新疆非金屬露天開(kāi)采礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與模型建立

王東旭，張紫昭

(新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

0 引 言

礦山地質(zhì)環(huán)境是指曾經(jīng)開(kāi)采、正在開(kāi)采或準(zhǔn)備開(kāi)采的礦山及其鄰近地區(qū)的巖石圈表層與大氣圈、水圈、生物圈組分之間不斷進(jìn)行物質(zhì)交換和能量流動(dòng)的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的環(huán)境系統(tǒng)[1]。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境的重視程度顯著提高，同時(shí)也加大了對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境的治理力度，而治理工作的前提是礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度評(píng)價(jià)。目前，礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度評(píng)價(jià)研究取得多種成果[2-12]，而新疆地區(qū)對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作主要是依據(jù)《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)方案編制規(guī)范》(DZ/T 0223—2011)(后簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)開(kāi)展，筆者在實(shí)際評(píng)價(jià)工作中發(fā)現(xiàn)《規(guī)范》中的部分評(píng)價(jià)指標(biāo)量化性低，人為主觀因素強(qiáng)，而且部分評(píng)價(jià)指標(biāo)也不適合新疆礦山地質(zhì)環(huán)境破壞特點(diǎn)。以新疆地區(qū)非金屬(主要包括石灰?guī)r、石英巖、白云巖、花崗巖等)礦山為例，此類礦山絕大多數(shù)為露天開(kāi)采，地形地貌破壞程度極大，但《規(guī)范》中只定性地劃分該指標(biāo)影響程度等級(jí)，即對(duì)原生的地形地貌景觀影響和破壞程度大或者較大或者小，尺度難以把握[13]；新疆地區(qū)非金屬礦山地下水埋深較大，露天開(kāi)采對(duì)于含水層基本沒(méi)有影響，《規(guī)范》中的含水層評(píng)價(jià)指標(biāo)基本對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果無(wú)影響，從而導(dǎo)致使用規(guī)范評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)結(jié)果精確性與適宜性大打折扣。本文旨在綜合考慮新疆地區(qū)非金屬礦山地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，在規(guī)范四大評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)上選取礦山開(kāi)采引發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模、地質(zhì)災(zāi)害威脅人員數(shù)量、礦山設(shè)施挖損或壓占破壞土地后地面主導(dǎo)坡度、挖損最大深度或壓占堆積物最大高度、挖損體積或堆積物體積、損毀土地面積等6個(gè)易量化的評(píng)價(jià)因子形成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，應(yīng)用Fisher判別分析法[14-18]對(duì)新疆地區(qū)非金屬礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度精確、合理的分區(qū)，以求指導(dǎo)礦山地質(zhì)環(huán)境防治規(guī)劃。

1 新疆地區(qū)非金屬礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

新疆地區(qū)非金屬礦山開(kāi)采方式主要為露天開(kāi)采，礦山地下水埋深較深，絕大多數(shù)礦山露天開(kāi)采不易產(chǎn)生涌水，對(duì)含水層的影響程度一般為較輕。因此，《規(guī)范》評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的含水層指標(biāo)在新疆地區(qū)非金屬礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中意義不大。本文將僅對(duì)《規(guī)范》中評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的其他三個(gè)指標(biāo)類別綜合考慮，即地質(zhì)災(zāi)害類、地形地貌景觀類、土地資源類，選取具有代表性、易量化的評(píng)價(jià)因子作為此次評(píng)價(jià)研究中的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1) 地質(zhì)災(zāi)害類。主要由地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模和危害程度2個(gè)方面組成：①地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生規(guī)模X1：新疆地區(qū)非金屬礦山絕大多數(shù)采取露天開(kāi)采方式，開(kāi)采形成的高陡巖質(zhì)邊坡易引發(fā)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害，不易產(chǎn)生采空區(qū)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。通過(guò)《縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求實(shí)施細(xì)則》(表1)發(fā)現(xiàn)，相同規(guī)模等級(jí)下，滑坡規(guī)模級(jí)別劃分閾值與崩塌的閾值相差10倍，因此確定地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模=崩塌體積+滑坡體積×0.1。②地質(zhì)災(zāi)害危害程度X2：地質(zhì)災(zāi)害危害程度由受威脅人數(shù)和可能經(jīng)濟(jì)損失兩方面組成。但是在實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，礦山周?chē)鷺O少有居民、牧民存在，財(cái)產(chǎn)損失主要為礦山采礦設(shè)備及簡(jiǎn)易板房，因此主要選擇受威脅人數(shù)來(lái)確定危害程度。

表1 滑坡、崩塌規(guī)模級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)表

2) 地形地貌景觀。《規(guī)范》中地形地貌景觀影響程度分級(jí)主觀性太強(qiáng)，即什么情況下是對(duì)地形地貌景觀影響大、較大或小總是因人而異。對(duì)此類指標(biāo)的量化，本次選取以下3個(gè)方面指標(biāo)：①礦山設(shè)施挖損或壓占破壞土地后地面主導(dǎo)坡度X3：指礦山土地挖損后地面主導(dǎo)坡度或地面堆積物壓占后地面主導(dǎo)坡度；②挖損最大深度或壓占堆積物最大高度X4：指因礦山開(kāi)采需要開(kāi)挖土地最大深度或土地壓占后堆積物最大高度(指廢石和表土最大堆放高度)；③挖損體積或堆積物體積X5：土地挖損體積主要指露天采坑和垃圾填埋場(chǎng)挖損形成坑的體積，堆積物體積指土地壓占后堆積物的體積。

3) 土地資源。礦山設(shè)施挖損或壓占土地的面積X6。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，新疆地區(qū)非金屬礦山所在土地類型主要為裸地和草地，《規(guī)范》在確定土地資源影響程度等級(jí)時(shí)，相同等級(jí)下裸地面積是草地面積的5倍，因此確定礦山設(shè)施挖損或壓占土地的面積(hm2)=草地面積×5+裸地面積。

2 評(píng)價(jià)模型的建立

2.1 評(píng)價(jià)單元的劃分

本文通過(guò)新疆地區(qū)非金屬礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)報(bào)告分析和實(shí)地調(diào)查研究，選用11個(gè)非金屬礦山的72個(gè)評(píng)價(jià)單元作為研究對(duì)象，采用已確定的礦山開(kāi)采引發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模、地質(zhì)災(zāi)害威脅人員數(shù)量、礦山設(shè)施挖損或壓占破壞土地后地面主導(dǎo)坡度、挖損最大深度或壓占堆積物最大高度、挖損體積或堆積物體積、損毀土地面積6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)單元評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 非金屬礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度評(píng)價(jià)單元統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表2

序號(hào)礦山名稱評(píng)價(jià)單元地質(zhì)災(zāi)害地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生規(guī)模X1/(104m3)地質(zhì)災(zāi)害危害程度X2/人地形地貌景觀挖損或壓占破壞后地面主導(dǎo)坡度X3/(°)挖損最大深度或壓占堆積物最大高度X4/m挖損體積或堆積物體積X5/(104m3)土地資源礦山設(shè)施挖損或壓占土地的面積X6/hm2地質(zhì)環(huán)境影響程度分級(jí)規(guī)范分級(jí)結(jié)果礦山地質(zhì)環(huán)境防治費(fèi)用估算/萬(wàn)元38394041424344454647484950新疆博樂(lè)市桑金布拉克紅色花崗巖規(guī)劃Ⅰ號(hào)礦體露天采礦場(chǎng)0．3585253151．4230．75633201．52規(guī)劃Ⅱ號(hào)礦體露天采礦場(chǎng)0．28585556161．7927．24533215．32規(guī)劃Ⅲ號(hào)礦體露天采礦場(chǎng)0．1632605173．7613．5622或398．16規(guī)劃Ⅳ號(hào)礦體露天采礦場(chǎng)0．32585551142．5229．09733189．67規(guī)劃Ⅴ號(hào)礦體露天采礦場(chǎng)0．0828525167．213．635522或389．43規(guī)劃Ⅵ號(hào)礦體露天采礦場(chǎng)0．31325548114．6125．2433152．53規(guī)劃Ⅶ號(hào)礦體露天采礦場(chǎng)0．1628603846．2211．87922或361．51規(guī)劃廢石堆放場(chǎng)0．7463029384．155101．2533132．21規(guī)劃荒料堆放場(chǎng)00301032022或314．9已建礦部生活區(qū)0030010113．85已建爆破器材庫(kù)區(qū)004002111．65擬建排土場(chǎng)0025106．552522或30．4垃圾填埋場(chǎng)00330．91．5117．075152535455565758阿圖什市托斯罕鐵橋石灰石礦原生活區(qū)005000．1110．82原爆破器材庫(kù)區(qū)004000．55111．19擬建露天采場(chǎng)0．1215557522．571．74521或27．34擬建廢石場(chǎng)003083．65421或245．65排土場(chǎng)002560．605121或20．37擬建爆破器材庫(kù)區(qū)005001114．15擬建生活區(qū)003001115．5垃圾填埋場(chǎng)00430．030．05110．9359606162新疆阿勒泰市阿克塔木(水泥用)大理巖礦露天采礦場(chǎng)0．32335070210．3736．5533385．61廢石堆放場(chǎng)0．2812303552．4934．13339．1礦山生活區(qū)000001．5112．5爆破器材庫(kù)000001111．46364656667烏魯木齊達(dá)坂城東白楊溝哈拉喬拉克石灰?guī)r礦擬建露天采場(chǎng)0．28135019263．241632或313．68廢石臨時(shí)堆放場(chǎng)003041121或22．34爆破器材庫(kù)器000000．05113．43新建垃圾填埋場(chǎng)00031．51110．23生活區(qū)000001114．276869707172新疆達(dá)坂城區(qū)天山石灰?guī)r礦擬建露天采場(chǎng)0．321555295204．8639．0533204．03原露天采坑0065123．062．33422或31．2廢石臨時(shí)堆放場(chǎng)002561121或21．74垃圾填埋場(chǎng)00330．030．05110．19生活區(qū)005001113．385

注：表中數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)地考察測(cè)量、礦山地質(zhì)報(bào)告等綜合成果，評(píng)價(jià)等級(jí)分類中“1”代表較輕，“2”代表較嚴(yán)重，“3”代表嚴(yán)重。

2.2 評(píng)價(jià)過(guò)程

本次評(píng)價(jià)采用Fisher判別分析方法。該法將72個(gè)單元的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)視為72組6元向量，將它們投影到某一個(gè)方向，使得投影后具有某個(gè)相同特性的向量相互聚集，不同特性的向量盡可能地放開(kāi)形成向量組，然后再選擇合適的判別規(guī)則，將新的向量組進(jìn)行分類判別[19]。按照Fisher判別分析方法的原理和計(jì)算步驟[20]，采用SPSS分析軟件對(duì)表2中評(píng)價(jià)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了判別函數(shù)的各項(xiàng)系數(shù)(表3)，建立新疆地區(qū)非金屬礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度評(píng)價(jià)的Fisher判別模型。

將表3中所得的Fisher判別函數(shù)各項(xiàng)系數(shù)建立兩個(gè)線性判別函數(shù)表達(dá)式，見(jiàn)式(1)和式(2)。

y1=6.82X1+0.009X2+0.072X3-0.001X4-

0.001X5+0.004X6-2.93

(1)

y2=7.769X1+0.098X2-0.151X3+0.02X4-

0.001X5-0.007X6+1.294

(2)

將每個(gè)評(píng)價(jià)單元的指標(biāo)值帶入式(1)和式(2)，得到其對(duì)應(yīng)的函數(shù)值。最后根據(jù)所得評(píng)價(jià)單元函數(shù)值與各判別函數(shù)在各組別的中心值(表4)的平方距離來(lái)判別某一單元?dú)w屬哪一組別。

表3 Fisher判別函數(shù)各項(xiàng)系數(shù)

本次評(píng)價(jià)的72個(gè)參評(píng)單元均被判別函數(shù)清晰區(qū)分開(kāi)，見(jiàn)圖1。其中第1類的全部樣本點(diǎn)聚集程度高，分類效果好；第2類和第3類樣本在其中心值附近的聚集程度相對(duì)要差，在分組時(shí)有可能會(huì)產(chǎn)生誤判。

表4 Fisher判別函數(shù)在各類別的中心值

圖1 第1判別函數(shù)和第2判別函數(shù)的分組示意圖

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分析

通過(guò)計(jì)算分析每一類別6個(gè)指標(biāo)的平均值(表5)可以看出，這些指標(biāo)值隨著地質(zhì)環(huán)境影響嚴(yán)重程度等級(jí)的提高而單調(diào)遞增。這說(shuō)明了所選指標(biāo)均可主導(dǎo)礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度評(píng)價(jià)結(jié)果，與地質(zhì)環(huán)境影響程度等級(jí)關(guān)聯(lián)性大，且符合礦山地質(zhì)環(huán)境防治費(fèi)用估算變化規(guī)律，指標(biāo)選取合理。

表5 6項(xiàng)指標(biāo)與礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度等級(jí)關(guān)系表

3.2 分類結(jié)果分析

此次建立的評(píng)價(jià)模型分類結(jié)果為：21個(gè)評(píng)價(jià)單元地質(zhì)環(huán)境影響程度為“嚴(yán)重”，相對(duì)應(yīng)的礦山設(shè)施主要包括露天采坑、廢石場(chǎng)等；20個(gè)評(píng)價(jià)單元其地質(zhì)環(huán)境影響程度為“較嚴(yán)重”，主要包括小的露天采坑和廢石場(chǎng)及排土場(chǎng)；31個(gè)評(píng)價(jià)單元其地質(zhì)環(huán)境影響程度為“較輕”，主要包括生活區(qū)、爆破器材庫(kù)區(qū)和垃圾填埋場(chǎng)等礦山設(shè)施。對(duì)72個(gè)評(píng)價(jià)單元利用回代估計(jì)法進(jìn)行檢驗(yàn)，正確率達(dá)98.6%，只有9號(hào)樣本——烏魯木齊達(dá)坂城托蓋索洛石灰石礦露天采坑4結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不符，該樣本根據(jù)規(guī)范分類為“2”或“3”均可，考慮到其挖損深度達(dá)到95 m且其地質(zhì)環(huán)境防治費(fèi)用估算也達(dá)到了112萬(wàn)元，所以將其定為“3”，即嚴(yán)重。因此，該評(píng)價(jià)模型的分類結(jié)果總體上符合礦山實(shí)際。

4 評(píng)價(jià)模型的檢驗(yàn)

對(duì)新疆哈密市褲子山飾面石材花崗巖礦9個(gè)礦山單元采用上述建立的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境影響程度評(píng)價(jià)。該礦位于哈密市207°方向，直徑距離約147 km處，采用露天開(kāi)采方式，礦區(qū)范圍內(nèi)圈定2個(gè)花崗巖礦體，開(kāi)采境界圈定結(jié)果為兩個(gè)采礦場(chǎng)：①號(hào)礦體為Ⅰ號(hào)采場(chǎng)；②號(hào)礦體為Ⅱ號(hào)采場(chǎng)。礦山布局包括3處原有廢石堆放場(chǎng)、2處露天采坑、擬建廢石場(chǎng)、生活區(qū)、爆破器材庫(kù)區(qū)和垃圾填埋場(chǎng)等(圖2)，各評(píng)價(jià)單元具體實(shí)測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表6。

將表6中的9個(gè)評(píng)價(jià)單元的各指標(biāo)數(shù)值通過(guò)模型計(jì)算分類得出了評(píng)價(jià)結(jié)果(表7)。該礦山9個(gè)評(píng)價(jià)單元的地質(zhì)環(huán)境影響程度分級(jí)結(jié)果與按規(guī)范分類的結(jié)果一致，且更加準(zhǔn)確、唯一。經(jīng)驗(yàn)證，該評(píng)價(jià)模型分類效果理想，比之使用規(guī)范評(píng)價(jià)方法優(yōu)越性明顯。

圖2 新疆哈密市褲子山飾面石材花崗巖礦各礦山設(shè)施布局示意圖

序號(hào)評(píng)價(jià)單元地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生規(guī)模X1/(104m3)地質(zhì)災(zāi)害危害程度X2/人挖損或壓占破壞后地面主導(dǎo)坡度X3/(°)挖損最大深度或壓占堆積物最大高度X4/m挖損體積或堆積物體積X5/(104m3)礦山設(shè)施挖損或壓占土地的面積X6/hm21Ⅰ號(hào)采場(chǎng)0．5622553578．634．372Ⅱ號(hào)采場(chǎng)0．4822553527．311．833擬建廢石場(chǎng)0．52153023119．327．24辦公生活區(qū)003000．55垃圾填埋場(chǎng)00330．360．126爆破器材庫(kù)004000．37原廢石堆1003530．3450．248原廢石堆2003040．3870．289原廢石堆3004030．5980．53

注：表中數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)地考察測(cè)量、土地復(fù)墾報(bào)告、礦山地質(zhì)報(bào)告、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用方案、礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)方案等綜合成果。

表7 新疆哈密市褲子山飾面石材花崗巖礦各評(píng)價(jià)單元地質(zhì)環(huán)境影響程度評(píng)價(jià)結(jié)果

注：“1”表示較輕區(qū)；“2”表示較嚴(yán)重區(qū)；“3”表示嚴(yán)重區(qū)。

4 結(jié) 論

1) 選取了礦山開(kāi)采引發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模、地質(zhì)災(zāi)害威脅人員數(shù)量、礦山設(shè)施挖損或壓占破壞土地后地面主導(dǎo)坡度、挖損最大深度或壓占堆積物最大高度、挖損體積或堆積物體積、損毀土地面積6個(gè)易量化因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定了相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符度高。

2) 此次建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與規(guī)范評(píng)價(jià)法相比，其指標(biāo)因子更易量化，最大程度減少了人為的影響，優(yōu)越性顯著。而且此評(píng)價(jià)體系更加貼合新疆地區(qū)非金屬礦山地形地貌破壞嚴(yán)重、含水層影響較小的實(shí)際環(huán)境情況，對(duì)新疆地區(qū)非金屬礦山地質(zhì)環(huán)境治理具有極大的指導(dǎo)意義。

3) 因礦山資料有限，樣本數(shù)目具有一定的局限性。此次礦山評(píng)價(jià)單元均沒(méi)有出現(xiàn)礦山涌水，故該模型不適用于非金屬礦山開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)礦山涌水情況的地質(zhì)環(huán)境影響程度評(píng)價(jià)。

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