矿区地质环境脆弱性评价

孙庆先 贾新果

(煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京市东城区,100013)

矿区地质环境脆弱性评价

孙庆先 贾新果

(煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京市东城区,100013)

借鉴其他领域脆弱性评价方法,率先完成煤矿地区地质环境脆弱性评价,倡导并建立一种具有煤矿地区特色的地质环境脆弱性评价新方法,丰富了煤矿地区地质环境评价的技术手段。用实例分析说明了实现这种新方法的一般步骤,分析结果可作为煤矿地区村镇、厂矿、工程建设选址的技术参考依据。

煤矿地区 地质环境 脆弱性 地理信息系统(GIS)

1 前言

脆弱性是全球环境变化及可持续性科学领域关注的热点问题,许多学者已把脆弱性研究作为一门新兴的科学。2001年4月,23名世界著名学者在《科学》杂志发表的《可持续性科学》(Sustainabilitv Science)一文把“特殊地区的自然-社会系统的脆弱性或恢复力”研究列为可持续性科学的7个核心问题之一,综合前人的研究成果,本研究认为,地质环境脆弱性是系统受外部扰动灾害不利影响的易损性,导致生命、财产及环境发生损害的可能性。脆弱性增加,就意味着安全性降低,也即抗御灾害和灾后恢复的能力差。煤炭资源的开采使煤矿地区地表处于不稳定状态,而且还会诱发滑坡、泥石流等地质灾害,这使得煤矿地区的地质环境脆弱性与众不同。

鄂尔多斯市某煤矿地区10多个行政自然村(队)因煤矿开采需要异地重建,本文以该煤矿地区为例,运用Map GIS软件的空间分析功能,对该煤矿地区的地质环境脆弱性进行评价,论述煤矿地区地质环境脆弱性评价一般过程和方法,研究成果为村庄选址提供参考。

2 煤矿地区地质环境脆弱性评价实例分析

2.1 概况

鄂尔多斯市伊金霍洛旗煤炭资源极其丰富,大小煤矿比比皆是。在人口密集区,村庄、工厂、公路及沿途商铺的压煤量很大。通过各种方案比较认为,将村庄等搬迁异地重建而后开采建筑物下被压的煤炭资源在经济上更加合理。根据伊金霍洛旗土地利用整体规划,搬迁村庄等选址在311.49 km2范围内,这是本研究中的脆弱性评价范围。评价区区域地貌属高原剥蚀丘陵,按其形态可划分为丘陵、沟谷两种地貌形态。丘陵地貌的特点是峁梁散布,沟谷纵横,丘顶多呈浑圆状、长脊状,坡度15～30°,植被覆盖率50%～60%。沟谷呈树枝状分布,呈V型或U型,沟床坡降10‰～15‰,沟谷切割深度不等,一般10～20 m。

2.2 煤矿地区地质环境脆弱性评价方法

近年来,地理信息系统(Geographic Information System,GIS)技术在具有地理空间信息的行业发挥了不可替代的作用,它利用空间解析式模型来分析空间数据,完成复杂的空间分析,其结果可以以二维平面图、三维立体图、动漫、声像等形式表达,同时提供文字和数值统计结果,比单纯的文字和数字评价结果更加直观。

GIS强调空间分析,可及时提供地质环境动态变化信息,快速地为决策部门提供实用化成果。国内外专家学者在应用 GIS技术评价脆弱性方面已经开展了大量的研究工作,取得了实用性的成果。

首先确定参与评价的因子及其权重,收集各种评价因子的图形和属性数据资料,然后根据收集到的基础资料在Map GIS软件中制作各种评价因子的等值线或等值面图,同时为图形上不同区域赋值,最后在Map GIS软件中将具有不同权重的单因子评价图进行空间叠加,得到综合评价结果,以图形形式表达,并输出统计结果。

2.3 研究区地质环境脆弱性评价因子的确定

人类采矿活动在遗留大量采空区的同时,也常常是滑坡、泥石流、崩塌、煤层自燃等灾害的诱导因素。因此,煤矿地区地质环境脆弱性评价与众不同,具有煤矿地区特有的特色。地下水资源脆弱性评价是开展研究最早、研究成果最丰富、研究方法技术最成熟的领域之一,参照地下水资源脆弱性分类,本文将煤矿地区地质环境脆弱性分本质(固有)脆弱性和特殊脆弱性两类。本质(固有)脆弱性指由于自然地质因素而引起的评价系统的易损性;特殊脆弱性指由于人类生产活动而引起的评价系统的易损性。两种脆弱性中各自包含多种评价因子和次一级的因子。参考前人的资料,考虑到本研究对象空间范围不大,同时顾及评价目的,确定如图1所示的因子参与评价,更次一级的评价因子在图中未列出,实际工作时已给予考虑,参与评价。

确定评价因子的说明:评价区内地震烈度一致,无大的断裂构造,地壳稳定性近一致,地震烈度和断裂构造2种因子对评价结果无影响。包气带渗透性、土壤盐渍化、砂土液化3个因子无资料,以上5个因子可省略。为减少工作量且不会对结果有影响,实际工作中将采空区引起的地质灾害和自然条件发生的地质灾害合为一幅评价因子图,地下水和土壤污染合为一幅评价因子图,参见表1。采煤引起的地表稳定性综合了前人和笔者实地调查研究结果的多种方法联合判断,然后通过内插制作地表稳定性分区图。在地表稳定性4级中,将没有采空区的区域确定为稳定;将有采空区的区域分为3级:在较长时间内地表不发生变形的区域为较稳定,地表发生连续下沉的区域为不稳定,地表发生非连续下沉(突然塌陷、抽冒)的区域为极不稳定。

表1 地质环境脆弱性指标强度分级

图1 煤矿地区地质环境脆弱性环境评价因子及分类

2.4 评价因子分值及权重

图2(采煤引起的)地表稳定性区划图

参照前人的方法,本研究中每个评价因子分级均按4级处理,I～Ⅳ级的评价因子根据其对地质环境脆弱性影响轻重确定其地质环境脆弱性级别,并赋予一定的分值:Ⅰ级(低脆弱性)10分、Ⅱ级(中等脆弱性)40分、Ⅲ级(较高脆弱性)70分、Ⅳ级(高脆弱性)100分。经过德尔菲法(Delphi Method)对各评价因子的重要性进行评判,确定各因子的权重:地形和坡度为0.16、水文地质条件(地下水状况)为0.18、土壤类型及厚度为0.16、地质灾害为 0.13、地表稳定性为0.20、地下水和土壤污染程度为0.17。

评价因子权重值靠前的地表稳定性和水文地质条件的区划图分别见图2和图3,其他评价因子的区划图不再一一展示。

图3 地下水状况区划图

2.5 研究区评价结果及特征分析

将各种评价因子在Map GIS软件中进行叠加,按加权求和方法计算地质环境脆弱性综合分值:

式中:S——地质环境脆弱性综合分值;

fi——评价因子的分值;

wi——评价因子的权重。

参考前人的成果,同时结合本例的实际情况,确定按Ⅰ级小于 45、Ⅱ级45～60、Ⅲ级60～75、Ⅳ级大于75的地质环境脆弱性分级标准对评价区的综合分值进行分区,完成区划图,见图4。

低脆弱区主要分布在评价区中西部,面积98.61 km2,占总面积的31.7%。低脆弱区地表稳定或较稳定,地下水较丰富,土壤类型为(亚)粘土伴沙砾、石,除有小型崩塌地质灾害外,无其他地质灾害,地下水和土壤无污染或仅有轻度污染,峁梁,坡度多在15°左右,沟谷发育,但谷底平缓,切割不深。

中等脆弱区4块,合计面积127.24 km2,占总面积的40.8%。除东部Ⅱ4外,其余3块都不同程度的受采煤影响,地表较稳定或不稳定,沟谷发育,坡降一般大于 10‰,土壤中沙、砾过半,(亚)粘土含量不大。Ⅱ4为沟谷发育区,坡降一般大于15‰,切割深度在15 m左右,沙、砾互层,崩塌地质灾害危险性很大。评价区外靠近Ⅱ4边缘有一中型热电厂,附近土壤中度以上污染。

图4 地质环境脆弱性区划图

较高脆弱区3块,合计面积80.45 km2,占总面积的25.8%。3块都受采煤影响,地表不稳定或极不稳定,沟谷发育,切割不深,但坡降一般大于15‰。土壤以沙、砾互层为主,且一般厚度5 m以上,部分地区裸岩。部分地段地下水贫乏,开发利用难度较大。

高脆弱区面积2块,合计面积5.19 km2,占总面积的1.7%。2块都受采煤影响,地表极不稳定,Ⅳ1为裸岩区,Ⅳ2为沙砾为主的沙地,厚度大于5 m,同时,根据矿方提供的资料和实地考察,此2处均有自燃现象,Ⅳ1区地下水极贫乏,评价区外部靠近Ⅳ2区处,有一小型热电厂,附近土壤中度以上污染。

低脆弱区主要分布在未受采动影响的区域,该区域地下水资源比较丰富,土壤中(亚)粘土相对比较丰富,因此低脆弱区是村庄(队)搬迁的首选区。对于工程、厂矿可选择除低脆弱区以外的中等脆弱区,非特别需要,较高脆弱区和高脆弱区不能作为任何有人类聚居活动的场地。

3 结语

人类强烈的采矿活动使煤矿地区地质环境具有与众不同的特点,因此,煤矿地区地质环境脆弱性评价没有成熟实用的方法和技术路线。本研究率先开展煤矿地区地质环境脆弱性评价工作,同时参照地下水资源脆弱性分类方法将煤矿地区地质环境脆弱性分为本质脆弱性和特殊脆弱性两类。由于煤矿地区地质环境的特殊性,加之基础资料不齐全,因此,本研究尚存在不足,如评价因子的选择确定、分级标准和权重都有待商榷、完善,但本文为分析煤矿地区地质环境问题提供了一种新的技术思想,研究结论可作为村庄、厂矿、工程选址的重要参考依据,而且反馈信息表明,研究结论在指导实际工作中取得了比较理想的效果,这说明,从总体上来看,不论是在评价方法的选择上还是在评价因子的确定上都是比较适宜的,评价结果是有效的、可靠的。本研究方法值得在同类工程中推广应用或参考。

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(责任编辑 张艳华)

Vulnerability evaluation of geological environment in coalmine area

Sun Qingxian,Jia Xin’guo
(Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Dongcheng,Beijing 100013,China)

Learning from other field vulnerability assessment method,this paper takes the lead to apply the geological environment vulnerability assessment method in the coalmine area,and creates a new idea to evaluate geological environment vulnerability with coalmine area characteristics,which enriches the coalmine area geological environment evaluation techniques.Case study showed general steps of realizing this new idea,the results can be used as location reference information of villages and small towns,factories,construction projects in coalmine area.

coalmine area,geological environment,vulnerability,geographic information system(GIS)

P624.6

A

孙庆先(1968-),男,河北廊坊市人,博士后,高级工程师。