基于多指標的廣西鋁土礦儲備礦產地開采優勢評價

劉得輝 ，王永志 ,，梁標志 ，霍雨佳 ，高旭 ，孟祥卉

（1.吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林 長春 130026；2.吉林大學綜合信息礦產預測研究所，吉林 長春 130026；3.廣西壯族自治區地質調查院，廣西 南寧 530023）

國家經濟發展離不開礦產資源的支撐[1]，各種礦產資源的有效利用與合理開采對我國經濟發展至關重要[2]，戰略性礦產資源更具有難以替代的作用。美國、日本等發達國家已建立較完善的礦產資源戰略儲備評價體系[3]。我國也陸續開展了戰略性礦產資源綜合利用探索研究[4-5]，礦產儲備的戰略定位和意義逐漸清晰[6]，可根據急缺礦種及國際形勢進行全面儲備研究[7]。

為保證社會經濟可持續發展，有效應對突發事件，保障經濟及國防安全，制定國家礦產資源戰略儲備迫在眉睫[8]。國務院批復的《礦產地儲備工程實施方案》通過確立儲備目標靶區、明確儲備方式，旨在形成全國礦產地儲備規劃布局[9]。中國地質調查局實施的“全國戰略性礦產資源儲備調查與評價”項目，探索了國家層面的礦產資源儲備規劃方法。2017-2020年已完成新疆、西藏、內蒙古、甘肅、廣西、江西等13個省(自治區)的戰略性礦產資源儲備調查與評價工作，初步建立符合我國基本國情的戰略性礦產資源儲備體系。

礦產地儲備作為戰略儲備的一種形式，可以保證礦產資源的持續供應[10]、穩定和調節市場平衡、抗御金融風險[11]，還能保障國家安全和國民經濟的可持續發展[3,6,12]。儲備礦產地的規模、布局和結構隨著國內外經濟政治局勢、礦產資源形勢以及地理位置等因素的變化而調整[13]。在礦產資源供應平衡或資源利用格局發生變化時，應有序對儲備的礦產地開發使用，但當前仍采用傳統的定性方法決定對某個礦產地進行開發利用，尚無定量化的儲備礦產地開采適用評價方法。本文基于多指標決策(MCDM)框架[14-16]，利用層次分析法(AHP)創建儲備礦產地開采評價體系，采用ArcGIS軟件的空間分析與挖掘方法，加權疊加分析研究區內各鋁土礦儲備礦產地的開采優勢度，為礦產資源開發利用提供科學依據，對實現礦產資源的可持續發展及提高礦產資源經濟效益具有重要作用。

1 研究區及數據集

1.1 研究區概況

廣西鋁土礦主要分布于桂西、桂西南和桂中地區，桂西-黔西南-滇東南北部(右江地槽)成礦帶及湘中-桂中北成礦帶，礦床類型主要為風化堆積型及沉積型。礦產資源開發時間較晚，上世紀70年代才在已查明資源儲量的平果縣那豆等地開始小型鋁礦山開采，每年出口熟鋁礬土礦石3～5萬t，部分留作金剛砂等磨料加工的原材料，礦產資源的有效利用較低。廣西鋁土礦自80年代才作為提煉金屬才取得大規模的顯著開發和利用。

空間區域選擇南寧市的賓陽縣、橫縣，貴港市的港北區、港南區、覃塘區，來賓市的興賓區、武宣縣，共計7個相鄰的市級空間區域作為研究區。區內分布8個鋁土礦儲備礦產地（圖1a）。

圖1 研究區及路網緩沖區分布Fig.1 Distribution of the study area and the road network buffer zone

根據廣西省鋁土礦的成礦特征，該礦種的儲備礦產地優選標準是具有中型及以上資源儲量的鋁土礦的礦床。通過系統分析廣西鋁土礦勘查成果，初步篩選出大圩、六相、校椅、石塘、云表-長寨、石牙、稔竹-王靈、三里-大嶺等8個鋁土礦儲備礦產地，累計查明(保有)鋁土礦資源量共約3.04億t[17]。

1.2 數據集

研究使用的儲備礦產地、礦業權等數據取自中國地質調查項目“全國戰略性礦產資源儲備調查與評價”的廣西壯族自治區成果數據(梁標志等，2021)。將MapGIS格式原始文件轉為對應ArcGIS文件；人口、GDP數據從2021年廣西壯族自治區統計年鑒及區域統計年鑒獲取，并計算研究區各縣域的人均GDP；路網數據從OpenStreetMap官網(https://www.openstreetmap.org)下載，并計算研究區路網密度；廣西壯族自治區30 m分辨率數字高程模型(DEM)數據取自地球系統科學數據共享網(http://www.geodata.cn)；坡度由廣西壯族自治區30 m分辨率DEM計算得到；土地利用類型來自ESRI用深度學習從10 m哨兵影像數據的提取(https://esri.maps.arcgis.com)。

2 評價方法及體系

2.1 評價方法

采用層次分析法(AHP)和GIS空間分析(SA)進行綜合評價，AHP主要將目標分解為多指標的定性和定量分析，SA對地理空間目標進行形態結構分類后，對目標空間關系和行為進行描述，為進一步空間決策提供服務的功能體系。AHP和GIS空間分析相結合廣泛應用于選址決策、適宜性綜合評價、地質災害分析等領域，用于礦產資源開采優勢評價將為開采優勢度提供量化決策依據。

礦產資源開采活動處于不斷發展的動態過程[18]，不同條件下礦產開采優勢差異較大，單一因素分析難以客觀判斷礦產地的開采優勢情況，多種指標綜合評價礦產資源開采優勢度將更為科學[2,19]。以研究區的交通運輸及供電條件、社會經濟及資源狀況、地形條件、土地條件和礦床開采技術條件及地質特征等建立評價體系，結合禁采區、開采成本、礦政管理等多種因素，綜合考慮各鋁土礦的儲備礦產地整體開采優勢。根據各評價因子對儲備礦產地開采優勢的影響程度劃分不同等級，各等級開采優勢的貢獻度具有一定差異性（如禁采區內評價因子的儲備優勢為0）。結合各因素對實際礦產資源開采的影響程度及價值，利用AHP法對所有評價準則進行兩兩重要性對比，建立比較矩陣，經矩陣運算求得準則權重[20]；采用GIS空間分析加權疊加多個評價指標，計算得到各儲備礦產地的開采優勢度。

2.2 構建評價體系

2.2.1 評價因素

(1)交通運輸與供電

路網因素作為礦產資源開采優勢評價的重要指標之一，是礦產品、原材料等運輸通道，以鐵路、高速公路以及一級公路、二級公路等為主。交通便利區域將有助于礦產資源的運輸，依路網數據計算路網密度(圖1b)，路網密度越大，交通優勢越高，運輸能力越強[21]，利于降低礦產開采成本。按鐵路、公路的運輸影響程度做不同緩沖區，對主要公路分別做1、5、10、15 km的緩沖區(圖1c)，鐵路則生成5、10、20、35 km的緩沖區(圖1d)。根據鐵路和公路安全保護條例及礦產資源法規定，將距鐵路1 km和高速公路300 m范圍劃為礦產開采活動禁采區域。在道路禁采區以外，離道路越近其運輸能力越強，交通運輸優勢越高，反之越低。

供電條件對礦產開采有著重要的影響，開采設備運轉及企業運營均需要電力支持。充足供電是礦產資源順利開采的保障。反之，將一定程度上限制礦產開采。本研究區各儲備礦產地供電條件充足。

(2)地形

地形因素主要包括高程(圖2a)和坡度(圖2b)。不同地形環境對開采活動的影響程度不同。地形坡度越大，礦產開采誘發山體滑坡和礦山坍塌等地質災害的可能性越高，生態環境越容易遭到破壞，礦產開采的安全風險越高。同時，隨露天開采的剝采比增高，引發災害風險較大；在坡度較小且開采有利區，其風險系數較低。坡度、剝采比等相同條件下，海拔越高對開采設備和開采技術要求更高，費用將越大，可能降低礦產開采經濟效益。

圖2 DEM及坡度分布Fig.2 DEM and slope distribution

(3)土地

土地因素主要包括土地利用類型、水系、建筑用地等。礦產資源開采活動對周圍環境具有一定程度影響和破壞，為保證生態環境穩定以及安全，將部分土地區域劃為禁采區；距鐵路1 km和高速公路及一級公路300 m范圍內劃為道路禁采區；將河流和水庫劃為水系禁采區；將以上區域構成礦產開采的禁采區(圖3b)。建筑用地屬于禁采區域(圖3a)，特別是城鎮地區因開采活動會對人群日常生活影響較大，故其開采優勢最低；未利用裸地基本無植被覆蓋，開采影響較小，開采優勢最高；草地、灌木等次之。因開采活動需要大量水資源支持，故開采區離地表水系越近對礦產開采越有利。

圖3 土地利用及禁采區分布Fig.3 Distribution of land use and prohibited mining areas

(4)社會經濟與資源儲量

經濟條件主要包括人均GDP(圖4a)和礦產資源儲量(圖4b)。人均GDP越高的礦產資源開采優勢相對較高。礦產資源儲量是開采優勢評價的最重要指標，資源儲量越大其開采經濟價值越大，礦產地開采的優勢越大。單位面積內礦產資源儲量越多其資源集中度越高，越有利于礦產開采，故采用礦產資源集中度作為一個主要的評價指標：

圖4 人均GDP及礦產資源儲量分布Fig.4 Distribution of per capita GDP and mineral resources reserves

式中：ci表 示第i個鋁土礦各儲備礦產地礦產資源集中度，Ri表示第i個鋁土礦儲備礦產地資源儲量，Si表示第i個鋁土礦儲備礦產地面積。

(5)礦床開采技術條件

礦床開采技術條件對礦產資源開采優勢評價影響較大，不同地質條件下開采技術復雜程度不同，主要由水文地質、工程地質和環境地質共同決定礦床開采技術條件類型。研究區內所有礦床的水文地質和工程地質均為簡單類型，因此開采技術條件類型主要由環境地質問題決定，除賓陽縣稔竹-王靈礦區三水鋁土礦環境地質為簡單類型外，其余環境地質均為中等類型，研究區內8個儲備礦產地的開采技術條件類型見表1。

表1 礦床開采技術條件與地質特征Table 1 Technical conditions and geological characteristics of deposit mining

(6)礦床地質特征

礦床規模：研究區內除貴港市三里-大嶺三水鋁土礦為中型礦床外，其余均為超大型礦床(表1)；成礦時代：貴港市大圩三水鋁土礦成礦時代為中上(新)太古界(代)，橫縣石塘礦區三水鋁土礦和橫縣云表-長寨礦區三水鋁土礦成礦時代為泥盆系，橫縣校椅礦區三水鋁土礦、來賓市石牙礦區三水鋁土礦、橫縣六相礦區三水鋁土礦、賓陽縣稔竹-王靈礦區三水鋁土礦和貴港市三里-大嶺三水鋁土礦成礦時代均為第四紀(系)；礦床成因：所有儲備礦產地均為風化礦床，埋藏較淺，礦山生產成本低且經濟效益好；開采類型：各礦區均為露天開采(表1)。因此地形、水系、固定建筑物和路網等對礦產開采的影響較大。

(7)礦政管理

國家對礦產資源勘查實行統一的登記制度，勘查礦產資源必須依法登記，由自然資源部及各省礦產部門管理。研究區內存在采礦權和/或探礦權，表明該區域的礦產資源豐富，故礦政數據亦作為優勢評價的重要指標之一。

2.2.2 確定評價因子體系

為保證評價結果的客觀性和科學性，結合廣西壯族自治區鋁土礦儲備礦產地所處地理位置和礦產資源開采條件等特點，選取了供電條件、資源儲量、坡度、水文地質環境等14個評價因子作為研究區鋁土礦儲備礦產地開采優勢評價因子(表2)，并確定其評價體系和流程(圖5)。

表2 儲備礦產地開采優勢評價體系Table 2 Evaluation system of mining advantage in reserve mineral fields

圖5 開采優勢評價流程Fig.5 Flow chart of mining advantage evaluation

2.2.3 評價因子權重及分級

通過層次分析法(AHP)確定各評價因子的權重值[14,22-24]。由中國地質調查局和廣西地調部門的地質、礦產等領域的專家，根據各評價指標對礦產開采活動影響及開采社會經濟效益和應對突發緊急狀況等程度，對其進行綜合打分評價。根據各專家對各評價因素重要性的打分結果[25]，統計各因素的確切指標數值，建立層次結構并構造判斷矩陣[23](表3)。根據特征向量計算得到最大特征值為5.122，一致性指標CI=0.031。依據CI進行一致性檢驗，得到一致性系數CR=0.027(<小于0.1)，說明判斷矩陣一致性較好[14,24]，權重分配合理。通過層次單元排序及一致性檢驗、總層次排序及一致性檢驗，計算出各因子的二級指標層權重(表4)。

表3 一級指標判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of primary indicators

表4 二級評價指標層權重Table 4 Weights of secondary evaluation index layers

2.2.4 開采優勢評價指標分級

根據評價因子對儲備礦產地開采優勢的影響程度進行等級劃分。評價因子的分級和量化參考地質專家建議和國內外相關研究成果[14]，各開采優勢評價指標層劃分為不同等級(表5)。

表5 儲備礦產地開采優勢評價指標分級Table 5 Grading of evaluation indicators for mining advantages of reserve mineral fields

3 儲備礦產地開采優勢結果分析

研究區鋁土礦儲備礦產地的開采優勢評價主要通過對多個評價因子的綜合計算，即對各評價指標要素進行加權疊加分析[14]：

S表示儲備礦產地開采優勢初步綜合得分，Wi表示第i個因素的綜合權重，Ai表 示第i個因素的分級分值，n表示參評因子數。

通過對各評價因素的分析，結合道路水系等禁采區、資源儲量及礦業權等進行空間分析，計算得到各鋁土礦儲備礦產地的開采優勢量化結果。因某個儲備礦產地各因素對開采活動影響具有一定差異性，將導致同一儲備礦產地的不同區域可能出現不同的開采優勢度(圖6a)。為了獲取每個儲備礦產地整體開采優勢結果，利用公式(2)和(3)對不同綜合得分柵格進行計算，可獲得整體開采優勢度結果。稔竹-王靈礦區三水鋁土礦(圖6b)的初步綜合得分別為6、7、8，柵格數分別為40、151、6，柵格總數為197，經公式(3)、(4)計算得到開采優勢度初步評價結果H為4.78107(表6)。

表6 儲備礦產地開采優勢評價結果Table 6 Evaluation results of mining advantages of reserve ore producing area

圖6 儲備礦產地初步評價綜合得分柵格分布Fig.6 Raster distribution of comprehensive score for preliminary evaluation of reserve mineral fields

式中：hi表示第i個鋁土礦儲備礦產地開采初步優勢結果，Nis表示第i個鋁土礦儲備礦產地初步評價綜合得分為S的柵格數，Mi表示第i個鋁土礦儲備礦產地柵格總數，Si表示第i個鋁土礦儲備礦產地開采優勢初步綜合得分，n表示儲備礦產地個數。

利用公式(4)計算得到最終開采優勢度(表6)，式中賦權重W1=0.7、W2=0.2、W3=0.1，目的是控制各因子結果的范圍大小，不影響評價結果的優勢關系。在表6中H表示礦產初步開采優勢度；C表示礦產資源集中度，集中度越高開采優勢越高；D表示鋁土礦儲備礦產地完整性。儲備礦產地被禁采區分割為不同大小的地區，被劃分的越分散其完整性越低，越不利于礦產資源開采，增加了開采成本(將提高管理成本、運輸費用等)，從而一定程度上會降低礦產資源的利用效益等。

R表示鋁土礦儲備礦產地開采優勢度，Hi表示第i個鋁土礦儲備礦產地初步評價優勢結果，Ci表示第i個鋁土礦儲備礦產地礦產資源集中度，Di表示第i個鋁土礦儲備礦產地分散度，ni表示第i個鋁土礦儲備礦產地被路網等劃分成多個小區域的個數。

根據以上方法，計算得到研究區鋁土礦儲備礦產地的開采優勢結果（圖7）。開采優勢度值域為0.3922～4.0328，校椅礦區三水鋁土礦開采優勢度最高(4.0328)，第二為大圩三水鋁土礦開采優勢度(4.61867)，三里-大嶺三水鋁土礦開采優勢度(0.3299)最低。由表6可知，研究區開采優勢度H的范圍為3.86442～4.8111；礦產資源集中度C的取值范圍為2.7777～17.0179；儲備礦產地整體性D的值域為0.01～0.1。

圖7 開采優勢度分布Fig.7 Mining dominance distribution

道路和水系等禁采區對儲備礦產地的完整性影響較大。賓陽縣稔竹-王靈礦區三水鋁土礦儲備礦產地(圖6b)初步評價結果為4.78107，其開采優勢較大，但由于被禁采區分割為多個面積不等的區域，計算后完整性較低(0.01)，一定程度上增加開采成本，故其最終開采優勢度較低(僅0.444)。礦產資源集中度對最終評價影響較大，對最終評價結果影響明顯。貴港市三里-大嶺三水鋁土礦其初步評價結果(4.70603)和完整性(0.03)都為中等，由于其礦產資源集中度最低(僅2.7777)，最終開采優勢結果亦最低(僅0.3922)。

對計算結果分析可知，8個儲備礦產地的開采優勢度整體相差較小，但與實際開采及利用吻合度較高。石塘礦區三水鋁土礦的初步評價結果最低(3.86442)，分析可知主要原因是受資源儲量、地形、路網等因素影響導致。石塘礦區三水鋁土礦儲備礦產地位于山地區域，坡度大多在20～30°之間，路網密度低，距離鐵路和主要道路較遠，交通運輸能力弱，且資源儲量低，小于2384萬 t，導致其初步評價結果最低。結合其儲備礦產地的完整性(0.1)和資源集中度(7.7965)計算得到最終開采優勢度結果為3.0129，排在第三位。

4 結 論

(1)根據廣西鋁土礦時空分布與成礦規律，構建依據交通、地形、礦床地質特征和礦產資源儲量等14個評價因子的指標體系和模型，建立了一套多方面多角度的快速定量化評價儲備礦產地開采優勢方法。

(2)利用AHP確定各評價指標的權重，采用加權疊加模型計算獲得各儲備礦產地的開采優勢度，評價結果與實際情況總體吻合效果好，證明該量化評價方法可行且具有較高的可信度，在應對突發狀況時可根據其評價結果和需求程度進行有序開采，有益于戰略性礦產資源的高效利用。

(3)此研究為廣西壯族自治區鋁土礦儲備礦產地未來開采提供科學支撐，為該地區礦產資源開發利用規劃、統籌地方經濟發展提供決策依據，同時也為其他礦產資源開采提供了一定參考價值，將有助于提高礦產資源的經濟效益。