基于GIS的青海高寒区矿山地质环境影响程度模糊评价

袁素凤,李鑫，杨亚慧

(1.陕西省交通规划设计研究院，西安　710065；2.长安大学，西安　710064)



基于GIS的青海高寒区矿山地质环境影响程度模糊评价

袁素凤1,李鑫2，杨亚慧2

(1.陕西省交通规划设计研究院，西安710065；2.长安大学，西安710064)

摘要：青海省的矿产资源主要分布于青藏高原高寒区，处于生态环境脆弱地区，具有独特的地质环境条件，生态环境保护与矿业的开发之间矛盾突出。本文以青海省东部大通河上游的江仓煤矿四井田为例，将影响矿山地质环境质量的主要矿山地质环境地质要素概括为自然因子和人为因子二大类。为尽可能实现多因素的影响和评价因子的量化，将评价因子划分为三级，建立了矿山地质环境影响程度评价指标体系。在GIS支持下，建立影响程度评价因子数据库。利用GIS空间栅格叠加分析功能，采用三级模糊综合评判方法对矿山地质环境影响程度进行了综合评价，编制了矿山地质环境影响程度评价图。基于GIS的矿山地质环境影响程度模糊评价方法将GIS技术和模糊数学理论引入矿山地质环境影响程度评价研究之中，达到了定性、定量以及定位相结合，从而可为受损的矿山地质环境实施科学保护与治理提供更加精确的信息。

关键词：青海省高寒区；矿山地质环境；地理信息系统；三级模糊综合评价

依托丰富的矿产资源，矿业已逐步发展成为青海省的支柱性产业。然而，青海省的矿产资源主要分布于青藏高原高寒区，如柴达木成矿区、祁连成矿区、唐古拉成矿区[1-2]。青藏高原高寒区生态环境脆弱地区，具有独特的地质环境条件，属于我国生态保护重点地区。生态环境保护与矿业的开发之间矛盾的突出，因此开展矿山地质环境影响程度评价，进而对受损的矿山地质环境实施科学保护与治理尤为重要。

随着中国地质调查局2002年启动的全国以省(区、市)为单元的矿山地质环境调查与评估的进行，矿山地质环境影响评价成为研究热点问题[3]。众多学者提出了矿山环境的综合评价方法，如层次分析法、加权比重法、有限差分法、灰色关联度法等[4-7]，与此同时人们对评价指标的选取、指标体系的制定和评价方法方面进行了积极的探索[11-14]，取得了可喜进展。然而，高寒地带矿区冻土层广泛发育，具有独特的水文地质和环境地质特征，迫切需要尝试建立适宜的矿山地质环境影响程度指标体系，并探索适用的评价方法。

高寒区矿山地质环境影响程度评价是一个复杂的综合分析过程,影响环境地质质量的因素繁多，如地形坡度、地质构造、地质灾害、冻土、热融、冻融、地下水、开采方式等，而且作为刻度各级别的各因素指标的界限又是十分模糊，很难用经典数学模型加以统一量度。高寒区矿山地质环境地质条件特殊，资料相对缺乏。因此模糊数学综合评判法是进行高寒区矿山地质环境影响程度评价较为合理有效的数学方法。

另一方面，矿山地质环境对象或现象总是在一定的空间上以一定的形态存在，空间性是它们的重要特征之一，其矿山地质环境数据量大，手工处理无法达到满意的精度。利用GIS技术，从空间数据库中提取相应的矿山地质环境影响程度评价因子，利用模糊评价模型进行数据分析评价，将分析评价成果形成空间数据，提高了评价精度，并可实现成果的可视化，为矿山环境保护决策服务。

本文选取了大通河源高寒区，青海省的最大煤矿——江仓煤矿四井田为研究对象，在分析和研究矿区的地理与地质环境、资源环境和地质灾害环境的基础上，建立了江仓四井田矿山地质环境影响程度评价指标体系，运用GIS支持下的模糊综合评判方法进行了系统的矿山地质环境影响程度评价。

1矿区概况及矿山地质环境问题

1.1矿区概况

图1　研究区地理位置图

江仓四井田座落在青海省东部大通河南岸，行政隶属于青海省海西州天峻县木里乡，江仓矿区南翼19～29勘探线之间，东起19勘探线，西至29勘探线，北以向斜轴为界，南以20煤露头为界[15]。地理坐标：东经99°28′39″～99°30′50″、北纬38°02′10″～38°02′55″(图1)。矿区位于高海拔山地，海拔3 854.5～3 864.5 m，地处江仓河高海拔冲洪积平原，夹持在北侧的江仓山(海拔3 798.5 m)和南侧的大通山(海拔3 795.5 m)之间，地形略有北高南低之势，较为平缓、简单，自然坡度约54.4‰，呈现出高原内部河谷地貌景观。

矿区地势高，气温低，昼夜温差较大，年平均气温在0℃以下,最高气温为19.8℃，最低气温为-34.8℃。年平均降水量为314.5 mm，蒸发量为1 418.1 mm，雨季多集中在7、8、9三个月中[16]。

矿区属于大通河源地区，为重要水源涵养地，大通河的一级支流——江仓河沿矿区南侧自西向东流过。地表均为疙瘩状草沼湿地覆盖，热融湖塘星罗棋布，积水热融湖面积约占30%～40%。植被类型分为高寒沼泽草甸类和高寒草甸类，以高寒沼泽草甸类为主要植被类型。高寒沼泽草甸植被以禾本科、莎草科植物为主，优势种为藏嵩草和圆囊苔草，伴生植物种有黑穗苔草、粗喙苔草等，植被覆盖度80%～90%。

侏罗系为江仓矿区的煤系地层，构成江仓向斜的主体。江仓四井田矿区的建设规模为露采90×104t/a、井采120×104t/a[15]。目前露天开采与井采正在同时进行，实际生产规模已达到设计标准。矿区井采的工程布局以主井井筒为轴线向两侧展开，分为三个区，开采深度为+3 850～+3 000 m，所产生的煤矸石大部堆到排渣场。

1.2矿山地质环境问题

目前矿区的开发建设占地面积达177.6 hm2；破坏的植被主要为高寒沼泽草甸，同时也改变了当地原有的地貌景观；矿业活动对冻土层的破坏在矿区范围内较为严重，致使其多种生态调节功能下降，原有的沼泽草甸不断地向高寒草甸退化，水土流失也随之加重；污染土壤的主要因素是固体废物，主要为矿渣、锅炉灰渣和生活垃圾，其中矿渣和锅炉灰渣的污染轻微，生活垃圾对土壤环境的污染较严重。矿业活动对江仓河和地下水的水均衡影响很小，污染比较轻。目前矿山地质灾害主要有4处滑坡、1处热融泥流、1处热融滑塌、2处不潜在不稳定斜坡、1处采空区地表塌陷、2处冻融沉陷区[16]。

2矿山地质环境影响程度评价的指标体系

通过对矿区环境要素的分析研究，遵守系统性、客观性、可操作性、主导性等原则，从中筛选出与矿山环境关系密切的因素作为评价因子，将矿山地质环境影响程度划分为三级，即影响程度严重区、影响程度较严重区和影响程度一般区。

2.1评价因子的选取及分类

在分析矿山地质环境问题的过程中，充分考虑江仓四井田矿山地质环境存在问题的普遍性和特殊性，将选取的多个因子分为两类：自然因子和人为因子。

其中自然因子是指研究区内的自然环境情况，包括地形坡度、气象水文、地层岩性、地质构造、植被覆盖率、水文地质条件等，反映了区域环境的容量，控制着矿山地质灾害的发育特征及矿山恢复治理的难易程度；人为因子是指人类生产活动对自然进行改造而使矿山环境发生改变的情况，包括开采方式、土地资源及土壤环境的破坏、水资源及水环境的破坏、地质灾害等，反映了矿山地质环境的现状及发展趋势及人类活动对自然环境的影响程度。

2.2评价体系的建立

按照上述评价因子建立评价体系，本文采用三层结构，第一层为目标层，即最终评价结果；第二层为类因子层，分为自然因子和人为因子；第三层为因子层。具体情况如图2所示。

图2　高寒区矿山地质环境影响程度评价体系框图

3评价因子的取值及分级

将矿山地质环境影响程度划分为严重、较严重和一般三个等级，根据这三个等级的划分依据，结合江仓四井田矿区的实际情况，也将上述评价体系中的一级因子划分为三个等级。由于选定的因子数量较多，且分为定性因子和定量因子，为避免定量、定性因子评价的不统一和大量实际数值运算的困难，本文采取建立专家数据库，用经验或专家打分方法，以0～9对因子进行赋值，其中0～3代表影响程度一般，3～6代表影响程度较严重，6～9代表影响程度严重。具体赋值标准见表1。

在评价过程中，人为因子中的地质灾害参考表1进行地质灾害危害程度评估，将所得结果赋予上述分值进行模糊评价，若评价单元内有多处地质灾害且危害程度不等，以危害程度较大者为准。

4矿山地质环境影响程度评价的数据库建立

矿山地质环境影响程度综合评价的数据库数据组织是建立在GIS基础上，由空间数据库、属性管理数据库两个部分组成。空间数据库主要用来存放矿山地质环境影响程度评价背景数据及其相关的空间分布数据，根据不同的专题要素进行分层组织，存储在地图文件中。属性管理数据库存储基础数据的相关属性，由一系列属性表构成。属性数据与空问数据通过一定的索引进行关联。

矿区地形地貌条件较为复杂。在GIS技术支持下，我们采用网格法采样，将评价区可按不规则多边形网格单元划分法进行单元划分，划分的原则有两条：第一，以地貌单元边界为单元边界；第二，以岩性突变边界为单元边界，评价单元(网格grid)的大小应以10 m×10 m为上限。

表1　矿山地质环境影响程度评价因子分级赋值标准

4.2单元数据的采集

图形数据来源于各类型的基础图件和专题图件，主要是各种比例尺的行政图、交通图、地形图、地质图、地貌图、地质灾害图、工程地质图、水文地质图、土地利用现状图、土壤图、矿山开采布局图等，属性数据包括场地试验、资料等。

对现有的基础图件及专题图件，进行数字化、网格化处理，分层管理。数据层主要包括图1中各种评价指标。建立研究区综合地学信息系统，生成评价所需的各评价指标对应的专题数据库。在分析过程中，有些基础资料不方便直接进行分析的，需迸一步加工处理，如地形、断层等，基础数据是线状图层数据，实际分析时，需要将线状图层数据转换为影响程度范围分布图，即面层。等高线生成坡度采用以下方法：将等高线文件利用GIS空间分析功能，生成数字高程模型(DEM)[17-18]，并从中提取坡度分级图(面状图层)，生成坡度专题图。

对缺乏现有资料的评价指标(如植被覆盖、土地占压等)，在野外调查的基础上，利用遥感图像解译，GPS数据采集，采用GIS数据管理方式，生成评价所需的专题数据库。

4.3数据库管理

(1)南京城市河流表层沉积物碱性磷酸酶活性在各采样点分布各有不同。3个河段的平均APA分布表现为：外秦淮河<运粮河>运粮河

为了保证专题分析与环境质量评价的顺利实现，必须对数据库管理进行统一标准规范下的分类整理、标准化处理，所有专题层面依照统一的坐标系统控制，依统一格式建立数据库，属性数据进行量化与系统性编码。

5GIS支持下的环境工程地质质量三级模糊综合评价

5.1多级模糊数学综合评价方法与模型

模糊综合评价法是以隶属度来描述模糊界限的，是目前在地质环境质量评价中应用比较成功的一种方法[19]。它对某事物根据多种因素(或多个评判者)分别给出评判结果综合出一个综合各因素(或多个评判者)的评判结果。可作如下描述[20-22]：设U和V是两个有限的论域：

U={u1，u2，…，un}，V={v1，v2，…，vm}

其中U称为评判因素集合(或评判者集合)；V称为评语集合(或评价结果集合)。若对单因素u1∈U而言，对某事物给出的模糊评判用一个在评语集(或评价结果集)V上的一个模糊集

(μi1/v1，μi2/v2，μi3/v3，μi4/v4…，μim/vm)

0≤μi1≤1，i=1，2，3，…，n，j=1，2，3，…，m

v1v2…vmu1μ11μ12…μ1nu2μ21μ22…μ2n…………………………unμn1μn2…μnn

表示，这样就得到一个对该事物的评判矩阵E。

若各评判因素(或各评判者)的权重(或权威程度)用U上的一个模糊集

(x1/u1，x2/u2，x3/u3，…，xn/un)或向量

X=(x1，x2，x3，…，xn)，

本文根据模糊集的运算方法，采用下面模型计算评判矩阵Y的值。

M1(·⊕)——归一加权模型，ai的含义可以理解为某个评价因子的权系数。

式中,⊕表示模糊加；i代表n个评价因子中第i个评价因子；j代表m个评价等级中第j个等级；bi代表第j个评价等级的隶属度。

5.2模糊数学综合评价的过程与步骤

模糊数学综合评价具体步骤如下：

(1) 确定评价因素集(E)

根据略阳城区地质环境特征，确定矿山地质环境影响程度评价的评价因素集。

(2) 确定评价集(Y)

根据江仓四井田矿区的实际情况，将矿山地质环境影响程度等级分为三级，即评价集为：

(3) 确定权系数(X)

本文模糊数学评价采用“从局部到全部，从典型的一般”的方法，即先根据经验给定一组权系数，然后选取若干个评价单元，依据定性评价结果进行逐步修正最后得出权系数。

(4) 确定一级评价因素的隶属度(函数)。

(5) 进行一级模糊综合评价，得出二级模糊综合评价的隶属度，依次逐级进行评价，最后得出评价结果。

(6) 以定性分析为基础，进行模糊综合评判运算并分析评判结果之合理性。

(7) 研究区网格单元模糊综合评判。利用GIS空间栅格叠加分析功能，对研究单元进行一级模糊综合评价，得出二级模糊综合评价的隶属度，依次逐级进行评价，最后得出评价结果。评价完毕后，进行评价结果分析，若评价结果符合实际情况，切实可行，则可进行下一步，即编制质量现状综合评价成果图，若不合理，则应返回第一步，重新分析矿山地质环境要素，重复评价步骤，再次分析评价，直到评价结果和实际情况相符为止。评价结果分析经检验合格后，得到矿山地质环境影响程度综合评价图，如图3所示。

根据评价结果可以看出，影响严重区面积为0.49 km2；占总研究面积的4.9%；影响较严重区面积为2.134 km2，占总研究面积的21.5%；影响一般区面积为7.313 5 km2，占总研究面积的73.6%。

6结论与讨论

图3　基于GIS的矿山地质环境影响程度多级模糊评价结果图

根据高寒区江仓煤矿四井田地质环境条件，运用基于GIS的矿山地质环境影响程度多级模糊评价方法将矿山地质环境影响程度划分为严重、较严重和一般3个区。研究结果表明：(1) 矿山环境影响严重区主要分布于露天采坑西部地区。由于矿区采矿活动使原有的地层被开挖或被占压，热平衡被打破，占用区域周围的冻土层不断地扩大其热融范围，地表水不断地下渗，致使地表植被赖以生存的水分越来越少，沼泽草甸向高寒草甸退化的速度越来越快，其影响面积也会随着时间的推移而不断增加。由于矿坑积水直接排入江仓河，没有经过沉淀和其他处理，矿部生活区的废水、废物随意乱排、堆放，都会对地下水或地表水造成污染。本区发育4处滑坡、1处热融滑塌、1条热融泥流带。4处滑坡都出现在露天采坑南坡，热融滑塌和热融泥流分别分布在露天采坑的北坡，地质灾害危害程度均为严重。

(2) 矿山环境影响较严重区。该区主要包括炸药库、地表塌陷、工业广场、生活区、储煤场、排岩场、露天采坑东部的小部分及部分施工道路。该区的人类工程活动对冻土层产生了一定的破坏，并进而加剧了沼泽草甸退化和土地荒漠化的趋势。而且炸药库属于危险建筑、设施，如管理不善，将造成严重后果。此外，由于占压土地会破坏冻土层的生态功能，可能导致冻融沉陷的产生，进而破坏建筑设施。本区还包括2个冻融沉陷地质灾害点，危害程度较轻；2段潜在不稳定斜坡，危害程度较严重。

(3) 矿山环境影响一般区分布于矿山外围。这个区受到采矿活动的影响较小，只有少量植被将被占压，没有发生地质灾害的可能性，地质环境质量较好，地质环境影响程度一般。

基于GIS的矿山地质环境影响程度模糊评价方法将GIS技术引入矿山地质环境影响程度评价研究之中，达到了定性、定量以及定位相结合，使评价更加科学化和实用化。然而，矿山地质环境本身是一个复杂的体系，因而适当地从矿山地质环境要素的诸多环境因子中筛选评价因子，并选择合适的GIS数据表达和处理方法，选取可靠的评价模型是矿山地质环境影响程度综合评价的核心内容，同时也是评价成败的关键。

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FUZZY EVALUATION BASED ON GIS OF QINGHAI PROVINCE ALPINE MINE GEOLOGICAL ENVIRONMENT OF INFLUENCE DEGREE

YUAN Su-feng1,LI Xin2,YANG Ya-hui2

(1.Shanxi Provincial Transport Planning Design,Xi’an710065, China;2.CHang’an University,Xi’an710064, China)

Abstract:The mineral resources of Qinghai province are mainly distributed in the Tibetan Plateau, in the area of vulnerable ecological environment. It has a unique geological environment conditions, where there is a prominent contradict between ecologically environmental protection and the exploiting of minerals. This paper takes the 4th mine of Jiangcang coal mine as an example, which lies in the upstream of the Datong river in East of Qinghai Province. The main mine geological elements which affect the quality of mine geological environment are summarized into two categories: natural factor and human factor. In order to realize the quantification of a few influent factors and evaluating factors as soon as possible, the evaluating factor is divided into 3 grades, and then the impact assessment system evaluating the mine geological environment is established. Under the support of GIS, we establish a database of evaluating factors about impact degree. Using the spatial grid overlay analysis function of GIS and three-fuzzy synthesize evaluation to assess synthetically the influence degree of mining geological environment, we draw up the map assessing mine geological environment degree. The mine geological environment influence multi-fuzzy evaluation method which based on the GIS, introduced GIS technology and fuzzy mathematics theory into the mine geological environment influence evaluation, achieving a combination of qualitative and quantitative, and thus provide a more accurate information to protect and manage the damaged mine geological environment.

Key words：Tibetan Plateau, Qinghai province; geological environment of mining; geographic information system; three-fuzzy synthesize evaluation

作者简介：袁素凤(1968-)，女，辽宁北镇人，高级工程师，1991年毕业于西安地质学院水文地质工程地质专业，主要从事公路工程勘察、地质灾害防治评价等工作。E-mail：843202132@qq.com

中图分类号：TD167

文献标识码：A

收稿日期：2015-12-04改回日期：2016-01-17

文章编号：1006-4362(2016)01-0091-07