基于UAV 勘察與層次分析法的安陽許家溝露天礦山地質風險評價

江 雷，婁嘉慧，史 沖

（1.河南省有色金屬地質礦產局第二地質大隊，河南 鄭州 450016；2.鄭州大學政治與公共管理學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

隨著社會經濟發展和城市化進程的加快，我國的生態文明建設水平逐漸落后于社會經濟發展水平，生態系統嚴重退化，人與自然、開發與保護、經濟與生態之間的矛盾日益嚴峻[1-2]。在經濟建設中生態環境被不同程度的損害，自然格局被破壞，生態系統過程被阻礙，嚴重制約了生態系統功能的正常發揮[3]。因我國經濟發展的需要，礦產資源在經濟發展過程中起著舉足輕重的作用[4-6]。二十世紀，許多地區的礦產資源被不斷開發，礦產開發和環境保護已經產生了非常尖銳的矛盾[7-8]。隨著礦產開發秩序的逐漸完善，礦山的合理開發、可持續利用提上日程，針對礦山的地質風險防治與生態環境修復成為礦業行業的研究焦點[9]。

陳晶等[10]研究了礦山開發對生態的影響，構建了山水林田湖草統籌視角的生態修復一體化評價指標體系，確立了山水林田湖草生態評價與修復模式。ZHENG 等[11]對華北山地中沉積物樣本的酸性礦山排水（AMD）進行研究，提出礦山污染沉積物應優先處理。史沖等[12]以張二莊里溝礦山地質環境恢復治理為研究對象，探索其礦山環境生態修復治理的新思路與生態保護修復措施。劉錦秀等[13]為解決常規方法難以對礦山地質環境承載力進行有效描述的問題,以五龍溝金礦區為例，采用空間統計分析法進行礦山地質環境承載力評價。沈維明等[14]對國內外關停廢棄礦山生態修復技術進行了總結，結合廢棄礦山生態修復工程，提出了關停廢棄礦山生態恢復的幾種技術與措施。茹曼等[15]通過多源遙感手段調研了萍鄉市湘東鎮地區礦山地質環境問題，建立一套適合該區的礦山地質環境影響綜合評價體系。趙洪濤[16]詳細分析了礦區地質災害類型和發育規律，通過層次分析法建立評價函數，對地質災害隱患進行分區評價和賦值。

目前，礦山地質風險評價與防治主要存在兩個問題：以地質勘察為主，風險定量分析較缺乏；或基于GIS 的風險定量分析合理，但基礎數據較為缺乏使得評價模型誤差較大。本文將UAV 高精度勘察與GIS 定量分析相結合，利用層次分析法對安陽許家溝露天礦山群地質風險進行了定量評價，對比了勘察區的地質風險高低及其主要貢獻指標，并針對性地提出治理措施。

1 研究區域概況

許家溝鄉位于安陽市殷都區西部，屬山地丘陵區，距安陽市區20 余km，全鄉面積60 km2，其中耕地面積21.33 km2。許家溝鄉下轄20 個行政村，人口3.6 萬，其中，農業人口約3.5 萬人，非農業人口約0.1萬人。許家溝鄉屬安陽河流域，大陸性干旱型氣候，夏季炎熱，冬春干旱，年平均氣溫13.6 ℃，多年平均降水量551.5 mm，集中于7 月和8 月，多年平均蒸發量1 938.4 mm，蒸發量遠遠大于降水量[17]。研究區位于許家溝鄉河西村西側1.0 km，面積約0.028 km2（圖1），包括治理點3 處，分別為豫隆I 區、河西勝利II 區和豫安III 區，坐標范圍為36°06′22"～36°07′00"N，114°03′01"～114°03′35"E。許家溝鄉現已探明的石灰石、煤炭、鐵礦儲量均在億t 以上，且分布廣、質地好、品位高、易開采，礦山地質環境破壞、水生態環境破壞、土壤污染、水土流失較嚴重。研究區分布有多處露天礦山，主要開采石灰巖及大理巖。由于無序開采，造成周邊礦層的完整性和原有地形地貌景觀遭受嚴重破壞，目前開采活動已經停止。除采礦活動外，區內其他人類工程活動主要為農業活動。

圖1 研究區分布衛星圖Fig.1 Satellite image of the research area distribution

2 研究區地質勘測

2.1 UAV 測量和RTK 測量

本次航空攝影測量中，航空攝影儀采用電動飛梭無人機，相機為索尼A7R，單張相片像幅7 360 像素×4 912 像素，像素大小4.87 μm，使用35 mm 定焦鏡頭，地面分辨率優于0.1 m。航攝成圖比例尺為1∶1 000，內業數據處理采用南方CASS7.1 處理軟件，輸出成果為地形圖數字化系統生成的所有文件和AutoCAD下公共交換數據文件（.dwg）[18]。本次測量工作共完成1∶1 000 地形圖測量0.56 km2。

剖面點采用GPS-RTK 測量方法，該方法將基準站架設于地勢較高處，通過數據鏈將其觀測值和站坐標信息一起傳送給流動站[19]。流動站在接收基準信號的同時采集GPS 觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理。測量人員將設計的地質剖面端點坐標導入RTK 測量手簿，在線路菜單提示下沿剖面測量手簿，在線路菜單提示下沿剖面采集剖面點的坐標和高程。工程地質實測剖面線共完成46 條，總長度4.73 km。測量成果如圖2 所示。3 個測量區的坐標范圍為36°06′22"～36°07′00"N，114°03′01"～114°03′35"E。

圖2 研究區礦山地質環境測量成果Fig.2 Current status of mine geological environment in the research area

2.2 地質特征

研究區含水層主要有奧陶系灰巖、寒武系灰巖，隔水層主要為石炭系和二疊系的巖漿巖。其中，奧陶系中統馬家溝組石灰巖在研究區內分布廣、出露多，總厚度約600 m，地表巖溶裂隙發育，富水性強，是研究區主要含水層；水位標高在+120～+149 m。礦體開采面高于侵蝕基準面，地下水位較低，地形有一定坡度，降水多可從地表徑流自然排出，平緩或低凹處可能會有暫時性集水，但不會對采場造成大量充水。

2.3 地質災害類型

1）滑坡崩塌。礦山倚坡開挖，礦坑的邊坡高度普遍超過10 m，邊坡角度和臨空面較大，經過長時間的風化剝蝕，坡面巖石節理裂隙發育，較為破碎，并在坡面散落采礦遺留松動碎石塊，形成危巖。采礦殘留礦體形成的危巖體數量多且分散分布，采礦陡壁上發育的危巖體勢能大，多以自由落體方式墜落[20]。在暴雨等外力條件下，易引發崩塌災害，對居民威脅大，是本區重要崩塌地質災害隱患。豫隆I 區和河西勝利II 區共有危巖12 處，分布在礦坑坑壁邊緣，落石成分以中風化石灰巖為主，結構松散，直接覆蓋平臺上。危巖體方量500～60 000 m3不等，總量11 萬m3。豫安III 區未發現危巖。豫隆I 區和河西勝利II 區的危巖特性見表1。

表1 豫隆I 區和河西勝利II 區的危巖特性Table 1 Critical rock characteristics of Yulong Zone I and Hexi Shengli Zone II

2）礦坑坍塌。經過多年的采掘，豫隆I 區、河西勝利II 區和豫安III 區分別形成18 個采坑、16 個采坑和3 個采坑，同時剝離的廢渣隨意堆放，共形成51個渣堆，原始的地形地貌景觀遭到嚴重破壞，破壞土地總面積約0.209 km2。礦坑在雨水沖刷的作用下不斷流失和沉降，形成深坑和陡坑。礦坑的邊坡坡度為25°～75°，深度為10～75 m，對道路及路人安全形成較大威脅。

3）水土流失。礦山開采對生態環境造成了嚴重破壞，大面積基巖裸露的采場和隨意堆放的棄渣改變了原來的地貌景觀，破壞原有耕地，使研究區部分耕地變成裸地。同時，山體涵養水分的能力下降，使坡腳部分耕地耕作功能降低、灌溉困難[21]；其他耕地也不同程度降低了耕地功能、耕作條件差。根據土地利用現狀圖統計出研究區共挖損旱地0.005 km2，其他草地0.201 km2，裸地0.223 km2（表2）。

表2 研究區土地資源利用情況Table 2 Land resource use in the research area 單位：km2

3 基于層次分析的地質風險評價方法

本文收集研究區內礦山自然地理背景、區域地質、礦產資源及開發狀況等資料，結合平剖面測量和理化性質監測結果對研究區的自然環境、地質條件和地質災害發育規律進行分類，并采用層次分析法進行地質風險識別和評價。

3.1 評價指標與分級

為實現層次分析地質評價，本文基于礦山地質勘察成果，將評價指標分為3 個層次：目標層為礦山地質風險評價；約束層為邊坡崩塌、礦坑坍塌和水土流失；邊坡崩塌因素層包含地形地貌、巖性抗壓、采坑深度和采坑數量，礦坑坍塌因素層包含地下水位差、土壤空隙比、開采強度和采坑面積，水土流失因素層包含降水沖刷、風力吹揚、渣堆方量和植被覆蓋。研究區的因素層特征指標參考李克特量表取值法將其分為4 個等級，對應分值為4 分、3 分、2 分和1 分（表3）。

表3 礦山地質風險評價指標體系分級與權重Table 3 Grading and weighting of index system of mine geological risk evaluation

3.2 構造判定矩陣

基于UAV 攝影測量和ArcGIS 分析手段，可獲取各指標層評價單元的定量值，從而構建評價模型[22]，見式（1）。

式中：Ci為第i項指標層權重；αi為第i項指標層得 分；M為礦山地質風險評分。最終確定標度需通過判定矩陣對各層指標因子進行相互比較，借助專家打分法得出重要性因素。采用MATLAB 構建判定矩陣，并進行正交和歸一化處理，計算見式（2）。

式中：x為權重因子量化值；α為專家打分值；αmax為最大值；αmin為最小值。為檢驗各層次各因素間重要性排序的合理性，需進行一致性檢驗，一致性比率CR＜0.10則認為判斷矩陣令人滿意[23]，否則需重新進行權重賦值，見式（3）。

式中：λmax為最大特征根；n為判斷矩陣 階數；RI為隨機一致性指標，當n=3 時，取0.58，當n=4時，取0.90。正交和歸一化處理后礦山地質災害風險評價指標主觀權重值見表4。

表4 礦山地質災害風險主觀權重值Table 4 Subjective weighting values for mine geological risks

4 礦山地質風險評價

4.1 數據來源

礦山地質風險評價針對豫隆I 區、河西勝利II區和豫安III 區展開，評價體系共包含12 個影響因素，數據主要來自于UAV-RTK 勘測與實驗室樣本監測。地形地貌數據：將2.1 節的勘測等高線圖轉換為GIS高程柵格數據（圖3），采用北京84 坐標系，基準高程為黃海海平面，等高線間距1 m，精度符合評價需要；巖土理化性質：巖樣進行常規物性試驗、抗壓試驗、抗剪試驗；土樣進行天然含水量、天然密度、比重、天然孔隙比等測量。根據實際需要采集了巖石樣18 組、土樣12 組，并委托“華北水利水電大學河南省巖土力學與水工結構重點實驗室”進行測試；實地調查：對研究區內植被、危巖、渣堆等進行統計，區域內主要有白皮松、側柏、椿樹、五角楓、地錦、麥冬等耐瘠薄、耐旱、適應于堅硬土壤和巖石裂隙生長的植物物種，危巖、采坑及渣堆在2.3 節中已闡述。

圖3 DEM 柵格數據與漁網構建Fig.3 DEM raster data and fishing net construction

4.2 評價單元

為實現礦山地質風險評價的合理精確，本研究以3 張研究區DEM 柵格為底圖，將3 個研究子區用邊長為50 m 的正方形網格進行劃分，共劃分出500個評價單元（豫隆I 區224 個、河西勝利II 區196 個、豫安III 區80 個）。輸入地形地貌、各采樣點的巖土性質、植被類型和礦山開發調查結果等基礎數據，按照評價指標體系（表3）對各個評價單元進行賦值，利用ArcGIS 柵格計算模塊，對選取的12 個評價因素進行疊加分析，并對分析結果進行分級，得到3 個子區域各自的評價指標分值。如果網格A得分越高，表明該區域地質風險越低；反之則表明地質風險越高。利用ArcGIS 軟件的空間分析模塊，采用核密度法對評分結果進行差值分析[24]，劃分出礦山地質高度風險區（A＜2.65）、顯著風險區（2.65≤A≤2.89）、一般風險區（2.90≤A≤3.15）和稍有風險區（A＞3.15）4 類。

4.3 結果分析

調用ArcGIS 軟件統計模塊計算，得到研究區地質風險評分成果，其空間分布與面積占比分別見圖4～圖6 和表5。研究結果表明，地質環境高度風險區、顯著風險區、一般風險區和稍有風險區的面積分別為13 500 m2、39 000 m2、26 750 m2、45 750 m2，分別占研究區總面積的10.8%、31.2%、21.4%、36.6%。結合現場勘察成果發現邊坡崩塌風險高的區域與遙感測繪范圍高度重合，主要集中于礦坑邊緣，與邊坡坡度和采坑深度顯著相關；礦坑坍塌與水土流失風險較高區域分布于礦坑中部，礦坑中心以裸地為主，受人類活動影響和破壞較重。礦坑坍塌與開采強度和面積高度相關，水土流失與渣堆方量和風力吹揚顯著相關，顯著風險區高程較低，以渣堆為中心呈散點狀分布，評分在山谷或埡口急劇降低。將ArcGIS評價結果與礦山地質勘察結果對比，發現地質風險高度及顯著區域的環境情況與實際相似，但評價劃定的一般風險區的面積和稍有風險區的面積較實際情況擴大了約50%，是由于在評價指標中充分量化了沉降與水土流失所致，而原勘察結果未對此進行量化分析。

表5 礦山地質風險分區面積統計Table 5 Statistics on the area of mine geological risk zones 單位：m2

圖4 豫隆I 區礦山地質風險評分Fig.4 Mine geological risk scoring of Yulong Zone I

圖5 河西勝利II 區礦山地質風險評分Fig.5 Mine geological risk scoring of Hexi Shengli Zone II

圖6 豫安III 區礦山地質風險評分Fig.6 Mine geological risk scoring of Yu’an Zone III

5 討論

5.1 地質風險空間分布

各研究子區的風險評分如圖7 所示。由圖7 可知，邊坡崩塌評分與礦山地質評分呈現雙峰態勢，而礦坑坍塌風險和水土流失風險呈單峰。邊坡崩塌風險排序為河西勝利II 區＜豫隆I 區＜豫安III 區；礦坑坍塌風險排序為豫安III 區＜河西勝利II 區＜豫隆I 區；水土流失風險排序為豫隆I 區＜河西勝利II 區＜豫安III 區；綜合礦山地質風險排序為河西勝利II 區＜豫隆I 區＜豫安III 區。雖然豫隆I 區的礦山地質高度風險區面積是河西勝利II 區和豫安III 區的2 倍，但其分值卻略高于河西勝利II 區，這主要是因為河西勝利II 區邊坡崩塌風險較高，邊坡坡度較陡和巖性抗壓能力較低（圖7（a））。豫安III 區開采強度與開采面積較小，但其礦坑坍塌風險卻高于豫隆I 區和河西勝利II 區，因為面積較小的豫安III 區內分布有3 個大礦坑，礦坑面積占比高（圖7（b））。由于豫隆I 區礦坑面積大、渣堆多，使得其水土流失風險高（圖7（c））。

圖7 許家溝礦山地質風險小提琴圖Fig.7 Mine geological risk violin map in Xujiagou

5.2 指標相關分析

層次分析模型中約束層的權重劃分表明該模型假定地質風險以邊坡崩塌（B1）為主、水土流失（B3）為輔、礦坑坍塌（B2）為補充。各約束層與目標層的斯皮爾曼相關性表明：從豫隆I 區到豫安III 區，B1與目標層的相關性從高度相關0.953 下降到顯著相關0.658；B2與目標層的相關性從無相關上升到弱相關；B3與目標層的相關性不變。這說明從豫隆I 區到豫安III 區，隨著研究子區面積減少，邊坡崩塌總體風險逐漸降低，礦坑坍塌風險和水土流失風險逐漸升高（表6）。

表6 研究子區風險評價指標相關分析Table 6 Analysis related to risk evaluation indicators for the study sub-area

5.3 治理措施

針對邊坡崩塌風險，本文提出危巖清除和邊坡修整的措施；針對礦坑坍塌風險提出礦渣回填和客土恢復的治理措施，并設置警示牌；針對水土流失風險提出客土恢復林地和耕地、養護治理相結合的治理措施。具體方案：①危巖清除：對于不同高度的危巖體高陡邊坡，根據其高度和坡度設置臺階，消除潛在崩塌；②邊坡修整：對石質邊坡坡面進行挖巖換土植樹、撒播草籽，降低裸地占比；③礦渣回填：將采坑內礦渣堆以及危巖清除產生的廢渣回填到礦坑底部和削坡臺階上，并對礦渣回填之后的場地進行平整；④警示牌：在礦坑邊緣設置警示牌，防止行人跌落；⑤客土恢復林地、草地、耕地：在場地平整基礎上對場地進行覆土，礦坑底部恢復成耕地，臺階上植樹種草；⑥養護：對種植的樹木進行長期養護管理，保持良好可持續的生態修復。

6 結論

本文基于UAV 勘察和層次分析法對安陽許家溝露天礦山群地質風險進行了評價，利用ArcGIS 柵格計算模塊對選取的12 個評價因素進行疊加分析。

1）地質環境高度風險區、顯著風險區、一般風險區和稍有風險區的面積分別為13 500 m2、39 000 m2、26 750 m2、45 750 m2，分別占研究區總面積的10.8%、31.2%、21.4%、36.6%。

2）綜合礦山地質風險排序為河西勝利II 區＜豫隆I 區＜豫安III 區，因為，河西勝利II 區邊坡坡度較陡和巖性抗壓能力較弱，邊坡崩塌風險較高。

3）從豫隆I 區到豫安III 區，隨著研究子區面積減少，邊坡崩塌風險貢獻率逐漸降低，礦坑塌陷風險和水土流失風險逐漸升高。

4）基于評價結果，本文提出危巖清除、礦渣回填、邊坡修整、客土恢復林地和耕地、養護治理相結合的治理措施，以期達到降低礦山地質風險、修復礦山生態的目的。