鞍山市区地质环境质量评价分析

娄新刚，康志勇，刘 超

(辽宁省冶金地质勘查局地质勘查研究院，辽宁 鞍山 114038)

辽宁省鞍山市是我国重要的工业城市，素有钢都之称，城区人口146万。现已发展成为以冶金工业为主、机械、化工、电子纺织等工业门类较齐全的工业城市，随着改革开放以来城市经济发展，旅游等第三产业得到了飞速发展。城市建设日新月异，已初见现代化大都市的雏形。

鞍山市区的地质环境复杂，地质灾害发育。城区的周边分布着多处以铁矿为主矿山，截止到2009年底，全市有各类矿山企业70家(生产17家、闭坑矿山企业53家)。这些企业构成了鞍山市的产业基础，为鞍山市的经济建设做出了巨大的贡献，但同时也带来了较多的环境问题，如破坏或占用大量土地，引起土地荒漠化、水土流失、生态环境退化。一些矿区还发生了滑坡、崩塌、地面塌陷等地质灾害，给人民生命财产造成威胁，制约经济的发展。

1 矿山地质环境现状

1.1 矿业开发对土地资源的占用及破坏

由于鞍山市是矿业型城市，矿产资源开发利用历史悠久，矿山数量较多，开发规模较大。矿产资源开发利用在为国家经济建设作出巨大贡献的同时，也给鞍山地区土地和生态环境带来了巨大压力和破坏。以四大铁矿山(西鞍山未列)统计数据为例：现有大型采坑4个，占地11.6km2；5个大型排岩场，堆积岩渣总量超过16亿t，占地22.3km2；6个大型尾矿库，堆积尾矿约5亿t，占地7.3km2。这些采坑、排岩场、尾矿库总面积达41.2km2，约占市区(含市郊)总面积的6.6%。其中东鞍山铁矿占地面积1.75km2，有排石场一个，占地面积4.5km2，尾矿库3个，占地面积2.46km2；大孤山铁矿占地2.38km2，有排石场一个，占地面积7.54km2，尾矿库一个，占地面积2.45km2；齐大山铁矿占地4.81km2，排石场一个，占地4.41km2，尾矿库两个，占地2.39km2；眼前山铁矿占地2.66km2，排石场一个占地5.84km2，尾矿库与大孤山矿山共用。在一些采坑周围、排岩场区、尾矿库区现已成裸地，植被度在2度以下，荒漠化十分严重。

1.2 矿业开发对地下水系统的影响

矿山开采时进行疏干排水，导致水均衡系统破坏，造成地表河流干涸断流，地下水位下降形成降落漏斗。开口面积1～2km以至几平方千米，降深达200m左右的四大采坑。由于生产所需人工疏干，在千山这一系统的周围形成几个巨大的地下水漏斗，每个漏斗的影响面积都在十几平方公里左右，矿山周围的民用井大部分都已废弃。影响范围直接深入千山风景区的核心部位，地下水位的严重下降，直接影响千山风景区的植被生长。

1.3 形成一个矿区生产活动带

已有的地质灾害大都发生这些大型铁矿的排石场、尾矿库、露天边坡，此外，部分日伪时期留下的采空区发生过地面塌陷。

2 地质环境质量评价

2.1 空间数据库的建立

收集研究区内的所有地质环境资料，并对资料筛选分类，数据按照实体描述类型分为空问数据和属性数据两类。采用 MAPGIS对研究区基础资料进行数字化处理，然后对基础图件进行分离图层，进行分层式管理。按照空间数据各要素的特点，将空问数据分解为单一性质的基本要素图层，各图层主要为略阳县基本地理图层、地形等高线图层、地貌图层、地层岩性图层、地质构造图层、矿产分布图层等。同时，对需要进行投影变换、图幅拼接的地图数据，进行投影变换、图幅拼接，以实现不同比例尺地图的合成，以及跨分度带地图的拼接。属性数据包括对图形进行描述或说明的数据及用于进行评价的基础数据，如高程信息、地理标注、地层岩性特征、植被发育情况等。属性数据通过Access数据库进行录入、管理，MAPGIS通过接口进行调用。

2.2 评价指标体系

在对资料进行分析后 ，通过两两比较法对指标进行筛选优化，选取地形坡度、工程地质岩组、岩土体结构类型、地下水位、植被发育情况、月平均降雨量 、人类工程活动强度等为主要评价指标 。地质环境质量分为优、良、中、差 4个等级，相应地将评价指标也用4级来描述，建立评价指标体系(表1)。

表1 地质环境质量评价指标分级标准

计算中，采用层次分析法来确定评价指标的权重，具体步骤如下：

1)构造判断矩阵。对于z1，z2，…，zn个评价指标，由专家组运用两两比较得判断矩阵Z。

2)将判断矩阵按行求

(1)

3)归一化

(2)

4)求最大特征值

(3)

式中:P=(w1w2……wn)T。

5)进行一致性和随机性检验

C.I=(λmax-n)/(n-1)

(4)

C.R=C.I/R.I

(5)

式中：C.I为一致性指标；n为矩阵阶数；R.I为平均随机一致性指标 ；C.R为随机一致性比率。只有当C.R<0.10时，求出的权值才比较合理。

通过计算 ，得出各指标的权重如表2。

表2 评价指标权重

2.3 评价模型

评价数学模型采用由陈守煜提出的多级模糊模式识别模型，其以相对级别特征值作为判断或识别的依据，克服了最大隶属度原则所不适用的地方，而且以相对隶属度、隶属函数为基础理论，使隶属度、隶属函数的计算更容易。实现步骤为：

1)规格化处理。设某样本需要对模糊子集 A进行识别，样本的m个指标组成的特征向量为

X=(x1x2…xixm)T

式中：xi为样本指标i的特征值；i=1，2，…，m。

如样本依据m个指标c个级别的已知指标标准特征值进行识别，则有指标标准特征值矩阵

式中：Yih为指标i级别h的标准特征值；h=1，2…，c；i=1，2，…，m。

则递减型指标对A的相对隶属度

(6)

h级指标标准特征值对A的相对隶属度

(7)

递增型指标对A的相对隶属度

(8)

h级指标标准特征值，对 A的相对隶属度

(9)

2)求最优相对隶属度向量。样本对A的各个级别相对隶属度矩阵

U=(u1u2…un)T=uh

式中 ：uh为样本对A的级别h的相对隶属度，按下式求解

(10)

式中：a、b为样本级别区间范围；wi为样本指标i的权重；p为距离参数 ，p= 1为海明距离，p=2为欧氏距离；dh为广义权距离。

3)求级别特征值。相对级别特征值为级别变量h以对应的相对隶属度为权重的总和，即

(11)

式中：Hu为相对级别特征值，是描述状态或级别的无量纲数，且1≤Hu≤c。由于其利用了全部相对隶属度信息，其判断结论比最大隶属度原则更符合实际情况。因此，可应用相对级别特征值来判定此样本属于何种级别。

2.4 评价结果分析

用 C++Builder 6．O开发的评价模型，对鞍山市区进行了地质环境的质量评价，将评价分为四大区八个亚区。分区结果见鞍山市区地质环境质量分区表(表3)。

表3 鞍山市区地质环境质量分区表

续表

3 结语

运用 GIS技术，建立了鞍山市区空间数据库，综合考虑地形坡度、工程地质岩组 、岩土体结构类型地下水位 、植被发育的情况、月平均降雨量、人类工程活动强度等指标 ，运用层次分析法确定各权值；采用多级模糊模式识别模型，对鞍山市区进行了地质环境质量评价，把鞍山市区地质环境划分为优、良、中、差4个级别。评价结果，为鞍山市区地质环境的开发、利用和保护以及地质灾害的预防，提供了一定的参考依据。

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