陕西商南矿山地质环境质量评价

王念秦，李仁伟

(西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054)

陕西省商南县矿产资源丰富，共有103座矿山，32种可开采矿产资源，其中，金红石储量为亚洲第一，镜铁矿储量居世界第二。截至2017年底，全县共有地质灾害点183处，其中，滑坡178处、崩塌4处、泥石流1处，不合理的矿山建设、开采活动是诱发地质灾害的主要因素之一。因此,调查研究商南县矿山地质环境质量，分析其空间分布特征，明确主要问题区，对于指导治理矿山地质环境问题具有重要的现实意义[1-3]。目前,我国矿山地质环境质量评价多数围绕单个矿山或矿区，区域性矿山地质环境质量综合评价还处于探索之中[4-6]。本文以陕西省商南县为研究区，在综合考虑矿山建设、开采所带来负面效应的同时，注重评价指标的通用性。可为区域性矿山地质环境质量评价提供方法借鉴。

1 研究区矿山开发及地质环境问题空间分布

现阶段商南县开发的矿种主要有钒矿、铁矿、大理石、金红石、钠长石、重晶石等，其中，钒矿、铁矿以地下开采为主；大理石、金红石、重晶石等以露天开采为主。矿山主要集中在青山镇、水沟镇、魏家台镇、十里坪镇等中南部山区乡镇。地质灾害以崩塌、滑坡、泥石流为主。据统计，魏家台镇、水沟镇、青山镇、湘河镇及十里坪镇共有地质灾害115处，约占全县地质灾害数量的63%。研究区矿山与地质灾害分布示意图如图1所示，两者在空间分布上具有较好的一致性。

2 评价指标体系与评价方法

2.1 评价指标体系

2.1.1 构建评价指标体系

构建评价指标体系是矿山地质环境质量评价的基础环节，同时也是最为关键的部分，评价指标选取是否得当将对后续评价工作产生重要影响[7-8]。在借鉴宁夏[9]、山东[10]、甘肃[11]、吉林[12]等省(区)矿山地质环境质量评价指标体系的基础上，基于针对性、简明性、可量化、数据易取得等指标选取原则，针对研究区实际情况，选取了矿业开发对地质环境的影响、基础地质与生态环境3方面，共计16个评价指标来分析研究区矿山地质环境质量水平，见表1。

2.1.2 评价指标分级

矿山地质环境是一个复杂系统，评价指标存在不确定性与模糊性，需利用模糊数学对各评价指标进行分级赋值，进而可定量评价[13]。本文根据《矿山地质环境调查评价规范》(DD2014—05)[14]、2017年《商南县矿山地质环境调查报告》，并结合2016年《商洛市统计年鉴》、2016年《商南县统计年鉴》，各指标分类见表2。

图1 研究区矿山与地质灾害分布示意图

表1 研究区矿山地质环境质量评价指标体系

表2 评价指标分类表

2.2 评价方法

本文采用正方形网格单元划分法，以4 km×4 km为一单元，共划分196个评价单元，如图2所示。首先根据表2对每个单元格进行评判、赋值。然后基于SPSS 20.0软件利用熵值法计算出每个单元格各评价指标的权重，再利用集对分析理论求得各单元的联系度，最后依据联系度划分矿山地质环境质量等级。

图2 研究区评价单元网格划分图

熵值法是把各评价指标的信息进行量化与综合，计算各指标反应的信息熵，通过信息熵来确定权重的客观赋权法。熵值法有效地避免了人为因素的干扰，使评价结果更加符合实际情况，从而得出客观可靠的评价结果。与主观赋权法相比，客观赋权法计算得出的权重值以实际调查数据为依据，对数据本身进行挖掘，寻找其内在规律，从而更具客观性[15]。近年来，熵值法在科学研究中多有应用，在此不再阐述其原理。目前集对分析理论已经逐步应用到科研领域中，因其具备可统一处理与描述由随机性、模糊性、不完整性等因素组成的确定或不确定系统，特别适合用于评价矿山地质环境质量[16]。

集对分析是在一定的问题背景下，将具有一定联系的两个集合A、B，组成集对H(A、B)。这样的两个集合的特征可以从同、异、反三个方向分析，并可以用联系度的表达式来表示，见式(1)。

(1)

式中：u为集对的联系度；N为特征的总和；S为集对中两个集合共有特征数量；P为集对中两个集合对立特征的数量；F=N-S-P，为集对中两个集合既不同一也不对立特征的个数；i为差异不确定性系数，其取值范围为[-1,1]，当i取1或-1时都属于确定，i∈(-1,1)属于不确定，且i趋近0时，其不确定性明显增加；j为对立系数，其值通常取-1。考虑到各特征权重，式(1)可用式(2)表示。

(2)

式中：wk(k=1，2，3，…，N)为特征权重，通过前述熵值法获得；i、j的概念及取值同式(1)。

为了直观地计算联系度，将式(2)改写为式(3)，同时利用Matlab软件编程，实现快速计算。

u=W×R×E=

(3)

式中：W为权重系数向量；R为同异反多元测量评价矩阵；E为联系分量矩阵。

由式(3)可以对评价单元的联系度进行求解，进而得出合理的评价结论。

3 矿山地质环境质量分区

如前所述，将研究区划分为196个4 km×4 km的评价单元。以过风楼镇a评价单元为例，叙述其联系度计算过程，其他单元格计算方法与其相同，过风楼镇a评价单元各评价指标的权重见表3。

表3 过风楼镇a评价单元指标权重

根据式(3)及表3中a评价单元各评价指标的权重，评价单元a的联系度计算如下所示。

0.79+0.07i+0.14j

关于同、异、反多元测量评价矩阵元素及差异不确定性系数i的取值可参考文献[17]和文献[18]，通过计算可以得到联系度，归一化后取值范围为[-1,1]，采用定义区间法将联系度范围分为[-1,-0.5)、[-0.5,0.5)及[0.5,1] 3个子区间，分别对应“良好”“一般”和“严重”。对a评价单元而言，无论i值在[-1,1]内如何变化，联系度取值范围为[0.58,0.72]，为[0.5,1]的子区间，因此a评价单元的矿山地质环境质量等级为“严重”。依据上述方法对图3中剩余195个评价单元展开评价，可以得到各评价单元联系度，并根据相应区间，将其划分为“严重区”“一般区”“良好区”。根据分区结果，利用MapGIS6.7软件绘制研究区矿山地质环境质量分级图，如图3所示。为了能够量化地显示出不同区域矿山地质环境质量的差异，绘制研究区矿山地质环境质量等值线图，如图4所示。

图3 研究区矿山地质环境质量分级图

图4 研究区矿山地质环境质量等值线图

4 讨 论

在划分的评价单元中矿山地质环境质量等级为“严重”的有16个，“一般”的有92个，“良好”的有88个。

结合2017年《商南县矿山地质环境调查报告》及图1、图3、图4可知：矿山地质环境质量等级为“严重”的区域主要分布在商南县中南部山区，占研究区面积的8.16%。区内矿山密布，开采矿种为钒矿、铁矿为主，均为地下开采。主要地质环境问题为矿业开发引起的地质灾害、矿渣占用土地等。区内地质灾害数量达39处，矿渣体积116.54×104m3，占用土地面积87.25 hm2。

矿山地质环境质量等级为“一般”的区域主要分布商南县中东部及南部，占研究区面积的46.95%。区内矿山主要分布在富水镇、青山镇与魏家台镇。开采矿种以大理石与石灰石为主，露天开采，地质环境问题主要为矿业开发引起的地质灾害、矿渣占用土地、破坏植被等。

矿山地质环境质量等级为“良好”的区域主要分布在商南县西部，占研究区面积的44.89%。区内矿山零星分布，矿业开发对地质环境的影响较轻。

5 结 论

1) 矿山建设、开采活动对资源型城市的营运与发展至关重要，矿山地质环境质量评价是商南县矿山地质环境综合治理必不可少的一个重要环节。

2) 建立的评价指标体系以矿业开发对地质环境的影响为主，兼顾基础地质与生态环境，共计3类，16个评价指标。评价指标体系具有针对性强、分析内容全面、易于计算、便于理解等优点。

3) 采用正方形网格单元划分法将研究区划分196个评价单元，运用模糊数学、熵值法、集对分析等方法处理数据，依据联系度范围，将其划分为“严重区”“一般区”“良好区”，各占研究区面积的8.16%、46.95%、44.89%。经讨论，评价结果与实际情况具有较好的一致性，可为商南县矿山地质环境综合治理提供理论依据。