合指數模型，對黑河源多金屬礦區在礦產資源開發影響下的原生地質環境承載力進行評價，以期為該區礦產資源的開發和規劃提供科學依據，為祁連山乃至青藏高原類似礦區的地質環境承載力研究和地質環境問題防治提供參考借鑒。

1 研究區概況

黑河源多金屬礦區位于青海省海北州祁連縣境內，西起銀達、東至黃藏寺，是銅、鎘、鉛、鋅、鐵和錳等多金屬的礦集區，總面積約5 037.38 km2。本區海拔2 583～4 819 m，多年平均氣溫-1.2℃，年均降水量382.6 mm，年蒸發量1 364.9 mm，屬典型的半干旱高寒山區氣候[8]。由于氣候惡劣，自然環境復雜，水熱條件差異大，形成了具有明顯垂直梯度和水平差異的多種植被和土壤類型[9]。由于造山運動和強烈的地形切割，本區的地形地貌可分為中部河谷平原區和南北中高山區[10]。

整個礦區位于祁呂賀蘭山字型構造前弧西翼褶皺帶，地處青藏高原6大成礦帶之一的“祁連成礦帶”之中，同時處于青藏高原22個重點礦產資源勘查規劃區之一的“祁連縣-天峻縣煤銅鉛鋅規劃區”內[11]。區內成礦地質條件優越、礦產資源豐富，已發現有色金屬、黑色金屬、貴金屬、非金屬和能源等各類礦產資源41種，已探明資源儲量的就有22種[12]；區內目前共設有礦權26處，是青藏高原當下和未來礦產資源開發的重要區域。

2 評價方法及準備

2.1 地質環境系統的結構分析

地質環境系統是一個龐大且錯綜復雜的綜合系統，其內部物質能量的分布格局、組織形式以及組成要素之間相互作用、相互聯系的方式與秩序一起構成了地質環境系統的結構[13]。而地質環境系統是空間與時間的統一體，因此系統的結構可劃分為空間結構和時間結構。空間結構由系統組成要素的實體形態、組構方面的空間特征(包括其在空間的排列和配置)等組成，又可分為垂直結構和水平結構，且具有明顯的層次性[8](圖1)。據此，根據地質環境系統的層次結構，采用層次分析法來構建承載力的評價指標體系最為適宜。

圖1 地質環境系統空間結構的層次性

2.2 評價指標體系構建

鑒于黑河源多金屬礦區的廣闊性和系統的復雜性，經過問題分析和條件分解，將承載力評價指標體系分為四個層次——目標層、準則層、問題層和指標層，分別對應地質環境中的系統、子系統、次級子系統和構成要素[14]。評價以原生地質環境條件為重點，僅考慮自然環境因素，評價結果所代表的是原生條件下的黑河源多金屬礦區對礦產資源開發活動的適應能力和開發潛力[15]，以便和已開采的礦山地質環境進行對比和驗證，以及對即將開采的礦山地質環境進行分析和預測。

目標層是研究的總體任務和工作目標，即黑河源多金屬礦區的地質環境承載力，準則層是衡量能否達到此目標的各項準則，可理解為研究區地質環境受礦產資源開發影響的表征和歸納，具體體現在生態環境的易損性、水土資源的防污性和地質災害的易發性。這三者從不同的角度體現出礦產資源開發活動對研究區地質環境的影響，以及這種影響反作用于開發活動自身時對其可能的危害程度，三者的結合能夠反映出黑河源多金屬礦區的原生地質環境條件對礦產資源開發的適宜程度[8]。因此，將準則層劃分為三大綜合方面：生態環境、水土環境和地質條件。這三個準則層同時分別對應三大地質環境問題：生態破壞(包括水土流失、土地荒漠化和植被破壞等)、水土污染(包括水體污染和土壤污染)和地質災害(包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷和地裂縫等)。

結合評價指標選取的系統性和普遍性原則、規范性和可比性原則、階段性和精度適應性原則、簡明性和可操作性原則[16]，首先對控制地質環境問題發育、誘發地質環境問題形成的重要環境約束因子進行匯總。這些因子有些物理意義不明確、有些難以獲取、有些相互關聯性較大且精度不統一，在評價過程中可操作性不強。因此，運用地理信息系統的平臺和數理統計的聚類法僅對這些因子進行了優化(圖2)，最終綜合篩選出了7個獨立、物理意義明確且具有代表性的評價指標，分別是年平均氣溫、年平均降雨、地形坡度、土地利用類型、植被覆蓋度、土壤類型和巖層性狀(表1)。

2.3 評價指標量化分級

由于各評價指標的屬性、量綱和衡量尺度差異較大，相互間定量可比性較差。因此，對缺乏定量數據的指標，需要根據它們對評價目標影響的大小，從高到低進行分級，以反映地質環境狀況由優到劣的變化。采用定性描述賦予分值后進行相對比較，分值體現的是指標的相對程度。根據相關規范和標準，參考國內外相關研究成果，結合研究區的實際情況，邀請青海省國土資源廳、青海省水文地質工程地質勘察院、中國地質調查局、四川省地質礦產勘查開發局和中國地質大學(武漢)生態、環境、地質、礦產、遙感等相關領域共十三位專家對評價指標進行等級劃分并打分。最終將評價指標分為五個等級，為方便計算，最高賦值為5，最低賦值為1(表2)。

圖2 重要環境約束因子優化為評價指標的工作程序

表1 黑河源多金屬礦區地質環境承載力評價指標體系

目標層準則層問題層指標層黑河源多金屬礦區地質環境承載力生態環境水土環境地質條件水土流失土地荒漠化植被破壞物種多樣性及生境水體污染土壤污染崩塌滑坡泥石流地面塌陷地裂縫年平均氣溫年平均降雨地形坡度土地利用類型植被覆蓋度土壤類型巖層性狀

2.4 評價指標權重

考慮到研究區范圍較大，過于精細的定權方法不太適用，因此本研究選用較為成熟且適用于宏觀評價的層次分析法來定權[17]：①建立問題的遞階層次結構，包括目標層、問題層和指標層；②確定判斷矩陣，按Satty 1-9標度，每位專家獨立地兩兩比較所有的評價因子后得出各自的判斷矩陣，將每個成員構造的判斷矩陣集中，得到綜合判斷矩陣，并經全體專家討論修改，直至所有專家對綜合判斷矩陣沒有意見為止；③計算權重，根據構造的判斷矩陣，計算指標權重，并要求通過一致性檢驗。

通過對相關領域專家進行問卷調查，匯總專家意見并查閱相關文獻，用MATLAB軟件計算得到判斷矩陣和指標權重，對評價指標進行兩兩比較打分，分別構造判斷矩陣，各判斷矩陣的平均隨機一致性均小于0.1，說明各判斷矩陣均具有一致性，即權重的分配是合理的(表3)。從表3可知，植被覆蓋度和年平均降雨的權重均超過了0.2，可能會是影響研究區地質環境承載力的最主要的因素；其次為巖層性狀、土壤類型和土地利用類型；而年平均氣溫和地形坡度的影響程度相對較小。

表2 黑河源多金屬礦區地質環境承載力評價指標的量化分級標準

表3 黑河源多金屬礦區地質環境承載力評價指標的 權重確定

2.5 評價數學模型

選用基于GIS(geographic information system)技術的加權平均綜合指數模型進行評價。利用GIS技術，可高效地提取和處理地質環境承載力的各個評價指標圖層，并通過加權平均綜合指數計算法則對圖層進行疊置分析[18]，從而得出黑河源多金屬礦區地質環境承載力的指數。加權平均綜合指數模型見下式。

式中：PI為評價單元的綜合指數，即地質環境承載力指數；Wi為評價指標的綜合權重；Pi為評價指標的評分；n為評價指標的個數。

2.6 評價過程

基于ArcGIS軟件，利用矢量數據的疊加分析功能劃分評價單元，然后對評價單元圖層進行編輯及屬性賦值。指標數據有兩類，對于年平均氣溫、年平均降雨、地形坡度、植被覆蓋度這類有插值柵格數據來源的，主要是通過建立系列評價指標柵格集，每個柵格單位依據劃分的等級被賦予一個指定的值，用以描述該柵格所屬的類別、種類和組成，最終在ArcGIS中轉化為矢量數據信息，以字段形式儲存。對于土地利用類型、土壤類型和巖層性狀等分類型指標，主要是搜集遙感解譯資料以及地質背景資料，以矢量數據形式儲存。單要素圖層經過疊置后，自動完成網格剖分，并對每個單元格分配新的ID以及單要素分級指數(圖3～9)。

圖3 研究區年平均氣溫等值線圖

圖4 研究區年平均降雨分布圖

圖5 研究區地形坡度圖

圖6 研究區土地利用類型圖

圖7 研究區植被覆蓋度圖

圖8 研究區土壤類型分布圖

圖9 研究區巖層性狀分布圖

最后在ArcGIS平臺中利用Field Calculator對指定ID單元格進行式(1)的計算，從而得到各評價單元的綜合指數。計算出的值越小，則表示地質環境承載力越低。按照評價指標的分級標準以及評價的數學模型，地質環境承載力的綜合指數是一個具體的數值，對應地將其分為5個級別：極弱(0～1分)、較弱(1～2分)、適中(2～3分)、較強(3～4分)、強(4～5分)。

3 評價結果

評價結果見圖10和表4。由圖4和表4可知，黑河源多金屬礦區內并無地質環境承載力極弱和強的區域，這主要和兩個指標有關：年平均降雨和植被覆蓋度。兩個指標的權重均超過0.2，因此對評價結果有著較為顯著的影響。由于黑河源多金屬礦區年平均降水量為257～448 mm，且空間差異性不明顯，在評價指標量化分級表中屬于三級(200～500 mm)，分值為3分，這在一定程度上提升了全區承載力綜合指數的水平。植被覆蓋度的權重最高，約為0.26，將圖6與圖9對比可知，植被覆蓋度為0%～5%(五級，1分)的區域均不是承載力較強的區域，而植被覆蓋度為30%以上(包括一級5分，二級4分)的區域均為承載力較強的區域，這說明植被覆蓋度越高，地質環境承載力也越強，起到了控制作用。

圖10 黑河源多金屬礦區地質環境承載力評價結果

表4 黑河源多金屬礦區地質環境承載力評價結果統計表

得分承載力面積/km2面積百分數/%0～1極弱001～2較弱359.177.132～3適中1 408.4527.963～4較強3 269.7664.914～5強00

3.1 承載力較弱區域

研究區承載力較弱的區域較少，主要分布于高海拔的冰川、高山(尤其是流域分水嶺)和河流附近，面積合計約359.17 km2，占研究區總面積的7.13%。這些區域海拔高、坡度大，地貌類型以裸地、礫石和基巖為主，年平均氣溫低，植被、土壤和微生物群落不活躍，且常有多年凍土發育，限制了地表水和地下水間的更新和轉化。

該區地質環境極其脆弱，若進行礦產資源的開發，水土環境和生態系統會遭受嚴重破壞，將對小流域下游及整個黑河流域產生不可逆的深遠影響。此區域目前沒有礦業活動，考慮到高原山區氣候環境惡劣，施工難度較大，出于對地質環境保護的考慮，建議在此區域內嚴禁礦產資源的開發。

3.2 承載力適中區域

隨著海拔的降低，地勢逐漸趨于平坦，連續多年凍土轉為不連續或島狀多年凍土，土壤層逐漸增厚，植被覆蓋度逐漸增大，地表水和地下水的徑流、交替和更新速率增大，承載力則隨之升高。研究區承載力等級適中的區域主要分布在兩個區域：從研究區西北部銀達周邊起，經熱水達板，向東南方向近似條帶狀延伸至扎麻什；研究區西南角部分區域。總面積達1 408.45 km2，占研究區的27.96%。

在此區域內不建議進行礦產資源的開發。如要開發，則必須建立生態保護考評機制及生態補償與修復機制，并實行最嚴格的保證金制度和環評制度。建議在此該區域僅進行小型礦業開發，并充分考慮開采對生態環境的影響，控制開采深度、開采強度和開采年限，及時治理開采過程中引發的地質環境問題。

3.3 承載力較強區域

黑河源多金屬礦區內大部分區域地質環境承載力較強，分布在海拔相對較低的中低山區、丘陵區、河谷地帶以及平原地區，主要包括：沿東南至西北走向分布的黑河河谷周圍；西南角科克厄爾周邊區域，總面積達3 269.76 km2，占研究區的64.91%。黑河河谷區域地勢較為平緩，海拔相對較低，植被覆蓋度相對較高；科克厄爾周邊區域的海拔雖然相對扎麻什、野牛溝較高，但總體地勢較為平緩，且植被覆蓋度亦相對較高。

承載力較強的區域較為適宜進行礦產資源開發，但并不代表可以隨意開采。建議此區域進行中、小型礦山開發，同時應保證前期勘查規劃完備，開采全程科學監控，停采后及時治理礦山地質環境問題。

黑河源多金屬礦區地質環境承載力評價以考慮自然環境因素為主，未考慮礦業活動本身(如開采規模、礦種、方式、年限等)對地質環境的影響，評價結果所代表的是原生條件下地質環境的承載力情況，和已存在的礦業活動施加在地質環境系統的影響程度進行對比和驗證，結果是一致和相符的，評價結果比較合理。

4 結論與建議

1) 提取了7個主要環境因子(約束條件)對黑河源多金屬礦區進行地質環境承載力的評價，分別是年平均氣溫、年平均降雨、地形坡度、土地利用類型、植被覆蓋度、土壤類型和巖層性狀。

2) 經評價、計算和統計，黑河源多金屬礦區地質環境承載力較弱的區域為359.17 km2，占研究區總面積的7.13%；承載力適中的區域為1 408.45 km2，占27.96%；承載力較強的區域有3 269.76 km2，占64.91%。評價結果主要受植被覆蓋度和年平均降雨影響。

3) 海拔相對較低、坡度較緩的低山、丘陵和河谷地區地質環境承載力相對較強，而承載力相對較弱的區域主要分布于高海拔的高山、冰川、河道及溝谷深處，其余地區承載力適中。

4) 建議承載力較強的區域進行中小型礦業開發，承載力適中的區域僅進行小型礦業開發，承載力較弱的區域禁止開發。開發過程中應保證科學規劃布局和嚴格監控，對受影響的礦山地質環境及時進行治理和恢復，同時建立健全的生態保護考評機制及生態補償與修復機制，嚴格執行保證金制度和環評制度。

5) 本研究探索了特殊地域、極端氣候條件下大區域地質環境承載力評價的方法和思路，評價結果可為黑河源多金屬礦區的礦產資源開發與規劃提供科學依據，也可為相關研究及應用提供參考和借鑒。