基于AHP与MapGIS的焦家金成矿带地质环境评价

谢超，李超,2，田得龙,2，史永理

(1.山东省非煤矿山事故防范技术研究中心,山东省院士专家工作站烟台分站，山东 烟台 264006；2.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 济南 250000；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

人类对自然资源的不合理利用，引发各种环境地质问题及地质灾害，导致人员伤亡、经济损失，严重制约了经济社会的发展[1-6]。开展地质环境质量评价可以查明地质环境条件和状态，掌握地质灾害演变的规律，发现潜在隐患点，提出合理的防治及保护措施，促进资源的合理开发利用，减少地质灾害的发生[7-11]。地质环境质量评价的准确与否主要取决于影响因素的选取、量化及其权重的确定，许多学者利用MapGIS空间分析及信息处理功能开展了不同区域的地质环境质量评价研究[12-14]，运用层次分析法[15-17]、熵权系数法[18]、BP神经网络法[19]、支持向量机[20]等方法确定影响因素的权重。在借鉴前人研究成果的基础上，本文采用MapGIS与AHP耦合的方法，结合焦家金成矿带的地质环境特点及现状，对研究区进行地质环境质量评价，评价结果将对地质环境综合整治与保护提供依据及指导。

1 研究区概况

研究区处于焦家金成矿带及其东南部金矿分布较密集地区，面积约200km2，属北温带东亚季风区大陆性气候，四季分明，光照充足，地势平坦，环境优美，交通便利。受地质条件、环境及人类活动的影响，研究区范围内目前比较突出的地质灾害和地质环境问题主要有：地面塌陷及伴生地裂缝、崩塌、泥石流、海水入侵、地下水污染、地下水疏干、土地资源和地质地貌景观破坏等(图1)。

1—第四纪砂、砂砾、黏性土；2—新近纪砂岩、玄武岩；3—白垩纪上统页岩、砂岩、泥岩；4—白垩纪下统火山岩、火山碎屑岩；5—侏罗纪砂砾岩、砂岩；6—粉子山群石英岩、片岩、大理岩；7—胶东岩群片麻岩、变粒岩；8—燕山期花岗岩；9—地质界线；10—断裂及推测断裂；11—研究区位置

2 影响因素分析

地质环境质量受区域地壳稳定性、岩土体工程地质类型、地形地貌、采坑、地面塌陷与地裂缝等因素的影响。

2.1 地形地貌

研究区地形总趋势是东南高，西北低，西邻莱州湾，地势平缓，属滨海平原。东部是以剥蚀作用为主的丘陵区，标高一般为40～60m，地形坡度大，坡降一般为69×10-3，沟谷发育，基岩裸露；西部为山前冲洪积平原，地面标高22～35m，地势平缓，向西北倾斜，坡降约6×10-3。地貌分区属鲁东低山丘陵区，根据地貌成因类型和地貌特点评价区为构造剥蚀丘陵亚区、剥蚀堆积山间平原亚区2种地貌类型亚区。

2.2 工程地质类型

工程地质类型主要为坚硬块状侵入岩工程地质区及松散岩类工程地质区。坚硬块状侵入岩工程地质区主要分布于研究区东部、东南部。岩性主要为中生代花岗岩、闪长岩、正长岩和石英二长岩等。松散岩类工程地质区主要分布于山前平原地带。根据土层的粒度成分和工程地质性质分为：砂性土、黏性土、特殊土，总体而言岩土工程地质条件较差。冲积层多沿山间谷地分布，海积层沿海岸带展布，为相对稳定的地基地段(图2)。

1—冲积层、残坡积层；2—海积层；3—硬质砂岩；4—二长花岗岩；5—闪长岩；6—辉长岩；7—蚀变带；8—堆积山间、滨海平原；9—构造剥蚀丘陵

2.3 区域地壳稳定性

研究区地处我国东部大陆架区鲁东断块内，属于华北断块区中胶辽断块的山东部分，南邻苏北-胶南断块区，西靠鲁西断块区，西北接冀东-渤海断块区。鲁东断块属于中等活动强度相对稳定、缓慢抬升的边缘断块。区域上主要活动断裂有沂沭断裂带、渤海-威海断裂带和响水河-千里岩断裂。沂沭断裂带是我国东部规模最大的郯庐断裂带中新活动的一段，构成鲁东、鲁西两大断块的构造结合带。

渤海-威海断裂带位于工作区东北约60km，断裂带呈NWW向展布，规模大、延伸长。响水河-千里岩断裂位于工作区东南约180km，该断裂为华北地台与扬子地台的分界断裂，由苏北陆区响水河一带呈NE向延伸入黄海(图1)。

2.4 含水层富水性

根据地下水的赋存状态，区内地下水主要分为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水，其中松散岩类孔隙水依据单井涌水量的大小又划分为3种情况，具体见图3所示。

1—松散岩类孔隙水，单井涌水量500～1000m3/d；2—松散岩类孔隙水，单井涌水量1000～3000m3/d；3—松散岩类孔隙水，单井涌水量<500m3/d；4—基岩裂隙水，单井涌水量<100m3/d

2.5 地下水环境质量

通过对研究区地下水质量的取样分析可知(图3)，采用单因子指数法进行评价可知区内地下水硝酸盐、亚硝酸盐含量超标较为普遍，地下水质量几乎都在Ⅲ类水以下。其中氯化物污染主要分布于研究区东北的广大滨海—山前平原地带，硫酸盐超标样品主要分布于唐家河一带，水中硝酸盐—氮普及总硬度超标普遍存在(表1)。

表1 地下水污染分析样品超标组分

2.6 地下水疏干

地下水疏干主要是指开采矿产资源或者建设地下工程时，因疏干排水引起的地下水水位下降，进而导致水资源枯竭。通过对研究区内63个地下水取样点埋深及高程等因素的调查分析(图4)，勾划出区内地下水疏干区的范围。地下水疏干区主要分布于西曲城—白家—灵山地下水疏干区位于研究区中部，面积约21.7km2。该区金矿分布密集，地下水水位埋深在100m以下。河东—寺庄地下水严重疏干区，面积约15.2km2，金矿分布密集，目前在区内已形成一个NE40°方向的地下水疏干区(图5)。

1—取样点及编号；2—研究区范围

1—焦家断裂带；2—地下水漏斗范围；3—地下水漏斗影响较轻区；4—地下水漏斗影响较重区；5—金矿点

2.7 海水入侵

海水入侵是指在自然和人为因素影响下，海水向内陆运移及弥散，导致淡水变咸的现象。根据其对工农业生产及人畜用水造成不同程度的影响，该次以氯离子含量>250mg/L作为海水入侵的判别标准。根据查阅资料及调查得出2009年研究区海水入侵面积约21.14km2，2014年研究区海水入侵面积约50.2km2，入侵面积总体趋势还在缓慢增加(图6)。

1—2009年海水入侵线；2—2014年海水入侵线；3—地下水位标高等值线；4—金矿点；5—断裂

从区域地质图上来看，研究区内海水入侵线与焦家断裂带吻合度非常高，焦家断裂带为NE走向、SE倾向的隔水构造，说明焦家断裂带对区内海水入侵具有一定的阻隔作用。

2.8 采坑及尾矿库

矿山开采易造成土地资源、地质地貌景观破坏，主要是由露天开采、采空地面塌陷、堆放矿渣尾矿而引起的。研究区内共发现金矿、石材矿等露天采坑12处，长期的露天采矿及工程施工建设，形成许多采坑、挖掘面等，严重破坏了土地植被资源。

区内分布大量尾矿库，不仅占用了大量耕地，部分尾矿库缺乏环保措施，遇到大风干燥天气，扬尘对周围居民产生较大影响，同时也有发生泥石流、溃坝等地质灾害的风险。

2.9 地面塌陷

地面塌陷是地表岩土体在自然或人为因素作用下，于一定范围内短时间产生的地面沉陷，导致地面或建筑物损坏，造成一定经济损失的一种地质灾害。目前区内已发生和存在隐患的地面塌陷均为采空塌陷，共有13处(图7)。

2.10 崩塌

研究区属于低山、滨海平原区，调查期间未发现明显天然崩塌迹象，但区内露天开采矿山多处分布，并且采壁陡峭，极易发生人为原因造成的崩塌灾害，由于个别采坑距人类居住区较近，一旦发生灾害，采坑周边村民的生命安全受到严重威胁，该次地质灾害调查共发现崩塌地质灾害隐患点4处(图7)。

1—采矿范围；2—采空塌陷隐患；3—崩塌隐患；4—泥(渣)石流隐患；5—金矿点

3 指标体系构建

本文依据研究区的特点及资料的收集的情况，本着综合性、客观性、易获性、可表征性和可度量性评价原则，选取岩土体工程地质类型、地下水质量、地面塌陷等12个因素作为评价指标，构建研究区地质环境质量综合评价指标体系，具体见表2。

表2 地质环境质量评价因子量化分级

4 评价方法与过程

AHP与MapGIS的耦合就是利用MapGIS强大的空间分析、信息处理能力及专家评分的方法，对环境质量评价指标进行赋值量化，用AHP确定出评价指标的权重系数，在此基础上，建立综合加权指数模型，对研究区地质环境质量进行评价。

(1)评价单元划分及赋值:利用MapGIS的空间分析及信息处理能力，首先把研究区划分为263个1km×1km评价单元，采用专家打分的方法对每个单元内岩土体工程地质类型、地下水质量、矿山开采等12个二级评价指标分别进行赋值，提取并生成相应的点文件。

(2)评价指标权重确定：层次分析法(Analytic Hierarchy Process)，简称AHP是美国运筹学家T.L.Saaty教授提出的一种多目标、定性与定量相结合又能充分综合专家经验的决策分析方法。该文通过借助专业层次分析软件yaahp确定各个影响指标的权值，依据Seaty提出的1～9标度法根据各个评价指标对决策目标所起作用的大小进行相对重要性比较，构成判断矩阵，并对矩阵进行一次性检验。当CR<0.1时，认为通过一致性检验，得出的各评价指标的权重是合理的，得出评价指标的权重(表2)。

(3)综合加权指数评价模型。采用综合加权指数评价模型对环境质量进行评价。

F=a1*A1…+c3*C3

式中：F为地质环境质量评价指数；a1，a2，…，c2，c3表示评价指标的权重；A1，A2，…，C2，C3表示区域地壳稳定性(含地震烈度)、岩土体工程地质类型(含不良土体)等评价指标的因子赋值。

5 评价结果与分析

通过对研究区资料的收集、数据的统计分析，确定出分区的阈值2.69，5.12，6.85。根据分区阈值将研究区环境质量划分为：地质环境质量差区、地质环境质量较差区、地质环境质量一般区、地质环境质量良好区4种类型(图8)。

1—地质环境质量良好区；2—地质环境质量一般区；3—地质环境质量较差区；4—地质环境质量差区；5—金矿点；6—断裂

地质环境质量良好区：分布范围较少，约占全区总面积的17.9%，主要分布在研究区的西南部和东部，地貌类型主要为低山丘陵和滨海平原，地形相对起伏较小，岩层为坚硬块状侵入岩，工程地质条件较好，区内无采坑及尾矿库，未发生海水入侵，地下水质一般，无严重的地质灾害和地质环境问题。

地质环境质量一般区：主要分布在研究区的西部滨海区和诸河流附近，占全区总面积的35.6%。该区地貌类型主要为滨海平原和第四纪冲击层，地形相对起伏较小，区内矿山开采程度低，尾矿库数量较少，地下水Cl-含量在250mg/L以上，存在海水入侵环境问题，地下水质较差，无其他严重的地质灾害和地质环境问题。

地质环境质量较差区：主要分布在研究区中部，占全区总面积的24.4%。该区地貌类型以低山丘陵为主，地形相对起伏较大，区内有小型矿山开采，采坑及尾矿库存在，存在历史遗留采空地质灾害隐患，区内浅层松散岩类孔隙水富水性较好，基岩裂隙水富水性较差，存在一定范围内的地下水疏干现象，地下水环境质量一般。

地质环境质量差区：主要分布在研究区中部的焦家断裂带附近，占全区总面积的22.1%。该区地貌主要为山前平原和低山丘陵，区内金矿开采强度大，大部分为基岩裂隙水富水性较差，区域地下水严重疏干，并存在未治理的采空塌陷区和预测的塌陷区范围，现状塌陷区主要为回填后未利用区域，预测塌陷区大部分为耕地，地下水环境质量差。

6 结语

(1)在矿山地质环境评价过程中，采用层次分析法(AHP)合理地确定了矿山地质环境评价指标的权值，基于MapGIS的脆弱性指数法对12个评价指标进行综合分析，避免了单一因素评价的局限性，从而保证了评价结果的客观性和准确性。

(2)研究区矿山地质环境评价等级与矿山开发呈现出一定的规律性，有矿山开发的地区生态环境相对较差，而人类破坏小的地区生态环境则较好。评价结果符合客观事实，可为矿山环境的保护与修复提供对策和建议，为半岛蓝色经济区建设提供基础地质数据和科学依据。