基于ArcGIS與層次分析法的巢湖北郊礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)

趙洪濤

（遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院測(cè)繪工程系，遼寧丹東118303）

我國(guó)長(zhǎng)期粗放式開(kāi)采導(dǎo)致礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題日益突出，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題包括水體污染、地面沉陷、地裂縫以及山體崩塌滑坡等［1-3］。對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上制定合理的治理措施，對(duì)于有效修復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展大有裨益。近年來(lái)，遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和不斷應(yīng)用，為礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)提供了新的思路［4］。本研究以安徽巢湖北郊礦區(qū)為例，將Arc-GIS軟件與層次分析法［5-9］相結(jié)合對(duì)區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并對(duì)相應(yīng)的治理措施進(jìn)行探討。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地質(zhì)特征

研究區(qū)位于安徽省巢湖市北部山區(qū)，緊鄰江淮丘陵，三面環(huán)山，一方臨水，地形較為起伏，屬于丘陵或低中山地貌。丘陵地帶及河谷谷底地面高程為800～1 000 m，山峰高程一般為1 100～1 200 m，最高1 385 m，谷底開(kāi)闊、山峰渾圓為該地區(qū)主要的地貌特征。

研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.1℃，極端最高氣溫41.7℃，極端最低氣溫-23.3℃。該區(qū)年平均降水量750 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為965 mm，多年平均徑流深245.6 mm。流域內(nèi)常風(fēng)向?yàn)镹EE，年平均風(fēng)速3.0 m/s。研究區(qū)多年平均徑流量為5.06×108m3。

研究區(qū)內(nèi)出露的地層主要有二疊系（P）、侏羅系（J）、白堊系（K）、第三系（N）及第四系（Q）。侵入巖出露面積較少，僅有華力西晚期和燕山早期酸性侵入巖零星出露，巖性包括花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖等。脈巖種類(lèi)較多，巖性復(fù)雜。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型

（1）小型滑坡及滑塌體。研究區(qū)內(nèi)小型滑坡體主要分布于采礦區(qū)礦洞外圍，主要由開(kāi)挖過(guò)程中的浮土和廢棄物堆積而成，少部分為礦渣。小型滑塌體大多位于尖山子?xùn)|側(cè)平緩臺(tái)地和顏小堡村東西側(cè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)該類(lèi)型小型滑塌存在30多處（圖1（a）、圖1（b））。

（2）地裂縫。地裂縫主要位于礦山開(kāi)采范圍內(nèi)，地表第四系覆蓋層較厚，尤其以馬家坪西側(cè)、平頂山東側(cè)山坡發(fā)育較多，該區(qū)域地下水采掘深度大，棄土多，山坡前緣具備一定臨空面，研究區(qū)地裂縫分布有20多處（圖1（c））。

（3）地面沉陷。地面沉陷部位主要集中于西大林村和尖山子村附近，人類(lèi)活動(dòng)較多，開(kāi)采活動(dòng)在該區(qū)域底部進(jìn)行，開(kāi)采過(guò)程中抽排地下水導(dǎo)致水位大幅度降低。地面沉陷部位主要為殘坡積碎石土為主，土體結(jié)構(gòu)松散，具備架空結(jié)構(gòu)，失去地下水浮托力后地面承載能力被破壞，導(dǎo)致該類(lèi)型地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，對(duì)于人員設(shè)備安全造成了重大隱患。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查共發(fā)現(xiàn)了11處地面沉陷點(diǎn)（圖1（d））。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律

研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題較為突出，主要為礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)和人類(lèi)工程活動(dòng)引發(fā)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，較大型滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要受礦山開(kāi)挖導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)所致；小型滑坡、崩塌主要由降雨等惡劣氣候引發(fā)，也與礦山開(kāi)采導(dǎo)致的水土流失有關(guān)。地質(zhì)構(gòu)造方面，斷層及其破碎帶、順坡向發(fā)育的結(jié)構(gòu)面以及劈理均為礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境惡化的誘導(dǎo)因素，調(diào)查發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)大多位于北部山區(qū)陡峭、巖體構(gòu)造卸荷作用明顯的平頂山、榆木村背斜兩翼等部位。同時(shí)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況較巖漿巖地區(qū)嚴(yán)重，說(shuō)明礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境與巖土體的力學(xué)性質(zhì)有一定關(guān)聯(lián)。

2 基于層次分析的分區(qū)評(píng)價(jià)法

根據(jù)研究區(qū)自然環(huán)境、地形地質(zhì)條件和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律，采用層次分析法對(duì)區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)。

2.1 構(gòu)建判定矩陣

通過(guò)判定矩陣可對(duì)每一層因子進(jìn)行相互比較，分析和得出重要性因素，借助專家咨詢結(jié)論進(jìn)行評(píng)分，最終確定標(biāo)度［10-11］。采用Origin軟件構(gòu)建判定矩陣，再進(jìn)行正交和歸一化處理。本研究對(duì)權(quán)重因子的量化值進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化處理，計(jì)算公式為

式中，x為權(quán)重因子量化值；a為專家打分值；amax為最大值；amin為最小值。

研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響值計(jì)算公式為

式中，M為礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響值，代表礦山地質(zhì)災(zāi)害的嚴(yán)重程度；wn、nn為組合權(quán)重值；n為屬性層中不同因子的權(quán)重值。

2.2 評(píng)價(jià)因子選取及階梯評(píng)價(jià)體系建立

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果（表1），研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響因素包括地形地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、廢水廢渣等廢棄物污染以及崩塌滑坡泥石流等4類(lèi)。本研究據(jù)此選擇了地形地質(zhì)、水文氣候、廢水廢渣污染、地質(zhì)災(zāi)害等一級(jí)評(píng)價(jià)因子，各一級(jí)因子共包含了16個(gè)二級(jí)因子。根據(jù)《中國(guó)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查總則（試行）》將各因子劃分為好、較好、較差、差4個(gè)等級(jí)，其中典型因子的量化評(píng)價(jià)過(guò)程如下。

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（1）地形地質(zhì)。根據(jù)研究1∶50 000地形圖提取地形數(shù)據(jù)，根據(jù)地表坡度將該因素劃分為4級(jí)，即0～15°，15～45°，45°～55°以及55°～90°。

（2）地質(zhì)構(gòu)造。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)測(cè)繪、地質(zhì)填圖，獲取了工程區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育信息。結(jié)合地殼應(yīng)力場(chǎng)和動(dòng)力學(xué)特性，研究區(qū)NNE向斷裂發(fā)育規(guī)模較大，斷層兩側(cè)斷裂穩(wěn)定性最差，活動(dòng)性強(qiáng)，故評(píng)價(jià)因子等級(jí)劃分為4級(jí)；區(qū)內(nèi)NW向斷層規(guī)模稍小，發(fā)育位置較少，活動(dòng)性較強(qiáng)，故劃定為3級(jí)；NNW向斷裂發(fā)育長(zhǎng)度有限，寬度為0.5～1 m，整體未見(jiàn)大規(guī)模斷層，從規(guī)模上考慮，將該類(lèi)型斷裂劃定為2級(jí)；NE向發(fā)育的斷裂基本為規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)面，分布稀松，活動(dòng)性弱，安全性較高，定位為1級(jí)。

（3）巖性條件。本研究經(jīng)過(guò)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)主要巖性為巖漿巖和沉積巖，其中巖漿巖以花崗巖、混合巖類(lèi)為主，巖體工程性質(zhì)特征與風(fēng)化程度有關(guān)，故將弱—微風(fēng)化巖體以及巖體飽和抗壓強(qiáng)度大于60 MPa的巖石的巖性因子定位1級(jí)；將巖漿巖以及中硬巖石（30～60MPa）的巖體定位為2級(jí)；將沉積巖、軟硬相間的巖體定位為3級(jí)；將第四系堆積物，包括沖洪積和殘坡積成因的巖體定義為4級(jí)。

（4）礦山開(kāi)采。礦山開(kāi)挖和廢棄物堆積是研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境的重要因素，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并根據(jù)礦山采礦范圍、開(kāi)采規(guī)模等因素，將礦山開(kāi)采因子劃分為極小、小、極大、大4級(jí)。

在因子量化的基礎(chǔ)上，本研究構(gòu)建的階梯層次體系主要分為3層結(jié)構(gòu)，第1層為目標(biāo)層，第2層為準(zhǔn)則層，第3層為屬性層，每層均對(duì)地質(zhì)環(huán)境因子進(jìn)行了量化，通過(guò)構(gòu)建判定矩陣和專家打分確定了各因子的權(quán)重值（表2）。

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3 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)體系包含16個(gè)影響因子，數(shù)據(jù)來(lái)源主要有：

（1）地形地質(zhì)資料。采用中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局館藏1∶50 000巢縣幅區(qū)域地質(zhì)圖，目前該圖存在ArcGIS軟件格式的電子文件，故無(wú)需進(jìn)行柵格化處理。該圖囊括了礦區(qū)開(kāi)采范圍，采用北京54坐標(biāo)系，高程為黃海坐標(biāo)系，等高線間距20 m，與現(xiàn)場(chǎng)地貌進(jìn)行對(duì)比基本一致，精度符合評(píng)價(jià)需求。礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)所采用的地質(zhì)資料均依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探、物探及地質(zhì)測(cè)繪等手段獲取，根據(jù)地質(zhì)填圖成果繪制了相同比例尺的區(qū)域地質(zhì)圖，包括地層巖性及產(chǎn)狀、斷裂構(gòu)造及位置、斷層性質(zhì)等地質(zhì)要素。

（2）遙感影像。通過(guò)研究區(qū)1∶10 000遙感影像（圖2）可獲取區(qū)內(nèi)水文水系分布、廢水廢渣等污染物分布、地質(zhì)災(zāi)害分布以及人類(lèi)活動(dòng)等信息。

本研究根據(jù)研究區(qū)1∶50 000地質(zhì)圖為底圖，分別將地形地質(zhì)、水文地質(zhì)、廢水廢渣以及地質(zhì)災(zāi)害等方面的信息以點(diǎn)、線、面的形式反映至圖中。需對(duì)山頂、村落和聚居區(qū)以點(diǎn)的形式進(jìn)行矢量化；將河流流域、廢水廢渣污染區(qū)域、滑坡泥石流潛在危險(xiǎn)區(qū)作為面進(jìn)行矢量化；將斷層、公路、鐵路等要素以線的形式進(jìn)行繪制，最終得到研究區(qū)地質(zhì)矢量地形圖。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)層次分析法提取的地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)因子，將礦區(qū)地質(zhì)圖中各個(gè)要素抽象為矢量數(shù)據(jù)，最終得到矢量化成果［12-13］。

3.2 地質(zhì)環(huán)境分區(qū)評(píng)價(jià)

通過(guò)ArcGIS軟件中的柵格計(jì)算模塊，對(duì)本研究選取的16個(gè)評(píng)價(jià)因子的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行分級(jí)。如果一區(qū)域M取值越大，反映該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境越惡劣；反之，則代表區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境狀況越好。為對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行定量分級(jí)，將研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境等級(jí)劃分為嚴(yán)重、較嚴(yán)重、中等和較輕。借助ArcGIS軟件的分類(lèi)功能，將0＜M＜3.3對(duì)應(yīng)的區(qū)域劃分為較輕區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境等級(jí)為1級(jí)；將3.3＜M＜5對(duì)應(yīng)的區(qū)域劃分為中等區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境等級(jí)為2級(jí)；將5＜M＜7對(duì)應(yīng)的區(qū)域劃分為較嚴(yán)重區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境等級(jí)為3級(jí)；將7＜M＜10對(duì)應(yīng)的區(qū)域劃分為嚴(yán)重區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境等級(jí)為4級(jí)，應(yīng)注意防范地質(zhì)環(huán)境惡化。

利用ArcGIS軟件統(tǒng)計(jì)模塊，研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖3。分析圖3可知：地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題較輕區(qū)域的面積為4.684 km2，占研究區(qū)開(kāi)采總面積的36.7%；地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題中等區(qū)域的面積為4.01 km2，占研究區(qū)開(kāi)采總面積的32.7%；地質(zhì)環(huán)境較嚴(yán)重區(qū)域的面積為2.67 km2，占研究區(qū)開(kāi)采總面積的20.1%；地質(zhì)環(huán)境嚴(yán)重區(qū)域的面積為1.34 km2，占研究區(qū)開(kāi)采總面積的10.5%。

根據(jù)上述分區(qū)結(jié)果，并結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)圖分析，可知研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重區(qū)域主要集中于區(qū)內(nèi)西南側(cè)，該區(qū)域廢水廢渣以及固體廢棄物堆積較多，呈散點(diǎn)狀分布，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)存在崩塌地質(zhì)災(zāi)害的可能性；地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題中等區(qū)域和較嚴(yán)重區(qū)域分布于區(qū)內(nèi)中部，海拔高度中等，需防范地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生；地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題較輕區(qū)域主要集中于區(qū)內(nèi)北側(cè)山脊的2處埡口之間，該區(qū)域主要為林場(chǎng)，植被茂密人類(lèi)活動(dòng)較小，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)基本未遭受破壞。將評(píng)價(jià)結(jié)果與野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題中等及較嚴(yán)重區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境情況與實(shí)際相符，但本研究評(píng)價(jià)劃定的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重區(qū)域的面積較實(shí)際情況擴(kuò)大了約15%，是由于在評(píng)價(jià)過(guò)程中充分考慮了地質(zhì)構(gòu)造的負(fù)面影響所致。

3.3 防治與治理措施

野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重區(qū)域發(fā)生大規(guī)?；碌刭|(zhì)災(zāi)害的可能性較大，對(duì)下游人員生產(chǎn)生活潛在的危害最大。礦區(qū)西南側(cè)發(fā)育1處大型潛在滑坡（通順山滑坡），滑坡前緣高程295 m，后緣高程367 m，水平長(zhǎng)度約為150 m，垂直落差72 m，滑坡體寬40～100 m，潛在滑動(dòng)體體積高達(dá)42萬(wàn)m3?；律喜?0～15 m為第四系殘坡積碎石土（Q4），下部為太古界強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，呈碎裂結(jié)構(gòu)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)了2條潛在滑動(dòng)面，1條沿基巖界線發(fā)育，另1條沿全強(qiáng)風(fēng)化帶發(fā)育。

針對(duì)該滑坡現(xiàn)狀，本研究提出的防治措施為：①“避”，建立臨時(shí)或永久性監(jiān)測(cè)設(shè)施，提前組織人員避險(xiǎn)；②“排”，在邊坡上緣和坡面開(kāi)挖截水溝將地表水引出滑坡區(qū)，對(duì)滑坡后緣進(jìn)行回填灌漿，封堵進(jìn)水通道，滑坡體下緣設(shè)置排水孔疏排地下水；③“擋”，滑坡體下緣采用抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨桿相結(jié)合的措施進(jìn)行支檔，同時(shí)對(duì)坡腳進(jìn)行護(hù)坡處理，采用混凝土速噴加掛網(wǎng)鋼筋等技術(shù)措施加固坡體；④“固”，利用灌漿孔對(duì)滑坡松散堆積體和潛在滑動(dòng)面進(jìn)行固結(jié)灌漿，提高邊坡的抗滑能力。

4 結(jié)語(yǔ)

以安徽巢湖北郊礦區(qū)為例，將ArcGIS軟件與層次分析法相結(jié)合對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)，構(gòu)建了包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、屬性層共16個(gè)因子組成的評(píng)價(jià)模型，通過(guò)將礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境等級(jí)劃分為嚴(yán)重、較嚴(yán)重、中等和較輕4個(gè)等級(jí)，并計(jì)算出了區(qū)內(nèi)各等級(jí)對(duì)應(yīng)的區(qū)域面積。針對(duì)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重區(qū)域存在的滑坡隱患，提出了“避”、“排”、“擋”、“固”4條技術(shù)措施，對(duì)于有效防治區(qū)內(nèi)滑坡地質(zhì)災(zāi)害有一定的參考意義。

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