基于模糊数学法的南四湖地区矿山地质环境现状综合评价

孟祥超，李军，王娜，冯玺平，宋月梅，何平，陈丽静，马腾

(山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队)，山东 济宁 272100)

0 引言

南四湖是山东省境内最大的淡水湖，于2003年被山东省政府设立为省级自然保护区。该保护区是生态系统完整、极具保护价值的“内陆湿地和水域生态系统”类型的自然保护区[1-3]。南四湖地区煤炭资源丰富、开发历史悠久。随着开采强度的增大，给地质环境造成了较大的破坏，尤其是煤矿矿山开采导致的地面塌陷、土地资源破坏等矿山地质环境问题尤为突出[4-9]，对南四湖自然保护区的生态环境造成了一定的威胁。鉴于此，开展南四湖地区的矿山地质环境调查与评价工作显得极为重要和刻不容缓(1)山东省鲁南地质工程勘察院，南四湖省级自然保护区矿山地质环境调查评价报告，2021年。。

矿山地质环境影响综合评价是一种复杂的量化评价，是需要定性方法与定量方法相结合的评价过程[10-12]。前人为科学有效开展该评价工作采用了多种方法进行研究，如模糊综合评价法、综合指数分析法、层次分析法、灰色关联综合法等[13-15]。尤其是陈舜、尹俊凯、关英斌、陈哲锋等[16-20]采用模糊数学法对矿山地质环境评价方面取得了较好的研究成果。本文根据评价区内矿山地质环境特征，采用模糊数学法对与南四湖自然保护区重叠的济宁市内的12个煤矿进行矿山地质环境现状评价，并提出了相应的防治措施。为开展南四湖自然保护区内矿山地质环境的治理恢复工作提供科学依据。

1 研究区概况

南四湖位于鲁西南济宁市境内，地跨济宁市微山县、鱼台县和任城区3个县(区)，是鲁西南最大的自然保护区，也是南水北调东线工程的重要输水储蓄枢纽。

本次研究区范围为南四湖省级自然保护区范围所涉及的济宁市境内的12处采煤矿山采矿权范围，总面积517km2(图1)。研究区北部包括安居煤矿、济宁三号煤矿、王楼煤矿和泗河煤矿4处矿山；研究区中部包括新安煤矿、崔庄煤矿、高庄煤矿、付村煤矿、三河口煤矿、金源煤矿和昭阳煤矿7处矿山；研究区南部为永胜煤矿。其中现有生产煤矿9个，在建煤矿1个(永胜煤矿)，已关闭煤矿2个(泗河煤矿、昭阳煤矿)。

1—各矿山采矿权(评价区)范围；2—南四湖省级自然保护区范围图1 研究区范围图

2 矿山地质环境现状

矿山地质环境问题指矿产资源开发过程中产生和加剧的地质环境恶化的现象[21-22]。根据资料收集分析及现场调查研究，南四湖省级自然保护区矿山地质环境问题主要有地面塌陷、含水层破坏、土地资源破坏、地形地貌景观破坏和水土污染。

2.1 矿山地质灾害(地面塌陷)特征

通过遥感解译和现场调查，评价区内的矿山地质灾害为矿山地下开采引发的地面塌陷。截至2020年底上述12个矿山均有不同程度的地面塌陷，沉陷区(垂直下沉幅度≥10mm)总面积12859.92km2(表1)。由表1可以看出，部分沉陷区已形成常年积水区或季节性积水，带来了严重的农作物经济损失。

2.2 地形地貌景观破坏及土地资源破坏

由于地形地貌景观破坏和土地资源破坏范围一致，因此一起对其进行分析研究。主要破坏原因为：一是采煤引起的地面塌陷，二是工业广场建筑及煤矸石堆的压占。影响严重区：为采煤后地面塌陷形成的常年积水区，严重破坏了原地形地貌和土地资源，面积约1840.83km2(表1，图2)；工业广场建筑及矸石堆放场改变了原生地形地貌形态、破坏了原有的土地资源，面积约311km2(表1，图2)。影响较严重区：采煤后地面塌陷形成的季节性积水区，季节性改变了原生地形地貌形态、破坏了原有的土地资源，面积约193.07km2(表1，图2)。影响较轻区：采煤后地表沉降幅度较小，未出现积水现象，由原来平坦地形变为缓坡地，面积约4448.05km2。

2.3 含水层破坏

研究区内主要含水层：第四系松散层孔隙含水层、侏罗系砂岩孔隙裂隙含水层、石炭-二叠纪山西组砂岩裂隙含水层、石炭-二叠纪太原组石灰岩岩溶裂隙含水层、石炭纪本溪组石灰岩含水层、奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层，共6个含水层。

煤矿开采对各含水层地下水位的影响基本上都是通过对含水层的结构破坏导致各含水层形成新的排泄通道所致[23-24]，即对含水层水位的影响与对含水层结构的破坏基本一致。

表2 保护区内12个煤矿开采导水裂隙带发育高度及含水层破坏统计表

表1 研究区内采煤沉陷区面积统计表 单位：km2

1—常年积水区；2—季节性积水区；3—湖泊水面及河流水面；4—未积水地面；5—工业广场(含煤矸石场)范围； 6—地表水检测点(未超标)；7—地表水检测点(超标)；8—地下水检测点(未超标)；9—地下水检测点(超标)；10—土壤监测点；11—南四湖省级自然保护区范围；12—各矿山采矿权界线 图2 研究区内采煤沉陷区及地表水、地下水及土壤监测点分布图

通过收集各矿山地下水位动态监测资料以及现场对地下水位的统测，矿山开采未对第四系松散层孔隙含水层、奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层的水位造成明显影响，对其他含水层水位的影响与上述计算结果一致。

2.4 水土污染特征

本次水土污染评价工作采取了综合污染指数法对具有代表性的地表水、地下水和土壤样品的化学分析测试结果进行了评价。

(1)地表水状况。本次对评价区内的121件(图2)地表水的汞、砷、铬(六价)、铅、铜、镉、锌、硫酸盐、氨氮、氟化物10项因子通过综合污染指数法进行了评价：其中6件水样为Ⅳ类，属于中度超标水，占地表水水样的28.10%；34件水样为Ⅲ类，属轻度污染水，占地表水水样的4.96%；39件水样为Ⅱ类水，属尚清洁水，占地表水水样的32.23%；其余42件水样为Ⅰ类水，属清洁水，占地表水水样的34.71%(图3)。

图3 地表水综合指数法评价结果

(2)地下水状况。对40件地下水样(图2)中总硬度、溶解性固体总量、硫酸盐、氯化物、氨氮、钠、亚硝酸盐、硝酸盐、氟化物等因子采用综合指标法进行评价，其中1件为Ⅴ类水，属超标相当严重，占地下水水样的2.5%；有5件水样为Ⅳ类水，属中度超标水，占地下水水样的12.5%；12件水样为Ⅲ类水，属轻度超标水，占地下水水样的30%；13件水样为Ⅱ类水，属尚清洁水，占地下水水样的32.5%；9件水样为Ⅰ类水，属清洁水，占地下水水样的22.5%(图4)。

图4 地下水综合指数法评价结果

(3)土壤状况。对区内20件(图2)土壤样品进行综合评价，20件土壤样品综合超标指数0.238～0.541，均小于0.7，等级划定为Ⅰ级，污染等级为安全，污染水平为清洁。

3 模糊数学法进行矿山地质环境影响综合评价

本次矿山地质环境评价采用模糊数学评价方法，通过评价因子量化，予以评价分区。

3.1 评价单元划分

遵循“差异性、代表性、综合性”原则[25-26]，为保证较为精确的评价，选取“地质灾害(地面塌陷)、土地资源破坏、地形地貌景观破坏、含水层破坏、其他矿山地质环境问题点(地表水、地下水、土壤污染点)分布密度”五项评价因子，并将评价区划分为42个评价单元。由于各评价因子的重要性是有差异的，以权重值区分。五项评价因子权重值由参考前人研究成果并征求部分专家意见提出[26]，评价集的权重系数值，构成如下行列式：

M=[0.3，0.3，0.2，0.1，0.1]

3.2 各评价因子的量化及模糊判别

(1)矿山地质灾害量化方法及模糊判别。矿山地质灾害量化方法——地面塌陷危害程度：以每平方千米的经济损失之和(万元)进行统计，单位面积经济损失≥500万元/km2严重归属度为1，≤100万元/km2严重归属度为0.1，其他通过建立函数计算得出0.1～0.9之间值。

(2)土地占损率模糊判别。土地资源破坏量化方法——土地占损率：分区内占损土地面积与分区总面积之比，土地占损大于20归为严重，其他小于20的判别其模糊归属度。

(3)地形地貌占损率模糊判别。地形地貌景观破坏量化方法——地形地貌占损率：分区内占损土地面积与分区总面积之比，土地占损大于20归为严重，其他小于20的判别其模糊归属度。

(4)含水层破坏率模糊判别。含水层破坏量化方法——含水层破坏率：矿山开采破坏的含水层数与总含水层层数的之比，对第四系或奥陶系含水层造成破坏才归为严重，除此之外判别其模糊归属度。

(5)其他矿山地质环境问题点分布密度模糊判别。其他矿山地质环境问题点分布密度量化方法，分区内矿山地质环境问题点(包括地表水水质超标点、地下水水质超标点和土壤质量超标点等)数量与分区总面积之比，即每平方千米的矿山地质环境问题数量，只要每平方千米出现5个其他矿山地质环境问题点就归为严重，除此之外判别其模糊归属度。

3.3 模糊数学法综合评判评价

根据上述各模糊判别函数，可分别计算出各分区5个评价因子的模糊判别结果，并建立模糊判别矩阵N。

模糊判别矩阵N与权重系数矩阵构成如下“模糊综合评判隶属度值”计算式：K=M·N

经过矩阵运算：K=[K1，K2，…Kn]

并按以下规则评判，当模糊综合评判隶属度值(K)：K≥0.80，影响严重区；K=0.50～0.79，影响较严重区；K=0.15～0.49，影响较轻区；K≤0.15，影响轻微区。

经过对各分区单元的模糊综合评判隶属度值进行计算，并按以上判别规则进行评判，将评价区共分为42个区(图5，表3)，12个影响严重区、18个影响较严重区、11个影响较轻区和1个影响轻微区。

1—影响严重区范围及编号；2—影响较严重区范围及编号；3—影响较轻区范围及编号；4—影响一般区范围及编号；5—南四湖省级自然保护区范围；6—各矿山采矿权界线图5 矿山地质环境现状影响模糊数学法综合评判分区图

表3 模糊数学法综合评判结果表

4 矿山地质环境保护与治理方向

评价区与南四湖自然保护区重叠，宜结合“山水林田湖草一体化保护修复”进行统一规划治理、综合治理，分步实施。还应根据主要矿山地质环境影响严重程度进行分区治理、主次分明。

4.1 严重区矿山地质环境特征及防治方向

(1)主要矿山地质环境问题特征。该区为各矿山地面塌陷常年积水区，主要特征为经济损失大、土地占损率及地形地貌占损率高，其次为存在含水层破坏及局部地表水水质超标现象。

(2)防治方向。该区为矿山的重点防治区。其防治方向为重点是对地面塌陷常年积水区的治理，其次是对含水层破坏、地表水污染的防治工作。

地面塌陷常年积水区的治理。目前，周边矿山在治理地面塌陷常年积水区方面已取得良好的治理效果：如济宁二号煤矿采煤挖深垫浅恢复耕地、整治成鱼塘与光伏发电场，横河煤矿已建成太平湿地公园等。建议结合“南四湖自然保护区”的规划，对该区通过挖深垫浅、土地平整等方案进行土地整治，一部分恢复成耕地，另一部分根据南四湖自然保护区的规划修建鱼塘发展水产养殖或建设成人工湿地公园等。一方面通过恢复成耕地减少了土地占损率和地形地貌占损率；另一方面通过发展养殖业和建设人工湿地公园可增加经济收入，以减少地面塌陷带来的经济损失。

含水层破坏、地表水污染防治。含水层破坏防治：采用煤矸石进行采空区充填、封堵串层污染井及封闭不良钻孔，对止水不良的供水井或钻孔进行注浆封堵。对于局部地表水超标区域，展开针对性调查工作，尤其是在各污水处理厂、煤矸石场、生活区下游等敏感处加强水质监测工作。

4.2 较严重区矿山地质环境特征及治理方向

(1)主要矿山地质环境问题特征。该区包括矿山地面塌陷季节性积水区和矿山工业广场，特征为经济损失较大、土地占损率及地形地貌占损率较高。

(2)防治方向。该区为矿山的次重点防治区。其防治方向主要是对地面塌陷季节性积水区的治理，其次是对工业广场及煤矸石的防治。

地面塌陷季节性积水区的防治。建议对季节性积水区进行换填垫高，恢复成耕地，以较少经济损失恢复原有的土地资源及地形地貌景观，同时加强对地面变形的监测工作。

矿山工业广场及矸石堆场的防治。对于不使用的工业设施及时拆除并绿化或恢复成耕地；对于矸石堆场内的煤矸石用于井下充填或平整道路；对场地及时绿化或恢复成旱地。

4.3 较轻区矿山地质环境特征及治理方向

(1)主要矿山地质环境问题特征。该区为各矿山地面塌陷常为非积水区，地面下沉及变形幅度小。尚未对土地资源及地形地貌景观造成明显的影响，存在交通及水利设施沉降现象，经济损失较小。

(2)防治方向。防治措施为对交通和水利设施随塌随垫；对下沉较严重地段进行土地平整以防治季节性积水导致的经济损失；加强地面变形监测工作，时刻掌控地面变形趋势。

4.4 轻微区矿山地质环境特征及防治方向

该区为评价区内除了以上3个区外的其他区域，该区远离塌陷区、矿山工业广场，受矿山活动影响小。主要矿山地质环境问题为局部存在地表水或地下水水质超标。建议进一步加强水土环境的监测工作。

5 结语

本次工作依托“南四湖省级自然保护区矿山地质环境调查评价”项目，并利用模糊数学法对南四湖矿山地质环境现状进行了综合评价，评价中对矿山各评价单元进行了详细的划分，着重体现了评价因子的权重系数及模糊判别计算的重要性，充分发挥评价的客观性，减少了人为的主观因素，使评价更符合矿山现状。可作为矿山建设、管理决策与规划的重要依据，将对矿山地质环境的治理发挥积极作用。