基于GIS 的青海玉樹(shù)地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究

解立棟，劉 歡

（1.青海省水文地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008；2.青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810008）

礦產(chǎn)資源作為人類社會(huì)中不可或缺的能源，長(zhǎng)期以來(lái)一直是人類賴以生存和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。青海省作為礦產(chǎn)資源大省，其有著十分豐富的自然資源，迄今為止在青海發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)地超過(guò)一千五百處，其中玉樹(shù)為青海省主要礦產(chǎn)地之一，礦種多，門類全，儲(chǔ)量豐富。然而，由于受到認(rèn)識(shí)的局限性以及青海省的地質(zhì)條件等原因的影響，在對(duì)礦產(chǎn)資源進(jìn)行大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用的同時(shí)，也為礦山環(huán)境帶來(lái)了大量的問(wèn)題，對(duì)該地區(qū)礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成了一定程度上的制約。受本區(qū)自然地質(zhì)條件以及礦山開(kāi)采產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)的影響，礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)及防治工作是礦山開(kāi)發(fā)工作中的一大難題。本文應(yīng)用GIS 技術(shù)對(duì)青海玉樹(shù)地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究，通過(guò)對(duì)青海玉樹(shù)地區(qū)能源礦產(chǎn)資源集中開(kāi)采區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查，探清區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題及其成因，進(jìn)而進(jìn)一步推測(cè)其可能造成的危害，分析區(qū)域地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題可能帶來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害，為礦山地質(zhì)環(huán)境的管理提供理論依據(jù)，為礦山地質(zhì)災(zāi)害的避免提供參考，研究結(jié)果對(duì)礦產(chǎn)資源的合理開(kāi)發(fā)利用以及礦山地質(zhì)災(zāi)害的防治有著一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 青海玉樹(shù)礦山地質(zhì)環(huán)境背景

青海玉樹(shù)地區(qū)位于我國(guó)西南“三江”構(gòu)造帶北段，處于青藏高原碰撞造山帶東北部，是滇藏地區(qū)的一部分，屬于東特提斯地質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)[2]。研究區(qū)處于唐古拉—昌都陸塊內(nèi)部幾個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元的交界部位，不同構(gòu)造單元在此交切，各級(jí)分界斷裂在此交會(huì)，造成區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育。青海玉樹(shù)地區(qū)位于青藏高原的高原面上，整體以高山、峽谷和山原為主，其地勢(shì)西北和中部高，東南和東部低，平均海拔較高，境內(nèi)高海拔山峰眾多，大部分終年積雪。區(qū)內(nèi)地層由于經(jīng)受了復(fù)雜的造山運(yùn)動(dòng)的改造，形成一系列緊密線型褶皺、表層寬展型褶皺。礦區(qū)的斷裂構(gòu)造主要為北西-南東向及北北東向兩組。其中前者與區(qū)域主構(gòu)造方向一致，為一條順層韌性剪切帶，帶寬300m～500m，傾向北東，控制火山巖帶的空間展布。后者則為后期構(gòu)造，切割火山巖帶，并對(duì)礦體起到一定的破壞作用，但由于斷層規(guī)模不大，破壞影響較小。

2 研究區(qū)礦山地質(zhì)問(wèn)題及其影響因素

2.1 礦山地質(zhì)主要存在的問(wèn)題

由于礦山開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題主要表現(xiàn)在四個(gè)方面。一是礦山開(kāi)發(fā)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，使山體產(chǎn)生開(kāi)裂、滑坡、泥石流等問(wèn)題；二是礦山開(kāi)發(fā)破壞地下含水層，使土壤和水環(huán)境遭到污染；三是地表植被破壞嚴(yán)重，水土流失加劇，造成山體破損、基巖裸露；四是煤礦的開(kāi)采引起地面塌陷，破壞土地資源。

2.2 影響礦山地質(zhì)的主要因素分析

導(dǎo)致礦山地質(zhì)災(zāi)害的自然因素主要包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)、礦產(chǎn)資源的分布情況、工程地質(zhì)特性等。研究區(qū)內(nèi)由于受到長(zhǎng)期開(kāi)采的影響，自然生態(tài)環(huán)境條件較脆弱。礦山地質(zhì)主要存在的災(zāi)害包括礦區(qū)積存廢礦渣數(shù)量巨大，礦渣型泥石流災(zāi)害隱患嚴(yán)重；采空區(qū)引發(fā)的山體崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患嚴(yán)重；含水層疏干破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致地下水外泄，水位下降嚴(yán)重，水土流失嚴(yán)重。

煤礦地下開(kāi)采會(huì)引起的地面塌陷等礦山地質(zhì)災(zāi)害，其中以采空塌陷尤為嚴(yán)重。從調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析得知，影響青海玉樹(shù)地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害的主要問(wèn)題是采空區(qū)塌陷。

3 基于GIS的研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃設(shè)計(jì)

GIS 技術(shù)能夠很好地展現(xiàn)地理空間分析算法[3]，為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析提供較好的技術(shù)支持。本研究以礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析為核心，引入開(kāi)源GIS 軟件作為技術(shù)支撐。

3.1 設(shè)計(jì)礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分模型

影響礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果的因素眾多，在對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究時(shí)，建立風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分模型，選用正確的劃分方法，遵循實(shí)用性、相對(duì)獨(dú)立性等原則，保證結(jié)果的科學(xué)性與客觀性。

由前文分析得知，青海玉樹(shù)地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題的特征和強(qiáng)度與礦山地質(zhì)環(huán)境背景和礦山開(kāi)發(fā)強(qiáng)度是密切相關(guān)的。因此根據(jù)上述指標(biāo)選取的原則，結(jié)合青海玉樹(shù)地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景特點(diǎn)及調(diào)查統(tǒng)計(jì)情況，結(jié)合造成青海玉樹(shù)地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害的原因，建立青海玉樹(shù)地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。

采用綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)青海玉樹(shù)地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)。首先為制作地質(zhì)災(zāi)害因素圖，再加權(quán)求和，按一定的分割方法對(duì)綜合指數(shù)進(jìn)行分割，以達(dá)到分區(qū)目的。其計(jì)算公式如下：

式中：S—綜合指數(shù)；Fij—影響因素及分類，其中i 表示影響因子的數(shù)量，j 表示影響因子的分類數(shù)量。通過(guò)該模型可以完成對(duì)青海玉樹(shù)地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分。

3.2 礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分

青海玉樹(shù)地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害主要包括崩塌-滑坡、泥石流、巖溶塌陷、地面沉降、采空塌陷和地震液化等，采礦活動(dòng)、地形地貌、道路建設(shè)、降水量、地質(zhì)環(huán)境條件等因子是主要影響因素。

根據(jù)上述青海玉樹(shù)地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素，對(duì)該地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分計(jì)算。除地面沉降外，其它地質(zhì)災(zāi)害土地資源風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖是以地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃圖、地質(zhì)災(zāi)害土地資源綜合易損性區(qū)劃圖與土地資源價(jià)值密度區(qū)劃圖為基礎(chǔ)，采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)原理，結(jié)合青海玉樹(shù)地區(qū)的實(shí)際地質(zhì)狀況，疊加生成青海玉樹(shù)地區(qū)各個(gè)單災(zāi)種地質(zhì)災(zāi)害土地資源風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。其疊加公式如下：

式中：R—土地資源風(fēng)險(xiǎn)，萬(wàn)元/a；P—地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率；V—土地資源綜合易損性；W—土地資源總價(jià)值。

由于采空塌陷為青海玉樹(shù)地區(qū)礦山地質(zhì)的主要災(zāi)害，為此計(jì)算該地區(qū)地面沉降風(fēng)險(xiǎn)。地面沉降對(duì)土地資源造成的直接損失主要體現(xiàn)在地面標(biāo)高損失，主要是對(duì)城區(qū)、重要交通干線、重要工程的標(biāo)高損失，風(fēng)險(xiǎn)按修復(fù)成本法計(jì)算，即它等于人工填土夯筑使地面恢復(fù)到地面沉降發(fā)生前的標(biāo)高所需的費(fèi)用，計(jì)算公式如下：

式中：S—某鄉(xiāng)鎮(zhèn)城區(qū)、重要交通干線、重要工程的占地面積，m2；Vm—地面沉降平均速率，m/a；Jd：人工填土夯筑單價(jià)，元/m3。

最后對(duì)地質(zhì)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算，即崩塌-滑坡、泥石流、巖溶塌陷、地面沉降、采空塌陷和地震液化等風(fēng)險(xiǎn)疊加，疊加公式如下：

式中：Rq：地質(zhì)災(zāi)害土地資源綜合風(fēng)險(xiǎn)；Rqi：某類地質(zhì)災(zāi)害土地資源風(fēng)險(xiǎn)。

按公式（2）、（3）、（4）對(duì)青海玉樹(shù)地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害可能造成的風(fēng)險(xiǎn)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，得到該地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分的結(jié)果。

3.3 與傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分方式的對(duì)比

由于青海玉樹(shù)地區(qū)處于地震帶上，且其礦山地質(zhì)的主要災(zāi)害為采空塌陷，因此以采空塌陷以及地震液化作為對(duì)比目標(biāo)，以采空塌陷、地震液化造成的經(jīng)濟(jì)損失，即物質(zhì)財(cái)富風(fēng)險(xiǎn)作為區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，將傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分的方法與本文風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分的方法進(jìn)行對(duì)比。采空塌陷及地震液化物質(zhì)財(cái)富風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 采空塌陷及地震液化物質(zhì)財(cái)富風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)物質(zhì)財(cái)富風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)能夠確定青海玉樹(shù)地區(qū)采空塌陷及地震液化的物質(zhì)財(cái)富風(fēng)險(xiǎn)曲線的分布規(guī)律。本文使用的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分模型以及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分方法不僅能夠完成對(duì)于礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究，滿足地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的要求，而且顯著優(yōu)于傳統(tǒng)對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的劃分方式，得到的結(jié)果更準(zhǔn)確，其數(shù)據(jù)更有說(shuō)服力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以GIS 技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)青海玉樹(shù)地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃進(jìn)行研究，本研究可以從區(qū)域上對(duì)青海玉樹(shù)地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)防，加強(qiáng)減災(zāi)防災(zāi)工作的開(kāi)展與推進(jìn)，能夠在一定程度上保護(hù)當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)青海玉樹(shù)地區(qū)礦山的開(kāi)發(fā)與開(kāi)采。取得的成果可為本地區(qū)礦山的開(kāi)采工作以及其它地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究工作提供一定的參考。