基于GIS的北京市礦山地質環境綜合評價

徐慶勇

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

基于GIS的北京市礦山地質環境綜合評價

徐慶勇

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

采用加權綜合指數法，基于地理信息系統（GIS）技術，綜合評價了北京市礦山地質環境并對成因進行分析。結果表明：北京市礦山地質環境呈現不平衡的空間分布特征，較差區分布在西南部（位于門頭溝和房山區內）及北部（位于密云縣和懷柔區內），占需治理礦山面積的50.8%；一般區除分布在西南部（位于房山區內）外，在中部（位于昌平、平谷、懷柔、順義和密云縣內）也有大面積分布，占需治理礦山面積的41.5%；較好區在西北（位于懷柔區和延慶縣內）、西南（位于房山區內）和中部（位于懷柔南部和平谷西部）均有分布，占需治理礦山面積的7.8%。導致礦山地質環境較差區形成的主要成因指標有礦山未治理面積小和巖土體工程地質條件差；主要結果表現指標有占用破壞土地面積大和危害與損失情況嚴重。

礦山地質環境；地理信息系統；北京市

0 前言

伴隨礦產資源的開發，地質災害、地下含水層破壞、地形地貌景觀破壞等諸多礦山地質環境問題日益突出。保護礦山地質環境，對其進行科學、正確的評價越發引起有關部門和人員的重視。相關單位和研究者開展了大量的礦山地質環境評價的理論研究和實踐，獲得了許多有益的成果，如丁麗等［1］對隴南金礦區礦山地質環境進行的綜合評價；高培［2］對葫蘆島礦山地質環境進行的綜合評價；中國地質調查局開展的以省為單元的全國礦山地質環境調查與評價工作等。但從目前看，礦山地質環境評價中還存在一些局限，如在評價內容方面，還主要側重于礦業活動引發的地質環境問題，較少考慮人類對礦山地質環境改善的積極行為；在評價手段方面，地理信息系統（GIS）技術還未能在地質環境評價中廣泛應用，使得評價結果的精確度較低。

北京作為中華人民共和國首都，其重要地位無與倫比，其生態環境備受關注。北京礦產資源比較豐富，礦產開采歷史悠久。礦產資源開發是一種人地系統相互作用最強烈、使自然環境遭受到人類高強度干擾的脅迫型活動［3］，因此在長期的礦產資源開發過程中，對地質環境造成較大破壞，產生了一系列礦山地質環境問題，導致地質環境質量下降，而地質環境質量深刻地影響著人體和生物的健康狀況以及本地區社會經濟環境的協調、可持續發展。礦山地質環境評價可以客觀地認識地質環境現狀及分布狀況，對合理開發利用礦產資源，遏制生態退化，促進礦區可持續發展具有十分重要的現實意義。因此，有必要對北京市礦山地質環境進行綜合評價。

伴隨計算機技術發展起來的ArcGIS具有強大的空間信息處理、分析、存貯和管理功能；能夠實現空間數據與屬性數據的匹配連接；能夠提供完整的制圖和輸出功能，使評價結果以可視化圖的形式表達［4］。本文基于ArcGIS，定量評價了北京市的礦山地質環境，并分析各等級礦山地質環境成因, 以期為該地區礦產資源開發及礦山地質環境保護和治理提供科學依據。

1 評價方法

1.1 評價指標的選取

北京市礦山地質環境問題是特定的自然背景和較強烈的人類活動共同作用的結果。從引起礦山地質環境問題的原因（稱之為成因指標）及問題的表現狀況和特征（稱之為結果表現指標）兩方面選取評價指標。

礦山地質環境問題與自然背景密切相關，同時受人類活動的深刻影響。地形地貌和巖土體工程地質條件是礦山地質環境問題產生的重要自然背景，是地質環境問題產生的重要因素，它們從不同方面、不同程度地影響著地質環境問題的發生、發展；采礦方式和礦山地質環境治理情況是影響礦山地質環境問題產生及存在狀態的重要人類活動。不同的采礦方式引起的地質環境問題的數量、規模、表現方式不同，表明了人類活動的直接影響；礦山地質環境治理情況表明當前用于改善礦山地質環境所投入治理資金的大小，反映了對礦山治理的力度，在較大程度上影響著礦山地質環境狀況。因此，這些指標作為成因指標。

全面考慮目前北京市存在的各種礦山地質環境問題，選取其中起主導作用、具典型性、代表性的因子，同時兼顧數據的可獲得性，選取關鍵性因子用于礦山地質環境評價。破壞影響對象、采空區面積、占用破壞土地面積、災害數量、災害規模、危害與損失這些指標表明了礦產資源開采對地質環境影響、破壞的狀況和程度，它們表明了礦產資源開采所造成的后果，因此，這些指標作為結果表現指標。

1.2 數據來源及處理

所用數據全部來源于全市范圍內礦山的實地調查。

首先對調查所得數據使用ArcGIS軟件加載。調查所得數據是帶有經緯度坐標的多組屬性數據，在ArcGIS中將每組屬性數據分別轉化為點位的空間數據。然后對每組數據做投影變換，變換成北京地方坐標系統。其次在ArcGIS中將點位數據經插值轉化為柵格數據，柵格大小可根據評估區域的大小及評估精度的要求確定。此次評價以200m×200m柵格為評價單元。

1.3 評價指標量化分級方法

評價指標確定以后，無法直接用它們評價，必須按照一定的標準分成幾個等級，以消除各指標量綱不同的影響。成因指標中，不同的地貌類型在較大程度上控制著地質災害的發生類型［6,7］，滑坡、泥石流通常發生在地形起伏較大的高中山區；不同的巖土體工程地質條件引發的地質災害的規模不同，巖土體工程地質條件好的地區不易或引起的地質災害規模小；不同的采礦方式對地質環境的影響程度不同，露天開采對地質環境的影響最大，井下最小（對北京地區而言）；不同的礦山地質環境治理情況對地質環境的改善狀況不同，治理面積越大，地質環境越好，反之，越差。破壞影響對象、采空區面積、占用破壞土地面積、災害數量、災害規模及危害或損失這些結果表現指標從不同方面表明了礦產資源開采所造成的各種地質環境問題及造成的危害程度，問題越多、危害程度越大，表明地質環境越差。據此，將上述10個指標分別劃分不同的等級，以表明對地質環境不同程度的影響。

表1 評價指標量化分級及權重計算結果

1.4 評價指標權重確定方法

評價指標權重通過層次分析法確定。層次分析法（The Analytic Hierarchy Process簡稱AHP)是一種定性與定量相結合的多目標決策分析方法，其基本原理是將一個復雜的問題看作一個系統，根據系統內部因素之間的隸屬關系，構造判斷矩陣，計算出各要素的權重，并進行一致性檢驗，當CR（隨機一致性比率）＜0.1時，判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就需要調整，直到達到滿意的一致性為止［8］。使用EXCEL軟件進行層次分析，計算各指標權重。

1.5 礦山地質環境指數計算及分級方法

采用綜合指數法計算礦山地質環境，公式如下：

式中，GEI為礦山地質環境指數，它是各指標綜合作用于礦山地質環境后計算得到的數值，它使地質環境質量以數值形式表示,具體而明確,數值由小到大表示地質環境質量由好至差；iw為評價指標權重；if為評價指標等級；n為評價指標個數。

在GIS 軟件支持下，使用上面公式計算GEI，采用自然斷點法(natural breaks classification)將GEI分成3個等級，由低至高分別為較好、一般和較差。自然斷點法是一種根據數值統計分布規律分級和分類的統計方法，它能使類與類之間的不同最大化［9］。

2 結果與分析

2.1 評價指標量化分級及權重計算結果

根據上述量化分級方法，依參評指標對礦山地質環境的正向影響程度，從低到高分級，從1至3 分別為較好、一般和較差3級（表1）。由表1可以看出，地形越平坦、巖土體工程地質條件越好、影響越輕微、采空區面積、占用破壞土地面積、災害數量及危害與損失越少、災害規模和未治理面積越小，地質環境越好，反之越差。

采用上面確定的權重計算方法，分別計算了各指標權重（表1）。由表1可以看出，占用破壞土地面積權重最大，為0.285，其次是礦山地質環境治理情況，為0.205，權重最小的是災害規模，為0.020。

2.2 礦山地質環境指數計算及分級結果

通過上面公式計算得到北京市的 ，其值介于0.7～2.8之間，使用自然斷點法將數值由小到大分成3類（表2），相應地得到北京市不同等級礦山地質環境的空間分布（圖1）。圖1表明，在特定的自然背景和較強烈的人類活動綜合作用下，北京市礦山地質環境呈現不平衡的空間分布特征。嚴重區分布在西南部（位于門頭溝和房山區內）及北部（位于密云和懷柔區內），占需治理礦山面積的50.8%；較嚴重區除分布在西南部外（位于房山區內），在中部（位于昌平、平谷、懷柔、密云和順義區內）有大面積分布，占41.5%；輕微區在西北（位于懷柔區和延慶縣內）、西南（位于房山區內）和中部（位于懷柔南部和平谷西部）均有分布，占7.8%（各區面積及所占比例見表2）。嚴重區（50.8%）占需治理礦山面積的一半多，說明在特定的自然背景和較強烈的人類活動綜合作用下北京市礦山地質環境問題還比較突出，還需采取措施加以治理。

表2 北京市各等級礦山地質環境分布面積及所占比例

圖1 北京市礦山地質環境綜合評價圖

2.3 各等級礦山地質環境成因分析

礦山地質環境問題與自然、社會、經濟緊密聯系，是自然環境條件與人類生產活動相互聯系和作用的結果。導致礦山地質環境嚴重區形成的主要因素有礦山未治理面積小：未治理面積小于1公頃；巖土體工程地質條件差：礦山礦床圍巖結構破碎，松散層較厚，巖石風化強烈，節理裂隙極其發育。環境問題的主要結果表現指標有占用破壞土地面積大：各礦山占用破壞土地面積不小于3公頃；危害與損失情況嚴重：受威脅人數10～100人。此區對人居環境造成的威脅較嚴重。

礦山地質環境較嚴重區和輕微區形成的主要因素及表現狀況同上，但各因素均處于等級較低和低的狀態，對礦山地質環境的影響小，因而礦山地質環境呈現較嚴重和輕微的狀況，對人居環境造成的威脅相對較弱和弱。

3 結論與建議

從礦山地質環境問題成因和問題表現特征及狀況兩方面構建了評價指標體系，并基于GIS技術得到了不同等級的礦山地質環境空間分布。影響北京市礦山地質環境的成因指標主要有巖土體工程地質條件（自然背景）和礦山地質環境治理情況（人類活動）；結果表現指標有占用破壞土地面積和危害與損失。從礦山地質環境評價圖可知，北京市礦山地質環境具有空間分布不平衡的特征。嚴重區（50.8%）分布在西南部（位于門頭溝和房山區內）及北部（位于密云和懷柔區內），占需治理礦山面積的一半多，說明在特定的自然背景和較強烈的人類活動綜合作用下北京市礦山地質環境問題還比較突出，還需采取措施加以治理。

礦山地質環境狀況會隨著人類活動的日趨合理化、礦山地質環境治理的日益加強而減弱。因此，建議在礦山地質環境嚴重和較嚴重區內減輕人類活動對資源環境的干擾和破壞，加大礦山地質環境治理投入，逐步消除礦山地質環境問題，使礦山地質環境得到改善。

［1］丁 麗，鄭觀超，康 俊等. 基于GIS和RS的隴南金礦區礦山地質環境綜合評價［J］.地質災害與環境保護, 2012,23（1）:86～90.

［2］高 培．基于GIS和RS的葫蘆島礦山地質環境綜合評價研究［D］.北京：中國地質大學，2009.

［3］薛占金，秦作棟，孟憲文.晉北地區土地沙漠化經濟損失初步研究［J］.干旱區資源與環境，2012,26（4）:24～29.

［4］徐慶勇，黃 玫，陸佩玲等.基于RS與GIS的長江三角洲環境脆弱性綜合評價［J］.環境科學研究,2011，24(1):58～65.

［5］h ttp://baike.baidu.com/subview/2621/13223029. htm？from title=北京市&from id=126069&type=search

［6］畢曉玲，李小娟，胡卓瑋，王志恒，賴 晗. 地形起伏度提取及其在區域滑坡災害評價中的應用——以四川省為例［J］.安徽農業科學,011年04期.

［7］郭芳芳，楊 農，孟 暉，張岳橋，葉寶瑩.地形起伏度和坡度分析在區域滑坡災害評價中的應用［J］,中國地質,2008: 1.

［8］程建權.城市系統工程［M］.武漢:武漢大學出版社,2001,122～135.

［9］ Wang S Y, Liu J S, Yang C J. Eco-environm en tal vu lnerability evaluation in the Yellow River Basin, China［J］. Pedosphere,2008,18(2):171～182.Integrated Assessment of Geological Environment of Beijing M ines Based on GIS Technology

XU Qingyong

(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195)

Based on Geographical Information System(GIS), weighting comprehensive index method is used to integrately assessment the geological environment of Beijing m ines, as well as their origin mechanism. In the study area, the m ine geological environment in Beijing presents unbalanced spatial distribution characteristics, the southwestern area (in Mentougou and Fangshan districts) and northern area ( in M iyun and Huairou districts) are the worse geological environment, accounting for 50.8% of requiring governing m ine areas; besides southwestern areas (in Fangshan district), the central areas ( in Changping, Pinggu, Huairou, Shunyi and M iyun districts) are the moderate region, accounting for 41.5%; northwestern areas ( in Huairou and Yanqing districts), southwestern areas (in Fangshan district) and central parts (in Huairou southern part and Pinggu western part) are the better geological environment region, accounting for 7.8%. Major factors resulting in the worse geological environment of m ines are not governed effectively and the engineering geological condition of rocks and soils are poor; it show s that the occupied and destroyed m ine areas are larger, and the harm and loss are serious.

Geological environment of m ines；GIS；Beijing

X821

A

1007-1903（2015）01-0048-04