礦山地質環境綜合評價研究

李辰罡，王學治，趙騰云，牛瑞鵬

（中冀建勘集團有限公司，河北石家莊 050000）

我國社會主義現代化強國的建設以及工業化、信息化的發展均離不開礦產資源開發，由于對礦產資源的依賴程度較高，往往使得某一礦區開發規模和開發深度較大，從而使該區域產生礦山下陷、垮塌、環境水源污染等較為嚴重的地質問題和環境問題[1-2]。隨著“十八大”提出的加大自然生態環境保護力度，礦區、礦山的地質環境和自然環境恢復成了目前研究的熱點問題，由于全國各地各個礦山開發程度的不同，因此針對礦山地質環境修復的難度也不相同[3]。想有針對性地對各個礦山地質環境進行修復治理的前提是要了解各個礦山受開采造成的地質問題的程度大小[4]，因此需要針對礦山的地質環境做出評價[5]。但在目前的規范和指導文件中，尚未給出明確、有效的礦山地質環境評價體系框架和評價指標。對于礦山地質環境的評價，不少學者嘗試過構建評價體系和評價模型，如，王洋[6]考慮到傳統評價礦山環境的常權模型不能反映礦山內部指標的差異性，因此通過潞安礦區為實例借助變權模糊綜合法對礦山地質環境質量進行評價，并構建了礦區地質環境評價體系，通過與傳統的常權評價法進行對比發現變權模糊綜合模型能更加合理地反映礦山的真實情況，從而具備更高的評價精度。馬偉[7]認為礦山地質評價中的指標權值和評價分級具有加大的主觀性，因此提出了證據權法的礦山環境評價體系，采用GIS提取地質環境評價指標，采用證據權法進行權值計算，并通過贛南稀土礦山進行實際評價分析，結果發現稀土礦山內地質環境差區域主要分布在其東南部和西部，且該方法避免了主觀因素的影響，總體評價結果更為客觀。但由于礦山的種類不同且各地地質環境差異性較大，使得上述的評價體系或評價方法應用范圍較為單一，地域制約性較強，使其不能廣泛地應用于實際礦山地質環境評價之中。

本文以陜西省渭南市曹村鎮礦山為研究對象，結合直覺模糊決策和優劣解距離法，構建礦山地質環境綜合評價模型，并基于實際礦山對評價模型進行有效性分析，為礦山地質環境修復政策提供一定的參考依據。

1 研究概況

曹村鎮位于陜西省渭南市西北部，該地發現礦產資源32 種，其中已探明儲量的礦產為21 種，該地儲量最大的礦產以石灰巖礦為主，石灰巖礦儲量位居渭南市前列，并有較為完整的石灰巖礦開發體系。除此之外，還伴有少量的建筑用砂巖、粘土、方解石礦等礦物的開發。目前當地自2011年起到2020在開發、開發完成或政策性關閉的礦山共有日新、太白山、億豐、金石、眾鑫磊、成祥、寧盛、興和、寶峰寺、頻山、鐵峰、天源、小元、轉良、隆宇、豐偉、藝博、小賈共18 座。其中3 個為大型礦山，16 個石灰巖礦山，其中石灰巖、建筑用砂巖和粘土礦等礦物的開發總量約為1186×104t/a。

但由于長期開發和管理不善和設備的更新不及時，使得當地形成大片的露天礦場，嚴重占用土地資源且產生了較為嚴重的地質問題。由于過度開發，使得當地地下含水層結構遭到破壞，地下水出現下降疏干等現象，地下水下降總面積達36.2km2，造成當地居民飲水種植困難。此外由于開采規模大，當地礦山發生次生地質災害的概率較高，目前當地的主要地質災害類型包含變形、塌陷、裂縫和滑坡等，并且此類災害現象在礦區內更為明顯。在礦山采空區，地面下沉和裂縫現象較為嚴重和普遍，發生的次生地質災害具有影響性大、危害性廣等特點。

2 研究方法

2.1 三角模糊數法

在模型的建立及計算過程中，保證模型計算的簡潔性和便利性較為重要，為了將評價指標轉化為后續模型計算所需的定性指標，本文采用三角模糊數法進行轉化。首先將指標轉化為三角模糊數：

式中：a——模糊數的上限；

b——可能性最大值；

c——模糊數下限。

基于各專家的評價結果重要程度，對其評價進行權重賦值：

式中：ω——權重向量；

ωn——第n位專家的評價權重。

由聯立式（1）、式（2）便可以將三角模糊數轉化為所需的定性指標結果：

2.2 改進序關系法

在確定所需的定性指標值后，需要確定定性指標值所占整體的權重大小，傳統的權重確定法在確定權重后還需對一致性進行檢驗，因此本文為了便于計算，采用改進序關系法進行指標權重確定，首先設定評價指標：

再根據專家對指標評價的重要程度排序：

根據順序分別對指標賦予權重比值rk，權重比值rk根據貢獻程度的不同取值在[1.0,1.8]。并分別確定一、二級指標的權重，其權重系數ωk通過下式計算：

2.3 直覺模糊賦權

由于權重的確定對整體結果的影響性關系較大，而在實際確定過程中，由于受樣本的影響，權重賦予的準確程度不一且往往受人為主觀因素影響較大，為了保證權重賦予的客觀性，本文采用直覺模糊集（IFS）賦權法進行指標權重的最終確定。利用前文使用的改進序關系法得到的主觀權重ωk，確定不同評價指標之中的權重整體取值范圍大小，例如若確定某項指標的權重取值范圍為[0.2,0.3]，則可以確定其重要與不重要程度范圍分別為[0.2,0.3]和[0.5,0.6]，由此可以確定其模糊集為＜0.2,0.5＞，直覺模糊權重的大小則可以表示為：

2.4 評價模型

確定權重之后，為了保證評價模型所得出評價的準確性，在直覺模糊集（IFS）方法的基礎之上，本文采用優劣解距離法（TOPSIS）構建礦山地質環境評價模型。首先對評價指標X進行定域，X中某一模糊集A可以表示為：

式中：mA——A的隸屬度函數；

nA——A的非隸屬度函數。

確定其模糊集后便可以建立加權模糊矩陣F，首先需確定直覺模糊權重W，這里確定方法前文已給出，不再過多贅述，對于加權模糊矩陣F，可以表示為：

根據加權模糊矩陣F求出其正負理想解A+為：

加權模糊矩陣F的負理想解A-為：

通過計算各個指標和其正負理想解的歐幾里德距離得到正負理想解的歐幾里德距離分別為D2（xi，A+）、D2（xi，A-），借助歐幾里德距離便可得到最終的綜合評價指標為：

3 案例分析

3.1 評價指標體系構建

為了對上文建立的礦山地質環境綜合評價模型進行有效性分析，本文選取于陜西省渭南市西北部的曹村鎮礦山為研究對象，該地區礦山以產灰巖礦為主，本次所研究的18座礦山分布地域位置如圖1所示。

圖1 研究區域及礦山分布位置

由于該地區礦山分布位置不同，因此針對上述礦山的評價指標，應盡可能結合每座礦山的實際生產情況為主進行選取，由于所研究的區域礦山過度開采造成的問題主要包含地質災害隱患、土地耕地占用等問題，因此在進行一級指標劃分時可以將礦山的自然地理、礦山開發、土地破壞、地質災害劃分為評價體系的一級指標；在一級指標的基礎之上，將礦山地質環境、周邊景觀破壞程度、交通干線破壞程度、礦山規模、開采強度、廢棄物數量、露天面積、工業廣場面積、廢石（土、渣）堆積面積、破壞土地類型、生態修復面積、礦山地質災害規模等12 項依次標記為X1,X2,…,X12，并作為評價體系的二級指標。

3.2 礦山地質環境評價

由于本文的礦山地質環境評價體系中共有X1,X2,…,X12共計12 個二級指標，其中包含X1、X2、X3、X10和X12共5個定性指標。根據前文三角模糊數法提出其定性指標的三角模糊數。X1、X2、X3指標三角模糊數指標定性結果如表1所示。X10和X12三角模糊數指標定性結果如表2所示

表1 X1、X2、X3三角模糊數指標定性結果

表2 X10和X12三角模糊數指標定性結果

根據礦山的實際情況，對礦山的地質環境評價標準進行劃分，由曹村鎮各處礦山的情況將其劃分為無影響區域、一般影響區域、嚴重影響區域和非常嚴重影響區域，并根據礦山質量的不同，對評價指標進行隸屬度劃分，其中定性指標X1、X2、X3、X10和X12劃分為[0，0.333）、[0.333，0.667）、[0.667，1）。在此基礎之上建立加權模糊矩陣并根據公式（12）計算出最終的曹村鎮礦山地質環境評價結果如表3所示。

3.3 實際結果分析

以2011~2020年的衛星數據進行遙感調查，根據調查結果得到了太白山石灰巖礦山占地結果和礦山占地統計結果。

結合圖2和圖3可以看出，當地礦山占地情況在10年間呈現出先增加后減小的趨勢，并在2018 年礦山占地總面積達到峰值，使得這一時期大量土地資源被占用，造成地質地貌的嚴重破壞。在規劃發布之后有效減少了礦山和礦區的各個部分的占地面積，在一定程度上體現了礦山地質環境治理取得的成效。

圖2 太白山遙感調查結果

圖3 曹村鎮礦山占地情況

利用本文提出的模型分別對2011 年、2014 年、2017 年和2020 年的曹村鎮礦山地質環境進行評價并得到了圖4 所示的結果。從圖中可以看出在2011~2020 年期間當地地質環境質量總體呈現下降趨勢，但在2017~2020年間相對貼進度變化較小，表明在2017~2020 年間礦山地質環境偏向穩定，甚至偏好的方向發展，此結論和前文遙感調查結果相符。

圖4 曹村鎮礦山地質環境評價結果

4 結論

本文以陜西省渭南市曹村鎮礦山為研究對象，結合直覺模糊決策和優劣解距離法，構建礦山地質環境綜合評價模型，并基于實際礦山對評價模型進行有效性分析，并得出了如下結論：

（1）通過對2011年、2014年、2017年和2020年的曹村鎮礦山地質環境進行評價發現當地地質環境變化呈現出先減小后增大的趨勢，此過程與遙感調查結果相符，驗證了評價模型的有效性和實用性。

（2）通過將地質指標劃分為4 個一級指標和12 個二級指標，能夠較為客觀有效地反映礦山地質環境質量程度，對本文的評價體系具備較高的契合度。