礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價研究

李辰罡，王學(xué)治，趙騰云，牛瑞鵬

（中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北石家莊 050000）

我國社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國的建設(shè)以及工業(yè)化、信息化的發(fā)展均離不開礦產(chǎn)資源開發(fā)，由于對礦產(chǎn)資源的依賴程度較高，往往使得某一礦區(qū)開發(fā)規(guī)模和開發(fā)深度較大，從而使該區(qū)域產(chǎn)生礦山下陷、垮塌、環(huán)境水源污染等較為嚴(yán)重的地質(zhì)問題和環(huán)境問題[1-2]。隨著“十八大”提出的加大自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，礦區(qū)、礦山的地質(zhì)環(huán)境和自然環(huán)境恢復(fù)成了目前研究的熱點問題，由于全國各地各個礦山開發(fā)程度的不同，因此針對礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)的難度也不相同[3]。想有針對性地對各個礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)治理的前提是要了解各個礦山受開采造成的地質(zhì)問題的程度大小[4]，因此需要針對礦山的地質(zhì)環(huán)境做出評價[5]。但在目前的規(guī)范和指導(dǎo)文件中，尚未給出明確、有效的礦山地質(zhì)環(huán)境評價體系框架和評價指標(biāo)。對于礦山地質(zhì)環(huán)境的評價，不少學(xué)者嘗試過構(gòu)建評價體系和評價模型，如，王洋[6]考慮到傳統(tǒng)評價礦山環(huán)境的常權(quán)模型不能反映礦山內(nèi)部指標(biāo)的差異性，因此通過潞安礦區(qū)為實例借助變權(quán)模糊綜合法對礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價，并構(gòu)建了礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價體系，通過與傳統(tǒng)的常權(quán)評價法進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)變權(quán)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(rèn)為礦山地質(zhì)評價中的指標(biāo)權(quán)值和評價分級具有加大的主觀性，因此提出了證據(jù)權(quán)法的礦山環(huán)境評價體系，采用GIS提取地質(zhì)環(huán)境評價指標(biāo)，采用證據(jù)權(quán)法進(jìn)行權(quán)值計算，并通過贛南稀土礦山進(jìn)行實際評價分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)稀土礦山內(nèi)地質(zhì)環(huán)境差區(qū)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(jié)果更為客觀。但由于礦山的種類不同且各地地質(zhì)環(huán)境差異性較大，使得上述的評價體系或評價方法應(yīng)用范圍較為單一，地域制約性較強(qiáng)，使其不能廣泛地應(yīng)用于實際礦山地質(zhì)環(huán)境評價之中。

本文以陜西省渭南市曹村鎮(zhèn)礦山為研究對象，結(jié)合直覺模糊決策和優(yōu)劣解距離法，構(gòu)建礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價模型，并基于實際礦山對評價模型進(jìn)行有效性分析，為礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)政策提供一定的參考依據(jù)。

1 研究概況

曹村鎮(zhèn)位于陜西省渭南市西北部，該地發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)資源32 種，其中已探明儲量的礦產(chǎn)為21 種，該地儲量最大的礦產(chǎn)以石灰?guī)r礦為主，石灰?guī)r礦儲量位居渭南市前列，并有較為完整的石灰?guī)r礦開發(fā)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(fā)。目前當(dāng)?shù)刈?011年起到2020在開發(fā)、開發(fā)完成或政策性關(guān)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(zhuǎn)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?guī)r礦山，其中石灰?guī)r、建筑用砂巖和粘土礦等礦物的開發(fā)總量約為1186×104t/a。

但由于長期開發(fā)和管理不善和設(shè)備的更新不及時，使得當(dāng)?shù)匦纬纱笃穆短斓V場，嚴(yán)重占用土地資源且產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的地質(zhì)問題。由于過度開發(fā)，使得當(dāng)?shù)氐叵潞畬咏Y(jié)構(gòu)遭到破壞，地下水出現(xiàn)下降疏干等現(xiàn)象，地下水下降總面積達(dá)36.2km2，造成當(dāng)?shù)鼐用耧嬎N植困難。此外由于開采規(guī)模大，當(dāng)?shù)氐V山發(fā)生次生地質(zhì)災(zāi)害的概率較高，目前當(dāng)?shù)氐闹饕刭|(zhì)災(zāi)害類型包含變形、塌陷、裂縫和滑坡等，并且此類災(zāi)害現(xiàn)象在礦區(qū)內(nèi)更為明顯。在礦山采空區(qū)，地面下沉和裂縫現(xiàn)象較為嚴(yán)重和普遍，發(fā)生的次生地質(zhì)災(zāi)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(shù)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(biāo)轉(zhuǎn)化為后續(xù)模型計算所需的定性指標(biāo)，本文采用三角模糊數(shù)法進(jìn)行轉(zhuǎn)化。首先將指標(biāo)轉(zhuǎn)化為三角模糊數(shù)：

式中：a——模糊數(shù)的上限；

b——可能性最大值；

c——模糊數(shù)下限。

基于各專家的評價結(jié)果重要程度，對其評價進(jìn)行權(quán)重賦值：

式中：ω——權(quán)重向量；

ωn——第n位專家的評價權(quán)重。

由聯(lián)立式（1）、式（2）便可以將三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為所需的定性指標(biāo)結(jié)果：

2.2 改進(jìn)序關(guān)系法

在確定所需的定性指標(biāo)值后，需要確定定性指標(biāo)值所占整體的權(quán)重大小，傳統(tǒng)的權(quán)重確定法在確定權(quán)重后還需對一致性進(jìn)行檢驗，因此本文為了便于計算，采用改進(jìn)序關(guān)系法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重確定，首先設(shè)定評價指標(biāo)：

再根據(jù)專家對指標(biāo)評價的重要程度排序：

根據(jù)順序分別對指標(biāo)賦予權(quán)重比值rk，權(quán)重比值rk根據(jù)貢獻(xiàn)程度的不同取值在[1.0,1.8]。并分別確定一、二級指標(biāo)的權(quán)重，其權(quán)重系數(shù)ωk通過下式計算：

2.3 直覺模糊賦權(quán)

由于權(quán)重的確定對整體結(jié)果的影響性關(guān)系較大，而在實際確定過程中，由于受樣本的影響，權(quán)重賦予的準(zhǔn)確程度不一且往往受人為主觀因素影響較大，為了保證權(quán)重賦予的客觀性，本文采用直覺模糊集（IFS）賦權(quán)法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的最終確定。利用前文使用的改進(jìn)序關(guān)系法得到的主觀權(quán)重ωk，確定不同評價指標(biāo)之中的權(quán)重整體取值范圍大小，例如若確定某項指標(biāo)的權(quán)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(quán)重的大小則可以表示為：

2.4 評價模型

確定權(quán)重之后，為了保證評價模型所得出評價的準(zhǔn)確性，在直覺模糊集（IFS）方法的基礎(chǔ)之上，本文采用優(yōu)劣解距離法（TOPSIS）構(gòu)建礦山地質(zhì)環(huán)境評價模型。首先對評價指標(biāo)X進(jìn)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(shù)；

nA——A的非隸屬度函數(shù)。

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

根據(jù)加權(quán)模糊矩陣F求出其正負(fù)理想解A+為：

加權(quán)模糊矩陣F的負(fù)理想解A-為：

通過計算各個指標(biāo)和其正負(fù)理想解的歐幾里德距離得到正負(fù)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(biāo)為：

3 案例分析

3.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

為了對上文建立的礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價模型進(jìn)行有效性分析，本文選取于陜西省渭南市西北部的曹村鎮(zhèn)礦山為研究對象，該地區(qū)礦山以產(chǎn)灰?guī)r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(qū)域及礦山分布位置

由于該地區(qū)礦山分布位置不同，因此針對上述礦山的評價指標(biāo)，應(yīng)盡可能結(jié)合每座礦山的實際生產(chǎn)情況為主進(jìn)行選取，由于所研究的區(qū)域礦山過度開采造成的問題主要包含地質(zhì)災(zāi)害隱患、土地耕地占用等問題，因此在進(jìn)行一級指標(biāo)劃分時可以將礦山的自然地理、礦山開發(fā)、土地破壞、地質(zhì)災(zāi)害劃分為評價體系的一級指標(biāo)；在一級指標(biāo)的基礎(chǔ)之上，將礦山地質(zhì)環(huán)境、周邊景觀破壞程度、交通干線破壞程度、礦山規(guī)模、開采強(qiáng)度、廢棄物數(shù)量、露天面積、工業(yè)廣場面積、廢石（土、渣）堆積面積、破壞土地類型、生態(tài)修復(fù)面積、礦山地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模等12 項依次標(biāo)記為X1,X2,…,X12，并作為評價體系的二級指標(biāo)。

3.2 礦山地質(zhì)環(huán)境評價

由于本文的礦山地質(zhì)環(huán)境評價體系中共有X1,X2,…,X12共計12 個二級指標(biāo)，其中包含X1、X2、X3、X10和X12共5個定性指標(biāo)。根據(jù)前文三角模糊數(shù)法提出其定性指標(biāo)的三角模糊數(shù)。X1、X2、X3指標(biāo)三角模糊數(shù)指標(biāo)定性結(jié)果如表1所示。X10和X12三角模糊數(shù)指標(biāo)定性結(jié)果如表2所示

表1 X1、X2、X3三角模糊數(shù)指標(biāo)定性結(jié)果

表2 X10和X12三角模糊數(shù)指標(biāo)定性結(jié)果

根據(jù)礦山的實際情況，對礦山的地質(zhì)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，由曹村鎮(zhèn)各處礦山的情況將其劃分為無影響區(qū)域、一般影響區(qū)域、嚴(yán)重影響區(qū)域和非常嚴(yán)重影響區(qū)域，并根據(jù)礦山質(zhì)量的不同，對評價指標(biāo)進(jìn)行隸屬度劃分，其中定性指標(biāo)X1、X2、X3、X10和X12劃分為[0，0.333）、[0.333，0.667）、[0.667，1）。在此基礎(chǔ)之上建立加權(quán)模糊矩陣并根據(jù)公式（12）計算出最終的曹村鎮(zhèn)礦山地質(zhì)環(huán)境評價結(jié)果如表3所示。

3.3 實際結(jié)果分析

以2011~2020年的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行遙感調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果得到了太白山石灰?guī)r礦山占地結(jié)果和礦山占地統(tǒng)計結(jié)果。

結(jié)合圖2和圖3可以看出，當(dāng)?shù)氐V山占地情況在10年間呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，并在2018 年礦山占地總面積達(dá)到峰值，使得這一時期大量土地資源被占用，造成地質(zhì)地貌的嚴(yán)重破壞。在規(guī)劃發(fā)布之后有效減少了礦山和礦區(qū)的各個部分的占地面積，在一定程度上體現(xiàn)了礦山地質(zhì)環(huán)境治理取得的成效。

圖2 太白山遙感調(diào)查結(jié)果

圖3 曹村鎮(zhèn)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(zhèn)礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行評價并得到了圖4 所示的結(jié)果。從圖中可以看出在2011~2020 年期間當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境質(zhì)量總體呈現(xiàn)下降趨勢，但在2017~2020年間相對貼進(jìn)度變化較小，表明在2017~2020 年間礦山地質(zhì)環(huán)境偏向穩(wěn)定，甚至偏好的方向發(fā)展，此結(jié)論和前文遙感調(diào)查結(jié)果相符。

圖4 曹村鎮(zhèn)礦山地質(zhì)環(huán)境評價結(jié)果

4 結(jié)論

本文以陜西省渭南市曹村鎮(zhèn)礦山為研究對象，結(jié)合直覺模糊決策和優(yōu)劣解距離法，構(gòu)建礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價模型，并基于實際礦山對評價模型進(jìn)行有效性分析，并得出了如下結(jié)論：

（1）通過對2011年、2014年、2017年和2020年的曹村鎮(zhèn)礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行評價發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境變化呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，此過程與遙感調(diào)查結(jié)果相符，驗證了評價模型的有效性和實用性。

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