基于GIS的北京市矿山地质环境综合评价

徐庆勇

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

基于GIS的北京市矿山地质环境综合评价

徐庆勇

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

采用加权综合指数法，基于地理信息系统（GIS）技术，综合评价了北京市矿山地质环境并对成因进行分析。结果表明：北京市矿山地质环境呈现不平衡的空间分布特征，较差区分布在西南部（位于门头沟和房山区内）及北部（位于密云县和怀柔区内），占需治理矿山面积的50.8%；一般区除分布在西南部（位于房山区内）外，在中部（位于昌平、平谷、怀柔、顺义和密云县内）也有大面积分布，占需治理矿山面积的41.5%；较好区在西北（位于怀柔区和延庆县内）、西南（位于房山区内）和中部（位于怀柔南部和平谷西部）均有分布，占需治理矿山面积的7.8%。导致矿山地质环境较差区形成的主要成因指标有矿山未治理面积小和岩土体工程地质条件差；主要结果表现指标有占用破坏土地面积大和危害与损失情况严重。

矿山地质环境；地理信息系统；北京市

0 前言

伴随矿产资源的开发，地质灾害、地下含水层破坏、地形地貌景观破坏等诸多矿山地质环境问题日益突出。保护矿山地质环境，对其进行科学、正确的评价越发引起有关部门和人员的重视。相关单位和研究者开展了大量的矿山地质环境评价的理论研究和实践，获得了许多有益的成果，如丁丽等［1］对陇南金矿区矿山地质环境进行的综合评价；高培［2］对葫芦岛矿山地质环境进行的综合评价；中国地质调查局开展的以省为单元的全国矿山地质环境调查与评价工作等。但从目前看，矿山地质环境评价中还存在一些局限，如在评价内容方面，还主要侧重于矿业活动引发的地质环境问题，较少考虑人类对矿山地质环境改善的积极行为；在评价手段方面，地理信息系统（GIS）技术还未能在地质环境评价中广泛应用，使得评价结果的精确度较低。

北京作为中华人民共和国首都，其重要地位无与伦比，其生态环境备受关注。北京矿产资源比较丰富，矿产开采历史悠久。矿产资源开发是一种人地系统相互作用最强烈、使自然环境遭受到人类高强度干扰的胁迫型活动［3］，因此在长期的矿产资源开发过程中，对地质环境造成较大破坏，产生了一系列矿山地质环境问题，导致地质环境质量下降，而地质环境质量深刻地影响着人体和生物的健康状况以及本地区社会经济环境的协调、可持续发展。矿山地质环境评价可以客观地认识地质环境现状及分布状况，对合理开发利用矿产资源，遏制生态退化，促进矿区可持续发展具有十分重要的现实意义。因此，有必要对北京市矿山地质环境进行综合评价。

伴随计算机技术发展起来的ArcGIS具有强大的空间信息处理、分析、存贮和管理功能；能够实现空间数据与属性数据的匹配连接；能够提供完整的制图和输出功能，使评价结果以可视化图的形式表达［4］。本文基于ArcGIS，定量评价了北京市的矿山地质环境，并分析各等级矿山地质环境成因, 以期为该地区矿产资源开发及矿山地质环境保护和治理提供科学依据。

1 评价方法

1.1 评价指标的选取

北京市矿山地质环境问题是特定的自然背景和较强烈的人类活动共同作用的结果。从引起矿山地质环境问题的原因（称之为成因指标）及问题的表现状况和特征（称之为结果表现指标）两方面选取评价指标。

矿山地质环境问题与自然背景密切相关，同时受人类活动的深刻影响。地形地貌和岩土体工程地质条件是矿山地质环境问题产生的重要自然背景，是地质环境问题产生的重要因素，它们从不同方面、不同程度地影响着地质环境问题的发生、发展；采矿方式和矿山地质环境治理情况是影响矿山地质环境问题产生及存在状态的重要人类活动。不同的采矿方式引起的地质环境问题的数量、规模、表现方式不同，表明了人类活动的直接影响；矿山地质环境治理情况表明当前用于改善矿山地质环境所投入治理资金的大小，反映了对矿山治理的力度，在较大程度上影响着矿山地质环境状况。因此，这些指标作为成因指标。

全面考虑目前北京市存在的各种矿山地质环境问题，选取其中起主导作用、具典型性、代表性的因子，同时兼顾数据的可获得性，选取关键性因子用于矿山地质环境评价。破坏影响对象、采空区面积、占用破坏土地面积、灾害数量、灾害规模、危害与损失这些指标表明了矿产资源开采对地质环境影响、破坏的状况和程度，它们表明了矿产资源开采所造成的后果，因此，这些指标作为结果表现指标。

1.2 数据来源及处理

所用数据全部来源于全市范围内矿山的实地调查。

首先对调查所得数据使用ArcGIS软件加载。调查所得数据是带有经纬度坐标的多组属性数据，在ArcGIS中将每组属性数据分别转化为点位的空间数据。然后对每组数据做投影变换，变换成北京地方坐标系统。其次在ArcGIS中将点位数据经插值转化为栅格数据，栅格大小可根据评估区域的大小及评估精度的要求确定。此次评价以200m×200m栅格为评价单元。

1.3 评价指标量化分级方法

评价指标确定以后，无法直接用它们评价，必须按照一定的标准分成几个等级，以消除各指标量纲不同的影响。成因指标中，不同的地貌类型在较大程度上控制着地质灾害的发生类型［6,7］，滑坡、泥石流通常发生在地形起伏较大的高中山区；不同的岩土体工程地质条件引发的地质灾害的规模不同，岩土体工程地质条件好的地区不易或引起的地质灾害规模小；不同的采矿方式对地质环境的影响程度不同，露天开采对地质环境的影响最大，井下最小（对北京地区而言）；不同的矿山地质环境治理情况对地质环境的改善状况不同，治理面积越大，地质环境越好，反之，越差。破坏影响对象、采空区面积、占用破坏土地面积、灾害数量、灾害规模及危害或损失这些结果表现指标从不同方面表明了矿产资源开采所造成的各种地质环境问题及造成的危害程度，问题越多、危害程度越大，表明地质环境越差。据此，将上述10个指标分别划分不同的等级，以表明对地质环境不同程度的影响。

表1 评价指标量化分级及权重计算结果

1.4 评价指标权重确定方法

评价指标权重通过层次分析法确定。层次分析法（The Analytic Hierarchy Process简称AHP)是一种定性与定量相结合的多目标决策分析方法，其基本原理是将一个复杂的问题看作一个系统，根据系统内部因素之间的隶属关系，构造判断矩阵，计算出各要素的权重，并进行一致性检验，当CR（随机一致性比率）＜0.1时，判断矩阵具有满意的一致性，否则就需要调整，直到达到满意的一致性为止［8］。使用EXCEL软件进行层次分析，计算各指标权重。

1.5 矿山地质环境指数计算及分级方法

采用综合指数法计算矿山地质环境，公式如下：

式中，GEI为矿山地质环境指数，它是各指标综合作用于矿山地质环境后计算得到的数值，它使地质环境质量以数值形式表示,具体而明确,数值由小到大表示地质环境质量由好至差；iw为评价指标权重；if为评价指标等级；n为评价指标个数。

在GIS 软件支持下，使用上面公式计算GEI，采用自然断点法(natural breaks classification)将GEI分成3个等级，由低至高分别为较好、一般和较差。自然断点法是一种根据数值统计分布规律分级和分类的统计方法，它能使类与类之间的不同最大化［9］。

2 结果与分析

2.1 评价指标量化分级及权重计算结果

根据上述量化分级方法，依参评指标对矿山地质环境的正向影响程度，从低到高分级，从1至3 分别为较好、一般和较差3级（表1）。由表1可以看出，地形越平坦、岩土体工程地质条件越好、影响越轻微、采空区面积、占用破坏土地面积、灾害数量及危害与损失越少、灾害规模和未治理面积越小，地质环境越好，反之越差。

采用上面确定的权重计算方法，分别计算了各指标权重（表1）。由表1可以看出，占用破坏土地面积权重最大，为0.285，其次是矿山地质环境治理情况，为0.205，权重最小的是灾害规模，为0.020。

2.2 矿山地质环境指数计算及分级结果

通过上面公式计算得到北京市的 ，其值介于0.7～2.8之间，使用自然断点法将数值由小到大分成3类（表2），相应地得到北京市不同等级矿山地质环境的空间分布（图1）。图1表明，在特定的自然背景和较强烈的人类活动综合作用下，北京市矿山地质环境呈现不平衡的空间分布特征。严重区分布在西南部（位于门头沟和房山区内）及北部（位于密云和怀柔区内），占需治理矿山面积的50.8%；较严重区除分布在西南部外（位于房山区内），在中部（位于昌平、平谷、怀柔、密云和顺义区内）有大面积分布，占41.5%；轻微区在西北（位于怀柔区和延庆县内）、西南（位于房山区内）和中部（位于怀柔南部和平谷西部）均有分布，占7.8%（各区面积及所占比例见表2）。严重区（50.8%）占需治理矿山面积的一半多，说明在特定的自然背景和较强烈的人类活动综合作用下北京市矿山地质环境问题还比较突出，还需采取措施加以治理。

表2 北京市各等级矿山地质环境分布面积及所占比例

图1 北京市矿山地质环境综合评价图

2.3 各等级矿山地质环境成因分析

矿山地质环境问题与自然、社会、经济紧密联系，是自然环境条件与人类生产活动相互联系和作用的结果。导致矿山地质环境严重区形成的主要因素有矿山未治理面积小：未治理面积小于1公顷；岩土体工程地质条件差：矿山矿床围岩结构破碎，松散层较厚，岩石风化强烈，节理裂隙极其发育。环境问题的主要结果表现指标有占用破坏土地面积大：各矿山占用破坏土地面积不小于3公顷；危害与损失情况严重：受威胁人数10～100人。此区对人居环境造成的威胁较严重。

矿山地质环境较严重区和轻微区形成的主要因素及表现状况同上，但各因素均处于等级较低和低的状态，对矿山地质环境的影响小，因而矿山地质环境呈现较严重和轻微的状况，对人居环境造成的威胁相对较弱和弱。

3 结论与建议

从矿山地质环境问题成因和问题表现特征及状况两方面构建了评价指标体系，并基于GIS技术得到了不同等级的矿山地质环境空间分布。影响北京市矿山地质环境的成因指标主要有岩土体工程地质条件（自然背景）和矿山地质环境治理情况（人类活动）；结果表现指标有占用破坏土地面积和危害与损失。从矿山地质环境评价图可知，北京市矿山地质环境具有空间分布不平衡的特征。严重区（50.8%）分布在西南部（位于门头沟和房山区内）及北部（位于密云和怀柔区内），占需治理矿山面积的一半多，说明在特定的自然背景和较强烈的人类活动综合作用下北京市矿山地质环境问题还比较突出，还需采取措施加以治理。

矿山地质环境状况会随着人类活动的日趋合理化、矿山地质环境治理的日益加强而减弱。因此，建议在矿山地质环境严重和较严重区内减轻人类活动对资源环境的干扰和破坏，加大矿山地质环境治理投入，逐步消除矿山地质环境问题，使矿山地质环境得到改善。

［1］丁 丽，郑观超，康 俊等. 基于GIS和RS的陇南金矿区矿山地质环境综合评价［J］.地质灾害与环境保护, 2012,23（1）:86～90.

［2］高 培．基于GIS和RS的葫芦岛矿山地质环境综合评价研究［D］.北京：中国地质大学，2009.

［3］薛占金，秦作栋，孟宪文.晋北地区土地沙漠化经济损失初步研究［J］.干旱区资源与环境，2012,26（4）:24～29.

［4］徐庆勇，黄 玫，陆佩玲等.基于RS与GIS的长江三角洲环境脆弱性综合评价［J］.环境科学研究,2011，24(1):58～65.

［5］h ttp://baike.baidu.com/subview/2621/13223029. htm？from title=北京市&from id=126069&type=search

［6］毕晓玲，李小娟，胡卓玮，王志恒，赖 晗. 地形起伏度提取及其在区域滑坡灾害评价中的应用——以四川省为例［J］.安徽农业科学,011年04期.

［7］郭芳芳，杨 农，孟 晖，张岳桥，叶宝莹.地形起伏度和坡度分析在区域滑坡灾害评价中的应用［J］,中国地质,2008: 1.

［8］程建权.城市系统工程［M］.武汉:武汉大学出版社,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