宁夏矿山环境质量空间分布特征及其分区

张永庭，陈建平，刘自增，闫 军，黄 涛，严 瑾，樊新刚

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.宁夏遥感测绘勘查院，宁夏 银川 750021；3.宁夏大学社会服务处，宁夏 银川 750021)

宁夏矿山环境质量空间分布特征及其分区

张永庭1，2，陈建平1，刘自增2，闫 军2，黄 涛2，严 瑾2，樊新刚3

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.宁夏遥感测绘勘查院，宁夏 银川 750021；3.宁夏大学社会服务处，宁夏 银川 750021)

为明确宁夏矿山环境质量空间分布特征和问题区域，提供修复和管理的依据，以全区22个县区为研究单元，构建了土地占压、地质灾害、环境污染、水土流失四个维度的准则及对应的共16项指标的矿山环境综合评价指标体系，利用遥感解译与矿山环境统计资料获取数据，基于熵权模糊综合方法评价，利用Spss22.0进行模糊聚类分组，结合实地踏勘确定分级含义后分区。结果显示：宁夏矿山环境质量空间差异较大，中北部矿山环境质量总体优于南部山区、但北部局部县区问题突出，主要环境问题在北部老旧矿区集中的惠农区和大武口区、新兴矿区灵武市(县级市)，以及中部的沙坡头区。全区划分了“严重区、较为严重区、一般区、良好区”四类矿山环境区，存在“面上连续、点上镶嵌”的特征。同时，应关注新兴矿山灵武市的开采进度，持续监测和预防，以最大限度降低环境危害。利用聚类分析得出的分级阈值存在不连续性，推广应用的前提是应加大案例样本以找出阈值分布的规律，从而实现连续分级。

矿山环境质量；空间分区；熵权；模糊综合评价；宁夏

宁夏是我国西北矿产资源比较丰富的省区之一，已发现各类矿产46种，煤炭、石膏、冶金用砂岩、水泥配料用板岩、瓦用黏土等能源矿产和非金属矿产储量居于全国前列[1]。目前，自治区内以能源(煤)、非金属(石灰岩、硅石及各类建材矿产)等矿山为主，形成了以石嘴山市、灵武市(县级市)等资源型城市为代表的矿山集中区，以及煤炭为支柱产业的经济发展格局。由于经济欠发达背景下“矿山开采的经济依赖、矿产资源深加工能力不足，生态环境和地质环境治理投入不足”等原因，长期开发积累了较为严重的矿山环境和地质灾害问题。截至2015年底，全区22个县区共开采矿山849处，全年发生矿山地质灾害达136处，其中崩塌11处，滑坡15处，泥石流11处，地面塌陷及地裂缝84处[2]。因此，调查评价宁夏矿山环境质量，分析空间分布特征，明确主要问题区，对指导国土与环保部门的科学治理具有重要的现实意义。同时，矿山环境质量作为“绿色矿山”建设的主要指标和区域可持续发展的重要领域，日益得到学界关注[3-4]，但目前我国矿山环境评价多数围绕单个矿山或矿区开展，区域矿山综合环境质量评价正在探索之中，评价指标体系多样、庞杂，影响了结果的合理性和应用指导性[5-7]，本研究将矿山地质环境和生态环境统一纳入评价指标体系，可为矿山综合环境评价方法研究提供借鉴案例。

1 宁夏矿山开发及环境问题空间分布

据我国大地构造综合地层分区，宁夏属华北地层大区，境内成矿由北向南分为：鄂尔多斯西缘Fe-Pb-Zn-磷-石膏-芒硝成矿带、鄂尔多斯(盆地)U-石油-天然气-煤-盐类成矿区、河西走廊 Fe-Mn-萤石-盐类-石油成矿带、北祁连 Cu-Pb-Zn-Fe-Cr-Au-Ag-硫铁矿-石棉成矿带[8]。目前，矿山开发空间格局为(图1)：无烟煤、炼焦用煤、硅石在贺兰山北段；非炼焦用煤、石油(气)在灵武市、盐池县；石膏在海原县东北部、盐池县中部及中卫市西部；石灰岩大矿集中在贺兰山中段、牛首山、天景山、青龙山等地；白云岩在青龙山和贺兰山中段；石英砂在青铜峡市和原州区；金属矿产主要产出于贺兰山、卫宁北山和南-西华山地区[9]。宁夏地处干旱与半干旱地区，降水量小、植被覆盖低，境内多数矿山岩层裸露，主要环境问题为地面塌陷和裂缝、崩塌滑坡、泥石流等地质灾害，矿山占地破坏植被、土壤和水污染，以及煤矸石自燃的SO2环境空气污染等生态环境问题。境内能源矿产(煤)、非金属矿产(石灰岩、硅石及各类建材矿产)等矿山企业较多，产生矿山环境地质问题最多的矿种是煤矿，其次是灰岩矿、硅石矿、建筑用砂和建筑用石料[2]。

图1 宁夏矿山开发现状分布

2 矿山环境质量评价及空间分区方法

2.1 矿山环境质量评价方法

2.1.1 评价指标体系构建

评价指标体系构建是矿山环境质量评价的关键环节。在借鉴甘肃[10]、贵州[11]、安徽[6]等指标体系基础上，综合陈桥等[12]、徐友宁等[13]对矿山综合环境评价指标体系构建的专项成果，以地质灾害为核心，地表直观反映为途径，基于系统性、代表性、可量化性、直观性原则，设计了土地占压(B1)、地质灾害(B2)、环境污染(B3)、水土流失(B4)四个维度的准则及对应的16项指标(表1)，以反映矿山环境质量水平。其中，土地占压利用各县区“矿山、固废堆积、开采和中转场地”的面积4项指标表达，反映区域矿山开采对土地和植被资源的占用规模及内部结构水平。地质灾害方面，利用各县区的塌陷区数量和面积表达面上问题的严重程度，点上设计了滑坡、崩塌、泥石流3个指标表达县区重点环境问题。环境污染选择在土壤和水体污染面积指标的基础上，由于宁夏部分煤矿区如石嘴山市、灵武市煤矸石含硫量高，其自燃和露天堆放对于大气环境影响较大，选择环境空气中SO2含量表达。宁夏属干旱半干旱区域，地表植被稀疏，表土和岩层裸露，因此，选择了降水量、最大坡度(矿区范围内)、侵蚀力、植被覆盖度4项指标表达地表破坏下的水土流失程度。研究表明，观察指标的增加本来是为了使认识目标趋于完整，但反过来，为使结果清晰而一味增加观察指标又让评价陷入混乱[14]。因此，控制指标规模，选择的16项指标全部可量化，力求直接和简化，避免过度关注系统性和全面性而破坏可操作性和代表性等问题。

表1 宁夏矿山环境质量评价指标体系

2.1.2 熵权模糊综合评价方法

对于复杂系统的综合评价，涉及因素众多、层次结构复杂且包含着各种不确定性、模糊性和随机性，因此对多层次因素的综合以及对各类不确定性的处理成为复杂系统综合评价的关键所在[15]。熵权法是把各评价指标的信息进行量化与综合，计算各指标反映的信息熵，通过信息熵来确定权重的客观赋权方法[16]。熵权法有效地避免了人为因素的干扰，使评价结果更符合实际，从而给出客观可靠的评价结果。与主观赋权法相比，通过客观赋权法得出的权重是以实际数据为依据，对数据本身进行挖掘，从而找出事物间的内在规律，更具客观性[17]。一般来说，若某个指标的信息熵越小，表明指标值得变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中所能起到的作用也越大，其权重也就越大。相反，某个指标的信息熵越大，表明指标值得变异程度越小，提供的信息量也越少，在综合评价中所起到的作用也越小，其权重也就越小[18]。基于熵权模糊综合评价是利用熵权替代隶属度进行的模糊综合评价，利用熵权权重的客观性与模糊评价的主观性相整合，实现了二者的统一，更为科学地进行目标评价[19]。熵权模糊综合评价步骤如下所述。

1)原始数据矩阵及其标准化。设指标体系有m个评价指标、n个评价对象，得到的原始数据矩阵见式(1)。

(1)

之后，在对m个评价指标性质判断下，分为正向指标和负向指标，分别采用rij=(xij-xmin)/(xmax-xmin)、rij=(xmax-xij)/(xmax-xmin)对该矩阵标准化，形成无量纲矩阵R(式(2))。正向指标值越大，则环境质量越好；负向指标值越大，则环境质量越差。

(2)

式中：Rij为第j个评价对象第i个指标的标准化值；xij为第j个评价对象第i个指标的原始值；xmax为相同指标下不同评价对象中的最大值；xmin为相同指标下不同评价对象中的最小值。

2)定义熵。在m个指标，n个被评价对象的评价问题中，第i 个指标的熵值定义见式(3)。

(3)

3)定义熵权。定义了第i 个指标的熵值之后，可得到第i 个指标的熵权值，见式(4)。

(4)

4)计算模糊综合评价结果。对于权重A={ω1，ω2，…ωn}与模糊关系矩阵R，计算模糊评价结果，见式(5)。

(5)

式中：“°”为模糊算子；Z为综合评价值。

2.2 环境质量空间分区方法

目前研究矿山环境质量分级的方法主要分为“以划分评价指标目标值等级、专家意见分级”两类，存在指标值确定合理性和分级阈值主观性等问题，对研究区矿山环境的实际状况的结合程度不够，实践指导性不强[20-21]。事实上，由于多指标体系方法是通过指标间相互重要性或对目标贡献程度逐步汇总得出的值，且必须通过原始数据的无量纲化，因此，最终评价值属相对量，即最终确定的分级等次是以多目标中的最大量和最小量为参照基准的，属相对结果，基于熵权模糊综合评价方法也不例外，必须进行验证。鉴于此，基于2010年、2013年、2014年的矿山环境质量指数值，利用Spss22.0软件对宁夏22个县区进行系统聚类分组，进而确定分段阈值。同时，通过对阈值所在县区矿山环境实地踏勘，验证划分的合理性后，确定分级名称，最终利用ArcGIS10.0制图形成分区结果。

2.3 数据来源及处理

土地占压、地质灾害、环境污染，以及最大坡度和植被覆盖度的数据利用2010年、2013年、2014年三个时段的GF2、GF1、02C、ZY3、SJ9、YG14和P1等卫星图像提取，总面积5.18万km2，空间分辨率为0.5～2m，经平面坐标体系和高程基准转换，几何校正，图像镶嵌和增强，在ArcGIS10.0平台进行信息提取、属性录入。2015年7～9月，进行了外业勘查，验证信息提取的可靠性，共完成中转场地、固体废弃物、尾矿库、矿山建筑等占地斑块野外验证点410个，矿山地质灾害和环境污染斑块野外验证点33个。降水量数据主要来自《宁夏回族自治区资源环境地图集》[22]。侵蚀力数据(侵蚀力是由降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，侵蚀力具有明显的空间分异特征和年际变化。)基于“中国多年平均降雨侵蚀力等值线图”[23]，利用ArcGIS10.0软件空间内插提取。各县区环境空气SO2含量数据来源于银川市、石嘴山市、吴忠市、固原市、中卫市的环境质量年报。

3 结果及分析

3.1 环境质量现状分布

图2 宁夏22个县区矿山环境质量综合指数值

宁夏22个县区2010年、2013年、2014年的平均矿山环境质量综合指数值差异较大(图2)，呈“中北部整体高位且高低波峰共存、南部偏低且平缓”特征，即中北部矿山环境质量总体优于南部山区、但北部局部县区问题突出。首先，北部的惠农区、大武口区及灵武市、中部的沙坡头区矿山环境质量最差，分别为0.4729、0.5003、0.5320、0.4893，是宁夏矿山治理的重点区域。经实地踏勘，大武口区属宁夏开发历史最久(超过60年)、规模最大的矿区，区内沿贺兰山分布有石炭井、汝芨沟等老旧矿区，煤矸石等废弃物堆积达5697.01hm2，占矿区总面积的82.02%，地表破坏严重，由于坡度较大，水土流失风险大，导致了以上结果。惠农区与大武口区同属煤炭资源型城市石嘴山市，开发历史久，有石嘴山矿务局一二三矿和沙巴台煤矿等大中型矿山，虽然进行了塌陷区治理(治理的图斑面积910hm2)和植被恢复[2]，但仍存在固废占地(1605.33hm2)和中转场地占地(1256.09hm2)面积大(分别占矿区总面积的46.78%、36.60%)、环境空气中SO2含量高等问题，矿山环境质量低。银川市下辖的灵武市属新兴矿区，以井工开采为主，已经形成了4处塌陷区(面积698.1hm2)，中转场地和采场面积大(占矿区总面积的45.82%)，存在506.86hm2的土壤和水体污染，总体环境质量较差。沙坡头区地处腾格里沙漠边缘，植被覆盖度不足30%，矿山泥石流和崩塌灾害达6处，固体废弃物占地(874.69hm2)为矿区总面积的52.07%，是造成环境质量值低的主要原因。其次，介于0.6～0.7的为宁南山区的海原县、原州区、西吉县、彭阳县、隆德县、泾源县和中部吴忠市下辖的青铜峡县级市，整体属于矿山环境相对较差区域。宁南山区6县区矿山开采总体规模较小(总面积2273.13hm2)，环境压力较小，但由于地处六盘山和黄土高原丘陵区，坡度较大(15～30°)，降雨量大(367.4～619.9mm)，特别是侵蚀力大(>1000MJ·mm·hm-2·h-1· a-1)，使其矿山环境质量总体上偏低，恶化风险较大。其中，彭阳县分布着宁南山区最大规模的王洼煤矿和长庆油田采区，已经出现了32.8hm2的塌陷区、4处滑坡，使其成为7县市中环境质量最低的县。青铜峡市由于矿山地表占地破坏相对较小，废弃物堆积828.32hm2，占矿区总面积的28.61%，但土壤和水污染土地面积达525.25hm2，占矿区总面积的18.15%，矿山衍生环境破坏压力较为突出。最后，其余11个县区质量值均高于0.7，其中，北部石嘴山市平罗县、银川市兴庆区和金凤区、吴忠市利通区矿山环境质量指数分别达到了0.9150、0.9505、0.9537、0.8669，矿山环境质量最优。

3.2 环境质量空间分区

图3 宁夏22个县区矿山环境质量系统聚类

利用宁夏22个县区2010年、2013年、2014年的矿山环境质量综合指数值，基于离差平方和法聚类(图3)，矿山环境质量可分为“宁南山区6县区+灵武市、惠农区+大武口区+沙坡头区、兴庆区+金凤区+利通区+平罗县、永宁县+中宁县+红寺堡区+盐池县+同心县+贺兰县+西夏区+青铜峡市”4组，结合前文分析，灵武市矿山环境问题严重且有加重趋势，将其与宁南6县区置于同一分组与实际存在差距，因此将其放入“惠农区+大武口区+沙坡头区”。青铜峡市2010年、2013年矿山环境质量综合指数值分别为0.7349、0.7043，因此得到了以上聚类分析结果。据此，按照2010年至2014年矿山环境综合指数平均值确定阈值范围：≤0.5320(惠农区+大武口区+沙坡头区+灵武市)、0.6477～0.6859(宁南山区6县区)、0.7239～0.8110(永宁县+中宁县+红寺堡区+盐池县+同心县+贺兰县+西夏区+青铜峡市)、≥0.8669(兴庆区+金凤区+利通区+平罗县)。可见，以上阈值存在不连续性，但作为指导矿山环境修复管理的目的，不影响其结果。杨金中等对全国各省区矿山环境遥感评价分级中，矿山数量规模小的省区内，区域间矿山环境质量差异较大[24]，印证了这一结果。

图4 宁夏矿山环境质量空间分区

通过实地踏勘，依据以上阈值，各组分别按顺序定义为环境质量“严重区、较为严重区、一般区、良好区”。其中，严重区按照评价指标体系准则层含义，表达为土地占压面积大且废弃物占地面积大，土壤和水及环境空气污染严重，地面塌陷、崩塌和泥石流等地质灾害严重，水土流失压力大。剩余级别含义依据名称以此类推。2014年，宁夏矿山开发占地总面积30433.06hm2(约占宁夏总面积5.18万km2的0.59%)。其中，严重区面积17756.9hm2，占矿山开发总面积的58.35%；较为严重区面积2273.13hm2，占7.47%；一般区面积8880.29hm2，占29.18%；良好区面积1522.74hm2，占5.04%。结合空间分布可见(图4)，严重区、一般区和良好区的矿山全部分布在宁夏平原经济发达的中北部区域，表明临近城市产业区的矿山开发规模较大，产生了局部环境严重破坏区域，未来应重点监控严重区的矿山开采活动。文献[2]的研究也表明“宁夏以煤炭产业为主的惠农区、大武口区、灵武市，以及中部的中卫市沙坡头区，由于开发规模大，地面塌陷、地裂缝、泥石流、地表植被破坏和土水污染问题突出。”，与本研究结果一致。从全区看，在“北密南疏”基础上，矿山环境质量空间上呈“面上从北至南连续分布、点上四类分区镶嵌分布”的特征，尤其是良好区与严重区夹杂于其他分区之间。

4 讨论及结论

1)宁夏矿山环境质量总体特征表现为22个县区间差异较大，北部优于南部山区、但北部局部县区问题突出。矿山环境问题集中在北部老旧矿区集中的石嘴山市的惠农区和大武口区、新兴矿区银川市的灵武市(县级市)，以及中部的中卫市沙坡头区。

2)宁夏全区可分为“严重区、较为严重区、一般区、良好区”四类矿山环境区，在空间上呈“面上连续、点上镶嵌”的特征，严重区在北部和中部均有分布，宁南山区6县区属较为严重区，均存在一定矿山环境风险，是矿山环境管理的重点区域。

3)新兴矿区灵武市目前其开采量位居宁夏首位，已经形成了较大面积的塌陷区和环境恶化趋势。由于其主要为井工开采，早期地表破坏具有隐蔽性，往往在生产一定年限后由量变转化为质变，出现更大面积的地面塌陷、水土流失、环境污染问题。因此，未来应关注与此类似的新兴矿山开采进度，持续监测，提前预防地质灾害和环境污染，以最大限度降低危害。

4)利用聚类分析得出的宁夏矿山环境分级阈值存在不连续性，与以往各类分级方法结果存在差异，推广应用的前提是应加大此种方法的案例样本，从而找出熵权模糊综合评价值分级阈值的分布规律，实现连续分级和推广应用。

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Environmental quality characteristics and spatial division of Ningxia mines

ZHANG Yongting1，2，CHEN Jianping1，LIU Zizeng2，YAN Jun2，HUANG Tao2，YAN Jin2，FAN Xingang3

(1.School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083, China； 2.Ningxia Institute of Remote Sensing Surveying and Mapping，Yinchuan 750021，China； 3.Deparment of Social Service，Ningxia University，Yinchuan 750021，China)

Mines environment quality spatial distribution is important to government，which can provide the basis to repair and manage the mines environment of 22 counties in Ningxia province of China.Mines environment comprehensive evaluation index system was been built，include land use，geologic damage，environment pollution，water loss and soil erosion，and 16 indexs.The data was gotten by remote sensing data and mines environment statistics.Entropy weight fuzzy comprehensive method was used to evaluate the mines environmental quality，and then fuzzy clustering method by spss22.0 was used to divide the spatial partitions of mines environmental quality in Ningxia，and combined with field reconnaissance to determine result.The results show that the mines environmental quality in 22 counties is very differences.The northern part of Ningxia is generally better than the southern mountain area，but some of northern counties in Ningxia are worst.The mines environmental quality variation of 22 counties are relatively stable，and the main environmental problems are in the northern part of the old mining area of Huinong and Dawukou county，emerging mining area of Lingwu city and middle part of Ningxia i.e.Shapotou county.Then，Ningxia mines can be divided into four categories：“serious area，more serious area，general area，good area”.The distribution of mines environmental quality partitions is continuous from the province scale，but it concentrates from the counties scale.It should pay attention to the mining progress of the emerging mines，and continuously monitor on the mines environment，so as to early discovery and early management.The thresholds of categories by means of cluster analysis are discontinuity.It should increase the sample of cases，to find the threshold distribution of entropy weight fuzzy comprehensive evaluation value，so as to realize the continuous grading.

mine environmental quality；spatial division；entropy weight；fuzzy comprehensive evaluation；Ningxia

2016-07-14

全国矿产资源开发环境遥感监测子项目“宁夏自治区矿产资源开发环境遥感监测”资助(编号：1210115061301)

张永庭(1975-)，男，宁夏平罗县人，博士研究生，教授级高级工程师，主要从事资源环境遥感研究，E-mail：fanxg@nxu.edu.cn。

简介：陈建平(1959-)，男，福建闽候人，博士后，教授，博士生导师，主要从事矿产资源预测评价、遥感与地理信息系统应用开发研究，E-mail：516948563@qq.com。

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1004-4051(2017)01-0049-06