基于GIS的北京市礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)

徐慶勇

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

基于GIS的北京市礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)

徐慶勇

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

采用加權(quán)綜合指數(shù)法，基于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，綜合評價(jià)了北京市礦山地質(zhì)環(huán)境并對成因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：北京市礦山地質(zhì)環(huán)境呈現(xiàn)不平衡的空間分布特征，較差區(qū)分布在西南部（位于門頭溝和房山區(qū)內(nèi)）及北部（位于密云縣和懷柔區(qū)內(nèi)），占需治理礦山面積的50.8%；一般區(qū)除分布在西南部（位于房山區(qū)內(nèi)）外，在中部（位于昌平、平谷、懷柔、順義和密云縣內(nèi)）也有大面積分布，占需治理礦山面積的41.5%；較好區(qū)在西北（位于懷柔區(qū)和延慶縣內(nèi)）、西南（位于房山區(qū)內(nèi)）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(dǎo)致礦山地質(zhì)環(huán)境較差區(qū)形成的主要成因指標(biāo)有礦山未治理面積小和巖土體工程地質(zhì)條件差；主要結(jié)果表現(xiàn)指標(biāo)有占用破壞土地面積大和危害與損失情況嚴(yán)重。

礦山地質(zhì)環(huán)境；地理信息系統(tǒng)；北京市

0 前言

伴隨礦產(chǎn)資源的開發(fā)，地質(zhì)災(zāi)害、地下含水層破壞、地形地貌景觀破壞等諸多礦山地質(zhì)環(huán)境問題日益突出。保護(hù)礦山地質(zhì)環(huán)境，對其進(jìn)行科學(xué)、正確的評價(jià)越發(fā)引起有關(guān)部門和人員的重視。相關(guān)單位和研究者開展了大量的礦山地質(zhì)環(huán)境評價(jià)的理論研究和實(shí)踐，獲得了許多有益的成果，如丁麗等［1］對隴南金礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行的綜合評價(jià)；高培［2］對葫蘆島礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行的綜合評價(jià)；中國地質(zhì)調(diào)查局開展的以省為單元的全國礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評價(jià)工作等。但從目前看，礦山地質(zhì)環(huán)境評價(jià)中還存在一些局限，如在評價(jià)內(nèi)容方面，還主要側(cè)重于礦業(yè)活動(dòng)引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題，較少考慮人類對礦山地質(zhì)環(huán)境改善的積極行為；在評價(jià)手段方面，地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)還未能在地質(zhì)環(huán)境評價(jià)中廣泛應(yīng)用，使得評價(jià)結(jié)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(tài)環(huán)境備受關(guān)注。北京礦產(chǎn)資源比較豐富，礦產(chǎn)開采歷史悠久。礦產(chǎn)資源開發(fā)是一種人地系統(tǒng)相互作用最強(qiáng)烈、使自然環(huán)境遭受到人類高強(qiáng)度干擾的脅迫型活動(dòng)［3］，因此在長期的礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中，對地質(zhì)環(huán)境造成較大破壞，產(chǎn)生了一系列礦山地質(zhì)環(huán)境問題，導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量下降，而地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量深刻地影響著人體和生物的健康狀況以及本地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。礦山地質(zhì)環(huán)境評價(jià)可以客觀地認(rèn)識地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及分布狀況，對合理開發(fā)利用礦產(chǎn)資源，遏制生態(tài)退化，促進(jìn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，有必要對北京市礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行綜合評價(jià)。

伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的ArcGIS具有強(qiáng)大的空間信息處理、分析、存貯和管理功能；能夠?qū)崿F(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的匹配連接；能夠提供完整的制圖和輸出功能，使評價(jià)結(jié)果以可視化圖的形式表達(dá)［4］。本文基于ArcGIS，定量評價(jià)了北京市的礦山地質(zhì)環(huán)境，并分析各等級礦山地質(zhì)環(huán)境成因, 以期為該地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)及礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 評價(jià)方法

1.1 評價(jià)指標(biāo)的選取

北京市礦山地質(zhì)環(huán)境問題是特定的自然背景和較強(qiáng)烈的人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。從引起礦山地質(zhì)環(huán)境問題的原因（稱之為成因指標(biāo)）及問題的表現(xiàn)狀況和特征（稱之為結(jié)果表現(xiàn)指標(biāo)）兩方面選取評價(jià)指標(biāo)。

礦山地質(zhì)環(huán)境問題與自然背景密切相關(guān)，同時(shí)受人類活動(dòng)的深刻影響。地形地貌和巖土體工程地質(zhì)條件是礦山地質(zhì)環(huán)境問題產(chǎn)生的重要自然背景，是地質(zhì)環(huán)境問題產(chǎn)生的重要因素，它們從不同方面、不同程度地影響著地質(zhì)環(huán)境問題的發(fā)生、發(fā)展；采礦方式和礦山地質(zhì)環(huán)境治理情況是影響礦山地質(zhì)環(huán)境問題產(chǎn)生及存在狀態(tài)的重要人類活動(dòng)。不同的采礦方式引起的地質(zhì)環(huán)境問題的數(shù)量、規(guī)模、表現(xiàn)方式不同，表明了人類活動(dòng)的直接影響；礦山地質(zhì)環(huán)境治理情況表明當(dāng)前用于改善礦山地質(zhì)環(huán)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(zhì)環(huán)境狀況。因此，這些指標(biāo)作為成因指標(biāo)。

全面考慮目前北京市存在的各種礦山地質(zhì)環(huán)境問題，選取其中起主導(dǎo)作用、具典型性、代表性的因子，同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)的可獲得性，選取關(guān)鍵性因子用于礦山地質(zhì)環(huán)境評價(jià)。破壞影響對象、采空區(qū)面積、占用破壞土地面積、災(zāi)害數(shù)量、災(zāi)害規(guī)模、危害與損失這些指標(biāo)表明了礦產(chǎn)資源開采對地質(zhì)環(huán)境影響、破壞的狀況和程度，它們表明了礦產(chǎn)資源開采所造成的后果，因此，這些指標(biāo)作為結(jié)果表現(xiàn)指標(biāo)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

所用數(shù)據(jù)全部來源于全市范圍內(nèi)礦山的實(shí)地調(diào)查。

首先對調(diào)查所得數(shù)據(jù)使用ArcGIS軟件加載。調(diào)查所得數(shù)據(jù)是帶有經(jīng)緯度坐標(biāo)的多組屬性數(shù)據(jù)，在ArcGIS中將每組屬性數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)化為點(diǎn)位的空間數(shù)據(jù)。然后對每組數(shù)據(jù)做投影變換，變換成北京地方坐標(biāo)系統(tǒng)。其次在ArcGIS中將點(diǎn)位數(shù)據(jù)經(jīng)插值轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，柵格大小可根據(jù)評估區(qū)域的大小及評估精度的要求確定。此次評價(jià)以200m×200m柵格為評價(jià)單元。

1.3 評價(jià)指標(biāo)量化分級方法

評價(jià)指標(biāo)確定以后，無法直接用它們評價(jià)，必須按照一定的標(biāo)準(zhǔn)分成幾個(gè)等級，以消除各指標(biāo)量綱不同的影響。成因指標(biāo)中，不同的地貌類型在較大程度上控制著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生類型［6,7］，滑坡、泥石流通常發(fā)生在地形起伏較大的高中山區(qū)；不同的巖土體工程地質(zhì)條件引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模不同，巖土體工程地質(zhì)條件好的地區(qū)不易或引起的地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模??；不同的采礦方式對地質(zhì)環(huán)境的影響程度不同，露天開采對地質(zhì)環(huán)境的影響最大，井下最?。▽Ρ本┑貐^(qū)而言）；不同的礦山地質(zhì)環(huán)境治理情況對地質(zhì)環(huán)境的改善狀況不同，治理面積越大，地質(zhì)環(huán)境越好，反之，越差。破壞影響對象、采空區(qū)面積、占用破壞土地面積、災(zāi)害數(shù)量、災(zāi)害規(guī)模及危害或損失這些結(jié)果表現(xiàn)指標(biāo)從不同方面表明了礦產(chǎn)資源開采所造成的各種地質(zhì)環(huán)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(zhì)環(huán)境越差。據(jù)此，將上述10個(gè)指標(biāo)分別劃分不同的等級，以表明對地質(zhì)環(huán)境不同程度的影響。

表1 評價(jià)指標(biāo)量化分級及權(quán)重計(jì)算結(jié)果

1.4 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定方法

評價(jià)指標(biāo)權(quán)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(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，其基本原理是將一個(gè)復(fù)雜的問題看作一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部因素之間的隸屬關(guān)系，構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算出各要素的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，當(dāng)CR（隨機(jī)一致性比率）＜0.1時(shí)，判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就需要調(diào)整，直到達(dá)到滿意的一致性為止［8］。使用EXCEL軟件進(jìn)行層次分析，計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。

1.5 礦山地質(zhì)環(huán)境指數(shù)計(jì)算及分級方法

采用綜合指數(shù)法計(jì)算礦山地質(zhì)環(huán)境，公式如下：

式中，GEI為礦山地質(zhì)環(huán)境指數(shù)，它是各指標(biāo)綜合作用于礦山地質(zhì)環(huán)境后計(jì)算得到的數(shù)值，它使地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量以數(shù)值形式表示,具體而明確,數(shù)值由小到大表示地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量由好至差；iw為評價(jià)指標(biāo)權(quán)重；if為評價(jià)指標(biāo)等級；n為評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

在GIS 軟件支持下，使用上面公式計(jì)算GEI，采用自然斷點(diǎn)法(natural breaks classification)將GEI分成3個(gè)等級，由低至高分別為較好、一般和較差。自然斷點(diǎn)法是一種根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律分級和分類的統(tǒng)計(jì)方法，它能使類與類之間的不同最大化［9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價(jià)指標(biāo)量化分級及權(quán)重計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述量化分級方法，依參評指標(biāo)對礦山地質(zhì)環(huán)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(zhì)條件越好、影響越輕微、采空區(qū)面積、占用破壞土地面積、災(zāi)害數(shù)量及危害與損失越少、災(zāi)害規(guī)模和未治理面積越小，地質(zhì)環(huán)境越好，反之越差。

采用上面確定的權(quán)重計(jì)算方法，分別計(jì)算了各指標(biāo)權(quán)重（表1）。由表1可以看出，占用破壞土地面積權(quán)重最大，為0.285，其次是礦山地質(zhì)環(huán)境治理情況，為0.205，權(quán)重最小的是災(zāi)害規(guī)模，為0.020。

2.2 礦山地質(zhì)環(huán)境指數(shù)計(jì)算及分級結(jié)果

通過上面公式計(jì)算得到北京市的 ，其值介于0.7～2.8之間，使用自然斷點(diǎn)法將數(shù)值由小到大分成3類（表2），相應(yīng)地得到北京市不同等級礦山地質(zhì)環(huán)境的空間分布（圖1）。圖1表明，在特定的自然背景和較強(qiáng)烈的人類活動(dòng)綜合作用下，北京市礦山地質(zhì)環(huán)境呈現(xiàn)不平衡的空間分布特征。嚴(yán)重區(qū)分布在西南部（位于門頭溝和房山區(qū)內(nèi)）及北部（位于密云和懷柔區(qū)內(nèi)），占需治理礦山面積的50.8%；較嚴(yán)重區(qū)除分布在西南部外（位于房山區(qū)內(nèi)），在中部（位于昌平、平谷、懷柔、密云和順義區(qū)內(nèi)）有大面積分布，占41.5%；輕微區(qū)在西北（位于懷柔區(qū)和延慶縣內(nèi)）、西南（位于房山區(qū)內(nèi)）和中部（位于懷柔南部和平谷西部）均有分布，占7.8%（各區(qū)面積及所占比例見表2）。嚴(yán)重區(qū)（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(qiáng)烈的人類活動(dòng)綜合作用下北京市礦山地質(zhì)環(huán)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(zhì)環(huán)境分布面積及所占比例

圖1 北京市礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)圖

2.3 各等級礦山地質(zhì)環(huán)境成因分析

礦山地質(zhì)環(huán)境問題與自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)緊密聯(lián)系，是自然環(huán)境條件與人類生產(chǎn)活動(dòng)相互聯(lián)系和作用的結(jié)果。導(dǎo)致礦山地質(zhì)環(huán)境嚴(yán)重區(qū)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(zhì)條件差：礦山礦床圍巖結(jié)構(gòu)破碎，松散層較厚，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙極其發(fā)育。環(huán)境問題的主要結(jié)果表現(xiàn)指標(biāo)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(yán)重：受威脅人數(shù)10～100人。此區(qū)對人居環(huán)境造成的威脅較嚴(yán)重。

礦山地質(zhì)環(huán)境較嚴(yán)重區(qū)和輕微區(qū)形成的主要因素及表現(xiàn)狀況同上，但各因素均處于等級較低和低的狀態(tài)，對礦山地質(zhì)環(huán)境的影響小，因而礦山地質(zhì)環(huán)境呈現(xiàn)較嚴(yán)重和輕微的狀況，對人居環(huán)境造成的威脅相對較弱和弱。

3 結(jié)論與建議

從礦山地質(zhì)環(huán)境問題成因和問題表現(xiàn)特征及狀況兩方面構(gòu)建了評價(jià)指標(biāo)體系，并基于GIS技術(shù)得到了不同等級的礦山地質(zhì)環(huán)境空間分布。影響北京市礦山地質(zhì)環(huán)境的成因指標(biāo)主要有巖土體工程地質(zhì)條件（自然背景）和礦山地質(zhì)環(huán)境治理情況（人類活動(dòng)）；結(jié)果表現(xiàn)指標(biāo)有占用破壞土地面積和危害與損失。從礦山地質(zhì)環(huán)境評價(jià)圖可知，北京市礦山地質(zhì)環(huán)境具有空間分布不平衡的特征。嚴(yán)重區(qū)（50.8%）分布在西南部（位于門頭溝和房山區(qū)內(nèi)）及北部（位于密云和懷柔區(qū)內(nèi)），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(qiáng)烈的人類活動(dòng)綜合作用下北京市礦山地質(zhì)環(huán)境問題還比較突出，還需采取措施加以治理。

礦山地質(zhì)環(huán)境狀況會(huì)隨著人類活動(dòng)的日趨合理化、礦山地質(zhì)環(huán)境治理的日益加強(qiáng)而減弱。因此，建議在礦山地質(zhì)環(huán)境嚴(yán)重和較嚴(yán)重區(qū)內(nèi)減輕人類活動(dòng)對資源環(huán)境的干擾和破壞，加大礦山地質(zhì)環(huán)境治理投入，逐步消除礦山地質(zhì)環(huán)境問題，使礦山地質(zhì)環(huán)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(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 2012,23（1）:86～90.

［2］高 培．基于GIS和RS的葫蘆島礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)研究［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2009.

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

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［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(qū)域滑坡災(zāi)害評價(jià)中的應(yīng)用——以四川省為例［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),011年04期.

［7］郭芳芳，楊 農(nóng)，孟 暉，張?jiān)罉?，葉寶瑩.地形起伏度和坡度分析在區(qū)域滑坡災(zāi)害評價(jià)中的應(yīng)用［J］,中國地質(zhì),2008: 1.

［8］程建權(quán).城市系統(tǒng)工程［M］.武漢:武漢大學(xué)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