大同市矿山地质环境风险评价

张建萍,史慧君,曹金亮

(1.山西省地质环境监测中心,山西 太原 030024; 2.太原碧蓝水利工程设计有限公司,山西 太原 030024)

矿产资源过度开发引起的一系列地质环境问题不仅威胁到人民生命财产安全,还制约着经济的可持续发展。对矿山开发所引起地质环境问题的风险性进行评价,可以为政府及有关部门合理规划开发矿产资源、保护矿区生态环境及后期的恢复治理规划提供基础资料和科学依据,具有重要意义。

大同市拥有丰富的煤炭及其它矿产资源,是全国矿产资源开发程度较高的地区之一。由于长期矿产开采,导致该地区地质环境遭到严重破坏,地质环境风险持续加大,因此有必要开展相应的地质环境风险评估工作,为下一步矿山地质环境问题综合防治提供依据。

矿山地质环境风险产生的根源一方面是由于自然地质环境的脆弱性,另一方面是由人类矿业开发活动所引发。目前对矿山地质环境的研究多侧重于环境质量综合评价,定性或定量地评价矿业开发对周边地质环境造成的影响程度[1～3]。突出了人为活动对形成地质环境问题的影响,而忽视了矿山地质环境自身的脆弱性。本文在借鉴各类自然灾害风险研究的基础上,提出矿山地质环境风险评价思路,并以山西省大同市为例,综合分析大同市矿山地质环境遭受破坏的风险性。

1 研究区概况

1.1 自然地质条件

大同市位于山西省最北端,北临内蒙古,东与河北接壤,总面积为14 176 km2。该地区属大陆性季风气候,风多雨少,温差较大；境内河流众多,分属海河和黄河流域。本区属构造山地的山坡及山麓地带,属中低山地貌,地表大部分为第四系黄土覆盖,沟谷发育。大同市基底为太古界集宁群变质岩。上伏地层为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、新近系、第四系。本区构造为一轴向大致NNE、南部转为NE向的不对称向斜。西北翼宽缓,地层近水平。东南翼狭窄,边部地层直立或倒转。较大断层如青磁窑断层、煤峪口断层、白洞断层、鹅毛口断层等,见于区内东南边缘,走向NE—NNE[3]。

1.2 矿山地质环境现状

大同市矿产资源丰富,其中以煤炭资源储量占我国1/8而著称煤都,位居中国产煤城市之首。研究区现有各类矿山313 座,具体见表1。

表1 研究区矿山统计表Table 1 Statistics of mines in the study area

研究区发育的矿山地质环境问题主要有采矿引发的地质灾害(地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡等),地形地貌的破坏,矸石、尾矿堆放,废水对水环境的污染等。据2015年调查资料,研究区共发育各类地质灾害454 处,其中地面塌陷、地裂缝433 处,崩塌17 处,滑坡4 处,造成直接经济损失达28 053.68 万元。矸石堆放125 处,废石堆放58 处,占用和破坏土地达623.9 km2(图1)。

2 矿山地质环境风险评价方法

矿山地质环境风险理解为研究区的矿山地质环境在当地矿业开发活动影响下破坏的概率或可能性。矿业开发是风险的施加者,研究区地质环境是风险的承载体。即矿业开发对矿山地质环境的影响力度越大,造成的矿山地质环境风险越高；研究区地质环境越脆弱,则抵抗破坏的能力越小,造成的矿山地质环境风险越高。矿业开发对矿山地质环境的影响和地质环境本身的脆弱性这两种效应相互作用就构成了研究区的矿山地质环境风险性[3～7]。

图1 大同市主要地质环境问题图Fig.1 Map of the major geo-environment problems in Datong

2.1 评价方法

目前,自然灾害风险评价多采用加权比较法、综合评判法(也称综合指数法)、模糊综合评判法、概率法、神经网络以及GIS图层叠加分析法等。本文采用GIS图层叠加分析法与综合评判法相结合对研究区矿山地质环境风险性进行评价,用风险性指数来反映研究区矿山地质环境的风险程度。

2.2 评价指标体系

本文将矿山地质环境评价系统分为矿业开发影响力和地质环境脆弱性两个子系统,并以此确定评价指标体系。

矿业开发影响力评价指标体系包括两个层面：要素层和指标层。要素层包括采矿活动、突发型地质环境问题和渐变型地质环境问题,反映矿业开发造成的主要影响。指标层即每一个要素又包括若干个单指标,来反映其内在原因和潜在因素。

地质环境脆弱性指标体系要素层包括基础地质和自然地理两个方面,来反映研究区矿山地质背景。

综上,构建出矿山地质环境风险评价指标体系(图2)。

2.3 评价指标分级量化

在参考中国地质调查局制定的《矿山地质环境调查评价规范》基础上[8],将矿山地质环境风险程度分为高风险、中等风险、低风险三个等级,矿业开发影响力和地质环境脆弱性评价分为严重、较严重和一般三个等级。根据这三个等级的划分,评价指标也分为三个等级。并通过专家咨询和实地调查制定了分级量化评分标准,具体分级见表2。

图2 大同市矿山地质环境风险评价指标体系Fig.2 Index system of mine geo-environment risk assessment of Datong

表2 矿山地质环境风险评价指标分级打分表Table 2 Index classification table of mine geo-environment risk assessment of Datong

3 大同市矿山地质环境风险评价实现

3.1 评价模型

参考灾害风险计算公式：风险度(R)=危险性(H)×易损性(V),矿山地质环境风险值可用矿业开发影响力和地质环境脆弱性值来表达[6],即用以下数学模型来表示：

F=K×D

式中：F——矿山地质环境风险值；

K——矿业开发影响力值；

D——地质环境脆弱性值。

矿业开发影响力和地质环境脆弱性值可用模糊综合评价模型来表示,以矿业开发影响力为例,综合评价模型为：

式中：Kj——单要素的加权分值；

Wi——单指标的权重值；

Fi——每一要素层中单指标的分值；

n1——各要素中的单指标个数；

K——矿业开发影响力值；

Wj——各要素的权重值；

Fj——各要素的加权分值；

n——要素个数,此处n为3。

地质环境脆弱性评价模型与矿业开发影响力评价模型相似,故不重复介绍。

3.2 评价指标权重计算

指标的权重反映不同评价因子间重要性程度的差异。对于进行矿山地质环境风险评价时,选择的评价因子既有定量指标,也有非定量指标,并且指标数量较大,给确定权重带来了一定的困难。应选择合适的定权方法来计算指标权重。

本次矿山地质环境风险评价指标权重采用层次分析法结合专家打分法来确定。

(1)组织专家组

专家组成员是在相关方面经验丰富的专家,对各因素的相对重要性进行打分,构成判断矩阵。

(2)构造判断矩阵并计算权重

采用1～9标度法构造判断矩阵,在统计分析软件R中求出各判断矩阵的最大特征向量。并对判断矩阵进行一致性检验,经检验所构建的判断矩阵一致性很好。最后将特征向量归一化处理,即为权重值W。

①判断矩阵F-K和D层(表3)

表3 F-K和D层判断矩阵及权重表Table 3 Judgment matrix and weight of layer F-K and D

②判断矩阵K-K1、K2、K3,D-D1和D2层(表4～5)

表4 K-K1、K2、K3层判断矩阵及权重Table 4 Judgment matrix and weight of layer K-K1、K2、K3

表5 D-D1和D2层判断矩阵及权重Table 5 Judgment matrix and weight of layer D-D1 and D2

③判断矩阵K1-K1i,K2-K2i,K3-K3i,D1-D1i,D2-D2i层(表6～10)

表6 K1-K1i层判断矩阵及权重Table 6 Judgment matrix and weight of layer K1-K1i

表7 K2-K2i层判断矩阵及权重Table 7 Judgment matrix and weight of layer K2-K2i

表8 K3-K3i层判断矩阵及权重Table 8 Judgment matrix and weight of layer K3-K3i

表9 D1-D1i层判断矩阵及权重Table 9 Judgment matrix and weight of layer D1-D1i

表10 D2-D2i层判断矩阵及权重Table 10 Judgment matrix and weight of layer D2-D2i

3.3 评价结果

由上述评价模型和指标权重,可形成如下计算公式：

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。

根据已构建的评价指标体系,在GIS平台绘制相应的单指标图层。运用ArcGIS9.3软件的图层联合功能(Union),根据上述公式,对各图层属性进行加权叠加计算,得到一个综合的图层即为矿山地质环境风险评价分区图(图3)。

图3 大同市矿山地质环境风险评价分区图Fig.3 Zoning plan of mine geo-environment risk assessment of Datong

根据大同市矿山地质环境风险分区图,结合大同市主要矿山地质环境问题,可得出：

大同市矿山地质环境高风险区面积为1 277.26 km2,占总面积的9.01%。主要分布于大同市南郊区、新荣区、左云县煤矿集中开采地及浑源南部、灵丘东北部等采石场分布地区。区内矿山地质环境问题发育较多,对矿山地质环境破坏严重。主要矿山地质环境问题为采煤引发的地面塌陷、地裂缝；采煤破坏地下含水层；矸石堆放和采石场对地形地貌的破坏等。

大同市矿山地质环境中风险区面积为1 505.49 km2,占总面积的10.62%。主要分布于大同市天镇东部、阳高北部、浑源中部、灵丘北、南等金属矿分布地区。区内矿山地质环境问题主要为采矿引发的地裂缝、尾矿堆放等,对区内矿山地质环境影响较严重。

大同市矿山地质环境低风险区面积为11 393.25 km2,占总面积的80.37%。主要分布于除高风险区和中风险区的未进行矿业开发的区域,区内矿产资源较少,对矿山地质环境没有破坏。

4 风险防控建议

风险防控主要从两方面进行,一是从风险源头对风险的施加者进行管控；二是对风险的承灾体进行保护提升其防灾能力。对于大同市地质环境风险性,根据不同的分区和主要矿山地质环境问题,提出相应的风险防控建议[9～10]。

高风险区：主要是煤矿集中开采地与露天采石场聚集地,形成的矿山地质环境问题主要为地面塌陷、地裂缝,及对地形地貌的破坏。因此对本区的防控建议首先是加大治理力度,应因地制宜,综合治理。对地面塌陷、地裂缝,可填埋复垦；对地形地貌的破坏,可进行复绿；同时加强矿业开发的准入制度,严格矿山地质环境保护制度,采用新技术、新的采矿方法,将矿山开采对环境的破坏控制在最小限度。要加强事中监管,对矿山开采对环境的影响实施跟踪监测,发现问题及时督促矿山企业落实保护治理措施。

中风险区：主要是金属矿分布区,形成的矿山地质环境问题主要是废水废渣的排放,其次是地裂缝等。因此本区的防控建议,是对废水、废液进行净化治理,有污水排放的矿山企业都建起坑口沉淀池和污水处理设施,做到达标排放；对于尾矿进行专业的开发利用和回收处理。

低风险区：建议在维持现状的基础上,在今后矿业开发活动中注重矿山地质环境的保护。

5 结论

(1)在以往矿山地质环境综合评价的基础上,借鉴自然灾害风险评价理论,提出了矿山地质环境风险评价的新思路和方法。认为矿山地质环境风险性是风险施加者矿业开发影响力和风险承灾体地质环境脆弱性共同作用形成的。

(2)大同市矿山地质环境风险评价结果分为高风险区、中风险区、低风险区,面积分别为1 277.26 km2、1 505.49 km2、11 393.25 km2,分别占大同市总面积的9.01%,10.62%,80.37%。通过验证,该评价结果与实际情况基本相符,评价结果有效。

(3)为了达到防灾减灾效果,提出了大同市风险防控建议,使评价结果能更好地为矿产资源开发利用和保护服务。

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