大同市礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價

張建萍,史慧君,曹金亮

(1.山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心,山西 太原 030024; 2.太原碧藍水利工程設計有限公司,山西 太原 030024)

礦產(chǎn)資源過度開發(fā)引起的一系列地質(zhì)環(huán)境問題不僅威脅到人民生命財產(chǎn)安全,還制約著經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。對礦山開發(fā)所引起地質(zhì)環(huán)境問題的風險性進行評價,可以為政府及有關(guān)部門合理規(guī)劃開發(fā)礦產(chǎn)資源、保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境及后期的恢復治理規(guī)劃提供基礎(chǔ)資料和科學依據(jù),具有重要意義。

大同市擁有豐富的煤炭及其它礦產(chǎn)資源,是全國礦產(chǎn)資源開發(fā)程度較高的地區(qū)之一。由于長期礦產(chǎn)開采,導致該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境遭到嚴重破壞,地質(zhì)環(huán)境風險持續(xù)加大,因此有必要開展相應的地質(zhì)環(huán)境風險評估工作,為下一步礦山地質(zhì)環(huán)境問題綜合防治提供依據(jù)。

礦山地質(zhì)環(huán)境風險產(chǎn)生的根源一方面是由于自然地質(zhì)環(huán)境的脆弱性,另一方面是由人類礦業(yè)開發(fā)活動所引發(fā)。目前對礦山地質(zhì)環(huán)境的研究多側(cè)重于環(huán)境質(zhì)量綜合評價,定性或定量地評價礦業(yè)開發(fā)對周邊地質(zhì)環(huán)境造成的影響程度[1～3]。突出了人為活動對形成地質(zhì)環(huán)境問題的影響,而忽視了礦山地質(zhì)環(huán)境自身的脆弱性。本文在借鑒各類自然災害風險研究的基礎(chǔ)上,提出礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價思路,并以山西省大同市為例,綜合分析大同市礦山地質(zhì)環(huán)境遭受破壞的風險性。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地質(zhì)條件

大同市位于山西省最北端,北臨內(nèi)蒙古,東與河北接壤,總面積為14 176 km2。該地區(qū)屬大陸性季風氣候,風多雨少,溫差較大；境內(nèi)河流眾多,分屬海河和黃河流域。本區(qū)屬構(gòu)造山地的山坡及山麓地帶,屬中低山地貌,地表大部分為第四系黃土覆蓋,溝谷發(fā)育。大同市基底為太古界集寧群變質(zhì)巖。上伏地層為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、新近系、第四系。本區(qū)構(gòu)造為一軸向大致NNE、南部轉(zhuǎn)為NE向的不對稱向斜。西北翼寬緩,地層近水平。東南翼狹窄,邊部地層直立或倒轉(zhuǎn)。較大斷層如青磁窯斷層、煤峪口斷層、白洞斷層、鵝毛口斷層等,見于區(qū)內(nèi)東南邊緣,走向NE—NNE[3]。

1.2 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

大同市礦產(chǎn)資源豐富,其中以煤炭資源儲量占我國1/8而著稱煤都,位居中國產(chǎn)煤城市之首。研究區(qū)現(xiàn)有各類礦山313 座,具體見表1。

表1 研究區(qū)礦山統(tǒng)計表Table 1 Statistics of mines in the study area

研究區(qū)發(fā)育的礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要有采礦引發(fā)的地質(zhì)災害(地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡等),地形地貌的破壞,矸石、尾礦堆放,廢水對水環(huán)境的污染等。據(jù)2015年調(diào)查資料,研究區(qū)共發(fā)育各類地質(zhì)災害454 處,其中地面塌陷、地裂縫433 處,崩塌17 處,滑坡4 處,造成直接經(jīng)濟損失達28 053.68 萬元。矸石堆放125 處,廢石堆放58 處,占用和破壞土地達623.9 km2(圖1)。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價方法

礦山地質(zhì)環(huán)境風險理解為研究區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境在當?shù)氐V業(yè)開發(fā)活動影響下破壞的概率或可能性。礦業(yè)開發(fā)是風險的施加者,研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境是風險的承載體。即礦業(yè)開發(fā)對礦山地質(zhì)環(huán)境的影響力度越大,造成的礦山地質(zhì)環(huán)境風險越高；研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境越脆弱,則抵抗破壞的能力越小,造成的礦山地質(zhì)環(huán)境風險越高。礦業(yè)開發(fā)對礦山地質(zhì)環(huán)境的影響和地質(zhì)環(huán)境本身的脆弱性這兩種效應相互作用就構(gòu)成了研究區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境風險性[3～7]。

圖1 大同市主要地質(zhì)環(huán)境問題圖Fig.1 Map of the major geo-environment problems in Datong

2.1 評價方法

目前,自然災害風險評價多采用加權(quán)比較法、綜合評判法(也稱綜合指數(shù)法)、模糊綜合評判法、概率法、神經(jīng)網(wǎng)絡以及GIS圖層疊加分析法等。本文采用GIS圖層疊加分析法與綜合評判法相結(jié)合對研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境風險性進行評價,用風險性指數(shù)來反映研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境的風險程度。

2.2 評價指標體系

本文將礦山地質(zhì)環(huán)境評價系統(tǒng)分為礦業(yè)開發(fā)影響力和地質(zhì)環(huán)境脆弱性兩個子系統(tǒng),并以此確定評價指標體系。

礦業(yè)開發(fā)影響力評價指標體系包括兩個層面：要素層和指標層。要素層包括采礦活動、突發(fā)型地質(zhì)環(huán)境問題和漸變型地質(zhì)環(huán)境問題,反映礦業(yè)開發(fā)造成的主要影響。指標層即每一個要素又包括若干個單指標,來反映其內(nèi)在原因和潛在因素。

地質(zhì)環(huán)境脆弱性指標體系要素層包括基礎(chǔ)地質(zhì)和自然地理兩個方面,來反映研究區(qū)礦山地質(zhì)背景。

綜上,構(gòu)建出礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價指標體系(圖2)。

2.3 評價指標分級量化

在參考中國地質(zhì)調(diào)查局制定的《礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價規(guī)范》基礎(chǔ)上[8],將礦山地質(zhì)環(huán)境風險程度分為高風險、中等風險、低風險三個等級,礦業(yè)開發(fā)影響力和地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價分為嚴重、較嚴重和一般三個等級。根據(jù)這三個等級的劃分,評價指標也分為三個等級。并通過專家咨詢和實地調(diào)查制定了分級量化評分標準,具體分級見表2。

圖2 大同市礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價指標體系Fig.2 Index system of mine geo-environment risk assessment of Datong

表2 礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價指標分級打分表Table 2 Index classification table of mine geo-environment risk assessment of Datong

3 大同市礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價實現(xiàn)

3.1 評價模型

參考災害風險計算公式：風險度(R)=危險性(H)×易損性(V),礦山地質(zhì)環(huán)境風險值可用礦業(yè)開發(fā)影響力和地質(zhì)環(huán)境脆弱性值來表達[6],即用以下數(shù)學模型來表示：

F=K×D

式中：F——礦山地質(zhì)環(huán)境風險值；

K——礦業(yè)開發(fā)影響力值；

D——地質(zhì)環(huán)境脆弱性值。

礦業(yè)開發(fā)影響力和地質(zhì)環(huán)境脆弱性值可用模糊綜合評價模型來表示,以礦業(yè)開發(fā)影響力為例,綜合評價模型為：

式中：Kj——單要素的加權(quán)分值；

Wi——單指標的權(quán)重值；

Fi——每一要素層中單指標的分值；

n1——各要素中的單指標個數(shù)；

K——礦業(yè)開發(fā)影響力值；

Wj——各要素的權(quán)重值；

Fj——各要素的加權(quán)分值；

n——要素個數(shù),此處n為3。

地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價模型與礦業(yè)開發(fā)影響力評價模型相似,故不重復介紹。

3.2 評價指標權(quán)重計算

指標的權(quán)重反映不同評價因子間重要性程度的差異。對于進行礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價時,選擇的評價因子既有定量指標,也有非定量指標,并且指標數(shù)量較大,給確定權(quán)重帶來了一定的困難。應選擇合適的定權(quán)方法來計算指標權(quán)重。

本次礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價指標權(quán)重采用層次分析法結(jié)合專家打分法來確定。

(1)組織專家組

專家組成員是在相關(guān)方面經(jīng)驗豐富的專家,對各因素的相對重要性進行打分,構(gòu)成判斷矩陣。

(2)構(gòu)造判斷矩陣并計算權(quán)重

采用1～9標度法構(gòu)造判斷矩陣,在統(tǒng)計分析軟件R中求出各判斷矩陣的最大特征向量。并對判斷矩陣進行一致性檢驗,經(jīng)檢驗所構(gòu)建的判斷矩陣一致性很好。最后將特征向量歸一化處理,即為權(quán)重值W。

①判斷矩陣F-K和D層(表3)

表3 F-K和D層判斷矩陣及權(quán)重表Table 3 Judgment matrix and weight of layer F-K and D

②判斷矩陣K-K1、K2、K3,D-D1和D2層(表4～5)

表4 K-K1、K2、K3層判斷矩陣及權(quán)重Table 4 Judgment matrix and weight of layer K-K1、K2、K3

表5 D-D1和D2層判斷矩陣及權(quán)重Table 5 Judgment matrix and weight of layer D-D1 and D2

③判斷矩陣K1-K1i,K2-K2i,K3-K3i,D1-D1i,D2-D2i層(表6～10)

表6 K1-K1i層判斷矩陣及權(quán)重Table 6 Judgment matrix and weight of layer K1-K1i

表7 K2-K2i層判斷矩陣及權(quán)重Table 7 Judgment matrix and weight of layer K2-K2i

表8 K3-K3i層判斷矩陣及權(quán)重Table 8 Judgment matrix and weight of layer K3-K3i

表9 D1-D1i層判斷矩陣及權(quán)重Table 9 Judgment matrix and weight of layer D1-D1i

表10 D2-D2i層判斷矩陣及權(quán)重Table 10 Judgment matrix and weight of layer D2-D2i

3.3 評價結(jié)果

由上述評價模型和指標權(quán)重,可形成如下計算公式：

K1=0.08×K11+0.11×K12+0.27×K13+0.54×K14；

K2=0.31×K21+0.31×K22+0.10×K23+0.10×K24+0.18×K25；

K3=0.23×K31+0.08×K32+0.69×K33；

K=0.22×K1+0.13×K2+0.65×K3；

D1=0.33×D11+0.67×D12；

D2=0.09×D21+0.07×D22+0.21×D23+0.63×D24；

D=0.4×D1+0.6×D2；

F=0.6×K+0.4×D。

根據(jù)已構(gòu)建的評價指標體系,在GIS平臺繪制相應的單指標圖層。運用ArcGIS9.3軟件的圖層聯(lián)合功能(Union),根據(jù)上述公式,對各圖層屬性進行加權(quán)疊加計算,得到一個綜合的圖層即為礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價分區(qū)圖(圖3)。

圖3 大同市礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價分區(qū)圖Fig.3 Zoning plan of mine geo-environment risk assessment of Datong

根據(jù)大同市礦山地質(zhì)環(huán)境風險分區(qū)圖,結(jié)合大同市主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題,可得出：

大同市礦山地質(zhì)環(huán)境高風險區(qū)面積為1 277.26 km2,占總面積的9.01%。主要分布于大同市南郊區(qū)、新榮區(qū)、左云縣煤礦集中開采地及渾源南部、靈丘東北部等采石場分布地區(qū)。區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境問題發(fā)育較多,對礦山地質(zhì)環(huán)境破壞嚴重。主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題為采煤引發(fā)的地面塌陷、地裂縫；采煤破壞地下含水層；矸石堆放和采石場對地形地貌的破壞等。

大同市礦山地質(zhì)環(huán)境中風險區(qū)面積為1 505.49 km2,占總面積的10.62%。主要分布于大同市天鎮(zhèn)東部、陽高北部、渾源中部、靈丘北、南等金屬礦分布地區(qū)。區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要為采礦引發(fā)的地裂縫、尾礦堆放等,對區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重。

大同市礦山地質(zhì)環(huán)境低風險區(qū)面積為11 393.25 km2,占總面積的80.37%。主要分布于除高風險區(qū)和中風險區(qū)的未進行礦業(yè)開發(fā)的區(qū)域,區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源較少,對礦山地質(zhì)環(huán)境沒有破壞。

4 風險防控建議

風險防控主要從兩方面進行,一是從風險源頭對風險的施加者進行管控；二是對風險的承災體進行保護提升其防災能力。對于大同市地質(zhì)環(huán)境風險性,根據(jù)不同的分區(qū)和主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題,提出相應的風險防控建議[9～10]。

高風險區(qū)：主要是煤礦集中開采地與露天采石場聚集地,形成的礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要為地面塌陷、地裂縫,及對地形地貌的破壞。因此對本區(qū)的防控建議首先是加大治理力度,應因地制宜,綜合治理。對地面塌陷、地裂縫,可填埋復墾；對地形地貌的破壞,可進行復綠；同時加強礦業(yè)開發(fā)的準入制度,嚴格礦山地質(zhì)環(huán)境保護制度,采用新技術(shù)、新的采礦方法,將礦山開采對環(huán)境的破壞控制在最小限度。要加強事中監(jiān)管,對礦山開采對環(huán)境的影響實施跟蹤監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)問題及時督促礦山企業(yè)落實保護治理措施。

中風險區(qū)：主要是金屬礦分布區(qū),形成的礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要是廢水廢渣的排放,其次是地裂縫等。因此本區(qū)的防控建議,是對廢水、廢液進行凈化治理,有污水排放的礦山企業(yè)都建起坑口沉淀池和污水處理設施,做到達標排放；對于尾礦進行專業(yè)的開發(fā)利用和回收處理。

低風險區(qū)：建議在維持現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,在今后礦業(yè)開發(fā)活動中注重礦山地質(zhì)環(huán)境的保護。

5 結(jié)論

(1)在以往礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價的基礎(chǔ)上,借鑒自然災害風險評價理論,提出了礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價的新思路和方法。認為礦山地質(zhì)環(huán)境風險性是風險施加者礦業(yè)開發(fā)影響力和風險承災體地質(zhì)環(huán)境脆弱性共同作用形成的。

(2)大同市礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價結(jié)果分為高風險區(qū)、中風險區(qū)、低風險區(qū),面積分別為1 277.26 km2、1 505.49 km2、11 393.25 km2,分別占大同市總面積的9.01%,10.62%,80.37%。通過驗證,該評價結(jié)果與實際情況基本相符,評價結(jié)果有效。

(3)為了達到防災減災效果,提出了大同市風險防控建議,使評價結(jié)果能更好地為礦產(chǎn)資源開發(fā)利用和保護服務。

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