基于遙感的露天煤礦集中區地質環境灰關聯評價
——以準格爾煤田為例

高俊華，劉莎莎，楊金中，趙明鵬，劉欣悅，鄒聯學

(1.湖南省地質環境監測總站，長沙 410007； 2.湖南省自然資源事務中心，長沙 410004; 3.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

礦山地質環境問題是礦產資源開發活動產生或加劇的地質環境惡化的現象，主要包括地質災害(崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫)、含水層破壞、地形地貌景觀破壞、土地資源破壞等[1]。礦山地質環境評價是在礦山地質環境調查的基礎上，依據相關標準，采用定量或半定量方法，評定礦山地質環境問題的影響程度，分析礦山地質環境問題的成因及變化趨勢，提出礦山地質環境問題防治對策[2]。

影響礦山地質環境評價的因素很多，不同因素引發的問題和程度各異。前人研究了綜合評判法、網格法、矢量多邊形法、模糊綜合評判法、集對分析法等多種礦山地質環境評價方法[3-6]，鄭麗媛等[7]對這些方法做了對比分析，發現各有其優勢和局限。灰色關聯分析法(以下簡稱灰關聯法)也已成功運用于土地質量、地表水質量、生態環境、地質災害等評價領域[8-12]。黃永泉等[13]基于灰關聯法求得了各礦山環境背景因子和危害因子的關聯度，確定了江西省礦山的環境質量等級； 劉方[14]用灰關聯的模糊層次組合法開展了單座礦山的地質環境評價； 焦明連[15]以礦山環境主要污染物為評價指標，用灰色聚類分析得出山西省大中型礦區環境影響等級。上述研究的評價因子多以復雜的地面調查實測數據為主。在地面常規手段調查基礎上，自然資源部(原國土資源部)自2003年開始利用高分辨率光學衛星數據實施了礦山地質環境遙感調查與監測工作，至2017年已形成了每年一度的整套全國性遙感監測成果[16-21]，產生了一系列的理論創新和技術進步[22-25]。馬世斌等[26]和趙玉靈[27]采用網格和層次分析組合法，利用綜合收集的資料和遙感監測的數據，開展了礦山地質環境評價方法探討。但該方法也有其不足之處，如資料的現勢性、完整度和準確度問題，以及網格法受人為影響較多[7]等因素，加之光學遙感影像限于地表的特性，遙感平面面積與真實面積存在些許誤差[28]，所以在基礎資料相對不完整，或地面調查不夠全面的情況下，如何充分利用大量已掌握的全國性遙感監測成果，在較大區域范圍內進行礦山地質環境評價，求取指示性環境評價等級分區，具有重要的現實意義。

本文擬選取準格爾露天煤田為研究區，嘗試利用灰關聯法，對已知的礦山占用或損毀土地資源、礦山地質災害、礦山環境污染等一些特征指標進行測定并量化，定出等級； 再將部分已知信息和部分未知信息納入灰色系統，求出不同對象(礦山)的因子之間空間序列的相似或相異程度，即灰關聯度； 依據灰關聯度大小，劃分礦山地質環境評價等級分區，為區域礦山環境恢復治理提供決策依據，并為更大范圍的礦山地質環境評價提供參考。

1 研究區概況

準格爾煤田是亞洲最大的露天煤礦，位于內蒙古準格爾旗、清水河縣和山西偏關縣及河曲縣的交界處，地處黃土高原邊緣地區，丘陵起伏，溝壑縱橫(圖1)。

圖1 準格爾煤田礦區分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the miningarea of Zhungeer Coalfield

大地構造位置位于祁呂賀山字型東翼馬蹄形盾地東緣，亦即新華夏系第三拗陷帶中段-陜甘寧盆地東北邊緣。北部靠近陰山巨型緯向構造帶?；緲嬙煨螒B為一走向NNE、傾向W的單斜構造，其構造簡單，傾角平緩，一般小于10°。褶皺十分寬緩，次一級的波狀起伏較為發育。除南部邊界有一條較大斷層外，區內斷層稀疏，斷距一般不大，以正斷層為主。無火成巖活動[29]。

煤田具有儲量大、煤層厚、埋藏淺、地質構造簡單、適合露天開采的特性。煤種為中灰硫長焰煤，熱量大，是工業動力的優質煤。已探明總面積約為1 723 km2，煤田總儲量約為362億t。

目前設置有露天煤礦采礦權16個，其中，位于準格爾旗境內11個，清水河縣3個，偏關縣和河曲縣各1個(表1)。露天煤田開采總規模6 550萬t/a，其中大型煤礦3個，中型煤礦9個，小型煤礦4個。礦山已開采年為2～12 a不等。

表1 準格爾煤田露天采礦權設置情況一覽表Tab.1 List of open-pit mining rights in Zhungeer Coalfield

區內煤田露天開采使得大量巖土剝離、堆積和擾動，破壞自然狀態下的穩定和平衡，致使土壤侵蝕加劇。植被破壞、黃土地表裸露、人口增加等因素都加重對土地的壓力，從而導致沙漠化的擴大和發展。采掘坑和排土場出現人工滑坡，或誘發自然滑坡，改變了地面水系現狀，推擠河道，影響交通，損毀耕地等農用地，影響生產并危及人身安全[30]。礦區的生產和生活活動將大量的廢棄物排放到環境中，并擴散、遷移和轉化，形成了大氣污染、廢水污染、廢渣污染和噪聲污染[31]。羅振華[32]應用綜合預測法對準格爾煤田進行了開發前的土地沙漠化趨勢預測及開發后的土地沙漠化面積估算和土壤風蝕量計算。

2 評價指標體系建立

礦山地質環境評價指標體系是礦山地質環境綜合評價的根本條件和理論基礎，也是核心和關鍵環節。依據指標體系可以確定一個地區的主要礦山環境問題，通過其總體效應來反映被評價礦區的生態環境總體狀況。環境指標的選擇，應覆蓋適當的時空范圍，反映多環境因素，并使指標提供的結果客觀準確，反映的礦山環境信息量最大化，所用的時間和成本最小化。

本文確定的礦山地質環境評價指標體系包括3個層次： ①要素層： 分為土地資源壓占和損毀、礦山地質災害及礦山環境污染3個要素； ②指標層： 即每一要素包括若干個指標，如礦山地質災害要素包括崩塌-滑坡-泥石流(以下簡稱崩滑流)和地面塌陷-地裂縫(以下簡稱陷裂)2個指標； ③因子層： 每一個指標都可以用1個(或多個)因子來表征，如土地資源損毀包括固體廢棄物、采場、礦山建筑等因子(圖2)。

圖2 礦山地質環境評價指標體系Fig.2 Evaluation index system ofmine geological environment

參照國家和地方行業標準《DZ/T 0223—2011》、《DD2014—05》和《DB43/T 1042—2015》[33]，按礦山地質環境指標數值，結合研究區實際情況，在聽取有關專家意見的基礎上，確定礦山地質環境評價指標相應等級為： 影響嚴重區(Ⅳ級)、影響較嚴重區(Ⅲ級)、影響一般區(Ⅱ級)和無影響區(Ⅰ級)。

在各指標中，當某一指標只有一個因子時，該因子數值的評定等級就是該指標的評定等級。如果某指標可用若干因子表示，則應選定這些因子數值評價等級中表征地質環境評價最嚴重者為該指標的評定等級。在對水污染、土壤污染等不進行取樣化驗的時候，其污染等級的劃分，采用污染影響范圍來描述指標等級。

礦山地質環境由多種因素決定，因此選擇評價因子要能整體上反映礦山地質環境，其評價結果才具有科學性、客觀性和可比性等。因此，在分析不同開發類型、不同影響對象和程度的礦山環境問題的基礎上，本次研究按指標類型分別制定量化指標，確定權重，構建一個由壓占或損毀土地、地質災害和環境污染組成的準則層，5項指標構成指標層，采用有關數學評價原理建立多指標、多層次、多階段的分類因子綜合評價模型(目標層) (表2)。因子等級參照國家和地方行業標準確定。

表2 礦山地質環境評價指標等級Tab.2 Evaluation index levels of mine geological environment

3 灰關聯法及改進

3.1 方法原理

灰關聯法是根據比較數列與參考數列的關聯情況確定樣本的評價級別的方法。設有參考數列{X0(k)}, 比較數列{Xi(k)}； 綜合各點(k= 1, 2, …,n)的關聯系數, 得到整個比較數列{Xi(k)}與參考數列{X0(k)}的關聯度, 關聯度最大者, 說明參考數列與之關聯性最好, 相應得到該樣本的評價級別[8]。具體步驟為：

1)以礦山環境評價指標權重值為參考序列(X0)，以n座礦山的數據為比較序列(Xi，i= 1, 2, …,n)。

2)無量綱化。使用均值化方法對數據進行無量綱化，即用每組序列的平均值去除每個數，得到一個占平均值百分比為多少的數列。

3)求差序列、最大差和最小差： 以X0與Xi各對應點之差值的絕對值構成差序列,并找出序列內、序列間二級最大差和最小差。

4)根據灰關聯度公式，求每組數據的灰關聯系數、灰關聯度r，并依據關聯度進行排序。計算公式如下：

若參考數列為X0，比較數列(因子數列)為Xi，i=1, 2, …,n，則

X0={X0(1),X0(2),…，X0(n),}，

(1)

Xi={Xi(1),Xi(2),…，Xi(n),}。

(2)

則X0和Xi在第k點的關聯系數為：

(3)

式中： │X0(k)-Xi(k)│=Δi(k)，為X0數列與數列在第k點的絕對差； minimink│X0(k)-Xi(k)│為二級最小差，其中mink│X0(k)-Xi(k)│為第一級最小差，表示Xi數列與X0數列對應點的差值中的最小差； 而minimink│X0(k)-Xi(k)│為第二級最小差，表示在第一級最小差的基礎上，再找出其中的最小差； maximaxk│X0(k)-Xi(k)│為二級最大差；ρ為分辨系數，在0～1之間取值，一般取0.5。則比較數列Xi與參考數列X0的關聯度γi為：

(4)

3.2 方法改進

3.2.1 人工插值

當某礦山中某一參評因子數值為空缺時，無量綱化處理不能應對所有數列。此時采用人工插值法，以該組序列平方和的倒數為值賦予該參評因子。這樣既賦予了空值一個很小的數，防止信息損失，又不對該組序列的灰關聯計算形成干擾性影響。

3.2.2 分級加權

在無量綱化之前，對各礦山的參評因子數值參照表2設定的因子等級進行分級加權，目的是增加因子之間的對比度，從而提高灰關聯法的可分辨性。則Fi=αXi，得出分級加權后的比較序列Fi，其中α為因子等級，α在{0.2，0.4，0.6，0.8}中按影響程度取值。

4 評價結果

利用2019年GF-2衛星遙感正射影像獲取了準格爾煤田16座露天煤礦的礦山地質環境遙感監測信息，輔以部分現場調查驗證，得出研究區監測成果(表3)。

表3 準格爾煤田露天煤礦地質環境遙感監測成果統計Tab.3 Statistics of remote sensing monitoring results of the geological environment of Zhungeer Coalfield open-pit coal mine

(續表)

采用灰關聯法，對研究區礦山地質環境的關聯度進行計算，結果見表4。

表4 準格爾煤田礦山地質環境灰關聯評價結果Tab.4 Gray correlation evaluation results of thegeological environment of Zhungeer Coalfield

從表4可以看出，研究區內16座露天煤礦山的地質環境嚴重程度為由大到小依次為： 匯隆>蒙祥>梁家磧>天賜源>魏家峁>廳子堰>劉胡梁>黑岱溝>哈爾烏素>金正泰>召富>永勝>崔二圪咀>宏燃>華富>正仁。

分析表4中各礦山的灰關聯平均值，繪制成如圖3所示的變化趨勢線，可見趨勢線明顯呈三個階梯。根據礦山地質環境嚴重程度，將研究區劃分為影響嚴重區(Ⅳ級)、影響較嚴重區(Ⅲ級)、影響一般區(Ⅱ級)和無影響區(Ⅰ級)4個等級。

圖3 準格爾煤田礦山灰關聯平均值趨勢Fig.3 Trend of ash-associated averagesof mines in Zhungeer Coalfield

因此可得出礦山地質環境評價等級，即，影響嚴重區有匯隆、蒙祥和梁家磧3座礦山，影響較嚴重區有天賜源、魏家峁、廳子堰、劉胡梁、黑岱溝5座礦山，影響一般區有哈爾烏素、金正泰、召富、永勝、崔二圪咀、宏燃、華富和正仁8座礦山，其他非礦山地區為無影響區。礦山地質環境評價等級分區如圖4所示。

圖4 準格爾煤田礦山地質環境評價分區Fig.4 Zone map of geological environmentassessment in Zhungeer Coalfield

5 結論與建議

1)當影響礦山地質環境評價的因子不能完全確定時，可以對一些質量特征指標(如地物類型、面積、規模等)進行測定和量化，并定出等級，再采用灰關聯法進行綜合評價。本文研究的礦山地質環境是由部分已知信息、部分未知信息組成的灰色系統，在理論上具有可行性。

2)人工插值初步解決了通過遙感手段監測成果中某項礦山地質環境因子為空值的問題，但該方法原理的合理性仍需進一步探討； 分級加權提高了灰關聯評價的可分辨性，也使得評價結果更趨于實際。

3) 準格爾煤田礦山地質環境影響嚴重區有3座礦山，影響較嚴重區有5座礦山，影響一般區有8座礦山，其他非礦山地區為無影響區。評價結果相對客觀地反映出了研究區露天煤礦山地質環境的現狀。以礦山為單元、礦山要素為因子的灰關聯法在礦山地質環境評價中的應用已取得實效，但在更大范圍的適用性，有待持續開展深入研究。