河南省許昌市礦山地質環境分區評價研究

宋高舉，黃繼超，張 公，王 帥

河南省地質礦產勘探開發局第二地質環境調查院,河南 鄭州 450053

0 引言

礦山地質環境影響的綜合評價是在礦山地質環境調查和研究的基礎上，按照一定的評價原則及標準，選用合適的方法，對礦山地質環境質量的優劣做出評判和劃分. 礦山地質環境影響評價可揭示出礦山存在的主要地質環境問題，為相關部門監督、規劃與治理礦山環境地質問題提供參考依據.

礦山地質環境影響的綜合評價可以采用許多種方法，如：加權比較法、地理信息系統圖層疊加分析法、綜合指數法、模糊綜合評判法等［1-7］. 隨著技術不斷成熟，基于RS 和GIS 的礦山地質環境綜合評價越來越多［8-13］. 本次研究結合許昌市礦山地質環境問題，采用GIS 圖層疊加分析法與綜合指數法相結合對許昌市的礦山地質環境進行評價.

1 研究區概況

河南省許昌市礦產資源豐富，是煤炭、鐵礦、鋁土礦、耐火黏土、水泥灰巖、建筑石料灰巖等礦產的重要成礦區. 截至2015 年底，許昌市已發現32 種礦產，查明資源儲量的礦產7 種，礦產地46 處. 其中大型礦床8 處，中型礦床12 處，小型礦床24 處，共有各類持證礦山企業123 家.

根據許昌市礦山開采情況，選擇許昌市礦產資源集中開采區為評價區，坐標范圍為東經113°06′～113°45′，北緯33°42′～34°24′（圖1）. 行政區別包括禹州市西部方山鎮、鳩山鎮、梁北鎮，北部無梁鎮、淺井鎮；襄城縣北部汾陳鎮，南部十里鋪鎮、湛北鄉；建安區靈井鎮. 礦山以開采煤礦、鋁土礦、鐵礦、石灰巖礦為主.

圖1 評價區范圍圖Fig. 1 Scope of the evaluation area1—市界（city boundary）；2—高速公路（highway）；3—水系（water system）；4—評價區（evaluation area）

2 分區評價方法

2.1 分區原則

以各類礦山環境問題的現狀、分布及發展趨勢為依據，以采礦對周邊環境影響程度，兼顧考慮地質環境背景條件，并突出重點為分區原則. 由于影響礦山地質環境的各要素之間相互聯系又相互影響，需要在各單因素評價的基礎上，綜合評價礦山地質環境質量.評價每個要素對礦山地質環境質量影響的同時，結合以往研究資料并根據實際情況予以綜合判定.

2.2 評價單元劃分

進行礦山地質環境綜合評價，首先采用柵格單元法對評價區進行評價單元的劃分. 該方法的優點是可利用GIS 軟件實現單元的快速劃分，同時柵格數據為矩陣形式，可借助計算機實現快速運算，缺點是柵格單元與地形、地貌及地質環境條件信息缺乏有機聯系，為了充分考慮礦山地質問題所形成的地質環境條件，更合理劃分評價單元，筆者利用許昌地區1∶5 萬DEM 數據，在柵格法基礎上引入水文解析法劃分評價單元.

水文解析法首先是對DEM 進行洼地填充，然后依據填充后的DEM 求流向圖，根據流向獲取各單元的累積流量. 設定某一柵格單元的最小匯水單元格數，得到整個區域的集水區. 隨著設定的最小匯水單元格數的增大，能夠得到更大面積的匯水區域. 該方法也可通過設定不相同的最小匯水單元數，開展不同精度的研究. 根據地形特征，匯水區邊界就是分水線，為了找到河谷線，利用反向DEM 進行上述水文匯水分析，將原始的DEM 按照水平線進行反轉，原來的高點變成低點，得出的新匯水邊界就變成河谷線.

在最終得到斜坡單元柵格數據的基礎上，利用GIS 的柵格矢量轉換得到斜坡面域，在此轉換中，會產生一些假的面集和面積很小的面集單元，再通過GIS的融合歸并功能來削除不合理元素，得到柵格評價單元面數據集. 使用這一方法將評價區劃分為2243 個評價單元（圖2）.

圖2 評價單元劃分結果圖Fig. 2 Division result of evaluation unit

2.3 評價體系的建立

評價體系的要素選取和權重職值，在參考已有成果［14-21］的基礎上，結合本次評價的重點，進行了重新構建，以單個礦山或多個礦山的礦區為基本評價單元，將開發礦產資源誘發或加劇礦山環境地質問題的嚴重程度、災害損失以及直接經濟損失3 項作為礦山環境地質問題評價依據.

許昌市礦山地質環境問題的發育特征和發育強度與礦山地質環境背景和礦山開發強度密切相關. 許昌地區煤炭資源量豐富，可采煤層厚度大、易開采，決定了煤礦大規模、高強度開采的特點. 礦山大規模和高強度的開發導致采空區塌陷成為最主要的礦山地質環境問題，同時也造成水資源均衡破壞、植被覆蓋率降低等嚴重的生態環境問題.

結合許昌市的區域地質背景以及礦山環境調查統計情況，選取影響程度較突出的指標進行評價，構建評價體系（表1），主要包括兩個層次：①要素層，區域地質環境背景、資源損毀和地質災害3 個要素；②指標層，每一要素包括若干指標，一個指標又可用一個或若干個因子表征. 區域地質環境背景的指標包括：地形地貌，植被覆蓋，多年平均降水；資源損毀指標包括：土地壓占與破壞，地形地貌景觀破壞，水資源破壞；地質災害指標包括：地面塌陷，地裂縫，崩塌及隱患.

表1 礦山地質環境評價指標體系Table 1 Evaluation index system of mine geological environment

3 評價指標分級與量化取值

根據中國地質調查局2004 年10 月頒行的《區域環境地質調查總則（試行）（DD2004—02）》規定，按地質環境質量指標數值對評價區進行綜合性區域地質環境質量等級分區，分區等級統一規定為地質環境質量好、較好、較差、差4 個等級，以此原則將礦山地質環境的指標因子及礦山地質環境質量等級劃分為好（Ⅰ級）、較好（Ⅱ級）、較差（Ⅲ級）和差（Ⅳ級）4 個等級. 指標因子等級賦值標準及指標加權綜合評價時，由加權評定分值確定相應等級的標準（表2）.

表2 各指標因子等級及其賦值標準和加權評定分值Table 2 Grading of each index factors with assignment standard and weighted evaluation score

本次礦山地質環境影響評價劃分為影響嚴重、影響較嚴重和影響一般3 個等級. 根據這3 個等級的劃分，評價因素的指標界線也分為好、較好、較差3 個等級. 各參評因子評價標準的基準值是根據《區域環境地質調查總則（試行）》（DD2004—02）、《礦山地質環境調查評價規范》（DD2014—05）等相關規范，同時結合研究區實際情況給出的，并考慮到未來的可行性，盡量使其量化，無法量化的將采用經驗判斷或專家打分方法給予賦值，具體見表3.

表3 各評價指標等級分級Table 3 Grading of each evaluation index

3.1 區域地質環境背景的量化

1）坡度指標

利用ArcGIS 平臺從DEM 數據中分別提取評價區的坡度信息，進行歸一化. 由于30°以上斜坡發生崩塌的頻率很高，因此將30°以上斜坡的影響程度定義為1，而10°以下斜坡發生崩塌的頻率則很低，其影響程度定義為0；將10～30°之間斜坡的影響程度，按照不同坡度區間發生崩塌地質現象的概率進行0～1 之間的線性歸一化.

2）植被覆蓋率

利用ArcGIS 平臺從DEM 數據中分別提取評價區的地表曲率信息，然后利用MODIS 遙感數據計算植被指數，將植被覆蓋率小于20%的定義為1，植被覆蓋率大于40%的定義為0，將全區植被覆蓋率進行0～1 之間歸一化差值處理.

3）降雨指標

根據許昌地區的降雨特征，選用降雨不均勻系數來量化降雨因素，將全區降雨不均勻系數進行0～1 之間歸一化差值處理. 降雨不均勻系數是指多年的汛期（7—9 月）平均降雨量與多年的年平均降雨量之比，可以客觀地反映出某一地區降雨的不均勻性，即降雨的集中程度，也就是相對的降雨強度. 降雨不均勻系數越大，說明降雨越集中，相對的降雨強度越大.

3.2 資源損毀的量化

1）土地壓占破壞指標

將影響程度嚴重的定義為1，影響程度較輕的定義為0，將全區土地壓占與破壞進行0～1 之間歸一化差值處理.

2）地形地貌景觀指標

將影響程度嚴重的定義為1，影響程度較輕的定義為0，將全區地形地貌景觀進行0～1 之間歸一化差值處理.

3）地下水含水層破壞指標

將礦井排水量大于10 000 m3/d 定義為1，礦井排水量小于3 000 m3/d 定義為0，將全區含水層破壞進行0～1 之間歸一化差值處理，得到含水層破壞指標歸一化結果.

3.3 地質災害的量化

1）地面塌陷指標

根據地面塌陷影響范圍，將地面塌陷影響面積大于1 km2的定義為1，地面塌陷影響面積小于0.1 km2的定義為0，將全區地面塌陷指標進行0～1 之間歸一化差值處理.

2）地裂縫指標

根據地裂縫的發育長度，將地裂縫長度大于500 m的定義為1，地裂縫長度小于100 m 的定義為0，將全區地裂縫指標進行0～1 之間歸一化差值處理.

3）崩塌及隱患指標

根據崩塌及隱患發育規模，將規模大于10×104m3的定義為1，將規模小于1×104m3的定義為0，將全區崩塌及隱患指標進行0～1 之間歸一化差值處理.

4 評價模型和效果評述

4.1 評價模型

礦山地質環境的綜合評價，需要將礦山地質問題的嚴重程度給予定量綜合評定，本次評價采用要素指標加權分值綜合評價法. 要素指標加權分值綜合評價模型為：

式中，Fj為要素加權分值（j＝Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）；Fi為每一要素中各指標評定分值；Wi為各指標權值；n 為各要素指標個數.

地質環境等級綜合評價模型為：

式中，F0為地質環境綜合加權評價分值；Wj為各要素權值；j 為環境地質問題所含要素；一般n′＝1，2，3，對應于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ要素.

4.2 權值確定

權值是反映不同評價因子相對于某評價觀點的重要性差異，具有明顯的模糊特征. 本次評價采用層次分析法（AHP）確定因子權重值，由此方法計算得出各指標權重見表4.

表4 許昌地區礦山地質環境評價指標權重Table 4 Weights of mine geological environment evaluation index in Xuchang area

4.3 效果評述

將地裂縫、崩塌、地面塌陷等地質災害，土地占用與破壞，地形地貌景觀破壞和水資源破壞等影響礦山地質環境的問題進行單要素分析并在計算機內存儲為一個圖層，應用ArcGIS 圖層疊加分析功能，將所有圖層進行空間疊加，生成新的區域和圖層，對新的圖層根據其內部屬性表的屬性值進行相應的分級，最終得到礦山地質環境綜合評估分區圖.

根據ArcGIS 圖層疊加分析和要素指標加權分值綜合評價兩種方法評價與分析的結果，結合調查地區的實際情況，對許昌地區礦山開發產生的地質環境影響進行了評價（圖3）.

圖3 礦山地質環境影響評價圖Fig. 3 Zoning map of mine geological environment impact evaluation1—礦山地質環境影響嚴重區（seriously-affected mining geological environment）；2—礦山地質環境影響較嚴重區（less seriously-affected mining geological environment）；3—礦山地質環境影響一般區（moderately-affected mining geological environment）；4—影響現狀評價區分界線（boundary of impact evaluation area）

根據上述結果，將礦山地質環境綜合評價圖與礦山開發的環境現狀反復擬合，以礦區相對集中，礦種類似為分區原則，確定分區界線，形成礦山地質環境綜合評價分區. 許昌地區礦山地質環境綜合評價分為3 個區：礦山地質環境影響嚴重區、礦山地質環境影響較嚴重區和礦山地質環境影響一般區.

1）礦山地質環境影響嚴重區（Ⅰ）

在Ⅰ區域內，地形坡度局部較陡，采礦活動相對劇烈，礦山地質環境問題類型較多，如崩塌、地面塌陷、地裂縫、地形地貌景觀破壞、土地資源壓占、含水層破壞等. 對礦山及周邊環境所引起的破壞影響較大，且不易恢復.

涉及的鄉鎮有禹州市淺井鄉東、無梁鎮南、古城鎮南、方山鎮南、磨街鄉北，襄城縣紫云鎮西南、許昌縣靈井鎮泉店村. 總面積約272.82 km2. 地貌上為中低山－丘陵區，海拔400～1150 m，地表出露寒武系、奧陶系、石炭系灰巖、白云巖，二疊系泥巖、砂巖，三疊系砂巖等. 進一步可劃分為7 個亞區（圖3）.

2）礦山地質環境影響較嚴重區（Ⅱ）

該區地形相對較緩，隨著礦山采礦活動的深入，可能出現的礦山地質問題有植被破壞、土地壓占、煤矸石堆積等. 礦山地質環境問題類型單一，程度較嚴重—較輕，故將該區域劃為地質環境影響較嚴重區. 涉及的鄉鎮有禹州市萇莊鎮大部分、淺井鄉北、無梁鎮北、古城鎮西北、方山鎮西、鳩山鎮東南、神垕鎮大部分、三峰山北部一帶，襄城縣南部湛北鄉一帶，許昌縣石固鎮東、長葛市陘山一帶，總面積約420.34 km2，進一步可劃分為9 個亞區（圖3）.

3）礦山地質環境影響一般區（Ⅲ）

除上述以外的其它地區，面積2 246.3 km2，地貌類型主要為沖積平原，地面高程80～130 m，坡降3‰左右，地形平坦，由全新統粉土及黑灰色粉質黏土組成. 此區礦山企業分布較少，礦山地質災害基本不發育，礦山影響程度低.

5 結論

本研究以區域地質環境背景、資源損毀和地質災害為評價要素，通過建立綜合評價指標體系對許昌市礦山地質環境進行分區評價，綜合得出如下結論.

1）采用水文解析的方法，對評價區域進行劃分，比較符合實際地形、地貌、地質環境條件，比傳統的網格剖分更接近天然地質條件，單元格數據處理精度高、速度快.

2）以單個礦山或多個礦山構成的礦區為基本評價單元建立評價指標體系. 礦山環境地質問題的嚴重程度、災害的損失以及直接經濟損失作為分級依據，把區域地質環境背景、資源損毀和地質災害3 個要素進行量化、賦予權重，根據GIS 圖層疊加分析得到評價結果.

3）將礦山地質環境綜合評價圖與礦山開發環境現狀反復擬合，以礦區相對集中，礦種類似為分區原則，確定分區界線，形成礦山地質環境綜合評價分區. 許昌市礦山環境地質綜合評價分為3 個區：礦山地質環境影響嚴重區、礦山地質環境影響較嚴重區和礦山地質環境影響一般區.